基于Mastercam的水井盖模具设计及模拟加工【数控编程类课题毕业论文说明书设计全套】
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毕 业 设 计 （论 文） 题 目： 基于 水井盖 模具 设计及模拟加工 分 院 ： 机电学院 专业： 数控专业 姓 名： 陈 海 光 指导教师： 余 四 红 2011 年 4 月 20 日 中文摘要 随着现代机械工业的发展， 计算机辅助设计 (计算机辅助制造 (显示出巨大的潜力，并广泛应用于产品设计和机械制造中，使用 统产生的 序代码可以替代传统的手工编程，运用 行零件的设计和加工制造，可使企业提高设计质量，缩短生产周期，降低产品成本，从而取得良好的经济效益。 本设计应用 件对该零件进行 模拟 加工，并进行 加工工艺的分析、切削用量的选择、 刀具路径的规划以及程序的自动生成。 关键词 ： 具路径；数控程序 目 录 一、绪论 . 4 件的简介 . 4 件的功能及特点 . 4 二、水井盖模具外观的设计 . 6 . 6 . 6 三、加工水井盖模具参数的选择 . 11 工工艺设计 . 11 坯的确定 . 12 具的确定 . 12 削用量的选择 . 13 四、水井盖模具的加工过程 . 17 井盖模具的加工过程 . 17 行后处理 . 21 五、结论 . 24 六、参考文献 . 25 七 、致谢 . 26 一、绪论 件的简介 美国 C 平台的 件 。它集二维绘图、三维实体造型、曲 面 设计、体素拼合、数控编程、刀具路径摸拟及真实感摸拟等功能于一身。它具有方便直观的几何造型 ： 供了设计零件外形所需的理想环境，其强大稳定的造型功能可设计出复 杂的曲线、曲面零件。 上版本还有支持中文环境，而且价位适中，对广大的中小企业来说是理想的选择，是经济有效的全方位的软件系统，是工业界及学校广泛采用的 统。 一种功能强大 件，由 大部分组成，并分成型 )， 削加工 )、 削加工 )和 切割 )4 个功能模块。集设计与制造于一体，通过对所设计的零件进行加工工艺分析，并绘制几何图形及建模，以合理的加工步骤得到刀具路径，通过程序的后处理生成 数控加工指令代码，输人到数控机床既可完成加工。 设计出复杂的曲线、 曲面 零件，而且具有强大的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能。其可靠 的 刀具路径效验功能使拟中不但能显示刀具和夹具，还能检查出刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况，真实反映加工过程中的实际情况，不愧为一优秀的 件 。同时 系统运行环境要求较低，使用户无论是在造型设计、 床或 切割等加工操作中，都能获得 最佳效果 件已被广泛的应用于通用机械、航空、船舶、军工等行业的设计与 工，从 80 年代末起，我国就引进了这一款著名的 件 ，为我国的制造业迅速崛起作出了巨大贡献。 件的功能及特点 （ 1） 完整的 三 维设计系统 完整的曲线功能：可设计、编辑复杂的二维、三维空间曲线。还能生成方程曲线。尺寸标注、注释等也很方便。 强大的曲面功能：采用 数学模型，有十多种生成曲面方法。还具有曲面修剪、曲面间等（变）半径导圆角、导角 、曲 面偏置、延伸等编辑功能。 崭新的实体功能：以 核心，导圆角、抽壳、布尔运算、延伸、修剪等功能都很强。 可靠的数据交换功能，可转换的格式包括： 可读取 、 格式的数据文件。 （ 2）铣床 3D 加工系统 外形铣削：外形可以是空间的任意曲线。 型腔加工：加工方式多达 8 种以上。提供清角及残料加工功能。可斜线及螺旋式入刀、退刀。容许斜壁及不同 高度、斜度的岛屿，可面铣岛屿。 实体加工：在实体上自动确定加工外形参数。 可定义刀具库、材料库等。 可对刀具路径作图形编辑，可对 修改、平移、旋转、放大、缩小等编辑。可做实体切削模拟。 可同各种 制器， 输。 （ 3）车铣复合系统 精车、粗车、螺纹加工。 