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1、 . . . 1 绪论1.1 课题背景模具技术是上世纪下半叶制造业中发展最快的技术之一,由于模具的设计和制造是一个非常复杂的过程,并且是一个不断反复的过程,目前,采用具有三维参数化特征造型功能的CAD支撑软件,在模具设计中应用并行工程原理,实现模具管理、工艺分析与设计及模具结构设计的一体化是一种较有代表性也很有应用前景的模具CAD系统开发方法。1.2 国外模具概况改革开放20多年来,我国的模具工业获得了飞速的发展,设计、制造加工能力和水平、都有一了很大的提高。据中国模具工业协会统计,1995年中国模具总产值为145亿元,而20XX已达450亿元左了,年均增长14%。另据统计20XX中国不包括、
2、澳门地区共有模具专业生产厂、产品厂配套的模具车问分厂近20000家,约60万从业人员,年模具总产值达1亿元人民币以上的有十多家。但是,我国模具工业现有能力只能满足需求最的60%左右,还不能适应国民经济发展的需要。据有关部门统计,1997年进口模具价值6.3亿美元,这还不包括随设备一起进口的模具；1997年出口模具仅为7800万美元。目前我国模具工业的技术水平和制造能力,是我国国民经济建设中的薄弱环节和制约经济持续发展的瓶颈。国已经认识到了模具在制造业中的重要基础地位,许多模具企业十分重视技术发展,增大了用于模具技术进步的投资。一模具设计分析方面的状况：模具CAD/CAE/CAM技术是改造传统模
3、具生产方式的关键技术,能显著缩短模具设计与制造周期,降低生产成本,提高产品质最。它使技术人员能借助于计算机对产品、模具结构、成型工艺、数控加工及成本等进行设计和优化。以生产家用电器的企业为代表,陆续引进了相当数最的CAD/CAM系统,实现了CAD/CAM的集成,并采用CAE技术对成型过程进行计算机模拟等,数控加工的使用率也越来越高,取得了一定的经济效益,促进和推动了我国模具CAD/CAE/CAM技术的发展。近年来,我国自开发的有冲裁模CAD/CAM系统；CAXA系列软件为进一步普及模具CAD/CAM技术创造了良好条件。但目前我国计算机辅助技术的软件开发,尚处于较低水平,需要知识和经验的积累。无
4、论是应用广泛性,还是技术水平上都与国外存在很大的差距。在应用CAE进行模具方案设计和分析计算方面,也才刚刚起步,大多还处于试用阶段。二我国未来模具的研发探讨模具设计的标准化、网络化、智能化、三维化、集成化1、标准化标准化是实现模具专业化生产的基本前提,是系统提高整个模具行业技术水平和经济效益的重要手段,是机械制造业向深层次发展必由之路。国际上工业发达的国家和公司都极为重视模具的标准化,我国的模具标准化程度不足30%,而且标准品种少、质量低、交货期长,严重阻碍模具的合理流向和效能发挥。CAD/CAM系统可建立标准零件数据库,非标准零件数据库和模具参数数据库。标准零件库中的零件在CAD设计中可以随
5、时调用,并采用GT成组技术生产。非标准零件库中存放的零件,虽然与设计所需结构不尽相同,但利用系统自身的建模技术部可以方便地进行修改,从而加快设计过程,典型模具结构库是在参数化设计的基础上实现的,按用户要求对相似模具结构进行修改,即可生成所需结构。2、集成化模具CAD/CAM技术与GT、CE、CAE、CAPP等技术密切相连,组成一个有机的整体,其关键在于建立一个统一的全局模具产品数据模型,在产品开发,模具设计中,提供全部的信息,使信息共享,交换处理和反馈,它综合了计算机技术,系统集成技术,并行技术和管理技术,体现了系统化思想直至发展为CIMS 。模具软件功能的集成化要求软件的功能模块比较齐全,同
6、时各功能模块采用同一数据模型,以实现信息的综合管理与共享,从而支持模具设计、制造、装配、检验、测试及生产管理的全过程,达到实现最佳效益的日的。如英国Delcam公司的系列化软件就包括了曲面/实体几何造型、复杂形体工程制图、工业设计高级渲染、塑料模设计专家系统、复杂形体CAM、艺术造型及雕刻自动编程系统、逆向工程系统及复杂形体在线测量系统等。集成化程度较高的软件还包括：Pro/E、UG和CAT1A等。3、模具设计、分析及制造的三维化。传统的二维模具结构设计已越来越不适应现代化生产和集成化技术要求。模具设计、分析、制造的三维化、无纸化要求新一代模具软件以立体的、直观的感觉来设计模具,所采用的三维数
