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饮料瓶中空吹塑模具设计和关键零件制造docdocP

作者:admin 时间:2019-07-15 16:36   

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  大 连 民 族 学 院 本 科 毕 业 设 计(论 文) 饮料瓶中空吹塑模具设计与关键零件制造 Mould design and key parts manufacturing of Pop bottles for blow molding 学 院(系): 机电信息工程学院 专 业: 机械设计及其自动化 学 生 姓 名: 李 满 生 学 号: 2007022508 指 导 教 师: 胡 红 英 评 阅 教 师: 完 成 日 期: 大连民族学院 摘 要 现代模具业,具有“不衰亡工业之称”。模具是以特定的结构形式通过一定的方式,使材料称为制品的工业产品。模具工业已经成为现代制造业的基础工业,现代的产品生产制造有80%以上靠模具来完成;模具的设计和制造水平直接关系到整个制造业的水平和后续发展。 本设计主要应用Pro/Engineer软件的制造模块进行中空吹塑饮料瓶模具进行结构设计,再应用UG NX软件对模具型腔零件进行数控加工自动编程和加工仿真。主要采用的步骤为:首先应用Pro/Engineer进行饮料瓶零件建模,接着对饮料瓶进行模具设计和模具结构设计,再将设计出的模具生成工程图文件,最后应用UG NX的UG/CAM模块对型腔零件进行数控加工工艺规划化和自动编程并进行加工仿真,生成数控机床代码。此设计简单实用,程序清晰易懂 。 关键词:模具业;模具设计; 模具制造; Pro/Engineer ; UG NX Mould design and key parts manufacturing of Pop bottles for blow molding Abstract Modern mold industry, which has a name of no decay industrial. Mould structure form industrial products. through a special certain ways of making material which is called products .The mold industry has become the foundation of modern manufacture industry. More than 80 percent of modern products are manufactured by mold. The design and manufacture level of mold industry have a vital influence on the whole manufacture industry and its development. My design mainly uses the manufacture mold of Pro/Engineer to complete the construction design of center spatial blow molding and makes use of the UGNX to complete the automotive program of numeral control processing and simulation processing. The design process is: First I use the Pro/Engineer to complete the molding of beverage bottle. Then I do the molding design and molding construction design of beverage bottle and turn the mold into engineering plat document. At last, I use the module of UGNX to carry on the craft planning and automotive program on cavity components and complete the simulation processing. Through the process of the whole design I can get the code of numeral control machine tool. This design is simple, practical, and program is transparent。 Key words: matrix; mold design ; mold manufacture;Pro/Engineer;UGNX 目 录 TOC \o 1-3 \h \u HYPERLINK \l _Toc239 摘 要 PAGEREF _Toc239 I HYPERLINK \l _Toc30847 Abstract PAGEREF _Toc30847 II HYPERLINK \l _Toc14791 目 录 PAGEREF _Toc14791 III HYPERLINK \l _Toc4022 1 绪 论 PAGEREF _Toc4022 1 HYPERLINK \l _Toc19333 1.1 设计背景与意义 PAGEREF _Toc19333 1 HYPERLINK \l _Toc32367 1.1.1 塑料类制品的应用 PAGEREF _Toc32367 1 HYPERLINK \l _Toc5407 