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课程设计之CADCAMCAE设计实践汇总

23
2020年4月19日
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成绩：

《CAD/CAM/CAE设计实践》课程设计

课 程： CAD/CAM/CAE设计实践
学 期： ～ 第一学期
教 师： 陶 林
时 间： 年 11 月 18 日
姓 名： 龚 华 德
学 号： 7150
年级、专业： 级机制1班

西南交通大学峨眉校区机械工程系

目录

1、金刚石钻孔机产品的简介 1
1.1金刚石钻孔机产品的工作原理及应用领域 1
1.1.1工作原理 1
1.1.2应用领域 1
1.2金刚石钻孔机产品的国内外研究的情况 1
2、金刚石钻孔机产品的装配 2
2.1金刚石钻孔机的结构分析 2
2.2金刚石钻孔机的连接和装配 3
2.3传动轴的工程图 4
3、传动轴零件的CAM过程 6
3.1绘制加工轮廓线 6
3.2选择机床系统 6
3.3设置工件素材 6
3.4车右端面 6
3.5粗车右半边工件 7
3.6精车右半边工件 9
3.7左半边工件的车端面、粗车、精车加工 10
3.8加工键槽 11
3.9进行加工 11
3.10主要的程序段（程序截取前10句） 12
4、传动轴零件的CAE过程 16
4.1定义材料和施加载荷 16
4.2进行受力分析 17
5、结论 18
6、参考文献 18

金刚石钻孔机产品的CAD/CAM/CAE设计
1、 金刚石钻孔机产品的简介
1.1金刚石钻孔机产品的工作原理及应用领域
1.1.1工作原理
发动机的动力经变速器后经过齿轮传动传给主轴箱，从而带动钻机主轴旋转，在钻机主轴下端装有金刚石薄壁空芯钻头，经过旋转升降机构手轮，可使滑动支座带动主轴箱及发动机等一起沿立柱上下移动。经过钻头的旋转运动和上下移动，即可实现钻孔作业。
由于工作过程中，钻头在进给及退出时，需要滑动支座带动主轴箱及发动机等一起沿立柱上下移动，整体质量较大。升降机构中采用齿轮齿条副驱动使机构实现上升，操作轻便省力。
在底座上设计有用于钻孔时固定钻机的膨胀螺钉所用槽孔。
该类钻机在野外工作时，一般需配水车或水槽，给钻头提供冷却水并冲刷钻渣。为了增加供水的压力，本机可选配水泵系统，以保证冷却系统可靠工作。
1.1.2应用领域
金刚石钻孔机广泛使用于各种建筑工程施工的钻孔作业中，如：各种混凝土路面、沥青路面、桥梁、地铁隧道、大坝等建筑施工中工程质量检测的取芯钻孔；高速公路、普通公路、桥梁、旅游景点安装各种标牌标识、安全扶手、栏杆、指示灯、照明灯等的钻孔；水泥混凝土路面板底脱空压浆处注浆孔、排气孔的钻孔；工厂车间安装设备地脚螺钉的钻孔；新老建筑物各种管道的安装钻孔；大理石、花岗岩、陶瓷、耐火材料等各种硬脆性材料的钻孔加工。
1.2金刚石钻孔机产品的国内外研究的情况
国内外金刚石钻孔机生产厂家众多，国外典型的有美国 “硬点”（HARDPOINT）工业用钻石钻孔机、日本富士工业株式会社、东芝公司等；国内生产厂家有河南黄河旋风股份有限公司、郑州恒威科技实业有限公司、台州市椒江建设工程机械厂、德州电动工具厂等。
金刚石钻孔机的结构类型较多。按动力源的不同，可分为串激电机驱动、三相异步电机驱动、单相电机驱动、汽油机驱动和其它动力驱动等。
其产品的主要技术参数如下：
最大钻孔直径（mm） 250
最大钻孔深度（mm） 550
主轴转速（r/min） 700～900
发动机功率（kW） 30
整机质量（kg） 1300
外型尺寸（mm） 770×360×1100
2金刚石钻孔机产品的装配
2.1金刚石钻孔机的结构分析
利用proe软件进行三维建模，绘制成的金刚石钻孔机的装配图和爆炸图如图2-1和图2-2所示：

