机械毕业设计17毕业设计-基于solidworks的凸轮轴三维实体造型

毕业 设计 - 1 - 基于 Solid works 的 凸轮轴三维实体造型 * 河北科技师范学院 摘 要 ： Solid works 是一个全方位的 3D 产品开发软件，集合了零件设计、零件装配、模具开发、 NC 加工、钣金设计、自行测量于一身。它采用参数化设计，具有单一数据库，可极大缩短人为的设计计算时间，给设计者前所未有的简易、灵活和高效。本说明书正是鉴于 Solid works 的强大功能，详细阐述说明了 Solid works 在三维设计方面的应用情况。 本设计说明书以 凸轮轴 设计为实例，阐述了使用 Solid works 设计 凸轮轴 的全过程，这当 中包括 凸轮轴 的结构分析、学会使用 Solid works 的各种创建特征、建零件库及二维工程图输出等多方面的工作。 重点介绍了使用 Solid works 设计 凸轮轴 和建零件库两方面的情况，说明了凸轮轴 造型的基本思路，较详细介绍了建零件库的主要步骤。 关键词 ： Solid works 凸轮轴 特征 系列零件设计 表 Abstract ： Solid works is a software used in 3D product development in many territory ， its functions assemble Parts design 、Component assembly 、 modle development 、 NC processes 、 famble tab designed 、 Survey by itself. Adopts the parameterization to design ， have the unitary databank ， it extremely greatly cuts down the man-made design calculation time and give the composer more than ever simple and easy 、 agile and high efficiency. Based on the powerful meritorous service capacity, the manual detailedly elaborates application situation in three dimensions design. This specification book takes the camshaft as the example , elaborate the full process of using Solid works to design camshaft ， it consists of the camshaft structural analysis ,mastering how to create the different features of Solid works, how to construct date room and two dimension engineering drawing export and so on many-sides work 。 Using Solid works to design camshaft and constructing parts date room are the key of the introduction， it illustrates the fundamental train of thought of camshaft moldle making ， detailed introduces how to construct the main 毕业 设计 - 2 - step of constracting parts date room 。 Keyword ： Solid works Feature Family Tab 毕业 设计 - 3 - 引言 目前，有基于不同 CAD 支撑软件的标准件库，每种 CAD 支撑软件下又有不同的建库方式 1 。例如， AutoCAD 环境下的建库，是利用AutoCAD 提供的图块功能，但是由于插入是不能对实体的局部尺寸进行修改，一般只用于诸如符号的简单图形库，此外，还可利用 AutoCAD提供的 Auto lisp ,VBA 等编程工具，通过编程方式对零件描述其图形。