毕业设计（论文）-手机外壳模具的制造与加工设计.doc

河南工业职业技术学院2005届毕业生毕业设计任务书姓名： 卢荻 班级： 04161 专业：计算机辅助设计与制造 学号： 11 一、设计题目 手机外壳模具的制造与加工 二、设计要求：1.要求用所学过的三维设计软件造型，并生成工程图；2.利用生三维造型生成模具型腔；3.生成模具形且腔的刀具路径；4.撰写设计说明书，要求至少15000字以上，内容正确无误，要求打印稿，并提供电子版。三、设计条件1.三维造型及加工软件齐全；2.数控铣及常规加工设备齐全。四、进度安排2005.11.1011.20 手机外壳的实体制作2005.11.2111.24 手机外壳的模具制作2005.11.2512.23 手机模具的选材和工艺分析2005.12.2412.25 手机模具的加工2005.12.2612.28 整理和排版2005.12.2912.31 目录、序、参考文献的整理2006.1.11.3 全面的检查和修改指导 教师 _ (签名)年 月日教研室主任 _ (签名)年 月日系 主 任 _(签名)年 月日序二十一世纪是一个信息高度发达的社会，随着人类文明的不断进步，这个态势必将旷日持久下去。在新的大社会环境下，我们要立足长远，对科学文化知识的掌握显得尤其重要。毕业设计是对每个毕业生知识学习的一项综合实践，让我们初步的接触到实际应用，从而也使我们大脑中存在着一个客观实体。本书是对nokia3100手机模具的初步制造加工过程的概述，目前我国的手机用户率是27%，这个数字必将与日俱增。而nokia手机以设计美观、时尚、耐用占据了市场的很大份额，因此它的制造、销售前景是大为可观的。在本书中，以手机模具加工成形为主线，同时介绍了毛坯材料的选择，由材料的力学性能、化学性能以及物理性能等确定热处理，还有夹具、刀具和刀具材料的选择，以及加工工艺分析和最终的由mastercam加工成实体。由于我们在实际学习中更多的是以理论为主，而实践动手能力也就相对偏少，难免在实际加工制造的诸多方面考虑的不是很周详，不足之处客观存在，还望广大老师能够多多批评指正。在此，衷心感谢在毕业设计当中给予大力支持和指导的朱成俊老师和冀秀焕老师，以及学校领导提供的优越的学习环境，让我们得以顺利完成任务。另注：本书中引用的文献在末页列出。一、 材料选择选择合理性的标志，应是在满足零件的性能要求的条件下最大限度地发挥材料潜力，做到既要考虑提高材料强度的使用水平，同时也要减少材料的消耗和降低加工成本。同时要适应加工设备条件而设计加工工艺。选择的一般原则，首先是满足零件使用性能的前提下，现时考虑工艺性、经济性。只要根据我国的资源情况尽量选择材料。综合考虑，手机nokia 3100模具采用常用的中碳优质钢45钢。1、 45概述45钢是机械制造中广泛使用的中碳优质碳素钢，淬透性较低，水淬容易变形和开裂，经适当热处理后具有高的强度，通常在调质或正火状态下使用。为了保证有必要的韧性，并消除其残余应力，应在淬火再回火后成索氏体。该钢具有良好的切削加工性能，冷变形塑性中等，钢丝可供冷镦。可焊接，但焊接前需预热，焊后需退火处理。2、 用途45钢可用以制造强度要求高的零件，为使零件表面有良好的耐磨性，需要进行高频或火焰表面淬火。3、 化学成份技术条件csimnspcrnicugb699-880.420.500.170.370.500.800.0350.0350.250.250.25jb755-850.420.500.170.370.500.800.0400.0400.250.254、物理性能密度，t/m3熔点，临界点ac1ac3ar3ar17.89（7.81）1433721(724)778(780)723(751)619(682)温度, 室温100200300400500弹性模量e,105mpa2.09（2.00）2.072.021.961.861.74热导率,w/(mk)484544403938线膨胀系数1，10-6k-1（与20之间）9.4012.213.113.814.2泊松比0.274(0.269)0.2750.2760.2760.2740.287比热容c,kj(kgk)0.4980.5310.5520.5690.595切变模具g，104mpa8.238.047.847.647.256.76电阻率,10-6m0.3200.4160.5020.618热扩散率，10-6m2/s11.89.588.347.696.895、力学性质热处理s, mpab, mpa5,%,%kv,j/cm2hb0.3, mpab, mpa850正火37762426.455.089.1175840水淬,560回火50171023.665.115221653973724.562.414520651575925.263.7161223热处理s, mpab, mpa5,%,%kv,j/cm2hb0.3, mpab, mpa840油淬,510回火71693417.952.999.5254528829850油淬,450回火80397011.846.870313gb699-88厚度80mm80250mm355600164039未热处理229退火19714356、疲劳性能热处理试样形状指定存活率下的疲劳极限-1, mpa（指定寿命107次）50%90%95%99%99.9%850正火圆柱形249(s=5.31)242240237233漏斗形r=75 