数码相机外壳注塑模具设计与数控加工文档格式.docx
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研究和应用模具的高速测量技术与逆向工程；
6：
虚拟技术将得到发展；
7：
模具自动加工系统的研制和发展
第一章数码相机外壳模具设计
1.1数码相机外壳零件模型
数码相机外壳结构比较简单，设计过程中需要协调数码相机外壳的尺寸外形，否则会出现不搭配的现象，外形设计的合理性是决定模具制造的复杂性、工艺性、制造成本的决定性因素。
1.2用MoldWizard模块进行模具设计
MoldWizard是UG的一个应用模块，专门用于注塑模具的设计，是一个功能强大的注塑模具设计软件。
MoldWizard提供了从零件的加载，坐标系、工件等的设置，到模具系统制的一系列工具。
我们可以非常方便地使用这些模具设计工具来完成任意复杂模具的设计，其模具设计流程如图1所示。
图1.1MoldWizard设计流程
1.2.1分型前的准备
模具设计工作的第一步是导入要做成模具的零件成品，在此导入鼠标外壳的塑件模型，进行初始化项目，设置使用的单位为毫米，如图2所示。
这个塑件由UG的建模模块建立，通过基本的造型命令，如参数化草图、拉伸、倒角、圆角、抽壳、特征镜像等命令即可实现。
鼠标CAD模型是后续工作（分型处理、生成型芯、型腔及导入UGCAM模块进行数控加工等）的基础。
接下来要做的准备工作是模具坐标系的建立、确定产品的收缩率以及确定模具工件大小等。
模具的坐标系：
定义模具的坐标系在模具设计中非常重要，UGMoldWizard中规定，坐标系原点位于模架的动模板和定模板接触面的中心，一般定义XC-YC平面是模具装配的主分型平面，即最大轮廓线所在的平面，ZC轴的正方向指向模具正向喷嘴，即为开模顶出方向。
为了使调用的产品模型与UG中的模具坐标一致，在调入产品时需要通过“动态WCS”按钮来调整产品模型的WCS坐标位置，之后再使用模具坐标系来定义。
确定产品的收缩率：
由于塑料受热膨胀，遇冷收缩，因而用受热加工方法制得的塑件，冷却定型后其尺寸一般小于相应部件的模具尺寸，所以在设计模具时，必须把塑件的收缩量补偿到模具的相应尺寸中，这样才可得到符合要求的塑件。
一般要求的塑件通常按有关塑料模具设计手册或者资料来大致确定塑件收缩率的大小，对于精度要求较高的
塑件，应按照实际工艺条件精确地测定塑件的收缩率，同时在设计模具时要留有试模后的修正余量。
工件：
工件是指在零件外形的基础上向各方向都增加一定的尺寸，以便用来生成模具中的型芯和型腔实体的部分。
工件的实体按系统通过链接预先定义的种子块生成，该种子块是长方体，根据部件最大轮廓确定该长方体的具体尺寸。
1.2.2塑件分型设计
在注塑模中，用于取出塑件或浇注系统凝料的面，通常称为分型面。
分型面的位置选择与形状设计是否合理，不仅直接影响模具的复杂程度，也影响模具的质量、工作状态和操作的方便程度，因此分型面设计是模具设计中的重要一步。
其设置决定了模具的结构和制造工艺，并影响熔体的流动及塑件的脱模分型。
总的选择原则是保证塑件质量，简化模具结构，有利于脱模。
因此在选择分型面时，应遵循下列原则：
（1）分型面应选择在最大截面处，且有利于脱模；
（2）尽可能将型芯塑件保留在动模一侧，塑件冷却收缩后会包紧型芯，使塑件留在动模，有利于脱模；
（3）应有利于保证塑件的尺寸精度和保证塑件外观质量；
（4）塑件有侧套凹或侧孔时，侧向滑块型芯应放在动模一侧，这样使模具结构比较简单，同时还应尽量减小塑件在合模平面上的投影面积，以减小所需锁模力；
（5）应有利于排气，有利于简化模具结构，便于模具加工。
1.2.1.1修补创建分型线
对数码相机外壳的通孔进行修补，并进行修剪，合并到鼠标上盖中。
单击分型中的自动搜索分型线按钮，系统默认选取视图中的产品模型，系统自动显示搜索到的分型线，创建的分型线和两个转角过渡点如图2所示。
图1.2分型线
1.2.1.2创建分型面
完成分型线与过渡点建构之后，在曲线类型中选取“拉伸”按钮，可以向X-Y平面的四个方向拉伸或者利用“扩展面”按钮，拖动滑动条，使分型面扩展并完成分割工作。