1.1.2中空类塑料制品的应用 PAGEREF _Toc5407 1 HYPERLINK \l _Toc23413 1.1.3模具设计 PAGEREF _Toc23413 1 HYPERLINK \l _Toc24372 1.2 本文的设计任务 PAGEREF _Toc24372 2 HYPERLINK \l _Toc11746 2 中空吹塑饮料瓶模具设计 PAGEREF _Toc11746 3 HYPERLINK \l _Toc22920 2.1 软件简介 PAGEREF _Toc22920 3 HYPERLINK \l _Toc24373 2.1.1 Pro/E软件简介 PAGEREF _Toc24373 3 HYPERLINK \l _Toc1345 2.1.2 Pro/E软件在模具设计中的应用 PAGEREF _Toc1345 3 HYPERLINK \l _Toc15129 2.2 模具设计与制造的一般流程 PAGEREF _Toc15129 4 HYPERLINK \l _Toc31246 2.3 中空吹塑模工艺 PAGEREF _Toc31246 4 HYPERLINK \l _Toc21093 2.4 模具材料的选择 PAGEREF _Toc21093 5 HYPERLINK \l _Toc9645 2.5 用Pro/ENGINEER软件进行模具设计 PAGEREF _Toc9645 5 HYPERLINK \l _Toc798 2.5.1 分模流程简介 PAGEREF _Toc798 5 HYPERLINK \l _Toc24674 2.5.2 瓶样的CAD设计 PAGEREF _Toc24674 5 HYPERLINK \l _Toc13695 2.5.3 饮料瓶模具设计 PAGEREF _Toc13695 8 HYPERLINK \l _Toc7768 2.5.4 模具结构设计 PAGEREF _Toc7768 11 HYPERLINK \l _Toc1313 2.6 模具的工程图文件 PAGEREF _Toc1313 13 HYPERLINK \l _Toc6459 2.6.1 Pro/E的工程图功能简介 PAGEREF _Toc6459 13 HYPERLINK \l _Toc1398 2.6.2 利用Pro/E生成的工程图和BOM表 PAGEREF _Toc1398 14 HYPERLINK \l _Toc348 3 型腔零件数控加工 PAGEREF _Toc348 15 HYPERLINK \l _Toc23897 3.1 软件介绍 PAGEREF _Toc23897 15 HYPERLINK \l _Toc26116 3.1.1 UG NX软件简介 PAGEREF _Toc26116 15 HYPERLINK \l _Toc4878 3.1.2UG NX加工模块简介 PAGEREF _Toc4878 15 HYPERLINK \l _Toc8198 3.2 数控加工基本知识 PAGEREF _Toc8198 16 HYPERLINK \l _Toc16714 3.2.1刀具的选择 PAGEREF _Toc16714 16 HYPERLINK \l _Toc14248 3.2.2 走刀方式和切削方式 PAGEREF _Toc14248 17 HYPERLINK \l _Toc28161 3.2.3切削参数的控制 PAGEREF _Toc28161 18 HYPERLINK \l _Toc18121 3.3 型腔零件数控加工自动编程与仿真 PAGEREF _Toc18121 19 HYPERLINK \l _Toc12393 3.3.1零件数控加工的流程 PAGEREF _Toc12393 19 HYPERLINK \l _Toc8531 3.3.2模具型腔零件分析 PAGEREF _Toc8531 20 HYPERLINK \l _Toc26657 3.3.3零件数控加工工艺规划 PAGEREF _Toc26657 20 HYPERLINK \l _Toc7747 3.3.4型腔零件的数控加工自动编程 PAGEREF _Toc7747 22 HYPERLINK \l _Toc5803 3.3.5加工文件的后处理,CNC程序的生成 PAGEREF _Toc5803 27 HYPERLINK \l _Toc28094 总 结 PAGEREF _Toc28094 29 HYPERLINK \l _Toc3348 参考文献 PAGEREF _Toc3348 30 HYPERLINK \l _Toc30463 附 录 PAGEREF _Toc30463 31 HYPERLINK \l _Toc13715 致 谢 41 1 绪 论 1.1 设计背景与意义 1.1.1塑料类制品的应用 众所周知,塑料是当今世界各国国民经济各个部门及人们生活领域中广泛使用的一种新型结构材料。据调查, 近几年来,塑料制品在我国的应用情况大致如下所示:有10%的建筑材料工业;包装工业占的比例为25%;电器、电子信息工业占的比例高达10%;占2%的是汽车及其他交通工业;有15%d的是农业;轻工业(含日用品、服装、鞋、玩具、游戏机、体育用品等)所占的比重高达27%;机械工业(含医疗器械)2%,其他的还有9%的比重。估计在今后几年,塑料制品在建筑材料工业、包装工业、特别是汽车工业、电器、电子、通信工业、农业中的农膜节能、节水、排灌、滴灌、微灌设备中使用的比重将会有很大的提高。 1.1.2中空类塑料制品的应用 50年代后期,随着高密度聚乙烯的诞生和吹塑成型机的发展,吹塑技术得到了广泛应用。中空容器的体积可达数千升,有的生产已采用了计算机控制。适用于吹塑的塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酯等,所得到的中空容器广泛用作工业包装容器。