1、武汉科技大学本科毕业设计1目录1 课题的意义和目的 .21.1 课题的意义 .21.2 课题的目的 .22 研究现状 .32.1 我国模具工业发展状况 .32.2 我国模具工业发展趋势 .42.3 模具的智能化设计技术在模具行业的应用 .52.4 模具 CADCAECAM 技术 .62.5 模具的优化设计在模具行业的应用 .72.6 快速成形技术在模具生产中的应用 .82.7 高速切削技术 .93 设计内容 .114 设计进度计划 .125 参考文献 .136 导师意见 .14武汉科技大学本科毕业设计21 课题的意义和目的1.1 课题的意义中国模具就如同我国以往的钢铁行业发展状况，虽然生产总量
2、已位居世界前列，但设计制造水平在总体上与世界先进水平相比落后很多。我国技术含量低的模具已供大于求，市场利润空间狭小；中、高档模具技术含量远不适应于国民经济发展的需要。【1】 由于在精度、寿命、制造周期及能力等方面，与国际水平和工业先进国家相比尚有较大差距，至今还不能满足我国制造业发展的需要，特别是在精密、大型、复杂和长寿命模具生产方面，仍旧供不应求。模具标准件的应用的日渐广泛，模具标准化及模具标准件的应用极大地影响了模具的制造周期。使用模具标准件不但能缩短模具制造周期，而且能提高模具质量和降低模具制造成本。因此，模具行业迫切需要更加细致的社会分工来提高生产效率和设计的专业化水平，从而提高模具制
3、造业的整体经济效益和竞争能力。由此，我国的模具技术水平发展很快，取得了可喜的成就，但面临的问题也很多，要充分利用目前制造业逐步国际化以及世界制造业向中国转移的机遇，及时调整我国模具产业的产品结构，促进我国模具行业的整体水平早日与国际先进水平接轨。 【2】1.2 课题的目的本次毕业设计的任务是一汽车实际零部件：纵向摆臂支架组件（某一冲压工序）冲压工艺与模具设计，通过对此工件进行成形工艺的设计与模具的设计，包括生产的经济性分析和工艺分析和在pro/e、ADAMS、3DMAX等应用软件条件下绘制工件的三维图等培养学生独立解决模具设计和制造上实际问题的能力，提高学生资料查阅和灵活使用软件的能力。使学生
4、对模具的设计过程有个深刻的了解，锻炼学生应对实际设计过程的能力。武汉科技大学本科毕业设计32 研究现状2.1 我国模具工业发展状况我们国内的模具制造业总体发展水平良好，企业制造水平得到很大提高，出口创汇能力也大大增强；既在国内市场抵抗住境外厂商的挤压，又在国际市场上表现出较强的竞争力。它有如下特点：(1) 设计制造全过程以计算机为中心。计算机技术的广泛使用，使现代模具企业的首要特征是以计算机为中心。(2)有比较高的模具设计水平，生产设备先进。现代模具的加工，更多地依靠各种自动化程度较高的高精度、高效率机床。(3) 有较短的供货期。广泛采用模具CAD/CAE/CAM技术，使模具设计、计算机分析、
5、生产装备、数控加工、检验、试模等工作一体化，大大缩短模具生产周期。(4) 重视人才培养和汇聚。但同时国内模具企业在发展过程中规模偏小、技术偏低、涉及领域狭窄且对相关行业的影响带动能力也不大。与国际先进水平相比，中国的模具行业的差距不仅表现在精度差距大、交货周期长等方面， 模具寿命也只有国际先进水平的50%左右，大型、精密、技术含量高的轿车覆盖件冲压模具和精密冲裁模具，每年都需要花费大量资金进口 【3】 。也就是说国内模具制造业总体效益还没有发挥最好水平，在国民经济中的基础性作用还不明显。造成这些差距的原因除了长期以来没有将模具作为产品得到应有的重视之外，还有以下几个主要原因：第一，体制不顺，基
