作為國(guó)資委管理的53家重要骨干企業(yè)之一，中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司(簡(jiǎn)稱中國(guó)二重)始建于1958 年，1971年建成投產(chǎn)，是中國(guó)最大的重大技術(shù)裝備研制基地之一。多年來，中國(guó)二重的研發(fā)工作始終圍繞國(guó)家發(fā)展裝備制造業(yè)的方針政策而開展，具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的冶金、礦山等領(lǐng)域的重型裝備，核電、火電和水電機(jī)組大型鑄鍛件，重型壓力容器和大型傳動(dòng)裝備的技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)能力，先后為冶金、礦山、能源、交通、汽車、石油化工、航空航天等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門和國(guó)防建設(shè)提供了上百萬噸重大技術(shù)裝備。許多產(chǎn)品填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，替代了進(jìn)口，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮著不可替代的重要作用。出色的業(yè)績(jī)使得中國(guó)二重成為國(guó)家級(jí)創(chuàng)新型(試點(diǎn))企業(yè)，四川省高新技術(shù)示范企業(yè)，國(guó)家專利試點(diǎn)先進(jìn)單位和國(guó)家首批知識(shí)產(chǎn)權(quán)示范創(chuàng)建單位。近年來，中國(guó)二重在研發(fā)設(shè)計(jì)方面不斷探索、不斷創(chuàng)新，極大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)了腳跟。

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圖一 集團(tuán)公司技術(shù)中心大樓

研發(fā)設(shè)計(jì)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

中國(guó)二重一直將研發(fā)設(shè)計(jì)創(chuàng)新作為集團(tuán)重要的工作，下屬兩個(gè)國(guó)家級(jí)研發(fā)平臺(tái)：中國(guó)二重國(guó)家級(jí)企業(yè)技術(shù)中心和大型鑄鍛件數(shù)值模擬國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室。技術(shù)中心下設(shè)七個(gè)專業(yè)研發(fā)院所：重型機(jī)械設(shè)計(jì)研究院、大型鑄鍛件研究所、工藝研究所、重型壓力容器與核電技術(shù)研究所、傳動(dòng)技術(shù)研究所、信息技術(shù)所和計(jì)量技術(shù)所。中國(guó)二重具有雄厚的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)和強(qiáng)大的產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造能力。擁有國(guó)家級(jí)技術(shù)中心、工程實(shí)驗(yàn)室和博士后工作站，擁有160MN水壓機(jī)等主要生產(chǎn)設(shè)備6600臺(tái)，具備一次性冶煉900t鋼水、澆注600t鋼錠、產(chǎn)出500t成品鑄件及250t成品鍛件的能力，是中國(guó)最大的冶金成套設(shè)備、核電、水電、火電成套鑄鍛件、重型壓力容器、大型傳動(dòng)件、大型成套航空模鍛件等重大技術(shù)裝備制造基地。

然而，隨著業(yè)務(wù)的開展客戶的需求也在發(fā)生變化：如今的機(jī)械制造業(yè)不再是單一的機(jī)械設(shè)備制造，而是要為用戶提供成臺(tái)套裝備，這就要求制造商具有更全面、強(qiáng)大的技術(shù)支持。目前各重型機(jī)械制造業(yè)都在積極尋求進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)計(jì)能力、改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短生產(chǎn)制造周期、降低生產(chǎn)制造成本等項(xiàng)問題的解決方案。有了完善可行的解決方案，才能在當(dāng)前國(guó)際國(guó)內(nèi)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟，長(zhǎng)足發(fā)展。中國(guó)二重也不例外，在科研開發(fā)、設(shè)計(jì)制造等領(lǐng)域都面臨著這樣的挑戰(zhàn)。

如何應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)?

在高速發(fā)展的信息化時(shí)代，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已不能滿足目前快節(jié)奏的生產(chǎn)方式了，更好地應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和手段，是最好的選擇。為此，中國(guó)二重在市場(chǎng)開拓、產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造等方面采取了多項(xiàng)改進(jìn)措施來應(yīng)對(duì)目前的挑戰(zhàn)。在科研開發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，提高了CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用深度和范圍，制定了多種考核方式來促進(jìn)工程技術(shù)人員盡快提高應(yīng)用CAD/CAE技術(shù)的技巧和能力。

