汽车活塞托架三维模型及模具设计

河南机电高等专科学校毕业设计说明书/论文- 1 -汽车活塞托架三维模型及模具设计第一章 绪论模具行业是技术、资金密集型的行业。它作为重要的生产装备行业在为各行各业服务的同时，也直接为高新技术产业服务。由于模具生产要采用一系列高新技术，如 CAD/CAE/CAM/CAPP 等技术、计算机网络技术、激光技术、逆向工程和并行工程、快速成型技术及敏捷制造技术、高速加工及超精加工技术等等，因此，模具工业已成为高新技术产业的一个重要组成部分，有人说，现代模具是高技术背景下的工艺密集型工业。模具技术水平的高低，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力，因此已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。 模具工业是无以伦比的“效益放大器 “。用模具加工产品大大提高了生产效率，而且还具有节约原材料、降低能耗和成本、保持产品高一致性等特点。因此模具被称为“效益放大器 “，在国外，模具被称为 “金钥匙“ 、“ 进入富裕社会的原动力“等等。从另一个角度上看，模具是人性化、时代化、个性化、创造性的产品。更重要的是模具发展了，使用模具的产业其产品的国际竞争力也提高了。据国外统计资料，模具可带动其相关产业的比例大约是 1:100，即模具发展 1 亿元，可带动相关产业 100 亿元。模具不是批量生产的产品。它具有单件生产和对特定用户的依赖特性。就模具行业来说，引进国外先进技术，不能采用通常的引进产品许可证和技术转让等方式，而主要是引进已经商品化了的 CAD/ CAM /CAE 软件和精密加工设备等。模具的 CAD/CAE/CAM 涉及面广、集多种学科与工程技术于一体，是综合型、技术密集型产品。如塑料模具的 CAE 技术要利用高分子材料学、流变学、传热学、计算力学、计算机图形学等知识，涉及的领域还包括声波及电磁场、温度场等各类物理场，通过工程分析、来建立塑料成型的数学和物理模型，构造有效的数值计算方法，实现成型过程的动态仿真分析。现代化的模具要实现数字化设计、数字化制造、数字化管理、数字化生产流程。这些模具的数字化代表了现代模具的一个方面，没有模具的数字化，就没有现代模具。模具的 CAD/CAE/CAM 技术日新月异，重要的工作是后续对人员的培训和对于引进的软件进行二次开发。像我们熟知的 CIMATRON 公司不但在塑料模具的 CAD/ CAM 软件上在中国保持河南机电高等专科学校毕业设计说明书/论文- 2 -其市场占有率并且在扩大，而且在冲压模具、多成份橡胶制鞋模具等领域开拓，也将大显身手；开发 FUTABA、LKM、MISUMI 标准模架数据库的工作也已提上日程。这是为模具行业服务的具体体现。模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑料工业的迅速发展以及塑料制品在航空、航天、电子、机械、船舶和汽车等工业部门的推广应用，产品对模具的要求越来越高，传统的模具设计方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。CAD/CAM/CAE 技术已成为塑料产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的途经。同传统的模具设计相比，CAD/CAM/CAE 技术无论在提高生产率、保证产品质量，还是在降低成本、减轻劳动强度等方面，都具有很大的优越性。近几年，CAD/CAM/CAE 技术在汽车、家电、电子通讯、化工和日用品等领域逐步地得到了广泛应用。1.1 我国模具工业行业现状和发展趋势我国模具工业近年来发展很快，据不完全统计，2003 年我国模具生产厂点约有万多家，从业人员约 50 多万人，2004 年模具行业的发展保持良好势头，模具企业总体上订单充足，任务饱满，2004 年模具产值 530 亿元。进口模具 18.13亿 美元，出口模具 4.91 亿美元，分别比 2003 年增长 18%、32.4%和 45.9%。进出口之比 2004 年为 3.69:1，进出口相抵后的进净口达 13.2 亿美元，为净进口量较大的国家。在万多家生产厂点中，有一半以上是自产自用的。在模具企业中，产值过亿元的模具企业只有 20 多家，中型企业几十家，其余都是小型企业，多数只有几十名职工，百十万产值，自有资金有限，靠自我发展很困难。 