三维设计软件比较及基于UG的曲轴模具设计

李媛

【摘要】三维CAD软件种类很多，分析了目前国内外流行的几种三维设计软件，比较了其功能上的差异和特点，并借助三维软件UG对曲轴进行了模具设计研究。

【关键词】三维软件 UG 曲轴 模具设计

引言

三维CAD软件种类很多，国内外模具设计大多采用了三维设计手段， 三维CAD软件不仅可以创建实体模型，而且可以利用设计出的三维实体模型进行模拟装配和静态干涉检查、机构分析和动态干涉检查、动力学分析、强度分析、铸造、各种加工、渲染处理等，极大地缩短了设计周期、减少了成本。

一、三维软件功能特点比较

目前流行的CAD软件不仅有国外的Unigraphics（UG），SOLIDEDGE，Inventor，MDT，SolidWorks，Cima2tron，ProEngineer，CATIA，I-DEAS，还有国产的高华CAD，金银花系统，CAXA电子图板，开目CAD等。本文主要对国内常见的几款软件进行分析：

（1）UG。UG是高中档软件的杰出代表，功能模块齐全，是UnigraphicsSolutions公司的拳头产品。在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，曲面功能非常强大。UG/ScenarioforMotion运动机构模块提供机构设计、分析、仿真和文档生成功能，可在UG实体模型或装配环境中定义机构，定义好的机构可直接在UG中进行分析，可进行各种研究，包括最小距离、干涉检查和轨迹包络线等选项，同时可实际仿真机构运动。UG的一个最大特点就是混合建模，在一个模型中允许存在无相关性的特征，可以局部参数化曲面造型。同其它软件相比， UG的曲面分析工具也极其丰富。

（2）Pro/Engineer。Pro/E是美国参数技术公司（简称PTC）的产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念，在Pro/E中极为强调特征的全相关性，所有特征按照创建的先后顺序及参考有着严格的父子关系。PRO/E包含工业设计（CAID）模块，机械设计（CAD）模块，功能仿真（CAE）模块，制造（CAM）模块，数据管理（PDM）模块，数据交换模块，能够使外部应用程序（客户应用程序）安全有效地访问Pro/E的数据库和应用程序。

（3）CATIA。CATIA是法国达索飞机公司开发的高档CAD/CAM软件，它支持复杂曲面造型和复杂装配，CATIA装配设计可以使设计师建立并管理基于3D零件机械装配件。

（4）SOLIDEDGE。SOLIDEDGE和SolidWorks无论从界面风格或是功能上都极其相似。它是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计CAD系统，是纯Windows的CAD系统 ，这就使习惯使用Windows软件的用户倍感亲切。

（5） Solid2Works。功能强大、易学易用和技术创新是Solid2Works的三大特点，与当今主流的三维CAD软件SolidWorks无缝集成，可以对复杂机械系统进行完整的运动学和动力学仿真，得到系统中各零部件的运动情况。

（6）Autodesk Inventor。Autodesk的Inventor处理大型组装模型具有极佳的交互性能。在制图过程中，它的开发者没有照搬AutoCAD的工程图样式，而是采用了新鲜的外观创建了目前一种最成熟的关联图形产品，允许制图者在数秒之内放置粗糙的隐藏线视图并开始标注。

二、在UG中的曲轴模具设计

曲轴是内燃机中承受冲击载荷传递动力的关键零件，既承受交变应力作高速运转，又传递大的扭矩，一旦损坏就可能造成重大事故，因此对曲轴的加工非常重视，不断改进曲轴工艺和设计方案。本文借助三维CD软件UG，对3拐120°分布曲轴进行模具设计研究。

2.1分模面的选取。由于曲轴是3拐呈120°分布，平衡块底部成型难度大，由平衡块局部充型不满导致废品率较高，曲轴连杆颈分模处容易因曲面分模使上模过深，在受纵向冲击时产生变形断裂，因此，目前许多国家采用扭转工艺，即将中部对称的曲轴扭转成平衡块120°分布的曲轴，故选择锻件侧面的中部对称平面作为分模面。

2.2模具设计

2.2.1终锻型槽设计。利用UG的MoldWizard模块进行曲轴模具的设计，其具体过程如下：

（1）对项目名称、装配产品和单位进行初始化；在“投影单位”中选择毫米，“项目名”设置为曲轴。

（2）确立模具装配坐标系，给后续部件的安装建立定位坐标系。模具设计需要确定模具的分模面和顶出方向，这是由模具坐标系的位置和方向确定的。旋转坐标系，使Zc轴的正方向指向顶出方向，在模具的CSYS对话框中选择锁定Z轴，“更改WCS位置”选择当前WCS。

（3）设置模具收缩率。

（4）设置模具工件，即模具的毛胚尺寸。锻模模膛应有足够的壁厚，以保证锻模在工作中不致损坏。模块平面尺寸按模膛最大外形尺寸加上模壁厚度确定，最终确定的模块尺寸为600mm×250mm×200mm。

（5）分模设计，包括定义分型线、创建分型面、抽取型腔区域、创建型腔。使用模具工具中的实体分割，沿Xc—Yc平面进行分割，在“分型管理器”中对话框中单击“编辑分型线”，选择自动搜索分型线，选择顶出方向为-Zc方向，获得分型线。在“分型管理器”中选择创建/编辑分型面，单击创建分型面，生成分型面。再分别通过抽取型腔区域、创建型腔，最终所得的模具型腔。

2.2.2预锻件的设计。预锻件的圆角要比终锻件的大，预锻件的拔模斜度与终锻件一致。

2.3曲轴的扭转。锻造完的曲轴要进行扭转，采用扭转工艺的优点是：曲轴的曲柄和平衡块设计几乎不受限制，产品在径向可以完全对称，曲轴可以得到最好的平衡效果，可以提高模具使用寿命，降低工艺难度，提高生产效率和材料利用率。扭转后3个平衡块呈120°分布，扭转后的曲轴如图1所示。

三、结论

参数化技术使模具三維CAD得以迅速发展，有效地提高了设计效率和模具质量。而UG为我们提供了一个全新的设计模式，极为方便的问答式的输入方式使参数化设计更具灵活性。实践证明三维设计软件速度快、效率高、操作方便快捷，打破了传统设计的局限性，适应范围更广。因此，我们有理由相信，三维设计软件将成为模具设计的主流。

参考文献：

[1]刘晓冰，高天一.《CAD技术的发展趋势及主流软件产品》[J].中国制造业信息化，2003，（1）：41-45.

[2]王诗丽，龚光辉.《Pro/E与AutoCAD在机械产品结构设计中的功能比较》[J].机械与电子，2003，（2）：65-67.