这种方式可以实现参数化绘图，而且调用方便，但这种建库方式编程工作量相当大，增加和修改零件时都需修改程序。这些基于 AutoCAD的图形库大都是二维图形库。三维标准件库以基于 Solid Works 和 MDT居多。例如，基于 Solid Works 的标准件库设计可通过系列零件设计表和驱动功能，使用该表对标准件模型内的各种尺寸进行驱动。 Solid Works 还提供了许多 API 函数作为 OLE 程序接口，用户作为二次开发是可以在 Visual Basic 及 Visual C+环境下调用他们开发自己的程序，不过是用 API 函数出需要开发人员具备 Windows 编程的能力外，过程也比较复杂。在 MDT 平台上建立图形库同在 Solid Works 平台上相类似 2 ，总之，三维标准件库的优点是创建尽管容易，但具体操作视不同系统而定。 Solid Works 有全面的零件实体建模功能，变量化的草图轮廓绘制，并能够自动进行动态过约束检查。用 Solid Works 的拉伸、旋转、倒角、抽壳和倒圆等功能可以更简便地得到要设计的实体模型。高级的抽壳可以在同一实体上定 义不同的抽壳壁厚。在用户可定义坐标系，能自动计算零部件的物性和进行可控制的几何测量。用高级放样、扫描和曲面拱顶等功能可以生成形状复杂的构造曲面。通过直接对曲面的操作，能控制参数曲面的形状。通过简单地点取并延伸分型线，能生成非平面的分型面。典型应用是模具的设计。在三维模型上标注，标注的内容支持超级连接。把有公共边界线的曲面缝接成单一曲面。所有特征都可以用拖动手柄改变尺寸，并有动态的形状变化预览。从独特的的特征模板中用拖动放置的操作引用特征。变半径倒圆、指定区域倒圆、填角和圆角过渡。特征管理器 (Feature Manager)对模型捕捉设计意图，双重支持几何选择，拖动放置特征换序。支持产品配置毕业 设计 - 4 - 的控制和设计表的系列定义 3 。 本设计采用美国 Solid Works 公司开发的 CADCAM 软件 Solid Works 为平台，利用其强大的参数化造型技术和 Solid Works 提供的二次开发模块，建立汽车的凸轮轴三维实体参数化设计，以适应机车新产品的设计与开发。与上述 CAD 软件建库方案相比较， Solid Works具有基于特征，全尺寸约束，尺寸驱动设计修改，全数据相关的特点，并因其基于参数化的设计思想，目前已成为业界应用最 广， 技术相对成熟的专业 CAD/CAM 软件之一 4 。 1 汽车凸轮轴需求分析 1.1 开发目标 参数化设计是 Solid Works 的最基本的设计思想。通过 Solid Works对零件参数化设计，可使得在机械设计时，对一些复杂件或性能要求高的零件、类似性大的零件不必重复建模，只要在应用时调出零件表中任意零件的名称即可产生一个照零件表所示尺寸比例的零件，从而大大提高了设计效率 5 ，对于企业来说，大大缩短了产品的设计周期，企业中的工程设计人员必须准确高效的设计出适合社会需求的产品，提高了设计效率，提高了企业的市 场竞争力。 1.2 开发设计思想 尽量利用市场上现有的软硬件环境，采用先进的软件开发方案，从而达到充分利用现有的资源，以提高开发水平和应用效果的目的，从而提高工程设计人员的设计效率，缩短设计周期，满足工业企业使用的需要，使企业在激烈的竞争中立于不败之地。 1.3 开发工具的选择 1.3.1 Solid works 的优点 Solid works 是一个非常庞大的全面的机械设计软件，具有强大的装配、工程图、分析、模具、曲面、钣金、布线、复合件、管道、焊接、数控加工等功能。其优点有： (1)全动感的用户界面 (2)配置管理 (3)协同工作 毕业 设计 - 5 - (4)按照工程设计思路进行设计 (5)全相关性 (6)基于特征的参数化造型 (7)数据管理 (8)容易使用 1.3.2 Solid works 的功能与作用 该软件可以直接画出 3 维图形的零件，屏幕上可以直接显示，设计尺寸、结构等方面是否合理、规范。 