模具设计毕业设计（论文）.doc

摘 要模具是能成批生产出具有一定形状和尺寸要求的工业产品零部件的一种生产工具。随着科学技术的发展，模具行业已经成为国家工业的重要组成部分其技术水平的高低是衡量一个国家制作业水平及产品开发能力高低的重要标志。在我国，工业生产的特点是产品品种多、更新快和市场竞争激烈因此，模具工业发展的趋势是非常明显的。实践证明，模具CAD/CAM/CAE 技术是模具设计制造的发展方向。本次设计就是通过利用Pro/ENGINEER软件进行汽车制动缸前壳冲孔模具设计，通过电脑软件缩短模具设计与制造周期的灵活运用。本文简要阐述了模具定义及作用、模具的设计流程，以及传统模具设计与现代虚拟模具设计的对比分析。令外对虚拟计算机辅助设计软件PRO/E的功能模快进行了划分介绍。并举例说明。关键字： 模具设计； 虚拟设计； Pro/ENGINEER； 工程图AbstractMold can be mass produced with a certain shape and size requirements of the industrial products of a production tools, parts and components. With the development of science and technology, mold has become a national industrial sector an important part of its technical level is the level of a country's production industry standards and product development capabilities in the level of an important symbol of China's industrial production is characterized by product variety, Update fast and intense market competition, therefore, die of industrial development trend is very clear. Practice has proved that die CAD / CAM / CAE technology is the design and manufacture of molds the direction of development. The design is through the use of Pro / ENGINEER software brake cylinder car before punching shell mold design, computer software design and shorten the mold of flexibility in the use of the manufacturing cycle. This paper briefly described the role and definition of mold, mold design process, as well as the traditional mold design and modern design of the virtual die comparative analysis. Order of the virtual computer-aided design software PRO / E of the functional module for the division introduced. And an example.Keyword： DieDesign; VirtualDesign; Pro/ENGINEER; Plans 引言模具，是以特定的结构形式通过一定方式使材料成型的一种工业产品，同时也是能成批生产出具有一定形状和尺寸要求的工业产品零部件的一种生产工具。