文章来源：e-works    作者：崔罡  张震威      

本文以定制化生产作为蓝本，借助MCAD工具实现产品数字化，再通过产品数字化贯通研发与工艺，继而提升产品质量，降低生产试错成本。

前言       

我国制造业历经30多年的高速发展，现已逐渐形成多种经营态势，例如能源化工冶金类的成批量制造模式，以及装备制造业的定制化制造模式。前者产品型号一旦定型，除非出现较大幅度的升级换代，否则产品一般不会有明显的变化，此种模式主比的是效率，次比的是质量的稳定性。后者因客户需求难以统一，所以订量的规模较小，极其考验企业的应对能力，此种模式主比的是质量，次比的是成本。本文以定制化生产作为蓝本，借助MCAD工具实现产品数字化，再通过产品数字化贯通研发与工艺，继而提升产品质量，降低生产试错成本。

1 制造业研发现状       

随着我国制造业的发展，许多企业已经使用了MCAD工具，但使用情况不容乐观。有些企业仅使用了图形建模、绘制工程图等较为基础的模块，而对于MCAD工具定性分析的精益化研发模块却很少使用。只使用常规模块及功能的企业，其产品实际交付客户的周期偏长，零部件采购后可制造性常处于摸索阶段，且以样机作为产品交付后出现的质量问题较多，造成客户满意度差。传统的三维设计模型仅用于表达产品几何特征，制造工艺信息、属性信息、管理信息存储于二维工程图纸和其它技术文档中，工作人员无法直观明了地获取相关制造信息，也无法直接利用产品三维设计模型指导生产制造。       

与此相对是，行业内标杆企业重视MCAD工具对于研发及生产制造的基础支持能力。本文以Creo为例，通过引入工程师的实际工作内容，让用户亲身感受工具带来的便利。

2 Creo案例分析 

2.1 公差分析       

近年来，由于制造业相关环境的变化，设计和制造过程中产遇到了各种问题：       

1.三维CAD和CAE等增加了设计者的业务负担，没有实践研究公差等级；       

2.由于设计业务的进一步细化，很难把握产品整体公差情况；       

3.由于设计要优先考虑，加工和装配的难度增高；       

4.设计者与生产者之间无法共享产品重要的信息要素。       

公差分析是设计时所设置的尺寸公差和几何公差。计算零件在加工、装配过程中在重要尺寸处产生的误差。通过手工计算公差累积也是公差分析的一部分。       

公差分析的主要目的是在试制和批量生产之前，先预测装配品质的误差；然后根据预测结果，改善设计、优化品质、成本；在试制和批量生产过程中发现异常情况，找出问题的原因；最后根据原因，做出设计改善的方案。       

以实际设计为例，工程师在电机整机设计时，就应考虑每个零件的尺寸公差，并根据CPK进行适度调整，使零件加工及整机装配后都能满足质量要求。    

图1 公差分析

 如图1所示，工程师可根据每个尺寸，以及所加工零件的设备精度等特性，逐个定义公差，并根据CPK的计算结果，分析累计尺寸的公差，以及每个尺寸对于累计公差的贡献度，详见图2及图3。

图2 CPK统计结果

图3 贡献度

从图2和图3中可以明显的看出哪一个轴向尺寸对整体尺寸的公差影响最大，也可以很清楚的从统计结果中预知后续生产加工的零件质量高低。现如今的环境下，若研发阶段就能预测可制造性，对于后续制造可以减轻压力，从而提升上市效率及产品质量。反观不少企业，还在使用落后的Excel表格进行CPK计算，这样的CPK计算并不严谨，效率也不高，见图4。

图4 Excel表格计算CPK

       2.2 三维标注       

       MBD是一种将产品几何信息和非几何信息都附着在产品三维CAD模型上的先进的数字化定义方法。通过三维标注技术，可以在全三维数字化环境下表达MBD模型中的几何尺寸与公差(Geometric Dimension and Tolerances，GD&T)、粗糙度、技术要求和材料信息。采用三维标注技术不仅可以表达GD&T、粗糙度、技术要求和材料信息，还可以给三维CAD模型添加标注和说明，也可以在全三维数字化环境下，表达出设计的变更原因。       

