自行车链轮的冲压模具设计及数控编程与仿真加工

III自行车链轮的冲压模具设计及数控编程与仿真加工Design

of

stamping

die

for

bicyclesprocket

and

NC

programming

and

simulation摘要对于汽车行业与电子行业，各种各样的板料零件都是有各种不同的成型工艺所生产出来的，这些均可以列入一般种类“板料成形”的范畴。板料成形（也称为冲压或压力成形）经常在厂区面积非常大的公司中进行。如果自己没有去这些大公司访问，没有站在巨大的机器旁，没有感受到地面的震颤，没有看巨大型的机器人的手臂吧零件从一个机器移动到另一个机器，那么厂区的范围与价值真是难以想象的。当然，一盘录像带或一部电视专题片不能反映出汽车冲压流水线的宏大规模。站在这样的流水线旁观看的另一个因素是观看大量的汽车板类零件被进行不同类型的板料成形加工。落料是简单的剪切完成的，然后进行不同类型的加工，诸如：弯曲、拉深、拉延、切断、剪切等，每一种情况均要求特殊的、专门的模具。任何一个完整的冲压模具都是有一副（或多副的组合）用于冲制工作的（冲压）零件组成，包括：所有的支撑件部分与模具的工作部分零件，即构成一副冲模。冲压（术语）通常将完整压制工具的凹模（母模）部分定义为模具。导杆，或导柱，是安装在下模座上的。上模座则安装有用于导杆滑动的导套，分别装有导套与导杆的上模座与下模座组合成为木架。模架有许多规格与结构设计用于商业销售。根据对零件的综合分析，在本次设计中我设计的模具是正装冲孔落料模，主要介绍的是模具的冲孔落料，冲压生产中应用最广泛的工序之一。关键词：冲压模具冲孔落料链轮仿真加工MastercamAbstractThewidevarietyofsheetmetalpartsforboththeautomobileandelectronicindustriesisproducedbynumerousformingprocessesthatfallintothegenericcategoryof"sheet-metalforming".Sheet-metalforming(alsocalledstampingorpressing)isoftencarriedoutinlargefacilitieshundredsofyardslong.Itishardtoimaginethescopeandcostofthesefacilitieswithoutvisitinganautomobilefactory,standingnexttothegiganticmachines,feelingthefloorvibrate,andwatchingheavydutyroboticmanipulatorsmovethepartsfromonemachinetoanother.Certainly,avideotapeortelevisionspecialcannotconveythescaleoftoday'sautomobilestampinglines.Anotherfactorthatoneseesstandingnexttosuchlinesisthenumberofdifferentsheet-formingoperationsthatautomobilepanelsgothrough.Blanksarecreatedbysimpleshearing,butfromthenonawidevarietyofbending,drawing,stretching,cropping,andtrimmingtakesplace,eachrequiringaspecial,custom-madedie.Anycompletepresstool,consistingofapair(oracombinationofpars)ofmatingmemberforproducingpressworked(stmped）parts,includingallsupportingandactuatingelementsofthetool,isadie.Pressworkingterminologycommonlydefinesthefemalepartofanycompletepresstoolasadie.Theguidepins,orposts,aremountedinthelowershoe.Theuppershoecontainsbushingswhichslideontheguidepins.Theassemblyoftheloweranduppershoeswithguidepinsandbushingsisadieset.Diesetsinmanysizesanddesignsarecommerciallyavailable.According