越来越多的塑料瓶代替了玻璃瓶,而且形状更美观,款式也非常多,用途也相当广泛,如:洗洁精瓶、药瓶、汽油瓶、蒸馏水瓶等 中空吹塑产品的造型越来越复杂,特别是由各种自由曲线、曲面组成的流线形外形,如果采用手绘或二维软件进行产品设计或模具设计,是没办法设计出产品和模具结构的。 1.1.3模具设计 (1)模具在工业生产中的应用 随着全球经济一体化进程的不断加快,世界各国对建筑材料、电子通信等诸多领域的塑料制品需求量正在逐年增加,这为模具工业的发展奠定了坚实的基础[1]。据资料显示,全世界模具年产值约为650亿美元,模具工业的发展已超越了近年来快速发展的新兴产业—— 电子工业。 近年来我国模具也发展特别快,目前塑料模具在整个行业中约有达到30%左右的比重,目前,国内模具塑料市场,以注塑模具需求量最大,其中发展重点为工程塑料模具,我国国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越的的要求。,仅汽车行业将需要各种塑料制品约36万吨,电冰箱、洗衣间等的年产量均超过1000万台。彩电的年产量将达到3000万台,这些都将提高模具的需求量。 (2)现代模具设计 现代模具设计一般为将客户拿出的图纸或计算机文件资料送入电脑,使用CAD/CAE进行相应设计并做模拟实验得出所需要的计算机文件,在这个设计过程中系统可进行图纸处理。设计完成的模具零部件可使用电脑系统的实体成型功能把它显示出来以利于观察设计的正确性和可能性,在被优化处理之后还可用系统功能进行强度、模温、塑料流动状态等有关测试。如果发现设计有误可以修改设计。模具CAD/CAE/CAM技术是改造传统模具生产方式的关键技术能明显降低模具设计与制造周期、减少生产成本、提高产品质量,它使技术人员能借助干计算机对产品、模具结构、成形(型)工艺数控加工及成本等进行相应的设计和优化。 1.2 本文的设计任务 基于本设计课题: 中空吹塑模具设计及关键零件制造,本论文主要内容包括以下几点: = 1 \* GB2 [1] 对饮料瓶零件进行分析,设计出饮料瓶的三维模型 ,为模具设计做准备; = 2 \* GB2 [2] 了解中空吹塑模具的结构特点; = 3 \* GB2 [3] 应用Pro/Engineer进行模具设计和模具结构设计; = 4 \* GB2 [4] 了解模具数控加工的流程和方法; = 5 \* GB2 [5] 应用UG NX进行模具型腔零件的数控加工自动编程并生成数控程序和进行加工仿线 中空吹塑饮料瓶模具设计 2.1 软件简介 2.1.1 Pro/E软件简介 Pro/E(Pro/Engineer操作软件,以下简称Pro/E)是美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation,简称PTC)的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位,并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广,是现今最成功的CAD/CAM软件之一[3]。 Pro/E采用了模块方式,可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等,保证用户可以按照自己的需要进行选择使用[4]。 2.1.2 Pro/E软件在模具设计中的应用 Pro/E软件采用面向对象的统一数据库和参数化造型技术,具备概念设计、基础设计和详细设计的功能,为模具的集成制造提供了优良的平台。 Pro/E 模具设计模块与Pro/ENGINEER-Foundation一起,为塑料模、压铸模和冲模设计人员提供了快速创建和修改完整模具零部件的功能[5]。模具设计选项具有易用、自动化功能强大,用于设计和校验冲模、注塑模和压铸模的性能,从而缩短其开发时间,并提高成品质量。它能帮助模具设计人员和制造工程师,创建复杂曲面、精密公差、以及所需的模具嵌件等其它特征,以确保其冲、注塑模和压铸模能够高效地制造出精确的零件。它能让注塑模具设计人员创建、修改和分析模具构件,并在模具设计变化时,快速更新它们。 其注塑模设计功能能让模具设计工程师轻松的完成以下的工作: 根据产品零件图,顺利创建型腔、镶件以及其他零件。 根据要求绘制各种类型草图。 利用草图和厚度检测功能,对零件进行评估。 直接将产品零件图形作为参考,创建模具型腔(动模、定模)的几何图形。 对各向同性和各向异性进行收缩补偿。 接着创建单腔和多腔注塑模具。 创建分模曲面自动创建,使模具被划分成动模部分和定模部份。 将来自D-M-E、Futaba、Hasco、DMS以及National的模具标准件进行装配。 创建模具特殊零件:浇注口、流道、注射口以及顶杆孔等。 用干涉检查来仿真模具开模的顺序。 对填充容积、型腔曲面面积等进行计算。 可交付使用的模具产品图生成之后,其中型腔组件的实体模型与产品模型相关联并且可用于数控加工。 2.2 模具设计与制造的一般流程 在模具设计与制造过程中,从产品设计、模具设计到模具制造一般按照以下的流程来进行[5]: 图2.1 模具设计与制造流程 图2.1 模具设计与制造流程 接受订单 产品模型设计分析 模具结构加工 产品模型设计 模具结构设计 试模 检验合格 模具结构设计分析析 省模、装配 修模 客户跟踪服务 客户认可、交货 2.3 中空吹塑模工艺 中空吹塑塑料制品有挤出吹塑和注塑吹塑两种方法。前者是由挤出机挤管状型坯,而后趁热将型坯夹入吹塑模具中,并通过压缩空气吹胀,使之紧贴模具型腔内壁,保压冷却成形。后者是由注射机将熔融塑料注入模具内形成管坯,开模后管坯留在芯模上,然后趁热合上吹塑模,从芯模原设置通道吹入压缩空气使型坯吹胀,使之紧贴吹塑模具型腔内壁,保压冷却成型。挤出吹塑设备工艺简单之只用一副模具,应用广泛。