径向切槽加工。 钻孔、镗孔。 C 轴加工。 可产生切削循环指令。 可自定义刀具库及材料库。 自动计算刀具补正、过切侦测。 二、 水 井盖 模具 外观的设计 盖 模具 外形设计 本设计为方形水井盖 模具 设 计， 便于 加工 ，美观 。考虑到自身能力有限，故 选择较简单的水井盖 模具 ，方便设计， 如 图 2 图 2井盖二维图形 现在我们就结合 绘制井盖 模具 三维图 1、先绘制二维图形 （ 1）先打开 选择【视角】【俯视图】命令，选择【构图面】【俯视图】命令，选择 Z，输入 0。 （ 2）选择【回主功能表】【绘图】【矩形】【一点】命令，系统弹出 图 2话框，如图输入数据： 图 2制矩形 然后确定，抓点方式选择【原点】，鼠标 左击确定。 （ 3）选择【回主功能表】【转换】【 链 偏距】命令， 选好矩形之后【执行】， 系统弹出 图 2） 对话框，如图输入数据 （根据所选方向确定左补正或是右补正），同理再链偏距一次，如图 2）输入数据 ： 图 2外补正（左） 向内补正（右） （ 4）选择【回主功能表】【绘图】【直线】【垂直线】命令，选取（ 3）步骤 向内 偏移过来的上下两条线的中点，绘制中垂线 ，系统弹出图 2话框，如图输入数据： 图 2移参数 偏移这条中垂线至原中垂线的左方。 （ 5）选择【回主功能表】 【修整】【打断】【打成若干段】命令，选取（ 4）步骤 偏移过来 的中垂线，选择【依指定段数】，输入 7 以后确定，再选择【执行】。 （ 6）选择【回主功能表】【绘图】【直线】【水平线】命令，选取（ 5）步骤中垂线的每个断点都绘制一条线于（ 3）步骤 向内偏距的矩形 左边相交。 （ 7）选择【回主功能表】【绘图】【圆弧】【切弧】 |【切三个物体】命令，选取 3条切线绘制圆弧，结果如图 2 图 2本图形 （ 8）选择【回主功能表】【修整 】【修剪延伸】【单个物体】命令，根据提示把多于的线修剪掉。 （ 9） 选择【回主功能表】【转换】【镜像】 |【窗选】命令，左击窗选 4 个 槽，点击【执行】 |【 Y 轴】，弹出 图 2话框，如图输入： 图 2像 之后确定。结果如图 2 图 2终图形 2、绘制三 维 效果 图 （ 1）选择回【主功能表】【实体】【挤出】【串联】，点击图 2较小的矩形 ，选择【执行】命令， 弹出图 2话框，如图输入数据： 图 2出参数 确定后选择方向向上【执行】。同理再选择较大矩形、较小矩形和 8 个槽，挤出距离为 80，方向向上【执行】 ，再选择【视角】 |【等角视图】，结果 如图 2 图 2井盖模具三维图 三、加工水井盖 模具 参数的选择 工工艺设计 （ 1）零件图的工艺性分析 零件图上尺寸标注方法应适应数控 铣床 加工的特点，应以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸。这种标注方法既便于编程，又有利于设计基准、工艺基准、测量基准和编程原点的统一。 对被加工零件的精度及技术要求进行分析，是零件工艺性分析的重要内容，只有在分析零件尺寸精度和表面粗糙度的基础上才能正确地选择加工方法、装夹方式、刀具及切削用量等。 由于本设计为比较简单的水井盖 模具 设计，从图中可清晰看出各 个尺寸，故分析计较简单，主要切削 外轮廓、 端面和槽。 （ 2）加工方法的选择 加工方法的选择应以满足加工精度和表面粗糙度的要求为原则。由于获得同一级加工精度及表面粗糙度的加工方法一般有许多，在实际选择时，要结合零件的形状、尺寸和热处理要求等全面考虑。零件上比较精密的尺寸及表面的加工，常常是通过粗加工、半精加工和精加工逐步达到的。对这些加工部位仅仅根据质量要求选择相应的加工方法是不够的，还应正确地确定从毛坯到最终成型的加工方案。确定加工方案时，首先应根据主要表面的精度和表面粗糙度的要求，初步确定为达到这些要求所需 要的加工方法。 本设计加工方法主要为外轮廓面粗 加工，端面粗精加工及切槽粗精加工，由于精度要求不高，故本设计不额外做精加工。 （ 3）工序的划分 一般工序划分有以下几种方式： l、按所用刀具划分工序。即以同一把刀具完成的哪一部分工艺过程为一道工具。目的：减少安装次数，提高加工精度；减少换刀次数，缩短辅助时间，提高加工效率。 2、按安装次数划分工序即以一次安装完成的那一部分工艺过程为一道工序 . 适合于加工内容不多的工件，加工完成后就能达到待检状态。 3、以粗、精加工划分工序即粗加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序 ，精加工中完成的那一部分工艺过程为一道工序。适用于加工变形大，需要粗、精加工分开的零件。 4、以加工部位划分工序。即完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序，适用于加工表面多而复杂的零件。 由于是较简单的水井盖 模具 设计，其工序也较为简单，主要先外轮廓的加工，其次是端面的加工，最后是切槽加工。 （ 4）加工路线的安排 基本按以下要求确定加工路线 ： 寻求最短加工路线 最终轮廓一次走刀完成 选择切入切出方向 选择使工件在加工后变形小的路线 （ 5）走刀路线及工步顺序 走刀路线是刀具在整个加工工序中相对于工件的运动轨迹，它不但包括了工序的内容，而且也反映出工序的顺序。走刀路线是编写程序的依据之一。因此，在确定走刀路线时最好画一张工序简图，将已经拟定出的走刀路线画上去（包括进刀、退刀路线），这样可为编程带来不少方便。 工步顺序是指同一道工序中，各个表面加工的先后次序。它对零件的加工质量、加工效率和数控加工中的走刀路线有直接影响，应根据零件的结构特点和工序的加工要求等合理安排。工序的划分与安排一般可随走刀路线来进行，在确定走刀路线时，主要遵循以下原则： 应能保证零件的加工 精度和表面粗糙度要求 应使走刀路线最短，减少刀具空行程时间，提高加工效率 本设计是利用 件做模拟加工，故加工路线与走刀路线不做考虑。 坯的确定 排水井盖钢模具，构件的抗压、抗折强度高于普通铸造铁井具的几倍以上，并具有防盗、防腐、减小噪音等功能，远远超过了铸造铁井具的质量标准要求。就目前而言是最理想、较先进的。钢模具的特点是：（ 1）脱模块，在生产过程中可当时脱离，能够不间断的连续生产，高于其他模具生产量的几十倍。（ 2）使用寿命长，钢模具是有特中钢板制作而成，可连续使用几万次。一次 投资就可多年受益。（ 3）产品外观整洁，尺寸标准，表面图案、文字，根据要求，随时更换。（ 4）因钢模具抗震性好，使其生产的产品抗压性增强，破坏荷载大大提高，可以达到国家标准。 具的确定 刀具的选择是数控加工中重要的工艺内容之一，它不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。编程时，选择刀具通常要考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。 与传统的加工方法相比，数控加工对刀具的要求更高，不仅要求精度高，刚度高，耐用度高，而且要求尺寸稳定，安装调整方便。这就要求采用新型优质材料制作数控加工刀具 ，并优选刀具参数。 选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸和形状相适应，生产中，平面零件周边轮廓的加工，常采用立铣刀，铣削平面时应选用硬质合金刀片铣刀，加工凸台、凹槽时，选高速刚立铣刀。对一些主体型面和斜角轮廓型加工，常采用球头铣刀。曲面加工常采用球头铣刀，但加工曲面较低平坦部位时，刀具以球头顶端刃切削，切削条件较差，因而采用环形铣刀。 本设计无曲面加工，故选平铣刀， 如上述 将所选定的刀具参数 已 填入表 3控加工刀具卡片中，便于编程和操作管理。 表 3号 刀具号 刀具规格名称（ 数量 刀长（ 备注 1 25 平 铣刀 1 60 粗铣 外轮廓 2 8 平 铣刀 1 60 粗 精 铣 槽 削用量的选择 在数控机床上加工零件时，切削用量都预先编入程序中，在正常加工情况下，人工不予改变。