to

the

comprehensive

analysis

of

the

parts,

the

die

I

designed

in

this

design

is

the

formal

punching

blanking

die,

mainly

introducing

the

punching

blanking

of

the

die,

one

of

the

most

widely

used

processes

in

the

stamping

production.Keywords:StampingdiePunchingBlankingChainwheelSimulationmachiningMastercamIV目录TOC\o"1-2"\h\u6385摘要 II13322Abstract III10134绪论 1第一章自行车链轮的冲压模具设计……………2255001设计题目与零件工艺性分析 2236021.1课题设计的要求 2213791.2零件材料的分析 2107251.3零件结构的分析 2239941.4确定工艺方案 3300892模具结构设计 3150622.1选择模具类型 321152.2选择操作方式 3168752.3选择定位方式 33452.4选择卸料出件方式 3第二章自行车链轮的冲压模具设计……….………4182603模具设计计算 4195233.1排样、计算条料宽度及确定步距 4199073.2利用率计算 465373.3冲压力的计算 4288523.4确定压力中心 5196423.5冲模刃口尺寸及公差的计算 54各主要零件结构设计…………….94.1各主要零件尺寸……………………94.1.1每套模具凹模的厚度…………….94.1.2卸料板…………...11V4.1.3卸料橡皮的设计………………...124.1.4垫板厚度………………………...124.1.5凸模固定板……………………..124.1.6凸模长度………………………...12第三章自行车链轮的数控编程………….…….…135自行车链轮的平面图绘制………………..……136自行车链轮的三维模型设计……………..……156.1绘制自行车链轮的三维实体模型………………..156.2绘制自行车链轮模具的三维实体模型…………..167自行车链轮的数控编程设计…………………177.1设置毛坯…………..177.22D挖槽加工………………………177.3加工结果…………..207.4数控编程程序及其后处理程序…………………..218自行车链轮的数控仿真加工…………………228.1斯沃数控仿真软件简介…………..228.2自行车链轮的数控仿真加工……………………..2221773结论 26致谢2714182参考文献 绪论随着现代工业行业的发展，机械行业的发展也有了质的飞跃，现代化的建.设进程越来越不开机械。链轮也是现代机械的组成部分，链轮是带嵌齿式扣链齿的轮子，用以与节链环或缆索上节距准确的块体相啮合,一种实心或带辐条的齿轮,与(滚子)链啮合以传递运动。数控加工是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法，数控机床加工与传统机床加工的工艺规程从总体上说是一致的，但也发生了明显的变化。用数字信息控制零件和刀具位移的机械加工方法。它是解决零件品种多变、批量小、形状复杂、精度高等问题和实现高效化和自动化加工的有效途径。本次毕业课题的加工零件为自行车链轮，依据给定的自行车链轮零件图样，全面分析制件的特性，完成自行车链轮冲压模具设计（包括冲压工艺方案、模具结构形式、排样计算、零部件结构设计等）；基于Mastercam软件，对链轮进行三维CAD造型设计；在Mastercam软件下，由自行车链轮三维模型设计其凸凹模具；分析凸凹模具的数控加工工艺，分别进行CAM数控编程设计，要求CAM数控程序各项参数设置合理；程序后处理，利用斯沃数控仿真加工系统，仿真加工并验证。自行车链轮的冲压模具设计1设计题目与零件工艺性分析1.1课题设计的要求设计该零件的冲压模具，制件为40齿自行车链轮，如图1.1所示。