早在十幾年前，集團(tuán)公司就在實(shí)施甩圖板工作時(shí)選用了AutoCAD作為二維CAD工具，如今，無論是推廣應(yīng)用三維CAD/CAE技術(shù)還是選擇整體解決方案，都離不開已有的二維工程圖紙和多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累。因此，選取歐特克解決方案是有效利用已有資源、提升效率的最佳選擇。集團(tuán)公司設(shè)計(jì)研究院從1993年開始實(shí)施甩圖板工作，針對(duì)AutoCAD軟件的應(yīng)用，先后舉辦了多期CAD技術(shù)培訓(xùn)班，普及推廣后陸續(xù)購(gòu)買了歐特克產(chǎn)品：AutoCAD和Autodesk Inventor，這也是集團(tuán)公司設(shè)計(jì)研究院目前主要使用的CAD軟件。CAE方面，集團(tuán)公司目前正在試用歐特克的Autodesk Simulation Mechanical & Multiphysics軟件，并不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和需求。不斷的發(fā)展，不斷的創(chuàng)新。中國(guó)二重研發(fā)設(shè)計(jì)的下一步計(jì)劃是將重點(diǎn)放在成臺(tái)套設(shè)備的整體應(yīng)用分析上，以解決整體設(shè)備的數(shù)字樣機(jī)制作、整體測(cè)試、工況模擬、應(yīng)力分析等問題。

“實(shí)踐證明，三維技術(shù)的應(yīng)用能夠有效地滿足企業(yè)對(duì)新產(chǎn)品快速研發(fā)、設(shè)計(jì)和產(chǎn)品知識(shí)積累的需求。不但大大提高設(shè)計(jì)效率，在優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面也效果卓著。”中國(guó)二重設(shè)計(jì)研究院教授級(jí)高級(jí)工程師、傳動(dòng)技術(shù)研究所傳動(dòng)設(shè)計(jì)二室室主任譚仁萬表示。

從設(shè)計(jì)實(shí)例看三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

現(xiàn)在以萬向接軸系列化產(chǎn)品的開發(fā)為例，對(duì)中國(guó)二重使用歐特克解決方案的應(yīng)用情況和經(jīng)驗(yàn)作簡(jiǎn)介。

十字軸式萬向接軸是機(jī)械行業(yè)廣泛應(yīng)用的傳動(dòng)件之一，對(duì)于這類具有標(biāo)準(zhǔn)系列的產(chǎn)品，經(jīng)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)后，應(yīng)用Inventor來完成設(shè)計(jì)工作，更加能夠顯示出Inventor在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的優(yōu)越性和高效率。

我們利用Inventor對(duì)SWC/SWZ/SWP型萬向接軸進(jìn)行了三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件開發(fā)，該軟件能夠快速、準(zhǔn)確地生成各系列聯(lián)軸器的三維零部件實(shí)體和完整的裝配體，并用優(yōu)化后的數(shù)據(jù)修正三維模型，使得這類型號(hào)的萬向接軸的結(jié)構(gòu)更合理，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品的承載能力和機(jī)械性能特性，有效地提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造水平。高效率地開發(fā)設(shè)計(jì)出聯(lián)軸器各種規(guī)格的系列化產(chǎn)品，有效縮短設(shè)計(jì)和制造周期、提高產(chǎn)品技術(shù)性能、節(jié)約制造成本，產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在軟件開發(fā)中，我們重點(diǎn)考慮和解決了以下幾個(gè)問題：

1、十字萬向接軸參數(shù)驅(qū)動(dòng)與強(qiáng)度問題：十字萬向接軸不但規(guī)格系列較多，并且各系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)中均涉及很多待定尺寸，各尺寸之間又涉及到裝配關(guān)系和強(qiáng)度之間存在互相影響、相互矛盾的問題，需要多次反復(fù)計(jì)算校核，才能確定結(jié)構(gòu)型式方案，盡管如此也不能優(yōu)化的解決裝配關(guān)系與強(qiáng)度之間的問題。并且該產(chǎn)品使用傾角大，相互運(yùn)動(dòng)件容易產(chǎn)生干涉，尤其是SWC型的整體鑄造叉頭，空間曲面多，形狀復(fù)雜，強(qiáng)度要求高，是造成干涉的主要零件之一，該件是該類萬向接軸的關(guān)鍵零件，也是應(yīng)力最大的零件，因此，在設(shè)計(jì)階段，要提高萬向接軸的承載能力，延長(zhǎng)其壽命，就必須對(duì)其關(guān)鍵零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和必要的強(qiáng)度分析。該軟件解決了聯(lián)軸器零部件的快速編輯和強(qiáng)度校核問題。

2、工程圖生成中存在的問題：由于萬向接軸零件較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間曲面多，輪廓線繪制困難，且圖面尺寸及形位差較多，人為標(biāo)注尺寸時(shí)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤和漏洞。為確保圖紙的正確性，避免人為繪制工程圖出現(xiàn)錯(cuò)誤的問題，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，我們采用了工程圖尺寸標(biāo)注數(shù)據(jù)和三維模型驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)共用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的方式，有效地解決了工程圖標(biāo)注數(shù)據(jù)與三維模型驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)一致性的問題，

