09春 机械设计毕业论文

西北工业大学网络教育学院

毕业论文任务书

一、题目：

基于UG的塑料旋钮凹模的数控加工工艺设计

二、指导思想和目的要求：

我国正处于经济发展的关键时期，制造技术是我们的薄弱环节。只有跟上先进制造技术的世界潮流，将其放在战略优先地位，并以足够的力度予以实施，才能尽快缩小与发达国家的差距，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。

三、主要技术指标：

机械，CIMS技术，CAD，

四、进度与要求：

参加动员会，与指导教师见面

论文调研，确定题目，填写任务书

论文写作修改

论文答辩

五、主要参考书及参考资料：

[1] 肖继得、陈宁平.机床夹具设计[M].机械工业出版社.2009.

[2] 李华志.数控加工工艺与装备[M].清华大学出版社.2005.

[3] 王毓敏.工程材料成形与应用[M].重庆大学出版社.2005.

学习中心：吴江松陵镇职业培训中心

班级：005309404学生：李冬0769******** 专业：机械设计制造及自动化指导教师：邓修谨黄英亮

I

摘要

利用CAD/CAM软件进行设计、模拟加工，然后把生成的经校对无误的G代码输送到加工机床上进行加工，可以缩短生产周期，提高加工效率。

这个设计首先通过图纸工艺分析，确定工艺路线，采用UG软件CAD模块设计出塑料旋钮凹模模造型，利用CAM模块生成了各个部位的加工刀轨，并UG软件自带的后置处理程序，生成了NC代码。

经过UG软件自带的数控模拟刀轨加工表明：所规划的粗、精加工刀轨是正确的，并且加工出来的凹模的精度以及表面质量达到了预期结果。

关键词：UG CAD/CAM G代码

目录

摘要.............................................................. .1 第一章绪论

1.1 选题背景 (2)

1.2设计流程 (3)

第二章零件的加工工艺分析

2.1零件的加工方案的确定 (4)

2.2装夹方案的确定 (4)

2.3加工工艺路线的确定 (5)

2.4加工顺序的安排 (5)

2.5刀具的选择及其切削参数的确定 (6)

2.5.1切削用量 (6)

2.5.2切削速度 (7)

2.6编写工艺规程 (7)

2.7程序的编制 (8)

第三章零件的三维造型

3.1 三维软件的选用 (9)

3.2 零件的形体分析

3.2.1.零件图工艺分析 (10)

3.2.2选择设备 (11)

3.3零件的建模过程 (12)

第四章 UG的零件数控加工

4.1 UG CAM 的铣削功能介绍 (14)

4.2 数控加工及刀路的确定 (17)

4.3 后置处理 (27)

总结 (28)

致谢 (29)

参考文献 (30)

第一章绪论

1.1 选题背景

计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/CAM）技术是先进制造技术的重要组成部分，是计算机技术在工程设计、制造领域中具有重要影响的高新技术。CAD/CAM软件作为信息化基础应用软件，其发展趋势是从单项技术的应用到各种技术的集成化应用，反映了制造业信息技术的应用趋势，使传统的产品设计方法和生产模式产生了深刻的变化。

模具作为重要的工艺装备，在消费品、电子电器、汽车、航空航天等工业部门中，占有举足轻重的地位。据统计，工业产品零件粗加工的75%，精加工的50%及塑料零件的90%将由模具完成。

Unigraphics (简称UG)是SIEMENS公司(原UGS公司)开发的产品全生命周期解决方案中面向产品开发领域的CAD/CAE/CAM软件，UG NX软件为用户提供了一套集成的、全面的产品开发解决方案。用于产品设计、分析、制造，广泛用于机械、模具、汽车、家电、航天．军事等领域。现已成为世界上最流行的CAD/CAE/CAM 软件之一。UG软件自从1990年进入我国后，以其强大的功能和工程背景，在机械制造领域，特别是模具制造工业中得到了广泛的应用。