注塑吹塑模具需要两幅模具,前一副模具类同一般注射模具,只是型芯设有吹气通道,不设有吹气通道,不设顶出机构;后一副模具即吹塑模具类同挤出吹塑模具,只是模口、模底结构更简单,不必切除余料。 2.4 模具材料的选择 因选材和用材不当致使模具过早失效,大约占失效模具的45% 以上。因此,选用优质钢材和应用表面处理技术来提高模具的寿命就显得十分必要。对于模具钢来说,要采用电渣重熔工艺.如采用粉末冶金工艺制造的粉末高速钢等。模具钢品种规格多样化、产品精细化、制品化尽量缩短供货时间亦是重要发展趋势。 吹塑生产过程中吹入的压缩空气,压强只有(1.96—6.86Mpa)所以吹塑模具承受的压力不太大,塑料管坯的温度也不高。为了方便型腔加工,可采用强度稍差的材料如铝,锌合金,铍钢合金、铸铁和钢材制造,对于大批量生产或加工硬质塑料,模具材料可用的工具钢,型腔镀络抛光。 2.5 用Pro/ENGINEER软件进行模具设计 2.5.1 分模流程简介 使用Pro/E进行中空塑料吹塑模具设计的流程如下图2.2所示: 设计制品 设计制品 建立模具装配模型并设置收缩率 型并设置收缩率 分别设计型腔、型 芯的模口、模底 设计分型面 拆模,完成模具成 型零件三维模型 设计模具冷却系 统和导套、导柱 修改制品 图2.2 中空吹塑模具设计流程 2.5.2 瓶样的CAD设计 (1)饮料瓶零件分析 在对制品设计之前,充分了解制品的用途及特性和设计参数及要求,根据用途与特性和设计参数确定制品工艺条件,如表2.1所示。 表2.1饮料品制品工艺表 材料 脱模斜度 尺寸精度 壁厚/mm 圆角/mm 收缩率 pp 1 IT10 0.5 R0.5 0.005 (2)饮料瓶零件设计 应用Pro/E进行产品零件设计的流程如图2.3所示: 否正确 否 正确 正确与否 添加特征和修改特征 创建制品主体特征 是 图2.3 Pro/E设计产品零件流程图 按照以上的流程对饮料瓶零件进行模型的建立,其具体的步骤如表2.2所示: 表2.2 饮料瓶制品基本设计步骤 步骤 设计所应用的功能 说 明 完成结果 1 旋转、实体 通过旋转实体功能创建 模型父特征 2 倒圆角、倒角 通过倒圆角、倒角功能 在模型上选择边进行 倒圆角、倒角特征 3 旋转、剪切 通过旋转剪切功能在父特 征上进行剪切特征 4 偏移、混合 通过偏移、混合曲面 功能创建曲面 续表2.2饮料瓶制品设计基本步骤 5 合并、实体化 通过合并功能将曲面 合并;过实体化功能 将合并曲面实体化并 切除特征 6 阵列、合并、实体化 通过阵列功能创建阵列 特征通过合并实体化功 能将阵列曲面合并;通 过实体化功能将合并曲 面实体化 7 薄壳 通过薄壳特征在特征 上创建薄壳特征 8 拉伸、加厚 通过拉伸实体功能 创建特征 9 旋转、剪切 通过旋转剪切功能在父 特征上进行剪切特征 10 螺旋扫描 通过螺旋扫描切口功能 在模型上创建螺纹特征 2.5.3饮料瓶模具设计 (1)在硬盘上新建一个文件夹,设置文件名为“muju”。将饮料瓶零件拷贝到这个文件夹下。更改Pro/E的工作目录到“muju”文件夹下。打开文件“yinliaoping”,因为中空吹塑模具是由压缩空气将材料粘附在相同的两瓣内壁上,并不需要设计内孔的成型零件,为方便后面的模具设计,将饮料瓶制品模型设计成实心模型。所以将零件模型文件中的壳特征隐含并通过拉伸在瓶口处做出一个实体来并将文件保存,退出。最终的零件模型如图2.4所示: 图2.4 更改后的饮料瓶零件(2)新建模具文件。在Pro/E中新建一个文件,分别选择弹出对话框中的 “制造”、“模具型腔”,输入文件名称为“ylpxq” 不使用缺省模板而选择“mmns_mfg_mold”。 图2.4 更改后的饮料瓶零件 (3)装配参照模型。将前面所创建的“yinliaoping”文件作为参照模型插入到模具型腔文件中,并将模具型腔的坐标原点放在零件的中点处。 (4)设置零件收缩率 中空吹塑模具在注吹塑料制件保压冷却成型时,因冷却及其他原因引起尺寸收缩或体积缩小,收缩率有材料类型和型号来确定。收缩率的计算公式如下式2.1: (式2.1) 式中 ——收缩率; ——模具尺寸; ——塑料尺寸。 Pro/e提供了两种设置收缩率的方法,即为按尺寸和按比例。此处选择按尺寸设置收缩率,根据饮料瓶材料可知其值为0.005。 (5)创建模具体积块 利用Pro/e的自动创建工件工具创建工件()的模具体积块。选择模具型腔坐标系为工件坐标系,创建完成之后体积块和饮料瓶零件的相对位置如图2.5所示: 图2.5饮料瓶相对于模具体积块的位置 图2.5饮料瓶相对于模具体积块的位置 (6) 创建谷肚分型面 图2.6 谷肚分型面怎样确定分型面,要注意的地方比较复杂。因为分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结构工艺性及精度、嵌件位置形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种方面的约束,所以在选择分型面时应进行全面分析比较,在几种方案中优选比较适用的方案。选择分型面时一般应遵循以下几项原则: 图2.6 谷肚分型面 在塑件外形最大轮廓处选择分型面; 使塑件顺利脱模方便,确保使塑件开模时留在动模一边; 塑件的精度要求需要保证; 塑件的外观质量要求必须满足; 方便模具的加工和制造; 不太影响成型面积; 图2.7 分离谷肚和余料对排气效果的影响低; 图2.7 分离谷肚和余料 对侧向抽芯的影响也小。 为了便于模具型腔的数控加工,瓶底部位与型腔部位分离开来,然后用螺栓连接到型芯上。由于谷肚部分也是一个独立的模具工件,所以采用创建模具元件的方法来创建。首先创建一个将谷肚与模具型腔分离的分型面,如图2.6所示: 图2.8 拉伸出分型面(7)分离谷肚和余料。 图2.8 拉伸出分型面 如图2.7所示 (8)创建型腔分型面 对于除去余料部分的体积块直接应用拉伸工具创建余料部分的分型面如图2.8所示: (9)分割型芯和型腔体积块 利用拉伸创建的分型面将余料部分并分别保存为xingqiang和xinxin.