毕业设计（论文）手机NOKIA 3100冲压模具设计.doc

目 录1 现状分析和材料选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31.1 45钢概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31.2 45钢用途. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 45钢化学成份. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31.4 45钢物理性能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41.5 45钢力学性能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41.6 45钢疲劳性能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51.7 45钢Goodman图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71.8 45钢断裂韧性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72 加工工艺分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1 铣削方式和铣刀直径选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82.2 切削用量的选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3 刀具几何角度的选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92.4 零件形状分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102.5 数控加工工艺 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123 热处理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133.1 热加工. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133.2 焊接. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.3 热处理规范及金相组织. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134 刀具材料选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154.1 切削速度公式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154.2 刀具材料必需满足的条件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154.3 选用工具材料. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154.4 工艺性能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154.5 磨削性能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155 金属切削过程和切削液的选择 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155.1 45钢切削. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165.2 积屑瘤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165.3 表面硬化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175.4 铣削时的切削力. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175.5 切削液的选择. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186 夹具. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 MasterCAM 9.1手机模具加工. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187.1 凸模工作设定参数. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187.2 凹模工作设定参数. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .207.3 MsterCAM生成造型实体手机凸模图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .207.4 MsterCAM生成造型实体手机凹模图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 加工程序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .238.1 凸模加工程序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .248.2 凹模加工程序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209 致谢. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3510 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .361 现状分析和材料选择选择合理性的标志，应是在满足零件的性能要求的条件下最大限度地发挥材料潜力，做到既要考虑提高材料强度的使用水平，同时也要减少材料的消耗和降低加工成本。同时要适应加工设备条件而设计加工工艺。选择的一般原则，首先是满足零件使用性能的前提下，现时考虑工艺性、经济性。只要根据我国的资源情况尽量选择材料。综合考虑，手机NOKIA 3100模具采用常用的中碳优质钢45钢1.1 45钢概述45钢是机械制造中广泛使用的中碳优质碳素钢，淬透性较低，水淬容易变形和开裂，经适当热处理后具有高的强度，通常在调质或正火状态下使用。为了保证有必要的韧性，并消除其残余应力，应在淬火再回火后成索氏体。该钢具有良好的切削加工性能，冷变形塑性中等，钢丝可供冷镦。可焊接，但焊接前需预热，焊后需退火处理。1.2 45钢用途45钢可用以制造强度要求高的零件，为使零件表面有良好的耐磨性，需要进行高频或火焰表面淬火。1.3 45钢化学成份表一 45钢化学成份技术条件CSiMnSPCrNiCuGB699-880.420.500.170.370.500.800.0350.0350.250.250.25JB755-850.420.500.170.370.500.800.0400.0400.250.251.4 45钢物理性能表二 45钢物理性能密度，t/m3熔点，临界点Ac1Ac3Ar3Ar17.89（7.81）1433721(724)778(780)723(751)619(682)温度, 室温100200300400500弹性模量E,105MPa2.09（2.00）2.072.021.961.861.74热导率,W/(m·k)484544403938线膨胀系数1，10-6K-1（与20之间）9.4012.213.113.814.2泊松比0.274(0.269)0.2750.2760.2760.2740.287比热容c,kJ(kg·K)0.4980.5310.5520.5690.595切变模具G，104MPa8.238.047.847.647.256.76电阻率,10-6·m0.3200.4160.5020.618热扩散率，10-6m2/s11.89.588.347.696.891.5 45钢力学性质表三 45钢力学性质热处理s, MPab, MPa5,%,%KV,J/cm2HB0.3, MPab, MPa850正火37762426.455.089.1175840水淬,560回火50171023.665.115221653973724.562.414520651575925.263.7161223热处理s, MPab, MPa5,%,%KV,J/cm2HB0.3, MPab, MPa840油淬,510回火71693417.952.999.5254528829850油淬,450回火80397011.846.870313GB699-88厚度80mm>80250mm355600164039未热处理229退火19714351.6 45钢疲劳性表四 45钢疲劳性热处理试样形状指定存活率下的疲劳极限-1, Mpa（指定寿命107次）50%90%95%99%99.9%850正火圆柱形249(S=5.31)242240237233漏斗形R=75 mm285(S=8.67)274271265258缺口R=0.75 mm,Kt=2161(S=7.71)151148143137840水淬,560回火漏斗形R=75 mm389(S=9.67)376373366359缺口R=0.75 mm,Kt=2212(S=9.21)200197190183840水淬,510回火圆柱形405(S=18.9)380373361334缺口R=0.75 mm,Kt=2266(S=9.20)254251244231850油淬,450回火水冷圆柱形433(S=14.32)415409400389缺口R=0.75 mm,Kt=2282(S=10.40)2682652572501.7 A=-3 A=-4 A=2 A=-2 600 A=1A=-1 400 A=0.5A=-0.8 A=-0.663 200 -600 -400 -200 0 200 400 600 图一 45钢的Goodman图1.8 45钢断裂韧性表五45钢断裂韧性化学成份热处理KIC,MPa·m1/20.2HRCk,J/cm2C:0.45,Mn:0.450.884015min,盐水淬火14min油冷36028min回火63.064.81550454726302 加工工艺分析2.1 铣削方式和铣刀直径选择为便加工效率应有2/3的直径与工件接触，即铣刀直径等于被铣削宽度的1.5倍。顺铣时，使用这个刀具直径与直径切削宽度的比，保证切入工件时有非常适合的角度。