三元叶片泵的CAD CAM CAE课程设计

三元叶片泵的CAD/CAM/CAE设计
1、三元叶片泵CAD/CAM/CAE设计的意义
再通过传统的方式设计常常会发现再设计三元叶片泵的转子轴的受力比较复杂，通过力学列方程，求解和画出相应的应力图，用手工话比较复杂，工作量比较大，这样使设计周期大大增大，CAE这可以帮助完成复杂的受力分析；其次是手工绘图需要投入大量的人力和财力，并且不易修改图形，更重要是的手工绘图难以直观地表达复杂产品的装配关系，CAD可以使装配关系简单的表达和数据共享等；最后就是在采用数控加工时需要编写很多程序，而程序涉及到许多关键点的坐标，需要手工计算，工作量大并且出错的概率比较大等等问题，CAM可以自动编程，自动找到关键点。

因此为了很快的找到危险点或者面，减少手工编程和绘图所导致设计周期增大等问题，而引进CAD/CAM/CAE对三元叶片泵的设计，而达到缩短产品设计周期，降低设计成本，设计数据能有效地共享和充分地利用，设计阶段就可以清楚地掌握其加工方式和力学性能等目的。

2、三元叶片泵的装配
2.1三元叶片泵的装配图和爆炸图及其相关说明
装配图和爆炸图分别如图1、图2所示：
图 1、装配整体图
图 2三元叶片泵的爆炸图
图一是三元叶片泵的装配图形，图二为三元叶片泵的爆炸图，如下结合图二对图一做说明。

三元叶片泵的零件按照图二从左到右的顺序介绍（以从左到右的顺序进行编号1——12）根据表一所示：
表格 1 三元叶片泵的零件介绍
编号1（左一） 2 3 4 5 6
名称螺栓泵盖垫片定子轴小滑块大滑块作用连接防泄漏定位滑块
编号7 8 9 10 11 12 右一名称转子轴衬套密封圈泵体螺钉压盖作用提供动力防泄漏固定连接
2.2三元叶片泵的主要零件的连接方式
主要选取了泵盖、泵体、压盖、转子轴为说明在solidedge环境下的的装配和连接方式，具体见表格。

表格 2 三元叶片泵部分零件的装配关系和连接关系
零件名称装配关系连接关系
泵盖和泵体两个轴对齐和面贴合六个螺栓连接
泵体和压盖面贴合和两个各轴对齐三个螺钉连接
泵体和转子轴一个面贴合和一个轴对齐滑动连接，保证能运动
注：三元叶片泵的其他零件的装配关系也是采用轴对齐和面贴合关系进行装配的，连接关系也是根据上述三种进行定位进行安装的。

2.3三元叶片泵的泵体的工程图输出
选择三元叶片泵的泵体（也可以说是箱体）作为零件输出工程图，其三维模型图见下图3所示。

图 3 三元叶片泵的泵体三维图形
用solidedge零件环境下导出叶片泵的工程图，再在CAD下进行修改得到泵体的工程图，由于工程图是A3图纸，这里不给予列出，具体详见泵体的工程图（本文的附页）中。

3、轴的CAM过程
3.1 CAM的前期处理
根据加工要求，选择螺栓进行CAM自动编程。

螺栓的工程图及其尺寸详见图4所示：
图 4 螺栓的工程图
3.2 MasterCAM X5建模和模拟加工过程
主要是对螺栓的的螺纹部分进行得MasterCAM X5进行加工处理。

首先选择的毛坯φ⨯mm，材料为45号钢进行加工。

尺寸为：1322
根据零件的要求所以选择数控化车床进行加工，而其中加工参数详见加工参数表格3：
表格 3 加工参数
车端面粗车精车车螺纹进给速率0.01mm/r 0.25mm/r 0.001mm/r 1.0mm/r
主轴转速200 ccs 300ccs 150ccs 100ccs X方向的预留量0 0.5mm 0
Z方向的预留量0 0.2mm 0
粗车步进量无1mm 0.1mm
精车步进量0.1 mm
下刀速率0.1mm/r 0.125mm/r
进刀延伸量 1.0mm
回缩量2mm
安全间隙2mm
车削次数 1 1 1 5
进刀角度29°
精修预留量0.5mm 注：上述为写的表示该加工下无此项参数的设定。

