毕业论文设计快速成型与模具设计

1、诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 垫片的模具设计及快速制造技术研究 系部： 机械工程系 专业： 材料成型及控制工程工程 学号： 112018234 学生： 指导教师（含职称）： （副教授） 1设计意义及目标学生应通过本次毕业设计，了解冲压模具的结构及设计方法；了解快速制造技术的方法及应用；了解3d打印快速制造技术的工作原理、适用材料、制造工艺及在模具制造中的应用，为学生在毕业后从事材料成型技术工作打好基础。2主要任务。（1）查阅20篇以上的科技文献（2）零

2、件名称 ：垫片生产批量 ：大批量材 料 ：10号钢厚 度 ：2mm 1）了解冲压模具设计的方法。分析所给零件的工艺方案和模具结构。计算凸凹模的尺寸。2）绘制凸凹模的零件图和并建立图凹模的三维模型。3）掌握3d打印快速制造技术的工作原理、适用材料、制造工艺流程及工艺参数4）用3d打印快速成型设备制造凸凹模。掌握模具设计的方法，并通过3d打印快速成型设备制造模具的主要零件。分析比较快速成型工艺和传统工艺各自的优缺点。（3）完成毕业设计的开题答辩、中期检查。（4）按照毕业论文的撰写要求完成毕业论文、参加答辩。3主要参考文献1丁松聚主编.冷冲模设计.北京：机械工业出版社，2001.102王广春，赵国群

3、.北京.快速成型与快速模具制造技术及其应用.机械工业出版社，2013.13刘厚才，莫健华，刘海涛.三维打印快速成形技术及其应用j.机械科学与技术，2008，（9）4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1查阅文献，完成开题报告12月1日12月31日2阅读相关文献，完成凸凹模计算1月1日3月10日3绘制凸凹模的零件图和三维图并完成中期检查3月11日4月30日4用3d打印设备制造凸凹模5月1日5月15日5撰写毕业论文，准备答辩5月16日6月10日审核人_ _年_月_日快速成型与模具设计摘 要：3d打印快速成型技术是一门新兴生产技术,具有很大的市场前景。3d打印快速成形技术指在不需要任何刀具、工装、模

4、具的情况下，根据零件的三维cad模型数据，利用快速成形设备及从下往上一层一层堆积的工艺，准确快速地生产产品的一项新型技术手段。本文在介绍了快速成型打印技术在产业未来的发展前景、三维打印快速成型技术的工作原理、制造工艺流程及特点的基础上以及跟传统模具制造工艺的不同，完成了垫片的模具设计并用3d打印设备打印了一套模具,分析了abs打印材料及打印工艺参数对零件质量的影响，展望了3d打印技术的未来发展趋势。关键词：快速成型 ,模具 ,冲压rapid prototyping and die designabstract：3d printing rapid prototyping technology i

5、s a new production technology, it has a lot of market prospects. 3d printing rapid prototyping technology that does not require any tool, fixture, mold, it according to the parts of the three-dimensional cad model data , using rapid prototyping equipment and on a layer of a layer of accumulation pro

6、cess from down to up, it is a new technological tool for producing products accurately and rapidly. the paper is introduced based on the developing prospect of the rapid prototyping printing technology in the future of industry , the working principle of 3d printing rapid prototyping technology, man

7、ufacturing process and characteristics and the difference with traditional die manufacturing process. and then complete the design of the gasket and print a die with 3d printing equipment., it analyzes the influence of abs printing materials and printing process parameters on the quality of the part

8、s and forecasts the future development trend of 3d printing technology.keywords: rapid prototyping die stamping目 录1 前言11.1模具行业的发展现状和市场前景11.2 冲压工艺介绍12 垫片的模具设计22.1 冲裁工艺设计22.1.1垫片的工艺性分析22.1.2冲压工艺方案的确定22.2 排样设计32.2.1 排样方案确定32.2.2搭边的选取42.2.3送料步距、条料宽度与材料利用率的计算42.2.4排样图52.2.5冲裁力和压力中心的计算52.3 刃口尺寸计算62.3.1 冲孔

