三维造型及模具设计

一模具行业简介 随着产品的集约化生产，型腔模具在各个领域的产品生产中越来越显得重要，20世纪80年代以来，在国家产业政策和与之配套的一系列政策的支持和引导下，再加之产品规模化生产的需要，我国模具工业，特别是塑料和压铸等型腔模具发展十分迅速。模具是制造业的重要工艺基础，在我国，模具制造属于专用设备制造业。中国虽然很早就开始制造模具和使用模具，但长期未形成产业。直到20世纪80年代后期，中国模具工业才驶入发展的快车道。近年，不仅国有模具企业有了很大发展，三资企业、乡镇（个体）模具企业的发展也相当迅速。据不完全统计，近10年全国（未含港、澳、台统计数字，下同）模具生产及进出口发展情况如表1、表2、1.1中国模具工业概况1-1由表1-1可见，虽然中国模具工业发展迅速，但与需求相比，显然供不应求，其主要缺口集中于精密、大型、复杂、长寿命模具领域。由于在模具精度、寿命、制造周期及生产能力等方面，中国与国际平均水平和发达国家仍有较大差距，因此，每年需要大量进口模具。中国模具产业除了要继续提高生产能力，今后更要着重于行业内部结构的调整和技术发展水平的提高。结构调整方面，主要是企业结构向专业化调整，产品结构向着中高档模具发展，向进出口结构的改进，中高档汽车覆盖件模具成形分析及结构改进、多功能复合模具和复合加工及激光技术在模具设计制造上的应用、高速切削、超精加工及抛光技术、信息化方向发展。这几年，模具行业结构调整和体制改革步伐加大，主要表现在，大型、精密、复杂、长寿命、中高档模具及模具标准件发展速度高于一般模具产品；塑料模和压铸模比例增大；专业模具厂数量及其生产能力增加；“三资”及私营企业发展迅速；股份制改造步伐加快等。从地区分布来看，以珠江三角洲和长江三角洲为中心的东南沿海地区发展快于中西部地区，南方的发展快于北方。目前发展最快、模具生产最为集中的省份是广东和浙江，江苏、上海、安徽和山东等地近几年也有较大发展。1.2存在问题和主要差距虽然我国模具总量目前已达到相当规模，模具水平也有很大提高，但设计制造水平总体上落后于德、美、日、法、意等工业发达国家许多。当前存在的问题和差距主要表现在以下几方面：1.总量供不应求 国内模具自配率只有70%左右。其中低档模具供过于求，中高档模具自配率只有50%左右。2.企业组织结构、产品结构、技术结构和进出口结构均不合理 我国模具生产厂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，而国外模具超过70%属商品模具。专业模具厂大多是“大而全”、“小而全”的组织形式，而国外大多是“小而专”、“小而精”。国内大型、精密、复杂、长寿命的模具占总量比例不足30%，而国外在50%以上。2004年，模具进出口之比为3.71，进出口相抵后的净进口额达13.2亿美元，为世界模具净进口量最大的国家。3. 模具产品水平大大低于国际水平，生产周期却高于国际水平 产品水平低主要表现在模具的精度、型腔表面粗糙度、寿命及结构等方面。4. 开发能力较差，经济效益欠佳 我国模具企业技术人员比例低，水平较低，且不重视产品开发，在市场中经常处于被动地位。我国每个模具职工平均年创造产值约合1万美元，国外模具工业发达国家大多是1520万美元，有的高达2530万美元，与之相对的是我国相当一部分模具企业还沿用过去作坊式管理，真正实现现代化企业管理的企业较少。 造成上述差距的原因很多，除了历史上模具作为产品长期未得到应有的重视，以及多数国有企业机制不能适应市场经济之外，还有下列几个原因：5. 国家对模具工业的政策支持力度还不够 虽然国家已经明确颁布了模具行业的产业政策，但配套政策少，执行力度弱。目前享受模具产品增值税的企业全国只有185家，大多数企业仍旧税负过重。模具企业进行技术改造引进设备要缴纳相当数量的税金，影响技术进步，而且民营企业贷款十分困难。6. 人才严重不足，科研开发及技术攻关投入太少 模具行业是技术、资金、劳动密集的产业，随着时代的进步和技术的发展，掌握并且熟练运用新技术的人才异常短缺，高级模具钳工及企业管理人才也非常紧张。