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導(dǎo)讀：本文以定制化生產(chǎn)作為藍(lán)本，借助MCAD工具實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化，再通過產(chǎn)品數(shù)字化貫通研發(fā)與工藝，繼而提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)試錯(cuò)成本。
我國制造業(yè)歷經(jīng)30多年的高速發(fā)展，現(xiàn)已逐漸形成多種經(jīng)營態(tài)勢，例如能源化工冶金類的成批量制造模式，以及裝備制造業(yè)的定制化制造模式。前者產(chǎn)品型號(hào)一旦定型，除非出現(xiàn)較大幅度的升級換代，否則產(chǎn)品一般不會(huì)有明顯的變化，此種模式主比的是效率，次比的是質(zhì)量的穩(wěn)定性。后者因客戶需求難以統(tǒng)一，所以訂量的規(guī)模較小，極其考驗(yàn)企業(yè)的應(yīng)對能力，此種模式主比的是質(zhì)量，次比的是成本。本文以定制化生產(chǎn)作為藍(lán)本，借助MCAD工具實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化，再通過產(chǎn)品數(shù)字化貫通研發(fā)與工藝，繼而提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)試錯(cuò)成本。
隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，許多企業(yè)已經(jīng)使用了MCAD工具，但使用情況不容樂觀。有些企業(yè)僅使用了圖形建模、繪制工程圖等較為基礎(chǔ)的模塊，而對于MCAD工具定性分析的精益化研發(fā)模塊卻很少使用。只使用常規(guī)模塊及功能的企業(yè)，其產(chǎn)品實(shí)際交付客戶的周期偏長，零部件采購后可制造性常處于摸索階段，且以樣機(jī)作為產(chǎn)品交付后出現(xiàn)的質(zhì)量問題較多，造成客戶滿意度差。傳統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)模型僅用于表達(dá)產(chǎn)品幾何特征，制造工藝信息、屬性信息、管理信息存儲(chǔ)于二維工程圖紙和其它技術(shù)文檔中，工作人員無法直觀明了地獲取相關(guān)制造信息，也無法直接利用產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模型指導(dǎo)生產(chǎn)制造。
與此相對是，行業(yè)內(nèi)標(biāo)桿企業(yè)重視MCAD工具對于研發(fā)及生產(chǎn)制造的基礎(chǔ)支持能力。本文以Creo為例，通過引入工程師的實(shí)際工作內(nèi)容，讓用戶親身感受工具帶來的便利。
2.1公差分析
近年來，由于制造業(yè)相關(guān)環(huán)境的變化，設(shè)計(jì)和制造過程中產(chǎn)遇到了各種問題：
1.三維CAD和CAE等增加了設(shè)計(jì)者的業(yè)務(wù)負(fù)擔(dān)，沒有實(shí)踐研究公差等級；
2.由于設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)的進(jìn)一步細(xì)化，很難把握產(chǎn)品整體公差情況；
3.由于設(shè)計(jì)要優(yōu)先考慮，加工和裝配的難度增高；
4.設(shè)計(jì)者與生產(chǎn)者之間無法共享產(chǎn)品重要的信息要素。
公差分析是設(shè)計(jì)時(shí)所設(shè)置的尺寸公差和幾何公差。計(jì)算零件在加工、裝配過程中在重要尺寸處產(chǎn)生的誤差。通過手工計(jì)算公差累積也是公差分析的一部分。
公差分析的主要目的是在試制和批量生產(chǎn)之前，先預(yù)測裝配品質(zhì)的誤差；然后根據(jù)預(yù)測結(jié)果，改善設(shè)計(jì)、優(yōu)化品質(zhì)、成本；在試制和批量生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)異常情況，找出問題的原因；最后根據(jù)原因，做出設(shè)計(jì)改善的方案。
