循序漸進(jìn)掌握CAD/CAE/CAM技術(shù)

安 萍， 吳樹森， 葉升平

（華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

循序漸進(jìn)掌握CAD/CAE/CAM技術(shù)

安 萍， 吳樹森， 葉升平

（華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

根據(jù)CAD/CAE/CAM技術(shù)的特點(diǎn)和各教學(xué)課程的適應(yīng)性，采用分課程側(cè)重學(xué)習(xí)該技術(shù)的某些內(nèi)容、結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際綜合應(yīng)用各知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)方式，讓學(xué)生在大學(xué)期間熟練掌握CAD/CAE/CAM技術(shù)，成為具有實(shí)際動(dòng)手能力的工程技術(shù)人才。

CAD/CAE/CAM技術(shù)；3D工程制圖；金工系列課程

隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，尤其是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)技術(shù)的產(chǎn)生，工程設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)域正在發(fā)生深刻變化，設(shè)計(jì)方法已由傳統(tǒng)尺規(guī)繪圖設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)信息傳遞已從單一圖紙向數(shù)字化產(chǎn)品模型邁進(jìn)；制造方式已從簡(jiǎn)單生產(chǎn)向數(shù)字化、集成化方向發(fā)展。機(jī)械制造學(xué)科教學(xué)內(nèi)容如何緊跟現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展步伐，培養(yǎng)出企業(yè)需要的有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人才呢? 我們跟據(jù)CAD/CAE/CAM技術(shù)特點(diǎn)和各教學(xué)課程的適應(yīng)性，采用分課程側(cè)重學(xué)習(xí)某些內(nèi)容、結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際綜合應(yīng)用各知識(shí)，取得了良好的效果。

1 推行“以三維建模為主線促進(jìn)二維表達(dá)”的3D工程制圖教學(xué)

3D工程制圖中以“體”為中心，三維CAD/CAE/CAM軟件使產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造信息傳遞過(guò)程形成了完整的三維數(shù)據(jù)流，反映了物質(zhì)世界的三維特征。在3D工程制圖教學(xué)中，將基于特征造型、參數(shù)化三維設(shè)計(jì)軟件 Inventor，與傳統(tǒng)制圖課件CIA有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從三維造型開始觀察“體”，由“體”出發(fā)分析其上“點(diǎn)、線、面”的投影規(guī)律，畫出機(jī)件二維圖樣。這種從三維空間到二維平面的思維方式，符合設(shè)計(jì)活動(dòng)的客觀規(guī)律，便于理解和掌握制圖知識(shí)。

例如：如圖1所示，支架按形體可看成由半圓筒、L形板和肋板三部分組成。L形板與圓筒相交，肋板與圓筒相切，肋板與L形板相接。講課時(shí)，利用Inventor軟件的旋轉(zhuǎn)功能，將實(shí)體模型進(jìn)行任意位置、任意角度的旋轉(zhuǎn)，引導(dǎo)學(xué)生從不同方位觀察和分析組合體的形狀特點(diǎn)、各基本體之間的組合關(guān)系，采用形體分析法輕松地畫出支架的三視圖，如圖2所示。

圖1 支架模型

圖2 支架的三視圖

三維繪圖軟件即能用于三維造型，也能生成模型的二維投影圖。通過(guò)三維與二維圖形之間的交替變換，學(xué)生可以弄明白以前難以想象出來(lái)的形體。對(duì)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清楚的地方，還可以采用不同的剖切方式，從不同角度進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，把零件的內(nèi)部形狀搞清楚。通過(guò)教師與學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生邊聽課、邊思考、邊提問(wèn)，培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力和分析能力，提高了教與學(xué)的效率。