分离开的型腔如图2.9所示: 图2.9 型腔零件(10)创建型腔零件的模口 图2.9 型腔零件 图2.10 模口模口是压缩空气吹管的入口,又是制品的出口。模口既要成型制品口,保证制品口部尺寸和形状,同时还要切断料坯余料,为此模口设计成如图所示。吹管的外部套有芯棒,合模时模口加紧芯棒,同时起校正制品内径、外径和切断余料的作用。利用旋转切除工具创建型腔零件的模口, 图2.10 模口 图2.11 切除冷却槽如图2.10所示: 图2.11 切除冷却槽 (11)创建冷却槽 为了管坯在模具内受热均匀,将模口部位切除一个冷却槽。 创建模具的冷却槽 如图2.11所示: (12)创建冷却系统 图2.12水线布局模具的冷却系统很重要,冷却力要求均匀,在不影响制品质量的前提下冷却速度要快,以提高产量。冷却方式与一般注射相同,可采用模腔周围开设孔道通水循环冷却。模具如果采用铝等低熔点合金铸造,冷却水路可在模具型腔的背面铸成水槽,再覆盖盖板和防漏垫片,然后用螺钉紧固,组成密封循环水路。使用特征、型腔组件、水线水线)创建谷肚定位销和螺栓 在吹塑过程中,将谷肚和型腔连接在一起,使谷肚与型腔一起运动实现开模和和模。谷肚与与型芯之间采用M6-60的内六角螺栓连接,用两个的圆柱销实现精确定位。在模具体积块上创建出螺栓和定位销(如图2.13所示),然后在模具体积块和型芯零件上切除螺栓孔和销孔。谷肚与型芯的连接情况如图2.14所示: 图2.13 创建谷肚定位销和螺栓螺栓 图2.13 创建谷肚定位销和螺栓 螺栓 定位销 图2.14 谷肚与型芯连接 图2.14 谷肚与型芯连接 2.5.4 模具结构设计 (1)模具导向系统设计 饮料瓶模具的材料为45钢,易于加工。直接将模具的导柱和导套设计在模具上对与模具的性能和成本影响很小,而且可以节省材料,使模具整体结构紧凑,导向精度也更容易保证所以直接将模具的导柱和导套安装在型芯和型腔上。根据模具尺寸选取导柱和导套尺寸。 导柱:; 导套: 。 创建出的导柱和导套如图2.15所示。 ??????? ? 图2.15 导柱和导套的创建 图2.15 导柱和导套的创建 (2)选取模架和固定螺栓 选取模架,两个模座的尺寸均为:; 固定用M10-40内六角螺栓。在模具体积块上创建工件,并在所创建的模架和模具体积块和切除螺栓孔。最终创建出如图2.16所示: 图2.16 模架零件 图2.16 模架零件 在完成了整个模具设计之后将模具组装,饮料瓶模具的结构如图2.17所示: 图2.17 饮料瓶模具整体结构的爆炸图 图2.17 饮料瓶模具整体结构的爆炸图 2.6 模具的工程图文件 2.6.1 Pro/E的工程图功能简介 Pro/E提供了一个很宽的生成工程图的能力,包括:自动尺寸标注、参数特征生成、全尺寸修饰,自动生成投影面,辅助面,截面和局部视图[8]。 使用Pro/E的工程图功能,我们可以将有Pro/E制作的模型输出成图纸的形式。Pro/E提供的工程图模式,可以实现双向关联。我们可以利用Pro/E的基本drawing功能建立零件或装配的工程视图,并可以添加尺寸,注解,处理尺寸,或使用层来管理不同类型内容的显示[9]。或者,也可以输入由其他CAD系统生成的图纸。在图纸中,所有的模型视图都是相关的:即,当修改了某视图的一个尺寸后,系统会自动更新其他相关的视图,更重要的是,Pro/E的图纸和他所依赖的模型相关,在图纸中修改的任何尺寸,都会在模型中自动更新。同样,在模型中修改的尺寸会相关到图纸。这些相关性,不仅仅是尺寸的修改,也包括添加或删除某些特征。 2.6.2利用Pro/E生成的工程图和BOM表 利用已经完成的模具文件生成工程图和BOM表文件如图2.18所示: 图2.18 模具工程图和BOM表 图2.18 模具工程图和BOM表 3 型腔零件数控加工 3.1 软件介绍 3.1.1 UG NX软件简介 UG NX是美国Unigraphics Solution(简称UGS)公司的PLM产品的核心组成部分。UGS公司是美国一家全球著名的MCAD供应商.PLM Solution可以提供具有强大生命力的产品全生命周期管理(PLM)解决方案,其中有产品开发、制造规划、产品数据管理、电子商务等产品相应的方案,并能提供一整套针对品的完善服务[10]。UG软件为汽车与交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发(VPD)的理念带来了多极化的,集成的、企业级包括软件产品与服务在内的全面的解决方案[11]。 3.1.2 UG NX加工模块简介 UG NX系统提供了多种加工各种复杂零件的粗精加工,用户可以根据零件结构、加工表面形状和加工精度要求选择合适的加工类型。在每种加工类型中包含了多个加工模板,应用各加工模板可快速建立加工操作。 UG NX提供了强大的默认加工环境,用户也可以自定义加工环境。选择合适的加工环境,用户在创建加工操作的过程中,可引用加工环境中已定义的参数,不必在每次创建新的操作时再一次定义,因此避免了重复劳动,提高了操作效率。 UG NX强大的加工功能是由多个加工模块所组成的。在加工基础模块中包含了以下加工类型: 点位加工:可产生点钻、扩、镗、铰和攻螺纹等操作的刀具路径。 平面铣:用于平面轮廓或平面区域的粗精加工,刀具平行于工件底面进行多层铣削。 型腔铣:用于粗加工轮廓或区域,它可根据型腔的形状,将要切除的部位在深度方向上分成多个切削层进行层切削,每个切削层可指定不同的切削深度。切削时刀轴与切削层平面垂直。 固定轴曲面轮廓铣削:它将空间的驱动几何投影到零件表面上,驱动刀具以固定轴形式加工曲面轮廓。主要用于曲面的半精加工与精加工。 可变轴曲面轮廓铣:与固定轴铣相似,只是在加工过程中可变轴铣的刀轴可以摆动,可满足一些特殊部位的加工需要。 顺序铣:用于连续加工一系列相接表面,并对面与面之间的交线进行清根加工。 