机械毕业设计（论文）-汽车覆盖件数控加工

山东技师学院毕业设计论文纸装订线目 录1 前言 12 汽车覆盖件概述 32.1 汽车覆盖件概述 32.2 覆盖件的分类 32.3 覆盖件的特点和要求 33 覆盖件模具种类 43.1 覆盖件冲模 43.2 覆盖件夹具 53.3 模型 54 模具的数控加工 64.1工艺准备4.2加工实例5 小结 106 致谢 118 参考资料 131 前 言我国汽车市场发展迅速。从发展前景看，我国汽车市场将会继续保持快速发展的态势，未来前景看好。主要的决定因素：一是我国经济将保持稳步增长。这几年我国继续实施积极的财政政策和稳健的货币政策，进一步启动民间投资，加大扩大内需的力度，有效促进消费增长。汽车消费作为带动消费和经济增长的消费热点，在消费政策、税收政策、信贷政策等方面将获得优惠和支持，这将会有力地刺激我国汽车市场的扩大。二是继续实施积极的财政政策和贯彻西部大开发战略，将为汽车发展提供较大的市场空间。自1998年实施积极的财政政策以来，我国的基础设施建设明显加快，高速公路里程大幅增加。这将有力地促进交通运输业的发展，从而对汽车市场产生很大的促进作用。随着各地公路、铁路、机场、水电站等基础设施建设加快，直接拉动了载货汽车的需求，特别是刺激了重型载货汽车和自卸工程用车的需求。西部大开发加快了西部经济的快速发展，基础设施得到很大的改善，旅游业迅速发展起来，这些都会刺激中西部的汽车市场。三是汽车品种的增多和价格的下降满足了各个层次的需求，私人购车将成为带动我国汽车需求持续快速增长的主要力量。随着我国汽车市场的发展，汽车生产厂家逐渐加大了新产品的投放力度，新产品层出不穷。这不仅增加了消费者选择的种类，满足了多层次的需求，也降低了购车成本，使原来一部分潜在的需求转变为现实的购买力，带动了汽车市场的发展。目前国家正在制订汽车消费政策，该政策的出台将有助于取消限制汽车消费的各项规定，有力地促进私人汽车消费，为我国汽车市场的发展创造良好的条件。随着汽车工业超过20%的增幅发展，进入汽车领域的模具企业和模具产品比上年有大幅增加。汽车对模具提出不断提高的要求，促使模具水平不断提高。同时，由于模具出口大幅增长，也带动模具水平不断提高，这是因为出口模具往往有比国内更高的要求所致。汽车模具在整个汽车工业中占了相当重要的地位，而汽车工业在整个制造业中又占了相当重要的地位。过去一个汽车从最初构想到完成生产，需要两三年甚至更多的时间;而在计算机业高度发达的今天，在CAD/CAM/CAE技术日渐成熟的基础上，利用虚拟制造技术可以大大缩短汽车的开发周期，还可以降低企业的开发成本。虚拟制造技术在汽车模具制造中具有很好的应用前景，但是在我国，由于受到多方面的约束，虚拟技术用在汽车模具中的还比较少，大多数研究还只是处在理论方面;在以后的研究中，我们应在实际应用这方面多作研究，把虚拟制造技术和其他数字技术集合起来，利用计算机和因特网，把虚拟制造技术的优势更好的应用起来。 汽车模具种类很多，其中冲压模具是用量最大的两大类模具之一。在汽车工业十分发达的国家，为汽车服务的模具往往要占到其全部模具生产量的40以上。经过多年发展，我国目前为汽车服务的模具约已占到了全部模具产量的1/3左右，其中，冲压模具要占一半左右。由此可见，汽车冲压模具在模具行业和汽车工业中的重要地位。尤其是汽车覆盖件模具直接关系到汽车车型，因此其地位尤为重要。