由于模具企业效益欠佳及对科研开发和技术攻关重视不够，科研单位和大专院校的眼睛盯着创收，导致模具行业在科研开发和技术攻关方面投入太少，致使模具技术发展步伐不大，进展不快。7. 工艺装备水平低，且配套性不好，利用率低 近年来我国机床行业进步较快，已能提供比较成套的高精度加工设备，但与国外装备相比，仍有较大差距。虽然国内许多企业已引进许多国外先进设备，但总体的装备水平比国外许多企业低很多。由于体制和资金等方面的原因，引进设备不配套，设备与附件不配套现象十分普遍，设备利用率低的问题长期得不到较妥善的解决。8. 专业化、标准化、商品化程度低，协作能力差 由于长期以来受“大而全”“小而全”影响，模具专业化水平低，专业分工不细致，商品化程度低。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畅，难以完成较大规模的模具成套任务。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。9. 模具材料及模具相关技术落后模具材料性能、质量和品种问题往往会影响模具质量、寿命及成本，国产模具钢与国外进口钢材相比有较大差距。塑料、板材、设备性能差，也直接影响模具水平的提高。二. 压铸模具的的发展和现实2.1.简述近年来，依靠科技进步和吸收消化国外压铸模具设计，制造加工的先进经验，以及通过企业技术改造，设备新置和技术升级，使我国压铸模具技术有了飞跃发展，主要表现以下几方面：1 普遍采用CAD/CAM技术，应用水平不断提高。2 压铸制造设备更新快，近几年来，一些先进的模具制造设备不断的研制成功并应用于生产，如各种高精度数控加工设备的应用。3 先进制造工艺进一步推广。4 大型复杂压铸模具制作水平提高较快。5 局部市场已经形成。6 模具价格在国际市场有较大的竞争力。7 铅合金压铸及模具技术基本成熟。2.2压铸模存在的问题：1 用于压铸合金的范围还比较窄。2 对金属液体的填充理论研究还不够深入。3模具制造整体水平还不高。4模具使用的可靠性及使用寿命还比较短。5模具材料的国产化有待于提高。2.3.金属制品的压力铸造成型方法与过程。1压铸成型原理：压力铸造亦称压铸。压铸是将液态或半液态的金属，在高压的作用下，以高速填充压铸模型腔，并压力的作用下快速凝固而获得铸件的一种方法，压力铸造所用的设备是压铸机，成型所用的模具是压铸模具。2压铸成型过程： 见下图2-12-13压铸成型的优、缺点。产品效率高、质量好，经济效益高。压铸问题，普遍压铸法压铸的铸件易产生气孔，不能进行热处理；压铸件的材料和形状受到限制；压铸设备投资高，压铸模具制造复杂，费用高，一般不宜用于小批量生产。三课题的内容、步骤及意义。基于目前压铸模具的市场行情和CAD/CAM在模具设计行业的流行，我的毕业课题选择了基于大型三维软件（集造型、加工、制造于一体）por/engineer wildfire进行压铸模具的设计和制造。3.1本课题的内容和步骤课题设计对象 FZD400轴流风机400FZD2-00中的前端盖。内容和步骤如下：1设计前的基础性准备：产品的零件图；熟悉压铸机、模具制造知识；现场压铸工艺知识。2压铸模设计的工艺准备。3设计压铸模的基本要求。4压铸模总体设计的主要内容。5比较模具整体设计方案。6绘制模具总装图和零件图。7模具图形的修正与定型。设计前的基础性准备，由于初次接触，不懂的地方很多，指导老师建议我们去图书馆找有关于型腔设计和压铸方面的专业书来充实知识，我化了2个星期的时间初步看完了化学工业出版社出版的型腔模具设计与制造、 3.2草图的绘制 熟悉了模具设计的基本步骤，接着按要求画出零件图，采用的软件是AUTOCAD见下图3-1、3-23-13-23.3 零件图的绘制上面只是零件二维图的一个视图，从中可以看出零件的基本形状和尺寸，但是现在我们大多用三维视图来表现零件的基本结构和特殊形状，即现在常用的三维造型。目前用来三维造型的软件非常多，像SOLIDWORKS、CATIA、CIMATRON、UG、PRO/等等，我采用的是por/engineer wildfire 1.0版。先来介绍下软件框架见图3-33-3打开程序新建零件（不使用缺省）选择mmns公制选择接着绘制如3-4图形。