7、字化模型能方便地用于产品结构的CAE分析、模具可制造性评价和数控加工、成形过程模拟及信息的管理与共享。如Pro/E、U G和CAT1A等软件具备参数化、基于特征、全相关等特点,从而使模具并行工程成为可能。另外,Cimatran公司的Moldexpert, Delcam公司的Ps-mold及日立造船的Spaee-E/mold均是3D专业注射模设计软件,可进行交互式3D型腔、型芯设计、模架配置及典型结构设计。澳大利亚Moldflow公司的三维真实感流动模拟软件MoldflowAdvisers己经受到用户广泛的好评和应用。面向制造、基于知识的智能化功能是衡量模具软件先进性和实用性的重要标志之一。如C
8、imatron公司的注射模专家软件能根据脱模力向自动产生分型线和分型面,生成与制品相对应的型芯和型腔,实现模架零件的全相关,自动产生材料明细表和供NC加工的钻孔表格,并能进行智能化加工参数设定、加工结果校验等。4、网络化与协同设计随着模具工业规模的不断扩大,要做到资源信息共享、交换等,网络化设计的发展是必然的,将以微机为中心的智能工作站达成了分布式系统构成CAD/CAM/CAE/CAPP微机局域网络,结构灵活,功能愈加强大,并伴随着Internet/Intranet网的进一步拓展,系统提供了异地设计人员在同一时间对同一个参数进行评价和修改,实现异地操作与数据交换,使一个项目在多台计算机上协作完
9、成,以适应不同地区的现有资源和生产设备资源的要求和利用。这种基于Internet下的协同设计实现了企业间的集成化,它将成为模具制造业全球化的发展趋势。随着模具在企业竞争、合作、生产和管理等力一面的全球化、国际化,以及计算机软硬件技术的迅速发展,模具软件应用的网络化的发展趋势是使CAD/CAE/CAM技术跨地区、跨企业、跨院所在整个行业中推广,实现技术资源的重新整合,使虚拟设计、敏捷制造技术成为可能。美国在其21世纪制造企业战略中指出,到20XX要实现汽车工业敏捷生产/虚拟工程方案,使汽车开发周期从40个月缩短到4个月。5、智能化CAD/CAM系统智能化主要表现在专家系统思想的引入,通过虚拟专家
10、来处理模具设计制造中的问题,专家系统具有数据模块知识库模块和控制模块,专家系统可以解决知识表示,特征统计,推理力法,概念设计等问题,具有启发性、灵活性等特点,整个系统具备人上智能理想的智能模具CAD/CAM系统响应,自动产生设计方案,对方案进行最优评价和选择,并对模具设计制造提供全方位的过程响应和处理。1.3 零件的分析1.3 零件的作用题目所给出的零件它的主要作用是可想而知的,它是一套模具的主心骨,是必不可少的零件之一。它是产品的出产之地,固在设计中和加工时对前模的要求都是特别的高,尤其是对它的精度要求更是特别的高。而本前模是采用NAK80这种钢材的。由于NAK80的相对硬度比较高,故我们在
11、设计过程中要考虑进给量的选择。1.2 零件的工艺分析这个零件前模这个零件从图示上可以看出它一共有两个加工表面,而且这两个加工表面又有一定的位置要求。现将这两个加工表面分析如下：1 从毛坯图上的上表面也就是背面为一个加工表面。其中主要是加工两个型腔。而这两个型腔的分布是在同一中心线上的的,排布在背面的。故,我们在选择加工基准时是选择与设计基准重合的。由毛坯图可以看出加工表面是以浇注孔的圆心为中心的,成中心对称分布。因此我们在设计选择刀路的时候可以从这一圆心位置考虑。2 以毛坯图上的下表面也就是零件的正面为另一个加工表面。从欲加工正表面的图上可以明显的看出该加工表面可以分几个步骤来完成。同样正面的
12、规划布置也是按几何对称的,加工基准一样选择和设计基准一致。由于是同一个模板,所以我们在选择正面加工刀路设计的时候一样可以从浇注孔的圆心来考虑下手。由以上的分析可知,对于这两个加工表面而言,我们可以先选择加工背面,然后再加工正面,这样有利于在加工时的工件装夹,并且又可以保证它们之间的位置精度要求。2. 工艺规程设计2.1 确定毛坯的制造形式零件材料为NAK80,由于零件的整体外形不大,我们可以直接从市场上买差不多的锻件毛坯材料,因为锻件可以使金属纤维尽量不被切断,又可以保证零件的可靠性,同时可以保证加工精度也提高生产率,缩短模具制造时间,降低生产成本。NAK80的特长:实施固溶和时效硬化,硬度可