2 汽车覆盖件概述2.1 汽车覆盖件概述汽车覆盖件(简称覆盖件)是指覆盖汽车发动机、底盘、构成驾驶室和车身的薄钢板异形体的表面零件(外覆盖件)和(内部零件)，与一般冲压件相比较,具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大、表面质量要求高及生产成本高等特点。覆盖件的冲压工艺设计、模具设计和模具制造工艺上具有独自的特点，一般要经过多道工序(如拉延、修边、翻边、整形等)才能完成。在覆盖件的生产中，拉延成形是一道非常关键的工序。决定拉延工件质量的，则是拉延成形的模具即拉延模。拉延模加工质量的好坏，直接关系着覆盖件的最终成品质量。2.2 覆盖件的分类按功能和部位分类，可分为外部覆盖件、内部覆盖件和骨架类覆盖件三类。骨架类覆盖件和外部覆盖件对外观有一定要求。内部覆盖件的形状往往比较复杂。按工艺特征分类如下：1、对称于一个平面的覆盖件。如发动机罩、前围板、后围板、散热器罩和水箱罩等。这类覆盖件形状各异复杂程度各异，由于为对称件在加工其冲压模时，采用镜像只需编写一边的程序即可。2、不对称的覆盖件。诸如车门的内、外板，侧围板等。这类覆盖件有的比较平坦的、深度均匀但形状比较复杂的和形面较深的几种。3、对称封闭的覆盖件。既指左右件组成一个便于成型的封闭件，也指切开后变成两件形状关于一个面对称的半封闭型的覆盖件。4、具有凸缘平面的覆盖件。如车门内板，其凸缘面可直接选作压料面。5、压弯成型的覆盖件。2.3 覆盖件的特点和要求同一般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点。覆盖件的工艺设计、冲模结构设计和冲模制造工艺都具有特殊性。因此，在实践中常把覆盖件从一般冲压件中分离出来，作为一各特殊的类别加以研究和分析。3 覆盖件模具种类对于一个汽车覆盖件需要经过一套模具的加工才能成型，一套模具中也有几种用途不同的模具。3.1 覆盖件冲模覆盖件冲模可分为：1、 拉延模拉延模是保证制成合格覆盖件最主要的装备。其作用是将薄的板材冲拉成汽车所需覆盖件的形状。拉延模有正装和倒装两种型式。正装拉延模凸模和压料圈在上，凹模在下，它使用双动压力机，凸模安装在内滑块上，压料圈安装在外滑块上，成型时外滑块首先下行，压料圈将毛料紧紧压在凹模面上，然后内滑块下行，凸模将毛料引伸到凹模腔内，毛料在凸模、凹模和压料圈的作用下进行大塑性变形。倒装拉延模的凸模和压料圈在下，凹模在上，它使用单动压力机，凸模直接装在下工作台上，压料圈则使用压力机下面的顶出缸，通过顶杆获得所需的压料力。倒装型式拉延模只有在顶出压力能够满足压料需要的情况下方可采用。2、修边模修边模的作用是将拉延件的工艺补充部分和压料凸缘的多余料切除，为翻边和整形准备条件。在小批量生产时，可以用手工和其他简单装备代替。修边模修边往往兼冲孔。修边模在工作的时候，会将废料切成很多较小的段，以便于废料的清理运输。3、翻边模 翻边模是将半成品工件的一部分材料相对另一部分材料发生翻转，根据翻边的冲压方向不同，翻边模可分为垂直翻边模和水平翻边模两大类。水平翻边（含倾斜翻边）则需要斜楔结构完成翻边成型工作。番边模也是制成合格覆盖件的必要装备。3.2 覆盖件夹具1、焊装夹具 焊装夹具是覆盖件总成焊装的重要装备，按照总成的内容和层次，可分为若干种类夹具，通常冠以各种总成的名称。2、检验夹具检验夹具是对覆盖件及其总成件进行综合性检测的主体量具，其检测内容主要是立体型面、轮廓形状和尺寸。检测数据和检查基准书内规定的公差要求进行对照，用来判断工件是否合格。3.3 模型1、实体模型传统的冲模加工方法是采用实体模型作为加工依据。