系统将扩建分型面，并沿着引导线自动创建分型面，与原拉伸分型面之间的过渡曲面进行连接，合并成一张曲面，如图3所示。
图1.3分型面
1.2.1.3建构型芯与型腔
建立好分型面以后，使用“抽取区域和分型线”按钮功能，检查“总面数”210=“型腔面”73+“型芯面”137，从而可知设计正确合理。
否则不相等，可能存在未修补的通孔或可能创建了一个空的区域，需要进行修补或删除，以便在处理前改正错误。
图4和图5为分割后得到的型腔和型芯。
图1.4型腔图1.5型芯
1.2.3后续处理工作
在MoldWizard中将零件分型完毕并生成凹凸模后，将要作装配设计，包括模架的组建支撑、顶出机构、抽芯机构、浇口、流道、冷却系统等，所有的这些零部件的选用与设计构成了注塑模具的后续处理工作。
具体的后处理工作在此不再详述。
图1.6模具实体模型
第二章数码相机外壳凸模加工
2.1毛坯的选择
毛配选择尺寸为160×
115×
42（mm）的模具钢，对模具钢的要求是：
1.高耐蚀性很多树脂和添加剂对型腔表面都有腐蚀作用，这种腐蚀使型腔表面金属溶蚀、剥落，表面状况变坏、塑件质量变差。
所以，最好使用耐蚀钢，或对型腔表面进行镀铬、钹镍处理。
2.耐磨性好注塑塑件表面的光泽度和精度都和注塑模具型腔表面的耐磨性有直接关系，特别是有些塑料中加人了玻纤、无机填料及某些颜料时，它们和塑料熔体一起在流道、模腔中髙速流动，对型腔表面的摩擦很大，若材料不耐磨，很快就会磨损，使塑件质量受到损伤。
3.良好的尺寸稳定性在注塑成型时，注塑模具型腔的温度要达到300℃以上。
为此，最好选用经适当回火处理的工具钢（热处理钢）。
否则会引起材料微观结构的改变，从而造成注塑模具尺寸的变化。
4.易于加工模具零件多为金属材料制成，有的结构形状还很复杂，为了缩短生产周期、提高效率，要求模具材料易于加工成图纸所要求的形状和精度。
5.抛光性能好注塑塑件通常要求具有良好的光泽和表面状态，因此要求型腔表面的粗糙度非常小，这样，对型腔表面必须进行表面加工，如抛光、研磨等。
所以，选用的钢材不应含有粗糙的杂质和气孔等。
6.受热处理影响小为了提髙硬度和耐磨性，一般对注塑模具要进行热处理，但这种处理应使其尺寸变化很小。
因此，最好采用能切削加工的预硬化钢。
注塑模具就材料而言还分软模和硬模之分，软模一般用P-20预硬钢，也有此落后的地方用45号以上的碳素钢做，产能一般在50万次左右；
硬模是用H-13（铬钢）或420（不锈钢）等热作模钢做的，要经热处理加工工艺，材料和加工成本贵一倍以上，产能在一百万次以上。
综上所述选取3Cr2Mo作为模具材料。
适用特性及范围：
热作模具钢，是引进美国的P20中碳Cr-Mo系列塑料模具钢，适用于制作塑料模具和压铸低熔点金属的模具材料。
此钢有良好的可切削性及镜面研磨性。
热变形模具在工作中除要承受巨大的机械应力外，还要承受反复受热和冷却的做用，而引起很大的热应力。
热作模具钢除应具有高的硬度、强度、红硬性、耐磨性和韧性外，还应具有良好的高温强度、热疲劳稳定性、导热性和耐蚀性，此外还要求具有较高的淬透性，以保证整个截面具有一致的力学性能。
对于压铸模用钢，还应具有表面层经反复受热和冷却不产生裂纹，以及经受液态金属流的冲击和侵蚀的性能
2.1.1数控加工工艺过程设计
数控加工设备的选用：
这里选择FANUC-Oi数控系统，装夹定位采用平口钳夹紧机构，以铣床工作台面作为定位面，用百分表和光电感应装置进行工件的找正。
机床操作过程：
开机、系统上电、机床回零、试运转、输入数控程序、程序校验、自动循环启动、试加工、检测零件尺寸，记录数据修改完善程序。
2.1.2数控加工工序卡片
日照市技师学院
产品名称
零件名称
零件图号
模具凸模型芯
01
工序号
程序号
夹具名称
使用设备
车间
001
%10000
数控实训基地
工步
工步内容
刀具号
背吃刀量
主轴转速
进给速度
备注
1
粗铣轮廓
T01
3mm
3000（r/min）
250
自动
2
精铣轮廓
T02
0.1mm
3500（r/min）
1000
3
精铣凹槽
T03
0.2mm
2500（r/min）
