毕业论文基于UG轮胎模具设计

毕业设计（论文）题目：基于UG的轮胎模具设计院(系)：机电工程系专业：机械制造与自动化姓名：学号：指导教师：二〇一一年十一月二十日

毕业设计（论文）任务书学生姓名学号专业机械制造与自动化院（系）机电工程系毕业设计（论文）题目基于UG的轮胎模具设计任务与要求一、设计的任务：1、综合运用平时所学理论基础，基本知识和基本技能，提高和分析解决实际问题的能力。2、查阅相关文献和资料，制定设计或实验方案。3、参考文献不得少于6篇。4、设计、计算、绘图。5、总结和撰写论文。6、在规定时间内完成老师布置的论文内容。二、设计的要求：1、内容丰富，立意新颖。2、资料详实，运用得当。3、语体正确，合符规范。4、层次清晰，中心突出。5、论证充分，结论合理。6、正文不少于4000字。完成时间段2010年11月10日至2010指导教师单位机电工程系职称高级工程师院（系）审核意见毕业设计(论文)进度计划表日期工作内容执行情况指导教师签字2011.11.07-11.14论文选题良好张下炼2011.11.15-11.21搜集资料良好张下炼2011.11.22-11.30拟定初稿良好张下炼2011.12.1-12.10修改中稿良好张下炼2011.12.11-12.30确定终稿良好张下炼2012.01.01-03.01交电子档、打印稿3份良好张下炼2012.02.01-03.01答辩准备良好张下炼教师对进度计划实施情况总评签名：年月日本表作评定学生平时成绩的依据之一毕业设计(论文)中期检查记录表学生填写毕业设计(论文)题目：基于UG的轮胎模具设计学生姓名：学号：专业：机械制造与自动化指导教师姓名：张下炼职称：高级工程师检查教师填写毕业设计(论文)题目工作量饱满一般不够毕业设计(论文)题目难度大适中不够毕业设计(论文)题目涉及知识点丰富比较丰富较少毕业设计(论文)题目价值很有价值一般价值不大学生是否按计划进度独立完成工作任务学生毕业设计(论文)工作进度填写情况指导次数学生工作态度认真一般较差其他检查内容：存在问题及采取措施：检查教师签字：年月日院（系）意见(加盖公章)：年月日摘要模具CAD/CAM技术是先进制造技术的基础和重要组成部分,本文以高端的CAD/CAM集成系统UG软件作为支撑环境,根据轮胎设计的二维图样,实现了轮胎模具基模胎面及花纹的精确三维造型和数控加工程序编制。使模具生产实现高精度,高效率和高度自动化。阐述了UG环境下的轮胎模具三维造型方法、数控程序编制的工艺流程及制定用户化加工模板的重要性。关键词：UG模具设计轮胎花纹轮胎造型AbstractMoldCAD/CAMtechnologyisthebasicandimportantpartofadvancedmanufacturingtechnology.ByadoptingahighterminalCAD/CAMintegratedsystemUGsobtwareasaplatform.Baseonthe2Ddrawingwhichprovidedbyconsumer,thearticlerealizedtheprocedurehowtosetupaprecise3Dtiremoldmastermodel,bothfortiretopsurfaceandtreadgroove,andhowtomakedigitalcontrollprocessingprograms.numericalmanufacturingprocessoftiremoldsteelsegmentiscarriedout.Thearticlealsopresentsthemethodofbuildingtiremold3Dmodels,NCprogrammingprocessandformulationoftheimportanceofuserprocessingtemplate.KEYWORD：TheUGmolddesignTiretreadTiremodeling目录第一章绪言 