实体模型具有直观、采集数据可靠、加工设备要求低等优点。因此，目前国内大多数厂家仍采用实体模型加工方法。工艺模型通常利用主模型按冲压工序的需要，高速冲压方向，并增加工艺补充部分改制而成。由于工艺模型的型面都取覆盖件的内表面，所以工艺模型可直接用来仿型或数控仿型加工拉延模的凸模和压料圈。至于拉延模的凹模加工，目前有两种方法：其一是按凸模的工艺模型反制一个凹的工艺模型，再按凹的工艺模型由计算机直接生成凹模的加工程序，这种方法正逐渐取代前一种方法。由此可见，实体模型只需制造一个具有凸模形状的正工艺模型，即要满足模具加工的需要，工艺样架等过渡模型已不再采用。2、数学模型（模具的数控加工）利用计算机建立覆盖件的数学模型，如.利用计算机采用UG、PRO / E、CATIA、CIMATRON、CAXA等软件进行建模编程等，为汽车模具的计算机辅助设计与制造创造了条件，数学模型可以在计算机的屏幕上进行模拟装配、调整冲压方向，这是实体模型无法实现的。因此，采用数学模型加工模具代表了模具工业的发展方向，它将彻底改变模具质量依工匠技艺的状态。数学模型 4 模具的数控加工。4.1加工准备数控加工技术已广泛应用于模具制造业，如数控铣削、镗削、车削、线切割、电火花加工等，其中数控铣削是复杂模具零件的主要加工方法。数控设备为精密复杂零件的加工提供了基本条件，但要达到预期的加工效果，编制高质量的数控程序是必不可少的，这是因为数控加工程序不仅包括零件的工艺过程，而且还包括刀具的形状和尺寸、切削用量、走刀路径等工艺信息。对于简单的模具零件，通常采用手工编程的方法，对于复杂的模具零件，往往需要借助于CAM软件编制加工程序，如Pro/ENGINEER、UG、Cimatron、MasterCAM等。无论是手工编程或计算机辅助编程，在编制加工程序时，选择合理的工艺参数，是编制高质量加工程序的前提。1、刀具的选择 在模具型腔数控铣削加工中，刀具的选择直接影响着模具零件的加工质量、加工效率和加工成本，因此正确选择刀具有着十分重要的意义。在模具铣削加工中，常用的刀具有平端立铣刀、圆角立铣刀、球头刀和锥度铣刀等，如图1图.2所示。图1图2 在模具型腔加工时刀具的选择应遵循以下原则： 1.根据被加工型面形状选择刀具类型 对于凹形表面，在半精加工和精加工时，应选择球头刀，图3以得到好的表面质量，但在粗加工时宜选择平端立铣刀或圆角立铣刀，图4.这是因为球头刀切削条件较差；对凸形表面，粗加工时一般选择平端立铣刀或圆角立铣刀，但在精加工时宜选择圆角立铣刀，这是因为圆角铣刀的几何条件比平端立铣刀好；对带脱模斜度的侧面，宜选用锥度铣刀，虽然采用平端立铣刀通过插值也可以加工斜面，但会使加工路径变长而影响加工效率，同时会加大刀具的磨损而影响加工的精度。图3加工曲面类铣刀） 铣小平面或台阶面时一般采用通用铣刀图4 加工台阶面铣刀图4.11 加工槽类铣刀 2.根据从大到小的原则选择刀具 模具型腔一般包含有多个类型的曲面，因此在加工时一般不能选择一把刀具完成整个零件的加工。 无论是粗加工还是精加工，应尽可能选择大直径的刀具，因为刀具直径越小，加工路径越长，造成加工效率降低，同时刀具的磨损会造成加工质量的明显差异。 3.根据型面曲率的大小选择刀具 在精加工时，所用最小刀具的半径应小于或等于被加工零件上的内轮廓圆角半径，尤其是在拐角加工时，应选用半径小于拐角处圆角半径的刀具并以圆弧插补的方式进行加工，这样可以避免采用直线插补而出现过切现象；在粗加工时，考虑到尽可能采用大直径刀具的原则，一般选择的刀具半径较大，这时需要考虑的是粗加工后所留余量是否会给半精加工或精加工刀具造成过大的切削负荷，因为较大直径的刀具在零件轮廓拐角处会留下更多的余量，这往往是精加工过程中出现切削力的急剧变化而使刀具损坏或栽刀的直接原因。 