用模具生产制件所具备的高精度、高一致性、高生产率是任何其它加工方法所不能比拟的。模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品开发能力。所以模具又有“工业之母”的荣誉称号。随着科学技术的发展，模具行业已经成为国家工业的重要组成部分，没有高水平的模具也就没有高水平的工业产品，因此其技术水平的高低是衡量一个国家制作业水平及产品开发能力高低的重要标志，是一个国家科技实力的体现和国民经济的基础，在经济社会中占有非常重要的地位。在西方先进工业国家，模具界已深刻认识到应用CAE技术是缩短模具生产周期的重要途径之一，材料成形过程模拟技术已逐渐成为模具工业设计过程的规范，国外模具界广泛使用的一批商品化CAE软件，如塑料注射成形的模拟软件MOLDFLOW（美国和澳大利亚）、用于铸造过程的模拟软件MAGMA（德国）和PROCAST（美国）、用于汽车覆盖件成形的模拟软件LS-DYNA3D（美国）和AUTOFORM（德国）发挥着越来越重要的作用1。在我国，工业生产的特点是产品品种多、更新快和市场竞争激烈。在这种情况下， 用户对模具制造的要求是交货期短、精度高、质理好、价格低。因此，模具工业的发展的趋势是非常明显的。模具CAD/CAM/CAE技术是模具技术发展的一个重要里程碑。实践证明，模具CAD/CAM/CAE 技术是模具设计制造的发展方向。因此模具CAD/CAE/CAM是改造传统模具生产方式的关键技术，是一项高科技、高效益的系统工程，能显著缩短模具设计与制造周期，降低生产成本和提高产品质量已成为模具界的共识。本次设计就是通过利用Pro/ENGINEER软件进行汽车制动缸前壳冲孔模具设计，通过电脑软件缩短模具设计与制造周期的灵活运用。1 模具设计的概述本章在于对传统的模具产品设计过程进行分析，研究其特点并指出所具有的局限性，进一步研究了模具虚拟设计产生的背景、模具虚拟设计的定义作用，从而体现出模具虚拟设计技术在现今信息技术飞速发展的形式下的积极作用。1.1 模具定义及作用1.1.1 模具的概念模具是压力加工或其他成型工艺中,使材料（金属或非金属）变形成产品（成品或半成品）的成形工艺装备。1.1.2 模具的作用模具在现代工业生产中的作用主要表现在以下3个方面：1）在塑料、陶瓷、粉末冶金、锻造和压铸等行业应用得非常广泛。2）模具采用压力加工产品，因此广泛应用于要求无切削的领域。3）模具制造业同时也反映了一个国家的制造技术水平。1.2 模具设计过程1.2.1 收集、分析、消化原始资料2收集整理有关制件设计、成型工艺、成型设备、机械加工及特殊加工的资料，以备设计模具时使用。 1）消化薄板制件图，了解制件的用途，分析薄板制件的工艺性，尺寸精度等技术要求。2）消化工艺资料，分析工艺任务书所提出的成型方法、设备型号、材料规格、模具结构类型等要求是否恰当，能否落实。 3）确定成型方法。 4）选择成型设备：要初步估计模具外形尺寸，判断模具能否在所选的注射机上安装和使用。 5）具体结构方案：a）确定模具类型： 如压制模（敞开式、半闭合式、闭合式）、铸压模、注射模等。 b）确定模具类型的主要结构。 选择理想的模具结构在于确定必需的成型设备，在绝对可靠的条件下不进行其他机械加工，那么工序图就与制件图完全相同。 在工序图下面最好标出制件编号、名称、材料、材料收缩率、绘图比例等。通常就把工序图画在模具总装图上。 绘制总装图尽量采用1：1的比例，先由工件开始绘制，主视图与其它视图同时画出。 1.2.2 模具总装图应包括以下内容： 1）模具成型部分结构。 2）模具体结构形式。 3）起模取件方式。 4）外形结构及所有连接件，定位、导向件的位置。 5）模具总体尺寸。 6）辅助工具（取件卸模工具，校正工具等）。 7）按顺序将全部零件序号编出，并且填写明细表。 