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
毕业设计说明书（论文）中文摘要
本文用Pro/E完成储物桶踏板零件的三维造型设计，论文还对分型面、浇注系统、脱模机构和温度调节系统进行了分析设计，完成了模具三维模型和工程图设计。
最后采用MasterCAM软件，完成了踏板的凹凸模数控加工的自动编程，并实现了仿真模拟。
通过设计，综合应用了大学期间的多数基础和专业知识，加深所学知识体系，掌握了应用Pro/E进行塑料模具的设计方法和技巧。
采用MasterCAM自动编程，使学生掌握刀路设计及参数设计的步骤和原则。
关键词CAD/CAM注射模工艺设计MasterCAM
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleTheMoldDesignandNCMachining
（1）OfStorage
Bucket（3DPro/E）
Abstract
Thispaperdescribesthathowtocompletethepedal's3Ddesignofstoragedrum.Theirrigatesystem,parting,shuckinstitutionandtemperatureadjustsystemwerealsodesigned.Thetriaxialitymodelsandthescheduledrawingsofthemouldweredone.Finally,MasterCAMsoftwarewillbeusedtocompletetheNCautomaticprogrammingofpedalbumpmould.Atthesametime,TheSimulationwillbeachieved.
Throughthisdesign,theknowledgeofmorebasicandspecialtywassyntheticallyapplied.Thesystemofknowledgewelearnedwasintensified.
ThemethodsandskillsofdesigningplasticmouldwithPro/ENGINEERweremastered.WithingtheAutomaticprogrammingofMasterCAM,thestudentshavemasteredthedesignoftoolpath,thestepsandtheprinciplesof
Parametersdesigning.
KeywordsCAD/CAMPlasticinjectionmouldProcessdesignMasterCAM
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。
（4）应尽量的缩短物料的流程和便于清除料把，以节省原料，提升注射效率。
（5）排气良好。
4.2主流道设计
主流道是指熔融的塑料由注射机喷嘴最先经过的部位，它将塑料熔体从喷嘴引入到模具[9]。
（1）主流道尺寸设计
主流道是一端和注射机喷嘴接触，一端又与分流道相连的一段带有锥度的流动通道。
主流道小端尺寸根据浇口的大小确定。
（2）主流道衬套的形式
注射机喷嘴和流道小端入口处经常接触、碰撞，属于易磨损件，所以它对材料要求高，因此模具主流道部分通常设计成可更换拆卸的主流道衬套形式，俗称浇口套，这样就可以更有效的选用优质钢材单独的进行加工和热处理了。
由于浇口套均是标准件，所以具有良好的互换性。
浇口套的规格有Φ12，Φ16，Φ20等几种。
我所选的注射机的喷嘴半径为12mm，现选用直径为16mm的浇口套。
如图4.1。
图4.1a浇口套二维图
图4.1b浇口套零件图
（3）主流衬套的固定
由于主流道与熔融注射机喷嘴反复接触、碰撞，一般浇口不直接开设在定模上，为了制造方便，而是都制成可拆卸的浇口套，并且用螺钉固定在定模板上。