9、刃口尺寸计算62.3.2 落料刃口尺寸62.4 冲裁模主要零部件设计与强度校核72.4.1 凹模的设计72.4.2 凸凹模的设计82.4.3 凸模的设计92.4.4 凸模强度校核102.4.5 凹模强度校核102.4.6 其他零部件的选择112.5 压力机的选取112.6 模具闭合高度的校核113 3d打印快速制造技术123.1 工作原理123.2常用材料123.3 制造工艺流程134 3d打印技术生产冲压模具144.1使用设备144.2 使用材料介绍144.3 三维设计144.4打印过程分析164.5完成打印175 冲压模具的传统与现代制造工艺比较195.1 模具制造基本要求195.2 模具

10、制造特点195.3 模具的传统制造工艺195.4 模具的现代制造工艺205.6 现代与传统模具制造工艺的比较206 结 论22参考文献23致 谢24i太原工业学院毕业设计1 前言1.1模具行业的发展现状和市场前景 模具是不仅是中国也是全世界制造业的重要基础工艺装备，工业产品中大批量生产以及新产品开发都离不开模具，用模具生产制件所达到的一系列高标准以及高利润，使模具工业在制造业中的地位越来越重要。当今世界经济的飞速健康发展表现出对模具制造行业越来越高的需求。在中国人们已经越来越认识到模具技术水平的高低，已经成为衡量一个国家制造业的水平高低的重要标志，并在很大程度上决定着产品质量，效益和新产品的开

11、发能力。我国正处于从模具制造大国向模具制造强国转变的进程中，虽然我国模具行业已经进入高速发展时期，但是未来10-15年仍是我国模具行业发展的重要时期。同时我国引进国外先进技术，对国内市场有一定的冲击，因此我国必须要加强人才的培养以及模具产品结构的调整。使我国模具行业不断的进步。 我国模具市场前景具有广阔性，随着模具可以应用的领域不断增大以及对模具行业提出的高要求，使模具发展快于其他行业，也使模具市场供不应求。外资和民营资本持续看好我国模具行业，认为其机遇大于挑战，具有很大的发展空间和潜力。汽车，飞机，电子等行业对于模具的需求大幅度增加以及人们对模具生产周期的要求更高，使模具行业发展更加迅速。作

12、为未来中国模具制造业接班人，大学生应努力学习专业知识，多多了解接触新兴模具制造技术并且扎实传统模具制造技术。1.2 冲压工艺介绍 冷冲压是在常温下利用冲模在压力机上对材料施加压力，使其产生分离或者变形，从而获得一定的尺寸、形状和性能的零件加工方法。 利用冷冲压可以得到形状复杂、用别的加工方法难以加工的零件。冷冲压件的尺寸精度是由模具保证的，所以，尺寸稳定，互换性好。使用冷冲压加工，材料的利用率高，工件质量轻、强度高、耗能也少，所以成本也较低。冲压操作简单、易于实现机械化和自动化。但是冲压加工中所用的模具结构一般比较复杂，成本较高、生产周期较长，因此冲压工艺多用于成批、大量生产的生产中5。2 垫

13、片的模具设计 零件名称：垫片 生产批量：大批量 材料：10号钢 厚度：2mm2.1 冲裁工艺设计 2.1.1垫片的工艺性分析 本设计的垫片要求大批量生产，普通级精度要求及表面质量，材料为10号钢。 10号钢具有较好的强度与冲压加工性，它的塑性和韧性较好焊接性比较好。这个垫片的形状简单、厚度小、精度要求不高，故可以考虑采用积聚废料的复合冲压工序。 2.1.2冲压工艺方案的确定 该零件的基本工序为落料和冲孔，因此有下面三种方案： 方案一：先落料后冲孔，采用单工序模生产。 方案二：落料冲孔复合冲压，采用复合模生产。 方案三：冲孔落料连续冲裁，采用连续模生产。表2.1三种方案的比较 模具种类比较项目单