如果不能肯定机床是否有足够的功率来维持铣刀在这样的比率下切削，可以把轴向切削厚度分两次或多次完成而尽可能保持铣刀直径与切削厚度的比值，如图(a)所示，用直径比铣削宽度稍大的铣刀进行对称是次好方案(b),用大直径铣刀进行对称是不好方案（c）,用大直径铣刀进行逆铣是最差方案（d），如下图所示（图二）2.2 切削用量的选择 影响切削用量的选择因素很多主要不有：刀具材料及几何参数，工件材料及加工要求，机床、刀具、夹具、系统的刚度；机床的效率，生产率及经济性等，任何刀具材料都有其适应的切削速度，将切削速度和进给量适当组合可以收到好的效果，但这只是预先选择的最适宜的铣削条件而非最佳的切削条件。2.3 刀具几何角度的选择 根据经验，在机床效率不足时，正确选择刀具的几何角度，也能扩大低功率机床的生产能力，按传统，加工铸铁的铣刀带有负的轴向和径向前角（双负角铣刀），这种负的几何角度提供了一个刀片主体与支撑的强劲刀刃，使刀刃比较牢固，相反，正确铣刀轴向正前角刀径向负前角/切削平稳也降低了机床功率要求，能高效率铣削铸铁，更便于采用先进刀具材料，根据刀片的牌号和用途。铣刀刀片的刃口可以是锋利的，也可以是磨出0.013mm0.076mm的倒棱，以防刀刃在高速下被切屑打坏。2.4 零件形状分析a).凸模工程图图三 凸模工程图 b).凹模工程图图四 凹模工程图a. 由模具三视图可知，手机凸模和凹模的主要结构是多个曲面组成的凸型曲面和凹型型腔型腔四周的斜平面之间用半径为mm的圆弧面过渡，在模的底平面上有一个四周为斜的锥台。凹模上部型腔为锥面用于压边，模具的外部结构较为简单，为标准长方体，但是凸模因为表面生成手机按钮实际上是由几个小模具组成的，加工较为复杂，分几次加工，以保证加工精度和模具的可用性。2.5 数控加工工艺设计本工件的结构采用方式是立式加工工件材料为45# 钢，长方体毛坯的四周表面已经加工到尺寸，模具的初始状态是实心体。1.加工工步设置，由上述情况确定本工件的加工工艺路线为：粗加工整个型腔，去除大部分加工余量。精加工上凹槽和精加工凸模按钮四周。精加工下凹槽和凸模表面精加工底部锥台四周表面。精加工上下凹槽和凸模表面。2.工件的定位和夹紧工件直接安装在机床工作台表面上，用两块压板压紧，模具中心为工件做标系X、Y的原点，上表面为工件坐标的Z零点.3.刀具选择根据加工工艺，凸模表面粗加工选用等高外形7mm球刀，选用4mm球刀对凸模表面半精加工，最后用4mm球刀进行残料清角。凹模型腔粗加工选用7mm波刃立铣刀，上凸模加工用4mm平面球刀，最后用4mm球刀对所有曲面残料清角。4.数控加工工序卡片表六 数控加工工序卡片（2T）数控加工工序卡片产品名称或代号零件名称材料零件图号工序号程序编号夹具名称NOKIA3100手机模具45#钢使用调设备车间001液压虎钳立式数控铣床数控中心工序号工步内容刀具名称半径补正刀长补正进给率主轴转速凹模加工工艺1曲面粗加工放射状7.00球刀21220020002曲面精加工浅平面加工4.00球刀22330020003曲面精加工残留清角4.00球刀2235003000凸模加工工艺1曲面粗加工等高外形7.00球刀21220020002曲面精加工浅平面加工4.00球刀22330020003曲面精加工残留清角4.00球刀22350030003 热处理3.1 热加工 由于45钢本身具有缺陷，如裂纹、折叠、疤痕、氧化脱碳和锈蚀等，这也是造成质量不高和寿命短与早期失效的致命原因，为了提高模具的使用寿命，可以通过热处理来改变。热处理分为退火、淬火、回火等，由于手机模具采用的是45钢，为了提高它的硬、耐磨性和经济性选用回火。因为回火是淬火钢在相变点以下的温度下进行再加热、使碳化物析出、消除淬火结晶畸变、增加韧性，或使残余奥氏体分解、使工件变成较稳定状态的热处理方法，因此回火作为最终热处理是不应再有缺陷的重要工艺。钢的淬火组织是由马氏体加残余奥氏体和碳化物等所组成的，可是在常温下，马氏体处于含碳过饱和状态，奥氏体是不稳定组织，因此，在回火再加热时，能看到分解成稳定的铁素体加碳化物，回复到平衡状态的现象。这种变化随着温度和时间的增加呈连续的变化。观察这种组织变化过程时，可按照回火温度的增高分为四个阶段。（1） 回火第一阶段第一阶段是70200，淬火马氏体分解成低碳马氏体和碳化物并消除内应力。这种变化在接近200时就加快了，在它以下的温度就缓慢了。（2） 回火第二阶段在第二个阶段，在200300下残余奥氏体分解成马氏体的变化，第二阶段的一部分过程在第一阶段中同时发生变化，这时生成了二次马氏体，若不进行再回火，韧性就要受影响。（3） 回火的第三阶段在250以上的第三阶段中，在第一、第二阶段生成的马氏体加转变成铁素体加（渗碳体），随着温度增高发生连续的软化过程。（4） 回火的第四阶段第四阶段是含有V、W等碳化物生成元素的合金钢，在约500以上的置换形扩散自由进行的温度下，伴随有稳定的碳化物析出和扩大的变化。综上所述，为了适应手机模具所具有的性能应把回火控制在第三阶段，温度控制在250附近。虽然回火温度重要，但回火保温时间也会对所得的结果产生显著影响，所以必须慎重加以考虑。为了不致错误地决定回火保温时间，必须掌握保温时间与温度的关系，回火温度均匀后的保温时间与零件的大小无关，绝对值由钢种决定，但是，实际上必须考虑与温度有关联的变化，所以这里的保温时间定为30分钟。4 刀具材料选择4.1 切削速度公式Vc=dn/1000n工件（或刀具）转速d工件（或刀具）直径4.2 刀具材料必需满足的条件：a) 高的硬度b) 足够的强度和韧性c) 良好的耐磨性d) 较好的耐热性e) 良好的工艺性4.3 选用工具材料：主选高速钢，牌号W18Cr4V，硬度HRC=6270，耐热温度540600，抗弯强度2.54.5 Gpa4.4 工艺性能可冷热加工成形，工艺性能好，需经热处理，磨削性能好，但高矾类较差。4.5 磨削性能耐磨性好，可用普通刚砂轮磨削 综上所述选用平刀，球刀，平刀的刀头是可换的，加工不同部位时，应选用不同刀头。