100
4
精铣凸台
T04
1mm
300
5
曲面铣
T05
0.05mm
4000（r/min）
2.1.3数控加工刀具卡片
数码相机外壳注塑模具
模具型芯（凸模）
序号
刀具规格
刀具名称
加工方法
刀角半径
D6mm
立铣刀
型腔铣
深度加工
D1mm
D2mm
球头刀
固定轮廓铣
2.2数控加工仿真
利用UG6.0进行仿真加工；
传统的模具制作方法大都是采用原件改制、人工敲制或手工刻制等方式,工艺落后,精度很低,制造周期长。
数控技术的出现则让模具的制造实现了质的飞跃。
数控编程的核心是刀位点的计算,对于复杂的产品尤其是具有众多复杂曲面的产品,其数控加工刀位点的人工计算十分困难。
而UGCAM模块自动编程很好的解决了这一问题。
利用UGCAD模块生成的产品三维造型包含了数控编程所需要的完整的产品表面几何信息,软件可以针对这些信息进行数控加工刀位的自动计算。
整个过程都以统一的数据库和文件传输格式为基础,实现了信息集成和数据共享,不仅能够快速提高加工效率,而且能够保证质量,降低成本。
2.2.1加工前的准备
首先打开UG6.0，选择＜文件＞-＜打开＞加载数码相机外壳凸模部件
选择＜创建刀具＞，选用直径为6的4刃硬质合金刀具（如图2.1所示）
调整为几何视图，建立工件坐标系、指定部件、指定毛坯（如图2.2所示）。
图2.1刀具参数图2.2部件、毛坯
2.2.2加工参数设置
2.2.2.1粗铣轮廓-型腔铣
型腔铣加工量比较大，采用分层进给铣削可以减小机床负荷，延长刀具使用寿命。
采用型腔铣沿零件外形清除模型加工模式，加工出零件的大致外形。
刀具选择硬质合金带涂层铣刀6（r1）mm，转速3000r/min，进给速度250mm/min（图2.3），每层切削深度设置为6mm，刀具进给百分比为50%，为了减小刀具磨损，刀具下刀方式采用螺旋线进刀，图2.4为粗加工刀具轨迹。
图2.3加工参数图2.4加工轨迹
2.2.2.2精铣轮廓-深度加工轮廓
型芯表面粗加工之后，对轮廓采用深度精加工。
刀具选择硬质合金带涂层球铣刀6mm，转速4000r/min，进给速度1000mm/min，最小切削深度设置为0.01mm，全局每刀深度设置为0.05mm，选取需要加工的侧表面，部件侧面余量为0，部件底部面余量为0.1，图2.5为精加工刀具轨迹。
图2.5精加工刀具轨迹。
2.2.2.3精铣凹槽-深度加工轮廓
型芯表面粗加工之后，对凹槽采用深度精加工。
刀具选择硬质合金带涂层球铣刀1mm，转速2500r/min，进给速度100mm/min，最小切削深度设置为0.1mm，全局每刀深度设置为0.2mm，选取需要加工的侧表面，部件侧面余量为0，部件底部面余量为0，图2.6为精加工刀具轨迹
图2.6精加工刀具轨迹
2.2.2.4精铣凸台-深度加工轮廓
型芯表面粗加工之后，对凸台采用深度精加工。
刀具选择硬质合金带涂层球铣刀2mm，转速3000r/min，进给速度300mm/min，最小切削深度设置为0.1mm，全局每刀深度设置为0.8mm，选取需要加工的侧表面，部件侧面余量为0，部件底部面余量为0，图2.7为精加工刀具轨迹。
图2.7精加工刀具轨迹。
2.2.2.5曲面铣-固定轮廓铣
在采用型腔铣加工模式加工中，分层加工立铣刀会留有阶梯状刀痕，所以一般在初步加工过曲面后采用固定轴加工，采用半精加工与精加工方式，精修曲面，以提高工件的表面质量。
选择使用最佳固定轴曲面区域加工的型芯表面作为加工区域，刀具选择硬质合金带涂层球铣刀6mm，转速4000r/min，进给速度1000mm/min，刀具进给百分比为1%，采用与水平成45°
或-45°
往复式半精加工与精加工方式来加工型芯表面。
图2.8为精加工刀具轨迹
图2.8精加工刀具轨迹。
2.2.3轨迹仿真加工
在“型腔铣”对话框“操作栏”中，单击“生成”图标，系统生成型腔铣的切削路线（刀轨）。
在“型腔铣”对话框“操作栏”中，单击“确认”图标，系统弹出刀轨可视化对话框。
选择“3D动态”选项卡，单击“播放”图标。
系统模拟实体切削。
2.3生成数控加工代码
在用UG生成数控程序之后,必须对数控程序进行后处理,才能满足不同机床、不同控制系统的特定要求。