1第一节模具CAD/CAM技术 1第二节CAD/CAM技术在模具行业中的应用 1第二章UG 1第一节UG的功能 1第二节UG的技术特性 2第三节UG建模的优益 3第三章轮胎的构造和分类 5第一节轮胎的构造 5第二节轮胎的分类 5第四章轮胎磨具的加工 8第一节轮胎的基础建模 8第二节轮胎的实体建模 10第三节轮胎模具花纹快的加工 12结论 15致谢 16参考文献 17第一章绪言第一节模具CAD/CAM技术模具在工业生产中有着重要的地位，它是国民经济的基础工业。随着汽车工业的发展，对轮胎的需求量、质量和产量成为衡量一个国家汽车工业发展的一个重要标志。由于轮胎花纹的更新速度加快，要求模具生产要有更短的周期、更低的成本和更高的质量。依赖传统的模具设计和加工方法已经远赶不上当今前进的步伐，从而使轮胎模具加工技术进入以数控加工及计算机辅助制造为主的新阶段。近些年发展起来的主要的模具先进技术有：模具CAD/CAM技术、先进模具加工设备、快速经济模具制造技术和模具的逆向工程技术等。其中模具CAD/CAM技术是模具先进制造技术的基础。第二节CAD/CAM技术在模具行业中的应用应用模具CAD/CAM技术可以缩短模具生产周期，减少设计中的主观误差，并能利用计算机容量大、运算速度快的特点，借助数据库存储的大量数据优化设计方案，保证方案的可行性。CAD系统产生的数据可直接经CAM软件处理成数控机床可以识别的的代码，进而控制加工设备加工出模具，使模具生产实现高精度、高效率和高度自动化。随着汽车工业的不断发展，相应的轮胎模具花纹形状越来越复杂，质量要求越来越高。模具制造业为了使用广大用户的要求，充分利用数控加工及模具计算机辅助设计及辅助制造等新技术，从而使模具加工技术进入以数控加工和模具计算机辅助设计及辅助制造为主的新阶段。在轮胎模具CAD/CAM技术方面轮胎模具的加工制造方式逐步向数控化发展。第二章UG第一节UG的功能一、UG/GatewayUG/Gateway为所有UGNX产品提供了一个一致的、基于Motif的进入捷径，是用户打开NX进入的第一个应用模块，Gateway是执行其他交互应用模块的先决条件，该模块为UGNX4.0的其他模块运行提供了统一的的数据库支持和一个图形交互环境。他支持打开已保存的部件文件、建立新的部件文件、绘制工程制图以及输入输出不同格式的文件等操作，也提供层控制、视图定义和屏幕布局、表达式和特征查询、对象信息和分析、显示控制和隐藏（Ctrl+B）/再现对象（Shift+Ctrl+B）等操作。二、CAD模块1、实体建模实体建模是集成了基本约束的特征建模和显性几何建模两种方法，提供符合建模的方案，使用户能够方便地建立二维和三维线框模型、扫描和旋转实体、布尔运算及其表达式。实体建模是特征建模和自由形状建模的必要基础。2、特征建模UG特征建模模块提供了对建立和编辑标准设计特征的支持，常用的特征建模方法包括圆柱、圆锥、球、圆台、凸垫及孔、键槽、腔体、倒圆角、倒角等。为了基于尺寸和位置的尺寸驱动编辑、参数化定义特征，特征可以相对于任何其他特征或对象定位，也可以被引用复制，以建立特征的相关集。3、自由形状建模UG自由形状建模拥有设计高级的自由形状外形、支持复杂曲面和实体模型的创建。它是实体建模和曲面建模技术功能的合并，包括沿曲面的扫描，用一般二次曲线创建二次曲面体，在两个或更多的实体间用桥接的方法建立光滑曲面，还可以采用逆向工程，通过曲线/点网格定义曲面，通过点拟合建立模型。