華中科技大學(xué)近機(jī)類工程制圖課共有36學(xué)時(shí)上機(jī)時(shí)間。以前只練習(xí)平面繪圖，要求學(xué)生能用Aoutcad軟件繪制中等復(fù)雜程度的零件圖和裝配圖?，F(xiàn)在我們調(diào)整了上機(jī)內(nèi)容和要求，即弱化二維繪圖，強(qiáng)化三維造型。上學(xué)期要求學(xué)生了解Aoutcad軟件，能繪制簡(jiǎn)單的零件圖；下學(xué)期著力培訓(xùn)三維造型技能，要求學(xué)生選用Inventor或UG軟件對(duì)中等復(fù)雜程度的零件進(jìn)行三維造型，并能將其生成正確的二維工程圖，同時(shí)能對(duì)簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配。這樣調(diào)整后，學(xué)生即具備了深入學(xué)習(xí)Aoutcad軟件的基礎(chǔ)，同時(shí)又掌握了三維造型基本技能，為后續(xù)有限元分析、數(shù)控編程、模擬與仿真等課程學(xué)習(xí)及畢業(yè)后的工作奠定了良好基礎(chǔ)。

2 依托金工系列課程的教學(xué)優(yōu)勢(shì)學(xué)習(xí)CAD/CAE/CAM技術(shù)

當(dāng)前，CAD/CAE/CAM技術(shù)已滲透到毛坯制造、零件切削加工和產(chǎn)品裝配各個(gè)領(lǐng)域。教師通過(guò)參加各類學(xué)術(shù)活動(dòng)、承擔(dān)一定科研任務(wù)、與企業(yè)合作等途徑不斷充實(shí)自己，在教學(xué)內(nèi)容方面努力反映制造業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)狀，依托金工系列課程教學(xué)優(yōu)勢(shì)分選學(xué)習(xí)內(nèi)容，把先進(jìn)制造技術(shù)貫穿于機(jī)械制造學(xué)科的全過(guò)程。

在《機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)》課程中，將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)典型案例濃縮到課堂上討論，讓學(xué)生帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí)和探索，激發(fā)學(xué)生的求知欲望。采用多種媒體展現(xiàn)CAD/CAE技術(shù)對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本的實(shí)用性，促進(jìn)學(xué)生理解和掌握知識(shí)。

例如，如圖3所示，在沖壓教學(xué)中，我們以汽車零件油封外夾圈的生產(chǎn)工藝為例，講述工序排列的合理性對(duì)沖壓件質(zhì)量的影響。油封外夾圈的凸緣較高，需翻邊成形。經(jīng)計(jì)算：采用落料→沖孔→翻邊的生產(chǎn)工序，工件變形大、容易翻裂；選用落料→拉深→沖孔→翻邊的生產(chǎn)工序，可保證產(chǎn)品質(zhì)量。我們使用Autoform 軟件，模擬工件在兩種工藝中的變形過(guò)程，觀察翻邊后板料減薄的程度，并將其做成avi動(dòng)畫，在課堂上演示對(duì)比。如圖4所示，油封外夾圈原沖壓工藝，可以直觀地看到：由于油封外夾圈的凸緣較高，在翻邊過(guò)程中，板料在拉應(yīng)力作用下減薄嚴(yán)重，孔的邊緣處被拉裂；如圖5所示，改進(jìn)后的沖壓工藝，落料后采用先拉深、后沖孔、再翻邊的工序，大大降低了板料變形程度，避免了裂紋生成，可以穩(wěn)定獲得高質(zhì)量沖壓件。

圖3 油封外夾圈

圖4 原沖壓工藝

圖5 改進(jìn)后的沖壓工藝

金工實(shí)驗(yàn)中，教師將鑄件凝固模擬實(shí)驗(yàn)與產(chǎn)品實(shí)體制造結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用CAE技術(shù)模擬鑄件的凝固過(guò)程，檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與實(shí)體的吻合程度，并引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析、改進(jìn)工藝方案，澆注出合格的鑄件來(lái)。在實(shí)踐中去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，有助于學(xué)生深刻理解和應(yīng)用各類知識(shí)，提高工程素質(zhì)和實(shí)踐能力。