近年来， 模具行业结构调整和体制改革步伐加快，主要表现为：大型、精密、复杂、长寿命中高档模具及模具标准件发展速度快于一般模具产品；塑料模和压铸模比例增大；专业模具厂数量增加，能力提高较快；“三资“及私营企业发展迅速；国企股份制改造步伐加快等。2004 年模具行业还显现另外两个特点，一是各地政府对模具工业的发展进一步关注。许多地方政府进一步认识到模具工业对发展制造业的重要意义，因此加强了模具工业园区的建设。已有的园区进一步扩大，如宁波余姚、宁海和苏州昆山等模具园区都有所扩大；新的模具工业园区正在加紧建设，如重庆、大连、深圳市等已建立模具园区；另外沈阳、西安、成都、上海、宁波北仑、浙江黄岩等河南机电高等专科学校毕业设计说明书/论文- 3 -地都在积极筹备建立模具园区，以利带动地区模具及相关产业链乃至制造业的发展，有些高科园内模具企业已占有相当的份量，像天津高新区就有 40 多家模具企业。外资及社会投资模具产业增长显著。许多地方加强了吸引外资及合资投入模具工业的工作，特别是在高新技术园区和工业园区，外资、合资模具企业进一步增加，如苏州昆山模具园区，60%以上是外资企业。大连模具园区到日本、韩国招商。而有些地区高科技园内模具企业已占有相当的份量，像天津高新区有 40多家模具企业。由于汽车产业发展的拉动，社会投资模具产业有所加强，如五粮液集团投资 5 亿元建立汽车模具生产厂，比亚迪公司投资 2 亿元建立了北京汽车模具公司，等等。从地区分布来说，以珠江三角洲和长江三角洲为中心的东南沿海地区（模具产值已占全国总量的 70%左右）发展快于中西部地区，南方的发展快于北方。目前发展最快、模具生产较为集中的省份是广东和浙江。我国模具总量虽然已位居日、美、德之后，但设计制造水平在总体上要比德、美、日、法、意等发达国家落后许多，也要比英国、加拿大、西班牙、葡萄牙、韩国、新加坡等有差距。我国模具行业的落后和差距主要表现在下列几方面 （1）总量供不应求、产品结构不够合理。其中中低档模具供过于求，中高档模具自配率严重不足，大量进口。国内模具总量中属大型、精密、复杂、长寿命模具的比例不足 30%，国外在 50%以上。（2）企业组织结构都不够合理。 我国模具生产厂点中多数是自产自配的工模具车间（分厂） ，自产自配比例高达 60%左右，国外 70%以上是商品模具；专业模具厂也大多数是“大而全 “、“小而全“的组织形式，国外模具企业是“大而专“、“大而精“。2004 年中国模协在德国访问时，从德国工、模具行业组织-德国机械制造商联合会（VDMA）工模具协会了解到，德国有模具企业约 5000 家。2003 年德国模具产值达 48 亿欧元。其中（VDMA）会员模具企业有 90 家，这 90 家骨干模具企业的产值就占德国模具产值的 90%，可见其规模效益。 （3） 工艺装备水平低，且配套性不好，利用率低，技术结构、模具产品水平比国际水平低许多。而模具生产周期却要比国际水平长许多。河南机电高等专科学校毕业设计说明书/论文- 4 -产品水平低主要表现在对后续使用模具制造制件的工艺（如冲压工艺）理解上，在模具设计上；在加工中精度、型腔表面粗糙度、寿命及模具的复杂程度上等。现代模具行业是技术密集型、资金密集型的产业，由于模具行业是微利行业，因而总体来看模具行业在科研开发和技术攻关方面投入太少，至使科技进步的步伐跟不上模具市场的需要。虽然国内许多企业已引进了不少国外先进设备，但总的来看装备水平仍比国外企业落后许多，特别是设备数控率和 CAD/CAM 应用覆盖率要比国外企业低得多。由于体制和资金等方面原因，引进设备不配套、设备与附配件不配套现象十分普遍，设备利用率低，开发能力较差，科研开发及技术攻关方面投入太少。不重视产品开发，在市场经济中常处于被动地位。 （4）技术人才严重不足，经济效益欠佳。随着时代的进步和技术的发展，能掌握和运用新技术的人才如模具结构设计、模具工艺设计异常短缺，高级钳工及企业管理人才也非常紧缺。我国模具企业技术人员比例低，水平也较低，我国每个职工平均每年创造模具产值约合 1 万美元左右，国外模具工业发达国家大多1520 万美元，有的达到 2530 万美元。我国模具企业大都微利，缺乏后劲。 （5）与国际水平相比，模具企业的管理落后更甚于技术落后。技术落后易被发现，管理落后易被忽视。国内大多数模具企业还沿用过去作坊式管理模式，真正实现现代化企业管理的还不多。信息化、数字化管理在模具企业应用现在刚刚开始。 （6）专业化、标准化、商品化的程度低，协作差。由于长期以来受“大而全“小而全“影响，模具专业化生产水平低，专业化分工不细，商品化程度也低。