图2-1 金刚石钻孔机的装配图

图2-2 金刚石钻孔机的爆炸图
2.2金刚石钻孔机的连接和装配
连接：由爆炸图可看出，两半外壳之间经过螺钉连接，电动机与外壳螺钉连接，电动机与轴接之间键连接，两个轴接经过螺栓螺母连接，一级传动轴与轴接之间键连接，使电机转速传出，一级斜齿轮与传动轴1键连接，两个圆柱斜齿轮之间齿轮传动，二级斜齿轮与输出传动轴之间键连接，钻头与输出轴之间螺纹连接。
装配：由爆炸图可看出，外壳作为装配的最初基准零件，电动机和外壳经过1个基准轴和1个基准面对齐进行装配，电机轴键槽和键经过3个基准面对齐进行装配，轴接和电机轴经过1个基准轴和2个基准面对齐，两个轴接经过1个基准轴和2个基准面对齐，螺栓和轴接经过3个基准面对齐，螺母和螺栓经过1个基准轴和2个基准面对齐，一级传动轴和轴接经过1个基准轴和1个基准面对齐，一级圆柱斜齿轮和一级传动轴经过1个基准轴和2个基准面对齐，一级传动轴上的角接触球轴承和一级传动轴经过1个基准轴和1个基准面对齐，一级传动轴上的轴套和一级传动轴经过1个基准轴和1个基准面对齐，输出轴和外壳经过1个基准轴和1个基准面对齐，二级圆柱斜齿轮和输出轴经过1个基准轴和2个基准面对齐，输出轴上角接触球轴承和输出轴经过1个基准轴和1个基准面对齐，输出轴上轴套和输出轴经过1个基准轴和1个基准面对齐，外水套和输出轴经过1个基准轴和1个基准面对齐，钻头和输出轴经过1个基准轴和1个基准面对齐装配。
2.3传动轴的工程图
利用CAD软件绘制齿轮传动轴的工程图，如图2-3所示：

图2-3 齿轮传动轴的工程图

3、传动轴零件的CAM过程
3.1绘制加工轮廓线
打开Mstercam X5软件，在绘图区底部的属性栏中单击“平面”，从中选择“H车床半径”|“设置平面到+X+Z相对于您的（WCS）”，接着绘制传动轴的外轮廓线，如图3-1所示：

图3-1 传动轴外轮廓线
3.2选择机床系统
在菜单栏中选择“机床类型”|“车床”|“默认”命令。
3.3设置工件素材
在刀具路径操作管理器中，单击机床群组下的属性，修改材料设置，如图3-2所示：

图3-2 工件材料
3.4车右端面
在菜单栏中选择“刀具路径”|“车端面”命令，设置刀具等参数，如图3-3，图3-4所示，完成生成车端面的刀具路径。

图3-3 车端面刀具路径参数

图3-4 车端面参数
3.5粗车右半边工件
在菜单栏中选择“刀具路径”|“粗车”命令，设置刀具等参数，如图3-5，图3-6所示，完成生成粗车的刀具路径如图3-7所示：

图3-5 粗车刀具路径参数

图3-6 粗加工参数

图3-7 粗车刀具路径
3.6精车右半边工件
在菜单栏中选择“刀具路径”|“精车”命令，设置刀具等参数，如图3-8，图3-9所示，完成生成精车的刀具路径如图3-10所示：

图3-8 精车刀具路径参数

图3-9 精车参数

图3-10 精车刀具路径
3.7左半边工件的车端面、粗车、精车加工
参照右半边加工最后生成总的刀具路径，如图3-11所示：

图3-11总刀具路径
3.8加工键槽
在菜单栏中选择“机床类型”|“铣床”|“默认”命令，铣如图3-12所示的2个键槽，加工键槽刀具路径如图3-13：

图3-12 键槽

图3-13 加工键槽刀具路径
3.9进行加工
加工后的工件如图3-14所示：

图3-14 加工完成图
3.10主要的程序段（程序截取前10句）
%
O0000 程序命名为0000
G21 G21是指毫米单位输入
G0 T0101 定位 (快速移动)；换1号刀，刀具的补正号是1
G18 选择XZ平面
G97 S M03 G97是恒转速指令，主轴转速 r/min ，主轴正转
G0 G54 X60. Z148. G54 调用工件坐标系，刀具快速移动到坐标点X60.
Z148.
G50 S3600 G50设置工件零点，主轴转速3600r/min
G96 S1000 G96恒线速控制，设定切削速度(线速度)为1000
G99 G1 X-1.6 F.5 G99每转进给量0.5mm/r，工进到点X-1.6
G0 Z150. 刀具提升移动到Z150
G96 S500 G96恒线速控制，设定切削速度(线速度)为500

