陳京奪，高瑞兵，王中亮，田亞平

（蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730000）

“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”是一門培養(yǎng)學(xué)生綜合能力{1}的實(shí)踐教學(xué)課程，是機(jī)械課程中的重要環(huán)節(jié)，也是機(jī)械類專業(yè)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)主要是理論設(shè)計(jì)計(jì)算與校核，在Auto CAD 中繪制零件圖，在A0 圖紙上手工繪制二維平面裝配圖，這種教學(xué)設(shè)計(jì)方式極易使基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生感覺到枯燥乏味。不管是前期設(shè)計(jì)計(jì)算校核，還是后期制圖過程，都會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間。在第十二屆全國(guó)人大三次會(huì)議上提出的“中國(guó)制造2025”與“互聯(lián)網(wǎng)+”的融合強(qiáng)調(diào)了傳統(tǒng)制造業(yè)與新興技術(shù)相融合的制造過程[1]。傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)能使理論知識(shí)和設(shè)計(jì)實(shí)踐密切結(jié)合，但與生產(chǎn)實(shí)踐缺乏聯(lián)系。因此，將傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、三維輔助設(shè)計(jì)、智能制造技術(shù)相結(jié)合的制造過程更符合中國(guó)制造業(yè)的發(fā)展國(guó)情，也可以使學(xué)生更好地適應(yīng)社會(huì)對(duì)綜合型人才的需求。

近年來，隨著創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育[2]新理念的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)在“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”中的廣泛應(yīng)用，許多高校都已經(jīng)將CAD/CAM 技術(shù)運(yùn)用到了課程設(shè)計(jì)的各個(gè)階段[3]。這種新方式不僅考察了學(xué)生對(duì)現(xiàn)有知識(shí)的運(yùn)用能力，而且增強(qiáng)了學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力和運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)解決實(shí)際問題的能力。

本文在傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展，借助三維設(shè)計(jì)軟件實(shí)施了減速器的參數(shù)化建模，對(duì)重要零部件建立有限元模型[4]分析，確保其滿足強(qiáng)度要求。根據(jù)建立的三維模型借助于UP Plus 2 3D 打印機(jī)采用熔融沉積成型的加工方法打印成品模型。此方法不僅滿足了課程設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)的訓(xùn)練需要，而且通過計(jì)算、建模與制造相結(jié)合的方式提高了學(xué)生對(duì)減速器的感性認(rèn)識(shí)、實(shí)際動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，難度適中，打印出的實(shí)體模型可以讓學(xué)生觀摩、拆解和學(xué)習(xí)或作為學(xué)生課程設(shè)計(jì)結(jié)果的一種評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

1 參數(shù)化建模及軸的強(qiáng)度分析

1.1 齒輪軸的設(shè)計(jì)及參數(shù)化建模

以二級(jí)展開式斜齒圓柱齒輪減速器為例，基于傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)減速器零部件尺寸設(shè)計(jì)、計(jì)算，通過Solidworks 三維設(shè)計(jì)軟件在虛擬三維空間下進(jìn)行各個(gè)零部件地建模與裝配，使操作者能直觀感受到減速器各個(gè)零部件的裝配關(guān)系以及軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在裝配中體現(xiàn)出的合理性與不足，方便進(jìn)一步對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化與改善，彌補(bǔ)了目前減速器設(shè)計(jì)過程中學(xué)生對(duì)減速器認(rèn)識(shí)不足和尺規(guī)制圖過程中的煩瑣與修改的不便。以減速器中高速齒輪軸為例，敘述齒輪和軸的參數(shù)化建模過程。

齒輪標(biāo)準(zhǔn)齒廓參數(shù)方程式[5]為：

式（1）中：mn為法向模數(shù)；d 為分度圓直徑；z 為模數(shù)；β 為螺旋角；a 為中心距；b 為齒厚。

借助于Solidworks 中邁迪圓柱齒輪設(shè)計(jì)插件，只需輸入高速級(jí)兩齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、螺旋角、壓力角、齒寬等參數(shù)就能自動(dòng)生成尺寸參數(shù)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模過程，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)和計(jì)算，也方便后續(xù)的優(yōu)化和更改，只需更改設(shè)計(jì)參數(shù)即可自動(dòng)生成。此方法中斜齒輪齒形齒廓采用漸開線原理自動(dòng)繪制，其操作界面如圖1 所示，點(diǎn)擊生成齒輪1 即可自動(dòng)生成高速級(jí)小齒輪，如圖2 所示。