14、工序模复合模级进模冲件精度较低高一般生产效率较低较高高生产批量适合大、中、小批量适合大批量适合大批量模具复杂程度较易较复杂复杂模具成本较低较高高模具制作精度较低较高高模具制造周期较快较长长模具外形尺寸较小中等较大冲压设备能力较小中等较大工作条件一般较好好 方案一模具结构比较简单，可是有两道工序，需要两副模具，因此生产效率低，不符合本设计的要求。方案二只要一套模具，冲压件的形位精度容易保证，生产效率高，虽然模具结构比方案一复杂，但是因为零件形状比较简单，所以模具的生产制造相对简单。方案三也只要一副模具，生产效率高，但是零件的冲压精度不高，要在模具上安装导正销才能够保证它的形位精度，因此模具制造安

15、装较困难，成本较高。综上，采用方案二。2.2 排样设计 2.2.1 排样方案确定 条料的排样方法有三种：有废料排样：冲裁件与冲裁件之间以及冲裁件与条料侧边之间都有搭边。少废料排样：只有冲裁件与冲裁件之间或者只有冲裁件与条料侧边之间有搭边。无废料排样：冲裁件与冲裁件之间以及冲裁件与条料侧边之间都没有搭边。采用少废料、无废料的排样方法可以使冲裁模的结构简单，同时减小冲裁力，提高材料的利用率。不过由于条料本身的公差和条料导向与定位所产生的误差影响，使得冲裁件的公差等级低。而且由于模具只有一边受力，会加剧模具的损坏，降低模具的寿命，同时会影响冲裁件的断面质量。根据上面的分析，所以选取有废料排样这个方案

16、。2.2.2搭边的选取 查冷冲模设计表3-10得 工件之间搭边值 a=1.5mm 侧面搭边值a1=1.8mm 2.2.3送料步距、条料宽度与材料利用率的计算 （1）送料步距： 由式3-24得 a=d+a a平行于送料方向的冲裁件宽度 a冲裁件之间的搭边值 a=36+1.5=37.5mm（2）条料宽度： 由式3-26得 b=（d+2a1+2+b0）0- b0-导料板和条料之间的距离 d冲裁件和送料方向垂直的大小 板料剪裁时的下偏差 由表3-11得 =0.5 由表3-12 得 b0=0.8 b=（40+2*1.8+2*0.5+0.8）-0.50=45.4-0.50mm（3） 材料利用率： =（s1

17、/s0）*100% =1136.85/（37.5*45.4）*100% =66.8%2.2.4排样图图 2-1 排样图2.2.5冲裁力和压力中心的计算 （1）冲裁力： 由式3-15得 f=klt l冲裁件的周长 t板料厚度 材料抗剪强度 k系数，常取k=1.3 由cad得l=130.8mm 由表2-3得 =300 f=1.3*130.8*2*300=102.02kn 卸料力 f卸=k卸f 推件力 f推=nk推f 顶件力 f顶=k顶f k卸、k推、k顶卸料力、推件力、顶件力系数 n梗塞在凹模内的冲件数（n=h/t） h凹模直壁洞口高度 查表3-8得 k卸=0.03 k推=0.05 k顶=0.06

18、 由于本模具采用弹压卸料装置和上出件方式的冲裁模 f=f+f卸+f顶 =102.02+102.02*0.03+102.02*0.06 =111.2kn（2）压力中心的计算： 由于该冲裁件几何形状对称，所以其压力中心为其几何中心。2.3 刃口尺寸计算 2.3.1 冲孔刃口尺寸计算 由式 d凸=（dmin + x）-凸0 d凹=（d凸 + zmin）0凸 d凸、d凹冲孔凸模、凹模基本尺寸 dmin冲孔件最小极限尺寸 冲裁件的公差 x磨损系数，查表3-5得 x=0.5 凹、凸凹模、凸模制造偏差 查表3-3得 zmin=0.246mm zmax=0.360mm zmax-zmin=0.114mm 查表

19、3-6得 凹=+0.025mm 凸=-0.02mm 凹+凸=0.045mm<0.114mm 符合凹+凸< zmax-zmin 要求 d凸=（ dmin + x ）-凸0=（20+0.5*0.21）-0.020=20.105-0.020mm d凹=（ d凸 + zmin ）0凸=（20.105+0.246）0+0.025=20.3510+0.025mm 2.3.2 落料刃口尺寸 设计时以凹模为基准件，凹模磨损后刃口尺寸都会增大，因此属于第一类尺寸。 由式3-8得 d=（dmax-x）0+（1/4） 查表3-5得 x1=1 x2=0.5 d1=（20.1-1*0.1）0+0.025=2

