机械专业毕业设计茶杯模具造型与数控加工.docx

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机械专业毕业设计茶杯模具造型与数控加工

毕业设计（论文）

设计题目茶杯模具造型与数控加工

系别机械工程部

专业机械制造与自动化

2012年6月

前言

本毕业设计较系统的介绍了数控技术的各方面知识，既总结了现代的加工技术现状，又介绍数控技术未来的发展前景及目标。

现代生产中，模具已成为大量生产各种工业产品和日用生活的重要工艺设备。

应用模具的目的在于保证产品的质量，提高生产效率和降低制造成本。

因此不但要有合理、正确的模具设计技术，还必须有高效、高质量的模具制造技术作为保证。

Mastercam集CAD与CAM于一体，使用方便，容易掌握，被广泛用于机械制造业和模具行业中的零件二维绘图三维制定、数控自动编程与加工。

用户还可以将AUTOCAD、Pro/E参数化设计，能够用最短的时间实现产品的设计与制造，灵活性比较高、更新快。

本设计以Inventor和Mastercam软件为基础，采用Inventor绘图以及进行实体造型，和模具合模。

然后在Mastercam中，进行自动加工，生成程序，实现CAD/CAM一体化。

设计加入了高数切削技术，高数切削加工是面向21世纪的一项新技术，它是一种不同于传统加工的加工方式。

与之相比，高数切削加工主轴转速高、切削进给速度高、切削量小，但单位时间内的材料切除量却增加5~10倍，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了愈来愈广泛的应用，并以取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。

因此采用高速切削工艺，缩短工艺路线，提高了加工生产效率。

随着科学技术的发展，对产品精度提出了越来越高的要求。

一些传统的加工方法已经不能适应高精度和高表面质量的要求，促使机械加工技术向精密加工和超精密加工的方向发展。

新的刀具材料的开发与应用使得高速切削、强力切削成为可能，从而大大提高了切削加工效率。

前言

绪论

1.1课题来源、目的及意义…………………………………………………………………4

1.2课题背景及国内外研究现状……………………………………………………………5

1.3课题研究的主要内容……………………………………………………………………5

第一章数控加工技术

1.1数控技术发展前景………………………………………………………………………6

1.2数控加工的适应性………………………………………………………………………6

1.3数控加工的特点…………………………………………………………………………7

1.4数控工艺制定的主要内容………………………………………………………………7

第二章CAD/CAM技术在模具中的运用

2.1CAD/CAM的概念…………………………………………………………………………9

2.2常用软件的介绍…………………………………………………………………………9

2.3Mastercam加工应用的介绍……………………………………………………………10

第三章高速加工技术与刀具材料

3.1高速切削技术概述………………………………………………………………………11

3.2高速切削技术应用………………………………………………………………………11

第四章茶杯模具设计与加工

4.1茶杯模具设计流程………………………………………………………………………12

4.2茶杯加工工艺分析………………………………………………………………………16

4.3茶杯加工工艺制定………………………………………………………………………23

4.4自动编程与仿真模拟操作………………………………………………………………26

4.5加工程序…………………………………………………………………………………32

第五章设计总结

总结……………………………………………………………………………………………38

致谢……………………………………………………………………………………………39

参考文献………………………………………………………………………………………40

绪论

1.1课题来源、目的及意义

模具是工业产品中应用广泛的工艺装备。

由于采用模具进行生产能提高生产效率、节约原材料、降低成本，在一定的尺寸精度范围内保证产品零件的同一性和互换性。

所以，汽车、飞机、拖拉机、电器、仪表、玩具和日常用品等产品的零部件很多都采用模具进行加工。

据统计，利用模具制造的零件，在汽车、飞机、拖拉机、电器、仪表等机械电子产品中占60%~70%；在电视机、录音机、计算机等电子产品中占80%以上；在自行车、手表、洗衣机、电冰箱、电风扇等轻工产品中占85%以上。