圖1 齒輪參數(shù)化建模操作界面

圖2 高速級(jí)小齒輪參數(shù)化建模

軸所承受的載荷方程式[5]為：

式（2）中：P 為功率；n 為轉(zhuǎn)速；T 為轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)軸與齒輪、軸承等零件的配合關(guān)系，軸在箱體中所處位置以及軸所受載荷設(shè)計(jì)軸的各段長(zhǎng)度與直徑。在前述自動(dòng)生成的高速級(jí)小齒輪的基礎(chǔ)上以軸的幾何中心線為基準(zhǔn)，采用截面旋轉(zhuǎn)法[6]繪制二維草圖，使用旋轉(zhuǎn)特征得到軸的實(shí)體模型并繪制相應(yīng)的鍵槽，所建立高速齒輪軸模型如圖3 所示。

在Solidworks 中虛擬裝配環(huán)境下對(duì)減速器零部件進(jìn)行裝配。首先將軸上零件根據(jù)裝配關(guān)系通過同軸心、重合、平行、相切等命令依次進(jìn)行裝配，以箱座為基準(zhǔn)將軸系進(jìn)行裝配，根據(jù)齒輪嚙合關(guān)系采用機(jī)械配合中齒輪命令配合相互嚙合的齒輪，最后將上箱體、端蓋、螺釘、螺母等零部件進(jìn)行裝配，虛擬環(huán)境下的減速器裝配模型如圖4 所示。

圖3 高速齒輪軸模型

圖4 減速器裝配模型

1.2 基于Simulation 的轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度分析

目前“機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)”中零部件強(qiáng)度校核是一個(gè)極其煩瑣的過程，以軸的設(shè)計(jì)校核為例，傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)中軸的校核首先根據(jù)軸上齒輪所受的圓周力、徑向力和軸向力分析計(jì)算軸上載荷，考慮到危險(xiǎn)截面應(yīng)力集中的現(xiàn)象，畫出軸的轉(zhuǎn)矩圖和水平面、垂直面的彎矩圖，重點(diǎn)分析危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度是否符合條件。這種純理論的計(jì)算過程不僅枯燥乏味，且計(jì)算結(jié)果極易出現(xiàn)錯(cuò)誤，還存在較大的誤差。而Solidworks軟件中不僅包含了建模裝配模塊，也有諸如應(yīng)力應(yīng)變分析Simulation、運(yùn)動(dòng)分析Motion 等插件可以使用。在運(yùn)動(dòng)分析Motion 插件中通過設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)仿真算例。比如添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)可以很好地觀察減速器中齒輪嚙合情況，以此增強(qiáng)設(shè)計(jì)者的直觀感受，方便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。而Simulation 插件可以根據(jù)設(shè)計(jì)算例對(duì)零件進(jìn)行有限元分析，在相應(yīng)的零件表面定義約束、添加相應(yīng)的力和扭矩，建立有限元模型，求解模型后得到分析結(jié)果圖，根據(jù)分析結(jié)果可直觀看到零部件受力變形后的變形程度以及危險(xiǎn)截面的受載情況。其分析過程簡(jiǎn)潔、校核結(jié)果準(zhǔn)確、可靠度較高，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)校核過程中煩瑣且容易出錯(cuò)的缺點(diǎn)。

以減速器中低速軸為例，低速軸的材料為45 調(diào)質(zhì)鋼，該材料經(jīng)調(diào)質(zhì)后屈服強(qiáng)度極限為355 MPa，根據(jù)低速軸在減速器中的受力特性，在Simulation 插件中設(shè)計(jì)新算例并對(duì)已完成的軸的模型添加相應(yīng)載荷，經(jīng)過網(wǎng)格化處理建立有限元模型，如圖5 所示，求解有限元模型后結(jié)果如圖6 所示，分析結(jié)果最終得到低速軸的最大Von Mises 應(yīng)力值為142 MPa，最大URES 位移為9.515e-02 mm，最大ESTRN 應(yīng)變值為4.204e-04，滿足低速軸的強(qiáng)度要求（其他軸校核情況類似，均滿足設(shè)計(jì)需求）。