还可以通过修改曲线参数，或通过引入数学方程控制、编辑模型。4、工程制图UG工程制图模块是以实体模型自动生成平面工程图，也可以利用曲线功能绘制平面工程图。在模型改变时，工程图将被自动更新，制图模块提供自动的视图布局（包括基本视图、剖视图、向视图和细节视图等），可以自动、手动尺寸标注，自动绘制剖面线、形位公差和表面粗糙度标注等。利用装配模块创建的装配信息可以方便地建立装配图，包括快速地建立装配图剖视，爆炸图样等。5、装配建模UG装配建模是用于产品的模拟装配，支持“由底向上”和“由顶向下”的装配方法。装配建模的主模型可以在总装配的上下文中设计和编辑，组件以逻辑对齐、贴合和偏移等方式被灵活地配对或定位，改进了性能和减少存储的需求。参数化的装配建模提供为描述组件间配对关系和为规定共同创建的紧固件组和共享，使产品开发并行工作。三、UG的主要功能UG的功能非常强大，涉及到平面工程制图、三维造型、运动分析、模拟加工过程等。CAD功能实现了目前制造业行业中常规的工程设计和绘图的自动化；CAE功能能够进行有限元分析、静力学分析、动力学分析；CAM功能则为数控机床提供NC编程技术。同时它还提供了一整套CAD/CAE/CAM业界先进的二次开发工具集，为不同的用户提供相应的开发工具。UG软件解决方案的目标：1、减少产品上市时间，实现产品创新；2、减少成本；3、获取和再使用知识。第二节UG的技术特性一、集成产品的开发CAD是一个完全集成的CAD/CAE/CAM软件集，它致力于从概念设计到工程分析到制造的整个产品开发过程。二、相关性通过应用主模型方法，使得从设计到制造的所有应用保持相关性和参数性。在特征间、组件间以及各应用间具有相关性。具体地说，在一个部件中，某一个特征的参数变化将引起相关特征的变化；在装配件中，其中一个部件的变化能够反应到相关部件；CAD模型中的变化能够反应到CAM应用中（参数化是指模型是变量驱动的）。主模型（三维几何体）是按需求可变的，所以必须选择正确的建模方法。三、基于知识的工程用知识驱动的自动化，UG解决了怎样获取、再使用和运用累积在制造产品中的知识，包括过程知识和人的知识。知识通常包括：“业界标准”知识，知识驱动自动化提供过程向导和助理，这些解决方案应用业界知识到专门的任务，建立集成的解决方案，它们有更强的功能，更易于使用和更高的生产率，如UG/模具向导(MoldWizard)、UG/冲模工程向导（DieEnigineering）、UG/齿轮工程向导（GearEngineeringWizard）。“公司独特”的知识，知识驱动自动化提供UG/KnowledgeFusion(知识融合)，这个新的产品使得公司能够快速和方便的添加工程规则去驱动一个模型或建立过程向导和助理，UG/KnowledgeFusion使基于知识工程的环境直接能进入UG的核心。四、客户性UG提供CAD/CAE/CAM业界最先进的编程工具集，去定制UG和裁编它以满足一个企业的需求：1、UG/OpenUIStyler：它是为了构建UG风格对话框一个直观可视化的编辑器。2、UG/OpenGRIP：它是为了自动化CAD/CAE/CAM任务的一种脚本语言。3、UG/OpenAPI：它提供一种直接编程接口到UG，允许用户建立客户化的应用，他使用今天最流行的编程语言。第三节UG建模的优益一、提高设计效率UG的参数化功能支持模型的实时修改，系统能自动刷新模型，以满足设计要求。通过更改草图设计和特征参数值(参数值可导出到Excel电子表格中进行编辑)，可以由一个规格的花纹实体模型变换到另外一个规格，方便地将花纹系列化，以有效减少重复劳动，提高设计效率。