随着科学技术的发展，工业产品品种和数量不断增加，产品的改型换代加快，对产品质量、外观不断提出新的要求，对模具质量的要求也越来越高。

模具设计、制造工业部门肩负着为国名经济相关部门和企业提供模具的重任。

显然，模具设计及制造水平落后，生产的模具质量低劣，制造周期长，必然影响相关产品的更新换代，是产品失去竞争力并阻碍生产和经济的发展。

可见，模具设计及制造技术在国民经济中的地位是十分重要的。

先进制造技术的出现正急剧改变着制造业的产品机构和生产过程，对模具行业也是如此。

质量成本和时间已成为现代工程设计和产品开放的核心因素，现代企业大都以提高质量、低价格、短周期为宗旨来参与市场竞争。

模具行业必须在技术、制造工业和生产模式等方面加以调整以适应着这种要求。

模具制造现代化正成为国内外行业发展的一种趋势。

模具是现代工业生产的主要工艺设备之一。

无论是工业制品的生产，还是新产品的开发，都离不开模具。

现代工业的发展和技术水平的提高，很大程度上取决于模具工业的发展水平。

许多新技术和新设备的生产与应用往往源于模具工业。

从某种意义上说，模具制造技术代表了一个国家的工业制造的发展水平。

模具型腔一般是形状复杂的自由区曲面，材料硬度高。

常规的加工方法是粗切削加工后进行热处理，然后进行磨削或电火花精加工，最后手工打磨、抛光，这样使得加工周期很长。

高速切削加工可以达到模具加工的精度要求，减少甚至取消了手工加工，而且采用新型的道具材料，高速切削可以加工硬度达到60HRC甚至硬度更高的工件材料，可以加工淬火后的模具。

高速铣削加工技术引进模具加工将会提高模具的生产效率和生产成本，提高模具质量。

由于模具的质量。

由于高速切削技术具有很高的加工效率，可以使由模具型腔的三维实体模型到满足设计要求的模具快速转化，真正的实现快速制模。

1.2课题背景及国内外研究现状

世界上一些工业发达的国家，模具工业发展十分迅速。

据有关资料介绍，有些国家模具的总产值，已超过机床工业的总产值，其发展速度超过了机床、汽车、电子等工业。

莫结局工业已发展为独立的行业，是国民经济的基础之一。

模具技术，特别是制造精度、复杂、大型、长寿命模具的技术，已成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志之一。

模具工业潜力巨大，发展前景广阔。

我国模具工业发展较快，全国已有模具厂及生产单位数千个，拥有职工数十万人，每年能生产上百万套模具。

多工位级进模具、长寿命硬质合金模具的生产和应用进一步扩大。

为了适应工业生产对模具的需求，在模具生产中采用了许多新工艺和先进设备，不仅改善了模具的加工质量，也提高了模具制造的机械化、自动化程度。

数控铣床、加工中心等设备已在模具生产中被采用。

电火花和线切割加工已成为冷冲模制造的主要手段。

为了对硬质合金进行精密成形磨削，研制成功了单层电镀金刚石成形磨削和电火花成形磨削专业机床，使用效果良好。

电火花加工、电解加工、陶瓷型机密制造、挤压成型技术以及利用照相腐蚀技术加工皮革纹等加工技术已在型腔加工中被采用。

为了满足新产品试制、小批量生产的需要，我国模具行业制造了多种结构简单、生产周期短、成本低廉的简易冲模，在我国模具的计算机辅助设计及制造（CAD/CAM）也已经进入了使用阶段。

尽管我国模具工业发展较快，制造技术水平也在逐步提高，但与工业发达国家相比，还存在较大的差距，主要表现在模具品种少、精度差、寿命短、制造周期长，造成了模具供应不求的状况。

许多精密、大型、复杂模具不得不从国外高价引进。

为了尽快改变这种状况，国家已从许多方面采取措施，促进模具工业的发展，使之尽快掌握精密、复杂、大型、长寿命模具的生产，使模具生产基本适应各行业产品发展对模具的需求。

模具制造技术是一门综合性很强的课程，金属材料及热处理、数控技术、机械制造工艺及设备、公差配合与测量技术等方面的相关知识。

1.3课题研究的主要内容

1.模具技术

2.CAD/CAM技术

3.高速切削加工

4.加工工艺的制定

5.数控加工技术

第一章数控加工技术

1.1数控技术的发展前景

1.1.1数控加工技术及装备的趋势

效率、质量是先进制造技术的主体。

高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。

为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会将其确定为21世纪的中心研究方向之一。

在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3~5μm，提高到1~1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。