最后加工的螺栓的参数为如下表格4所示：
表格 4 螺栓的参数
导程包含的角度螺纹的角度大直径小径螺纹深度
1.0 60.0 30.0 6.0 4.917 0.5415
在MasterCAM X5中主要是完成车螺纹的过程，没有完成螺栓帽的部分，而车螺纹主要用了4个步骤，第一步在刀库中选取1号刀，1号刀具补偿把端面去掉1mm长度，φ的轴，预留0.5mm进行精车，然后在进行精车，主要在进给速率和主轴再进行粗车6
转速都降低，保证表面粗糙度，最后车螺纹，刀具号为96，刀具补偿号为96，最后加工出来如表格4所示参数的螺栓，而实体模型图详见图5【MasterCAM X5加工的实体模型图】
根据上述表格3设置的参数等，MasterCAM X5中进行模拟加工后的图形结果详见图5所示：
图 5 MasterCAM X5加工的实体模型图
根据上述的过程在MasterCAM X5进行模拟加工可以点击G1可以得到数控程序代码，由于比较多这里只列举前10行程序进解释，前十行的程序和相关解释如下所示：O0000 %程序名
G21 %
G0 T0101 %换上01号刀
G18 %选择ZX平面
G97 S3600 M03 %主轴开启转速为3600
G0 G54 X17.416 Z20. %快速进刀到X17.416 Z20
G50 S3600 %刀具偏置0 主轴转速3600
G96 S200 %恒定的线速度主轴转速200
G99 G1 X-1.6 F.01 %直线到X为-1.6，Z不变的处，进给速率为0.01mm/r
G0 Z22. %快速运动到Z为22，X为-1.6处
G96 S300 %恒定的线速度主轴转速300
X10.424 %恒定线速度到X10.424处
Z24.5 %Z24.5处
G1 Z22.5 F.25 %直线插补终点坐标Z22.5，X10.424，进给速率为0.25mm/r Z3.2 %直线插补终点坐标Z3.2，X10.424，进给速率为0.25mm/r X13.253 Z4.614 %直线插补终点坐标X13.253 Z4.614，进给速率为0.25mm/r G0 Z24.5 %快速移到到Z24.5处
其中%后面就是对程序段的解释
上述只是一部分程序代码，而在实际加工时可以直接把MasterCAM X5生成的程序传输到数控机床上进行加工，这样在很大程度上减少了手工编程的时间和错误。

4、 转子轴的CAE 过程
4.1 ansys 的前处理：
<1>前处理的分析过程
由于转子轴在运动过程中受力比较复杂，在采用手工求解不易找到最大应力处，故选取转子轴用Ansys 做CAE 分析。

转子轴在工作时候是由电动机带动转动，算是一个动力学问题，而且每个时期的受力不一样，但是我们把它看做在任何时期都是动平衡状态，则可以看做是一个静力学问题。

所以选取在一个受力最大的时候作分析。

可以得出受力最大的时期如下图6所示的受力状态和约束情况：
图 6 转子轴的受力情况简化图
根据受力T 是由电动机提供的，F 是由滑块提供的力，在ansys 中采用集中力的形式简化运算过程，P 1、P 2是液体提供的，理想化为P 1、P 2为定值。

P 1 P 2 F
T
杨氏模量 抗拉极限强度 材料密度 325pa
103pa
3.56KN 13.26N m •
199947953
kPa
358527.364
kPa
7833.000 kg/m^3
上述为钢结构，质量为0.268 kg ，选用的电动机功率为1KW ，功率为0.98，转速为720r/min ，所以可以根据公式得：
10.98
955013.26720
T N m ⨯=≈•
F 和P 2平衡T 的，根据就算可以得出如上表所示的结果，P 1=103pa 是根据一般液体流动时的一个估算值。

