储物桶模具设计与数控加工三维ProE与MasterCAM自动编程.docx

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储物桶模具设计与数控加工三维ProE与MasterCAM自动编程

目录

1绪论1

1.1模具产业技术结构的现状1

1.2模具CAD/CAM技术的发展趋势1

1.3模具的发展趋势2

1.4模具的设计步骤2

1.5本课题研究的主要内容3

2储物桶踏板零件模具设计方案4

3踏板的开模设计6

3.1型腔数量的确定及型腔排列6

3.2调入模具参考模型并设置收缩率6

3.3设计分型面7

4模具结构设计11

4.1浇注系统的组成及设计原则11

4.2主流道设计11

4.3分流道设计12

4.4浇口设计13

4.5排气系统的设计14

4.6冷却系统的设计15

4.7模具顶出机构的设计16

4.8模架结构的型号与规格18

5踏板模具MasterCAM数控加工19

5.1踏板凸模的MasterCAM数控加工19

5.2踏板凹模的MasterCAM数控加工25

5.3程序后处理29

5.4利用AutoCAD完成工程图绘制30

结束语31

致谢32

参考文献33

1绪论

1.1模具产业技术结构的现状

随着社会的进步以及各行各业的技术进步，模具产业技术结构必须与其相适应。

就整个模具制造技术来说，过去传统的模具设计和加工技术正在向数字化和信息化时代迈进，模具企业正在用高新技术对传统的模具制造技术进行改造。

我国模具产业技术起步晚，底子薄，与工业发达国家相比有很大的差距，但在国家产业政策和与之配套的一系列国家经济政策的支持和引导下，我国模具产业迅速发展，模具产业总产值逐年递增，年增长率均超过12%；与此同时，我国模具产品进口金额增幅呈逐年下降的趋势，出口的比例每年加大（尤其是2002年以来），进出口比例正渐渐趋于合理。

总而言之，我国模具工业的技术水平近年来取得了长足的进步。

大型、精密、复杂、高效和长寿命模具上了一个新台阶。

许多国家将制造业向我国转移,模具工业正面临空前的发展机遇。

1.2模具CAD/CAM技术的发展趋势

传统的模具设计大多数采用手工设计的方法，工作较繁琐，模具的设计工作量大、周期长、任务急。

引入模具CAD/CAM技术后，传统的手工设计工作可以通过计算机来完成，不仅提高了设计效率，而且设计质量也加强了，更方便的是它能自动绘制模具装配图和零件图。

就目前的现状来，CAD/CAE/CAM技术已普遍应用，但普及面还不够广，应用水平还有待加强。

由于对模具要求的程度越来越高，传统的制模方法已经不能满足需要，这就促使了CAD/CAM技术在模具业中的应用。

发达国家从20世纪50年代就开始模具CAD/CAM的研究。

到20世纪80年代，模具CAD/CAM技术已经广泛应用于冷冲模具、锻造模具、注射模具、压铸模具的设计与制造。

模具CAD/CAE/CAM正向集成化、网络化、智能化、并行化发展。

而集成化即是CAD/CAM技术发展的一个最为显着的趋势，它是指把CAD、CAE、CAM、CAPP以至PPC（生产计划与控制）等各种功能不同的软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，保证系统内部信息流的畅通并协

调各个系统有效地运行[1]。

1.3模具的发展趋势

（1）模具产品将向着更大型、更精密、更复杂及更经济快速方向发展；模具生产将朝着信息化、无图化、精细化、自动化方向发展；模具企业将向着技术集成化、设备精良化、产品品牌化、管理信息化、经营国际化方向发展[2]。