3-4单击完成就可以了，得到以下图形3-5创建零件的其他特征如拉伸、切除、圆角等等就不一一赘述。最后得到完整的零件图如下3-6图：3-63.4 毛坯图的绘制完成零件后，接着开始计算零件毛胚尺寸。为了铸模方便，不使用侧芯，毛胚要考虑的因素我用图3-7表示：3-7绘制毛胚铸件的二维三维图，使用软件是AUTOCAD、POR/E绘制过程略。见图3-8、3-9 3-93-8毛坯和加工余量的概念，加工余量即加工过程中在零件表面上预留的多余金属层，简称余量。进行切削加工时，加工余量被切除。加工余量可分为工序余量和总余量两种。 总余量：为了得到零件上某一表面的精度和表面质量而从毛坯表面切除的全部多余的金属层称为表面的总加工余量。 工序余量：为完成某一个工序而从该表面切除的金属层，称为工序加工余量，两者的关系：Z总=式中Z总总加工余量ZI第I道工序的加工余量n工序的数目确定加工的方法1 分析计算法，这种方法以一定的试验资料和计算方法，对影响加工余量的各项因素进行分析和综合计算来确定余量的大小。2 查表修正法，此法是以工艺手册，生产实践和各种试验研究的有关加工余量的资料数据为基础，并结合实际的加工情况来确定加工余量的方法，应用比较广泛。3 经验估算法，此法是根据工艺人员的实践经验来确定加工余量的方法。 毛坯余量 毛坯具体改动如上图草绘。两侧面拔模斜度为0.5度，去除零件上的侧孔。毛坯的三维图见下图3-10：3-10四模具的设计4.1 模具制造流程接下来，进入到模具设计阶段，模具设计的一般流程见 4-1图， 4-14.2 por/engineer模具模块介绍使用POR/ENGINEER软件进行模具设计的一般步骤：1. 在资源管理器下建立新文件夹名称，“mojuxingqiang”。2. 将毛坯零件“maopei.prt”复制到该目录下，进入proewildfire系统。3. 设置工作目录，选择目录“mojuxingqiang”单击确定。4. 选择文件新建，在新建对话框的类型中选择制造，在子类型对话框中选择模具型腔，取消使用默认模板复选框，然后单击确定按钮。5. 在新建对话框中选择mmns-mfg-mold单击确定。至此模具模块创建完成，下面让我们看看por/e模具模块的界面。如图4-2、4-3、4-4所示：4-2 4-3 4-44.3模具设计工具栏简介工具栏的默认设置是垂直方向，单击并拖动它将其水平放置。如图 4-5所示为模具设计的工具栏。 4-5模具设计工具栏 工具栏中的每一个图标在模具设计菜单中都有一个对应项，它们的作用是一致的，例如图标就对应着菜单中的【收缩】选项。 下面来对工具栏中的图标进行简要的说明。：选择参照零件/定义参照零件在模具中的方向和位置。它对应着模具菜 单中【模具模型】【装配】【参考模型】命令；：对参照零件进行收缩设置，对应着菜单中的【收缩】命令；：自动增加工件，对应着菜单中的【模具模型】【创建】【工件】 【自动】命令；：创建模具体积块，对应着菜单中的【模具体积块】命令；：创建侧面影像曲线，它对应着菜单中的【特征】【型腔组件】【模 具】【侧面影像】命令，对与创建裙边分型面时，这是非常重要的工具。：创建裙边分型面，它对应着菜单中的【分型面】【创建】【增加】 命令。：分割模具元件。 ：将已创建的模具体积块抽取成为模具元件；：模具开启，模拟模具开模，检查干涉现象； ：修剪零件模型；：转为模具布局界面；进入到模块界面后，在菜单管理器中选择模具模具模型装配模具模型类型参考模型在弹出的打开文件对话框中，选择文件“maopei.prt”单击打开按钮，打开的文件按默认缺省放置 。4.4 创建工件1、 选择【模具模型】【创建】【工件】【手动】命令，此时将弹出【元件创建】对话框，输入名称“gongjian”，单击【确定】按钮，此时弹出【创建选项】对话框，选中【创建特征】选项，然后单击【确定】按钮。 2、 下面进行工件实体的创建。 如图4-6所示，依次从菜单中选择【实体】【加材料】【拉伸】【实体】【完成】命令。图 4-6此时，弹出【草绘创建实体】对话框，单击图标，进入【剖面】绘制对话框，然后依次选取草绘平面和参照平面，进入草图绘制。