循序漸進掌握CAD/CAE/CAM技術

安 萍， 吳樹森， 葉升平

（華中科技大學，湖北 武漢 430074）

循序漸進掌握CAD/CAE/CAM技術

安 萍， 吳樹森， 葉升平

（華中科技大學，湖北 武漢 430074）

根據CAD/CAE/CAM技術的特點和各教學課程的適應性，采用分課程側重學習該技術的某些內容、結合生產實際綜合應用各知識點的教學方式，讓學生在大學期間熟練掌握CAD/CAE/CAM技術，成為具有實際動手能力的工程技術人才。

CAD/CAE/CAM技術；3D工程制圖；金工系列課程

隨著信息化時代的到來，尤其是計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助工程(CAE)、計算機輔助制造(CAM)技術的產生，工程設計及制造領域正在發生深刻變化，設計方法已由傳統尺規繪圖設計轉向計算機輔助設計；設計信息傳遞已從單一圖紙向數字化產品模型邁進；制造方式已從簡單生產向數字化、集成化方向發展。機械制造學科教學內容如何緊跟現代制造技術的發展步伐，培養出企業需要的有實踐經驗的工程技術人才呢? 我們跟據CAD/CAE/CAM技術特點和各教學課程的適應性，采用分課程側重學習某些內容、結合生產實際綜合應用各知識，取得了良好的效果。

1 推行“以三維建模為主線促進二維表達”的3D工程制圖教學

3D工程制圖中以“體”為中心，三維CAD/CAE/CAM軟件使產品設計、制造信息傳遞過程形成了完整的三維數據流，反映了物質世界的三維特征。在3D工程制圖教學中，將基于特征造型、參數化三維設計軟件 Inventor，與傳統制圖課件CIA有機地結合起來，從三維造型開始觀察“體”，由“體”出發分析其上“點、線、面”的投影規律，畫出機件二維圖樣。這種從三維空間到二維平面的思維方式，符合設計活動的客觀規律，便于理解和掌握制圖知識。

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，利用Inventor軟件的旋轉功能，將實體模型進行任意位置、任意角度的旋轉，引導學生從不同方位觀察和分析組合體的形狀特點、各基本體之間的組合關系，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。通過三維與二維圖形之間的交替變換，學生可以弄明白以前難以想象出來的形體。對模型內部結構不清楚的地方，還可以采用不同的剖切方式，從不同角度進行動態觀察，把零件的內部形狀搞清楚。通過教師與學生的現場互動，引導學生邊聽課、邊思考、邊提問，培養學生空間想象能力和分析能力，提高了教與學的效率。

華中科技大學近機類工程制圖課共有36學時上機時間。以前只練習平面繪圖，要求學生能用Aoutcad軟件繪制中等復雜程度的零件圖和裝配圖。現在我們調整了上機內容和要求，即弱化二維繪圖，強化三維造型。上學期要求學生了解Aoutcad軟件，能繪制簡單的零件圖；下學期著力培訓三維造型技能，要求學生選用Inventor或UG軟件對中等復雜程度的零件進行三維造型，并能將其生成正確的二維工程圖，同時能對簡單機構進行裝配。這樣調整后，學生即具備了深入學習Aoutcad軟件的基礎，同時又掌握了三維造型基本技能，為后續有限元分析、數控編程、模擬與仿真等課程學習及畢業后的工作奠定了良好基礎。

2 依托金工系列課程的教學優勢學習CAD/CAE/CAM技術

當前，CAD/CAE/CAM技術已滲透到毛坯制造、零件切削加工和產品裝配各個領域。教師通過參加各類學術活動、承擔一定科研任務、與企業合作等途徑不斷充實自己，在教學內容方面努力反映制造業的生產現狀，依托金工系列課程教學優勢分選學習內容，把先進制造技術貫穿于機械制造學科的全過程。

在《機械制造工藝基礎》課程中，將生產現場典型案例濃縮到課堂上討論，讓學生帶著問題去學習和探索，激發學生的求知欲望。采用多種媒體展現CAD/CAE技術對保證產品質量，降低制造成本的實用性，促進學生理解和掌握知識。

例如，如圖3所示，在沖壓教學中，我們以汽車零件油封外夾圈的生產工藝為例，講述工序排列的合理性對沖壓件質量的影響。油封外夾圈的凸緣較高，需翻邊成形。經計算：采用落料→沖孔→翻邊的生產工序，工件變形大、容易翻裂；選用落料→拉深→沖孔→翻邊的生產工序，可保證產品質量。我們使用Autoform 軟件，模擬工件在兩種工藝中的變形過程，觀察翻邊后板料減薄的程度，并將其做成avi動畫，在課堂上演示對比。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，在翻邊過程中，板料在拉應力作用下減薄嚴重，孔的邊緣處被拉裂；如圖5所示，改進后的沖壓工藝，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，可以穩定獲得高質量沖壓件。

圖3 油封外夾圈

圖4 原沖壓工藝

圖5 改進后的沖壓工藝

金工實驗中，教師將鑄件凝固模擬實驗與產品實體制造結合起來，運用CAE技術模擬鑄件的凝固過程，檢驗模擬結果與實體的吻合程度，并引導學生觀察、分析、改進工藝方案，澆注出合格的鑄件來。在實踐中去發現問題和解決問題，有助于學生深刻理解和應用各類知識，提高工程素質和實踐能力。

