III自行車鏈輪的沖壓模具設計及數控編程與仿真加工Design

of

stamping

die

for

bicyclesprocket

and

NC

programming

and

simulation摘要對于汽車行業(yè)與電子行業(yè)，各種各樣的板料零件都是有各種不同的成型工藝所生產出來的，這些均可以列入一般種類“板料成形”的范疇。板料成形（也稱為沖壓或壓力成形）經常在廠區(qū)面積非常大的公司中進行。如果自己沒有去這些大公司訪問，沒有站在巨大的機器旁，沒有感受到地面的震顫，沒有看巨大型的機器人的手臂吧零件從一個機器移動到另一個機器，那么廠區(qū)的范圍與價值真是難以想象的。當然，一盤錄像帶或一部電視專題片不能反映出汽車沖壓流水線的宏大規(guī)模。站在這樣的流水線旁觀看的另一個因素是觀看大量的汽車板類零件被進行不同類型的板料成形加工。落料是簡單的剪切完成的，然后進行不同類型的加工，諸如：彎曲、拉深、拉延、切斷、剪切等，每一種情況均要求特殊的、專門的模具。任何一個完整的沖壓模具都是有一副（或多副的組合）用于沖制工作的（沖壓）零件組成，包括：所有的支撐件部分與模具的工作部分零件，即構成一副沖模。沖壓（術語）通常將完整壓制工具的凹模（母模）部分定義為模具。導桿，或導柱，是安裝在下模座上的。上模座則安裝有用于導桿滑動的導套，分別裝有導套與導桿的上模座與下模座組合成為木架。模架有許多規(guī)格與結構設計用于商業(yè)銷售。根據對零件的綜合分析，在本次設計中我設計的模具是正裝沖孔落料模，主要介紹的是模具的沖孔落料，沖壓生產中應用最廣泛的工序之一。關鍵詞：沖壓模具沖孔落料鏈輪仿真加工MastercamAbstractThewidevarietyofsheetmetalpartsforboththeautomobileandelectronicindustriesisproducedbynumerousformingprocessesthatfallintothegenericcategoryof"sheet-metalforming".Sheet-metalforming(alsocalledstampingorpressing)isoftencarriedoutinlargefacilitieshundredsofyardslong.Itishardtoimaginethescopeandcostofthesefacilitieswithoutvisitinganautomobilefactory,standingnexttothegiganticmachines,feelingthefloorvibrate,andwatchingheavydutyroboticmanipulatorsmovethepartsfromonemachinetoanother.Certainly,avideotapeortelevisionspecialcannotconveythescaleoftoday'sautomobilestampinglines.Anotherfactorthatoneseesstandingnexttosuchlinesisthenumberofdifferentsheet-formingoperationsthatautomobilepanelsgothrough.Blanksarecreatedbysimpleshearing,butfromthenonawidevarietyofbending,drawing,stretching,cropping,andtrimmingtakesplace,eachrequiringaspecial,custom-madedie.Anycompletepresstool,consistingofapair(oracombinationofpars)ofmatingmemberforproducingpressworked(stmped）parts,includingallsupportingandactuatingelementsofthetool,isadie.Pressworkingterminologycommonlydefinesthefemalepartofanycompletepresstoolasadie.Theguidepins,orposts,aremountedinthelowershoe.Theuppershoecontainsbushingswhichslideontheguidepins.Theassemblyoftheloweranduppershoeswithguidepinsandbushingsisadieset.Diesetsinmanysizesanddesignsarecommerciallyavailable.According