组建设备的三维视图，方法是将该机械零件装配后，形成三维组件，通过组合键我们可以从任何一个位置或角度去观察单个零件或三维视图，如果设计结构不合理或比例失调，很容易就被发现，并对零件加以修改，既可以保证零件组合的协调性，又可 避免出现零件在结构上的相互干涉，如果出现零件的相互干涉，可以及时进行修改，且在修改中极为方便，只要将由尺寸结构错误的零件相应部分进行修改，就能达到目的要求，这比手工绘图节省人力、物力、财力，减少浪费。 计算机器组件、零件重量和表面积。当我们设计完成机器的一个零件，一个组件后，在很多时候要确定它的外形尺寸、整体重量、外表面积等外观因素。 1.3.3 确定设计工具 正是 Solid works 软件本身所具有的强大功能及其优点，我最终决定使用它来完成我的毕业设计。 1.4 软硬件环境的选择 6 7 1.4.1 软件环境 WINDOWS 9.X 、 WINNT 4.0 （ PACK 3 ）、 WINDOWS 2000 SERVER、 WINDOWS 2000 STATION 操作系统。 1.4.2 硬件环境 本系统需在或兼容机 586 及以上微机上运行；主机需要有16及以上内存；硬盘需要至少有 50以上可用空间；并且配有光驱。显示器要求、以上彩色显示器 ;毕业 设计 - 6 - 显示卡内存 1M 以上。 2 凸轮轴 2.1 凸轮轴的功用和工作条件 2.1.1 凸轮轴的功用 凸轮轴是气门传动组主要零件。它对气门的运动规律和 配气系统的工作性能具有规非常重要的影响。它的基本功用是根据内燃机工作过程的需要有序有规律地开启和关闭气门。 2.1.2 工作条件 凸轮轴在工作中主要承受气门间歇开闭的周期性冲击载荷。凸轮轴与挺柱之间有很高的接触应力和相对滑动速度，而润滑条件交差，故要求凸轮轴距有足够的韧性和刚度的同时，凸轮工作表面具有高的带模型耐磨性。 2.2 凸轮轴材料 8 凸轮轴材料为 HT25-47,GB976-67,冷激铸铁。铸铁硬度 HB240-280,凸轮表面硬度 HRC45-55。基圆硬度层深度 1.5-3mm,表面硬度可降低 5，桃尖硬度不低于 HRC55。也可用球墨铸铁作为代替。凸轮轴化学成分见表 1。 凸轮轴化学成分见表 1 C Si Mn S P Cr cu 3.2-3.5 1.7-2.0 0.7-0.9 =0.12 =0.3 0.15-0.25 0.6-0.8 2.3 凸轮轴的结构 图 1 轴颈 进气门 排气门 键槽 卡块槽 毕业 设计 - 7 - 2.4 凸轮轴的尺寸 图 3 3 用 Solid works 创建 462Q 凸轮轴三维 实体设计步骤及过程 3.1 熟悉软件环境界面 主菜单的主要功能是在制作模型时控制 Solid works 的整体环境。其中 包括这些菜单的选项：文件、编辑、视图、插入、工具、窗口、帮助，如图 4 所示。 图 4 特征工具条： 图 5-1 草图绘制工具条： 图 5-2 417mm 毕业 设计 - 8 - 软件用户界面，如图 6 所示。 图 6 用户界面 3.2 设计步骤及过程 9 用拉伸、切除、扫描、旋转、倒角、倒圆角等工具设计 462Q 型发动机凸轮轴，其三维效果图如图 7 所示。 图 7 特征管 理窗口 绘图窗口 系统工具栏 特征工具栏 主菜单 毕业 设计 - 9 - 3.2.1 建立新文件 启动 Solid works,在主菜单中选取【文件】 |【新建】选项，系统将弹出新建对话框 ,选中零件单选按钮 ,在名称文本框中输 入新的文件名： tulunzhou，模板选零件，单击 。图 8 图 8 3.2.2 轴段 (拉伸 1)进入草绘界面，开始绘图 （ 1）在草图状态下，点击“草图绘制工具”中的 圆命令在中心绘制一个圆； （ 2）设置参数 半径为 13.5mm，如图 9； 图 9 （ 3）在“特征工具条”选拉伸命令 并设置长度为 13mm,单击确定。完成后如图 10 毕业 设计 - 10 - 图 10 用鼠标单击实体的左平面，使它成为草绘平面 ,继续画下一段轴 ; 3.2.3 轴颈 5 的制作 （ 1） 同理，在新的工作面上画一个圆，半径设为 21.925mm （ 2） 拉伸长度设为 12.5，如图 11 图 11 3.2.4 轴段（拉伸 3）的制作 （ 1） 同理，用鼠标单击轴颈实体的左平面，使它成为草绘平面继续画下一段轴 ; （ 2）拉伸长度设为 13.5，如图 12 毕业 设计 - 11 - 图 12 3.2.5 凸轮（排气门 4）的制作 凸轮是凸轮轴上的重要部分设计要求精度比较高，我们采用图解法绘制草图，轮廓上的点有表上的数据确定 1 0 