（2）模具CAD／CAE／CAM／PDM正向着集成化、三维化、智能化、网络化和信息化的方向发展[3]。

（3）模具的质量、价格、周期、服务四要素中，已有越来越多的用户将周期放在首位，尽量要求快速交货，因此模具生产周期将继续不断缩短。

（4）大力提高开发创新能力，不断将开发工作往前推，直至介入到模具用户的产品开发中去，做到变被动为主动。

（5）随着模具企业设计和加工水平的提高，过去以钳工为核心，大量依靠技艺的现象已有了很大变化。

模具正从长期以来主要依靠技艺而变为今后主要依靠技术[4]。

这不但是一种生产手段的改变，也是一种生产方式的改变，更是一种观念的改变。

这一趋向使得模具标准化程度不断提高，模具精度越来越高，生产周期越来越短，最终促使整个模具工业水平不断提高。

（6）高速加工、精益生产、复合加工、敏捷制造及新材料、新工艺、新技术将不断得到发展。

1.4模具的设计步骤

注射模具的设计，在传统上一般按如下步骤进行：

（1）确定型腔的数目。

确定方法有多种，如锁模力、根据最大注射量、根据制品精度要求、根据经济性等，在设计时应根据实际情况采用哪一种方法。

（2）选定分型面。

虽然在制品设计阶段分型面已经考虑或者选定，在模具设计阶段仍应再次校核。

从模具结构及成形工艺的角度判断分型面的选择是否合理。

（3）型腔的配置。

这是模具结构总体方案的规划和确定。

因为一旦型腔布置完毕，浇注系统的走向和类型便已确定。

冷却系统和脱模机构在配置时也必须给予充分的注意。

要避免各种系统的干涉。

布置结束后，模板的外形尺寸基本上就可以确定下来。

在此基础上可以选定合适的模架。

（4）确定浇注系统。

浇注系统设计的合理性对制品的质量和生产效率有着决定性的影响。

（5）确定脱模方式。

在确定脱模方式时首先要确定制品和流道凝料滞留哪一侧，必要时要设计强迫制品滞留的结构（如拉料杆），然后再决定是采用的是推杆结构还是推件板结构。

（6）冷却系统和脱模机构的结构设计。

冷却系统与脱模机构的同步设计有助于两者的很好协调。

（7）确定凹模和型芯的结构和固定方式。

当采用镶块式凹模或型芯时，应合理地划分镶块并同时考虑到这些镶块及镶块固定板的强度、刚度、可加工性、紧固性及可更换性。

（8）确定排气方式。

由于在一般的注射模中注射成形的气体可以通过分型面和推件杆处的空隙排出，因此，注射模具的排气问题往往被忽略。

（9）用Pro/E软件绘制模具的三维装配图，模具三维装配图上的各标准件应尽量按照国家标准绘制。

（10）用Pro/E软件将三维模具装配图及三维模具零件图转换为二维工程图。

二维装配工程图中要清楚的表明各零件的装配关系，以便于工人装配。

装配图上应尽量包括主要尺寸，并填写名细表和标题栏，还应有技术要求。

1.5本课题研究的主要内容

1本课题主要研究的是储物桶零件（踏板）的模具设计，通过实习观察以及查阅相关资料后，对模具有了一定的了解，因此要完成此次设计主要考虑以下几个方面的设计问题：