20、00+0.025mm d2=（36-0.5*0.25）0+0.0625=35.8750+0.0625mm 2.4 冲裁模主要零部件设计与强度校核 2.4.1 凹模的设计 凹模厚度的确定:h=kb（15mm） 凹模壁厚: c=（1.52）h（3040mm） 凹模边长: b=b+2c b冲裁件的最大外形尺寸 k系数 查表4-3 得k=0.42 h=0.42*40=16.8mm 取h=18mm c=（1.52）h=2736mm 取 c=35mm b=40+70=110mm其形状如下图2-2：图2-2 凹模2.4.2 凸凹模的设计 在复合模中一定会有凸凹模这个零件。凸凹模的内外缘均为刃口，内外缘之间的

21、壁厚决定于冲裁件的尺寸。从强度考虑。壁厚受最小值限制。凸凹模的最小壁厚与冲模结构有关，对于正装复合模，由于凸凹模装于上模，孔内不会积存废料，胀力小，最小壁厚可以小些，对于倒装复合模，因为孔内积存废料，所以最小壁厚要大些。 积聚废料的凸凹模的最小壁厚可参考表4-4。 本模具采用倒装复合模，因此孔内会有积存废料，所以最小壁厚要大些。查表4-4得 最小壁厚t=4.9mm 其形状如下图2-3：图2-3 凸凹模2.4.3 凸模的设计 凸模长度 l=h1+h2+h3+y h1凸模固定板的厚度，外形尺寸一般与凹模大小一样。 h2卸料板的厚度 h3导料板的厚度 y附加长度，一般取1520 l= 18 +8 +

22、6 +18 +15=65mm 其零件图如下图2-4 图2-4 凸模 2.4.4 凸模强度校核 由模具设计与制造简明手册查得 d4tb/压 d凸模最小直径 b冲压材料的抗拉强度 压许用压力 查的100压160 4*2*300/160=1520mm 符合强度要求 2.4.5 凹模强度校核 弯=3p（b/a）/h²（1+b²/a²）弯 a*b下模座长方孔尺寸 弯=3050公斤力/毫米² 1公斤力=10n 弯=3*102.02*(106/110)/18²*（1+106²/110²） =47公斤力/毫米² 符合要求2.4.6

23、 其他零部件的选择 由标准7、8可知 上模座与下模座查表 1-248 、1-249得 上模座： l*b=125*100mm h=25mm h0=85mm 下模座： l*b=140*100mm h=30mm 模柄: d=40mm 螺钉：m8 销钉：m6 2.5 压力机的选取 p=102.02kn 查标准选取 开式双柱可倾压力机 j23-16. 公称压力为160kn, hmax=220mm2.6 模具闭合高度的校核 hmin+10mmh模具hmax-5mm h模具=h下模座+h上模座+h垫板+h凸模+h凸凹模 =40+25+40+50+30 =185mm hmin=40+25+40+30 =135

24、mm hmax+10h模具hmax-5 符合要求3 3d打印快速制造技术3.1 工作原理3d打印是快速制造成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，利用金属粉或塑料丝等可粘合材料，通过一层一层分层堆砌的方式来制造物体的技术。3d打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，在模具制造等领域被用于制造模具实体模型，后来逐渐用于一些零件的直接制造，这一技术如今应用非常广泛。 日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物体。普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3d打印机内装的是金属粉、塑料丝、砂等特殊的打印原材料。3d打印机与普通打印机打印原理是非常相似的。我的毕业设计模具打印制作时用的材料是

25、塑料。用电脑处理模具尺寸数据格式，转化为3d打印设备可以识别的格式，把转化后的模具尺寸数据存入u盘，并与3d打印设备usb接口连接，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似，所以这项打印技术就被称为3d立体打印技术3.2常用材料 3d打印对材料性能具有一定要求，应精确快速的加工所需零件。3d打印快速成型制件应当接近零件尺寸工艺要求，应尽量满足对强度、耐潮湿性能等等的要求，便于进行后续的处理工艺。 3d打印常用材料有尼龙玻纤、石膏、铝、钛合金、不锈钢、橡胶。大致有如下几种分类方法：按材料成型的方法可分为：固态粉末（金属粉，蜡粉、陶瓷粉及塑料粉等非金属粉）、固态丝材（abs丝、蜡丝等）、固态片材（塑料