4.粗加工时尽可能选择圆角铣刀 一方面圆角铣刀在切削中可以在刀刃与工件接触的090范围内给出比较连续的切削力变化，这不仅对加工质量有利，而且会使刀具寿命大大延长；另一方面，在粗加工时选用圆角铣刀，与球头刀相比具有良好的切削条件，与平端立铣刀相比可以留下较为均匀的精加工余量，这对后续加工是十分有利的。粗加工时尽可能选择圆角铣刀2、走刀方式和切削方式的确定 走刀方式是指加工过程中刀具轨迹的分布形式。切削方式是指加工时刀具相对工件的运动方式。在数控加工中，切削方式和走刀方式的选择直接影响着模具零件的加工质量和加工效率。其选择原则是根据被加工零件表面的几何特征，在保证加工精度的前提下，使切削时间尽可能短，切削过程中刀具受力平稳。 1.走刀方式 在模具加工中，常用的走刀方式包括单向走刀、往复走刀和环切走刀三种形式，单向走刀方式，在加工中切削方式保持不变，这样可以保证顺铣或逆铣的一致性，但由于增加了提刀和空走刀，切削效率较低。粗加工中，由于切削量较大，一般选用单向走刀，以保证刀具受力均匀和切削过程的稳定性。往复走刀方式，在加工过程中不提刀进行连续切削，加工效率较高，但逆铣和顺铣交替进行，加工质量较差。一般在粗加工时由于切削量大不宜采用往复走刀，而在半精加工和表面质量要求不高的精加工时可选用往复走刀。环切走刀方式，其刀具路径由一组封闭的环形曲线组成，加工过程中不提刀，采用顺铣或逆铣切削方式，是型腔加工常用的一种走刀方式。 2.铣削方式 铣削方式的选择直接影响到加工表面质量、刀具耐用度和加工过程的平稳性。在采用圆周铣削时，根据加工余量的大小和表面质量的要求，要合理选用顺铣和逆铣，一般地，粗加工过程中余量较大，应选用逆铣加工方式，以减小机床的震动；精加工时，为达到精度和表面粗糙度的要求，应选择顺铣加工方式。在采用端面铣削时，应根据所加工材料的不同，选用不同的铣削方式，一般地，在加工高硬度的材料时应选用对称铣削；在加工普通碳钢和高强度低合金钢时，应选用不对称逆铣，可以延长刀具的使用寿命，得到较好的工件表面质量；在加工高塑形材料时应选用不对称顺铣，以提高刀具的耐用度。a)顺铣b)逆铣c)切入和退刀区图4.24 顺铣和逆铣切削方式3、刀具的切入与切出 在模具型腔数控铣削中，由于模具型腔的复杂性，往往需要多次更换不同的刀具才能完成对模具零件的加工。在粗加工时，每次加工后残留余量形成的几何形状是在变化的，在下次进刀时如果切入方式选择不当，很容易造成栽刀事故。在精加工时，切入和切出时切削条件的变化往往会造成加工表面质量的差异。因此，合理选择刀具切入、切出方式具有非常重要的意义。一般的CAM软件提供的切入切出方式有刀具垂直切入切出工件(Plunge)、刀具以斜线切入工件(Ramp)、刀具以螺旋轨迹下降切入工件(Spiral)、刀具通过预加工工艺孔切入工件(Entry Hole)以及圆弧切入切出工件(ARC_TANGENT)。 其中刀具垂直切入切出工件是最简单、最常用的方式，适用于可以从工件外部切入的凸模类工件的粗加工和精加工以及模具型腔侧壁的精加工；刀具以斜线或螺旋线切入工件常用于较软材料的粗加工；通过预加工工艺孔切入工件是凹模粗加工常用的下刀方式；圆弧切入切出工件由于可以消除接刀痕而常用于曲面的精加工。