4.3分流道设计
分流道是主流道与型腔浇口的一段流道，用于一模多腔和一腔多浇口时，将从主流道的熔体分配至各型腔或同一型腔的各处，起着对熔体的分流转向作用。
本设计为单腔模具采用的是单浇口，所以没有分流道。
4.4浇口设计
浇口是连接流道与型腔之间的一段细短通道，是浇注系统的关键部位，起着控制调节料流速度、补料时间及防止倒流等作用。
浇口的形状、尺寸和进料位置等对塑件成型质量影响很大。
（1）浇口的作用
熔体充模后，首先在浇口处凝固，当注射机螺杆抽回时可防止熔体向流道回流。
熔体在流经狭窄的浇口时回产生摩擦热，使熔体升温，有助于充模[10]。
浇口的基本类型很多，例如有：
直接浇口、盘形浇口、分流式浇口、轮辐式浇口、爪形浇口、点浇口、侧浇口（矩形侧浇口、扇形浇口、平缝式浇口）、环形浇口、潜伏式浇口、多级浇口。
（2）浇口的设计遵循以下原则
（a）浇口尺寸和位置的选择应绝对避免熔体破裂而产生喷射和蠕动；
（b）浇口位置的选择和尺寸形状的设计要利于熔体的流动、型腔的排气和补料等等；
（c）最佳浇口位置应使熔体的流程最短，熔体料流变向最少，并且要防止型芯的变形；
（d）浇口位置应考虑定位作用对塑件性能的影响；
（e）浇口位置及数量的选定要有利于减少熔接痕和增加熔接强度；
（f）浇口的位置应尽量设在不影响塑件外观质量的的位置。
（3）点浇口概述及优点
点浇口是截面形状小如针点的浇口，点浇口由于截面尺寸小具有许多明显的优点：
（a）由于浇口的截面积尺寸比较小，一般地d=0.5mm～1.8mm，当熔料通过时，有很高的剪切速率和摩擦，产生热量，提高熔料的温度和降低熔料黏度，有利于熔料的流动，从而能获得外形清晰、表面光泽的塑料制品；
（b）塑料制品的浇口在开模的同时即被拉断，浇口痕迹呈不明显的圆点状，所以点浇口可在塑件的表面及任何位置，并不影响制品的外观；
（c）点浇口一般开在塑件顶部，因其注射流程很短，拐角小，排气条件又好，因此很容易成型；
（d）适用于外观要求较高的壳零件或盒类塑件的单腔模、多腔模等各种模具，使用比较广泛。
（4）采用点浇口时应注意的问题
（a）由于点浇口的直径较小，所以熔料流过点浇口的速度必然增大，从而在浇口附近会产生较大的内应力，容易引起翘曲、变形等缺陷，并形成局部脆弱点，影响塑件质量[11]；
（b）为了清除浇注凝料，必须另设一模板，采用比较复杂的三板式模具结构，增加了制模成本；
（c）不宜成型平薄塑件或不允许有变形的塑件；
（d）由于浇口附近熔料流速很高，造成分子告诉定向，增加局部应力，在壁薄的塑件容易发生开裂现象。
由于踏板零件安装在储物桶下侧部位，其外观要求不是太高，因此本次模具的设计采用直接浇口，直接浇口能够让熔体直接经浇口进入型腔，因此压力损失较小，充型较容易，还能适应各种塑料。
4.5排气系统的设计
4.5.1排气系统概述
排气系统的作用是在注射过程中，将型腔中的气体有序而顺利地排出，以免塑件产生气泡、疏松等缺陷。
注射过程中需排出的气体有以下几种：
（1）浇注系统和型腔中原有的自然空气；
（2）塑料含有的水分在注射温度下蒸发而形成的水蒸气；
（3）塑料熔体在受热或凝固时分解产生的分子挥发气体；
（4）塑料熔体中某些添加剂的挥发或因化学反应产生的气体。
4.5.2排气系统的排气形式
排气系统对确保制品成型质量起着至关重要的作用，其排气方式有以下几种：
（1）利用排气槽。
排气槽一般设计在型腔最后被充满的部位。
排气槽的深度因塑料不同而异，基本上是以塑料不产生飞边时所允许的最大间隙来确定[12]；
（2）利用型芯、镶件、顶针等的配合间隙或专用排气塞排气；
（3）有时为了防止制品在顶出时造成真空变形，必须设计进气销；
（4）有时为了制品与模具的真空吸附，而设计仿真空元件。
本设计将采用第
（2）种形式，利用型芯、顶针等的配合间隙来进行排气。
4.6冷却系统的设计
4.6.1冷却系统概述
注塑成型时，模具温度直接影响塑胶的填充和塑胶制品的质量，也影响到注塑周期。
因此在使用模具时必须对模具进行有效地冷却，是模温保持在一定的范围内。