实体模型可直接用于模具加工，减少模具加工企业由二维图纸绘制三维图形的失误，保证模具与设计一致，同时大大减轻了模具企业设计人员的劳动强度，缩短模具加工周期。二、便于产品外观设计评审传统二维设计无法有效地进行产品外观设计评审，只有待样胎试制后才能看到产品的实际效果，无形中增大了模具投资风险，而UG软件能在设计阶段呈现直观的轮胎三维图。使用UG制做轮胎的三维模型可以在投资前判断轮胎外观设计的优劣，减小投资风险，且通过生成的高质量图片还能及时发现和纠正设计阶段不易察觉的错误，同时这些图片也可在产品设计阶段用于市场宣传，抢占市场先机。三、为后续CAE做准备完成轮胎的实体模型后，可以用CAE系统在计算机上对产品模型的结构强度、刚度、动力响应、热传导及弹塑性等性能进行分析计算，找出产品的薄弱环节并对其进行优化设计，可极大地增加设计人员的自信心，提高产品开发的成功率。四、便于技术交流三维软件在汽车和工程机械行业已广泛应用于设计、分析、装配和运动仿真等方面，为便于技术交流，提高产品的核心竞争力，需要采用与之匹配的设计手段。采用UG软件对轮胎进行三维设计可以很方便地与用户企业沟通，及时根据要求提供他们需要的轮胎产品。五、提升企业技术水平使用UG三维软件后，企业的技术水平得到了很大的提高，在与国内外相关企业的合作和竞争中，企业的设计能力可得到更好的认可和评价。第三章轮胎的构造和分类第一节轮胎的构造一、有内胎的轮胎有内胎的轮胎是由外胎、内胎和垫带组成。外胎是一个弹性胶布囊，他能使内胎免受机械磨坏，使充气内胎保持规定的尺寸，承受汽车的牵引力和制动力，并保证轮胎与地面的抓着力。内胎是一个环形橡胶筒，置于外胎内，其中充入压缩空气。在内胎和轮辋之间有一条垫带（在深式轮辋上使用的轮胎则不用垫带），垫带是具有一定断面形状的环形胶带，保护内胎不受磨损。二、无内胎的轮胎不使用内胎，空气直接充入外胎内腔。轮胎的密封性是由外胎紧密着合在专门结构的轮辋上而达到的。为了防止空气透过胎壁扩散，轮胎的内表面补贴有专门的密封层，这样在穿刺时空气只能从穿孔跑出。三、外胎的构造外胎是由胎体、缓冲层、胎面、胎侧和胎圈组成。外胎断面可分成几个单独的区域：胎冠区、胎肩区（胎面斜坡）、屈挠区（胎侧区）、加强区和胎圈区。第二节轮胎的分类一、按汽车种类分类轮胎按车种分类，大概可分为8种。即：轿车轮胎；轻型载货汽车轮胎；载货汽车及大客车胎；农用车轮胎；工程车轮胎；工业用车轮胎；飞机轮胎；摩托车轮胎。二、按用途分类轮胎按用途分类，包括乘用车胎、载重汽车轮胎、轻卡汽车轮胎、农业用车轮胎、摩托车轮胎等种类。载重汽车轮胎除了在胎壁上标有规格尺寸以外，还必须标明层级数。载重轮胎的层级数并不是指它的实际层数，而是指用高强度材料帘线制作胎体的轮胎，其负荷性能相当于用棉帘线制作胎体的轮胎帘布层数。这是因为棉帘线是最早用于制作胎体帘线的，因此，国际惯例即以棉帘线层为表示轮胎层数的基准。不同层级，轮胎的负荷能力不同。即使相同规格的轮胎，因为它的层级数不同，它的负荷能力也不相同，所以，不同层级的轮胎，不能在同一轴上使用，否则，在高速行驶并负载的情况下就会发生危险。比如：解放车用的900—20轮胎(16层级)就不能和900—20轮胎(14层级)同用在一轴上，因为它们的层级不同，负荷不同，混用以后就容易发生危险。轻型货车或面包车用的轻型子午线载重轮胎都要在轮胎型号的后面加一个字母“C”，以便和轿车用的子午线轮胎加以区分。如：金杯面包车用的轮胎185SR14C，其中的“C”即指此轮胎为轻型载重轮胎。而美国标准则规定：客车用的轮胎，要在轮胎规格前面用字母“P”加以表示。如：切诺基用的P215／75R15轮胎，其中的“P”即指此轮胎为客车用轮胎。