只有在试加工或出现异常情况时才通过速率调节旋钮或电手轮调整切削用量。因此程序中选用的切削用量应是最佳的、合理的切削用量。只有这样才能提高数控机床的加工精度、刀具寿命和生产率，降低加工成本。 影响切削用量的因素有： 1、机床：切削用量的选择必须在机床主传动功率、进给传动功率以及主轴转速范围、进 给速度范围之内。机床 刀具 工件系统的刚性是限制切削用量的重要因素。切削用量的选择应使机床 刀具 工件系统不发生较大的“振颤”。如果机床的热稳定性好，热变形小，可适当加大切削用量。 2、刀具：刀具材料是影响切削用量的重要因素。表 3常用刀具材料的性能比较。数控机床所用的刀具多采用可转位刀片（机夹刀片）并具有一定的寿命。机夹刀片的材料和形状尺寸必须与程序中的切削速度和进给量相适应并存入刀具参数中去。标准刀片的参数请参阅有关手册及产品样本。 表 3具材料 切削速度 耐磨性 硬度 硬度随温度变化 高速钢 最低 最差 最低 最大 硬质合金 低 差 低 大 陶瓷刀片 中 中 中 中 金刚石 高 好 高 小 3、工件：不同的工件材料要采用与之适应的刀具材料、刀片类型，要注意到可切削性。可切削性良好的标志是，在高速切削下有效地形成切屑，同时具有较小的刀具磨损和较好的表面加工质量。较高的切削速度、较小的背吃刀量和进给量，可以获得较好的表面粗糙度。合理的恒切削速度、较小的背吃刀量和进给量可以得到较高的加工精度。 4、冷却液：冷却液同时具有冷却和润滑作用。带走切削过程产生的切削热，降低工件、刀具、夹具和 机床的温 度 ，减少刀具与工件的摩擦和磨损，提高刀具寿命和工件表面加工质量。使用冷却液后，通常可以提高切削用量。冷却液必须定期更换，以防因其老化而腐蚀机床导轨或其他零件，特别是水溶性冷却液。 以上讲述了机床、刀具、工件、冷却液对切削用量的影响。下面主要论述铣削加工的切削用量选择原则。 铣削加工的切削用量包括：切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：先选择背吃刀量或侧吃刀量，其次选择进给速度，最后确定切削速度。 1. 背吃刀量 a p 或侧吃刀量 a e 背吃刀量 a p 为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为。端铣时， a p 为切削层深度；而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。侧吃刀量 a e 为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为。端铣时， a e 为被加工表面宽度；而圆周铣削时， a e 为切削层深度 背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定： 当工件表面粗糙度值要求为 R a = 25 m 时，如果圆周铣削加工余量小于 5，端面铣削加工余量小于 6 ，粗铣一次进给就可以达到要求。但是在余量较大，工艺系统刚性较差或机床动力不足时，可分 为两次进给完成。 当工件表面粗糙度值要求为 R a = m 时，应分为粗铣和半精铣两步进行。粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同前。粗铣后留 余量，在半精铣时切除。 当工件表面粗糙度值要求为 R a = m 时，应分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取 2 ；精铣时，圆周铣侧吃刀量取 ，面铣刀背吃刀量取 1 。 2. 进给量 f 与 进给速度 V f 的选择 铣削加工的进给量 f（ /r）是指刀具转一周，工件与刀具沿进给运动方向的相对位移量；进给速度 V f （ /单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。