13、达3743HRC,可在原状下刻模加工付诸使用,无须热处理; Ni-Al-Cu系时效硬化钢,具有以下特性：切削加工性良好;放电加工后的研磨非常容易;焊透性良好;使用时可保持高精度;表面和中心的硬度均匀. 因施予特殊熔炼,组织致密,杂质非常少,具有以下特性:镜面研磨性极其良好,可得令人满足的光亮度;蚀花加工性良好. 放电加工表面细致美观,因此,可取代梨皮蚀花. NAK80的镜面研磨性能可以得到出色的研磨表面和令人满意的光泽。 2.2 基准的选择基准选择是工艺规程设计中的重要工作之一。基准的选择是否正确合理直接影响了加工质量、生产率等方面。因此,合理正确的选择定位基准不仅可以使加工质量得到保证也可以
14、提高生产率,否则不但加工工艺过程中问题百出,更有甚者,还会造成零件的报废,使生产无常进行也增加了生产成本延长了制造时间。根据定位基面表面状态,定位基准又可分为粗基准和精基准。精基准和粗基准的选择原则是不同的。因此,定位基准的选择有以下的一些选择原则：2.3 粗基准的选择 粗基准的选择,主要考虑如何保证加工表面与不加工表面之间的位置和尺寸要求,保证加工表面的加工余量均匀和足够,以及减少装夹次数等。具体原则有以下几方面： 1如果零件上有一个不需加工的表面,在该表面能够被利用的情况下,应尽量选择该表面作粗基准。2如果零件上有几个不需要加工的表面,应选择其中与加工表面有较高位置精度要求的不加工表面作第
15、一次装夹的粗基准。3如果零件上所有表面都需机械加工,则应选择加工余量最小的毛坯表面作粗基准。4同一尺寸方向上,粗基准只能用一次。5粗基准要选择平整、面积大的表面。 2.4 精基准的选择 选择精基准时,主要应考虑如何保证加工表面之间的位置精度、尺寸精度和装夹方便,其主要原则是：1基准重合原则 即选设计基准作本道加工工序的定位基准,也就是说应尽量使定位基准与设计基准相重合。这样可避免因基准不重合而引起的定位误差。2基准统一原则 在零件加工的整个工艺过程中或者有关的某几道工序中尽可能采用同一个或一组定位基准来定位,称为基准统一原则。3互为基准原则 若两表面间的相互位置精度要求很高,而表面自身的尺寸和
16、形状精度又很高时,可以采用互为基准、反复加工的方法。4自为基准原则 如果只要求从加工表面上均匀地去掉一层很薄的余量时,可采用以加工表面本身作定位基准。5.便于装夹原则所选择的精基准,尤其是主要定位面,应有足够大的面积和精度,以保证定位准确、可靠。同时还应使夹紧机构简单、操作方便。基于以上这些原则,我们就可以对本零件的定位基准进行合理正确的选择。由于零件前模分为正背面两面加工,而且两面加工都是粗加工和精加工可以安排在同一个定位基准上,故有：a 背面定位基准的选择对于前模这样的模具零件来说,选择好定位基准是至关重要的。根据定位基准的选择原则来选,我们便可以明显的从加工零件图上发现该零件的设计基准与
17、加工基准可以重合使用,这样即保证设计上的位置精度也方便加工的设计和工件在加工时的装夹。b 正面定位基准的选择对于正面加工基准的选择,我们还是根据正面加工零件图上的设计基准来作为加工基准,这样的选择另一个原因是由于型腔的位置安排是成中心对称分布的,这样就简化了设计中的难度和降低了加工中的麻烦程度。2.5 制订工艺路线制订工艺路线的出发点是应当使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求能得到保证。在生产条件允许下,可以考虑采用高速机配以电磁板作为装夹夹具,并尽量使工序集中来提高生产率,除此以外,我们还应当考虑经济效果,以便使生产成本尽量下降。2.5.1工艺路线方案一背面工序. 表面粗铣,先把表
18、面铣平了正面工序.正表面粗铣,先把表面铣平了正面工序.粗铣半径为R22的左端面正面工序.粗铣半径为R10的右端面正面工序粗铣2个直径为12的孔,孔深为14cm正面工序.加工公称直径为12的普通细螺纹2.5.2工艺方案的比较与分析上述两种工艺方案的特点在于: 方案一是在背面加工上把所有的倒角都集中在同一道工序上,在正面加工上把四个型腔和加工四个凸块的侧面这两个工序集中在一起来完成；而方案二则是采用把他们单独分开来加工,这样相比较起来方案一有利于缩短加工时间,而对刀具的磨损则相对起来会比较厉害,而方案二则增加了换刀和对刀等时间,但它对刀具的保护较好。因此,我们不难从加工图上发现,此工件的加工量都不