mm285(s=8.67)274271265258缺口r=0.75 mm,kt=2161(s=7.71)151148143137840水淬,560回火漏斗形r=75 mm389(s=9.67)376373366359缺口r=0.75 mm,kt=2212(s=9.21)200197190183840水淬,510回火圆柱形405(s=18.9)380373361334缺口r=0.75 mm,kt=2266(s=9.20)254251244231850油淬,450回火水冷圆柱形433(s=14.32)415409400389缺口r=0.75 mm,kt=2282(s=10.40)2682652572504、 a=-3 a=-4 a=2 a=-2 600 a=1a=-1 400 a=0.5a=-0.8 a=-0.663 200 -600 -400 -200 0 200 400 600 以上是45钢的goodman图 8、断裂韧性化学成份热处理kic,mpam1/20.2hrck,j/cm2c:0.45,mn:0.450.884015min,盐水淬火14min油冷36028min回火63.064.8155045472630二、 热处理由于45钢本身具有缺陷，如裂纹、折叠、疤痕、氧化脱碳和锈蚀等，这也是造成质量不高和寿命短与早期失效的致命原因，为了提高模具的使用寿命，可以通过热处理来改变。热处理分为退火、淬火、回火等，由于手机模具采用的是45钢，为了提高它的硬、耐磨性和经济性选用回火。因为回火是淬火钢在相变点以下的温度下进行再加热、使碳化物析出、消除淬火结晶畸变、增加韧性，或使残余奥氏体分解、使工件变成较稳定状态的热处理方法，因此回火作为最终热处理是不应再有缺陷的重要工艺。钢的淬火组织是由马氏体加残余奥氏体和碳化物等所组成的，可是在常温下，马氏体处于含碳过饱和状态，奥氏体是不稳定组织，因此，在回火再加热时，能看到分解成稳定的铁素体加碳化物，回复到平衡状态的现象。这种变化随着温度和时间的增加呈连续的变化。观察这种组织变化过程时，可按照回火温度的增高分为四个阶段。（1） 回火第一阶段第一阶段是70200，淬火马氏体分解成低碳马氏体和碳化物并消除内应力。这种变化在接近200时就加快了，在它以下的温度就缓慢了。（2） 回火第二阶段在第二个阶段，在200300下残余奥氏体分解成马氏体的变化，第二阶段的一部分过程在第一阶段中同时发生变化，这时生成了二次马氏体，若不进行再回火，韧性就要受影响。（3） 回火的第三阶段在250以上的第三阶段中，在第一、第二阶段生成的马氏体加转变成铁素体加（渗碳体），随着温度增高发生连续的软化过程。（4） 回火的第四阶段第四阶段是含有v、w等碳化物生成元素的合金钢，在约500以上的置换形扩散自由进行的温度下，伴随有稳定的碳化物析出和扩大的变化。综上所述，为了适应手机模具所具有的性能应把回火控制在第三阶段，温度控制在250附近。虽然回火温度重要，但回火保温时间也会对所得的结果产生显著影响，所以必须慎重加以考虑。为了不致错误地决定回火保温时间，必须掌握保温时间与温度的关系，回火温度均匀后的保温时间与零件的大小无关，绝对值由钢种决定，但是，实际上必须考虑与温度有关联的变化，所以这里的保温时间定为30分钟。三、 刀具材料选择1、切削速度公式vc=dn/1000n工件（或刀具）转速d工件（或刀具）直径2、刀具材料必需满足的条件：a) 高的硬度b) 足够的强度和韧性c) 良好的耐磨性d) 较好的耐热性e) 良好的工艺性3、选用工具材料：主选高速钢，牌号w18cr4v，硬度hrc=6270，耐热温度540600，抗弯强度2.54.5 gpa4、工艺性能可冷热加工成形，工艺性能好，需经热处理，磨削性能好，但高矾类较差。5、磨削性能耐磨性好，可用普通刚砂轮磨削四、 金属切削过程在金属切削过程中，当切削沿进给方向接触工件的一瞬间，刀具把工件上的一部分金属切下来，使部分金属成了切屑。在这一过程中就会出现各种物理现象（如切削热、刀具磨损等）和许多问题（如积屑瘤、表面硬化和振动等）。1、45钢切削，切削种类属于带状切屑。特征：内表面与刀具前面接触的面光滑，外表面呈毛茸状，有剪切的条纹。形成条件：加工塑性材料，切削速度较高，刀具前角较大。优缺点：切削力被动下，加工表面光洁。