在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。

1.1.2智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势

21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：

为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。

网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。

数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。

国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。

1.2数控加工的适应性

数控机床是一种高自动化的机床，有一般机床所具备的许多优点，所以数控机床加工技术的应用范围在不断的扩大，但数控机床是高精度机电一体化产品，技术含量高，成本高，因此对使用与维修都有较高的要求。

根据数控加工的优缺点及国内外大量应用实践，其最适应数控加工零件：

形状复杂，加工精度要求高，通用机床很难加工或虽能加工但很难保证加工质量的零件。

用数学模型描述的复杂的曲线或曲面零件。

具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒形零件，必须在一次装夹中完成铣、镗、锪、铰或攻螺纹等多工序的零件。

1.3数控加工的特点

控制机床实现自动运转。

数控加工经历了半个世纪的发展已成为应用于当代各个制造领域的先进制造技术。

数控加工的最大特征有两点：

一是可以极大地提高精度，包括加工质量精度及加工时间误差精度；二是加工质量的重复性，可以稳定加工质量，保持加工零件质量的一致。

也就是说加工零件的质量及加工时间是由数控程序决定而不是由机床操作人员决定的。

数控加工具有如下优点：

1.提高生产效率。

2.不需熟练的机床操作人员。

3.提高加工精度并且保持加工质量。

4.可以减少工装卡具。

5.可以减少各工序间的周转，原来需要用多道工序完成的工件，用数控加工可以一次装卡完成，缩短加工周期，提高生产效率。

6.容易进行加工过程管理。

7.可以减少检查工作量。

8.可以降低废、次品率。

9.便于制订变更，加工设定柔性。

10.容易实现操作过程的自动化，一个人可以操作多台机床；操作容易，极大减轻体力劳动强度。

随着制造设备的数控化率不断提高，数控加工技术在我国得到日益广泛的使用，在模具行业，掌握数控技术与否及加工过程中的数控化率的高低已成为企业是否具有竞争力的象征。

数控加工技术应用的关键在于计算机辅助制订和制造（CAD/CAM）系统的质量。

如何进行数控加工程序的编制是影响数控加工效率及质量的关键，传统的手工编程方法复杂、烦琐，易于出错，难于检查，难以充分发挥数控机床的功能。

在模具加工中，经常遇到形状复杂的零件，其形状用自由曲面来描述，采用手式编程方法基本上无法编制数控加工程序。

近年来，由于计算机技术的迅速发展，计算机的图形处理功能有了很大增强，基于CAD/CAM技术进行图形交互的自动编程方法日趋成熟，这种方法速度快、精度高、直观、使用简便和便于检查。

CAD/CAM技术在工业发达国家已得到广泛使用。

近年来在国内的应用也越来越普及，成为实现制造业技术进步的一种必然趋势。

1.4数控工艺制定的主要内容

1.4.1数控加工工艺设计准备

1、选择并决定进行数控加工内容

2、零件图的数控加工工艺性分析

3、零件毛坯的工艺性分析

1.4.2机床的选择

不同类型的零件应在不同的数控基础上加工，要根据零件的设计要求选择机床。

数控车床适用于加工形状比较复杂的轴类零件和由复杂曲线回转形成的模具内腔。

数控立式镗铣床和立式加工中心适用于加工箱体、箱盖、平面凸轮、样板、形状复杂平面或立体零件以及模具的内外型腔。

1.4.3加工工序和顺序的安排

零件各表面加工前后顺序的安排，对保证加工质量，提高生产率，降低生产成本有重要作用。

工艺人员必须切削加工、热处理和辅助工序综合考虑。

1.4.4工件装夹方式的确定

1、定位基准与夹紧方案的确定

2、夹具的选择

1.4.5加工方法的选择与加工方案的确定

1、加工方法的选择

2、确定加工方案的原则

3、加工余量的选择

1.4.6加工刀具的选择

数控机床，特别是加工中心，其主轴转速较普通机床的主轴转速高12倍，某些特殊用途的数控机床、加工中心主轴转速高达每分钟数万转，因此数控机床用刀具的强度与寿命至关重要。