6、础薄弱。“三资”企业虽然已经对中国模具工业的发展起了积极的推动作用，私营企业近年来发展较快，国企改革也在进行之中，但总体来看，体制和机制尚不适应市场经济，再加上国内模具工业基础薄弱，因此，行业发展还不尽如人意，特别是总体水平和高新技术方面。第二，人才严重不足，科研开发及技术攻关方面投入太少。模具行业是技术密集、资金密集的产业，随着时代进步和技术发展，能掌握和运用新技术的人才异常短缺，高级模具钳工及企业管理人才也非常紧缺。由于模具企业效益欠佳及对科研开发和技术攻关不够重视，因而总体来看模具行业在科研开发和技术攻关方面投入太少，民营企业贷款困难也影响许多企业的技术改造，致使科技进步不大。第三，工艺
7、装备水平低，且配套性不好，利用率低。武汉科技大学本科毕业设计4虽然国内许多企业采用了先进的加工设备，但总的来看装备水平仍比国外企业落后许多，特别是设备数控化率和 CAD/CAM 应用覆盖率要比国外企业低得多。由于体制和资金等原因，引进设备不配套，设备与附配件不配套现象十分普遍，设备利用率低的问题长期得不到较好解决。装备水平低，带来中国模具企业钳工比例过高等问题。第四，专业化、标准化、商品化的程度低、协作差 【4】 。由于长期以来受“大而全” “小而全”影响，许多模具企业观念落后，模具企业专业化生产水平低，专业化分工不细，商品化程度也低。目前国内每年生产的模具，商品模具只占 45%左右，其馀为自
8、产自用。模具企业之间协作不好，难以完成较大规模的模具成套任务，与国际水平相比要落后许多。模具标准化水平低，标准件使用覆盖率低也对模具质量、成本有较大影响，对模具制造周期影响尤甚。第五，模具材料及模具相关技术落后。模具材料性能、质量和品种往往会影响模具质量、寿命及成本，国产模具钢与国外进口钢相比，无论是质量还是品种规格，都有较大差距。塑料、板材、设备等性能差，也直接影响模具水平的提高。上述一系列问题表明，中国目前的模具产业结构还需要进一步调整，增长方式也需要进一步转变，必须从量的扩张逐渐转变到以质为先的轨道上来。只有这样，我国模具产品的质量与水平才能真正提升，才能拥有国际市场的竞争力，才能使模具
9、产品的出口量的增长与质的提升相结合 【5】 。2.2 我国模具工业发展趋势模具行业内部体制改革和机制转换加速，产业结构渐趋合理，并且加强了管理，提高了水平。规模经济产生效益，模具集群生产发展迅速。在“小而精专”的专业化不断发展的同时，近年来，规模效应已被愈加重视。除了把企业做强做大，使规模经济产生效益之外，模具集群生产也不断显示其优越性，因而“模具城” 、 “模具园区” 、 “模具生产基地”等各种集群生产形式在全国迅速发展。目前全国年产 1 亿元以上模具的企业已有 40 多个，超过 3000 万元以上的企业已有 200 多个，具有一定规模的“模具城”已有近十个，正在建设或正在筹建的还有十多个
10、【6】 。这些模具集聚生产基地的建设，对我国模具工业的发展起到了积极的促进作用。许多企业开始认识到了“品牌”和“专利”的重要性，自主创新的资金投入力度和能力不断提高。长期以来模具一直处于“后方”和“被动”的地位，因此也很少有 “品牌”和“专利” 。随着市场经济的发展，近年来企业越来越重视“品牌”和“专利”。有些企业已认识到了创新研发的重要性，投入力度提高很快。据中国模具工业协会了解到的情况，近年不少企业在创新研发方面的投入与销售收入的比例达到 5%左右，个别企业甚至达到 8%至 10%【7】 。武汉科技大学本科毕业设计5模具技术含量不断提高，属于高新技术产品的模具越来越多。据了解，目前已被国家
11、有关部门列入中国高新技术产品出口目录的已有四种模具。其实已经有不少模具的技术含量超过了这四种模具，例如汽车零部件级进模具、精密多工位级进模具、轿车大型复杂覆盖件冲压模具、自动化汽车内饰件浇注模具、高强度板热压成型模具等。随着高新技术的发展，越来越多的模具生产企业被各级政府有关部门认定为高新技术企业。据中国模协初步统计，目前模具行业国家级高新技术企业有 7 家，省、市级高新技术企业已有近百家 【8】 。国际模具资本向我国转移的趋势十分明显，模具出口前景很好。由于我国模具特别是中、低档模具在国际市场上存在着较大的价格优势，有的模具价格甚至只有国际市场的几分之一，再加上我国有较低廉的优质劳动力资源及