这篇毕业论文设计的题目是：基于UG塑料旋钮型腔凹模的设计，模具的高精密性，UG软件的功能强大，以及计算机的辅助制造，这些在一个数控产品的加工中，相辅相成，为我们提供了非常实用并且功能强大的技术支持。

1.2设计流程

这篇论文的设计流程包含了数控加工产品的流程图，图1-1为这篇论文的设计流程图，如果只取其中UG建模和数控加工即为一个数控产品的设计流程。

图 1-1

第二章零件的加工工艺分析

2.1零件的加工方案的确定

分析零件可知，加工部件主要是中间的一个型腔和外围的四个通孔组成，型腔下面是一个带有圆弧的底面，所以零件的加工至少要在一个三轴联动机床上进行，因为所用的刀具比较多，选择一个带有刀库的加工中心，能节约人为的换刀时间，综合考虑其经济性能及可操作度，决定选用一个三轴数控加工中心机床加工零件。

在数控机床上加工零件时，定义毛坯为110×110×30mm的周围偏置3mm，顶面偏置13mm的毛坯，通过虎钳装夹在机床上面，通过两次装夹，得到毛坯，首先夹持8mm，加工出毛坯顶面的四周的毛坯，在用虎钳装夹顶面，加工底面，得到毛坯尺寸为110×110×30mm，最后再加工中间的型腔和四个通孔。

2.2装夹方案的确定

分析图纸可知，我的毛坯是一个110×110×30mm的方块，是一种普通的容易夹持的零件，优先选择使用通用夹具对其进行夹持。常见的通用夹具有：

①压板(为何选择压板的原因)

压板的优点是可以装夹顶面和底面有平面的但侧面不一定是平面的零件，而且可以快速装夹，还可以装夹异形件。如果采用压板对其进行直接装夹，其缺点是由于螺杆露出在工件表面之外，压块有压在零件上，如果编程人员没有注意夹具的碰撞检查，极易在程序运行中碰撞刀具，甚至撞毁主轴，注意到了压板，又会因为抬刀增加程序运行时间，所以使用压板装夹零件这种方法不是最优的选择。

②虎钳(为何选择虎钳的原因)

虎钳夹持的零件多是侧面四方的工件，他的好处是，夹持部位在零件表面以下，所以当刀具在零件表面运行时，不用考虑零件的碰撞检查，利于程序员的编程。在这个题目中，需要注意的是，因为要钻四个通孔，所以虎口的底面不能太大，由图纸可知底面尺寸≤6mm。

2.3加工工艺路线的确定

数控加工的工艺路线仅仅是零件加工工艺过程中的数控加工部分，一般均穿

插在零件加工的整个过程中。因此，在设计数控加工工艺路线时，一定要考虑周全，使之与整个工艺路线协调吻合。

工序的划分

以加工部位划分工序，即完成相同型面的那一部分工艺过程为一道工序。因为这个零件加工的部位大致就是中间的型腔和四个通孔，所以就按照加工部位的不同划分工序。

工步的划分

工步的划分主要从加工精度和效率两方面考虑。在一个工序内往往采用不同刀具和切削用量，对不同表面进行加工。为了便于分析和描述复杂的工序，在工序内又细分为工步。工步是按照粗加工、半精加工、精加工依次完成，整个加工表面按先粗后精分开进行。

2.4加工顺序的安排

加工顺序的安排的基本要求

①上道工序的加工不能影响下道工序的定位与夹紧,中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑；

②先进行内形、内腔的加工，再进行外形的加工；

③以相同定位、夹紧方式或同一刀具加工的工序，最好连续进行，以减少重复定位次数、换刀次数与挪动压板次数。

④在同一安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏较小的工序。

通过以上几点要求，对于这个零件的加工顺序安排是：铣削毛坯、粗加工型腔、半精加工中间的凸台、精加工中间的凸台、半精加工侧壁和底面、精加工侧壁和底面、中心钻四个孔，麻花钻四个通孔、镗孔、倒圆、去毛刺、检验。2.5刀具的选择及其切削参数的确定