to

the

comprehensive

analysis

of

the

parts,

the

die

I

designed

in

this

design

is

the

formal

punching

blanking

die,

mainly

introducing

the

punching

blanking

of

the

die,

one

of

the

most

widely

used

processes

in

the

stamping

production.Keywords:StampingdiePunchingBlankingChainwheelSimulationmachiningMastercamIV目錄TOC\o"1-2"\h\u6385摘要 II13322Abstract III10134緒論 1第一章自行車鏈輪的沖壓模具設計……………2255001設計題目與零件工藝性分析 2236021.1課題設計的要求 2213791.2零件材料的分析 2107251.3零件結構的分析 2239941.4確定工藝方案 3300892模具結構設計 3150622.1選擇模具類型 321152.2選擇操作方式 3168752.3選擇定位方式 33452.4選擇卸料出件方式 3第二章自行車鏈輪的沖壓模具設計……….………4182603模具設計計算 4195233.1排樣、計算條料寬度及確定步距 4199073.2利用率計算 465373.3沖壓力的計算 4288523.4確定壓力中心 5196423.5沖模刃口尺寸及公差的計算 54各主要零件結構設計…………….94.1各主要零件尺寸……………………94.1.1每套模具凹模的厚度…………….94.1.2卸料板…………...11V4.1.3卸料橡皮的設計………………...124.1.4墊板厚度………………………...124.1.5凸模固定板……………………..124.1.6凸模長度………………………...12第三章自行車鏈輪的數控編程………….…….…135自行車鏈輪的平面圖繪制………………..……136自行車鏈輪的三維模型設計……………..……156.1繪制自行車鏈輪的三維實體模型………………..156.2繪制自行車鏈輪模具的三維實體模型…………..167自行車鏈輪的數控編程設計…………………177.1設置毛坯…………..177.22D挖槽加工………………………177.3加工結果…………..207.4數控編程程序及其后處理程序…………………..218自行車鏈輪的數控仿真加工…………………228.1斯沃數控仿真軟件簡介…………..228.2自行車鏈輪的數控仿真加工……………………..2221773結論 26致謝2714182參考文獻 緒論隨著現代工業(yè)行業(yè)的發(fā)展，機械行業(yè)的發(fā)展也有了質的飛躍，現代化的建.設進程越來越不開機械。鏈輪也是現代機械的組成部分，鏈輪是帶嵌齒式扣鏈齒的輪子，用以與節(jié)鏈環(huán)或纜索上節(jié)距準確的塊體相嚙合,一種實心或帶輻條的齒輪,與(滾子)鏈嚙合以傳遞運動。數控加工是指在數控機床上進行零件加工的一種工藝方法，數控機床加工與傳統機床加工的工藝規(guī)程從總體上說是一致的，但也發(fā)生了明顯的變化。用數字信息控制零件和刀具位移的機械加工方法。它是解決零件品種多變、批量小、形狀復雜、精度高等問題和實現高效化和自動化加工的有效途徑。本次畢業(yè)課題的加工零件為自行車鏈輪，依據給定的自行車鏈輪零件圖樣，全面分析制件的特性，完成自行車鏈輪沖壓模具設計（包括沖壓工藝方案、模具結構形式、排樣計算、零部件結構設計等）；基于Mastercam軟件，對鏈輪進行三維CAD造型設計；在Mastercam軟件下，由自行車鏈輪三維模型設計其凸凹模具；分析凸凹模具的數控加工工藝，分別進行CAM數控編程設計，要求CAM數控程序各項參數設置合理；程序后處理，利用斯沃數控仿真加工系統，仿真加工并驗證。自行車鏈輪的沖壓模具設計1設計題目與零件工藝性分析1.1課題設計的要求設計該零件的沖壓模具，制件為40齒自行車鏈輪，如圖1.1所示。