以實(shí)際設(shè)計(jì)為例，工程師在電機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)考慮每個(gè)零件的尺寸公差，并根據(jù)CPK進(jìn)行適度調(diào)整，使零件加工及整機(jī)裝配后都能滿足質(zhì)量要求。
圖1公差分析
如圖1所示，工程師可根據(jù)每個(gè)尺寸，以及所加工零件的設(shè)備精度等特性，逐個(gè)定義公差，并根據(jù)CPK的計(jì)算結(jié)果，分析累計(jì)尺寸的公差，以及每個(gè)尺寸對于累計(jì)公差的貢獻(xiàn)度，詳見圖2及圖3。
圖2 CPK統(tǒng)計(jì)結(jié)果
圖3貢獻(xiàn)度
從圖2和圖3中可以明顯的看出哪一個(gè)軸向尺寸對整體尺寸的公差影響最大，也可以很清楚的從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中預(yù)知后續(xù)生產(chǎn)加工的零件質(zhì)量高低?，F(xiàn)如今的環(huán)境下，若研發(fā)階段就能預(yù)測可制造性，對于后續(xù)制造可以減輕壓力，從而提升上市效率及產(chǎn)品質(zhì)量。反觀不少企業(yè)，還在使用落后的Excel表格進(jìn)行CPK計(jì)算，這樣的CPK計(jì)算并不嚴(yán)謹(jǐn)，效率也不高，見圖4。
圖4 Excel表格計(jì)算CPK
2.2三維標(biāo)注
MBD是一種將產(chǎn)品幾何信息和非幾何信息都附著在產(chǎn)品三維CAD模型上的先進(jìn)的數(shù)字化定義方法。通過三維標(biāo)注技術(shù)，可以在全三維數(shù)字化環(huán)境下表達(dá)MBD模型中的幾何尺寸與公差(Geometric Dimension and Tolerances，GD&T)、粗糙度、技術(shù)要求和材料信息。采用三維標(biāo)注技術(shù)不僅可以表達(dá)GD&T、粗糙度、技術(shù)要求和材料信息，還可以給三維CAD模型添加標(biāo)注和說明，也可以在全三維數(shù)字化環(huán)境下，表達(dá)出設(shè)計(jì)的變更原因。
通過三維標(biāo)注將設(shè)計(jì)變更的原因和理由與具體的幾何元素關(guān)聯(lián)起來，體現(xiàn)了以下優(yōu)點(diǎn)：
1.直觀、可視性強(qiáng)，方便設(shè)計(jì)人員的理解、交流和溝通；
2.能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源唯一，避免將設(shè)計(jì)變更中的設(shè)計(jì)意圖單獨(dú)保存時(shí)所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)管理難題；
3.能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)變更中的設(shè)計(jì)意圖一次表達(dá)、多次重用，體現(xiàn)了MBD“一次建模，多次重用”的核心思想。
因此，在全三維數(shù)字化環(huán)境下，研究如何表達(dá)MBD中設(shè)計(jì)變更的原因和理由，具有重要的意義。
三維標(biāo)注的實(shí)時(shí)顯示是在用戶交互過程中確保三維標(biāo)注具備可讀性的前提條件，但當(dāng)模型數(shù)據(jù)量增多時(shí)，三維標(biāo)注之間的重疊、遮擋等情形將會(huì)影響三維標(biāo)注的可讀性，如圖5所示。
圖5尺寸遮擋
三維標(biāo)注的分組顯示既可以降低模型信息的讀取難度，提高信息讀取效率；又可以避免基準(zhǔn)標(biāo)注、形位公差標(biāo)注和粗糙度標(biāo)注等干擾，減少三維標(biāo)注數(shù)量。產(chǎn)品模型在三維空間的旋轉(zhuǎn)過程中，三維標(biāo)注在平行于屏幕的投影面積也會(huì)發(fā)生變化，例如：隨著投影面積的減少，標(biāo)注信息的可讀性逐漸降低。根據(jù)工程師的實(shí)際操作，總結(jié)出了三維標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)過程，如圖6所示。
圖6三維標(biāo)注過程