8）标注技术要求和使用说明。 1.2.3 传统模具设计过程特点以上为传统的模具产品设计过程其特点是：1）传统模具设计的每一个环节都是依靠收购方式完成。从本质上说，多数都是凭设计者直接或间接的经验知识，通过类比分析或经验公式来确定设计方案。对于特别重要的设计或者计算工作量太大的设计，有时也可对拟订的几个方案进行计算对比与选择。最后绘出，编写技术文件。2）应用传统的模具设计方法，设计者的大部分时间和精力都消耗在装配图和个别系统（模具零件厚度及外形尺寸，主要成型零件）上，绘图工作大约占设计的70%左右，因而对设计的总体问题难于进行深入的研究，对于一些困难而费时的分析技术，常常只得用图形或类比定值等粗糙的方法，因此具有极大的局限性。主要表现在：A）方案的拟订在很大程度上取决于设计者的个人经验，即使同时拟订了少数几个方案，也难以获得最优方案。B）在分析计算工作中，由于受人工计算条件的限制，只能采用静态或近似方法而难以按动态的或精确的方法计算，计算结果不够精确，影响设计质量。C）设计工作周期长，效率低。1.3 模具虚拟设计产生的背景3在经济全球化，贸易自由化和社会信息化的新形势下，世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特征，由过去的局部竞争演变全球范围内的竞争；同行业之间，跨行业之间的相互渗透。相互竞争日益激烈，因此，制造业的经营战略发生了很大变化，TQCS成为现在制造企业适应市场需求，提高竞争力的关键因素。即最快的上市速度（T-Time to Market），最好的质量（Q-uality），最低的成本（C-Cost），最优的服务（S-Service）来满足不同顾客的需求。模具产品制造是典型的单件小批量、离散型生产。传统模具产品开发从设计、试制到产品上市周期太长，设计过程中难以与用户进行交流，难以及时听取用户的意见，难以考虑可制造性和可装配性，很难全面考虑安全、维护等方面的要求，不能综合考虑生产、时间以及费用等相互制约条件的限制，更谈不上考虑整个模具产品寿命周期的诸多问题。应用CAD技术必须在模具产品图纸全部出来之后，才能与用户进行交流。此外，图纸上的模具产品因缺乏直观性，有时模具产品制造之后才能发现诸多问题，造成模具产品不能符合用户的要求，既影响交货期（Today Hot）又增加成本，有时甚至影响客户关系及市场占有率。因此，模具产品设计面临严峻考验，模具企业必须利用最新的技术，在最短的时间内开发出高质量、低成本、高附加值的产品，以最快的速度响应和投放市场。这就需要改变传统模具产品设计方式，采用现代产品设计技术，模具现代产品设计技术是基于知识的设计，它要综合利用现代管理、控制、系统工程、仿真、信息建模、人工智能、数据库以及网络通讯等技术，将模具产品设计过程中的信息流有机集成，并模拟出模具产品未来的性能，以及模具制造全过程对模具产品设计的影响，从而做出正确的决策与设计方案。现代模具的制造与当前经济发展的形势及以上要求相适应。多年来的实践证明，信息技术应用于模具制造业，进行对传统模具制造的改造，是现代制造业发展的必由之路。1.4 模具虚拟设计定义虚拟现实技术集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、网络、多传感器、并行处理等技术的最新研究成果。实时的三维空间表现力、人机交互的操作环境能给人带来身临其境的感受。随着际互联网技术的普及，虚拟现实技术必将成为现代产品设计技术的主流和标准。模具虚拟产品设计技术是虚拟现实技术在模具产品制造中的应用或实现。它是模具现实设计环境和制造环境的计算机内部映射，是模具虚拟设计的重要内容。模具虚拟设计是以仿真技术、虚拟现实技术等为支撑，对模具设计、加工、装配、维护经过统一建模形成虚拟的环境、虚拟的过程、虚拟的产品3。 1.5 模具虚拟的作用3目前，模具虚拟设计已经在国外有所应用，它对未来模具制造业和企业的发展都将会产生深远影响。