模具的有效冷却就是将熔融状态的熔料传导给模具的热量，尽可能迅速全部地传递出去。
4.6.2冷却系统的类型
冷却模具通常以水、油或压缩空气作为冷却介质。
由于水的热容量大、传热系数大、成本低、使用方便、冷却效果好等特点，冷却介质普遍采用水作冷却介质。
本次模具设计就是采用水作为冷却介质。
4.6.3冷却水道的结构形式
冷却水道的结构形式大体可以分为以下几类：
（a）沟道式结构它是直接在模具或模板上钻孔或铣槽，通入冷却介质。
特点是冷却介质接触模体，直接传导热量，结构简单，冷却效果较好；（b）管道式结构在模具上钻孔或铣槽，在孔内嵌入导热性较好的铜管，用欧冠低熔点合金固定铜管的冷却方式。
它多用于所要求的冷却回路较难加工时。
但是由于与成型零件的接触面积很小，其传导效果不好，在通常情况下，很少采用；（c）导热杆式结构在型芯内插入导热效率较高的铍铜合金，在其端部进行冷却。
一般适用于细长成型芯的冷却。
本设计采用沟道式结构冷却回路系统，直接在模具或模板上钻孔或铣槽。
冷却道如下图4.2。
图4.2冷却道
4.7模具顶出机构的设计
4.7.1注射模具的顶出机构
顶出机构的分类：
按驱动方式分类可分为：
手动顶出、机动顶出、气动顶出。
按模具结构分类可分为：
一次顶出、二次顶出、螺纹顶出、特殊顶出。
顶出机构的设计原则：
（1）开模时应使塑件留在动模一侧
注射设备的顶出装置都设计在动模一侧，因此，在一般情况下开模时，尽量设计使塑件留在动模一侧，以便于顶出塑件。
这在分型面的选择时就应充分考虑[13]。
（2）保证塑件外观完美无损
塑件在成型顶出后，一般都留有顶出痕迹，但应尽量使顶出的残留痕迹不影响塑件的外观，这是在选择顶出形式和顶出位置时必须要考虑到的问题。
一般顶出机构应设置在塑件的内表面以及不显眼的位置。
（3）避免顶出损伤
顶出装置力求均匀分布，顶出力作用点应在塑件承受顶出力最大的部件，即不易变形或损伤的部位，尽量避免顶出力作用于最薄的部位，防止塑件在顶出过程中的变形和损伤。
（4）顶出机构应平衡顺畅，灵活可靠
顶出零件应有足够的机械强度和耐磨性能，使其在相当长的运作周期内平稳顺畅，无卡滞现象，并力求制造方便，容易维修。
4.7.2推板顶出机构
顶出机构的分类：
按驱动方式分类可分为：
手动顶出、机动顶出、气动顶出。
按模具结构分类可分为：
一次顶出、二次顶出、螺纹顶出、特殊顶出。
本设计采用推板顶出机构。
它的结构形式是在型芯的根部安装一块与型芯根部形状相同的，但与之滑动配合的顶板，顶板沿型芯周边平行移动，将塑件平行顶出。
顶杆如图4.3所示。
图4.3
推件板顶出的特点是：
顶出位置均在脱模力较大的塑件边缘区，其顶出面积大，有效的顶出力大。
运动平稳，顶出力均匀，塑件不易变形。
无需设顶出机构的复位装置，合模时，推件板靠合模力的作用，带动顶出机构同时复位[14]。
在该模具设计中考虑到可顶出面较大，则需要顶出力较大，若采用推件板顶出，对于本结构而言，由于工件的底部凹进去了，这样的话，则需要对推板进行大面积的精加工，加工时间增加的同时，还加大了制造成本，因此，本设计采用了多推杆装置。
如图4.4所示。
图4.4顶出机构
4.8模架结构的型号与规格
根据前面型腔的布局，再根据成型零件尺寸设计了模架。
（1）定模座板（420mm×300mm，厚为25mm）
定模座板是模具与注射机连接固定的板，材料为Q235A。
通过6个M12的内六角圆柱螺钉定模板连接。
（2）定模板（420mm×250mm，厚70mm）
用于固定型芯。
固定板应有一定的厚度，并有足够强度，一般用45号钢，调质到230HB～270HB。
（3）动模座板（420mm×300mm，厚为25mm）
材料为Q235A，其上的注射机顶孔为直径100mm。
（4）动模板（420mm×250mm，厚50mm）
材料为45。
（5）顶杆
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