需要说明的是在粗加工型腔时，如果采用单向走刀(Zig)方式，一般CAD/CAM系统提供的切入方式是一个加工操作开始时的切入方式，并不定义在加工过程中每次的切入方式，这个问题有时是造成刀具或工件损坏的主要原因，解决这一问题的一种方法是采用环切走刀方式或双向走刀方式，另一种方法是减小加工的步距(Step-over)，使背吃刀量小于铣刀半径。4、切削参数的控制 切削参数的选择对加工质量、加工效率以及刀具耐用度有着直接的影响。在CAM软件中与切削相关的参数主要有主轴转速(Spindlespeed)、进给速率(Cut feed)、刀具切入时的进给速率(Lead in feed rate)、步距宽度（Step-over）和切削深度（Step depth）等。 1.主轴转速 主轴转速一般根据切削速度来计算，其计算公式为：n = 1 0 0 0 V c /d，式中d为刀具直径（mm），Vc为切削速度(m/min)。切削速度的选择与刀具的耐用度密切相关，当工件材料、刀具材料和结构确定后，切削速度就成为影响刀具耐用度的最主要因素，过低或过高的切削速度都会使刀具耐用度急剧下降。在模具加工，尤其是模具的精加工时，应尽量避免中途换刀，以得到较高的加工质量，因此应结合刀具耐用度认真选择切削速度。 2.进给速度与刀具切入进给速度 进给速度的选择直接影响着模具零件的加工精度和表面粗糙度，其计算公式为F=nzf，式中n为主轴转速（r/min），z为铣刀齿数，f为每齿进给量(mm/齿)。每齿进给量的选取取决于工件材料的力学性能、刀具材料和铣刀结构。工件的硬度和强度越高，每齿进给量越小；硬质合金铣刀比同类高速钢铣刀每齿进给量要高；当加工精度和表面粗糙度要求较高时，应选择较低的进给量；刀具切入进给速度应小于切削进给速度。 3.吃刀量 吃刀量的大小主要受机床、工件和刀具刚度的限制，其选择原则是在满足工艺要求和工艺系统刚度许可的条件下，选用尽可能大的吃刀量，以提高加工效率。为保证加工精度和表面粗糙度，应留0.20.5mm的精加工余量。在粗加工时，余量的切除往往采用层切的方法，在CAM编程时，需要设置每层切削深度和最大步距宽度，而实际步距往往与工件形状有关。 在精加工时，吃刀量的选择与表面粗糙度有关，CAM软件中通常提供有两种参数控制表面粗糙度：步距宽度（Stepover）和残留高度(Scallop)。采用步距宽度控制表面粗糙度时，步距宽度越小，表面粗糙度越小，但加工路径和加工时间会大大延长，因此步距宽度不宜设置得太小，在实践中可以通过改变半精加工和精加工走刀路径的方法（二者成正交关系）改善表面质量；采用残留高度控制表面粗糙度时，步距宽度会依据工件形状自动调整。5、其他参数 在模具数控加工编程中，除以上参数的设定外，还有诸如工件坐标系（Work Coordinate）、刀具快速运动平面（Rapid Plane）、加工安全平面（Clearance Plane）、加工余量参数（Allowance）以及后置处理参数等的设定。工件坐标系的设定一般应与工件的工艺基准相重合；刀具快速运动平面和加工安全平面的选择应结合工件形状和夹具结构，在保证安全的情况下，尽量减小空刀行程；加工余量的选择不宜过小或过大，过小容易造成粗加工时的过切，过大则会影响精加工质量；后置处理参数应结合数控机床控制系统的特点来设定。总之，模具零件数控编程具有很大的灵活性，只有正确理解以上工艺参数，在实践中不断进行总结，才能编制出高质量的加工程序，加工出高质量的模具零件。