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                    基于CAPP技術汽車覆蓋件模具設計

                    添加時間:2018/11/16 來源:湖南大學 作者:馮長林
                    模具數控加工 CAPP 技術是當前的研究熱點之一,也是集成 CAD/CAM 技術朝著智能化方向邁進的瓶頸技術。目前,由于 CAPP 技術應用還比較少,已成為制約模具企業發展的重要因素之一。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      在模具的制造過程中,工藝設計確定了模具制造過程及制造所需的制造資源、制造時間等,是完成模具產品設計向制造轉換的關鍵性環節,對模具產品的質量、制造成本等具有重要的影響。

                      隨著計算機在制造型企業中的應用,通過計算機進行工藝的輔助設計已成為可能。CAPP 技術的應用為提高工藝文件的質量,縮短生產準備周期,提高信息處理能力和企業各部門間信息的交流能力,并為廣大工藝人員從繁瑣、重復的勞動中解放出來提供一條切實可行的途徑。應用 CAPP 技術將縮短設計周期,對修改和變更設計能快速做出響應;工藝人員的經驗能夠得到充分的積累和繼承,減小編制工藝文件的工作量和產生錯誤的可能性。應用計算機輔助工藝設計的必要性已被越來越多的企業所認識。

                      本文介紹了汽車覆蓋件模具加工制造的現狀及工藝設計概況,并由此引出CAPP 技術在汽車覆蓋件模具加工中的應用。

                      研究了腔槽粗加工和曲面精加工切削用量優化模型,討論了刀位軌跡走刀方式對加工時間和加工質量的影響,通過實驗總結出一些工藝經驗知識,為汽車覆蓋件模具數控加工 CAPP 工藝模板的開發奠定了理論基礎。

                      在研究汽車覆蓋件模具的工藝結構特征、分類及其加工工藝性和汽車覆蓋件模具制造有關的工藝參數選擇與優化的基礎上,以 PowerMILL 軟件為開發平臺,開發了汽車覆蓋件模具的各種結構特征的數控加工工藝及檢索式的汽車覆蓋件模具數控加工 CAPP 工藝模板,實現了汽車覆蓋件模具 CAD/CAPP/CAM 一體化,以提高 NC 編程的質量和效率,規范汽車覆蓋件模具加工工藝路線、工藝參數等。實際應用證明了該 CAPP 工藝模板具有可行性和實用性。

                      關鍵詞:汽車覆蓋件;沖壓模具;結構特征;切削參數;工藝模板

                    Abstract

                      In die and mould manufacturing, process planning has very important effect on manufacturing resources and time. It represents the link between engineering design and shop floor manufacturing, and is a major determinant of manufacturing cost, quality and profitability of die and mould product.

                      With the application of computers in the manufactory industry, the feasibility of applying the computers to assist machining process planning has been proved. CAPP technique offers an effective method to improve the quality of process files, shorten the prepared time of production, improve the capability of information-management and communication among different departments, as well as release engineers from the boring reduplicate work. The time of design can be shortened and faster reaction to modification and changes in design are achieved by employing the CAPP technique, and meanwhile the workload spent on making process files as well as the possibility of mistake can be lighten. The necessity of adopting CAPP technique has been realized by more and more enterprises.

                      First of all, the manufacturing situation and design process for automotive panel die and mould are introduced, and then the applications of CAPP technique in automotive panel die and mould manufacture are presented.

                      Then the optimized models of rough machining for pockets and finish machining for surfaces are studied, and the effect of the toolpath on machining time and machining quality are discussed. The results of researches establish the theoretical basis for developing the CAPP template of automotive panel stamping die.

                      Based on the researches on selection and optimization for die and mould manufacturing process as well as its structural feature, an index CAPP template is developed by employing the PowerMILL software. The template provided in this paper is able to promote the integration of the CAD/ CAPP/ CAM and enhance the capability of reacting to market for automotive panel stamping die.

                      The CNC machining procedure for automotive panel die and mould is difficult because various types of CNC machine tools exist to aid the various stages of manufacturing. An efficient CNC machining process planning system is essential to improve the machining process and to reduce the process planning and programming time. An efficient CNC machining process and the CAPP template for automotive panel stamping dies with different structural features are developed by employingPowerMILL software based on the research on their structural features and machining process. Applications of sheet metal die machining verify the effectiveness and practicability of the proposed CAPP template.