（1）确定储物桶踏板零件的塑料模具设计方案；

（2）Pro/E模具开模设计；

（3）三维模具结构设计；

（4）凹、凸模的MasterCAM自动编程加工。

2拟采用的研究手段

（1）熟练运用Pro/E软件进行踏板的三维造型；

（2）熟练运用Pro/E软件进行模具的开模设计；

（3）熟练运用塑料模的相关知识，进行模具的相关结构设计；

（4）熟练运用MasterCAM软件进行凹凸模零件的自动编程，并实现仿真模拟加工。

2储物桶踏板零件模具设计方案

本课题是对储物桶的踏板零件进行模具设计，为了便于进行模具设计和方便后续的凹凸模数控编程自动加工，我们首先运用Pro/ENGINEER对储物桶进行三维造型设计。

如图2.1.1是储物桶的三维造型，它由桶盖、桶身、踏板和拉杆组成，本课题是对其中的踏板零件进行模具设计，踏板的结构形状如图2.1.2。

图2.1.1储物桶三维造型

图2.1.2踏板零件三维造型

分析储物桶踏板零件结构，确定该零件的三维造型分以下几个步骤来完成，如图2.1.3所示。

其二维图如图2.1.4所示。

创建两侧销

拉伸弧型筋

图2.1.3踏板零件创建步骤

图2.1.4踏板零件图

该零件的表面除要求没有缺陷、毛刺，内部不得有导电杂质外，没有特别的表面质量要求，故比较容易实现。

注射时在工艺参数控制得较好的情况下，零件的成型要求可以得到保证[5]。

考虑到踏板零件上有两个小的圆柱，为了分模方便，我们拟定以踏板零件小圆柱的上下对称面处进行分型，小凸耳的小圆孔由于装配中位置尺寸要求不高，所以，为了方便模具的设计制造，小圆孔可在踏板注塑之后，钻孔而成。

3踏板的开模设计

3.1型腔数量的确定及型腔排列

模具型腔数量的确定主要是根据产品的投影面积、几何形状（侧抽芯的有无）、产品的精度、批量以及经济效益来确定。

型腔数量的确定主要依据以下几方面的因素：

（1）产品重量与注射机的注射量；

（2）产品的投影面积与注射机的锁模力；

（3）模具外形尺寸与注射机安装模具的有效面积；

（4）产品的精度；

（5）产品的颜色；

（6）产品的生产批量；

（7）产品的经济效益。

型腔数量确定之后，便进行型腔的排列，即型腔位置的布置。

型腔的排列涉及模具尺寸、浇注系统的设计、浇注系统的平衡、抽芯（滑块）机构的设计、镶件及型芯的设计以及冷却系统的设计[6]。

以上这些问题又与分型面及浇口位置的选择有关。

因此综合上述所考虑的因素，本次设计的产品，由于生产批量相当少，每台线切割机床上仅安装四只，因此将采用一模一腔布置，以便达到比较完美的设计。

3.2调入模具参考模型并设置收缩率

在pro/e中新建制造的模具型腔，装载所创建的踏板零件。

约束FRONT面和MAIN_PARTING_PLN配匹、约束RIGHT面与MOLD_RIGHT对齐、约束TOP面和MOLD_FRONT对齐，实现踏板零件的装配约束，如图3.2.1所示。