4.2加工实例在汽车模具的数控加工中工艺设计的内容是贯彻执行生产纲领的具体要求和体现，是生产纲领和模具设计制造之间的桥梁和纽带。工艺设计要求要方案正确、内容可靠、符合实际和实施容易，不允许有任何大的漏洞，其责任份量很重，往往是成败的关键。在实际加工中一般比较小的模具所用毛坯一般为较规则的钢料，而比较大的则用铸造余量较大的成型铸件。在进行加工时必须严格按照工艺加工顺序进行数控加工，否则将会为装配带来很多不必要的麻烦。对于模具的型面一般有编程人员用编程软件处理编程，加工人员只需分析加工工艺用其程序加工出形面即可。如下图所示是一套汽车覆盖件模具中的一序拉延模，图示的是已经过装配的覆盖件模具图有上模座（凹模）、压件器（顶压板）、顶件器（凸模）、下模座、和压边圈（压料圈）等主要构件组成。其中上模座的作用是为压件器（顶压板）提供承载体，下模座的作用是为顶件器（凸模）提供承载体。汽车覆盖件则由压件器（顶压板）和顶件器（凸模）在油压机的大力作用下冲压成型。其中压边圈是为保证冲压件的形状和方便下一工序模具的加工而不可缺少的部分 图1 (a)上模平面图 (b)下模平面图1-凹模；2-顶压板；3-导向板；4-压料圈；5-凸模；6-下模座；如上图所示一般加工像3-导向板或安装耐磨板（导板）的安装面时一般用手工编程如：用面铣刀铣导板粗细时：O0001G40 G17/18/19 G54;S_ M_;G91 G01 X/Y_ F_；Z-_；X/Y-_；Z-_；M99；由于此程序为无限循环程序，采用这种程序进行加工工件时，要时刻注意Z值的变化以免造成过切甚至发生危险。有时也用插铣刀粗插铣导板，其程序：O0001G40 G17/18/19 G54;S_M_;G91 G01Z-_F_;G00X/Y_;Z_;Y/X_;M99;用上述程序粗铣完后用足够长的立铣刀利用手轮或用简单的程序精铣或者足够长的粗铣用的立铣刀利用手轮或用简单的程序粗铣削，粗铣完成后后用下程序精铣削直到到达规定的表面粗糙度时停止即可，如下面简单程序：O0001;S_M_; G91 01X/Y_F_ X/Y-_;M99;有些模具不用导板作导向而是用导套导柱来做导向。导套和导柱一般要放在导套和导柱孔里，在加工导套或导柱孔时一般用手工编程加工，如加工通孔所用程序:O0001;S_M_;G91 G01 G42/G41 X_(圆的半径值)D1 F_;G02/G03 I-_(圆的半径值)F_;G01 G40 X-_(圆的半径值);Z-_;M99;此程序为无限循环,当到达所需尺寸时停止即可。当加工有固定深度的孔时所用程序如: O0001; G54 G90 G17; S_ M_;G00 Z_;X_Y_（圆心坐标）;G01 Z_ F_;P1 L_;G00 Z_;M02;(L为调用次数)其子程序如:O0001G01 Z-_F_;G01 G41/G42X+/-_ D1 F_;G03/G02 I-/+_ F_;G01 G40 X-/+_;M99;用上述方法铣完后往往孔比较粗，达不到表面粗糙度要求，这就需要镗孔,镗孔可以用手轮操作,也可用程序镗削： O0001; G54 G90 G17;S_ M_ ;G00 Z-_ ;G76 X_Y_Z_R_Q_P_F_ ;G91 G28 Z_;M02;X_ Y_：孔位数据, Z_：孔底的位置, R_：加工初始位置, Q_：每次切削进给的切削深度, P_：暂停时间, F_：切削进给速度 ,K_：重复次数。导柱和导套是模具中重要的定位装配元素，而导柱和导套又是镶在孔中的，所以孔加