                      Key Words: Automobile panel; Stamping dies; Structural feature; Cutting parameters;Processing template

                      汽車覆蓋件(automobile panel,簡稱覆蓋件)是指覆蓋發動機、底盤、構成駕駛室和車身的薄鋼板異形體的表面零件(outer panels,稱為外覆蓋件)和內部零件(inner panels,稱為內覆蓋件)。轎車的車前板和車身、載重汽車的車前板和駕駛室、箱式貨車的車身等都是由覆蓋件和一般沖壓件構成的。一輛轎車約有 80%的零部件由模具加工制造[1]。覆蓋件和一般沖壓件相比,具有材料薄、形狀復雜且多為空間曲面、結構尺寸大和表面質量高等特點[2]。覆蓋件在沖壓工藝、沖模設計和沖模制造上難度都較大,并具有獨自的特點。因此在實踐中常把覆蓋件模具從一般沖壓件模具中分離出來,作為一種特殊的類別加以研究和分析。覆蓋件模具以其大型、復雜、精密而成為模具中舉足輕重的部分。

                      要想獲得一個合格的覆蓋件,關鍵在于拉延、整型、切邊、翻邊等工序工藝方案的確定和模具設計與制造技術。

                      自從 1896 年汽車工業誕生以來,世界汽車工業不斷增長,并帶動了一大批相關產業的發展,由此確立了其在國民經濟中的支柱地位。1995 年,我國政府頒布了《汽車工業產業政策》,其中明確提出要振興汽車制造業,使之成為我國國民經濟的支柱產業。根據國家汽車工業發展戰略,車身開發已經成為工業界和學術界的研究熱點。由于車身是汽車的一個非常重要的總成,其外板重量約占車身總重量的 20%,而開發和制造成本約為整車造價的 40%~60%,再加上新車型的開發主要是在原有底盤、動力總成不變的基礎上進行外形的重新設計,所以車身開發能力已成為汽車制造企業實現汽車自我開發和提高市場竟爭力的關鍵所在[3,4]。

                      1994 年 6 月,李嵐清副總理在東風公司工作匯報會上說:“我主張搞汽車先搞車身,因為車身的周期最長、難度最大。”

                      車身開發的關鍵在于車身覆蓋件模具的開發。一輛轎車上約有 80%的零部件是用模具加工制造的。一般汽車車身有數百個沖壓件組成,全車所需的沖模高達一千副以上。在“車型設計-模具設計與調試-投產”的整個周期中,模具設計和制造約占三分之二的時間,成為車身改型的制約因素。歐、美、日各大汽車制造公司改型換代約需 16 個月,這很大程度上歸功于它們先進的CAD/CAE/CAM技術[5,6]。國外采用CAD/CAE/CAM 和各種數控機床及三坐標測量儀直接相連,使汽車模具的開發制造呈現前所未有的面貌,模具精度大幅度提高,模具壽命延長2 倍以上,模具開發制造的成功率達 95%以上。特別是CAE的應用[7],改變了傳統覆蓋件模具設計憑經驗進行,質量難以保證的局面。通過仿真分析材料的成形過程,預測制件可能發生的缺陷,從而達到優化工藝過程和模具結構的目的,縮短甚至取消試模過程,大大提高產品質量、降低成本、縮短模具開發周期[8,9]。

                      汽車工業已成為我國支柱產業,汽車產量名列世界汽車生產前列。我國汽車工業目前基本上已形成重、中、輕、轎、微全系列汽車發展格局,根據國家《汽車工業振興規劃綱要》,今后汽車工業的發展重點是獨立自主的轎車及轎車零部件的開發。然而,我國一些大型汽車模具制造廠家仍然停留在相對落后的水平上,致使一些關鍵性模具不得不花費大量外匯,依靠國外來設計加工。尤其是轎車工業,覆蓋件模具的問題更加突出。我國的模具工業正面臨著嚴峻的挑戰,如不能適應這種快速變化的形勢,將會嚴重影響我國汽車制造業的生存和發展。

                      汽車工業是我國的支柱產業,對我國的產業結構起著至關重要的作用。但是在發展過程中受到一些因素的制約:(1)我國汽車工業起步晚,基礎薄弱,至今仍主要停留在經驗設計制造階段,發展速度緩慢;(2)與此同時,國外幾大汽車制造企業(如美國福特、通用、德國大眾、日本豐田等)正致力于設計制造過程的計算機化、自動化研究,并取得了很大的進展,從而進一步拉大了我國與國際汽車設計制造水平之間的距離。為了有能力參與國際汽車市場競爭,占領一定的市場份額,我國汽車工業自主創新勢在必行。