完后单击勾按钮，确定材料生长方向和长度，单击勾按钮，最后单击【完成/返回】命令，完成工件的创建，如图4-7所示。4-74.4收缩率的概念及选用 压铸件的实际收缩率 是指室温时的模具成型尺寸减去压铸件的实际尺寸与模具成型尺寸之比，即 式中 A型室温下模具成型尺寸，mm；A实室温下压铸件的实际尺寸，mm。查模具实用技术设计综合手册第二版P749所得锡铅合金的压铸件的收缩率推荐值为0.2-0.3。软件中收缩率的设置：4.5设置收缩率 1、 如图4-8所示，在菜单管理器中依次选择【收缩】【按尺寸】【设置/复位】【确定】【所有尺寸】命令。4-82、 弹出4-9如图所示收缩率输入框， 4-9在空格出输入数值“0.2”，然后单击勾确定，再按完成命令，收缩率设置完毕。4.6创建分模面 1、先遮蔽工件，然后按以下步骤进行创建。如图4-11所示，选择【分型面】【创建】命令。弹出【分型面名称】对话框，以默认名称，按确定。弹出对话框，选择【增加】【复制】【完成】命令。系统将弹出如图对话框，选择完成。 4-11 2、选择完成后，系统弹出图412菜单管理器，选择零件内表面外至孔。单击确定至上一菜单中的曲面选项，选择平整，完成。选取毛坯端面为草绘平面，选择TOP面为参照面，选取两中心垂直面为参照，直接按关闭。绘制为200的正方形和直径60的圆，完成退出。4-12 3、合并分型面，返回上一菜单后，选择合并，弹出如图4-13对话框，选取上一步骤画的曲面，选择合并类型为连接。 4-13 4-14预览如图4-14所示。图中网格即为分型面。分型面着色，见图4-154-154.7、创建模具体积块1、取消上步中分型面创建中的遮蔽工件。然后如图416所示，在【菜单管理器】中依次选【择模具体积块】【分割】【两个体积块】【所有工件】【完成】命令。 图416 图417 2、弹出【分割】菜单，如图417所示，单击【定义】按钮，选择上一步骤中创建的曲面。 3、按下【确定】按钮，弹出体积块名称输入框shangmo ，以默认名字为模具体积块shangmo的名称，点击【着色】，将显示模具体积块shangmo ，如图418所示。 4、系统将继续弹出体积块名称输入框xiamo，以默认名字为模具体积块xiamo的名称，点击【着色】，将显示模具体积块xiamo，如图419所示。4-184-194.8、由模具体积块生成模具型腔1、如图420所示，在【菜单管理器】中依次选择【模具元件】【抽取】命令。系统将弹出【创建模具元件】对话框，如图421所示，点击图标，完成抽取元件的选择，单击【确定】按钮。图420 图421至此，模具的上下型腔已创建完毕。4.9、模拟开模1、如图422所示，从【菜单管理器】中依次选择【模具进料孔】【定义间距】【定义移动】命令。 图4222、系统弹出【选取】菜单,选取shangmo,单击【确定】按钮，然后选取如图423所示的边来定义方向，单击确定按钮，弹出位移输入框，如图424所示输入。4-23 4254-243、按图424右边勾确定，弹出菜单管理器，按完成生成如图425所示。4、按完成，重复以上步骤来对xiamo进行移动，输入移动位移“150”，移动后的图形如图426所示。4-265、在左边模型树中，右击gongjian弹出来下拉菜单，选择【遮蔽】，工件自动被隐藏，如图427所示。4-27至此，模拟开模创建完毕。五.完成装配图5.1装配图中的元件模具的整体框架，有自己的要求和标准。我根据压铸模设计资料和老师的指导来绘制模具框架，其中的上模板见下图5-15-1外四孔是连接孔，装螺栓。中间挖空，一大一下做挡板。垫块见5-2图5-2其他标准件如螺栓、销都是查表、资料所得。推板图5-35-3螺栓和顶杆见5-4、5-55-4 5-5上模图5-65-6下模图见5-75-75.2 启动装配界面 点击图标弹出如图5-8对话框，选择【组件】【设计】【确定】，弹出图354框，选择mms_asm_design,按【确定】进入装配界面。5-8 5-9 5.3 调入上模 按 图标，弹出【打开】对话框，选择上模零件，按打开，零件将自动放置在界面上，同时弹出【元件放置框】，在按图标，进行完全约束，按【确定】，退出【元件放置框】。5.4元件的装配元件的装配过程如要详细说明，比较复