圖5 低速軸有限元模型

圖6 低速軸分析結(jié)果

2 減速器零部件3D 打印

3D 打印又稱增材制造，起源于20 世紀(jì)90年代中期，近年來在各種行業(yè)得到了快速地發(fā)展。目前較為成熟的加工方法根據(jù)其類型的不同，主要有熔融沉積成型（FDM）、粉末層噴頭3D 打印、分層實(shí)體制造（LOM）、立體平板印刷（SLA）等，而熔融沉積成型（FDM）應(yīng)用最為廣泛[7]。熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，簡(jiǎn)稱FDM）是一種利用熱塑性材料的熱熔性、黏結(jié)性，將各種熱塑性材料（如工程塑料ABS、聚乳酸PLA 等）進(jìn)行加熱熔化進(jìn)而堆積成型的加工方法[8]。本文選用熔融沉積成型（FDM）加工方法進(jìn)行減速器的制造，材料選擇熱塑性較好的ABS，設(shè)備選擇UP Plus 2型3D 打印機(jī)。

2.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

STL 文件格式是3D 打印的標(biāo)準(zhǔn)文件格式，一般三維軟件中的默認(rèn)格式都可以轉(zhuǎn)換為STL 格式。在Solidworks 中將減速器各零件的模型文件由SLDPRT 格式轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)格式STL，導(dǎo)入U(xiǎn)P Plus 2 打印機(jī)對(duì)應(yīng)軟件UP Studio 中即可進(jìn)行3D 打印。

2.2 編輯視圖模型并打印

考慮到模型成型時(shí)間、成型質(zhì)量和支撐材料的自動(dòng)填充等，通過旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、縮放等命令，將模型放置于虛擬平臺(tái)的適當(dāng)位置，這樣有助于提高成型的質(zhì)量，縮短成型所需的時(shí)間。編輯好的試圖模型如圖7 所示。

在UP Studio 軟件中首先初始化并調(diào)整好打印設(shè)備，設(shè)置層片厚度、填充方式、補(bǔ)償高度、有無底座、是否添加支撐等打印參數(shù)。根據(jù)精度的需要、結(jié)構(gòu)的不同選擇合理的層片厚度和填充方式，如圖8 所示進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。打印完成后需檢驗(yàn)樣件的精度、成型質(zhì)量。因表面成型質(zhì)量較好，尺寸精確滿足其裝配要求，只需去除樣件的支撐材料，對(duì)部分表面進(jìn)行打磨等后處理。將處理完的零部件按裝配關(guān)系組裝完成后模型如圖9 所示。結(jié)果表明，此方式打印出的減速器模型運(yùn)行流暢，且裝配精度較高，可進(jìn)行后續(xù)的評(píng)估與優(yōu)化，滿足課程設(shè)計(jì)的需要。

圖7 編輯視圖模型

圖8 打印參數(shù)設(shè)置

3 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，以二級(jí)展開式減速器中的不同軸系零部件為例，在傳統(tǒng)減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算基礎(chǔ)上重點(diǎn)討論了其參數(shù)化建模、重要零部件Simulation 強(qiáng)度分析、虛擬裝配以及基于熔融沉積成型（FDM）原理的3D打印方法制造箱體實(shí)物模型的工藝流程。課程設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模以及智能制造工藝相結(jié)合的新方式不僅滿足了學(xué)習(xí)過程中課程設(shè)計(jì)的需要，更在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了加深與拓展，可以使學(xué)生和老師對(duì)所打印模型進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)與觀察，更體現(xiàn)出了理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)思想；培養(yǎng)了學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，提升了其分析問題、解決問題的能力，并鍛煉了團(tuán)結(jié)合作、相互配合的能力。

圖9 裝配模型