例如，如圖6所示，手抱佛是金工實(shí)驗(yàn)中需澆注的工藝品，該鑄件中部厚、兩端薄，壁厚不均勻。實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生先用Inventor軟件對(duì)鑄件及其澆注系統(tǒng)進(jìn)行三維造型并按預(yù)定工藝組裝，然后用華鑄CAE軟件模擬液體重力充型時(shí)鑄件的凝固過(guò)程。如圖7，圖8所示，從模擬結(jié)果清楚地看到：在手背上方會(huì)產(chǎn)生集中性的縮孔。如圖9所示，實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生分別在重力作用下和不同離心力作用下澆注該鑄件，結(jié)果顯示：重力作用下澆注，手背上方確實(shí)產(chǎn)生了集中性縮孔，孔的位置和大小與模擬結(jié)果幾乎一致。澆注時(shí)隨著模具轉(zhuǎn)速提高，縮孔逐漸減小，當(dāng)模具轉(zhuǎn)速達(dá)到720轉(zhuǎn)/分時(shí)，可獲得無(wú)縮孔鑄件。

圖6 手抱佛工藝品

圖8 縮孔

圖9 重力作用下澆注與離心力作用下澆注的比較

金工實(shí)習(xí)中,我們利用工程訓(xùn)練中心的良好條件，在數(shù)控車削、數(shù)控銑削、數(shù)控線切割、數(shù)控雕刻、加工中心、快速成形、工業(yè)機(jī)器人等各個(gè)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)中，都開展了CAD/CAE/CAM教學(xué)活動(dòng)。數(shù)控加工實(shí)習(xí)，開闊了學(xué)生眼界，實(shí)習(xí)中加工對(duì)象、加工機(jī)床和加工方法雖然不同，但都是利用數(shù)字化信息自動(dòng)控制設(shè)備制造零件的過(guò)程。通過(guò)實(shí)體制造，學(xué)生認(rèn)識(shí)到數(shù)控技術(shù)給制造業(yè)帶來(lái)了巨大變化，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品形狀、大小、材料性能、加工要求、制造成本等不同選擇合適的數(shù)控加工方法。

例如，工業(yè)機(jī)器人示教編程是我校近年來(lái)開發(fā)的一項(xiàng)實(shí)習(xí)內(nèi)容。實(shí)習(xí)裝置如圖 10所示，主要由一臺(tái)通用機(jī)器人、一臺(tái)弧焊機(jī)器人、一臺(tái)焊接變位機(jī)和配套裝置組成。實(shí)習(xí)內(nèi)容分為兩大部分：（1）雙機(jī)器人協(xié)調(diào)焊接T形管；（2）用變位機(jī)輔助翻轉(zhuǎn)焊接汽車后橋。實(shí)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生需根據(jù)焊縫形狀的變化，把機(jī)器人運(yùn)動(dòng)命令編成程序，輸入到示教編程器中。通過(guò)操作編程器按鈕，指揮通用機(jī)器人裝卸、夾持工件，控制弧焊機(jī)器人按預(yù)定的軌跡對(duì)工件進(jìn)行焊接，協(xié)調(diào)焊接變位機(jī)對(duì)工件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。通過(guò)實(shí)習(xí)，學(xué)生直觀地感受到機(jī)器人在三維空間焊接復(fù)雜形狀工件中的重要作用，對(duì)當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)和控制技術(shù)的先進(jìn)程度有所了解，掌握了示教編程基本方法。

圖10 焊接機(jī)器人實(shí)習(xí)現(xiàn)場(chǎng)

3 畢業(yè)設(shè)計(jì)中結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際綜合應(yīng)用CAD/CAE/CAM技術(shù)

如圖11所示，大型空心鋼球是E型磨煤機(jī)上碾壓煤粉零件，材料為ZG75Cr2MnNiMo耐磨鋼，它的外徑1150mm，內(nèi)徑850mm，通孔直徑100mm。工作中磨球主要承受煤中堅(jiān)硬物如石英、鐵塊等產(chǎn)生的切削磨損以及上磨環(huán)直接接觸產(chǎn)生的摩擦磨損，不承受較大沖擊力。如圖 12所示，鋼球在E型磨煤機(jī)中的使用工況簡(jiǎn)圖。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，學(xué)生以鑄造大型空心鋼球?yàn)檎n題，綜合應(yīng)用CAD/CAE/CAM技術(shù)，采用消失模鑄造工藝，為企業(yè)成功生產(chǎn)出這種鋼球。