2.5.1刀具的选择

刀具的选择是数控加工工艺中的重要内容之一，不仅影响机床的加工效率，而且直接影响加工质量。编程时通常考虑机床的加工能力、工序内容、工件材料等因素。

基本要求：

①刚性好

可采用大切削用量提高生产效率,另外当加工余量很不均匀时,可基本不用调整切削用量,或不需要采用分层切削。

②耐用度要高

可避免因刀具磨损而影响加工精度，以及换刀操作。

③几何参数合理、排屑性能好。

通过以上要求，我选择的刀具如表2-1所示：

表2-1 数控加工刀具卡片

2.5.2切削用量

切削用量主要包括切削速度、进给速度、背吃刀量和侧吃刀量。

合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也要考虑经济性和加工成本。半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。

从刀具耐用度出发，切削用量的选择方法是：先选取背吃刀量或侧吃刀量，其次确定进给速度，最后确定切削速度。

背吃刀量（端铣）或侧吃刀量（圆周铣）

背吃刀量ap或侧吃刀量ae的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定。

由图纸可知工件表面粗糙度值要求为Ra0.8-3.2um，零件可分粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5-2mm；精铣时圆周铣吃刀量取0.3-0.5mm,面铣刀背吃刀量取0.5-1mm。

进给速度

进给速度vf 是单位时间内与铣刀沿进给方向的相对位移，单位为mm 。它与铣刀转速n 、铣刀齿数z 及每齿进给量fz 的关系为：zn f v z f

每齿进给量fz 的选取主要取决于工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料的强度和硬度越高，越小；反之则越大。硬质合金铣刀可参照表2-2选取。

表2-2

2.5.3切削速度

铣削的切削速度与刀具耐用度、每齿进给量、背吃刀量、侧吃刀量以及铣刀齿数成反比，而与铣刀直径成正比。可参考表2-3选取。

表2-3

2.6编写工艺规程

表2-4 塑料旋钮数控加工工艺卡片

通过对零件工艺方案的分析确定，加工路线的确定，刀具的选择，以及各个切削参数的设置，编制出如表2-4的塑料旋钮数控加工工艺卡片。

2.7程序的编制

对于复杂的零件，由于处理的数据是非常的庞大的，数据的精度又很高，使用手工编程几乎是不太可能的，所以是不可能采用手工编程的方法编写程序的。所以对于复杂零件，最好使用软件编程，它的好处就是通过生成刀路，选择合适机床的后置处理程序，导出G代码之后，并通过数据传输传到机床中，就可以进行数控加工了。使用软件的好处就是，避免了因为人为输入数据时的失误，对整个程序的影响，对于处理庞大的数据非常有效，而且也保证了数据的准确，最大的有点时提高了生产效率。

第三章零件的三维造型

3.1 三维软件的选用

课程安排中，我们接触了Pro/E、UG、AutoCAD等软件。

图3-1

Autodesk：因为二维设计软件

Autocad在全球的巨大成功，

Autodesk公司继而推出了三维软

件Inventor，以便在日益竞争激烈

的三维软件市场争得一席之地。但

它仅限于简单的三维造型，涉及复

杂曲面、高级装配等功能，它就显

得力不从心了。更因为没有模具设

计、数控加工及有限元分析等功

能，而在三维软件中处于弱势位

置。我们所学的CAD软件，只能进

行简单三维的造型，并且不具有

CAM的处理，所以一般不用CAD进行数控加工的CAE处理。如图3-1所示。

Pro/E是全参数化,无论结构复杂程度，都可修改，与分析具有相关性，有优化设计功能，可根据分析结构直接对模型进行修改，无需重新建模，周期短，造型思路严谨，招聘企业多。曲面方面有Style，从CDRS中吸收了很多自由曲面造型的方法。功能比较强,主要用于消费电子行业及其模具。提供专业化的自顶向下设计模块，由设计任务书自动控制下游各设计阶段。结构设计为全参数化。结构设计为变量化建模，较复杂结构无法修改,与分析无相关性，每分析一次，都需重新建模，周期长。缺点是二维图有点麻烦，复杂零件和复杂装配在前期全参造型速度较慢，后期修改参数很容易导致更新失败。CAE、运动分析、加工不是强项。