但切屑会缠绕在工件表面上，拉毛加工表面，同时还会损坏刀具的刀刃，伤害操作者。2、积屑瘤（1）形成原因：切削塑性材料时，在高温高压下，切屑与刀具前面发生磨擦，当磨擦力大于切屑底层（内表面）金属分子结合力时，一部分切屑滞留在刀具刀刃附近而形成积屑瘤。（2）特点：a、积屑瘤很不稳定，时生时灭，其次数达每秒钟几十次到几百次，因此易引起振动。b、积屑瘤的结构组织既不与工件材料相同，又不与刀具材料相同，硬度比原工件材料高23倍，因此可以保护刀刃，代替刀刃进行切削。一般说来，粗加工时利多弊少，精加工时利少弊多。（3）影响因素：a、切削速度，较低（25r/min）或较高（70r/min）切削速度不易产生积屑瘤，中速（1520r/min）最易产生。b、刀具前角：增大前角，使切屑变形减小，可以减少积屑瘤产生。c、冷却润滑液：加足够的冷却润滑液可以减少磨擦和积屑瘤产生。（4）、消除方法a、 精磨或研磨刀前面和后面；b、 采用较高或较低的切削速度；c、 采用较大的前角，应用负倒棱配合；d、 使用足够的冷却润滑液；e、 减少主偏角和进给量3、表面硬化（1）形成原因：切削塑性材料时，由于刀具刃口不是绝对锋利（有0.010.03mm圆弧半径），它对另工表面有一定挤压作用，使加工表面剧烈变形而形成表面硬化。（2）特点：硬化后的表面其硬度比原来高1.22倍，深度达0.070.5mm，表面粗糙度和疲劳强度下降，使下道工序的刀具极易磨损。（3）影响因素：a、刀具刃口质量，经过研究磨刃圆弧半径很小的刀具可以减少表面硬化程度；b、工件材料，塑性和韧性大的材料容易硬化；c、表面挤压情况，对加工表面挤压愈严重，表面易硬化；（4）消除方法：a、使用极为锋利的刀具，即刀刃圆口半径尽量小，不要用钝刀切削；b、切削时不要在中途停止进给；c、增大车刀前角和后角；d、选用较高的切削速度。4、铣削时的切削力铣削时的切削力fc可用下面近似公式计算：fc=cfa0.86pf0.74zbz/d0.86*9.8式中 fc铣削时的主切削力cf加工材料影响的系数ap 吃刀量fz每齿进给量b铣削宽度z铣刀齿数d铣刀直径五、 切削液的选择极压乳化液，常用3号乳化油加水稀释成乳化液。极压润滑性能好，其他性能一般。六、 夹具夹具，尤其是机床夹具，在机械制造业中应用很广。由机床夹具和机床、刀具、工件组成的加工工艺系统，能够根据工艺要求，迅速实现工件的定位和夹紧，并在加工过程中保持它们之间的正确相对位置。使用夹具，可提高劳动生产率和加工精度。在其他工艺过程中使用的夹具，也能起到类似的作用。夹具是重要的机械制造工艺装备，其主要作用包括：1）、提高加工精度和保证产品质量。2）、提高劳动生产率和降低加工成本。3）、扩大机床的工艺过程。4）、减轻工人的劳动强度。综上所述选用万能可调的液压虎钳，它的钳口部分可以更换的，加工不同的形状的零件时，只需更换与零件相适应的钳口即可。七、 加工工艺分析1、铣削方式和铣刀直径选择为便加工效率应有2/3的直径与工件接触，即铣刀直径等于被铣削宽度的1.5倍。顺铣时，使用这个刀具直径与直径切削宽度的比，保证切入工件时有非常适合的角度。如果不能肯定机床是否有足够的功率来维持铣刀在这样的比率下切削，可以把轴向切削厚度分两次或多次完成而尽可能保持铣刀直径与切削厚度的比值，如图(a)所示，用直径比铣削宽度稍大的铣刀进行对称是次好方案(b),用大直径铣刀进行对称是不好方案（c）,用大直径铣刀进行逆铣是最差方案（d）.2、切削用量的选择 影响切削用量的选择因素很多主要不有：刀具材料及几何参数，工件材料及加工要求，机床、刀具、夹具、系统的刚度；机床的效率，生产率及经济性等，任何刀具材料都有其适应的切削速度，将切削速度和进给量适当组合可以收到好的效果，但这只是预先选择的最适宜的铣削条件而非最佳的切削条件。3、刀具几何角度的选择 根据经验，在机床效率不足时，正确选择刀具的几何角度，也能扩大低功率机床的生产能力，按传统，加工铸铁的铣刀带有负的轴向和径向前角（双负角铣刀），这种负的几何角度提供了一个刀片主体与支撑的强劲刀刃，使刀刃比较牢固，相反，正确铣刀轴向正前角刀径向负前角/切削平稳也降低了机床功率要求，能高效率铣削铸铁，更便于采用先进刀具材料，根据刀片的牌号和用途。铣刀刀片的刃口可以是锋利的，也可以是磨出0.013mm0.076mm的倒棱，以防刀刃在高速下被切屑打坏。5、 零件形状分析a.凸模工程图 b.凹模工程图a. 由模具三视图可知，手机凸模和凹模的主要结构是多个曲面组成的凸型曲面和凹型型腔型腔四周的斜平面之间用半径为mm的圆弧面过渡，在模的底平面上有一个四周为斜的锥台。凹模上部型腔为锥面用于压边，模具的外部结构较为简单，为标准长方体，但是凸模因为表面生成手机按钮实际上是由几个小模具组成的，加工较为复杂，分几次加工，以保证加工精度和模具的可用性。b. 