车削加工:车削加工模块提供了加工回转类零件所需的全部功能,包括粗车、精车、切槽、车螺纹和打孔加工。 线切割加工:线切割加工模块支持线框模块程序编制,提供了多种走刀方式,可进行2~4轴线切割加工。 后置处理模块包括图形后置处理器和UG通用后置处理器,可格式化刀具路径文件,生成指定机床可以识别的 NC程序,支持2~5轴铣削加工,2~4轴车削加工和2~4轴线切割加工。其中UG后置处理器可以直接提取内部刀具路径进行后置处理,并支持用户定义的后置处理命令。 UG将智能模型(Master Model)的概念在UG/CAM的环境中发挥的淋漓尽致,不仅包括了3D CAD模型与NC路径的完整关联性,且更易于缩减文件大小以及刀具路径的管理。另外,以高速切削为发展的参数设定环境,更能确保刀具路径的稳定可靠与良好的加工品质。 3.2 数控加工基本知识 3.2.1 刀具的选择 数控机床已经成为现代制造业的主要装备,特别是加工中心已成为衡量一个企业现代制造综合能力的重要标志之一,数控铣床和加工中心主要用于精密复杂模具型腔和型芯的加工[14]。在模具数控铣加工中所使用的刀具一般都是先进的刀具。 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。由于现在的先进刀具一般都采用刀杆和刀片组成,因此相应的刀片的形状也有长方形、圆形等多种形式。平端立铣刀即刀具或刀片的刀尖是直的,无圆角,圆角刀即刀片的刀尖R半径小于刀具的半径,而球头刀则是刀具或刀片的刀尖圆圆角R半径等于刀具的半径。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3.1所示: 图3.1 几种刀具形式 在模具加工时刀具的选择应遵循以下原则: (1)依据被加工型面形状选择刀具类型 凹形表面,在半精工和精加工时,选球头刀,以确保表面质量,在粗加工时选平端立铣刀或圆角立铣刀,因球头刀切削条件差;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。 (2)根据加工形状的大小按照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,因为刀具的直径越大,则刀具的刚性越好,还可减少加工次数,提高加工效率。刀具越小则刚性差,容易折断。 (3)根据型面曲率的大小选择刀具 精加工时,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,特别是在拐角加工时,选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,这可避免采用直线插补出现过切现象;粗加工时,一般选择的刀具半径较大,这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,因较大直径的刀具在零件轮廓拐角处会留下更多的余量,这是精加工过程中出现切削力的急剧变化而使刀具损坏直接因素,所以这在选择刀具时要进行全面考虑,同时为减少粗加工中较大直径的刀具在零件轮廓拐角处会留下更多的余量,可加入圆角铣刀(如R0.8)加工的半精加工工序,半精加工中留余量0.1至0.3即可,这样再经过精加工后可得到较好的表面加工质量。 图3.2 加工余量形式(4)粗加工时尽可能选择较大圆角铣刀 图3.2 加工余量形式 方面圆角铣刀在切削中可以在刀刃与工件接触的0-90。另一方面,在粗加工时选用圆角铣刀,圆角刀与球头刀相比具有良好的切削条件,可以留下较为均匀的精加工余量[15],如图3.2所示,这对后续加工是十分有利的。 3.2.2 走刀方式和切削方式 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。 (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,如图3.3所示。其中,图3.3a为单向走刀方式。图3.3b是往复走刀方式,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,但由于其加工效率高时间最短,所以在表面质量要求不高余量不大的粗加工时可选用往复走刀。图3.3c是环切走刀方式,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。 a b c图3 a b c 图3.3 走刀方式 (2)铣削方式 加工表面质量、刀具耐用度和加工过程的平稳性直接受到铣削方式的影响。采用圆周铣削时,为了符合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,因为粗加工过程中余量较大,宜选用逆铣加工方式,来减小机床的震动;精加工时,为了更好的满足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,应根据所不同的加工材料,选用不同的铣削方式。 (3)刀具的切入与切出 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,很容易造成打刀事故。在精加工时,切人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,合理选择刀具切人、切出方式具有非常重要的意义。一般的CAM软件提供的切人切出方式有刀具垂直切人切出工件、刀具以斜线切人工件、刀具以螺旋轨迹下降切人工件、刀具通过预加工工艺孔切人工件以及圆弧切人切出工件。其中刀具垂直切人切出工件是最简单、最常用的方式,适用于可以从工件外部切人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人工件常用于较软材料的粗加工;通过预加工工艺孔切人工件是凹模粗加工常用的下刀方式;圆弧切人切出工件由于可以消除连接刀痕而常用于曲面的精加工。 