凸轮轴的凸轮形状直接影响气门的运动规律，因此，凸轮的升程尺寸要求是严格的，在测量凸轮的外形时，排气凸轮左侧和进气凸轮右侧在 0 67o 范围内升程误差不大于 0.035mm（ 但在零时误差不大允许超过 0.025mm），且在每 5o 范围内，相邻升高量误差的差数不得大于 0.03mm，在 68o 98o范围内，误差不允许超过 0.025mm，且在每 3o 范围内，相邻升高量误差的差数不得大于 0.013mm，排气凸轮右侧和进气凸轮左侧在 060o 范围内，升程误差不大于 0.035mm，且在每 5o 范围内，相邻升高量误差的差数不得大于 0.03mm；在 61o 92o 范围内，升程误差不允许大于 0.025mm，且在每 3o 范围内，相邻升高量误差的差数不允许大于 0.013mm （ 1） 用鼠标单击实体的左平面 ，使它成为草绘平面，首先绘制凸轮的草图，以中心为圆心，基圆半径 R=15.5，画一个圆； （ 2）用点击“草图绘制工具”中的 直线命令，以中心为起点画一条直线，在参数项中设长度为 R+H=15.5+5.1520=20.6520,角度为 =90，如图 13 毕业 设计 - 12 - 图 13 （ 3） 同理，做下一条直线，参数见表 2，表 3 排气凸轮左侧（进气凸轮右侧）升程曲线表 2 11 (o) 升程 (mm) (o) 升程 (mm) (o) 升程 H(mm) 0 5.1520 33 3.5352 66 0.2600 1 5.1510 34 3.4422 67 0.2500 2 5.1468 35 3.3471 68 0.2416 3 5.1392 36 3.2499 69 0.2324 4 5.1283 37 3.1506 70 0.2238 5 5.1141 38 3.0493 71 0.2152 6 5.0965 39 2.9460 72 0.2066 7 5.0756 40 2.8408 73 0.1980 8 5.0514 41 2.7337 74 0.1894 9 5.0240 42 2.6248 75 0.1808 10 4.9935 43 2.5141 76 0.1722 11 4.9600 44 2.4017 77 0.1636 12 4.9235 45 2.2876 78 0.1550 13 4.8841 46 2.1719 79 0.1464 14 4.8418 47 2.0546 80 0.1378 15 4.7967 48 1.9358 81 0.1292 16 4.7488 49 1.8156 82 0.1206 毕业 设计 - 13 - 17 4.6982 50 1.6942 83 0.1120 18 4.6449 51 1.5719 84 0.1034 19 4.5889 52 1.4489 85 0.0946 20 4.5302 53 1.3254 86 0.0860 21 4.4688 54 1.2019 87 0.0774 22 4.4048 55 1.0792 88 0.0688 23 4.3382 56 0.9580 89 0.0602 24 4.2690 57 0.8390 90 0.0516 25 4.1972 58 0.7230 91 0.0475 26 4.1229 59 0.6120 92 0.0434 27 4.0461 60 0.5110 93 0.0285 28 3.9668 61 0.4250 94 0.0172 29 3.8851 62 0.3590 95 0.0099 30 3.8010 63 0.3150 96 0.0046 31 3.7146 64 0.2880 97 0.0013 32 3.6260 65 0.2720 98 0.000 排气凸轮右侧（进排凸轮左侧）升程曲线表 3 (o) 升程 (mm) (o) 升程 (mm) (o) 升程 (mm) 0 5.152 37 2.9539 74 0.1326 1 5.151 38 2.8336 75 1238 2 5.147 39 2.7104 76 0.1150 3 5.140 40 2.5844 77 0.1062 4 5.130 41 2.4557 78 0.0974 5 5.117 42 2.3244 79 0.0886 6 5.1009 43 2.1906 80 0.0798 7 5.0817 44 2.0544 81 0.0710 8 5.0593 