26、、lom纸、金属铂+粘结剂等）、液态材料（部分光敏树脂、sla等）。按材料的化学性能分类：金属类材料、陶瓷类材料及复合材料等。按成型方法的不同可分为：sls材料、sla材料、lom材料等。虽然塑料、某些金属或者陶瓷可以成为高端工业印刷的材料。但是适用材料依然非常有限，另外，随着3d打印技术不断的完善。目前依然无法支持日常生活中所接触到的各种各样的材料。 此次毕业设计所用材料为abs塑料，它属于熔融沉积材料。应采用加压融化罐。 熔融挤压喷头的工作原理很简单，就是将abs塑料丝装入融化罐中，对其加热融化呈熔融状态，然后将融化的塑料均匀挤出，一层一层的堆积成形。3.3 制造工艺流程 本次毕业设计3d

27、打印采用的机器设备为陕西恒通智能机器有限公司生产的打印机。它的工艺流程如下： 先根据毕业设计所要求的零件尺寸进行凸模、凹模以及凸凹模部分的计算与设计，然后用proe画出三维图形，然后把三维图转换成stl格式文件，接着生成gcode代码，生成过程中可修改填充率，壳厚、等参数以及调整图形位置、大小等。最后生成加工代码导入u盘中，将u盘插在3d打印机上运行程序即可开始打印零件。4 3d打印技术生产冲压模具4.1使用设备 本次毕业设计3d打印部分采用的机器设备为陕西恒通智能机器有限公司生产。机器如下图4-1：图4-1 3d打印机4.2 使用材料介绍 3d打印常用材料有很多，比如尼龙玻纤、石膏、铝、钛合

28、金、不锈钢、橡胶。本次实验所用材料为abs塑料丝。此塑料目前应用最广，产量特别大。具有优良的力学性能。abs塑料是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的三元共聚物。a代表丙烯腈、b代表丁二烯、s代表苯乙烯。由于abs塑料的三元共聚物条件，使它具有良好的性能。例如化学性能稳定，耐油、刚度和硬度也高。介电性能良好。4.3 三维设计 根据本设计所计算出来的尺寸利用proe画出三维图如下：图4-2 凸凹模图 4-3 凹模图4-4 凸模4.4打印过程分析 先把三维图转换成.stl格式文件，然后转换成gcode代码，生成过程中可调整图形位置，修改填充率，壳厚、等参数。 本实验采用的工艺参数为：层厚为0.15mm ，送丝

29、时移动速度为50mm/s，空闲时移动速度为60mm/s，打印温度为180，外壳层数为1，填充率为3%，细丝直径为1.82mm。如下图4-5：图4-5 参数修改界面图4-6 3d打印机操作界面 最后生成加工代码导入u盘中，注意加工代码不能放在子文件中。将u盘插在3d打印机上运行程序即可开始打印零件。4.5完成打印 在等待数个小时之后，本实验打印成品如下图：图4-7 凸凹模图4-8 凹模图4-9 凸模5 冲压模具的传统与现代制造工艺比较5.1 模具制造基本要求在工业产品中的生产中，保证零件质量、提高零件生产效率，降低零件生产成本的最直接方法就是采用模具。为了得到最经济最合理的模具，除了采用合理的模

30、具结构，认真进行模具计算之外，也要运用先进的模具制造技术。在制造模具时，应满足如下几个基本的模具制造要求：（1）模具的精度和刚度要高。（2）使用寿命要长。（3）制造周期要尽量短。（4）标准化程度要高。（5）模具成本要尽量低。（6）工艺水平要高。 总之各种要求要相互制约、相互影响。不能一味追求使用寿命和模具成本，否则必然导致产品质量的下降。当然，在各方条件许可情况下，适当延长使用寿命降低模具成本还是符合生产实际的。5.2 模具制造特点严格来说，模具制造与机械制造密不可分，但是，一个机械制造能力较强的企业，模具制造不一定就强，模具制造难度较大，因为它存在许多特殊性;（1）单件小批量生产（2）形状复