       通过三维标注将设计变更的原因和理由与具体的几何元素关联起来，体现了以下优点：       

      1.直观、可视性强，方便设计人员的理解、交流和沟通；       

      2.能实现数据源唯一，避免将设计变更中的设计意图单独保存时所导致的数据管理难题；       

      3.能实现设计变更中的设计意图一次表达、多次重用，体现了MBD“一次建模，多次重用”的核心思想。       因此，在全三维数字化环境下，研究如何表达MBD中设计变更的原因和理由，具有重要的意义。       

      三维标注的实时显示是在用户交互过程中确保三维标注具备可读性的前提条件，但当模型数据量增多时，三维标注之间的重叠、遮挡等情形将会影响三维标注的可读性，如图5所示。

图5 尺寸遮挡

三维标注的分组显示既可以降低模型信息的读取难度，提高信息读取效率；又可以避免基准标注、形位公差标注和粗糙度标注等干扰，减少三维标注数量。产品模型在三维空间的旋转过程中，三维标注在平行于屏幕的投影面积也会发生变化，例如：随着投影面积的减少，标注信息的可读性逐渐降低。根据工程师的实际操作，总结出了三维标准的实现过程，如图6所示。

图6 三维标注过程

同样在业务执行过程中，我们将二维工程图和三维标注进行比对，在可读性上，三维标注对比二维有明显优势，特别是在加工过程中用以展示具体的形位公差或者尺寸公差，有更好的可读性。在三维标注的功能上，企业在实际运行2个月后重新检查，发现二维工程图上的标注错误全部改正。企业认为：三维标注可以解决二维工程图标注时的阅读困难，同时可以根据不同加工过程及检验要求编制个性化的三维标注信息。同时对于加工过程的信息，考虑到需要具备研发及制造不同领域的经验，所以需要对人员进行再培训，使之能更好的实践及应用此功能。  

2.3 参数化建模及有限元分析       

以机械中常见的齿轮为例，齿轮传动在机械设备中应用广泛，具有传动平稳、体积小、承载能力强等优点。一般通过齿轮啮合的轴线在空间的相对位置来区分齿轮形式，目前常见的齿轮主要有3种形式，分别为圆柱形齿轮、圆锥形齿轮、蜗杆齿轮。       

但在实际应用齿轮时，又常遇到断齿、根切等情况。根据失效及影响分析，发现其主要原因在于齿轮基材的选用以及设计参数未正确选择所导致的。又因齿轮需要通过啮合或键槽配合等方式进行动力的转移，所以当失效出现时，往往伴随着其他配件的损伤甚至报废，这对产品非常不利。所以对于高附加值类的产品，当使用齿轮类零部件时，都应提前进行受力分析，以便在设计阶段就排除相应隐患。要做到较为精准的受力分析，就需要对齿轮的形状进行三维参数化建模，通过定义渐开线等关键信息，准确勾勒齿轮的外观形状。

2.3.1 参数化建模       

齿轮绘制时，首先要定义两个重要参数，然后根据尺寸关系计算其他尺寸。这两个参数分别为模数和齿数。模数作为齿轮的重要参数，是通过分度圆（d）半径的二倍除以齿数（z）所得的数值，一般用m表示，计算公式为m=d/z。齿数是指一个齿轮上外延轮齿的数量，通常以z来表示。       

通过查询GB1357-2008得知，在应用齿轮传递时，应优先选用第一系列，详见表1。

表1 圆柱齿轮模数系列表

以m=1.5、d=25.5、z=17为例，构建直齿齿轮。      

通过Creo进行齿轮的参数化设计建模，可以快速构建不同参数的同类齿轮模型。对于设计工程师而言，当结构基本一致，只有部分参数不同的三维模型，可以通过尺寸及关系驱动生成准确模型，免去二次绘制的重复操作。       