45 1.9518 82 0.0622 9 5.0036 46 1.7750 83 0.0534 10 5.0046 47 1.6320 84 0.0446 毕业 设计 - 14 - 11 4.9722 48 1.4870 85 0.0358 12 4.9364 49 1.3400 86 0.0270 13 4.8972 50 1.1920 87 0.0190 14 4.8545 51 1.0440 88 0.0122 15 4.8083 52 0.8920 89 0.0069 16 4.7586 53 0.7520 90 0.0032 17 4.7054 54 0.6110 91 0.0010 18 4.6488 55 0.4800 92 0.000 19 4.5888 56 0.3740 93 20 4.5254 57 0.3160 94 21 4.4587 58 0.2880 95 22 4.3887 59 0.2700 96 23 4.3155 60 0.2570 97 24 4.2390 61 0.2470 98 25 4.1593 62 0.2382 26 4.0763 63 0.2294 27 3.9900 64 0.2206 28 3.9004 65 0.2118 29 3.8076 66 0.2030 30 3.7116 67 0.1942 31 3.6125 68 0.1854 32 3.5103 69 0.1766 33 3.4051 70 0.1678 34 3.2968 71 0.1590 35 3.1855 72 0.1502 36 3.0712 73 0.1414 毕业 设计 - 15 - 图 14 （ 4） 用点击“草图绘制工具”中的样调曲线 命令，连接以上各点； （ 5）删去没有的辅助线，如直线， 如图 14 （ 6） 用点击“草图绘制工具”中的剪切 命令， 完成后， 如图15 图 15 （ 7）在“草图绘制工具”选修改草图项 ，设置值如图 16， 完成后， 如图 17 毕业 设计 - 16 - 图 16 图 17 （ 8）拉伸草图深度为 16mm， 如图 18 图 18 （ 9）至 此排气门凸轮 4 就画出了，其它排气门，进气门凸轮的画法类似，只不过旋转的角度不同， 462Q 发动机凸轮轴有 4 对进排气凸轮，它们按顺时针方向旋转，并按发动机的各缸工作顺序 (1 3 42)控制进排气门开闭。进排气凸轮各成 90排列， 如图 19 毕业 设计 - 17 - 图 19 凸轮轴上各排气凸轮与进气凸轮之间的角度，表 4 排气 1 232 进气门 1 306.5 排气 2 142 进气门 2 216.5 排气 3 52 进气门 3 126.5 排气 4 -38 进气门 4 36.5 表 4 3.2.6 轴（拉伸 11） 草图半径是 13.5，拉伸深度是 5， 如图 20 图 20 3.2.7 凸轮（进气门 4） 毕业 设计 - 18 - （ 1）在编辑窗口用鼠标双击实体排气门 4 使其处于选中状态，同时按住 Ctrl 键不放托动凸轮实体到轴（拉伸 11）左平面，此时就生成一个新的凸轮了 （ 2）调整角度，在“草图绘制工具”选修改草图项 ，设置值为 74.5， 如图 21 图 21 3.2.8 轴（拉伸 13） 草图半径是 13.5，拉伸深度是 10， 如图 22 图 22 各段轴 几何尺寸见表 5 属性 名称 草图半径 mm 拉伸深度 mm 拉伸 1 13.5 13 拉伸 5 13.5 13.5 毕业 设计 - 19 - 拉伸 11 13.5 5 拉伸 13 13.5 10 拉伸 17 13.5 13 拉伸 19 13.5 5 拉伸 21 13.5 7 拉伸 24 13.5 11 拉伸 26 13.5 5 拉伸 28 13.5 10 拉伸 30 13.5 13 拉伸 32 13.5 5 拉伸 36 13.5 3 拉伸 37 12.0 30 拉伸 39 13.5 4 拉伸 40 13.5 4 拉伸 41 11.0 20 属性 名称 草图直径 mm 拉伸深 度 mm 轴颈 1 44.25 12.0 轴颈 2 44.05 12.0 轴颈 3 43.85 17.0 轴颈 4 43.85 12.0 轴颈 5 43.45 12.5 表 5 3.2.9 用同样的方法绘出各段轴，数值参照上表 其中轴（拉伸 40）中设置拔摸斜度 30， 