5 金属切削过程和切削液的选择在金属切削过程中，当切削沿进给方向接触工件的一瞬间，刀具把工件上的一部分金属切下来，使部分金属成了切屑。在这一过程中就会出现各种物理现象（如切削热、刀具磨损等）和许多问题（如积屑瘤、表面硬化和振动等）。5.1 45钢切削，切削种类属于带状切屑。特征：内表面与刀具前面接触的面光滑，外表面呈毛茸状，有剪切的条纹。形成条件：加工塑性材料，切削速度较高，刀具前角较大。优缺点：切削力被动下，加工表面光洁。但切屑会缠绕在工件表面上，拉毛加工表面，同时还会损坏刀具的刀刃，伤害操作者。5.2 积屑瘤（1）形成原因：切削塑性材料时，在高温高压下，切屑与刀具前面发生磨擦，当磨擦力大于切屑底层（内表面）金属分子结合力时，一部分切屑滞留在刀具刀刃附近而形成积屑瘤。（2）特点：a、积屑瘤很不稳定，时生时灭，其次数达每秒钟几十次到几百次，因此易引起振动。b、积屑瘤的结构组织既不与工件材料相同，又不与刀具材料相同，硬度比原工件材料高23倍，因此可以保护刀刃，代替刀刃进行切削。一般说来，粗加工时利多弊少，精加工时利少弊多。（3）影响因素：a、切削速度，较低（25r/min）或较高（70r/min）切削速度不易产生积屑瘤，中速（1520r/min）最易产生。b、刀具前角：增大前角，使切屑变形减小，可以减少积屑瘤产生。c、冷却润滑液：加足够的冷却润滑液可以减少磨擦和积屑瘤产生。（4）消除方法a、 精磨或研磨刀前面和后面；b、 采用较高或较低的切削速度；c、 采用较大的前角，应用负倒棱配合；d、 使用足够的冷却润滑液；e、 减少主偏角和进给量5.3 表面硬化（1）形成原因：切削塑性材料时，由于刀具刃口不是绝对锋利（有0.010.03mm圆弧半径），它对另工表面有一定挤压作用，使加工表面剧烈变形而形成表面硬化。（2）特点：硬化后的表面其硬度比原来高1.22倍，深度达0.070.5mm，表面粗糙度和疲劳强度下降，使下道工序的刀具极易磨损。（3）影响因素：a、刀具刃口质量，经过研究磨刃圆弧半径很小的刀具可以减少表面硬化程度；b、工件材料，塑性和韧性大的材料容易硬化；c、表面挤压情况，对加工表面挤压愈严重，表面易硬化；（4）消除方法：a、使用极为锋利的刀具，即刀刃圆口半径尽量小，不要用钝刀切削；b、切削时不要在中途停止进给；c、增大车刀前角和后角；d、选用较高的切削速度。5.4 铣削时的切削力铣削时的切削力Fc可用下面近似公式计算：Fc=CF·a0.86p·f0.74z·B·z/D0.86*9.8式中 Fc铣削时的主切削力CF加工材料影响的系数ap 吃刀量fz每齿进给量B铣削宽度z铣刀齿数D铣刀直径5.5 切削液的选择极压乳化液，常用3号乳化油加水稀释成乳化液。极压润滑性能好，其他性能一般。6 夹具夹具，尤其是机床夹具，在机械制造业中应用很广。由机床夹具和机床、刀具、工件组成的加工工艺系统，能够根据工艺要求，迅速实现工件的定位和夹紧，并在加工过程中保持它们之间的正确相对位置。使用夹具，可提高劳动生产率和加工精度。在其他工艺过程中使用的夹具，也能起到类似的作用。夹具是重要的机械制造工艺装备，其主要作用包括：1）、提高加工精度和保证产品质量。2）、提高劳动生产率和降低加工成本。3）、扩大机床的工艺过程。4）、减轻工人的劳动强度。综上所述选用万能可调的液压虎钳，它的钳口部分可以更换的，加工不同的形状的零件时，只需更换与零件相适应的钳口即可。7 MsterCAM 9.1手机模具加工7.1 凸模工作设定参数图五 凸模工作设定参数7.2 凹模工作设定参数图六 凹模工作设定参数7.3 MsterCAM生成造型实体手机凸模图图七 手机凸模7.4 MsterCAM生成造型实体手机凹模图图八 手机凹模8 加工程序说明：因MsterCAM仿真加工生成程序冗长，从实际要求和需要考虑，在此只保留粗加工程序，在应用于到实际当中，要重新设置加工参数。8.1 凸模程序（粗加工）%O0000N100G54X150Y150Z200N108G43H2Z77.258N110Z34.258N112G1Z27.258F5.1N114X-88.789N116Y-32.959N118X89.211N120Y-18.328N122X-88.789N124Y-3.696N126X89.211N128Y10.935N130X-88.789N132Y25.567N134X89.211N136Y40.198N138X-88.789N140Y54.83N142X89.211N144Y69.462N146X-88.789N148Y84.093N150X89.211N152Y98.725N154X-88.789N156Y113.356N158X-30.132N160G2X-32.213Y127.988R169.851N162G1X-88.789N164Y142.619N166X-33.013N168G2X-32.551Y157.251R169.851N170G1X-88.789N172Y171.883N174X-30.815N176G2X-28.845Y182.019R169.851N178X-26.543Y184.573R3.441N180G1X-26.496Y184.587N182G2X-17.929Y186.514R101.335N184G1X-88.789N186X-32.857Y152.108N188G3X-28.777Y106.823R169.851N190X-28.753Y106.737R1.N192X-25.904Y104.385R3.441N194X26.119Y104.421R199.247N196X26.195Y104.434R1.N198X28.845Y107.081