3.2.3 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、进给速率、刀具切入时的进给速率、步距宽度和切削深度等[16]。 (1)主轴转速 主轴转速一般根据切削速度来计算,其计算公式如公式3.1所示: (式3.1) 式中为刀具直径(mm), 是切削速度(m/min)。切削速度的选择离不开刀具的耐用度,在确定了工件材料、刀具材料和结构后,PK10计划网影响刀具耐用度的最主要因素就是切削速度,过低或过高的切削速度都影响刀具耐用度。在模具加工,特别是模具的精加工时,为得到较高的加工质量,应避免在中途换刀,因此选择切削速度需要结合刀具耐用度进行考虑。 (2)进给速度与刀具切入进给速度 模具零件的加工精度和表面粗糙度直接受到进给速度的影响,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)。每齿进给量的选取依赖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;较低的进给量适用于加工精度和表面粗糙度要求较高时。 (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,为保证加工精度和表面粗糙度,应留O.1—0.3mm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。 (4)其他参数 此外,诸如工件坐标系、刀具快速运动平面、加工安全平面、加工余量参数以及后置处理参数等的设定在模具设计中都要进行考虑。 3.3 型腔零件数控加工自动编程与仿线零件数控加工的流程 UG是当今世界在数控加工领域最优秀的CAM软件之一[17],本次的模具关键零件数控加工应用UG来进行。因为饮料瓶中空吹塑模具的型芯和型腔零件相似,型芯零件的数控加工与型腔类同,所以在此只对型腔零件进行数控加工工艺规划。 应用UG的UG/CAM模块进行数控加工工艺规划的流程如图3.4所示: 分析几何体平面/曲面,粗加工/精加工 分析几何体 平面/曲面,粗加工/精加工 建立/修改加工对象父节点组 选择加工环境 定义配置和设置 刀具 几何体 生成刀轨 创建操作 方法 程序 刀轨检验 后置处理 车间工艺文件 数控程序 图3.4 UG数控加工流程 3.3.2模具型腔零件分析 该零件上大部分表面为圆弧表面,在瓶口部分有螺纹和瓶颈槽,这部分的尺寸较小可以先用数控加工先去除大部分的材料然后再进行钳工加工[18]。 3.3.3零件数控加工工艺规划 该零件的型腔加工在最高转速达到24000r/min的高速铣床上加工。 选择型腔铣粗加工的方法进行分层加工,每层切深为0.6mm.粗加工使用直径为的圆角刀进行加工。该刀具的表面线mm/转,而每齿进给取0.3mm/齿。 由于该零件轮廓面与面之间过渡的较多,粗加工之后在交叉出留有较多的加工余量,所以需要进行半精加工获得较为均匀的加工余量[19]。半精加工采用等高外形的方法进行加工。半精加工使用直径为硬质合圆角刀进行加工。 完成了粗加工和半精加工之后,表面余量比较均匀,此时进行此型腔整体的精加工。此型腔整体的精加工使用直径为的硬质合金球头刀进行加工。该刀具的表面线速度按推荐值取/转,而每齿进给取/齿。 在型腔上有尖锐过渡部分,该部分的圆角为,因此要对该部分进行清角加工,清角加工使用的平底刀进行加工。该刀具的表面线速度按推荐值取/转,而每齿进给取/齿。 如表3.1所示为各工步的加工内容与加工方式及刀具和进给、转速等机械参数。 表3.1 型腔零件加工工步 序号 加工内容 加工方式 所用刀具 表面速度 /m/min 每齿进给 /mm/齿 1 型腔粗加工 型腔铣 圆角刀 150 0.3 2 型腔半精加工 等高轮廓铣 圆角刀 150 0.18 3 型腔精加工 曲面轮廓铣 球头刀 200 0.15 4 清角加工 固定轴曲面轮廓铣 平底刀 120 0.12 每工步完成之后型腔零件如图3.5所示: 半精加工精加工 半精加工 精加工 清角gong 供gong工 图3.5 零件加工工艺方案规划 粗加工 3.3.4 型腔零件的数控加工自动编程 (1)创建粗加工操作 首先打开模型文件,检视模型确定模型没有明显的错误,并确认工作坐标系的坐标原点在模型底面中心位置。 设置加工环境 进入加工模块,指定CAM进程配置为“cam—general”, CAM设置为“mill-contour”进行加工环境初始化。 进行粗加工自动编程的主要工作就是数控加工的各项加工参数。 常用参数:切削方法,采用跟跟随周边的方式;切削步进方式选用按刀具直径的百分之30;设定每一刀的全局深度为0.6。 进退刀:进刀/退刀选用水平间隙为3;竖直和最小间隙为1;传送方式设定为先前的平面。自动进刀/退刀为上部垂直下刀,下部为水平进退刀。刀具的倾斜类型为螺旋的,下刀行进斜角为5;螺旋的直径为90;最小斜面长度-直径为0;水平进退刀的自动类型为圆的,圆弧半径为5;激活区间为0;重叠距离为0;退刀间距为0。 切削参数:切削顺序为层优先;切削方向为顺序切削;进给方向为向外;选中岛清理;清壁为在终点;切削区域延伸为0;毛坯距离为5;部件侧面余量为0.5;部件底面余量为0.2;毛坯余量、检查余量、裁剪余量均为0;内公差为0.03;切出公差为0.03。 角参数:圆角控制方式为所有路径;圆角半径为0.5;最小半径为0;减速方式按刀具的百分比110;减速为20%;步数为1;尖角角度为0;最大值为175。 进给率:表面速度为150;每齿切削进给为0.3;主轴转速为3000RPM。 非切削:单位为毫米/分钟;切削单位为毫米/分钟进刀速度为600;其他进给切削按默认值。 机床参数:机床运动输出以样条曲线的形式,样条拟合公差为0.03。 