数控加工工艺设计本工件的结构采用方式是立式加工工件材料为45# 钢，长方体毛坯的四周表面已经加工到尺寸，模具的初始状态是实心体。1加工工步设置，由上述情况确定本工件的加工工艺路线为：粗加工整个型腔，去除大部分加工余量。精加工上凹槽和精加工凸模按钮四周。精加工下凹槽和凸模表面精加工底部锥台四周表面。精加工上下凹槽和凸模表面。2.工件的定位和夹紧工件直接安装在机床工作台表面上，用两块压板压紧，模具中心为工件做标系x、y的原点，上表面为工件坐标的z零点.3.刀具选择根据加工工艺，凸模表面粗加工选用等高外形7mm球刀，选用4mm球刀对凸模表面半精加工，最后用4mm球刀进行残料清角。凹模型腔粗加工选用7mm波刃立铣刀，上凸模加工用4mm平面球刀，最后用4mm球刀对所有曲面残料清角。f、 数控加工工序卡片 数控加工工序卡片（2t）数控加工工序卡片产品名称或代号零件名称材料零件图号工序号程序编号夹具名称nokia3100手机模具45#钢使用调设备车间001液压虎钳立式数控铣床数控中心工序号工步内容刀具名称半径补正刀长补正进给率主轴转速凹模加工工艺1曲面粗加工放射状7.00球刀21220020002曲面精加工浅平面加工4.00球刀22330020003曲面精加工残留清角4.00球刀2235003000凸模加工工艺1曲面粗加工等高外形7.00球刀21220020002曲面精加工浅平面加工4.00球刀22330020003曲面精加工残留清角4.00球刀2235003000八、 astercam 9.1手机模具加工1凸模工作设定参数2凹模工作设定参数3.mstercam生成造型实体手机凸模图（a） 如上图手机凸模4.mstercam生成造型实体手机凹模图i. 如上图手机凹模参考文献1. 孙学强主编.机械加工技术.北京;机械工业出版社,20042. 张导成主编.三维cad/cam-mastercam应用.北京;机械工业出版社,20043. 胡永芳主编.机械设计基础.北京;机械工业出版社,20044. 黄云清主编.公差配合与测量技术.北京;机械工业出版社,20035. 眭润舟主编.数控编程与加工技术.北京;机械工业出版社,20036. 李凤云主编.机械工业材料成形及应用.北京;高等教育出版社,20047. 江洪等主编.solidworks2004基础教程.北京;机械工业出版社,20048. 张至丰主编.金属工艺学.北京;机械工业出版社,19999. 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王富山主编.机械制造基础课程设计.北京;机械工业出版社,2002ii.九、加工程序说明：因mstercam仿真加工生成程序冗长，从实际要求和需要考虑，在此只保留粗加工程序，在应用于到实际当中，要重新设置加工参数。1、凸模程序（粗加工）61%o0000n100g54x150y150z200n108g43h2z77.258n110z34.258n112g1z27.258f5.1n114x-88.789n116y-32.959n118x89.211n120y-18.328n122x-88.789n124y-3.696n126x89.211n128y10.935n130x-88.789n132y25.567n134x89.211n136y40.198n138x-88.789n140y54.83n142x89.211n144y69.462n146x-88.789n148y84.093n150x89.211n152y98.725n154x-88.789n156y113.356n158x-30.132n160g2x-32.213y127.988r169.851n162g1x-88.789n164y142.619n166x-33.013n168g2x-32.551y157.251r169.851n170g1x-88.789n172y171.883n174x-30.815n176g2x-28.845y182.019r169.851n178x-26.543y184.573r3.441n180g1x-26.496y184.587n182g2x-17.929y186.514r101.335n184g1x-88.789n186x-32.857y152.108n188g3x-28.777y106.823r169.851n190x-28.753y106.737r1.n192x-25.904y104.385r3.441n194x26.119y104.421r199.247n196x26.195y104.434r1.n198x28.845y107.081r3.441n200x30.14y113.356r169.851n202g1x89.211n204y127.988n206x32.217n208g3x33.014y142.619r169.