R3.441N200X30.14Y113.356R169.851N202G1X89.211N204Y127.988N206X32.217N208G3X33.014Y142.619R169.851N210G1X89.211N212Y157.251N214X32.548N216G3X30.807Y171.883R169.851N218G1X89.211N220Y186.514N222X17.939N224X89.211Y201.146N226X-88.789N228Y215.777N230X89.211N232Y230.409N234X-88.789N236X-89.789Y231.409N238Y-48.591N240X90.211N242Y231.409N244X-89.789N246X-27.868Y181.805N248G2X-26.234Y183.622R2.441N250X26.076Y183.667R100.335N252X27.802Y182.054R2.441N254X27.868Y107.295R168.851N256X25.988Y105.412R2.441N258X-25.778Y105.377R198.247N260X-27.802Y107.046R2.441N262X-27.868Y181.805R168.851N264G1Z34.258N266G0Z77.258N268Z77.451N270X89.211Y-47.591N272Z75.279N274Z32.279N276G1Z25.279N278X-88.789N280Y-32.959N282X89.211N284Y-18.328N286X-88.789N288Y-3.696N290X89.211N292Y10.935N294X-88.789N296Y25.567N298X89.211N300Y40.198N302X-88.789N304Y54.83N306X89.211N308Y69.462N310X-88.789N312Y84.093N314X89.211N316Y98.725N318X23.501N320G3X27.233Y99.194R204.07N322X27.307Y99.207R1.N324X34.073Y105.972R8.785N326X35.573Y113.356R175.301N328G1X89.211N330Y127.988N332X37.587N334G3X38.36Y142.619R175.301N336G1X89.211N338Y157.251N340X37.91N342G3X36.227Y171.883R175.301N344G1X89.211N346Y186.514N348X32.551N350G2X34.063Y183.175R8.785N352X34.073Y105.972R175.301N354X27.307Y99.207R8.785N356X27.233Y99.194R1.N358X-23.674Y98.725R204.07N360G1X-88.789N362Y113.356N364X-35.573N366G2X-37.587Y127.988R175.297N368G1X-88.789N370Y142.619N372X-38.36N374G2X-37.91Y157.251R175.297N376G1X-88.789N378Y171.883N380X-36.227N382G2X-34.073Y183.128R175.297N384X-32.551Y186.514R8.785N386G1X-88.789N388Y201.146N390X89.211N392Y215.777N394X-88.789N396Y230.409N398X89.211N400X90.211Y231.409N402X-89.789N404Y-48.591N406X90.211N408Y231.409N410X33.087Y182.958N412G2X33.096Y106.186R174.301N414X27.099Y100.185R7.785N416X-26.429Y100.073R203.07N418X-33.095Y106.181R7.785N420X-33.096Y182.914R174.297N422X-27.886Y188.704R7.785N424X27.382Y188.85R105.635N426X33.087Y182.958R7.785N428G1Z32.279N430G0Z75.279N432X89.211Y-47.591N434Z73.3N436Z30.3N438G1Z23.3N440X-88.789N442Y-32.959N444X89.211N446Y-18.328N448X-88.789N450Y-3.696N452X89.211N454Y10.935N456X-88.789N458Y25.567N460X89.211N462Y40.198N464X-88.789N466Y54.83N468X89.211N470Y69.462N472X-88.789N474Y84.093N476X89.211N478Y98.725N480X32.321N482G3X36.597Y105.437R11.365N484X38.194Y113.356R177.887N486G1X89.211N488Y127.988N490X40.177N492G3X40.94Y142.619R177.887N494G1X89.211N496Y157.251N498X40.496N500G3X38.838Y171.883R177.887N502G1X89.211N504Y186.514