圖1.140齒自行車鏈輪1.2零件材料的分析查《沖壓模具設計與制造基礎》可知其抗剪強度，抗拉強度，屈服點強度，斷后伸長率，由此可見該材料具有良好的塑性及較高的彈性模量即具有良好的沖裁性能和彎曲性能，因此該材料適合沖裁及拉伸。1.3零件結構的分析該零件外形不規(guī)則，整體為一鏈盤，有1處需壓型，還有11個孔和40個輪齒，中心孔需要壓花，既有沖裁也有拉伸，所以應分別對其結構進行工藝分析并綜合考慮。1.沖裁的結構工藝性：查表2.7.2知所沖孔，因此孔的大小亦滿足工藝性要求。2.拉伸的結構工藝性：拉伸件的形狀應盡量簡單、對稱，這樣可以保證拉伸件在凸緣變形區(qū)的變形是均勻的，這樣模具加工工藝性最好。1.4確定工藝方案沖壓工藝方案設計就是據零件的工藝性分析，然后初步確定出沖壓加工內容，并制定出幾種可行的加工工藝方案。因此此套模具采用先落料——沖中心孔，再沖孔—壓花然后再壓型，采用單工序模具生產。此方案的模具結構設計簡單，但所需工序過多，成本較低且需要的壓力機較小，模具加工維修方便，需要的工作臺尺寸較小。由于此零件尺寸過大，從生產成本考慮，此零件沖壓生產采用單工序模具生產為佳。2模具的結構設計2.1選擇模具類型單工序模具。2.2選擇操作方式由于材料的厚度太大，因此不適合用自動進料裝置，所以全都使用人工手動送料。2.3選擇定位方式第一套模具采用導料板來控制條料的送進方向，無側壓裝置橫向采用固定擋料塊；第二套模具和第三套模具都使用中心定位法。2.4選擇卸料出件方式沖壓工序中含沖裁、沖孔和拉伸，所以應有卸料機構，彈性卸料板具有卸料和壓料的雙重作用，可使工件的平面度提高。所以第一套模具采用彈性卸料板，由于工件尺寸較大，所以采用下出料的出件方式；第二套模具采用剛性卸料方式；第三套模具采用手工卸料方式。第二章自行車鏈輪的沖壓模具設計3模具設計計算3.1排樣、計算條料寬度及確定步距由于工件為圓形鏈盤，所以采用單個排樣方式，根據料厚3mm，查得搭邊值為a=3mm，所以條料寬度為L=176+3+3=182（mm），條料寬度為182mm，步距為179mm。3.2利用率計算沖裁件的面積A由proe軟件計算得A=1.34。利用率為：3.3沖壓力的計算沖裁力和拉伸力的計算：第一套模具——落料、沖孔=1112818.635N=3001.3322π=370939.545N卸料力推件力查資料的，，n=1。采用彈性卸料板和下出料方式。計算得：=1212978.64N第二套模具——沖孔沖孔力：=476110.5N308755N本套模具采用下出料方式和彈性卸料板。最大沖裁力F=，。計算得：F=490393.815N第三套模具——壓型拉伸力：F=m==0.876需要壓邊圈。=0.84~0.65，m>，所以可一次拉成。查表得：=0.3F=0.3400π（154-3）3=170776N本套模具采用手工卸料方式。3.4確定壓力中心由于本沖壓件為軸對稱圖形，故每套模具的壓力中心都是圓心。3.5沖模刃口尺寸及公差的計算1．設計落料模首先要確定凹模刃口尺寸，設計沖孔模首先要確定凸模刃口尺寸。2．按凸模與凹模圖樣分別加工法（1）落料設工件的尺寸為，凹模的基本尺寸接近或等于工件輪廓的最小極限尺寸；將凹模尺寸減去最小合理間隙值即得到凸模尺寸。（2）沖孔設沖孔尺寸為，首先確定凸模尺寸，使凸模的基本尺寸接近或等于工件的最大極限尺寸；將凸模尺寸增大最小合理間隙值即得到凹模尺寸。（3）孔心距孔心距屬于磨損后基本不變的尺寸。在同一工布中，在工件上沖出孔距為兩個孔時，其凹模型孔中心距可按下式確定。2．凸模與凹模配作法落料的工作零件相對來說比較復雜，形狀不規(guī)則，所以其刃口尺寸應按配合加工的方法計算。各工作零件刃口尺寸計算如下：第一套模具：圖3.1成型部分由圖3.1所示，根據材料及材料厚度查劉建超所編《沖壓模具設計與制造》中的表得：雙面間隙落料：所以落料公差不滿足，可調整為：由于零件外形比較復雜，所以采用凸凹模A類配套加工，用線切割。取x=0.5IT=14凸模按凹模尺寸配作。沖孔：因為 ，所以沖孔公差滿足。