851n210g1x89.211n212y157.251n214x32.548n216g3x30.807y171.883r169.851n218g1x89.211n220y186.514n222x17.939n224x89.211y201.146n226x-88.789n228y215.777n230x89.211n232y230.409n234x-88.789n236x-89.789y231.409n238y-48.591n240x90.211n242y231.409n244x-89.789n246x-27.868y181.805n248g2x-26.234y183.622r2.441n250x26.076y183.667r100.335n252x27.802y182.054r2.441n254x27.868y107.295r168.851n256x25.988y105.412r2.441n258x-25.778y105.377r198.247n260x-27.802y107.046r2.441n262x-27.868y181.805r168.851n264g1z34.258n266g0z77.258n268z77.451n270x89.211y-47.591n272z75.279n274z32.279n276g1z25.279n278x-88.789n280y-32.959n282x89.211n284y-18.328n286x-88.789n288y-3.696n290x89.211n292y10.935n294x-88.789n296y25.567n298x89.211n300y40.198n302x-88.789n304y54.83n306x89.211n308y69.462n310x-88.789n312y84.093n314x89.211n316y98.725n318x23.501n320g3x27.233y99.194r204.07n322x27.307y99.207r1.n324x34.073y105.972r8.785n326x35.573y113.356r175.301n328g1x89.211n330y127.988n332x37.587n334g3x38.36y142.619r175.301n336g1x89.211n338y157.251n340x37.91n342g3x36.227y171.883r175.301n344g1x89.211n346y186.514n348x32.551n350g2x34.063y183.175r8.785n352x34.073y105.972r175.301n354x27.307y99.207r8.785n356x27.233y99.194r1.n358x-23.674y98.725r204.07n360g1x-88.789n362y113.356n364x-35.573n366g2x-37.587y127.988r175.297n368g1x-88.789n370y142.619n372x-38.36n374g2x-37.91y157.251r175.297n376g1x-88.789n378y171.883n380x-36.227n382g2x-34.073y183.128r175.297n384x-32.551y186.514r8.785n386g1x-88.789n388y201.146n390x89.211n392y215.777n394x-88.789n396y230.409n398x89.211n400x90.211y231.409n402x-89.789n404y-48.591n406x90.211n408y231.409n410x33.087y182.958n412g2x33.096y106.186r174.301n414x27.099y100.185r7.785n416x-26.429y100.073r203.07n418x-33.095y106.181r7.785n420x-33.096y182.914r174.297n422x-27.886y188.704r7.785n424x27.382y188.85r105.635n426x33.087y182.958r7.785n428g1z32.279n430g0z75.279n432x89.211y-47.591n434z73.3n436z30.3n438g1z23.3n440x-88.789n442y-32.959n444x89.211n446y-18.328n448x-88.789n450y-3.696n452x89.211n454y10.935n456x-88.789n458y25.567n460x89.211n462y40.198n464x-88.789n466y54.83