如图 23， 24， 25 毕业 设计 - 20 - 图 23 图 24 图 25 3.2.10 键槽 （ 1）在实体拉伸 37上开一个半圆键槽，击活右视图，使其称为草绘平面，使用放大命令 圈选实体拉伸 37部使其局部放大，在高出实体 2mm 开一个 R=7.00mm 的圆； （ 2） 在“特征工具条”选切除命令 ，设置为如图 26 毕业 设计 - 21 - 图 26 3.2.11 切除 -拉伸 1 草图圆半径为 5mm, 切除深度为 22mm; 3.2.12 螺纹孔 （ 1）在以上第 10 部的基础上，画一个同样的圆， 在主菜单中选取【插入】 【曲线】 【螺旋线 涡旋线】，如图 27，图 28 图 27 图 28 （ 2）建立“基准面 1”， 【插入】 【参考几何体】 【 基准面 】 【垂直于曲线】，选螺旋线的起点和螺旋线， 单击 完成。如图29 毕业 设计 - 22 - 图 29 3.2.13 切除 -拉伸 1 草图圆半径为 5mm, 切除深度为 12mm; 3.2.14 倒角 1，倒角 2，倒角 3 在“特征工具条”选 倒角工具 ，选取 5 个支撑轴颈的曲面，进行倒角；选取实体拉伸 37拉伸 41 进行再次倒角； 现在已经完成凸轮轴的绘图模型，如图 30 图 30 毕业 设计 - 23 - 3.2.15 编辑颜色 选择标准工具调中的编辑颜色 命令，从编辑器中选择自己喜欢的颜色，如 图 31，图 32 图 31 图 32 3.2.15 对特征命名 单击管理器中特征 的名称，此时名称备击活输入熟悉的名字即可，如 图 33 图 33 毕业 设计 - 24 - 4 462Q 凸轮轴三维实体 的参数化设计 过程 4.1 零件配置的概念 “配置”是指在零件或装配体中通过隐藏或压缩特征（或零部件），或者用设计表控制零件的系列尺寸或参数，完成在单一文件中对零件或产品的系列化设计及对零件版本及产品结构进行管理。具体来讲，在零件设计中应用配置，可以设计不同尺寸，特征和属性的系列化零件。在装配体文件中，应用配置可以简化装配关系，还可以应用不同的零件配置，不同的特征参数或不同的尺寸来完成产品的系列化设计。因此， Solid works 的配置功能在当今产品的多样化和系列产品中具有重要的应用价值。 4.2 零件设计表配置概述 零件设计表实际上是一个 Microsoft Excel 电子表格（请在零件表配置之前，在计算机上安装 Microsoft Excel 97 以上软件），它同样可以在一个零件文件中控制和管理配置的治村和属性，特征的压缩状态等，生成一系列零件配置。零件设计表是用于生成和管理零件配置的，在生成零件设计表示，必须定义生成的配置名称，制定有零件设计表控制的项目及其相应的数值。 4.3 创建 零件设计表 的主要步骤 在主菜单中选 【 插入】 |【系列 零件设计表 】 |【自动生成】，如图 34；然后添加特征尺寸，此时生成一个 Excel 电子表格，找到各尺寸之间的关系，在电子表格输入关系式， 如图 35， 在电子表中可以设置自己需要的零件类型，如配置 1，配置 2，等等 毕业 设计 - 25 - 图 34 图 35 5 参数化设计的优点 Solid works 使用用户熟悉的特征 作为产品设计几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按照预先设置很容易地进行修改。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，而且包括非几何属性），然后修改参数，这样很容易进行多次 设计叠代，实现产品开发 1 2 。 在实际设计工作中，经常用到通用件或形状相似的零件，如果把这些零件逐个设计后保存，工作量即大，管理起来也不方便。SolidWorks 软件在零件设计中提供了一个非常好的配置毕业 设计 - 26 - （ configuration）功能，这个功能允许你建立一个零件而有几个不同的配置，而这个零件在不同配置中可以屏蔽不同的特征；或同样的特征在不同的配置情况下有不同的特征参数值，而这些不同的配置都被保存在同一个文件内；使用时只需选择其中任意一个配置，就可以得到想要的零件 13。 6 设计中遇到问题和解决 要很好 的应用一个新的软件来设计标准件库，首先要对该软件的基本功能有一定的了解，然后涉及到具体的东西需要自己捉摸，反复试验，这都需要一定的耐心与时