进给速度与进给量的关系为 V f = n 为铣刀转速，单位 r /进给量与进给速度是数控铣床加工切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取或通过选取 每齿 进给量 f z ，再根据公式 f =Zf z （ 算。 每齿进给量 f z 的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗 糙度等因素。工件材料强度和硬度越高， f z 越小；反之则越大。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。工件表面粗糙度要求越高， f z 就越小。每齿进给量的确定可参考表 3取。工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。 表 3件材料 fz/铣 精铣 高速钢铣刀 硬质合金铣刀 高速钢铣刀 硬质合金铣刀 钢 铁 . 切削速度 V c 铣削的切削速度 V c 与刀具的耐用度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及铣刀齿数成反比，而与铣刀直径成正比。其原因是当 f z 、 a p 、 a e 和 Z 增大时，刀刃负荷增加，而且同时工作的齿数也增多，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。为提高刀具耐用度允许使用较低的切削速度。但是加大铣刀直径则可改善散热条件，可以提高切削速度。 铣削加工的切削速度 V c 可参考表 3取，也可参考有关切削用量手册中的经验公式通过计算选取。 表 3件材料 硬度（ （ 高速钢铣刀 硬质合金铣刀 钢 225 18 42 66 150 225 325 12 36 54 120 325 425 6 21 36 75 铸铁 190 21 36 66 150 190 260 9 18 45 90 260 320 10 21 30 结合以上几点， 给出 具体加工顺序和参数设置为下表 3 表 3工步骤 刀具与切削参数 序 号 加工方式 刀具 规格 主 轴 转 速 给 速度mm/ 削 深 度 工 内 容 进 刀 方 式 类型 材料 1 外轮廓粗加工 25 四刃平底立铣刀 硬质合金钢 2000 800 除毛坯，确定基本外形 毛坯外下刀 2 端面粗精加工 25 四刃平底立铣刀 硬质合金钢 2500 600 理平面 毛坯外下刀 3 铣槽粗精加工 8 四刃平底立铣刀 高速钢 3000 500 工 模具 槽 毛坯外下刀 四、水井盖 模具 的加工过程 4 1 水井 盖 模具 的加工过程 现在我们就开始用 件模拟仿真加工水井盖 模具 。 （ 1） 选择【主功能表】【刀具路径】【工作设定】命令，弹出 图 4话框，如图输入数据并确定： 图 4胚的确定 （ 2）选择【外形铣削】 |【串连】命令，选取图形外轮廓之后点【结束选取】，再选择【执行】，弹出 图 4话框，如图输入 刀具 参数： 图 4形铣削刀具参数 之后选【外形铣削参数】，如 图 4入参数： 图 4形铣削参数 【平面多次铣削】选粗加工 4 次，间距 5，精加工 1 次，间距 【进 /退 刀向量】 ，【 Z 轴分层铣深】 选取之后默认。 （ 3） 选择 【平面铣削】 |【串连】 命令， 选取图形外轮廓之后点【结束选取】，再选择【执行】，弹出 图 4话框 ， 如图输入刀具参数： 图 4面铣削刀具参数 【平面铣削参数】，将深度改为 80，其他数据默认。 （ 4）选择【挖槽】 |【串连】命令，选取 较大矩形、较小矩形和 8 个槽，点击【执行】，弹出 图 4话框，选取 2 号刀，如图输入刀具参数： 图 4槽刀具参数 选取【挖槽参数】，深度改为 50，其他数据默认，【分层铣深】如图 4入参数。 图 4层铣
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