目前国内每年生产的模具，商品模具只占 40%左右，其余为自产自用。模具企业之间协作不好，难以完成较大规模的模具成套任务。与国际水平相比要落后许多。模具标准化水平低， 模具标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大影响，特别是对模具制造周期有很大影响。20 年来我国模具制造水平有了很大的提高，模具的 CAD/ CAM 已很普遍，CAM/CAPP 也在积极推广。如今我国生产的模具精度已达到微米级，与 20 年前相比，模具寿命提高了几十倍，模具生产周期缩短了约 3/4，模具的标准件使用覆盖率从几乎是零，达到 45%左右。20 年来我国模具人才的培养也上了一个很大的台阶。20 年前我国大专院校都没有设立模具专业的，而如今，已有六、七十所大专院校设立了模具专业。中国模协在全国建有 38 个模具人才培训基地，CIMATRON 也是中国模协的人才培训河南机电高等专科学校毕业设计说明书/论文- 5 -基地之一，自然肩负着软件的推广、软件的二次开发及人才培训工作。上述情况正是我们模具行业和模具相关行业要一同努力，使之发展的领域，在这里，我们要感谢 CIMATRON 软件对中国模具行业的贡献，希望 CIMATRON 中国公司进一步在模具软件的开发、普及和培训人才方面，与中国模具企业一同发展。1.2 UG 及其在模具设计工程中的应用1.2.1 UG 起源及发展Unigraphics（简称 UG）是世界著名的通用机械 CAD/CAM/CAE 一体化软件。它起源于美国麦道(MD)公司，1991 年 11 月并入美国通用汽车公司 EDS 分部。如今 EDS 是全世界最大的信息技术(IT)服务公司，UG 由其独立子公司UnigraphicsSolutions 开发。UG 是一个集 CAD、CAE 和 CAM 于一体的机械工程辅助系统，适用于航空航天器、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。该软件可在 HP、Sun、SGI 等工作站上运行，自称安装总数近 3 万台。UG 采用基于特征的实体造型，具有尺寸驱动编辑功能和统一的数据库，实现了CAD、CAE、CAM 之间无数据交换的自由切换，它具有很强的数控加工能力，可以进行 2 轴2.5 轴、3 轴5 轴联动的复杂曲面加工和镗铣。UG 还提供了二次开发工具 GRIP、UFUNG、ITK，允许用户扩展 UG 的功能。UG 自 90 年初进入中国市场，至今已装机 2000 台套左右。 Unigraphics NX 是一种交互式的计算机辅助设计（CAD） ，计算机辅助分析（CAE）和计算机辅助制造（CAM）系统，它是 Unigraphics 系列软件的最新版本。Unigraphics NX 的出现，为 Unigraphics 系列软件的推广开拓出更广阔的前景。目前，集世界一流的产品设计，工程分析及生产制造系统与一体的 Unigraphics 软件已广泛地应用于航天航空汽车机械及模具等各个领域。1.2.2 UG 功能特点UG 是世界上先进的 CAD/CAE/CAM 集成技术的大型软件，其功能强大，使用该软件进行设计，能直观、准确地反映零、组件的形状、装配关系，可以使产品开发完全实现设计、工艺、制造的无纸化生产，并可使产品设计、工装设计、工装制造等工作并行开展，大大缩短了生产周期，非常有利于新品试制及多品种产品的设计、开发、制造。在新品开发期间，能通过其强大的功能及时检查尺寸干涉、计算重量及相关特性，提高产品的设计质量，对复杂结构产品装配工艺、焊接工河南机电高等专科学校毕业设计说明书/论文- 6 -艺中工序的合理安排有着非常好的指导性。因此，该软件为工厂提供了一个强有力的新品开发手段。在以往的产品设计中，我们主要采用了 AUTOCAD 软件。由于其功能有限，三维建模有很大的局限性，产品的最终效果无法很好的体现，用户常常无法看到准确的三维造型，只有等样品开发出来以后再进行产品确认。如用户对外观式样不太满意，就需要反复修改模具，甚至有时需要废掉原有的模具，重新开模，再次进行样品生产确认。这样既耽误了产品开发周期，又增加了开发成本。而 UG 软件的实体模型功能能够在设计阶段给用户提供产品的实体模型用于确认，缩短了产品的确认周期，而且具有复合式建模工具，允许在需要的时候增加、删除、抑制、恢复、改变产品参数，使修改更加具有灵活性，因此，在产品及模具设计开发中起了很大的作用，使用非常方便。