这是因为由UG生成的刀轨文件只是通用性文件,而每台机床、控制系统对程序格式和指令都有不同的要求。
最后,将后处理之后的程序传入特定数控机床完成数控加工。
在FANUC数控系统的情况下,利用UG/Post完成后处理的精加工程序。
1、单击“后处理”图标，系统弹出后处理对话框。
2、根据提示“选择机床并指定输出文件”，选择“FANUC”后处理器，并按需要选择输出文件位置，单击“确定”按钮。
3、系统弹出“信息”窗口。
2.4机床实际操作加工
2.4.1机床的开机、回零操作
2.4.1.1开机前的注意事项
（1）操作人员必须熟悉该数控机床的性能，操作方法。
经机床管理人员同意方可操作机床。
（2）机床通电前，先检查电压、气压、油压是否符合工作要求。
（3）检查机床可动部分是否处于可正常工作状态。
（4）检查工作台是否有越位，超极限状态。
（5）已完成开机前的准备工作后方可合上电源总开关。
2.4.1.2开机、关机过程中的注意事项
（1）严格按机床说明书中的开机顺序进行操作。
（2）一般情况下开机过程中必须先进行回机床参考点操作，建立机床做标系。
2.4.1.3机床回参考点、对刀操作
（1）当机床电源接通开始工作之前或机床停电后再次接通数控系统的电源或是机床在急停信号或超程报警信号解除之后恢复工作时，都必须进行返回机床参考点的操作。
（2）对刀就是告诉机床工件装夹在工作台的什么地方，是通过确定对刀点在机床坐标系中的位置来实现。
加工中心中的对刀方法主要有采用寻边器对刀、碰刀（或试切）方式对刀、机外对刀仪对刀等。
分析该零件的加工实际及精度等要求，选择用试切的方式进行对刀。
在对刀操作过程中，还要分别测出所用刀刀位相对于理想刀位的刀位偏差值，存入对应的的刀补号位置。
2.4.2首件试切加工
首件试切加工准备工作及注意事项：
（1）编辑、修改、调试好程序。
首件试切必须进行空运行，确保程序正确无误。
（2）按工艺要求安装、调试好夹具，并清除各定位面的铁屑和杂物。
（3）按定位要求装夹好工件，确保定位夹紧正确可靠。
不得在加工过程中发生工件松动现象。
（4）安装好所要用的刀具，使用加工中心，则必须使刀具在刀库上的刀位号与程序中的刀号严格一致。
（5）按工件的编程原点进行对刀，建立工件坐标系。
若用多把刀具，则其余各把刀具分别进行长度补偿或刀尖位置补偿。
（6）设置刀具长度补偿值和刀具半径补偿值。
（7）确认冷却液输出通畅，流量充足。
（8）再次检查所建立的工件坐标系和刀具长度补偿值、刀具半径补偿值是否正确。
以上各项准备好后方可进行首件试切加工。
第三章数码相机外壳凹模模加工
2.1数控加工工艺
确定加工工艺路线、加工顺序
加工顺序的选择直接影响到零件的加工质量、生产效率和加工成本，因此我们必须很好的分析零件图、分析加工工艺路线以确定最好、最高效率的加工顺序。
一般情况一个零件的加工顺序应按照基面先行、先面后孔、先主后次、先粗后精的原则来确定，因此，根据零件图可知其加工顺序为先外形轮廓开粗和表面大面积挖槽开粗，然后对上一步进行精铣。
其次是对中小形的槽进行粗精加工。
最后是孔系加工。
选择加工用的刀具。
加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。
刀柄要联接刀具并装在机床动力头上，因此已逐渐标准化和系列化。
数控刀具的分类有多种方法。
根据刀具结构可分为：
①整体式；
②镶嵌式，采用焊接或机夹式连接，机夹式又可分为不转位和可转位两种；
③特殊型式，如复合式刀具，减震式刀具等。
根据制造刀具所用的材料可分为：
①高速钢刀具；
②硬质合金刀具；
③金刚石刀具；
④其他材料刀具，如立方氮化硼刀具，陶瓷刀具等。
从切削工艺上可分为：
①车削刀具，分外圆、内孔、螺纹、切割刀具等多种；
②钻削刀具，包括钻头、铰刀、丝锥等；
③镗削刀具；
④铣削刀具等。
为了适应数控机床对刀具耐用、稳定、易调、可换等的要求，近几年机夹式可转位刀具得到广泛的应用，在数量上达到整个数控刀具的30%～40%，金属切除量占总数的80%～90%。