在菜单管理器中设置收缩率为0.005。

图3.2.1调入参考模型

3.3设计分型面

3.3.1分型面的基本形式

分型面的形式由塑料的具体情况而定，但大体上有平面式分型面、阶梯式分型面、斜面式分型面、曲面式分型面、综合式分型面[7]。

3.3.2分型面选择的基本原则

（1）保证塑料制品能够脱模。

（2）使分型面容易加工。

（3）尽量避免侧向抽芯。

（4）使侧向抽芯尽量短。

（5）有利于排气。

（6）有利于保证塑件的外观质量。

（7）尽可能使塑件留在动模一侧。

（8）尽可能满足塑件的使用要求。

（9）尽量减少塑件在合模方向的投影面积。

（10）长型芯应置于开模方向。

3.3.3踏板分型面创建过程

（1）设计毛坯工件

通过右侧的工具按钮

设置毛坯尺寸，如图3.3.1所示。

工件如图3.3.2所示。

图3.3.1

图3.3.2

（2）设计分型面

在设计分型面前，先将毛坯工件临时隐藏起来，便于后面复制参考模型的曲面。

点击操作接口右侧的工具按钮

，进入分型面创建界面。

图3.3.3复制的外表面

取消遮蔽，进行分型面的创建。

图3.3.4

为了确保踏板的销的成型，这个地方的草绘线不是通过下底面的一条水平线，而是在中间部分向上偏距一段距离，偏距线经过旋转销的中心，偏距线的长度设为25mm。

按下Ctrl键，同时选中上面创建的复制面与拉伸面，选择“编辑”→“合并”，选择正确的合并方向,进行合并，隐藏毛坯得到分型面，如下图3.3.5。

图3.3.5a曲面合并

图3.3.5b分型面

（3）分割体积块

取消隐藏，利用分割体积块按钮完成上下体积块的创建。

（4）抽取模具组件

选择菜单管理器中的“模具组件”→“抽取”,完成模具组件的抽取。

（5）铸模

在菜单管理器中选择铸模创建。

（6）开模

在开模前先将参考模型、毛坯工件和分型面隐藏起来；

选择菜单管理器中的“模具进料孔”→“定义间距”→“定义移动”，上模上移100mm，下模下移100mm，结果如图3.3.6所示。

图3.3.6踏板模具

4模具结构设计

4.1浇注系统的组成及设计原则

注射模具的浇注系统通常由主流道，分流道，浇口，冷料穴和排气槽或溢流槽等部分组成，在注射模具设计中对浇注系统进行合理布局和形式的选择是一个重要的环节。

在设计注射模的浇注系统时应注意以下几项原则。

（1）根据塑件的形状和大小以及壁厚等诸因素，并结合选择分型面的形式选择浇注系统的形式及位置[8]。

（2）根据所确定的塑件型腔数设计合理的浇注系统布局。

（3）应根据所选用塑件的成型性能，特别是它的流动性能，选择浇注系统的截面积和长度，并使其圆滑过渡以利于物流的流动。

刀路展开串连管理器

选择下图5.1.6所示的切削边界，系统生成图5.1.7刀路；

图5.1.6重选切削边界图5.1.7修改后的刀路

（7）φ4平底刀用挖槽刀路精加工分型面1

在菜单栏点选“刀具路径”→“挖槽”，产生挖槽刀路；

在弹出的对话框的“切削范围边界”栏中选取如图5.1.8所示的图素；

在系统弹出的挖槽刀路对话框中设置进给率：

1200；下刀速率：

300；提刀速率：

500；主轴转速：

2000。

设置挖槽加工形式为“平面加工”；选择粗切方式为“平行环切清角”，系统产生如图5.1.9所示的平面挖槽刀路。

图5.1.8挖槽串连曲线1图5.1.9平面挖槽刀路

（8）平底刀用挖槽刀路精加工分型面2

复制第4步生成的挖槽刀路；

修改挖槽串连曲线如图5.1.10所示。

生成如图5.1.11所示的刀路。

图5.1.10挖槽串连曲线2图5.1.11挖槽刀路2

（9）φ4平底刀用面铣刀路精加工凸台1

隐藏刚生成的刀路显示，在菜单栏点选“刀具路径”→“面铣”，产生面铣刀路；

在系统弹出的选择串连曲线对话框，选择图5.1.12所示的图素，单击确定按钮。

刀具规格及切削参数设置同上。

单击“平面加工参数”选项卡，设置参考高度为绝对坐标50，进给下刀位置为增量坐标10，深度为绝对坐标4；进退刀引线长度为50%，切削方向超出50%，截断方向的超出量为5%。

