CAD／CAE／CAM 技術在曲軸設計制造中的應用

李華雷，烏日圖

（內蒙古工業大學 機械學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

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

1 基于CAXA實體設計軟件的曲軸三維模型

CAXA 實體設計是一套解決機械產品概念設計、總體設計、零件設計、虛擬裝配與設計驗證、產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模型建構的設計理念，可以隨時改變模型尺寸，更新并永遠保持最正確的設計。另外，該軟件系統自帶的設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，根據以往其他學者在機械結構模態計算方面的經驗，認為小圓角和細油孔對曲軸整體結構動力學影響很小，故忽略半徑小于5 mm 的圓角和直徑小于Φ12 mm 的油道。將上述已經建立好的模型，通過【File】→【Import】→【IGES】導入ANSYS進行分析［2］。

為了便于對曲軸上不同部位按要求劃分網格，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格劃分。由于采用了三維8 節點的單元，可以利用更復雜的形狀函數，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格，得到節點個數為32 419，單元個數為49 362。最終得到的曲軸有限元網格模型如圖2所示。

模態分析用于確定設計結構或機器部件的振動特性（固有頻率和振型），它們是承受動態載荷結構設計中的重要參數［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時發生強烈共振，動應力急劇增大，致使其過早地出現疲勞破壞，普通的靜力設計和經驗設計已不能滿足要求，而動力設計和計算機模擬就顯得非常重要，因此，有必要對曲軸進行模態分析。在模態分析時，曲軸的彎曲載荷和扭轉載荷在模態提取時將被忽略，程序會計算出相應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疊加法諧響應分析中使用。此次分析采用區塊Lanczos法，得到曲軸的前5階固有頻率的模態振型圖，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，發生共振的可能性較小。

圖3 曲軸的前5階模態振型

3 基于CAXA制造工程師的模擬數控加工

打開CAXA 實體設計中保存的IGES格式文件，單擊【加工】→【多軸加工】→【五軸等高精度加工】命令，系統彈出對話框，填寫加工參數表，完成后單擊“確定”，根據狀態欄的提示，拾取加工對象（左鍵拾取，右鍵確認），改變曲面方向后右擊，系統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，系統彈出對話框；填寫存儲參數后，可選擇“Fanuc＿5x＿HBHC”、“Fanuc＿5x＿HBTA”、“Fanuc＿5x＿TATC＿沈陽機床VMC0656e”三個后置文件。選擇結束后，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

本文使用CAXA 系列軟件和ANSYS 軟件相結合，對曲軸進行了三維建模、模態分析和模擬數控加工。研究結果表明，在機械產品設計過程中引入CAD／CAE／CAM 技術可以大大縮短開發周期和節約開發費用。

［1］ 張靜，霍紅，陳艷華.CAXA 實體設計2011輔助設計與制作技能基礎教程［M］.北京：印刷工業出版社，2012.

［2］ 張應遷，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的六缸柴油機曲軸的模態分析［J］.機械設計與制造，2008（9）：107－108.

［4］ 劉江.CAXA 多軸數控加工典型實例詳解［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［5］ 姬彥巧.CAXA 制造工程師2011與CAXA 數控車［M］.北京：化學工業出版社，2012.