在数控铣削加工中，刀具的选择直接影响着零件的加工质量、加工效率和加工成本，因此正确选择刀具有着十分重要的意义。
刀具的选择应遵循以下原则：
1、根据被加工型面形状选择刀具类型
平面轮廓加工一般选用平底立铣刀或圆角立铣刀，曲面交给你一般选用球头刀。
2、根据工件材料及加工要求选择刀具材料及尺寸
（1）选择刀具材料正确选择刀具材料，需要全面掌握金属切削的基本知识和规律，其中最主要的是了解刀具材料的切削性能和工件材料的切削加工性能与加工条件，紧紧抓住切削中的主要矛盾，同时兼顾经济性来决定取舍，一般遵循以下原则：
1）加工普通材料工件时，一般选用普通高速钢和硬质合金刀具；
加工难加工材料时，可选用高性能和新型刀具材料。
只有在加工高硬质材料或精密加工中，常规刀具材料不能满足加工精度要求时，才考虑用立方氮化硼（简称CBN）刀片和聚晶人造金刚石（简称PCD）刀片。
PCD的硬度可达6000~10000HV，CBN是硬度仅次于金刚石的一种人工合成无机晶体材料。
2）任何刀具材料的强度、韧性和硬度、耐磨性等方面总是难以完全兼顾的，在选择刀具时，可根据工件材料切削加工性何加工条件，通常先考虑耐磨性，崩刃问题尽可能用刀具合理参数解决。
如果因刀具材料太大造成崩刃，才考虑耐磨性要求，选用强度和韧性较好的刀具。
一般情况下，低速切削时，切削过程不稳定，容易产生崩刃现象，宜选用强度韧性好的刀具材料；
高速切削时，切削温度对刀具材料的磨损影响最大，应选择耐磨性好的刀具材料。
（2）选择刀具尺寸使用环形铣刀铣削内槽底部时，由于槽底两次进给路线需要搭接，而刀具底刃起作用的半径Re=0.95（R-r），式中的因数0.95是为了保证刀具微小磨损时仍能搭接而设置的保险因数。
立铣刀的尺寸参数，推荐按下述经验数据选取：
1）刀具半径应小于或等于被加工零件内轮廓面得最小曲率半径ρmin，一般取R=（0.8~0.9）ρmin。
2）铣刀的每刀加工深度（即零件的加工高度）H≤（1/4~1/6）R，以保证刀具有足够的刚度。
3）加工不通孔（深槽）时，选取刀具切削部分的长度为L=H+（5~10）mm。
4）加工外型及通槽时，选取L=H+r+（5~10）mm（r为端刃圆角半径）。
5）粗加工内轮廓时，铣刀最大直径D可按下式计算：
D=2（δsin0.5α-δ1）/（1-sin0.5α）D1
式中D1—轮廓的最小凹圆角直径（mm）；
δ—圆角邻边夹称等分线上的精加工余量（mm）；
δ1—精加工余量（mm）；
α—圆角两邻边的最小夹角（°
）。
3、根据从大到小的原则选取刀具尺寸
如果被加工零件上的内轮廓角半径ρmin过小，为提高加工效率，可先采用大直径的刀具进行粗加工，再按上述要求选择较小的刀具对轮廓上残留余量过大的局部区域进行处理，然后再对整个轮廓进行精加工。
合理选择切削用量、切削液、切削方法
随着数控机床在生产实际中的广泛应用，数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一。
在数控程序的编制过程中，要在人机交互状态下即时选择刀具和确定切削用量。
因此，编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则，从而保证零件的加工质量和加工效率，充分发挥数控机床的优点，提高企业的经济效益和生产水平。
1、切削用量包括主轴转速n、切削深度t或宽度B、进给速度vf和背吃刀量ap等。
切削用量的大小对切削力、切削功率、刀具磨损、加工质量和加工成本均有显著影响。
对于不同的加工方法，需选择不同的切削用量，并应编入程序单内。
以下是编程时几种切削用量参数的设定参考
（1）切削深度t。
在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，t就等于加工余量，这是提高生产率的一个有效措施。
为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。
数控机床的精加工余量可略小于普通机床。
（2）切削宽
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