12、较好的技术基础和基础配套设施，因此近年来外商在我国模具行业的投资额一年比一年大，到我国采购模具的跨国公司也越来越多。在信息社会和经济全球化发展的进程中， 模具行业发展趋势主要是模具产品向着更大型、更精密、 更复杂及更经济快速方面发展， 技术含量不断提高， 模具生产向着专业化、信息化、数字化、无图化、精细化、自动化方面发展；模具业向着技术集成化、 设备精良化、产品品牌化、管理信息化、经营国际化方向发展。总地来说，今后我国模具技术的研究重点和主要发展方向应该是：(1)高速、高精、复杂和长寿命模具加工技术的研究与应用。例如超精冲压模具制造技术、精密塑料和压铸模具制造技术等；(2)优质模具材料的研制和
13、正确选用，以及先进表面加工和处理技术的发展与应用；(3) 模具专业化、标准化的发展及进一步推广应用；(4) 快速成型与快速制模(RP/RT)技术的发展与应用；(5) CAD、CAM、CAE 的广泛应用及其软件的不断先进和 CAD/CAE/CAM 技术的进一步集成化、一体化、智能化，从而提高模具设计的现代化、信息化和标准化水平。 【9】2.3 模具的智能化设计技术在模具行业的应用模具方案设计是保证模具整体结构优化，各组成部分功能协调，加工制造方便，以及调试运行顺利与制品成型生产过程可靠的关键。如何在短时间内，针对不同复杂程度的塑件结构，给出合理的模具设计方案，是现代模具设计技术研究的核心内容。智
14、能化设计作为21世纪模具技术研究领域的前沿技术，备受世界各国学者的高度重视。因此，研究模具智能化设计技术，对提高模具设计质量，缩短模具制造周期，促进模武汉科技大学本科毕业设计6具技术发展具有重要意义。 针对注塑模具方案设计的特点，结合分布式人工智能技术、RBR与CBR推理技术，利用AutoCAD平台的开放性优势，使用面向对象的编程语言VC+和数据库技术，通过建立基于多主体的智能化设计系统，研究了模具方案设计的智能化实现技术与方法。欧美许多模具企业的生产技术水平，在国际上是一流的。将高新技术应用于模具的设计与制造， 已成为快速制造优质模具的有力保证。CAD/ CAE/ CAM 的广泛应用，显示了
15、用信息技术带动和提升模具工业的优越性。在欧美， CAD/ CAE/ CAM 已成为模具企业普遍应用的技术。在CAD 的应用方面，已经超越了甩掉图板、二维绘图的初级阶段，目前3D 设计已达到了70 %89 %。PRO/ E、U G、CIMATRON 等软件的应用很普遍。应用这些软件不仅可完成2D 设计，同时可获得3D 模型，为NC编程和 CAD/ CAM 的集成提供了保证。应用3D 设计，还可以在设计时进行装配干涉的检查，保证设计和工艺的合理性。数控机床的普遍应用，保证了模具零件的加工精度和质量。3050 人的模具企业，一般拥有数控机床10 多台。经过数控机床加工的零件，可直接进行装配，使装配钳
16、工的人数大大减少。CAE 技术在欧美已经逐渐成熟。在注射模设计中应用CAE分析软件，模拟塑料的充模过程，分析冷却过程，预测成型过程中可能发生的缺陷。在冲模设计中应用CAE 软件，模拟金属变形过程，分析应力应变的分布，预测破裂、起皱和回弹等缺陷。CAE 技术在模具设计中的作用越来越大。意大利COMAU公司应用CAE技术后，试模时间减少了50 %以上 【10】 。KBE技术简介：由于K B E技术的开放性，迄今为止，尚无一种公认的、完备的K B E定义。上海交通大学模具C A D国家工程研究中心认为：K B E是通过知识驱动和繁衍，对工程问题提供最佳解决方案的计算机集成处理技术。可以把K B E的