目前，涂层刀具与立方氮化硼等刀具已广泛用于加工中心，陶瓷刀具与金刚石刀具也开始在加工中心上运用。

一般来说，数控机床刀具具有较高的寿命和刚度，刀具材料抗脆性好，有良好的断屑性能和可调易更换等特点。

1.4.7切削用量的确定

切削用量包括切削速度、背吃刀量、进给量三要素。

选择切削用量原则是，粗加工时，以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。

第二章CAD/CAM技术在模具中的应用

2.1CAD/CAM的概念

2.1.1计算机辅助设计（CAD）

计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD），是以计算机为主要手段来辅助设计者完成某项设计工作的建立、修改、分析和优化、信息输出等全部任务的综合性高新技术。

作为现代先进设计与制造技术的基础，CAD是多学科相交叉、知识密集型的高新技术。

它使产品设计的传统模式发生了深刻变革，不仅改变了工程界的设计思想及思维方式，而且影响到企业的管理和商业对策，是现代企业必不可少的设计手段。

计算机辅助设计的主要研究内容包括造型技术、优化设计、综合评价和信息交换等方面。

（1）造型技术计算机辅助设计是以各种数字化的图形来表达设计方案，因此图形处理和表达是计算机辅助设计技术研究的基础与关键。

人们在解决了二维图形问题之后，主要目光集中在三维的图形技术方面，曲面造型、实体造型、特征化造型、参数化设计等都是研究的重点。

（2）优化分析在工程设计中往往要进行某些分析，包括力学、传热学、流体力学等。

如今，提供优化分析功能的各种专用软件和商品化的通用软件已被广泛地集成到计算机辅助设计系统中去。

它允许使用者在设计的同时就能够进行数据的分析，为设计带来了方便。

从而提高了设计的质量和效率。

2.1.2计算机辅助制造（CAM）

CAM技术是通过计算机的几何造型，然后用计算机上的软件进行工艺参数的调整和设置进行的工艺安排，自动的合理安排工艺路线和刀路参数进行的自动编程和加工的，CAM技术能够完成零件的仿真检测、加工模拟等自动计算功能。

2.2常用软件的介绍

随着计算机技术的飞速发展和设计制造领域对计算机新技术的迫切需求，各种各样的CAD/CAM软件应运而生。

CAD/CAM技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作站和微机时代，每个时代都有当时流行的CAD/CAM软件。

目前，机械工程领域使用的CAD/CAM软件呈现出“百花齐放、百家争鸣”的局面。

只有那些及时采用了最新技术、商品化程度高、操作简便且功能丰富、齐备的CAD系统，才表现出更为强劲的生命力。

国外CAD/CAM软件较国内同类软件出现得较早，开发和应用的时间也较长，所以比较成熟。

目前，国外一些优秀软件如UG、Pro/E、MasterCAM等，已经占领了相当一部分国内市场。

2.3MasterCAM加工应用介绍

Mastercam是美国CNCSoftwareInc.公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件。

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到功能于一身。

它具有方便直观的几何造型Mastercam提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。

具有易学易用、计算速度快、仿真功能强、操作方便等优点。

该设计是采用Mastercam9.0进行加工的。

本设计将详细说明在茶杯模具数控加工的具体的工艺流程、操作步骤、参数的设置、刀具的选择、走刀路线、仿真模拟、后处理、程序的生成、程序的修改等内容。

第三章高速加工技术与刀具材料

3.1高速切削技术概述

高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。

在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决。

其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工，以级数级提高，切削机理也发生了根本的变化。

与传统切削加工相比，高速切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削振动几乎消失。

已成为切削加工的重要发展方向，在航空航天、汽车、模具等行业得到越来越广泛的应用，并逐渐向其它行业扩展。

推广应用高速切削加工技术，可以提高制造业的综合效益和竞争力。

研究和建立高速切削参数数据库，为生产企业提供迫切需要的高速切削加工数据，对推广高速切削加工技术具有非常重要的意义。

其优势为：

提高了加工速度、生产效率高、可获得高质量的加工表面、简化加工工序、也可加工形状复杂的硬质汽车模具。

3.2高速切削技术应用及刀具材料

采用高速加工技术加工模具，除加工产品质量高以外，还能够显著减少乃至取消效率低下的磨削以及人工后加工工时，整体上缩短模具的加工制造周期。

高速、高精加工技术及装备的新趋势。

效率、质量是先进制造技术的主体。

高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。

为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一。

高速铣削技术的应用给工业带来了希望，主要应用在军工、航空航天、汽车、太空技术、模具制造、精密仪器、精密机床等许多的高科技领域表现突出。

通过高速切削加工技术，可以解决在汽车模具常规切削加工中备受困扰的一系列问题。

近几年来，在美国、德国、日本等工业发达国家高速切削加工技术在大部分的模具公司都得到了广泛应用，85%左右的模具电火花成形加工工序已被高速加工所替代。

高速加工技术集高效、优质、低耗于一身，已成为国际模具制造工艺中的主流。

高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲和力要小，并具有优异的化学性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨损。