系统产生如图5.1.13所示的面铣刀路。

图5.1.12面铣刀路串连曲线1图5.1.13面铣刀路

（10）φ4平底刀用挖槽刀路精加工凸台2

复制第6步生成的面铣刀路；

修改串连曲线如图5.1.14所示，单击确定按钮。

生成如图5.1.15所示的面铣刀路。

图5.1.14面铣刀路串连曲线2图5.1.15面铣刀路

（11）φ2平底刀用外形铣刀路精加工凸台轮廓

设置进给率：

1200；下刀速率：

300；提刀速率：

500；主轴转速：

2000；加工深度设为绝对高度0；加工预留量为0；系统产生下图5.1.16所示的外形铣刀路。

外形铣刀路串连曲线外形铣刀路

图5.1.16

5.2踏板凹模的MasterCAM数控加工

5.2.1数控加工分析

如图5.2所示。

图5.2加工步骤

5.2.2具体创建过程

（1）踏板凹模CAD模型的导入及定向

从Pro/E中导出踏板凹模文件tiaban_shang.prt到MasterCAM中并进行合理的定向，结果如图5.2.1所示。

图5.2.1

（2）选择机床类型

在菜单栏点选“机床类型”，从下拉菜单中选择“铣削/默认”。

（3）工件的设置

单击刀路管理器中的“属性”标题，展开子项，双击“材料设置”标题，弹出机床组参数设置选项卡，单击选项卡中的“边界盒”按钮，完成毛坯工件的设置。

（4）φ10R2圆鼻刀用曲面粗加工挖槽刀路开粗

在菜单栏点选“刀具路径”→“曲面粗加工”→“曲面粗加工挖槽”，框选所有的曲面。

如图5.2.2所示。

图5.2.2粗加工挖槽刀路切削边界

在弹出的“曲面粗加工挖槽”对话中，选择φ106R2的圆鼻刀，设置进给率：

800；下刀速率：

300；提刀速率：

500；主轴转速：

1000；

设定参考高度为绝对高度30，进给下刀位置为绝对高度10，加工预留量为0.3；

设定Z轴最大进行给量为0.3；设定粗切方式为依外形环切，单击确定按钮，生成图5.2.3刀路。

图5.2.3粗加工挖槽刀路

（5）φ8平底刀用挖槽刀路加工台阶面

隐藏刚生成的刀路显示，在菜单栏点选“刀具路径”→“挖槽”，产生挖槽刀路；

在系统弹出的挖槽刀路对话框中。

设置进给率：

800；下刀速率：

300；提刀速率：

500；主轴转速：

1200；

设置挖槽加工形式为“标准挖槽”；

加工深度为绝对高度-4，加工余量为0；选择粗切方式为“双向”，切削角度为90。

如图5.2.4。

挖槽刀路串连曲线平面挖槽刀路

图5.2.4

（6）φ3R0.2圆鼻刀用曲面粗加工挖槽刀路局部开粗1

切削边界图局部开粗刀路1

图5.2.5

在弹出的“曲面粗加工挖槽”对话中，选择φ3R0.2的圆鼻刀，设置进给率：

800；下刀速率：

300；提刀速率：

500；主轴转速：

1200；

设定参考高度为绝对高度30，进给下刀位置为绝对高度10，加工预留量为0.3；设定Z轴最大进行给量为0.3；

设定粗切方式为等距环切，单击确定按钮，生成图5.2.5示刀路。

（7）φ3R0.2圆鼻刀用曲面粗加工挖槽刀路局部开粗2

复制上一步刀路，更改切削范围，生成图示的零件另一侧的局部粗加工挖槽刀路。

如图5.2.6。

图5.2.6局部开粗刀路2

（8）φ3R0.2圆鼻刀用曲面精加工平行铣刀路1精加工型腔

设置进给率：

1000；下刀速率：

300；提刀速率：

500；主轴转速：

2000；

设定参考高度为绝对高度20，进给下刀位置为绝对高度10，加工预留量为0；设定最大切削间距为0.1，加工角度为45°，生成图5.2.7所示刀路。

图5.2.7曲面精加工平行铣刀路1

（9）φ3R0.2圆鼻刀用曲面精加工平行铣刀路2精加工型腔

复制上一步刀路，修改加工角度为135°,生成下图5.2.8所示刀路。

图5.2.8曲面精加工平行铣刀路2

（10）φ2球刀用曲面精加工平行铣刀路局部精加工1

设置进给率：

1000；下刀速率：

300；提刀速率：

500；主轴转速：

2500；