17、内涵概括为领域专家知识的继承、集成、创新和管理，计算机辅助技术与人工智能技术的集成。K B E系统通过集成平台，将CAX与AI集成，以实现设计、制造、维护、支持等过程与智能技术的有效结合 【11】 。2.4 模具 CADCAECAM 技术CAD/CAE/CAM技术以计算机及周边设备和系统软件为基础，它涵盖了二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析（FEA）及优化设计、数控加工编程（NCP） 、仿真模拟及产品数据管理（PDM）等内容，是一种设计人员借助于计算审进行设计的方法。其特点是将人的创造能力和计算审的高速运算能力、巨大存储能力和逻辑判断能力有审地结合起来。随着Internet/Intra
18、net网络和并行高性能计算及事务处理的普及，使奢地、协同、虚拟设计及实时仿真技术在CAD/CAE/CAM中得到了广泛应用。CAD/ CAM技术越来越广泛应用于模具行业,由于模具生产属单件生产,并有一定的钳工配作量，不同于普通机械加工的批量生产，因此，在模具CAD/ CAM技术的应用上还有一些片面或似是而非的观点，影响了CAD/CAM技术优势的发挥,甚至造成投资失误,效率低下 【12】 。武汉科技大学本科毕业设计7近十多年是CAE软件的商品化发展阶段，其理论和算法日趋成熟，已成为航空、航天、机械、土木结构等领域工程和产品结构分析中必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续过程各类问题的一种重要手段
19、。其功能、性能、前后处理能力、单元库、解法库、材料库，特别是用户介面和数据管理技术等方面都有了巨大的发展。前后处理是CAE软件实现与CAD、CAM等软件无缝集成的关键性软件成份；它们通过增设与相关软件（如Pro/E、CADDS、UG、Solidedge以及Solidworks、MDT 等软件）的接口数据模块，实现有效的集成；通过增加面向行业的数据处理和优化算法模块 【13】 ，实现特定行业的有效应用。CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力，主要决定於单元库和材料库的丰富和完善程度，知名CAE软件的单元库一般都有百余种单元，并拥有一个比较完善的材料库，使其对工程和产品的物理、力学行为，具有较强的
20、分析模拟能力。一个CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定於解法库；特别是在并行计算机环境下运行，先进高效的求解演算法与常规的求解算法，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异。CAE软件现已可以在超级并行机，分布式微机群，大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行 【14】 。CAD过程直接通过CAD/CAM 进行图形设计在设计阶段对产品性能进行评价，可使设计者从繁重的绘图中解放出来，能有更多的时间作创造性的工作 【15】 。并利用现有客户提供的CAD 数据模型，转换成所需图形；模具CAE 技术已较广泛的应用在注塑模、压铸模、锻模、挤压模、冲压模等模具的优化设计中，并在实
21、际中指导生产；CAD/ CAM 用于模具高速加工、提高模具精度、模具检测、生产过程管理 【16】 。2.5 模具的优化设计在模具行业的应用长期以来，大多数模具设计工程师由于缺乏注塑现场的经验，在进行设计是单纯从结构方面出发，并未考虑注塑现场的实际情况，导致模具设计不合理、不上档次，从而使注塑生产过程中经常出现各种品质缺陷和异常现象；大多数注塑工作者仅凭经验处理，对一些问题缺乏科学系统地分析，从而导致现场的问题没有能够有效解决，浪费时间和金钱，增加企业生产成本。模具的优化设计可以提升模具设计水平，增强模具性能，延长其使用寿命。模具优化设计包括模具的结构及功能的优化设计；如浇注系统浇口、流道、冷料