1.5.1 模具虚拟设计对未来模具制造业的重大作用主要表现为：1）运用软件对模具进行虚拟设计，对模具设计的主要阶段进行全面仿真，使之达到“快，好，省”的目的，为先进模具制造技术的进一步发展提高了更广大的空间，同时也推动了相关技术的不断发展和进步。2）可加深人们对模具设计的认识和理解，有利于对其进行理论升华，更好地指导实践生产，有利于对模具设计的普及，推动生产力的巨大跃升。1.5.2 模具虚拟设计对未来企业的影响1）提高产品的设计质量，减少设计缺陷，优化产品制造质量；2）提高工艺规划和加工过程的合理性，优化制造质量；3）通过提高产品质量，降低生产成本和缩短开发周期以及提高企业柔性，以适应用户的特殊要求和快速响应市场的变化，形成企业的市场竞争优势；4）虚拟技术的应用，模具设计软件的开发可以加快企业人才的培养速度；2 基于Pro/ENGINEER的模具设计实现模具设计、制造信息化与智能化，是21世纪中国模具制造业光荣而艰巨的任务。应用信息技术将先进的设计理论、方法与制造技术加以系统的集成创新，是全面推动中国由模具制造大国向模具制造强国的重要措施。本章将在前一章研究模具设计的基础上，进一步研究模具设计的定义以及模具设计的关键技术。还研究了Pro/ENGINEER的有关内容以及在其环境下的模具设计装配。2.1 Pro/ENGINEER简介Pro/ENGINEER是美国PTC公司出品的CAD/CAM软件，它以参数化设计的观念闻名于世，为传统机械设计与制造带来了巨大的便利。Pro/ENGINEER提供的参数化设计具有3D实体造型、单一资料库以及以特征为设计单位等特点，因此通过使用它设计者可以随时计算出产品的体积、面积、质心、重量和惯性矩等数据，并且不论在3D或2D图形上作尺寸修改，其相关的2D或3D实体模型及装配、制造等也自动修改。Pro/ENGINEER经过多年的推广，已是当今电子及机械两大行业的设计主力，举凡日常的消费性电子产品（如手机，数字相机，MP3播放器等），计算机零件，计算机外设备，电器产品，汽机车零件，汽车内装，工具机等，无一不是利用Pro/E所设计。换言之，Pro/E设计出来的产品，几乎占据了人类的生活，对人类的文明与进化有莫大的影响力，俨然成为推动高科技产业的原动力。2.2 模具设计主要流程模具制造者依赖于2D的CAD方法来设计模架。因此，Pro/ENGINEER模架设计专家提供了一个理想的解决方案。此软件基于过程并且易于学习，它使模具制造者能在熟悉的 2D环境中工作，同时利用3D的所有强大功能和优点，从而显著地缩短了提前期。其特点是：1）快速选型及修改下列内容：a）模架及配件。b）选取顶针规格，自动切出相应的孔位及沉孔。c）按预先定义的曲线轻易设计运水孔，安装水喉水堵。d）系统预设BOM及零件图。2）3D环境：a）完整的滑块结构，包含螺丝，销钉及自动切槽。 b）完整的开模机构，包含螺丝，销钉及自动切槽。c）完整的斜顶结构，包含螺丝，销钉及自动切槽。d）模拟开模过程。e）平面图中的孔表功能。3）自动化配置：a）预设所有标准件的名称。b）预设各类零件的参数及参数值。c）螺栓，销钉自动安装。d）各类零件自动产生并归于相应图层。e）各类简化表达。f）预设所有的螺栓，销钉及顶针的孔位间隙。本次设计主要利用Pro/E的实体建模、特征建模进行汽车制动缸前壳冲三孔模具3维模型设计。3 基于Pro/E的汽车制动缸前壳冲三孔模具设计过程本章对模架设计个部分进行标准化选择，并深入研究如了Pro/E环境下设模具设计的全过程。3.1 汽车制动缸前壳结构设计绘制汽车制动缸前壳三维模型，利用Pro/E绘制汽车制动缸前壳三孔结构图。5 图3-1 制动缸前壳3.2 模具设计3.2.1被加工件的模具设计条件分析91）分析壳体上三孔直径均较小、壳体较薄故可采用冷冲压工艺。2）由于三孔位置结构较简明规则，同时考虑到加工效率故易三孔同时加工。3）由于加工时阻力不很大且要求精度不高，从经济性角度考虑采用40t简易冲床即可。4）加工过程中由于工件要不断的被更换故意采用敞开式。