同樣在業(yè)務(wù)執(zhí)行過程中，我們將二維工程圖和三維標(biāo)注進(jìn)行比對，在可讀性上，三維標(biāo)注對比二維有明顯優(yōu)勢，特別是在加工過程中用以展示具體的形位公差或者尺寸公差，有更好的可讀性。在三維標(biāo)注的功能上，企業(yè)在實(shí)際運(yùn)行2個(gè)月后重新檢查，發(fā)現(xiàn)二維工程圖上的標(biāo)注錯(cuò)誤全部改正。企業(yè)認(rèn)為：三維標(biāo)注可以解決二維工程圖標(biāo)注時(shí)的閱讀困難，同時(shí)可以根據(jù)不同加工過程及檢驗(yàn)要求編制個(gè)性化的三維標(biāo)注信息。同時(shí)對于加工過程的信息，考慮到需要具備研發(fā)及制造不同領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，所以需要對人員進(jìn)行再培訓(xùn)，使之能更好的實(shí)踐及應(yīng)用此功能。
2.3參數(shù)化建模及有限元分析
以機(jī)械中常見的齒輪為例，齒輪傳動(dòng)在機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用廣泛，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、體積小、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。一般通過齒輪嚙合的軸線在空間的相對位置來區(qū)分齒輪形式，目前常見的齒輪主要有3種形式，分別為圓柱形齒輪、圓錐形齒輪、蝸桿齒輪。
但在實(shí)際應(yīng)用齒輪時(shí)，又常遇到斷齒、根切等情況。根據(jù)失效及影響分析，發(fā)現(xiàn)其主要原因在于齒輪基材的選用以及設(shè)計(jì)參數(shù)未正確選擇所導(dǎo)致的。又因齒輪需要通過嚙合或鍵槽配合等方式進(jìn)行動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，所以當(dāng)失效出現(xiàn)時(shí)，往往伴隨著其他配件的損傷甚至報(bào)廢，這對產(chǎn)品非常不利。所以對于高附加值類的產(chǎn)品，當(dāng)使用齒輪類零部件時(shí)，都應(yīng)提前進(jìn)行受力分析，以便在設(shè)計(jì)階段就排除相應(yīng)隱患。要做到較為精準(zhǔn)的受力分析，就需要對齒輪的形狀進(jìn)行三維參數(shù)化建模，通過定義漸開線等關(guān)鍵信息，準(zhǔn)確勾勒齒輪的外觀形狀。
2.3.1參數(shù)化建模
齒輪繪制時(shí)，首先要定義兩個(gè)重要參數(shù)，然后根據(jù)尺寸關(guān)系計(jì)算其他尺寸。這兩個(gè)參數(shù)分別為模數(shù)和齒數(shù)。模數(shù)作為齒輪的重要參數(shù)，是通過分度圓（d）半徑的二倍除以齒數(shù)（z）所得的數(shù)值，一般用m表示，計(jì)算公式為m=d/z。齒數(shù)是指一個(gè)齒輪上外延輪齒的數(shù)量，通常以z來表示。
通過查詢GB1357-2008得知，在應(yīng)用齒輪傳遞時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用第一系列，詳見表1。
表1圓柱齒輪模數(shù)系列表
以m=1.5、d=25.5、z=17為例，構(gòu)建直齒齒輪。
通過Creo進(jìn)行齒輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)建模，可以快速構(gòu)建不同參數(shù)的同類齒輪模型。對于設(shè)計(jì)工程師而言，當(dāng)結(jié)構(gòu)基本一致，只有部分參數(shù)不同的三維模型，可以通過尺寸及關(guān)系驅(qū)動(dòng)生成準(zhǔn)確模型，免去二次繪制的重復(fù)操作。
首先繪制基圓（DB）、齒根圓（DF）、分度圓（D）、齒頂圓（DA）。其4圓參數(shù)化建模關(guān)系如表2所示。
表2齒輪參數(shù)表
根據(jù)表2中的關(guān)系及數(shù)值，在Creo草繪中建立相關(guān)參數(shù)及關(guān)系，構(gòu)建4圓，分別為齒頂圓、齒根圓、分度圓、基圓。當(dāng)一條直線沿著固定半徑值的圓做純滾動(dòng)，該直線上任意一點(diǎn)K的軌跡稱為該圓的漸開線。其圓稱為漸開線的基圓，直線稱為漸開線的發(fā)生線?；诖硕x，在Creo中通過樣條曲線繪制漸開線。
通過分度圓與漸開線做交點(diǎn)，并通過此交點(diǎn)與基準(zhǔn)軸建立基準(zhǔn)面，再通過此基準(zhǔn)面按360/（4*Z）建立齒的對稱面。通過對稱面，將2條漸開線、基圓及齒頂圓所圍成的圖形進(jìn)行拉伸后，并按360/Z進(jìn)行環(huán)形陣列，如圖7所示。