取x=0.75IT=14第二套模具：圖3.2成型部分由圖3.2所示，根據材料及材料厚度查劉建超所編《沖壓模具設計與制造》中的表得：雙面間隙:，所以沖孔公差滿足要求取x=0.5IT=14沖孔1：沖孔2：=第三套模具：圖3.3成型部分由圖3.3所示，拉伸模的單邊間隙為：設計以凸模為基準，模具公差按IT=14，，，凸凹模的制造公差經查表所得4各主要零件結構設計4.1各主要零件尺寸4.1.1每套模具凹模的厚度第一套模具：根據沖件尺寸及材料厚度，查得凹模厚度系數，而根據制件可知凹模刃口的最大尺寸，所以凹模厚度為：故選取凹模厚度為45mm。取C=62mm，直徑X，則凹模厚度為凹模圖圖4.1凹模第二套模具：K=0.50，b=42mm，則凹模厚度為：H=kb=21mm凹模圖形如圖4.2所示。圖4.2凹模第三套模具：H=kb=33.88mm，則取凹模厚度為60mm。凹模圖形如圖4.3所示。圖4.3凹模4.1.2卸料板根據厚度即卸料板寬度，可查得彈性卸料板厚度為16~20，再結合《冷沖模國家標準》，取。第一、二套模具選的卸料板都是16mm。4.1.3卸料橡皮的設計第一套模具：由查表可得：查《沖壓模具設計與制造》，圖2.9.35特性曲線及表2.9.12，單位壓力，取圓筒形橡膠的內徑d=176，則橡膠的外徑為：故橡膠外徑315滿足要求。4.1.4墊板厚度應根據模座承壓的大小進行判斷，沖裁凸模是否加墊板，凸模承壓端面對模座的單位壓力（）為式中，——沖裁力；——凸模支撐端面積。查《冷沖模國家標準》，取墊板厚度為15。墊板厚度根據模板長度315，故三套模具全采用墊板。4.1.5凸模固定板第一套模具：H=0.6=24mm，結合《冷沖模國家標準》，取H=24mm，沖孔凸模固定板，取。第二套模具：H=0.6=12.6mm，結合《冷沖模國家標準》，取H=16mm。第三套模具：查資料所得，H=0.640=24mm，結合《冷沖模國家標準》，取H=24mm。4.1.6凸模長度第一套模具：其總長L=15+10+40=65mm。第二套模具：圓形凸?？傞L為：L=16+16+12=44mm非圓形凸?？傞L為L=16+16+9=41mm。第三套模具：總長L=40+16+1.5=57.5mm。第三章自行車鏈輪的數控編程5自行車鏈輪的平面圖繪制打開mastercam軟件，任意取一點為圓心，畫兩個直徑分別為175mm和165mm的圓,如圖5.1：圖5.1圖5.2再進行如圖5.2的操作過程：得到如下圖形，如圖5.3：圖5.3最后填色得到自行車鏈輪的平面圖,圖5.4：圖5.46自行車鏈輪及其模具的三維模型設計6.1繪制自行車鏈輪的三維實體模型打開已經繪制好的梳子平面圖，在實體管理器中，通過“實體”選取擠出的串聯圖案然后勾選“擠出”,設置擠出參數，選擇“切割實體”并選擇“按指定的距離延伸”并設置參數為“2.0”勾選完成。接下來就是擠出切割，打開參數設置，勾選“更改方向”，勾選完成，最后“重建所有實體”（見圖6.1.1）。最后得到了如圖6.1.2的自行車鏈輪的立體圖。圖6.1.1圖6.1.2自行車鏈輪的立體圖6.2繪制自行車鏈輪模具的三維模型打開mastercam軟件，選取已完成的自行車鏈輪三維模型圖。首先建立矩形模具長方體，尺寸跟模架大小一樣，為200mmX200mmX10mm，如圖6.2.1。經過加工得到自行車鏈輪模具三維模型，如圖6.2.2所示。圖6.2.1模架三維實體模型圖6.2.2自行車鏈輪模具的三維實體模型7自行車鏈輪的數控編程設計7.1設置毛坯確定毛坯選擇銑床操作，然后再機床群組屬性里選擇材料設置來設置毛坯大小，因為本設計采用的是一模兩腔設計，所以毛坯參數為單個毛坯的兩倍，即長200mm寬200mm高10mm的毛坯。毛坯原點設為（0,0）。毛坯參數如圖7.1.1：圖7.1.1毛坯參數設置7.22D挖槽加工點擊mastercam軟件，點擊“刀具路徑”選擇“2D挖槽”并選取毛坯為對象，依次對刀具，夾頭，切削參數，共同參數以及控制軸的參數設置。圖7.2.12D挖槽加工參數設置刀具設置參數如圖7.2.2圖7.2.2刀具參數設置選擇XY軸分層銑削，粗加工18次，間距為3.0，如圖7.2.3圖7.2.3打開“切削參數”設置，點擊“粗加工”，選擇“等距環(huán)切”，如圖7.2.4圖加工結果對以上操作過程進行驗證，點擊主功能表中的刀具操作管理，系統將自動打開操作管理界面，點擊“刀具路徑-挖槽-2D挖槽”然后選擇要加工的平面。在“刀具庫”中找到直徑為1mm的平底刀，然后按照串聯順序確定銑刀走刀路徑。