李華雷，烏日?qǐng)D

（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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)廠家的壓力越來(lái)越大，用戶對(duì)產(chǎn)品各方面的要求越來(lái)越高。因此必須采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的互相滲透和結(jié)合，產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與輔助制造。曲軸是機(jī)械中最重要的零件之一，同時(shí)也是價(jià)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(wú)疑是保障機(jī)器正常運(yùn)行的條件。曲軸設(shè)計(jì)是否可靠，對(duì)機(jī)器的使用壽命有很大的影響。

1 基于CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)軟件的曲軸三維模型

CAXA 實(shí)體設(shè)計(jì)是一套解決機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、虛擬裝配與設(shè)計(jì)驗(yàn)證、產(chǎn)品的虛擬展示與評(píng)價(jià)（真實(shí)效果渲染與動(dòng)畫(huà)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(gè)模型的建模過(guò)程，也可讓用戶隨意修改及傳達(dá)模型建構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，可以隨時(shí)改變模型尺寸，更新并永遠(yuǎn)保持最正確的設(shè)計(jì)。另外，該軟件系統(tǒng)自帶的設(shè)計(jì)元素庫(kù)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(diǎn)，利用元素庫(kù)中的“圓柱體”圖素，運(yùn)用三維球這一獨(dú)有工具完成曲軸實(shí)體模型的構(gòu)建，如圖1所示。該曲軸共有2個(gè)連桿軸頸和3個(gè)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(zhǎng)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(shí)際工況。在對(duì)曲軸實(shí)體建模過(guò)程中，根據(jù)以往其他學(xué)者在機(jī)械結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算方面的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為小圓角和細(xì)油孔對(duì)曲軸整體結(jié)構(gòu)動(dòng)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(guò)【File】→【Import】→【IGES】導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行分析［2］。

為了便于對(duì)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(gè)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(diǎn)的單元，可以利用更復(fù)雜的形狀函數(shù)，計(jì)算精度相對(duì)較高，更接近于實(shí)際。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算工作量劃分網(wǎng)格，得到節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為32 419，單元個(gè)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(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性（固有頻率和振型），它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)［3］。曲軸在周期性變化的動(dòng)載荷作用下很有可能在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈共振，動(dòng)應(yīng)力急劇增大，致使其過(guò)早地出現(xiàn)疲勞破壞，普通的靜力設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)已不能滿足要求，而動(dòng)力設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)模擬就顯得非常重要，因此，有必要對(duì)曲軸進(jìn)行模態(tài)分析。在模態(tài)分析時(shí)，曲軸的彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷在模態(tài)提取時(shí)將被忽略，程序會(huì)計(jì)算出相應(yīng)于所加載荷的載荷向量，并將這些向量寫(xiě)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(shí)體模型

圖2 曲軸有限元網(wǎng)格模型

從計(jì)算的各階固有振型來(lái)看，曲軸在按固有振型振動(dòng)時(shí)，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(kāi)CAXA 實(shí)體設(shè)計(jì)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(duì)話框，填寫(xiě)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(duì)象（左鍵拾取，右鍵確認(rèn)），改變曲面方向后右擊，系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)算并自動(dòng)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(duì)話框；填寫(xiě)存儲(chǔ)參數(shù)后，可選擇“Fanuc＿5x＿HBHC”、“Fanuc＿5x＿HBTA”、“Fanuc＿5x＿TATC＿沈陽(yáng)機(jī)床VMC0656e”三個(gè)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(kāi)CAXA 編譯助手2.3，單擊【打開(kāi)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(duì)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(jì)過(guò)程中引入CAD／CAE／CAM 技術(shù)可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期和節(jié)約開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

［1］ 張靜，霍紅，陳艷華.CAXA 實(shí)體設(shè)計(jì)2011輔助設(shè)計(jì)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(mén)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(jì)與制造，2008（9）：107－108.

［4］ 劉江.CAXA 多軸數(shù)控加工典型實(shí)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.