n468x89.211n470y69.462n472x-88.789n474y84.093n476x89.211n478y98.725n480x32.321n482g3x36.597y105.437r11.365n484x38.194y113.356r177.887n486g1x89.211n488y127.988n490x40.177n492g3x40.94y142.619r177.887n494g1x89.211n496y157.251n498x40.496n500g3x38.838y171.883r177.887n502g1x89.211n504y186.514n506x35.578n508g2x36.583y183.724r11.365n510x36.597y105.437r177.887n512x26.817y96.514r11.365n514x-26.87y96.52r207.306n516x-32.321y98.725r11.365n518g1x-88.789n520y113.356n522x-38.194n524g2x-40.177y127.988r177.881n526g1x-88.789n528y142.619n530x-40.94n532g2x-40.496y157.251r177.881n534g1x-88.789n536y171.883n538x-38.838n540g2x-36.597y183.663r177.881n542x-35.578y186.514r11.365n544g1x-88.789n546y201.146n548x89.211n550y215.777n552x-88.789n554y230.409n556x89.211n558x90.211y231.409n560x-89.789n562y-48.591n564x90.211n566y231.409n568x35.607y183.507n570g2x35.62y105.651r176.887n572x26.694y97.506r10.365n574x-26.744y97.512r206.306n576x-35.618y105.645r10.365n578x-35.62y183.449r176.881n580x-28.683y191.158r10.365n582x28.012y191.351r108.195n584x35.607y183.507r10.365n586g1z30.3n588g0z73.3n590x89.211y-47.591n592z71.322n594z28.322n596g1z21.322n598x-88.789n600y-32.959n602x89.211n604y-18.328n606x-88.789n608y-3.696n610x89.211n612y10.935n614x-88.789n616y25.567n618x89.211n620y40.198n622x-88.789n624y54.83n626x89.211n628y69.462n630x-88.789n632y84.093n634x89.211n636y98.725n638x34.928n640g3x38.295y105.078r13.101n642x39.956y113.356r179.627n644g1x89.211n646y127.988n648x41.92n650g3x42.675y142.619r179.627n652g1x89.211n654y157.251n656x42.236n658g3x40.594y171.883r179.627n660g1x89.211n662y186.514n664x37.498n666g2x38.279y184.094r13.101n668x38.295y105.078r179.627n670x27.02y94.79r13.101n672x-27.081y94.798r209.039n674x-34.928y98.725r13.101n676g1x-88.789n678y113.356n680x-39.956n682g2x-41.92y127.988r179.621n684g1x-88.789n686y142.619n688x-42.675n690g2x-42.236y157.251r179.621n692g1x-88.789n694y171.883n696x-40.594n698g2x-38.295y184.022r179.621n700x-37.498y186.514r13.101n702g1x-88.789n704y201.146n706x89.211n708y215.777n710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