19、大,每把刀的工作时间不会很长,磨损也不会很厉害,从经济效果方面来选择的话由于方案一加工时间较短则生产率便高,生产成本便相对较低而方案二则相对较长。因此我们选择方案一。从加工精度,位置精度等技术要求上来选择的话：方案一与方案二都是选择与设计基准一致,故两个方案都可以保证它们的位置精度的要求,但是方案二与方案一比较起来多了两个工序,这也就比方案一多了两次对刀,这样在对刀取数是就会比较容易出现误差,这样对它们的加工精度要求相比方案一就比较不能保证精度要求。故我们还是选择方案一。2.6 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 前模零件材料为NAK80。NAK80的特长:实施固溶和时效硬化,硬度可达37
20、43HRC,可在原状下刻模加工付诸使用,无须热处理;Ni-Al-Cu系时效硬化钢,具有以下特性：切削加工性良好;放电加工后的研磨非常容易;焊透性良好;使用时可保持高精度;表面和中心的硬度均匀.因施予特殊熔炼,组织致密,杂质非常少,具有以下特性:镜面研磨性极其良好,可得令人满足的光亮度;蚀花加工性良好.放电加工表面细致美观,因此,可取代梨皮蚀花.NAK80的镜面研磨性能外形尺寸是35MM40MM92MM. 生产纲领为中批或大批生产2.7 机械加工余量计算1工序余量计算公式设某加工表面上道工序工步的尺寸为a,本道工序工步的尺寸b,则本道工序工步的基本余量Zb可表示成： 对于被包容表面:对于包容表面
21、2大余量、最小余量、平均余量、余量公差余量作为尺寸,也有基本尺寸,上、下偏差和公差,即有基本余量余量基本尺寸,最大余量、最小余量和余量公差余量变动量。其计算公式为： 基本余量： 最大余量 ：5-3最小余量 ：5-4平均余量： 5-5余量公差：5-6式中 Zmax,Zmin- 最大,最小余量； Zm- 平均余量； Tz- 余量公差； amax,amin- 前工序最大,最小极限尺寸； bmax,bmin- 本工序最大,最小极限尺寸； am- 前工序平均尺寸； bm- 本工序平均尺寸； Ta- 前工序尺寸公差； Tb- 本工序尺寸公差。3加工总余量与工序工步余量加工总余量即毛坯余量,是指毛坯尺寸与零
22、件设计尺寸之差,也就是某加工表面上切除的金属层总厚度。工步工序余量是指相邻两工序工步的尺寸之差,也就是某道工序工步所切除的金属层厚度。显然有5-7式中 ZS - 某表面加工总余量； n - 该表面的机械加工工序工步数； Zi - 该表面第i个工序工步加工余量。4最小余量计算公式平面加工时 分析计算法在影响因素清楚统计分析资料齐全的情况下,可以采用分析计算法,用5-8式计算出工序余量。计算时应根据所采用的加工方法的特点,将计算式合理简化。b 查表法查表法是根据机械加工工艺手册提供的资料查出各表面的总余量以及不同加工方法的工序余量,方便迅速,使用广泛。需要注意的是：1目前国各种手册所给的余量多数为
23、基本余量,基本余量等于最小余量与上一工序尺寸公差之和,即基本余量中包含了上一工序尺寸公差。2各种手册提供的数据不一定与具体加工情况完全相符,余量值大多偏大,须根据工厂的具体情况加以修正。 3各种铸、锻件的总余量已由有关国家标准给出,并由热加工工艺人员在毛坯图上标定。对于圆棒料毛坯,在选用标准直径的同时,总余量也就确定。因此,用查表法确定加工余量时,粗加工工序余量一般应由总余量减去后续各半精加工和精加工的工序余量之和而求得。c 经验法经验法是由一些有经验的工艺设计人员或工人根据经验确定余量。这种方法大都用于单件小批生产。由于上述资料及加工工艺分别对个加工表面的机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸确定
24、如下： 1背面粗铣2个孔由于2个孔也没有什么特殊要求,只要粗加工后精加工。故,我们取加工余量为0.07MM便可以满足要求。2背面精铣四个孔可以查机械制造工艺手册还有结合经验,我们可以取加工余量0.17MM就可以满足要求。3背面倒角由于是倒角,要求不大,因此我们可以不留余量即Z=0MM便可。4正面表面开粗由于要把平面铣平而且下一步工序也要把原有的铣掉一部分。故,我们可以不用留有余量来增加下一步加工的加工量,即Z=0MM。5粗铣2个角的方位凸块由于这2个凸块还有其他加工要求,故,我们留有余量1.0MM便可以满足要求。6中粗铣凸块和型腔由于凸块是要和后模配合的,故要求比较高,还有后面的精加工要求,且