表1 工艺过程卡片
西南交通大学
机械加工工艺过程卡片
产品型号

零件图号

产品名称
金刚石钻孔机
零件名称
传动轴
共

页
第
1
页
材 料 牌 号
45钢
毛 坯 种 类
棒料
毛坯外形尺寸
Φ40×150
每毛坯件数
1
每 台 件 数

备 注

工
序
号
工 名

序 称
工 序 内 容
车

间
工

段
设 备
工 艺 装 备
工 时
准终
单件
1
铸造
铸造毛坯

2
热处理
退火（消除内应力）

3
车
粗车左端面钻中心孔，粗车各圆柱面留精车余量

CA6140
三爪卡盘

4
车端面
粗、精车右端面

CA6140
三爪卡盘

5
车
工件换边夹住，粗车各圆柱面 倒角

CA6140
三爪卡盘

6
车
精车左端各圆柱面到要求

CA6140
三爪卡盘

7
铣
铣轴上的2个键槽以达要求

XK6140
机械式平口钳

8
去毛刺
去除全部毛刺

钳工台

9
终检
按零件图样要求全面检查

设 计（日 期）
校 对（日期）
审 核（日期）
标准化（日期）
会 签（日期）

小明

-12-1
-12-5

标记
处数
更改文件号
签 字
日 期
标记
处数
更改文件号
签 字
日 期
表2 工序卡片

机械加工工序卡片
产品型号

零件图号

产品名称
金刚石钻孔机
零件名称
传动轴
共 页
第 页

车间
工序号
工序名
材料牌

1

45钢
毛坯种类
毛胚外形尺寸
每毛坯可制作件数
每台件数

设备名称
设备型号
设备编号
同时加工件数

车床、铣床
CA6140、XK6140

夹具编号
夹具名称
切削液

工位器具编号
工位器具名称
工序工时
准终
单件
描图

工步号
工 步 内 容
工 艺 装 备
主轴转速r/min
切削速度m/min
进给量mm/r
切削深度mm
进给次数
工步工时
描校
机动
辅助

1
车右端面
三爪卡盘
800

0.5
1

2
粗车右边各圆柱面
三爪卡盘
800

0.5

3
精车右边各圆柱面
三爪卡盘
1000

0.1
0.2

4
车左端面
三爪卡盘
800

0.5
1

5
粗车左边各圆柱面
三爪卡盘
800

0.5

6
精车左边各圆柱面
三爪卡盘
1000

0.1
0.2

7
铣键槽
机械式平口钳
800

0.5
4

底图号

装订号

设计（日期）
审核（日期）
标准化（日期）
会签（日期）

标记
处数
更改文件号
签字
日期
标记
处数
更改文件号
签字
日期
-12-1
-12-5

4、传动轴零件的CAE过程
4.1定义材料和施加载荷
先定义材料（STEEL），对轴进行材料分配（STEEL），接着进行约束和施加载荷，传动轴的受力类型为扭矩18，方向是绕着轴心，结果如图4-1，所示

图4-1 分配材料并约束施加载荷
如果对Creo自动划分的网格不满意的话，可自行进行网格细分，点击有限元分析里面的“精细模型”→AutoGEM中的“控制”进行网格划分设置，如图4-2所示：

图4-2 网格设置
4.2进行受力分析
完成前面的设置后，点击“分析和研究”，如图4-3所示，点击文件→新建静态分析，按绿旗运行按钮，运行结束后，按“查看设计研究或有限元分析结果”，查看应力、应变分析得结果如图4-4，图4-5所示：

图4-3 分析设置界面

图4-4 轴的应力

图4-5 轴的应变
材料密度是材料在特定的体积状态下，单位体积的质量，单位是或；
杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量，单位是或；
抗拉极限强度是金属由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力，单位是或。
由图4-1和图4-2可知，最大受力在轴小端键槽与键连接处，最小受力在轴端部，最大应力是48，应变,0.00197mm，查机械设计书，可得材料45钢的直径小于100mm的轴的许用弯曲应力=55，由于，因此满足工作要求。
5、结论
经过对金刚石钻孔机产品的CAD/CAM/CAE设计，缩短了产品设计周期，降低了设计成本，设计数据能有效地共享和充分地利用，设计阶段就能够清楚地掌握其加工方式和力学性能，避免一些简单的错误，有利于金刚石钻孔机的批量生产。
6、参考文献
1、王良文，王新杰.ZJR250型金刚石钻孔机. ,08.
2、濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）.高等教育出版社. ,5.
3、刘国华，李德溥，张海兵.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0 产品设计行业应用实践.机械工业出版社. ,3.