图1.140齿自行车链轮1.2零件材料的分析查《冲压模具设计与制造基础》可知其抗剪强度，抗拉强度，屈服点强度，断后伸长率，由此可见该材料具有良好的塑性及较高的弹性模量即具有良好的冲裁性能和弯曲性能，因此该材料适合冲裁及拉伸。1.3零件结构的分析该零件外形不规则，整体为一链盘，有1处需压型，还有11个孔和40个轮齿，中心孔需要压花，既有冲裁也有拉伸，所以应分别对其结构进行工艺分析并综合考虑。1.冲裁的结构工艺性：查表2.7.2知所冲孔，因此孔的大小亦满足工艺性要求。2.拉伸的结构工艺性：拉伸件的形状应尽量简单、对称，这样可以保证拉伸件在凸缘变形区的变形是均匀的，这样模具加工工艺性最好。1.4确定工艺方案冲压工艺方案设计就是据零件的工艺性分析，然后初步确定出冲压加工内容，并制定出几种可行的加工工艺方案。因此此套模具采用先落料——冲中心孔，再冲孔—压花然后再压型，采用单工序模具生产。此方案的模具结构设计简单，但所需工序过多，成本较低且需要的压力机较小，模具加工维修方便，需要的工作台尺寸较小。由于此零件尺寸过大，从生产成本考虑，此零件冲压生产采用单工序模具生产为佳。2模具的结构设计2.1选择模具类型单工序模具。2.2选择操作方式由于材料的厚度太大，因此不适合用自动进料装置，所以全都使用人工手动送料。2.3选择定位方式第一套模具采用导料板来控制条料的送进方向，无侧压装置横向采用固定挡料块；第二套模具和第三套模具都使用中心定位法。2.4选择卸料出件方式冲压工序中含冲裁、冲孔和拉伸，所以应有卸料机构，弹性卸料板具有卸料和压料的双重作用，可使工件的平面度提高。所以第一套模具采用弹性卸料板，由于工件尺寸较大，所以采用下出料的出件方式；第二套模具采用刚性卸料方式；第三套模具采用手工卸料方式。第二章自行车链轮的冲压模具设计3模具设计计算3.1排样、计算条料宽度及确定步距由于工件为圆形链盘，所以采用单个排样方式，根据料厚3mm，查得搭边值为a=3mm，所以条料宽度为L=176+3+3=182（mm），条料宽度为182mm，步距为179mm。3.2利用率计算冲裁件的面积A由proe软件计算得A=1.34。利用率为：3.3冲压力的计算冲裁力和拉伸力的计算：第一套模具——落料、冲孔=1112818.635N=3001.3322π=370939.545N卸料力推件力查资料的，，n=1。采用弹性卸料板和下出料方式。计算得：=1212978.64N第二套模具——冲孔冲孔力：=476110.5N308755N本套模具采用下出料方式和弹性卸料板。最大冲裁力F=，。计算得：F=490393.815N第三套模具——压型拉伸力：F=m==0.876需要压边圈。=0.84~0.65，m>，所以可一次拉成。查表得：=0.3F=0.3400π（154-3）3=170776N本套模具采用手工卸料方式。3.4确定压力中心由于本冲压件为轴对称图形，故每套模具的压力中心都是圆心。3.5冲模刃口尺寸及公差的计算1．设计落料模首先要确定凹模刃口尺寸，设计冲孔模首先要确定凸模刃口尺寸。2．按凸模与凹模图样分别加工法（1）落料设工件的尺寸为，凹模的基本尺寸接近或等于工件轮廓的最小极限尺寸；将凹模尺寸减去最小合理间隙值即得到凸模尺寸。（2）冲孔设冲孔尺寸为，首先确定凸模尺寸，使凸模的基本尺寸接近或等于工件的最大极限尺寸；将凸模尺寸增大最小合理间隙值即得到凹模尺寸。（3）孔心距孔心距属于磨损后基本不变的尺寸。在同一工布中，在工件上冲出孔距为两个孔时，其凹模型孔中心距可按下式确定。2．凸模与凹模配作法落料的工作零件相对来说比较复杂，形状不规则，所以其刃口尺寸应按配合加工的方法计算。各工作零件刃口尺寸计算如下：第一套模具：图3.1成型部分由图3.1所示，根据材料及材料厚度查刘建超所编《冲压模具设计与制造》中的表得：双面间隙落料：所以落料公差不满足，可调整为：由于零件外形比较复杂，所以采用凸凹模A类配套加工，用线切割。取x=0.5IT=14凸模按凹模尺寸配作。冲孔：因为 ，所以冲孔公差满足。