首先绘制基圆（DB）、齿根圆（DF）、分度圆（D）、齿顶圆（DA）。其4圆参数化建模关系如表2所示。

表2 齿轮参数表

根据表2中的关系及数值，在Creo草绘中建立相关参数及关系，构建4圆，分别为齿顶圆、齿根圆、分度圆、基圆。当一条直线沿着固定半径值的圆做纯滚动，该直线上任意一点K的轨迹称为该圆的渐开线。其圆称为渐开线的基圆，直线称为渐开线的发生线。基于此定义，在Creo中通过样条曲线绘制渐开线。       

通过分度圆与渐开线做交点，并通过此交点与基准轴建立基准面，再通过此基准面按360/（4*Z）建立齿的对称面。通过对称面，将2条渐开线、基圆及齿顶圆所围成的图形进行拉伸后，并按360/Z进行环形阵列，如图7所示。

2.3.2 有限元分析       

齿轮的强度分析主要指在齿轮啮合过程中，齿轮各方位的强度是否能满足材料力学中的相关指标。为了计算齿轮的强度，有必要对齿轮进行单齿的受力分析。本文为简便计算，不考虑齿面的摩擦力，此时作用在主动轮齿上的总压力将垂直于齿面（因齿轮传动过程中，两齿啮合时都会提前辅以润滑油脂，所以实际啮合时，摩擦系数很小，齿面所受的摩擦力相对载荷也就较小）。载荷及约束如图8所示。

图7 完整齿轮

图8 载荷及约束定义

 根据载荷及约束情况，进行静态受力分析，通过Creo Simulation的计算，结果如图9所示。

图9 静态受力分析

 经受力变形后，尺寸变化及应变如图10所示。

图10 尺寸变化表

 齿根弯曲应力的最大值出现在齿根表面上。在单齿啮入到啮出的过程中，齿根弯曲应力由中间端面向两边拓展。齿根弯曲应力分布相对均匀。同时图10提示，全模型形变最大值为0.628658mm，最大应力为3.8*107kPa。与Q235材料的屈服应力235MPa相比较，已远超其屈服强度。说明若按此材料，并以传递功率10kW时使用此齿轮，在运行过程中即会出现齿轮破断等失效情况。为避免上述情况发生，则应考虑如下优化：       

1.调整传递功率       

将齿轮传递功率值降为符合Q235屈服强度内的功率。避免扭矩过大导致材料脆性形变。       

2.改变齿轮基础参数       

在不改变传递功率的情况下，适度对齿轮的模数、分度圆等基本参数进行调整。例如增加齿数，增加齿宽，这样可以扩大齿轮在转动时的啮合面积。同等转动功率传动时，啮合的面积越大，齿面所承载的应力越小。       

3.选用更为硬质的材料       

通常可以选用更为硬质的材料来解决屈服强度不够的问题，但对于本例而言，齿轮径向受力超过5吨、齿轮圆周分力近16吨。常规材料不可能承受如此大的力，所以本例对于材料优化的可行性较小。       

相对于其他CAE分析工具，Creo Simulation操作较为简单，与Creo实现无缝衔接，用户在设计过程中，即可快速对齿轮实际使用时的工况进行模拟，通过定义约束、受力及材料三者信息，可快速得到定性结果。在本例中，工程师只需要根据齿轮转矩公式算出力矩，即可得知圆周分力及径向受力的数值。借助Creo Simulation可将结果以动图的方式展现给工程师，以便工程师有针对性地进行模型修改。

3 结论       

Creo作为常见的MCAD工具，其作用不仅仅是简单的形状建模及绘制二维工程图，它可帮助用户进行参数化建模，并在此基础上进行简单的有限元分析。在未冻结前的有限元分析旨在帮助工程师快速定性分析设计是否有效。同时Creo还可以帮助用户进行可生产性分析，在此过程中帮助工程师进行公差优化。当产品模型绘制后，考虑到企业的委外需求，又可以在数模基础上进行三维标注，进一步降低生产错误的可能性。所以综上所述，企业应对工程师加强设计工具的应用培训，将MCAD的标准功能引入到实际业务中，帮助企业进一步降低设计成本，提升产品质量，加快上市速度。