CAD／CAE／CAM 技術(shù)在曲軸設(shè)計制造中的應(yīng)用

李華雷，烏日圖

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，市場競爭對廠家的壓力越來越大，用戶對產(chǎn)品各方面的要求越來越高。因此必須采用先進(jìn)的設(shè)計及制造技術(shù)才可以滿足行業(yè)的發(fā)展。上世紀(jì)末，由于計算機(jī)技術(shù)與機(jī)械設(shè)計和制造技術(shù)的互相滲透和結(jié)合，產(chǎn)生了計算機(jī)輔助設(shè)計與輔助制造。曲軸是機(jī)械中最重要的零件之一，同時也是價格較昂貴的零件之一，曲軸的強(qiáng)度、剛度能直接決定機(jī)械產(chǎn)品本身的性能，強(qiáng)度足夠、重量適中的曲軸無疑是保障機(jī)器正常運行的條件。曲軸設(shè)計是否可靠，對機(jī)器的使用壽命有很大的影響。

1 基于CAXA實體設(shè)計軟件的曲軸三維模型

CAXA 實體設(shè)計是一套解決機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計、總體設(shè)計、零件設(shè)計、虛擬裝配與設(shè)計驗證、產(chǎn)品的虛擬展示與評價（真實效果渲染與動畫模擬仿真）、二維工程圖生成的一體化軟件。它既能合理有效地記錄整個模型的建模過程，也可讓用戶隨意修改及傳達(dá)模型建構(gòu)的設(shè)計理念，可以隨時改變模型尺寸，更新并永遠(yuǎn)保持最正確的設(shè)計。另外，該軟件系統(tǒng)自帶的設(shè)計元素庫為三維模型的建立提供了很大的方便［1］。

本文根據(jù)曲軸的自身特點，利用元素庫中的“圓柱體”圖素，運用三維球這一獨有工具完成曲軸實體模型的構(gòu)建，如圖1所示。該曲軸共有2個連桿軸頸和3個主軸頸，其主要尺寸參數(shù)如下：連桿軸頸直徑為Φ35mm 和Φ35mm；主軸頸直徑為Φ35mm、Φ35mm和Φ30mm。曲軸總長Φ380mm，材料為QT700－2，其屈服極限為420 MPa，彈性模量為169GPa，泊松比為0.305，密度為7 090kg／m3，抗剪模量為64.7GPa。將此文件保存為IGES格式。

2 基于ANSYS的三維有限元分析

有限元建模采用三維模型，邊界條件及載荷都盡量逼近實際工況。在對曲軸實體建模過程中，根據(jù)以往其他學(xué)者在機(jī)械結(jié)構(gòu)模態(tài)計算方面的經(jīng)驗，認(rèn)為小圓角和細(xì)油孔對曲軸整體結(jié)構(gòu)動力學(xué)影響很小，故忽略半徑小于5 mm 的圓角和直徑小于Φ12 mm 的油道。將上述已經(jīng)建立好的模型，通過【File】→【Import】→【IGES】導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行分析［2］。

為了便于對曲軸上不同部位按要求劃分網(wǎng)格，采用布爾操作將各部分幾何體連接為一個整體。曲軸上的連桿軸頸和主軸頸采用六面體單元，其他部分采用角錐的自由網(wǎng)格劃分。由于采用了三維8 節(jié)點的單元，可以利用更復(fù)雜的形狀函數(shù)，計算精度相對較高，更接近于實際。綜合考慮計算精度和計算工作量劃分網(wǎng)格，得到節(jié)點個數(shù)為32 419，單元個數(shù)為49 362。最終得到的曲軸有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

模態(tài)分析用于確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性（固有頻率和振型），它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)［3］。曲軸在周期性變化的動載荷作用下很有可能在高速旋轉(zhuǎn)時發(fā)生強(qiáng)烈共振，動應(yīng)力急劇增大，致使其過早地出現(xiàn)疲勞破壞，普通的靜力設(shè)計和經(jīng)驗設(shè)計已不能滿足要求，而動力設(shè)計和計算機(jī)模擬就顯得非常重要，因此，有必要對曲軸進(jìn)行模態(tài)分析。在模態(tài)分析時，曲軸的彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷在模態(tài)提取時將被忽略，程序會計算出相應(yīng)于所加載荷的載荷向量，并將這些向量寫到振型文件中以便在模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析中使用。此次分析采用區(qū)塊Lanczos法，得到曲軸的前5階固有頻率的模態(tài)振型圖，如圖3所示。

圖1 曲軸三維實體模型

圖2 曲軸有限元網(wǎng)格模型

從計算的各階固有振型來看，曲軸在按固有振型振動時，主軸頸、連桿軸頸的變形較小。因此，發(fā)生共振的可能性較小。

圖3 曲軸的前5階模態(tài)振型

3 基于CAXA制造工程師的模擬數(shù)控加工

打開CAXA 實體設(shè)計中保存的IGES格式文件，單擊【加工】→【多軸加工】→【五軸等高精度加工】命令，系統(tǒng)彈出對話框，填寫加工參數(shù)表，完成后單擊“確定”，根據(jù)狀態(tài)欄的提示，拾取加工對象（左鍵拾取，右鍵確認(rèn)），改變曲面方向后右擊，系統(tǒng)開始計算并自動生成刀具軌跡，如圖4所示［4，5］。

圖4 刀具軌跡生成

在工具欄上單擊【加工】→【后置處理2】→【生成G代碼】命令，系統(tǒng)彈出對話框；填寫存儲參數(shù)后，可選擇“Fanuc＿5x＿HBHC”、“Fanuc＿5x＿HBTA”、“Fanuc＿5x＿TATC＿沈陽機(jī)床VMC0656e”三個后置文件。選擇結(jié)束后，單擊“確定”，生成加工代碼，保存為“NC0021.cut”，如圖5所示。

最后，打開CAXA 編譯助手2.3，單擊【打開文件】→【NC0021.cut】命令（如圖6所示），最后檢查刀具軌跡，完善程序。

圖5 加工代碼

圖6 編譯助手仿真

4 總結(jié)

本文使用CAXA 系列軟件和ANSYS 軟件相結(jié)合，對曲軸進(jìn)行了三維建模、模態(tài)分析和模擬數(shù)控加工。研究結(jié)果表明，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計過程中引入CAD／CAE／CAM 技術(shù)可以大大縮短開發(fā)周期和節(jié)約開發(fā)費用。

［1］ 張靜，霍紅，陳艷華.CAXA 實體設(shè)計2011輔助設(shè)計與制作技能基礎(chǔ)教程［M］.北京：印刷工業(yè)出版社，2012.

［2］ 張應(yīng)遷，張洪才.ANSYS有限元分析從入門到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［3］ 樊曉霞，張建斌，李海剛.基于ANSYS的六缸柴油機(jī)曲軸的模態(tài)分析［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2008（9）：107－108.

［4］ 劉江.CAXA 多軸數(shù)控加工典型實例詳解［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［5］ 姬彥巧.CAXA 制造工程師2011與CAXA 數(shù)控車［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.