取x=0.75IT=14第二套模具：图3.2成型部分由图3.2所示，根据材料及材料厚度查刘建超所编《冲压模具设计与制造》中的表得：双面间隙:，所以冲孔公差满足要求取x=0.5IT=14冲孔1：冲孔2：=第三套模具：图3.3成型部分由图3.3所示，拉伸模的单边间隙为：设计以凸模为基准，模具公差按IT=14，，，凸凹模的制造公差经查表所得4各主要零件结构设计4.1各主要零件尺寸4.1.1每套模具凹模的厚度第一套模具：根据冲件尺寸及材料厚度，查得凹模厚度系数，而根据制件可知凹模刃口的最大尺寸，所以凹模厚度为：故选取凹模厚度为45mm。取C=62mm，直径X，则凹模厚度为凹模图图4.1凹模第二套模具：K=0.50，b=42mm，则凹模厚度为：H=kb=21mm凹模图形如图4.2所示。图4.2凹模第三套模具：H=kb=33.88mm，则取凹模厚度为60mm。凹模图形如图4.3所示。图4.3凹模4.1.2卸料板根据厚度即卸料板宽度，可查得弹性卸料板厚度为16~20，再结合《冷冲模国家标准》，取。第一、二套模具选的卸料板都是16mm。4.1.3卸料橡皮的设计第一套模具：由查表可得：查《冲压模具设计与制造》，图2.9.35特性曲线及表2.9.12，单位压力，取圆筒形橡胶的内径d=176，则橡胶的外径为：故橡胶外径315满足要求。4.1.4垫板厚度应根据模座承压的大小进行判断，冲裁凸模是否加垫板，凸模承压端面对模座的单位压力（）为式中，——冲裁力；——凸模支撑端面积。查《冷冲模国家标准》，取垫板厚度为15。垫板厚度根据模板长度315，故三套模具全采用垫板。4.1.5凸模固定板第一套模具：H=0.6=24mm，结合《冷冲模国家标准》，取H=24mm，冲孔凸模固定板，取。第二套模具：H=0.6=12.6mm，结合《冷冲模国家标准》，取H=16mm。第三套模具：查资料所得，H=0.640=24mm，结合《冷冲模国家标准》，取H=24mm。4.1.6凸模长度第一套模具：其总长L=15+10+40=65mm。第二套模具：圆形凸模总长为：L=16+16+12=44mm非圆形凸模总长为L=16+16+9=41mm。第三套模具：总长L=40+16+1.5=57.5mm。第三章自行车链轮的数控编程5自行车链轮的平面图绘制打开mastercam软件，任意取一点为圆心，画两个直径分别为175mm和165mm的圆,如图5.1：图5.1图5.2再进行如图5.2的操作过程：得到如下图形，如图5.3：图5.3最后填色得到自行车链轮的平面图,图5.4：图5.46自行车链轮及其模具的三维模型设计6.1绘制自行车链轮的三维实体模型打开已经绘制好的梳子平面图，在实体管理器中，通过“实体”选取挤出的串联图案然后勾选“挤出”,设置挤出参数，选择“切割实体”并选择“按指定的距离延伸”并设置参数为“2.0”勾选完成。接下来就是挤出切割，打开参数设置，勾选“更改方向”，勾选完成，最后“重建所有实体”（见图6.1.1）。最后得到了如图6.1.2的自行车链轮的立体图。图6.1.1图6.1.2自行车链轮的立体图6.2绘制自行车链轮模具的三维模型打开mastercam软件，选取已完成的自行车链轮三维模型图。首先建立矩形模具长方体，尺寸跟模架大小一样，为200mmX200mmX10mm，如图6.2.1。经过加工得到自行车链轮模具三维模型，如图6.2.2所示。图6.2.1模架三维实体模型图6.2.2自行车链轮模具的三维实体模型7自行车链轮的数控编程设计7.1设置毛坯确定毛坯选择铣床操作，然后再机床群组属性里选择材料设置来设置毛坯大小，因为本设计采用的是一模两腔设计，所以毛坯参数为单个毛坯的两倍，即长200mm宽200mm高10mm的毛坯。毛坯原点设为（0,0）。毛坯参数如图7.1.1：图7.1.1毛坯参数设置7.22D挖槽加工点击mastercam软件，点击“刀具路径”选择“2D挖槽”并选取毛坯为对象，依次对刀具，夹头，切削参数，共同参数以及控制轴的参数设置。图7.2.12D挖槽加工参数设置刀具设置参数如图7.2.2图7.2.2刀具参数设置选择XY轴分层铣削，粗加工18次，间距为3.0，如图7.2.3图7.2.3打开“切削参数”设置，点击“粗加工”，选择“等距环切”，如图7.2.4图加工结果对以上操作过程进行验证，点击主功能表中的刀具操作管理，系统将自动打开操作管理界面，点击“刀具路径-挖槽-2D挖槽”然后选择要加工的平面。