3.2.2凸凹模的设计6冲压模具主体为一凸模，一凹模。加工过程为凸模嵌入凹模以对被加工板料施加力的作用使其变形，从而达到加工目的的过程。因此凸模与凹模的设计成为冲压模具设计的主体。由于本例加工为冲孔故模具结构比较简单。设计如下图。图3-2 冲三孔凹模图3-3 冲三孔凸模为满足同时加工三孔的要求，加工时应使凸凹模具处于同一水平线上且保证每组凸凹模具的同轴度。如下图图3-4 凸凹模加工位置图3.3 模架设计模架是固定模具的辅助设备是一套模具必不可少的组成部分，它同时承担着支撑模具体、模具定位、工件定位、起模的重要作用。因此一套好的模具模架的设计是至关重要的。本例模架的设计考虑因素如下：首先从工件、凸凹模具的定位考虑1) 为满足加工效率及冲孔位置的要求，工件应进行较精确的定位。2) 为使冲孔能准确进行凸凹模具之间应有精确定位。3) 为使孔在工件上的位置准确凸凹模还应与工件进行较精确的定位。 考虑到以上因素设计定位垫座如下图 凹模定位处 图3-5定位垫座 图示三凹孔为凹模放置位置，起到凹模定位作用。上表面外圆角处为工件定位处。定位效果如下图所示： 外圆工件定位 图3-6工件定位效果图 工件与定位垫座定位后，应将定位垫座固定在下模板上以便定位垫座在整套模具中的定位。从而达到各模具零件间的定位准确。设计下模板如下图：轴向阵列的四孔内嵌内六角螺钉将定位垫座固定于上。图3-7下模板 其次从起模受力的角度分析可知模架体中应有缷料装置，因为冲压过程中工件被加工部分会有形变导致对凸模有一定挤压，使工件卡在凸模上给加工带来不便。缷料装置应力求简单。现今工业橡胶在小孔的冲压中被广泛应用在缷料装置的制作上。本例设计中也应用了工业橡胶设计如下图图3-8缷料板 图3-9起模橡胶板 凸模嵌入孔 螺钉嵌入孔 图3-10凸模固定板 将以上三板件按以下图示装配极为缷料装置 凸模2 凸模1 凸模2 凸模固定板 起模橡胶板 缷料板图3-11缷料组工作过程为凸模在凸模固定板的固定下，做向下作冲压运动，同时缷料板与工件外表面接触不动，凸模透过缷料板对工件冲孔，此过程中凸模固定板与缷料板对起模橡胶板产生挤压变形。当凸模向上运动时工件受力卡在凸模上，此时由于起模橡胶有形变产生弹力将缷料板向下推将工件推落实现起模。将以上装置固定在上模板上实现凸模的完全定位，参照下模板设计上模板如下图： 缷料板螺钉沉孔 凸模固定板螺钉沉孔 内嵌导柱 图3-12上模板 上下模板之间用导柱连接。导柱固定在下模板上，导柱与上模板之间作延导柱方向竖直滑动。在上模板上安装模柄与冲压机床连接。如下图：图3-13上下模板位置图将以上各部件用相应螺钉连接得到整套模具的总装图如下：图3-14模具总装图图3-15模具总装二维装配图1、下模板 2、定位垫座 3、凹模2 4、缷料板 5、起模橡胶板 6、凹模定位板 7、上垫板 8、上模板 9、凸模定位板内六角螺钉 10、圆柱销1 11、凸模1 12、模柄 13、圆柱销2 14、卸料板定位螺钉 15、凸模2 16、导套 17、导柱 18、凹模1 19、圆柱销1 20、定位垫座内六角螺钉其它细部零件零件图 a)导套 b) 模柄 c) 凸模定位板内六角螺钉 d) 缷料板螺钉e) 导柱待添加的隐藏文字内容2f) 圆柱销4 虚拟设计可行性分析4.1 技术分析模具对于一般产品来说属于工具范畴，精度高、结构复杂、并经常有较高的材质要求，使得模具设计制造相当困难。另外，由于以它为工具的成形过程往往是封闭式的，并涉及材料的微观处理，使得产品成形过程很不直观，加上相应的一些基础理论尚不成熟，更使模具设计制造带有很强的经验性和盲目性。因此，模具设计制造一般需要反复修改试制才能满足需求，无形中延长了生产周期，增加了成本，降低了市场适应能力和竞争能力。针对这些因素，人们除了从理论上进一步探讨其内在机理外，试图在现有的理论基础上能够通过一定手段直观地再现产品的成形过程，起初以实验为主，通过物理模拟，利用各种实验设备，建立了经验性的模型。