31、杂（3）制造精度质量要求高（4）材料硬度高 （5）生产周期长，所以成本比较高 （6）安装模具之后都需要技术人员进行试模、调整和维修。5.3 模具的传统制造工艺 传统的模具制造工艺主要有机械加工、特种机工、塑性加工、铸造、焊接。 （1）机械加工 即传统的切削和磨削加工。包括车削加工、铣削加工、刨削加工、磨削加工等。车床是进行车削加工的机器，车床有很多种类，卧式车床应用最普遍。在模具制造中卧式车床主要加工凸凹模、导柱导套、顶杆、型芯之类。内外旋转表面之类的经常采用车削加工。立式铣床和万能工具铣床的立铣加工是模具零件的铣削加工中应用最广泛的。主要加工的是模具的型腔和型面。刨削主要用于模具零件外形表面

32、的加工。牛头刨床主要加工平面和斜面。磨削加工是大部分模具零件必须经过的一道工序，经过磨削加工，模具才能达到生产要求的尺寸和表面精度要求。 （2）特种机工 即电加工。包括电火花线切割等。 （3）塑型加工 就是将淬火后的模具用力压入没有进行过硬化处理的模坯，被压过的模坯与淬火后的模具形状完全一样，从而得到所需要的模具。 （4）铸造 如果模具对精度和使用寿命要求不高，可以考虑铸造快速成型模具，例如加工汽车外壳这一类大件的不规则模具，一般都采用铸造成型。 （5）焊接 即把模具分块制造好，然后用焊接把这些分块连接成一个完整大块模具。显而易见，这种方法的精度和表面质量不高。5.4 模具的现代制造工艺 其中

33、包括数字控制机床和快速制造成型设备 （1）数字控制机床 它的基本工作原理大致是数控机床程序员先根据所加工零件形状编写程序代码，将编写好的程序代码输入数控机床的操作系统内，先模拟加工一次用来检查程序是否正确、零件是否可以加工成型。如果模拟失败就继续改进继续模拟检验，如果模拟成功就开始启动加工零件。 它适用于单件小批量零件生产，模具就是这一类零件。 （2）快速制造成型设备 最为熟悉的3d打印快速制造技术就是其中典型的一类。它以模具cad、cam技术为支撑软件。通过运用此软件将所需加工的零件图绘制出来，输入3d快速成型设备中，成型设备利用不断熔融的塑料或者金属等材料堆砌成型模具零件。5.6 现代与传

34、统模具制造工艺的比较 近年来，先进模具制造工艺不断更新变化，但是一般的机械加工依然是不可替代的模具加工基本手段。机械加工的突出特点是加工的精度很高，生产效率也不低。用同一台机床和道具，经过工人师傅的巧手可以制造出各种各样形状复杂的零件，但是数控机床和快速制造成型设备却做不到这一点，数控机床一个程序对应一种零件，加工另外一种零件时需要程序员重新编写程序。快速制造成型设备一张三维图对应一种零件。需要加工其他零件时，需要重新画一份三维图。 但是，机械加工的加工速度很慢，如果加工零件太硬也无法加工。材料的利用率也不高。操作工人尤其是操作熟练的操作工人也稀缺。不过，尽管如此，机械加工依然必不可少。工件的

35、加工通常粗车、半精车、和精车等工序而达到要求。根据零件精度要求，车削作为外旋转表面的中间加工工序。电加工的工件情况与工件的硬度无关，加工过程不需要施加明显的机械力，放电即可。容易实现自动化的加工过程。铸造用的铸铁模可以很容易的制造出复杂形状的模具，尺寸也不受限制，成本低，不过不耐磨，精度也不高。焊接也不受模具零件尺寸的限制。但是耐冲击性能差。 与普通机床相比，数控机床自动化程度高、生产效率高。尤其是在生产形状复杂的模具时，数控机床的生产速度远远快于传统机床生产速度。而且数控机床加工出的模具质量稳定，传统机床都是由工人师傅操作制造模具，每位工人师傅技艺娴熟程度都不同，生产出的模具零件质量并不是高度一致的。数控机床的适应性强。当加工模具时，只需换上相应的程序就可以加工，方便快捷。但是普通机床就会有一些限制。某些类型