设定参考高度为绝对高度20，进给下刀位置为绝对高度10，加工预留量为0；设定最大切削间距为0.1，加工角度为90°，生成图5.2.9所示刀路。

图5.2.9局部精加工刀路1图5.2.10局部精加工刀路2

（11）φ2球刀用曲面精加工平行铣刀路局部精加工2

重复上一步刀路，修改切削边界，生成图5.2.10所示的另一侧局部精加工刀路2；

至此，该凹模的数控铣加工完成，加工效果如图5.2.11所示。

图5.2.11加工效果图

5.3程序后处理

利用MasterCAM编制完加工步骤后还必须对加工程序进行程序后处理，以适应不同数控操作系统或机床类型的加工要求,如图5.3。

图5.3

5.4利用AutoCAD完成工程图绘制

模具结构设计及其零件的加工都是要有工程图纸的。

PRO/E可以绘制二维工程图纸的，还可以标注尺寸，并在工程图中增加注释、用层来管理不同类型的内容、支持多文档等[16]。

不过它绘制工程图的时候，特别是标注尺寸等技术文字的便捷性时还真不如CAD，而且用CAD软件绘制的工程图的通用性也是其他软件无法比拟的。

因此，模具设计过程中还需利用CAD进行模具结构设计及其零件工程图的绘制。

根据模具的具体结构，在标准模板视图基础上补画各零件结构视图，并绘制标准零件图框，完成零件图。

绘制踏板模具装配图以及标准图框，把技术要求、模具视图等加入标准图框里，然后再绘制标题栏，这就是模具装配图。

具体的模具制造工艺是根据不同工件相对应的机加工或者电加工工序制订并完成得，所有踏板的二维图和踏板模具的装配图都完成以后，模具就有了可靠的生产加工、安装、调试以及修配，这样，全套踏板模具的设计就完成了。

结束语

本次毕业设计是对我们大学四年所学知识的一次总测验，是一个很好的锻炼过程，也是对自己四年来所学知识及运用知识能力的检验。

在此期间，针对设计内容进行了大量的工作，顺利完成了毕业设计中所提出的各项任务，达到了毕业设计的目的。

通过此毕业设计，掌握了模具设计的方法和步骤，并结合具体的零件进行了具体的设计工作，让我初步树立了正确的设计思想，更好的掌握了通用机械零件的设计原理、方法和设计的一般规律，锻炼了运用标准、规范、手册、图册和查阅有关资料的能力。

有一点重要感悟是，模具质量的好坏除加工因素外，最重要的是合理的模具结构设计，尤其是对有倒钩、侧凹或侧面凸台的产品的模具抽芯机构的设计。

本次设计也暴露出不少的缺点和问题：

对于所学知识还没有做到仔细、认真消化，许多方面还是只有一个大概的认识，没有深入探讨，对实际事物没有深刻的了解，没有做到理论联系实际，没有达到对所学的知识熟练运用的水平。

总而言之，本次设计加强了我对各项知识的综合运用能力，也让我明白学好专业知识是未来在社会立足的根本。

致谢

本研究及学位论文是在我的导师张斌副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。

她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。

在她的细心帮助下，我很少出错误，少走了不少弯路。

从课题的选择到项目的最终完成，张老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。

她视野广阔，为我营造了一种良好的学术氛围，使我树立了明确的学术目标，领会了基本的思考方式。

值此毕业设计完成之际，谨向敬爱的张斌老师表示衷心的感谢！

此外，我还要特向龚光荣教授致以衷心的谢意！

向他无可挑剔的敬业精神、严谨认真的治学态度、深厚的专业修养和平易近人的待人方式表示深深的敬意！

同时感谢张少文老师、刘艳老师、陈涛老师等几年来对我的教育和栽培。

最后还要感谢学校对我的大力栽培,感谢大学四年来所有的老师和朋友，正是有了他们无微不至的帮助和关怀，才使我在机械专业方面打下的坚实的基础，正因为有了这些专业知识才使这次毕业设计能够顺利完成。

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