三、按轮胎大小分类轮胎按大小分类，一般是指外胎的断面宽度在17in(英寸，1in＝25．4mm)以上的轮胎，这种轮胎属于巨型轮胎；外胎断面宽度在17in以下、10in以上的轮胎属于大型轮胎；外胎断面宽度在10in以下的轮胎属于中小型轮胎。四、按胎体结构分类按轮胎结构分类，以目前广泛使用情况来分，包括子午线轮胎、斜交轮胎两大类。子午线轮胎多用于轿车。如上海大众厂生产的桑塔纳轿车使用的185／70R13轮胎，北京切诺基使用的P215／75R15轮胎，一汽捷达轿车使用的175／70R13轮胎等，即是子午线轮胎。子午线轮胎在西欧等发达国家已被广泛使用。斜交轮胎在我国目前广泛被货车和面包车使用。如北京1041汽车使用的650-16-10轮胎，北旅面包车用的750—14—8轮胎，都是斜交轮胎。五、按胎面花纹分轮胎按花纹分类有很多种，但大体上可以分为五种：1、直沟花纹（也叫普通花纹）这种花纹操纵安定性优良，转动抵抗小，噪声低，特别是排水性能优秀，不容易横向滑移。之所以叫它为普通花纹是相对越野花纹和泥雪花纹而言的。2、横沟花纹横沟花纹的驱动力、制动力和牵引力特别优秀，而且其耐磨性能极佳，因此，十分适合如推土机、挖掘机等工程车辆使用，但横沟花纹的操纵性和排水性能较差。3、纵横沟花纹纵横沟花纹也叫综合花纹，它兼备了纵沟和横沟花纹的优点，因此，它也比较适合于吉普等越野车辆，如日本三凌吉普原厂配套使用的750—16轮胎，即是这种纵横沟花纹。4、泥雪地花纹泥雪地花纹，顾名思义，是指专为适于泥地和雪地使用而设计的花纹。它用字母“M＋S”表示，“M”指泥地，而“S”指雪地。此类轮胎一般都直接将“M”＋“S”锈刻在轮胎的侧壁上，使人一目了然。纵沟胎纹、横沟胎纹、纵横胎纹和块状胎纹四种基本胎纹及其特点:(1)纵沟胎纹=操纵安定性优良／转动抵抗小抵噪音／排水性佳／不易横向滑动。(2)横沟胎纹=驱动力、制动力、牵引力优／耐磨性佳。(3)纵横胎纹=兼具纵沟及横沟胎纹的优点。(4)块状胎纹=驱动力及制动力都很好。5、越野花纹越野花纹是专门为适应干、湿、崎岖山路和泥泞、沙路而设计的花纹。这种花纹轮胎就象五项全能运动员一样，一身兼具数种特长，能适用各种恶劣环境和气候，因此，它是年轻人或吉普等越野车使用的最佳轮胎。图3.1轮胎花纹第四章轮胎磨具的加工第一节轮胎的基础建模一、草图设计草图是三维设计的基础，采用草图设计轮廓，只需粗略画出轮廓大致形状，通过尺寸约束(定义截面形状和尺寸)和几何约束(定义实体之间的关系)控制得到精确的二维图形。草图具有后参数化的功能，设计和修改非常方便。UGNX4含有一个Translator转换模块，可以直接导入大多数二维软件图形，平常用AutoCAD绘制的轮胎设计图可直接导入UGNX4中，选择导入的断面轮廓曲线加入草图中变成轮胎断面轮廓草图，对曲线施加尺寸和几何约束后，得到如图4.1所示精确的轮胎断面轮廓草图。图中各曲线对应的不同尺寸变量是参数化驱动的主要参数来源。同理，可生成如图4.2所示的轮胎花纹草图。图4.1轮胎断面轮廓草图示意图4.2轮胎花纹草图示意二、曲面造型首先，将轮胎断面轮廓中的胎面曲线回转生成胎面曲面，将花纹草图平面定位在胎面曲面法向上，再将草图中的花纹曲线投影在胎面曲面上，得到胎面曲面上的花纹投影曲线，如图4.3所示。图4.3胎面曲面上的花纹投影曲线采用回转的方法生成花纹沟底曲面，根据工艺要求，在花纹曲线相应部位画出花纹剖面曲线，花纹侧面倾角和底部圆角按工艺要求设计。所有剖面曲线画完后，为得到更好的效果，可在要求的剖面之间继续添加适当的剖面，花纹侧面倾角和底部圆角等参数可以取已有剖面上的平均值。经过上述操作后，建立花纹三维曲线框架，然后建立花纹沟壁曲面(如图4.4所示)，最后利用胎面上的花纹投影曲线修剪胎面曲面，完成花纹沟顶面的生成，最终建立如图4.5所示的三维花纹沟曲面。