25、型腔又有一定的斜度图示10,故,结合经验我们取余量0.06MM便可以达到要求。7铣凸块的倒圆角和一R2的浇道倒圆角是为了更容易配合后模的装配。故余量可以留大一点取Z=-2.0MM。而浇道还有其他的后续加工,因此我们余量取Z=-1.5MM。8铣另外两个浇道同上一个工序一样,我们取Z=-1.5MM。9精铣排气槽排气槽的作用是排出型腔和浇道里的空气,故在加工时一般加工一遍就可以了,要求也不是很高。因此我们留的余量可以为零即Z=0。10精铣上表面查手册和结合经验我们可以直接不留余量即Z=0。11接顺四个凸块与上表面间的接触面光底查手册和结合经验我们可以直接取余量Z=0.2MM便可。12精铣四个凸块的侧
26、面由于要和后模的配合要求,我们取余量Z=0即可。2.8 确定切削用量及基本工时切削用量主要包括：铣削深度a、铣削速度、进给速度合理选择切削用量的原则是：粗加工时,一般以提高生产率为主,但也应该考虑到经济性和加工成本；半精加工和精加工时,一般应在保证加工质量的前提下,兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体选用数值应该根据机床说明书、切削用量手册,并结合实际经验而定。1背面工序加工条件：工件材料：NAK80 加工要求：表面铣平 机床：高速机锣德斯刀具：平底四刃立铣刀,刀长12MM计算切削用量由机床说明书可以查得=1700MM/R n=11000r/min2则f=1700/11000=0.15mm/r
27、a=4=4mm=0.16mm则t=4=4min=13min2.精铣2个孔加工条件：工件材料：NAK80 加工要求：粗铣2个孔机床：高速机锣德斯刀具：平底四刃立铣刀,刀长12MM计算切削用量由机床说明书可以查得=600MM/R n=11000r/min3背面工序. 表面粗铣,先把表面铣平了4正面工序.正表面粗铣,先把表面铣平了5正面工序.粗铣半径为R22的左端面6正面工序.粗铣半径为R10的右端面7正面工序粗铣2个直径为12的孔,孔深为14cm12正面工序.加工公称直径为12的普通细螺纹附录NAK80一、化学成份 ：仅供参考C Si Mn Mo Ni 0.15 0.3 1.5 3.0二、特性具有
28、极好的加工性能和镜面抛光性,适用于一般树脂的热固性成型具。 NAK80 采用脱气及 ESR 重熔精炼钢,适合于抛光性能要求高的超级镜面模具； 抛光性能与加工性能在塑胶模具用钢中效果最佳； 预硬状态供应,适于直接加工模具,不需再做热处理； 电火花加工后的表面,硬度不增高,易于修模及抛光处理； 用途用于高级镜面模具化妆品容器、食品容器、日用电器等透明制品模具； 用于重视放电加工表面的模具果盘、食品盒、电脑外壳、键盘、汽车装饰件等制品模具； 用于高精度长期生产塑胶模具电器开关、多功能插座、插头、充电器壳、电脑配件等制品模具； 使用方法：NAK80 通常以预硬状态供货 37-43HRC ,可直接用于刻
29、模加工上机使用。 依客户需求,亦可提供易于切削加工的固溶状态钢材 29-32HRC ,模具精加工之后经时效处理硬度可达 37- 43HRC ,可节省机加工费用和时间。 固溶处理 将模具或工件升温至 600 预热,然后加热至 840-900 保温一定时间至少 2 小时,然后空冷至室 温,固溶后硬度为 29-32HRC 。致参考文献1王先逵主编. 机械制造工艺学上、下册. ：机械工业,19952焕文主编. 机械制造工艺学. ：东北工学院,19893福润主编. 机械制造技术基础. ：华中理工大学,19994孟少农主编. 机械加工工艺手册. ：机械工业,19925如福主编. 机械加工工艺人员手册.第3版. ：科学技术,19926黄毅宏.模具制造工艺.机械工业,19997模具制造手册编写组.模具制造手册.机械工业,19968炳尧,泰荣,文生.模具设计与制造简明手册.科学技术,19989如福.金属机械加工工艺人员手册.科学技术,199010徐灏.机械设计手册.机械工业,1991- 16 - / 16