<2>Ansys 建模过程和网格划分过程
首先在Ansys 中建立模型，Ansys 的命令流如下所示：
/PREP7
！定义单元属性ET, 2, SOLID45 MP, EX, 1, 2E11 MP, PRXY, 1, 0.3 ！创建关键点
K,1,0,0,0
K,2,0,-6,0
K,3,1,-7,0
K,4,32,-7,0
K,5,32,-7.5,0 K,6,62,-7.5,0 K,7,62.5,-7,0 K,8,64.5,-7,0 K,9,64.5,-9,0 K,10,64,-9.5,0 K,11,64,-24,0
K,12,93,-24,0
K,13,93,0,0
！点连成线
LSTR,1,2
LSTR,2,3
LSTR,3,4
LSTR,4,5
LSTR,5,6
LSTR,6,7
LSTR,7,8
LSTR,8,9
LSTR,9,10
LSTR,10,11
LSTR,11,12
LSTR,12,13
LSTR,13,1
！倒圆
LFILLT,7,8,0.5
！有线创建面
AL, ALL
！旋转面创建体
VROTAT,ALL,,,,,,
1,13,360
/VIEW,1,1,1,1
/PNUM,VOLU,1
！移动工作坐标系
WPOFF,80,24,0
WPROT,0,90,0
！创建圆柱体
CYLIND,0,7.5,0,4
8,360
！体相加
VADD,1,2,3,4
！体做相减运算
VSBV,6,5
WPROT,0,-90,0
WPOFF,-80,-24,0
WPOFF,93,11,24
！创建长方体方体
BLOCK,0,-22,0,-
22,0,-48
！体相减
VSBV,1,2
WPOFF,-93,-11,-
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注：其中的相减运算（布尔运算）类似于三维建模软件的去除材料（涂料）在上述的实体模型建立后在GUI下进行网格的划分，采用自由网格划分。

网格划分GUI流程：->Preprocessor->Meshing->MeshTool
其实体模型进行网格划分后的图形为如下图5所示：
图 7 转子轴的网格划分图（ANSYS环境中的）
4.2 ansys的求解：
主要是根据上述分析用Ansys进行载荷的加载和约束
约束的GUI过程：->Preprocessor->Meshing->MessTool
->Solution->Apply->Structural->displacemen->On Areas
载荷加载时的GUI过程：
->Solution->Apply->Structural->Force/Moment->On Nodes（集中力）
->Solution->Apply->Structural->Pressure-> On Areas（应力）
在命令流中
4.3 ansys的后处理：
输入PLDISP,1进入后处理，在命令流中输入PRDISP，PLDISP,1得到如图下图所示的一系列变形图：
图 8 转子轴的位移变形图图 9 转子轴在Z方向的变形图
在命令流中输入 NSORT,U,x,0（降序排列）、*get,ux_max,SORT,0,MAX（最大值）*get,ux_imax,SORT,0,IMAX（对应节点号）把相应的MAX换成MIN就是最小受力点根据上述的分析可以得出如下结论详见表格：
表格 5 转子轴的CAE分析结果
位置大小最大应力连接电动机的圆柱表面 1.8Mpa
最小应力与泵体连接的部位0.6Mpa 结论满足工作要求
由于转子轴是在转动的受力不一样，所以最大和最小应力的位置不是在一点，而是在如上表格所示一个面上。

因此为了更好地满足要求可以在最大应力处表面进行相应的热处理以更好的达到要求。

5、结论
一句话说：通过CAD/CAM/CAE设计，实现了缩短产品设计周期，降低设计成本，设计数据能有效地共享和充分地利用，设计阶段就可以清楚地掌握其加工方式和力学性能等目的。

CAD实现了装配关系简单的表达和数据共享，更加方便更多人学习和产品换代速度；CAE【这里主要用的是ANSYS分析，还可采用CROE、Femap等进行有限元分析】完成复杂的受力分析，实现了快速找到危险点的目的；MasterCAM X5实现自动编程，实现了减少手工编程的错误和时间。

总之，都是为了缩短设计时间，而达到设计成本的减少，同样达到数据的共享，可以达到更多人参与进来，进而对产品的改进和换代起到积极的推动作用。

有着推动实现科学全球化，无国界的的目的，在工业的历史上具有深远的意义。

但是也有不足之处，CAD/CAM/CAE是一个完整的过程，在某一个环节出了错，就有可能导致设计出废品。

据我的设计而言，我在CAE过程对转子轴的受力分析采用静力学分析，但实际并不如此，有可能电动机的转速不平稳等，可能会导致受力瞬间增大，所以在CAE分析时应多考虑实际情况，例如电压不稳定导致电动机不平稳引起的冲量，需要进行对CAE过程进行改进。

6、参考文献
1、龚曙光. ANSYS软件在应力分析设计中的应用[ J ]。

计算机辅助设计与制造, 2001
(7) : 21223
2、潘玉松. 浅谈使用ANSYS时的建模方法[ J ]。

成都电子机械高等专科学校学报, 200
0 (2) : 30232.
3、王细洋.MasterCAM X5从入门到精通.国防工业出版社
4、王守志.Solid Edge实用教材.天津大学出版社
5、高耀东.ANSYS机械工程应用精华50例(第3版).电子工业出版社
6、侯洪生.机械工程图学.科学出版社
7、汪勇.AutoCAD 2006工程绘图教程.西南交通大学出版社。