在“刀具库”中找到直径为1mm的平底刀，然后按照串联顺序确定铣刀走刀路径。然后点击开始模拟刀具铣出自行车链轮的过程，将观察视角切换到等视角图，如图7.3.1所示：图7.3.1最后得到自行车链轮的效果图，如图7.3.2：图7.3.2加工后的自行车链轮效果图7.4数控编程程序及其后处理程序在mastercam软件中点击操作栏的“G1”键，然后就会得到相关的程序（图7.4.1），将得到的程序保存并以TXT文本打开对其进行深入分析，并编辑保存，在设计中的刀具路径以及部分程序图（图7.4.2）图7.4.1后处理程序图7.4.2部分程序图8自行车链轮的数控仿真加工8.1斯沃数控仿真软件简介斯沃数控仿真软件（图8.1.1）是一种专业教学软件，它带有十六种数控系统（内含三十七种小系统，九十五种数控操作面板），他包括了目前国内外数控生产厂家的常用的操作系统，可以使学生在学校就可以学到丰富的数控机床操作知识，它可直接接收MASTERCAM、PRO-E、UG等CAD/CAM软件生成的控制程序。图8.1.1斯沃数控仿真软件界面8.2自行车链轮的数控仿真加工打开斯沃数控仿真软件，松开急停按钮，首先进行XYZ回原点操作，然后点击工件操作，选择“工艺装夹”，设置为工艺板装夹。如图8.2.1所示：图8.2.1然后点击机床操作，选择刀具管理，修改刀具，设置直径为12，点击确定。如图8.2.2图8.2.2点击工件操作，选择毛坯设置，输入各参数。如图8.2.3图8.2.3毛坯设置毛坯设置好后进入编辑界面，输入程序名写入，最后导入生成的NC文件。如图8.2.4图8.2.4最后把软件打到自动，点击循环启动，开始仿真验证。图8.2.5为自行车链轮的仿真加工效果实体。图8.2.5自行车链轮的仿真加工效果实体结论本次毕业设计我的课题基本可以分为三个部分：自行车链轮的冲压模具设计、自行车链轮的数控编程、自行车链轮的仿真加工。通过此次自行车链轮的设计，在老师的指导下，经过收集大量的资料去研究单工序模具的概念、特点、工作及设计过程，参考了大量的关于冲压模设计、及冲压工艺方面的书籍和技术资料，掌握了不少冲压方面的知识。使原来对模具仅有一点概念的我对冲压模具有了一定的了解，并运用所查所学的理论知识，解决了自行车链轮单工序模具设计这一问题。数控编程与仿真加工这一部分对我而言，可以说是一个挑战。基于个人基础，若是没有老师和同学的帮助，我想我可能是完不成这一部分的任务的。由于疫情的原因，本次毕业设计只能在家里完成，与老师同学们的联系方式也仅限于线上交流，老师通过视频、电话的方式来对我进行指导交流，给予了我很大的帮助。还好，通过自己的努力以及老师同学们的帮助，最后还是完成了对链轮的三维造型设计，并对其进行数控编程与仿真加工。此设计已经基本上完成了任务书中规定的工作内容、研究目标、技术指标及参数等要求，但还是有不足之处。我也会正视这次毕业设计所出现的问题，并进行反思。这次毕业设计夯实了我的基础，巩固了所学的知识，并且把理论与实际相结合，也锻炼了自己的综合能力。遇到难题要及时跟老师沟通，不要想着逃避，松懈自己，静下心来，尽自己的努力去克服这个难题，终会有所获。致谢时间过得很快，本次的毕业设计也接近了尾声，在此期间，无论是老师同学，还是家人朋友都给予了我很大的帮助和支持。这些帮助与支持给了我很大的动力，如果缺少了你们的帮助与支持，想必现在又是一个场景了吧！首先，我要感谢我的毕业导师石老师。在本次毕业设计期间，石老师对我真的是尽心尽责，平易近人的品德作风，时不时地关注我毕业设计的进度，询问我在本次毕业设计中有没有遇到困难，有困难就与他及时沟通，好帮我解决这些困难。石老师在本次毕业设计中给予了很大的帮助，指导我如何用科学、合理的方法去进行改进，少走弯路。要是没有您的帮助我估计很难完成这次的毕业设计了，在这里衷心的对您表示真诚的感谢以及崇高的敬意！然后还要感谢我的导员和同学，疫情期间，导员时不时的来电询问我的情况，生活上怎么样啊，学习上又是如何，工作找到了嘛，对我无微不至的关怀让我备受感动。同样，我的同学对也帮我解答了这次的毕业设计遇到的疑难和困惑，在此也对你们表示感谢，谢谢你们给我的帮助。最后，要感谢我的家人，感谢他们这段时间以来对我毕业设计工作的支持与照顾，给了我一