例如，如圖6所示，手抱佛是金工實驗中需澆注的工藝品，該鑄件中部厚、兩端薄，壁厚不均勻。實驗前，學生先用Inventor軟件對鑄件及其澆注系統進行三維造型并按預定工藝組裝，然后用華鑄CAE軟件模擬液體重力充型時鑄件的凝固過程。如圖7，圖8所示，從模擬結果清楚地看到：在手背上方會產生集中性的縮孔。如圖9所示，實驗中，學生分別在重力作用下和不同離心力作用下澆注該鑄件，結果顯示：重力作用下澆注，手背上方確實產生了集中性縮孔，孔的位置和大小與模擬結果幾乎一致。澆注時隨著模具轉速提高，縮孔逐漸減小，當模具轉速達到720轉/分時，可獲得無縮孔鑄件。

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

金工實習中,我們利用工程訓練中心的良好條件，在數控車削、數控銑削、數控線切割、數控雕刻、加工中心、快速成形、工業機器人等各個實習環節中，都開展了CAD/CAE/CAM教學活動。數控加工實習，開闊了學生眼界，實習中加工對象、加工機床和加工方法雖然不同，但都是利用數字化信息自動控制設備制造零件的過程。通過實體制造，學生認識到數控技術給制造業帶來了巨大變化，應根據產品形狀、大小、材料性能、加工要求、制造成本等不同選擇合適的數控加工方法。

例如，工業機器人示教編程是我校近年來開發的一項實習內容。實習裝置如圖 10所示，主要由一臺通用機器人、一臺弧焊機器人、一臺焊接變位機和配套裝置組成。實習內容分為兩大部分：（1）雙機器人協調焊接T形管；（2）用變位機輔助翻轉焊接汽車后橋。實習過程中，學生需根據焊縫形狀的變化，把機器人運動命令編成程序，輸入到示教編程器中。通過操作編程器按鈕，指揮通用機器人裝卸、夾持工件，控制弧焊機器人按預定的軌跡對工件進行焊接，協調焊接變位機對工件進行翻轉。通過實習，學生直觀地感受到機器人在三維空間焊接復雜形狀工件中的重要作用，對當前工業機器人控制系統和控制技術的先進程度有所了解，掌握了示教編程基本方法。

圖10 焊接機器人實習現場

3 畢業設計中結合生產實際綜合應用CAD/CAE/CAM技術

如圖11所示，大型空心鋼球是E型磨煤機上碾壓煤粉零件，材料為ZG75Cr2MnNiMo耐磨鋼，它的外徑1150mm，內徑850mm，通孔直徑100mm。工作中磨球主要承受煤中堅硬物如石英、鐵塊等產生的切削磨損以及上磨環直接接觸產生的摩擦磨損，不承受較大沖擊力。如圖 12所示，鋼球在E型磨煤機中的使用工況簡圖。在畢業設計中，學生以鑄造大型空心鋼球為課題，綜合應用CAD/CAE/CAM技術，采用消失模鑄造工藝，為企業成功生產出這種鋼球。

圖11 用消失模鑄造方法生產出的鋼球

圖12 鋼球在E型磨煤機中的工況

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

圖13 拼接中的白模

圖14 帶涂料的模樣

澆注前，為檢驗此鑄造工藝方案的合理性，學生先用UG軟件分別對鋼球、冒口、澆注系統進行三維實體造型，如圖 15所示，并按照鑄造工藝圖進行組裝，將其轉存為STL格式文件。然后使用華鑄CAE軟件模擬鋼液的充型過程和凝固過程。

圖15 鋼球的鑄造工藝

如圖 16所示，鑄件凝固模擬的結果表明，縮孔已移至冒口中，鑄件內部僅存留零散的微縮松，不影響鑄件的正常使用。如圖 17所示，鋼液充型過程模擬圖顯示，液體從始至終充型平穩，可以實現順序凝固。模擬結果證明：該鑄造工藝方案是可行的。

圖16 鑄件縮孔、縮松情況

圖17 鋼液充型過程模擬圖

隨后進行澆注。澆注溫度為1550～1560℃。圖 11是用消失模鑄造方法生產出的空心鋼球，可以看到鋼球質量良好，無明顯缺陷。經調質處理后，鋼球的機械性能達到：抗拉強度 σ＞ 800MPa；沖擊韌性；硬度HB＞345，完全滿足生產的需要。

結論：在3D工程制圖教學中有效加強二維表達是對傳統制圖優秀內容的一種保留，引入三維建模及加強二維與三維表達之間的轉換，會使相關知識聯系得更加緊密，適應了現代設計與制造方法的要求；依托金工系列課程學習CAD/CAE/CAM技術，可以發揮課堂教學和實踐教學各自的優勢，有利于感受、理解和掌握CAD/CAE/CAM技術，豐富《機械制造工藝基礎》課程的教學內容；在畢業設計中，結合生產實際綜合應用CAD/CAE/CAM技術，學生可全面理解和掌握各類知識，提高工程素質和實踐能力，成為具有實際動手能力的工程技術人才。

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[6] 劉瑞麗, 葉升平. E型磨煤機鋼球消失模鑄造工藝及數字模擬[J]. 特種鑄造及有色合金, 2011(年會專刊): 300-302.

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

華中科技大學教改項目

安 萍（1959-），女，湖南張家界人, 副教授，學士，主要研究方向為機械制造。E-mail：anping@hust.edu.cn

吳樹森（1961-），男，重慶人, 教授，博士，主要研究方向為材料加工。E-mail：ssw636@hust.edu.cn葉升平（1957-），男，河南安陽人, 教授，碩士，主要研究方向為材料成形。E-mail：yes@hust.edu.cn

Learning of CAD/CAE/CAM Technology Step by Step