图3-2

UG可全参，可无参，可变参，造型思

路灵活，招聘企业较少，如果应用熟练，

复杂零件和装配后期修改非常方便，可去

参，可加参，可改参，实在不行对单个零

件推倒重来而不影响整体。曲面有

Imageware的集成，自由曲面造型效果好，

曲面功能更强。主要用于汽车、航空航天

及相关模具设计、分析、制造。CAE简单集

成了NX Nestran和I-DEAS MasterFEM，运

动学分析加入了ADAMS。加工与Cimatron、Delcam齐名，是目前最好的三大软件之一。UG提供了丰富且简便的二次开发工具，可以很轻松的添加功能。他的知识专家系统KF也是CAD中最优秀的。缺点：如果造型不够熟练、特征更新失败远远多于Pro/E。UG系统很不稳定。实际上做到全参并且方便修改很难。曲面有些功能不如Pro/E。如图3-2所示。

通过上述对几个软件的比较分析，最后决定选用UG软件来进行本课题的研究设计。

3.2 零件的形体分析

我的课题设计是塑料旋钮的凹模设计，在铣削表面加工完以后，零件是一个100×110×30mm的毛坯，该零件所需加工的是中间的一个型腔和外围的四个通孔。通过模具加工出来的塑料零件如图3-3所示。

图3-3

3.2.1.零件图工艺分析

图中几何元素关系清楚，条件充分，所需要的基点坐标都很容易求得，建模也比较容易。图纸上的材料是3Cr2Mo，查资料知道3Cr2Mo是国际上较广泛应用的塑料模具钢，其综合力学性能好，淬透性高，可以使较大截面的钢材获得教较均匀的硬度，并具有很好的抛光性能，模具表面光洁度高。用该钢制造模具时，一般先进行调质处理，硬度为HBS269～323（即预硬化），再经冷加工制造成模具后，可直接使用。这样，即保证模具的使用性能，又避免热处理引起模具的变形。因此，该钢种宜于制造大.中型的和精密的塑料模具以及低熔点锡，锌，铅合金用的压铸模等。

型腔的精度要求是JS9级，为过渡配合，选用偏差为±0.03。

四个孔的要求也比较高，孔的大小上偏差为+0.021，精度要求非常高，所以

我选择的工艺路线是先钻后镗的工艺路线。根据分析，为了达到零件图纸的要求，采用以下工艺措施：在同一个装夹中，把四个通孔同时加工出来，既保证了零件所要求的精度。如图3-4所示。

3.2.2选择设备

因为底面是一个R100的曲面组成，所以采用三轴以上的数控铣床，因此首先考虑的外形尺寸和重量，使其在机床的允许范围之内。其次考虑数控机床的精度是否能满足凸轮的设计要求。根据以上要求，所选的数控机床为三轴以上联动的数控加工中心。

3.3零件的建模过程

这个零件，我的建模过程是：

①在空间坐标系中画出旋钮的图形，并旋转成实体A。如图3-5所示。

图3-5

②画1个Φ18的圆，将圆绕原点旋转60o，复制5个出来，选中6个圆，拉伸成实体，并与实体A求差集，得实体B。图3-6所示。

图3-6

③画一个110×110mm的方形，拉伸30mm,并与实体B求差，得到实体C。

④在实体C的中间型腔拉伸六边形5mm，在拉伸中间的圆12mm，并与实体C求交，得实体D。

⑤在实体D四周画四个Φ20的圆，并拉伸30mm，与实体D求差，得实体E，并将圆倒1×45o的斜角。如图3-7所示。

图3-7

⑥然后选择型腔的边缘，把模1o。如图3-8所示。

图3-8

⑦选中型腔的所有边，都倒成R3的圆角。并且，这里面需要设置的一个参数是拐角倒角，如图3-9，图3-10是没有通过拐角控制的拐角面分析图像，图3-11是通过拐角控制的图形分析，从效果图上可以看出没有经过倒角控制的图