3、脹箱導(dǎo)致的干涉問題：由于鑄造時(shí)脹箱、重要尺寸偏差與圖紙給出的偏差產(chǎn)生較大誤差等原因的影響，致使整體鑄造叉頭實(shí)體可能存與相關(guān)件嚴(yán)重干涉或者重要部位的強(qiáng)度減弱的問題，這兩種情況都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)和質(zhì)量造成非常嚴(yán)重的影響。在裝配時(shí)若存在嚴(yán)重干涉問題，無法達(dá)到設(shè)計(jì)傾角要求。只能在反復(fù)的修整后才能確定干涉部位及干涉程度，而干涉部位要在機(jī)床上切削加工后再進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)干涉后再上機(jī)床加工，如此反復(fù)修整才能解決整體鑄造叉頭干涉的問題。這樣既影響到該設(shè)備的出產(chǎn)進(jìn)度，無法保證交貨時(shí)間，同時(shí)又長(zhǎng)時(shí)間占用機(jī)床，嚴(yán)重影響其它產(chǎn)品的進(jìn)度，造成人力和資源的浪費(fèi)。利用該軟件，可以在Inventor環(huán)境下很好地解決上述問題，有效地提高設(shè)計(jì)效率，縮短了生產(chǎn)制造周期。

軟件的開發(fā)為設(shè)計(jì)者提供了良好的操作界面，即使不熟悉Inventor的設(shè)計(jì)人員，也能利用該軟件設(shè)計(jì)快速地完成十字軸式萬向聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)工作。軟件采用了外部執(zhí)行文件與Inventor交互操作的模式運(yùn)行，可在Inventor 2010~2012環(huán)境下運(yùn)行。

圖二~圖五是軟件運(yùn)行的主控界面和完成的相應(yīng)工作結(jié)果。

 
圖二 參數(shù)化設(shè)計(jì)程序主控截面

 
圖三 完成后的SWC型聯(lián)軸器接軸裝配

 
圖四 聯(lián)軸器工程圖生成主控界面

 
圖五 生成后的法蘭叉頭工程圖

應(yīng)用效益評(píng)價(jià)

萬向接軸系列化產(chǎn)品的開發(fā)已在Autodesk Inventor(三維部分)/AutoCAD(工程圖部分)平臺(tái)上成功運(yùn)行。目前，設(shè)計(jì)研究院傳動(dòng)所設(shè)計(jì)的該類萬向接軸全部采用該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在通鋼1450E1萬向接軸、重鋼1780 E1萬向接軸、柳鋼1450F1E萬向接軸、東北特鋼小棒萬向接軸系列等設(shè)計(jì)工作中得到深入應(yīng)用(應(yīng)用情況見表2)，應(yīng)用情況良好。在設(shè)計(jì)周期上，以前傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)一套較為復(fù)雜的伸縮式SWC型十字萬向接軸需要的時(shí)間大概為：方案設(shè)計(jì)(7天)、強(qiáng)度分析(7天)、詳細(xì)設(shè)計(jì)及工程圖繪制(30天)，共需要約44天完成設(shè)計(jì)工作，而本項(xiàng)目的研究成功，可以在約7天的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)工作，僅為原設(shè)計(jì)時(shí)間的16%，大大的提高了設(shè)計(jì)效率。實(shí)踐證明，該技術(shù)的應(yīng)用能夠有效地滿足企業(yè)對(duì)新產(chǎn)品快速研發(fā)、設(shè)計(jì)和產(chǎn)品知識(shí)積累的需求。

在設(shè)計(jì)十字軸式萬向接軸的過程中，使用Inventor二次開發(fā)軟件快速、準(zhǔn)確地生成相應(yīng)的零部件三維模型，對(duì)關(guān)鍵件進(jìn)行強(qiáng)度分析，萬向節(jié)傾轉(zhuǎn)干涉分析，然后對(duì)其中關(guān)鍵尺寸進(jìn)行優(yōu)化、修正，最終生成工程圖用于生產(chǎn)。在這一設(shè)計(jì)周期中，我們使用Inventor二次開發(fā)軟件后，極大地提高了工作效率，而且經(jīng)過強(qiáng)度及過盈分析后，零部件的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)都能得到最大的優(yōu)化，并且能夠避免形狀復(fù)雜的法蘭叉頭在無法精確控制其傾轉(zhuǎn)時(shí)不出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。有效縮短了設(shè)計(jì)和制造周期、提高產(chǎn)品技術(shù)性能、節(jié)約制造成本，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。