UG 软件的线框造型模块提供了绘制基本图素点、直线、圆弧、曲线的操作指令和线的倒角、剪切、编辑、分割等功能，实体造型模块提供了各种基本几何元素块体、圆柱体、锥体和环体的操作和拉伸实体、旋转实体、缝合、钻孔、挖槽、凸台、抽壳、倒圆角、倒斜角、锥台以及布尔运算的实体相加、实体相减、实体相交等操作，曲面造型模块可以完成各种规则曲面、二次曲面及不规则曲面的生成，在曲面的具体实现上有直纹面、扫描曲面、边界曲线控制、网格曲线控制、矩形点组控制、曲线拉伸、过渡曲面、延伸曲面、偏置曲面、曲面倒圆、曲面桥接等各种方法。这些命令在造型过程中使用方便，特别是在曲面造型及设计中起到了重要作用。总起来讲，UG 是先进的 CAD/CAE/CAM 集成技术应用的大型软件，其功能强大操作灵活，在机械工程领域的应用越发广泛，尤其在模具设计制造方面，更是设计人员的得力助手，有效地提高了工作效率，减轻了劳动强度。在众多三维CAD 软件中，UG 以其强大的功能长期占据着业界的主导地位。 1.3 UG 在注塑模具设计中的应用（1）UG3.0/Mold Wizard 模块注塑产品在汽车，日用消费品，电子和医疗工业中占据着重要的地位。UG3.0/Mold Wizard 是针对注塑模具设计的一个过程应用，型腔和模架库的设计统一到整个连接过程中。UG3.0/Mold Wizard 为设计模具的型腔型心滑块提升装置和嵌件提升高级建模工具，最终目的是快速方便地建立与产品参数相关的三维实体模具，并将之用于加工。河南机电高等专科学校毕业设计说明书/论文- 7 -UG3.0/Mold Wizard 用全参数的方法自动处理在模具设计中耗时且难做的部分，并且产品参数的改变将会反馈回模具设计，UG3.0/Mold Wizard 会自动更新所有相关的模具部件。UG3.0/Mold Wizard 的模架库及其标准件库包含有参数化的模架装配结构和模具标准件，其中模具标准件包括滑块和内抽芯，可用参数控制所选用的标准件在模具中的位置，UG3.0/Mold Wizard 与如 UG3.0/Wave 和 Unigraphics 主模型的强大技术组合在一起设计模具。模具设计参数预设置功能允许用户按照自己的标准设置系统变量，比如颜色，层，路径和初始公差等。UG3.0/Mold Wizard 具备以下优点： （1）过程自动化；（2）易于使用；（3）完全相关性。（2） UG 三维技术在模具设计及改进中的应用 近年来，随着三维 CAD 技术的飞速发展，使其在机械工程领域的应用越发广泛。UG 是个基于特征化的，全参数化的辅助设计软件，它能实现 CAD,CAE,CAM 等各种功能，涵盖机械设计各个领域，在机械产品的设计制造及改进过程中起着重要作用。采用 UG 软件技术，有助于解决零部件从设计到生产所出现的技术问题，以达到缩短产品开发周期、降低生产成本以及优化产品性能等目的。UG 不仅在机械设计制造中有重要应用，除此以外，它有许多特点非常适用于模具的设计及改造：比如直接建模能够在已有特征上快速建模，有利于模具的结构改动， 参数化设计能快速改动设计尺寸，可避免繁琐的尺寸计算； 几何关系联接能快速建立装配零件间的对应关系，使一些零件随关键零件的改动而改动，实现“牵一发，而动全身”的效果； 精确的干涉检查，尺寸测量能让设计人员第一时间知道零件间的装配关系，了解设计的效果，避免实际装配中的干涉； 简便的三维二维转换及出图功能能快速完成零件图的绘制，可以减少重复劳动，缩小设计周期； UG 强大功能在模具快速改造中有着重要应用。 1.4 汽车活塞托架设计思路河南机电高等专科学校毕业设计说明书/论文- 8 -通过观察分析可知，该产品结构简单，用于该产品生产的注塑模具结构亦不复杂。本设计中，遵循模具设计的一般步骤，利用 UG3.0 进行三维造型和注塑模具设计，重点体现了 UG3.0 中 Mold Wizard 模块在注塑模具设计中的应用。该汽车活塞托架注塑模具设计的思路为：搜集整理有关资料，通过二维图对零件进行结构和工艺分析，利用 UG NX3.0 对连接座零件进行三维造型，并导出二维图；分析塑件结构及工艺特点，大致确定模具设计方案，然后利用 UG NX3.0的 Mold Wizard 模块进行注塑模具的设计；最后，对模具结构进行虚拟装配，并导出二维工程图。第二章 零件结构及工艺分析零件原始资料为：产品零件图如下图所示：设计要求1材料：PS； 2生产批量：中等批量； 3未注公差取 MT5 级精度。此零件只有通孔，所以此套模具结构比较简单，成型零件的设计主要考河南机电高等专科学校毕业设计说明书/论文