圖11 用消失模鑄造方法生產(chǎn)出的鋼球

圖12 鋼球在E型磨煤機(jī)中的工況

造型前，采用數(shù)控加工方法制造出 12快白模，如圖13所示，將它們粘接成兩個(gè)半球，如圖 14所示，刷涂料后再拼接成一個(gè)球體。將冒口、澆注系統(tǒng)與球體粘接在一起，再次刷涂料、烘干即可。由于鋼液收縮大，為防止鑄件產(chǎn)生縮孔或縮松缺陷，造型時(shí)在球的頂部安放了兩個(gè)冒口，選用中注式澆注系統(tǒng)。

圖13 拼接中的白模

圖14 帶涂料的模樣

澆注前，為檢驗(yàn)此鑄造工藝方案的合理性，學(xué)生先用UG軟件分別對(duì)鋼球、冒口、澆注系統(tǒng)進(jìn)行三維實(shí)體造型，如圖 15所示，并按照鑄造工藝圖進(jìn)行組裝，將其轉(zhuǎn)存為STL格式文件。然后使用華鑄CAE軟件模擬鋼液的充型過(guò)程和凝固過(guò)程。

圖15 鋼球的鑄造工藝

如圖 16所示，鑄件凝固模擬的結(jié)果表明，縮孔已移至冒口中，鑄件內(nèi)部?jī)H存留零散的微縮松，不影響鑄件的正常使用。如圖 17所示，鋼液充型過(guò)程模擬圖顯示，液體從始至終充型平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)順序凝固。模擬結(jié)果證明：該鑄造工藝方案是可行的。

圖16 鑄件縮孔、縮松情況

圖17 鋼液充型過(guò)程模擬圖

隨后進(jìn)行澆注。澆注溫度為1550～1560℃。圖 11是用消失模鑄造方法生產(chǎn)出的空心鋼球，可以看到鋼球質(zhì)量良好，無(wú)明顯缺陷。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，鋼球的機(jī)械性能達(dá)到：抗拉強(qiáng)度 σ＞ 800MPa；沖擊韌性；硬度HB＞345，完全滿足生產(chǎn)的需要。

結(jié)論：在3D工程制圖教學(xué)中有效加強(qiáng)二維表達(dá)是對(duì)傳統(tǒng)制圖優(yōu)秀內(nèi)容的一種保留，引入三維建模及加強(qiáng)二維與三維表達(dá)之間的轉(zhuǎn)換，會(huì)使相關(guān)知識(shí)聯(lián)系得更加緊密，適應(yīng)了現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造方法的要求；依托金工系列課程學(xué)習(xí)CAD/CAE/CAM技術(shù)，可以發(fā)揮課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)各自的優(yōu)勢(shì)，有利于感受、理解和掌握CAD/CAE/CAM技術(shù)，豐富《機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)》課程的教學(xué)內(nèi)容；在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際綜合應(yīng)用CAD/CAE/CAM技術(shù)，學(xué)生可全面理解和掌握各類知識(shí)，提高工程素質(zhì)和實(shí)踐能力，成為具有實(shí)際動(dòng)手能力的工程技術(shù)人才。

[1] 安 萍. 材料成形技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008: 68-74.

[2] 阮春紅, 何健英, 魏迎軍. 3D工程制圖·理論篇[M].武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2011: 89-91.

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An Ping, Wu Shusen, Ye Shenping
( Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Hubei 430074, China )

According tothe characteristics of CAD/CAE/CAM Technology and its adaptivein various courses, with such teaching and learning method as to study some contents in somecertain courses, and to apply various knowledges in design combining with production practice,the students can master the CAD/CAE/CAM Technology during undergraduate period, and canbecome technicians with operation abilities.

CAD/CAE/CAM Technology; 3D drawing; courses in metal processing

TP 391

A

2095-302X (2013)05-0035-05

2013-05-21；定稿日期：2013-07-15

華中科技大學(xué)教改項(xiàng)目

安 萍（1959-），女，湖南張家界人, 副教授，學(xué)士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造。E-mail：anping@hust.edu.cn

吳樹森（1961-），男，重慶人, 教授，博士，主要研究方向?yàn)椴牧霞庸?。E-mail：ssw636@hust.edu.cn葉升平（1957-），男，河南安陽(yáng)人, 教授，碩士，主要研究方向?yàn)椴牧铣尚巍-mail：yes@hust.edu.cn

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