形，在图形线加错的地方，有短线的现象，这样使得刀具轨迹出现不光滑、不连续的现象，增大了计算机的运算时间，对刀具的损伤也是非常大的，所以遇到拐角控制的时候，最好把拐角倒角的选项参数设置了，这样才使得图形的的流畅，加工刀路的更加优化。

图3-9 图3-10 图3-11

第四章UG的零件数控加工

4.1 UG CAM 的铣削功能介绍

在这个设计中，我使用了以下几个CAM的铣削功能。

平面铣

平面铣操作主要用于创建去除乎面层材料加工的刀具轨迹．完成直壁型腔、型芯的顶部面和底部平面零件的加工。平面铣可以直接根据零件的2D图形生成刀具路径．而不必做出完整的零件模型。对于真壁面、顶部和底部平面的加工，平面铣它要用于粗加工和半精加工的编程，也可以用于精加工编程。

平面铣是一种2.5轴的加工方法，通过分层加工来完成整个零件的加工。

平面铣的特点：刀轴固定、底面是平面，各侧面垂直于底面。

型腔铣

型腔铣加工在数控加工中，主要用于创建型腔和型芯区域的刀具轨迹。型腔铣操作创建的刀具轨迹可以切削掉平面层的材料，主要用于零件的粗加工，为精加工操作做淮备。在大多数情况下，型腔铣可以代替平面铣对零件进行加工。型腔铣是在每一层切削层上，根据切削平面与毛坯几何体与部件几何体的交线来定义切削范围，当在同一高度完成—层的切削后，再进入下一层切削，最终特根据零件在不同深度的截面形状生成刀具轨迹。

型腔铣的特点：

●刀轨为层状，切削层垂直于刀具轴，一层一层的切削，即在加工过程中机床

为两轴联动；

●采用边界、面、曲线或实体定义刀具切削区域（即定义部件几何体和毛皮几

何体），但是实际应用中大多数采用实体；

●切削效率高，但会在零件表面留下层状余量，因此型腔铣主要用于粗加工，

但是在某些型腔铣操作中也可使用于精加工；

●可以适用于带有倾斜侧壁、陡峭曲面及底面为曲面的工件的粗加工和精加

工，典型零件如模具的动模、顶模及各类型框等；

●刀位轨迹创建容易，只要指定零件集合体与毛坯几何体，即可生成刀轨。

型腔铣与平面铣的区别

平面铣和型腔铣操作都是在水平切削层上创建的刀位轨迹，用来去除工件上

的材料余量。

1.相同点

●二者的刀具轴都是垂直于切削层平面；

●刀具路径的所用切削方法相同，都包含切削合乎轮廓的铣削（注：型腔铣中

没有标准驱动铣）；

●切削区域的开始点控制选项以及进刀/退刀选项相同。可以定义每层的切削

区域开始点，并提供多种方式的进刀/退刀功能；

●其他参数选项，如切削参数选项、拐角控制选项、避让几何体选项等基本相

同。

2.不同点

●平面铣用边界定义零件材料。边界是一种几何体，可用边界/曲线、面（平

面的边界）、点定义临时边界以及选用永久边界。而型腔铣可用任何几何体以及曲面区域和小面模型来定义零件材料；

●切削层深度的定义二者不同。平面铣通过所指定的边界和底面高度差来定义

总的切削深度，并且有5种方式定义切削深度；而型腔铣通过毛坯几何体和零件几何体来定义切削深度，通过切削层选项可以定义最多10个不同切削深度的切削区间。

型腔铣与平面铣的选用

正因为平面铣和型腔铣操作有一些相同点和不同点，故他们的用途也有许多不同之处，平面铣用于直壁的、并且岛屿的顶面和槽腔的底面为平面零件的加工。而型腔铣适用于非直壁的岛屿的顶面和槽腔的底面为平面或曲面零件的加工。