模具虚拟设计技术就在很大程度上解决了以上问题，它是虚拟制造技术在模具行业的应用。4.2 经济分析进入20世纪90年代, 世界制造业竞争不断加剧,使得当前制造业面临着极大的挑战。这一挑战主要来源于市场和技术两个方面。面对这种挑战, 新的制造技术的不断发展和相互渗透,使得整个制造业出现了第二次生产方式的转变。虚拟制造技术（VMT）是一种先进的新一代制造技术,它可以实现从产品的设计、分析、加工到管理的灵活经济地组织方式，而模具虚拟设计技术变是虚拟制造技术在模具中的发展和应用。它是在一个虚拟的环境下进行模具设计，仿真，大大缩短了设计时间，提高产品的设计质量，减少设计缺陷，优化产品制造质量，提高工艺规划和加工过程的合理性，优化制造质量；通过提高产品质量，降低生产成本和缩短开发周期以及提高企业柔性，以适应用户的特殊要求和快速响应市场的变化，形成企业的市场竞争优势。4.3利用Pro/ENGINEER Mechanica 模块对本套模具进行有限元分析10用 Pro/ENGINEER Mechanica，设计工程师可以更好地了解产品性能，并相应地调整数字化。功能及益处：· 执行标准分析，类型包括线性静态、模态、弯曲、接触和稳态热学性能 · 通过将条件直接应用到几何设计中获得真实的性能数据，而无需数据转换 · 快速自动汇聚解决方案（准确对应到基础的 CAD 几何）；第三方解算器的输出 · 通过同时设计和仿真设计变体的结果提高创新能力 · 结果：工程部门能及早洞察产品性能，并以更低的成本提供更优质的产品。本次设计中经过对各零件主要是对受力较大的凸凹摸的有限元分析得到各零件受力较好，但凸凹模由于使用频繁仍需要时常进行修配。用Pro/ENGINEER Mechanica 模块对本套模具进行有限元分析的过程本文不做赘述。结论根据整个模具设计过程和结果得到以下结论：应用模具虚拟设计进行对传统模具制造的改造是现代模具制造业发展的必由之路。它能有效的克服传统模具的3个局限性。1）在方案的拟订上，Pro/E给设计师一个立体的三维空间可以仿真出真实的模具模型，可使设计师在三维的仿真模式下进行设计，很大程度上避免了设计师个人经验带来了误差，可以获得最优化的方案。2）在分析计算上，传统模具设计受人工计算的条件的限制，只弄采用静态或近似方法而难以按动态的或精确的方法计算，模具虚拟设计可以通过提供一个虚拟的三维环境直观的表现出分析计算结果，大大的提高了计算的精确性和设计的质量。3）模具虚拟设计有效的缩短了设计工作周期，提高了工作效率。参考文献1 廖 鲁.缩短模具加工周期.国际模具网资讯2006-7-6 12:03:202 佚 名.中国模具工业现状及发展方向. 中国金属加工网2006-03-08 09:44:193 佚 名.模具现代虚拟产品设计与制造的研究.中国机械网：机械百科2006-03-05 16:08:014 熊歆斌. CAD/CAM最新技术与产 品微电脑世界2001-2-225 林清安.Pro/ENGINEER wildfire 2.0 零件设计.清华大学基础工业训练中心6 PTC全球服务.模具设计基础 版本2000i2 .2-97 夏巨谌,李志刚,黄远东,李骏带.中国模具设计大典数据库（电子版）. 中国机械工程学会,中国模具设计大典编委会8 余 强，陆 斐. Pro/ENGINEER模具设计基础教程.北京：清华大学出版社9 村上宗雄.冷轧冲孔模模具.化学工业出版社10 江洪，陈燎，王智等编著 Proe运动仿真和有限元分析 （电子版） 机械工业出版社致谢感谢老师的关心、指导和教诲！感谢霍春明老师对本人PRO/E学习过程中的指导。本毕业设计的研究和论文的撰写工作自始至终都是在导师的精心指导下完成的。赵华洋老师渊博的学时、敏锐的思维、严谨的治学态度，使学生受益非浅，并终身难忘；在追求真理、献身科学、严于律己、宽以待人的崇高品质对学生是永远的鞭策。最后，向对我学习和研究工作给予关心和帮助的老师和同学致以深深的谢意！向所有参加论文评审和答辩的各位老师表示感谢！