图4.4花纹沟壁曲面图4.5三维花纹沟曲面第二节轮胎的实体建模一、实体造型理论上，全封闭的曲面在视觉上已成了封闭的花纹沟曲面。实际上，由于各项操作误差，曲面片体之间仍有缝隙，因此要形成实体，还要对较大的缝隙进行曲面修补，完成后使用缝合命令，合理调整误差值，将曲面变成实体。此时软件可计算花纹沟的体积，为施工设计中计算胎面胶体积作准备。将生成的花纹沟实体以轮胎轴心线为基准环形阵列，再将轮胎断面轮廓回转，生成三维实体，以此实体为目标体，以全部花纹沟为工具体进行布尔差运算，得到轮胎三维实体模型。该模型可直接用于模具加工、进行数控加工程序的编制和后置处理后输出数控加工代码；也可用于CAE分析、设计方案评审和三维产品效果图制作等。图4.6为整体轮胎三维实体模型。图4.6整体轮胎三维实体模型二、制图生成三维实体后，可进人UG的制图模块，绘制出符合我国国家标准的工程图纸。UG软件可将三维实体模型投影变换得到二维图形，而用户的主要工作为完成投影视图后，加入图纸需要的其它信息，如标注和说明等。UG绘图软件可根据使用要求做出多个角度的全剖和局部剖视图，且具有很好的相关性，当实体模型修改后，系统会自动刷新工程图。另外，也可将UG生成的二维平面图导人AutoCAD中进行标注和打印出图。UG生成的二维平面图如图4.7所示。图4.7UG生成的二维平面图形第三节轮胎模具花纹快的加工一、花纹块基模的数控加工生成加工程序的关键是确定加工类型、设置加工参数、选择合理的刀具以及针对不同的机床编制不同的后处理程序，具体参数需要经过不断的试验，修改，在试验的过程。UG为不同的加工情形提供了多种优化的加工操作类型。实际应用中必须结合生产实际情况，考虑各方面因素，综合采用各种加工方法，达到生产目的。二、生成数控加工程序的CAM流程在UG中，单击应用模组Application，加工Manufact命令进入CAM模块。选择操作方式，设置其参数后生产刀具路径后，可输出刀具路径源文件，经过后处理后产生NC代码，其流程图如图4.8所示（见下页）。分析几何体分析几何体平面/曲面、粗加工/精加工选择加工环境定义配置和设置建立修改加工对象父节点组几何体刀具程序方法创建操作生成刀轨刀轨仿真检查后处理数控程序图4.8UG/CAM流程图三、轮胎模具花纹块数控加工工艺方案1、加工坐标系的确定UG提供了强大的坐标系设定功能，它包括了绝对坐标系、工作坐标系WCS及加工坐标系MCS。一个工件按装夹工位不同可设定多个加工坐标系。建立加工坐标系应该遵循一下原则：(1)加工坐标系一般要与工具坐标系一致。(2)坐标原点要定在操作者最易快速对刀的位置。(3)对称零件的坐标原点应选在对称轴上。2、刀具选择数控机床所用刀具按形状可分为：盘状铣刀、平底柱状端铣刀、球头柱状端铣刀、球头锥状铣刀等盘状铣刀主要用于切削试件的毛胚开粗加工和花纹块两个斜端面的加工，一般使用直径66（R6）mm的刀具。平底柱状端铣刀主要用于花纹块型腔的开粗加工和型腔底面精加工等，一般使用直径20、16、8、6mm的刀具。3、加工参数的设置加工中重要的切削参数有主轴转速、走刀进给速度、加工行距（残留高度）、加工余量等，在选择这些参数时既要考虑零件的加工精度又要考虑加工效率。加工花纹块一般采用的是：(1)20mm粗加工，转速500r/min，行距6mm，余量1mm；(2)10（R1）mm半精加工，转速6500r/min，行距0.2mm，余量0.1mm；(3)10(R5)mm半精加工，转速6500r/min，残余高度0.01mm，余量0.1mm；(4)6（R3）mm精加工，转速8000r/min，残余高度