在很多情况下，特别是粗加工，型腔铣可以代替平面铣。而对于模具的型腔或型芯以及其他带有复杂曲面的零件的粗加工，多选用岛屿的顶平面和槽腔底平面之间为切削层，在每一个切削层上，根据切削层平面与毛坯和零件几何体的交线来定义切削范围。因此，型腔铣在数控加工应用中最为广泛，可用于大部分零件的粗加工以及直壁或者斜度不大的侧壁的精加工；通过限定高度值，只做一层切削，型腔铣也可用于平面的精加工，以及清角加工等，型腔铣加工应用中占有到超过一半的比例。

等高轮廓铣

等高轮廓铣加工是一种固定刀轴的加工，通过切削多个等高度的轮廓层来加工零件的实体轮廓和表面轮廓。在等高轮廓铣加工中，除了可以指定零件几何体

还可以指定切削表面作为零件几何体。如果没有定

义切削表面，则系统将整个部件几何体定义为切削

区域。在生成刀位轨迹的过程中．系统将跟踪几何

体．检测陡峭区域，生成加工轨迹。在等高轮廊铣

模板中可以指定陡峭角度来定义是否加工非陡峭区

域，若打开陡峭选项则系统只加工陡峭区域，若关

闭此选项则加工整个部件几何体。

固定轴曲面轮廓铣

固定轴曲面轮廓铣是用于精加工由轮廓曲面形

成的区域加工方式，它允许通过投影矢量以使刀具沿着非常复杂的曲面的复杂轮廓运动，它通过将驱

图4-1

动点投影到部件几何体上来创建刀轨。驱动点从曲线、边界、面或曲面等驱动几何体生成，并沿着指定的投影矢量投影到部件几何体上。然后，刀具定位到部件几何体已生成刀轨。

固定轴曲面轮廓铣它的特点有以下几个：

●刀具沿复杂曲面轮廓运动，适用于半精加工和精加工；

●刀具始终沿一固定矢量方向，采用三轴联动方式驱动；

●通过设置驱动几何与驱动方式，可产生适合不同场合的到位轨迹；

●提供了丰富的清根操作；

●非切削运动设置灵活；

中心钻、钻孔、镗孔、倒角沉孔

关于钻后面四个孔的操作，都属于点位加工的操作，点位加工的技术要点：●在钻孔加工时，需要考虑到钻头的顶部是不平的，需要增加一定的深度值；

●选择加工形式决定了其参数是否有效，如果选择了不正确的钻孔循环方式，

那么所设置的部分参数将可能是无效的；

●数控铣或者加工中心上不适用于加工极深的孔；

●在钻孔加工前一般要先用中心钻或者球头刀钻出引导孔，特别是在斜面上钻

孔时。否则，钻头极易偏离中心，严重时甚至会导致钻头折断；

●钻孔或者镗孔时，一定要注意排削问题。

4.2 数控加工及刀路的确定

将建立好的模型移动到图层3并作为工作层，其余层做隐藏处理。通过按钮

开始按钮，点开加工按钮进入加工环境。全部选择使用默认按钮。把工具按钮中的“操作导航器”按钮勾上，操作按钮上的“操作导航器”便显示出来，再在操作导航器上选择“机床视图”，在左边的导航画面即显示出如图的界面，依次创建Φ40面铣刀、Φ12牛鼻刀、Φ10立铣刀、Φ4立铣刀、R5球铣刀、R3球铣刀、A2.5中心钻、Φ19麻花钻、Φ20镗刀、Φ25锪刀。

图4-2 Φ40面铣刀图4-3 Φ12牛鼻刀

图4-4 Φ10立铣刀图4-5 Φ4立铣刀

图4-6 R5球铣刀图4-7 R3球铣刀

图4-8 A2.5中心钻图4-9 Φ19麻花钻

图4-10 Φ20镗刀图4-11 Φ25锪刀