生成的刀路轨迹如图3.6所示: 图3.6 型腔粗加工刀路轨迹 图3.6 型腔粗加工刀路轨迹 (2) 型腔零件的半精加工 经过开粗加工之后,在零件的部分区域还留有较大的余量,为了使精加工时有均匀的加工余量从而获得更好的表面质量,采用半精加工将零件表面多余的余量切除掉。 半精加工时采用等高轮廓铣的方式来完成。在进行半精加工时所选用的加工参数如下。 常用参数:合并距离为3;最小切深为1;每一刀的全局深度为0.6;切削顺序为层优先。 进退刀:水平的间距为3;竖直和最小的间隙为1;传送方式选择先前的平面;设定水平进退刀的自动类型为圆的;圆弧半径为3;激活区间为0.1;重叠距离为0.2;退刀间距为1.27。 切削参数:切削顺序为层优先;切削方向为混合;设置部件侧面余量为0.1;检查余量、裁剪余量均设为0;内公差为0,切出公差为0.03;层到层的方式为对部件的交叉倾斜。使用对部件的交叉倾斜方式下刀可以连续下刀,并且进刀位置成螺旋状分布。 角参数:圆角控制方式为所有路径;圆角半径为0.5;最小半径为0;减速方式为长度为刀具的百分比;刀具的百分比为110;减速的百分比为10;步数为1;尖角角度为最小值为0;最大值为175。 进给率:表面速度为150;每齿进给为0.18;主轴转速为8000RPM。 机床参数:机床的运动输出方式为样条,样条拟和控制的公差为0.03。 采用以上的半精加工参数生成半精加工的刀路轨迹并检视。半精加工的刀路轨迹如图3.7所示: 图3.7型腔零件半精加工刀路轨迹 图3.7型腔零件半精加工刀路轨迹 (3) 型腔零件的精加工 型腔零件的精加工采用曲面轮廓铣的方式进行加工,刀具选用球头刀。 区域铣削驱动方式参数的选择:不包含陡峭;图样为选择跟随周边方式;进给方向为由外向内;步进定义方式为残余波峰高度;残余波峰高度值为0.003;应用为在部件上;切削方向为顺序切削;其余参数按照默认值。 切削参数:最大顶角角度为135;用移除边缘跟踪方式处理边缘。设置部件余量、检查余量、边界余量、工件切入公差、部件切出公差、边界内公差、边界外公差均设置为0; 非切削参数:逼近状态为间隙,分离状态为间隙;进刀状态为手工进刀,移动方式为弧:相切逼近,半径类型自动。 进给率:表面速度200,每齿进给0.15,主轴转速10610RPM。进给剪切速度6366mm/min,进刀速度2000。 机床参数:机床运动输出为样条,样条拟合的控制公差为0.03。 如图3.8所示为半精加工的刀路轨迹。 图3.8 型腔零件精加工刀路轨迹 图3.8 型腔零件精加工刀路轨迹 (4)清角加工 型腔的清角加工采用固定轴曲面轮廓铣的方式进行加工。刀具选用平底刀。 选择加工几何体 清角加工主要时为了完成零件中面与面之间交线处加工。所以选择零件中的整个曲面作为技工几何体。采用径向切削驱动方式。 径向切削驱动几何体:以需要进行清角加工的交线作为驱动几何体。 径向切削参数:材料侧为0;切削类型选择往复;步进方式为恒定的,步进距离为0.2;进给方向为跟随周边;切削方向为顺序切削,投影方向为刀轴. 切削参数:部件余量为0,部件切入公差为0.001,切出公差为0.001。 进给率:表面速度为120,每齿进给为0.12,主轴转速为6366RPM。进刀速度为600毫米/分钟. 机床参数:机床运动输出为样条,样条拟合的控制公差为0.03. 型腔清角加工的刀路轨迹如图3.9所示: 图3.9 型腔清角加工刀路轨迹 图3.9 型腔清角加工刀路轨迹 在完成了以上了零件加工参数的设定之后,已经生成了每一步的刀位(即刀具位置)文件,其中的部分刀位文件如下所示: TOOL PATH/CAVITY_MILL,TOOL,D16R4 TLDATA/MILL,16.0000,4.0000,75.0000,0.0000,0.0000 MSYS/0.0000,0.0000,0.0000,1.0000000,0.0000000,0.0000000,0.0000000,0.0000000,-1.0000000 $$ centerline data PAINT/PATH PAINT/SPEED,10 PAINT/COLOR,1 RAPID GOTO/-78.1913,23.0600,50.0000,0.0000000,0.0000000,1.0000000 RAPID GOTO/-78.1913,23.0600,6.0002 FEDRAT/MMPM,600.0000 GOTO/-78.1913,23.0600,4.1002 PAINT/COLOR,216 FEDRAT/1790.4000 GOTO/-78.4822,23.0601,4.1002 GOTO/-78.6504,23.0306,4.1002 NURBS/ KNOT/1.0000000 CNTRL/-79.0164,22.8414,4.1002 CNTRL/-79.2690,22.4913,4.1002 CNTRL/-79.6368,22.2983,4.1002 PAINT/COLOR,1 RAPID GOTO/-79.6368,22.2983,5.1002 RAPID GOTO/-79.6368,22.2983,6.0002 3.3.5 加工文件的后处理,CNC程序的生成 CAM过程的最终目的是生成一个数控机床可以识别的代码程序.UG软件系统计算刀具位置生成的是刀位文件,数控机床不能识别,必须经过后处理才能生成数控程序。UG集成了自身的后置处理器用来生成CNC程序[20]。?UG/Post?Execute和UG/Post?Builder共组成了UG加工模块的后置处理。UG的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序,该模块适用于目前世界上几乎所有主流NC机床和加工中心,该模块在多年的应用实践中已被证明适用于2~5轴或更多轴的铣削加工、2~4轴的车削加工和电火花线切割?。 用UG进行后置处理

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