CAD／CAE／CAM 技术在曲轴设计制造中的应用

李华雷，乌日图

（内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

随着机械工业的发展，市场竞争对厂家的压力越来越大，用户对产品各方面的要求越来越高。因此必须采用先进的设计及制造技术才可以满足行业的发展。上世纪末，由于计算机技术与机械设计和制造技术的互相渗透和结合，产生了计算机辅助设计与辅助制造。曲轴是机械中最重要的零件之一，同时也是价格较昂贵的零件之一，曲轴的强度、刚度能直接决定机械产品本身的性能，强度足够、重量适中的曲轴无疑是保障机器正常运行的条件。曲轴设计是否可靠，对机器的使用寿命有很大的影响。

1 基于CAXA实体设计软件的曲轴三维模型

CAXA 实体设计是一套解决机械产品概念设计、总体设计、零件设计、虚拟装配与设计验证、产品的虚拟展示与评价（真实效果渲染与动画模拟仿真）、二维工程图生成的一体化软件。它既能合理有效地记录整个模型的建模过程，也可让用户随意修改及传达模型建构的设计理念，可以随时改变模型尺寸，更新并永远保持最正确的设计。另外，该软件系统自带的设计元素库为三维模型的建立提供了很大的方便［1］。

本文根据曲轴的自身特点，利用元素库中的“圆柱体”图素，运用三维球这一独有工具完成曲轴实体模型的构建，如图1所示。该曲轴共有2个连杆轴颈和3个主轴颈，其主要尺寸参数如下：连杆轴颈直径为Φ35mm 和Φ35mm；主轴颈直径为Φ35mm、Φ35mm和Φ30mm。曲轴总长Φ380mm，材料为QT700－2，其屈服极限为420 MPa，弹性模量为169GPa，泊松比为0.305，密度为7 090kg／m3，抗剪模量为64.7GPa。将此文件保存为IGES格式。

2 基于ANSYS的三维有限元分析

有限元建模采用三维模型，边界条件及载荷都尽量逼近实际工况。在对曲轴实体建模过程中，根据以往其他学者在机械结构模态计算方面的经验，认为小圆角和细油孔对曲轴整体结构动力学影响很小，故忽略半径小于5 mm 的圆角和直径小于Φ12 mm 的油道。将上述已经建立好的模型，通过【File】→【Import】→【IGES】导入ANSYS进行分析［2］。

为了便于对曲轴上不同部位按要求划分网格，采用布尔操作将各部分几何体连接为一个整体。曲轴上的连杆轴颈和主轴颈采用六面体单元，其他部分采用角锥的自由网格划分。由于采用了三维8 节点的单元，可以利用更复杂的形状函数，计算精度相对较高，更接近于实际。综合考虑计算精度和计算工作量划分网格，得到节点个数为32 419，单元个数为49 362。最终得到的曲轴有限元网格模型如图2所示。

模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数［3］。曲轴在周期性变化的动载荷作用下很有可能在高速旋转时发生强烈共振，动应力急剧增大，致使其过早地出现疲劳破坏，普通的静力设计和经验设计已不能满足要求，而动力设计和计算机模拟就显得非常重要，因此，有必要对曲轴进行模态分析。在模态分析时，曲轴的弯曲载荷和扭转载荷在模态提取时将被忽略，程序会计算出相应于所加载荷的载荷向量，并将这些向量写到振型文件中以便在模态叠加法谐响应分析中使用。此次分析采用区块Lanczos法，得到曲轴的前5阶固有频率的模态振型图，如图3所示。

图1 曲轴三维实体模型

图2 曲轴有限元网格模型

从计算的各阶固有振型来看，曲轴在按固有振型振动时，主轴颈、连杆轴颈的变形较小。因此，发生共振的可能性较小。

图3 曲轴的前5阶模态振型

3 基于CAXA制造工程师的模拟数控加工

打开CAXA 实体设计中保存的IGES格式文件，单击【加工】→【多轴加工】→【五轴等高精度加工】命令，系统弹出对话框，填写加工参数表，完成后单击“确定”，根据状态栏的提示，拾取加工对象（左键拾取，右键确认），改变曲面方向后右击，系统开始计算并自动生成刀具轨迹，如图4所示［4，5］。

图4 刀具轨迹生成

在工具栏上单击【加工】→【后置处理2】→【生成G代码】命令，系统弹出对话框；填写存储参数后，可选择“Fanuc＿5x＿HBHC”、“Fanuc＿5x＿HBTA”、“Fanuc＿5x＿TATC＿沈阳机床VMC0656e”三个后置文件。选择结束后，单击“确定”，生成加工代码，保存为“NC0021.cut”，如图5所示。

最后，打开CAXA 编译助手2.3，单击【打开文件】→【NC0021.cut】命令（如图6所示），最后检查刀具轨迹，完善程序。

图5 加工代码

图6 编译助手仿真

4 总结

本文使用CAXA 系列软件和ANSYS 软件相结合，对曲轴进行了三维建模、模态分析和模拟数控加工。研究结果表明，在机械产品设计过程中引入CAD／CAE／CAM 技术可以大大缩短开发周期和节约开发费用。

［1］ 张静，霍红，陈艳华.CAXA 实体设计2011辅助设计与制作技能基础教程［M］.北京：印刷工业出版社，2012.

［2］ 张应迁，张洪才.ANSYS有限元分析从入门到精通［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［3］ 樊晓霞，张建斌，李海刚.基于ANSYS的六缸柴油机曲轴的模态分析［J］.机械设计与制造，2008（9）：107－108.

［4］ 刘江.CAXA 多轴数控加工典型实例详解［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［5］ 姬彦巧.CAXA 制造工程师2011与CAXA 数控车［M］.北京：化学工业出版社，2012.