22、井等的优化设计；冷却系统如水路、隔水片、铍筒等的优化设计；缩水率的设定与调整设计；浇注系统、冷却系统、模具结构与注塑工艺之间的关系的设计；模具的安装、调试工作和维护保养方案的设计；利用 CAE 模流分析技术进行模具优化设计等。可以借助一些软件辅助完成模具优化设计，如有的可以完成主要工作内容有：1、对模具的不同结构尺寸进行温度场、应力场的计算，得到工作状态模具内部各点的受力情况,根据受力情况选择模具的合理结构；2、模拟金属在模具型腔中的填冲情况，选择合理的型腔尺寸；3、采用计算机、绘图仪、数字化完成模具的设计和绘图工作，武汉科技大学本科毕业设计8提高功效 40%。又有人提出了基于塑性有限元的灵敏
23、度分析理论和多工序成形模具优化设计方法，推证了节点坐标/温度/速度、单元刚度矩阵/节点力向量对设计变量的灵敏度方程及其数学关系，开发了模具形状优化设计软件，解决了模具形状、坯料尺寸和制坯镦粗比的优化设计，突破了精密塑性成形工艺模具设计与工程优化方法难以结合的难题。将塑性成形数值模拟理论与工程优化方法相结合，针对未曾研究的多工序模具优化设计问题展开探索，提出建立了基于塑性有限元的灵敏度分析理论和模具优化设计方法，推证了节点坐标、节点速度、单元刚度矩阵、单元节点力向量、节点温度对优化设计变量的灵敏度方程及其彼此之间的数学关系；建立了单工序锻造毛坯形状和预锻坯镦粗比优化设计方法；自主开发了模具形状优
24、化设计软件，成功应用于多工序体积成形中的模具形状、坯料尺寸和制坯镦粗比的优化设计。它研究了上限元和有限元反向数值模拟理论与预成形设计方法，建立了较完整的反向模拟与预成形设计理论体系；提出了一种与现行模锻设计所用控制方式完全不同的控制材料“先内后外“流动的精密模锻方法；提出了基于锻件形状复杂程度的边界条件控制准则和反向模具接触跟踪方法等，成功应用于多种多工序锻造工艺和模具设计。2.6 快速成形技术在模具生产中的应用快速成形制造技术RPM基于层制造原理，迅速制造出产品原型，而与零件的几何复杂程度无关，尤其在具有复杂曲面形状的产品制造中更能显示其优越性。它不仅能够迅速制造出原型供设计评估、装配检验、
25、功能实验，而且还可以通过形状复制，快速经济地制造出产品模具，从而避免了传统模具制造的费时和耗成本的NC加工，因而RPM技术在模具制造中发挥着重要的作用 【17】 。快速成型技术的原理与分类快速成型是一种基于离散堆积成型思想的数字化成型技术， 其原理为：通过离散，把复杂的三维制造转化为一系列有序的低维制造的叠加，把整个零件的制造过程转化为有序、简单的单元体的制造与结合过程。常见的快速成型工艺包括立体光固化成型、熔融沉积成型、选择性激光烧结成型、分层实体制造成型。快速成型技术在模具制造领域的应用主要是制作模具设计制造过程中所用的母模，有时也用快速成型技术直接制造模具。根据其不同的工艺分为以下3 类
26、：RP 原型直接用于制造模具、RP 原型为母模制造软模具、RP原型为母模制造硬模具。RP 技术是一项兴起不久的高新制造技术，经过十几年的发展，设备与材料方面都有了长足的进步，但目前由于该技术的成本还比较高，加之制件的精度、强度和耐久性方面还不能完全满足用户的要求，制约了该技术的普及推广。随着技术的进步，技术会进一步得到完善、发展，在越来越多的领域得到应用。RP 技术在模具制造中的应用范围十分广泛，它的应用将大大促进模具制造技术的进步，对提高产品的质量， 加武汉科技大学本科毕业设计9速新产品的开发以及降低工装模具的费用等方面都有积极的意义 【18】 。2.7 高速切削技术高速铣削是目前切削技术中