然后點擊開始模擬刀具銑出自行車鏈輪的過程，將觀察視角切換到等視角圖，如圖7.3.1所示：圖7.3.1最后得到自行車鏈輪的效果圖，如圖7.3.2：圖7.3.2加工后的自行車鏈輪效果圖7.4數控編程程序及其后處理程序在mastercam軟件中點擊操作欄的“G1”鍵，然后就會得到相關的程序（圖7.4.1），將得到的程序保存并以TXT文本打開對其進行深入分析，并編輯保存，在設計中的刀具路徑以及部分程序圖（圖7.4.2）圖7.4.1后處理程序圖7.4.2部分程序圖8自行車鏈輪的數控仿真加工8.1斯沃數控仿真軟件簡介斯沃數控仿真軟件（圖8.1.1）是一種專業(yè)教學軟件，它帶有十六種數控系統（內含三十七種小系統，九十五種數控操作面板），他包括了目前國內外數控生產廠家的常用的操作系統，可以使學生在學校就可以學到豐富的數控機床操作知識，它可直接接收MASTERCAM、PRO-E、UG等CAD/CAM軟件生成的控制程序。圖8.1.1斯沃數控仿真軟件界面8.2自行車鏈輪的數控仿真加工打開斯沃數控仿真軟件，松開急停按鈕，首先進行XYZ回原點操作，然后點擊工件操作，選擇“工藝裝夾”，設置為工藝板裝夾。如圖8.2.1所示：圖8.2.1然后點擊機床操作，選擇刀具管理，修改刀具，設置直徑為12，點擊確定。如圖8.2.2圖8.2.2點擊工件操作，選擇毛坯設置，輸入各參數。如圖8.2.3圖8.2.3毛坯設置毛坯設置好后進入編輯界面，輸入程序名寫入，最后導入生成的NC文件。如圖8.2.4圖8.2.4最后把軟件打到自動，點擊循環(huán)啟動，開始仿真驗證。圖8.2.5為自行車鏈輪的仿真加工效果實體。圖8.2.5自行車鏈輪的仿真加工效果實體結論本次畢業(yè)設計我的課題基本可以分為三個部分：自行車鏈輪的沖壓模具設計、自行車鏈輪的數控編程、自行車鏈輪的仿真加工。通過此次自行車鏈輪的設計，在老師的指導下，經過收集大量的資料去研究單工序模具的概念、特點、工作及設計過程，參考了大量的關于沖壓模設計、及沖壓工藝方面的書籍和技術資料，掌握了不少沖壓方面的知識。使原來對模具僅有一點概念的我對沖壓模具有了一定的了解，并運用所查所學的理論知識，解決了自行車鏈輪單工序模具設計這一問題。數控編程與仿真加工這一部分對我而言，可以說是一個挑戰(zhàn)?；趥€人基礎，若是沒有老師和同學的幫助，我想我可能是完不成這一部分的任務的。由于疫情的原因，本次畢業(yè)設計只能在家里完成，與老師同學們的聯系方式也僅限于線上交流，老師通過視頻、電話的方式來對我進行指導交流，給予了我很大的幫助。還好，通過自己的努力以及老師同學們的幫助，最后還是完成了對鏈輪的三維造型設計，并對其進行數控編程與仿真加工。此設計已經基本上完成了任務書中規(guī)定的工作內容、研究目標、技術指標及參數等要求，但還是有不足之處。我也會正視這次畢業(yè)設計所出現的問題，并進行反思。這次畢業(yè)設計夯實了我的基礎，鞏固了所學的知識，并且把理論與實際相結合，也鍛煉了自己的綜合能力。遇到難題要及時跟老師溝通，不要想著逃避，松懈自己，靜下心來，盡自己的努力去克服這個難題，終會有所獲。致謝時間過得很快，本次的畢業(yè)設計也接近了尾聲，在此期間，無論是老師同學，還是家人朋友都給予了我很大的幫助和支持。這些幫助與支持給了我很大的動力，如果缺少了你們的幫助與支持，想必現在又是一個場景了吧！首先，我要感謝我的畢業(yè)導師石老師。在本次畢業(yè)設計期間，石老師對我真的是盡心盡責，平易近人的品德作風，時不時地關注我畢業(yè)設計的進度，詢問我在本次畢業(yè)設計中有沒有遇到困難，有困難就與他及時溝通，好幫我解決這些困難。石老師在本次畢業(yè)設計中給予了很大的幫助，指導我如何用科學、合理的方法去進行改進，少走彎路。要是沒有您的幫助我估計很難完成這次的畢業(yè)設計了，在這里衷心的對您表示真誠的感謝以及崇高的敬意！然后還要感謝我的導員和同學，疫情期間，導員時不時的來電詢問我的情況，生活上怎么樣啊，學習上又是如何，工作找到了嘛，對我無微不至的關懷讓我備受感動。同樣，我的同學對也幫我解答了這次的畢業(yè)設計遇到的疑難和困惑，在此也對你們表示感謝，謝謝你們給我的幫助。最后，要感謝我的家人，感謝他們這段時間以來對我畢業(yè)設計工作的支持與照顧，給了我一