目前国内外适用于高速切削的刀具材料主要有：

陶瓷刀具、金刚石刀具、立方氮化硼刀具和涂层刀具等。

第四章茶杯模具设计与加工

4.1茶杯模具设计流程

绘制茶杯型芯

绘制茶杯立体图

绘制茶杯左模

绘制茶杯右模

合模

1

2

3

4

4.2茶杯加工工艺分析

4.2.1零件图的分析

（1）数控铣削加工的主要内容的选择：

在上图的零件的图样所示该零件的轮廓曲线、圆弧及直线构成，形状复杂的，加工、检验都较困难，除了毛坯平面宜在普通机床上进行外，其余各加工部位需采用数控机床铣削加工。

（2）零件结构工艺性分析：

零件尺寸的标注基准较统一，且无封闭尺寸；构成该零件轮廓形状的各几何元素条件，无相互矛盾之处，有利于数控加工。

该零件是注塑模具。

该零件要求IT6，表面粗糙度均为Ra0.8，要求有较高的精度，所以采用数控高速机进行高速铣削，能够达到较高的尺寸精度和表面粗糙度，粗加工才用气冷，精加工采用油冷，这样可以保证较好的表面粗糙度。

根据上述零件分析方案，主要解决的问题，采用以下方法：

①安排粗、半精、精加工及清根加工。

②先加工型芯，后加工左、右型腔这样有适合工艺安排。

③精加工采用小直径的铣刀加工来进行加工。

④型芯采用高速车削进行加工来进行加工，可以保证较好的粗糙度。

（3）确定装夹方案

在数控铣削加工工序中，可以根据零件的形状采用通用夹具、专用夹具和组合夹具来进行装夹。

该零件使用通用夹具：

机用虎钳进行装夹，这样即减少了制作专用夹具、组合夹具的时间和成本，同时机用虎钳也可以保证装夹定位精度和夹紧力。

4.2.2毛坯与材料的选择

毛坯的选择包括选择毛坯的种类和确定毛坯的制造方法两个方面。

常用的毛坯种类有铸件、锻件、型材、焊接件等。

毛坯的制造方法很多，概括来说，毛坯的制造方法越先进，毛坯的精度越高，其形状和尺寸越接近于成品零件，就会使机械加工的劳动量大为减少，材料的消耗也低，使机械加工成本也相应降低；但毛坯的制造费用却因采用了先进的设备而提高。

因此，在选择毛坯时应当综合考虑各方面的因素，以求获得最佳得到效果。

一、毛坯种类的选择

确定毛坯时主要考虑的因素：

1）零件的材料及其力学性能

2）零件的结构形状及外形尺寸

3）生产纲领的大小

4）毛坯车间现有的生产发展情况

45钢是GB中的叫法，JIS中称为:

S45C，ASTM中称为1045、080M46，DIN称为:

C45，45号钢为优质碳素结构用钢，硬度不高易切削加工，模具中常用来做模板、梢子、导柱等，但须热处理。

45钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。

但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，45号钢可以淬硬至HRC42~46。

所以如果需要表面硬度，又希望发挥45钢优越的机械性能，常将45钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。

45钢淬火后没有回火之前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格。

实际应用的最高硬度为HRC55（高频淬火HRC58），45钢不要采用渗碳淬火的热处理工艺。

调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。

但表面硬度较低，不耐磨。

可用调质＋表面淬火提高零件表面硬度。

渗碳处理一般用于表面耐磨、芯部耐冲击的重载零件，其耐磨性比调质＋表面淬火高。

其表面含碳量0.8—1.2％，芯部一般在0.1—0.25％（特殊情况下采用0.35％）。

经热处理后，表面可以获得很高的硬度（HRC58—62），芯部硬度低，耐冲击。

如果用45钢渗碳，淬火后芯部会出现硬脆的马氏体，失去渗碳处理的优点