27、应用最多的一种工艺技术，是一种以高主轴转速、快速进给、较小的切削深度和间距为加工特征的高效、高精度、高表面质量的数控加工方式。高速铣削具有工件温度低、切削力小、加工平稳、质量好、效率高（为普遍铣削加工的5-10倍）及可加工硬质材料（硬度不低于HRC60）等诸多优点，因而在模具加工中日益受到重视。高速铣削机床（HSM）一般主要用于大、中型模具加工,如汽车覆盖件模具、变速箱体压铸模、大型注塑模等曲面加工，其加工精度可以达到0.01mm 【19】 。高速切削技术及相关技术，发展日新月异，德国、美国、瑞典、瑞士、英国和日本等制造强国走在了世界前列。近几年，随着科学技术的突飞猛进和经济发展的强大推动，高
28、速切削机床、刀具技术和相关技术迅速进步，使高速切削（HSC- High Speed Cutting）技术以其高效率、高质量应用于航天、航空、汽车、模具和机床等行业中，各种切削方式、各种材料几乎无所不能，尤其是高速铣削和高速车削发展神速。该技术为“轻切削”方式，每一刀切削排屑量小，切削深度小，即ap与ae很小，但切削线速度大，为传统的35倍，进给速度大，为传统的510 倍。其优点在于 【20】 ：(1) 加工时间短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常规的35倍。(2) 刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区窄，变形系数减小，切削力降低大概
29、30%90%。同时，由于切削力小，让刀也小，提高了加工质量。(3) 刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度。(4) 刀具寿命长（这里指材质特殊，适合高速切削的刀具） 。因刀具受力小，受热影响小，所以破损的机率很小，磨损也慢。(5) 工件表面质量好。首先ap与ae小，工件粗糙度好，其次切削线速度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小，十分容易获得好的表面质量。(6) 高速切削刀具热硬性好，且切削热量大部分被高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削，不用冷却液，减少了对环境的污染，能实现绿色加工。 (7) 可
30、完成高硬度材料和硬度高达HRC40-62淬硬钢的加工。如采用带有特殊涂层（TiAlN）的硬质合金刀具，在高速、大进给和小切削量的条件下，完成高硬度材料和淬硬钢的加工，不仅效率高出电加工（EDM）的36倍，而且获得十分高武汉科技大学本科毕业设计10的表面质量（Ra0.4） ，基本上不用钳工抛光。目前国际上高速切削加工技术主要应用于汽车工业和模具行业，尤其是在加工复杂曲面的领域，工件本身或刀具系统刚性要求较高的加工领域，显示了强大的功能。其高效、高质量为人们所推崇。国内高速切削加工技术的研究与应用始于20世纪90年代，应用于模具、航空、航天和汽车工业。但采用的高速切削CNC机床、高速切削刀具和CA
31、D/CAM软件等以进口为主。随着我国社会主义市场经济的蓬勃发展，作为制造业的重要基础的模具行业迅速发展，这为高速铣削技术的应用和发展提供了广阔的空间。高速铣削加工技术加工时间短，产品精度高，可以获得十分光滑的加工表面，能有效地加工高硬度材料和淬硬钢，避免了电极的制造和费时的电加工（EDM）时间，大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。同时，模具表面因电加工（EDM）产生白硬层消失了，扭变绝迹了，这样就提高了模具的寿命，减少了返修。一些市场上越来越需要的薄壁模具工件，高速铣削可又快又好完成。而且在高速铣削CNC加工中心上，模具一次装夹可完成多工步加工。这些优点在资金回转要求快、交货时间紧急、产品竞争激烈的今天是非常适宜的。所以高速铣削得到了快速而广泛的推广。反过来，这又促进了高速铣削技术的发展 【21】 。