2.3.2有限元分析
齒輪的強(qiáng)度分析主要指在齒輪嚙合過程中，齒輪各方位的強(qiáng)度是否能滿足材料力學(xué)中的相關(guān)指標(biāo)。為了計(jì)算齒輪的強(qiáng)度，有必要對齒輪進(jìn)行單齒的受力分析。本文為簡便計(jì)算，不考慮齒面的摩擦力，此時(shí)作用在主動(dòng)輪齒上的總壓力將垂直于齒面（因齒輪傳動(dòng)過程中，兩齒嚙合時(shí)都會(huì)提前輔以潤滑油脂，所以實(shí)際嚙合時(shí)，摩擦系數(shù)很小，齒面所受的摩擦力相對載荷也就較?。］d荷及約束如圖8所示。
圖7完整齒輪
圖8載荷及約束定義
根據(jù)載荷及約束情況，進(jìn)行靜態(tài)受力分析，通過Creo Simulation的計(jì)算，結(jié)果如圖9所示。
圖9靜態(tài)受力分析
經(jīng)受力變形后，尺寸變化及應(yīng)變?nèi)鐖D10所示。
圖10尺寸變化表
齒根彎曲應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在齒根表面上。在單齒嚙入到嚙出的過程中，齒根彎曲應(yīng)力由中間端面向兩邊拓展。齒根彎曲應(yīng)力分布相對均勻。同時(shí)圖10提示，全模型形變最大值為0.628658mm，最大應(yīng)力為3.8*107kPa。與Q235材料的屈服應(yīng)力235MPa相比較，已遠(yuǎn)超其屈服強(qiáng)度。說明若按此材料，并以傳遞功率10kW時(shí)使用此齒輪，在運(yùn)行過程中即會(huì)出現(xiàn)齒輪破斷等失效情況。
為避免上述情況發(fā)生，則應(yīng)考慮如下優(yōu)化：
1.調(diào)整傳遞功率
將齒輪傳遞功率值降為符合Q235屈服強(qiáng)度內(nèi)的功率。避免扭矩過大導(dǎo)致材料脆性形變。
2.改變齒輪基礎(chǔ)參數(shù)
在不改變傳遞功率的情況下，適度對齒輪的模數(shù)、分度圓等基本參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。例如增加齒數(shù)，增加齒寬，這樣可以擴(kuò)大齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的嚙合面積。同等轉(zhuǎn)動(dòng)功率傳動(dòng)時(shí)，嚙合的面積越大，齒面所承載的應(yīng)力越小。
3.選用更為硬質(zhì)的材料
通常可以選用更為硬質(zhì)的材料來解決屈服強(qiáng)度不夠的問題，但對于本例而言，齒輪徑向受力超過5噸、齒輪圓周分力近16噸。常規(guī)材料不可能承受如此大的力，所以本例對于材料優(yōu)化的可行性較小。
相對于其他CAE分析工具，Creo Simulation操作較為簡單，與Creo實(shí)現(xiàn)無縫銜接，用戶在設(shè)計(jì)過程中，即可快速對齒輪實(shí)際使用時(shí)的工況進(jìn)行模擬，通過定義約束、受力及材料三者信息，可快速得到定性結(jié)果。在本例中，工程師只需要根據(jù)齒輪轉(zhuǎn)矩公式算出力矩，即可得知圓周分力及徑向受力的數(shù)值。借助Creo Simulation可將結(jié)果以動(dòng)圖的方式展現(xiàn)給工程師，以便工程師有針對性地進(jìn)行模型修改。
Creo作為常見的MCAD工具，其作用不僅僅是簡單的形狀建模及繪制二維工程圖，它可幫助用戶進(jìn)行參數(shù)化建模，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的有限元分析。在未凍結(jié)前的有限元分析旨在幫助工程師快速定性分析設(shè)計(jì)是否有效。同時(shí)Creo還可以幫助用戶進(jìn)行可生產(chǎn)性分析，在此過程中幫助工程師進(jìn)行公差優(yōu)化。當(dāng)產(chǎn)品模型繪制后，考慮到企業(yè)的委外需求，又可以在數(shù)?；A(chǔ)上進(jìn)行三維標(biāo)注，進(jìn)一步降低生產(chǎn)錯(cuò)誤的可能性。所以綜上所述，企業(yè)應(yīng)對工程師加強(qiáng)設(shè)計(jì)工具的應(yīng)用培訓(xùn)，將MCAD的標(biāo)準(zhǔn)功能引入到實(shí)際業(yè)務(wù)中，幫助企業(yè)進(jìn)一步降低設(shè)計(jì)成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量，加快上市速度。