                      我國汽車工業自主創新的一大瓶頸技術就是汽車覆蓋件模具的設計與制造。

                      顯然,發展這一技術的突破口亦在于設計制造過程的計算機化、自動化。對于汽車覆蓋件模具制造企業來說,其首要任務是建立起現代模具設計制造模式,在并行環境下集成各項先進技術組織生產。一方面市場上已有不少成熟的商品化CAD/CAM軟件(如UG、IDEAS、CATIA、 Pro/E等),另一方面數控機床也能最大程度地滿足企業的生產需要。因此,對于技術應用企業來說,如何有效地組織軟硬件進行生產-即工藝過程規劃是最重要的。工藝過程規劃同時也是最困難的,這使得傳統的工藝過程規劃只能是基于經驗的人工行為。由于人力的限制和經驗不可避免地存在片面性,這一行為不但費時而且不一定十分可靠。一時的失誤,輕則延誤了工期,嚴重的甚至造成難以挽回的損失。因此,為了保證工程的可靠性,提高生產效率,構造一個集成化的制造環境,工藝過程規劃的計算機化、自動化是十分必要的。但就目前情況來看,汽車覆蓋件模具加工工藝設計仍然是以工程設計人員的經驗和知識為主,通過類比進行設計。隨著新車型更新換代的日益加速,這種傳統的工藝設計方法已經不能適應產品發展的需要。工藝設計及編制是聯系上游產品設計和下游產品制造加工的中間環節,是把產品由概念設計轉化為實際生產的關鍵。因而,汽車覆蓋件模具加工工藝設計技術的滯后使整車開發周期變長,耗費大量的人力、物力。隨著學科交叉和計算機等相關技術的發展,采用CAPP(計算機輔助工藝設計)技術設計可以大大提高模具生產的質量和效率[10~12]。

                      作為生產汽車覆蓋件的主要工藝裝備,汽車覆蓋件模具具有結構尺寸大、型面形狀復雜、尺寸精度高和表面粗糙度要求高的特點,同時要求使用壽命長且單件生產,設計和加工要考慮很多因素。因此,汽車覆蓋件模具設計往往要求有多年設計經驗的人員來完成。

                       基于CAPP技術汽車覆蓋件模具演示:

                    CAPP 工藝模板路徑定義對話框
                    CAPP 工藝模板路徑定義對話框

                    CAPP 工藝模板路徑選擇對話框
                    CAPP 工藝模板路徑選擇對話框

                    拉延模模具型面 CAPP 工藝模板示意圖
                    拉延模模具型面 CAPP 工藝模板示意圖

                    汽車覆蓋件模具數控加工 CAPP 工藝模板操作界面
                    汽車覆蓋件模具數控加工 CAPP 工藝模板操作界面

                    汽車覆蓋件模具型面三維 CAD 圖
                    汽車覆蓋件模具型面三維 CAD 圖

                    模具型面粗加工參數設置及刀具路徑
                    模具型面粗加工參數設置及刀具路徑

                    目 錄

                      第 1 章 緒論
                        1.1 汽車覆蓋件模具
                          1.1.1 汽車覆蓋件模具概述
                          1.1.2 汽車覆蓋件模具在我國汽車工業自主創新中的作用
                        1.2 汽車覆蓋件模具制造技術
                          1.2.1 汽車覆蓋件模具制造流程
                          1.2.2 數控加工技術在汽車覆蓋件模具制造中的應用
                        1.3 汽車覆蓋件模具CAPP技術
                          1.3.1 CAPP概述
                          1.3.2 CAPP技術在汽車覆蓋件模具加工中的應用
                          1.3.3 模具CAPP技術國內外研究現狀
                        1.4 課題研究意義與研究內容
                          1.4.1 課題研究意義
                          1.4.2 課題研究內容
                        1.5 小結
                      第 2 章 汽車覆蓋件模具結構特征及其加工工藝性
                        2.1 汽車覆蓋件模具的特點與分類
                          2.1.1 汽車覆蓋件模具的特點
                          2.1.2 汽車覆蓋件模具的分類
                        2.2 汽車覆蓋件模具結構特征
                          2.2.1 一般零件的特征分類技術
                          2.2.2 汽車覆蓋件模具特征分類的原則
                          2.2.3 基于加工工藝的汽車覆蓋件模具結構工藝特征
                        2.3 汽車覆蓋件模具結構特征加工工藝性
                          2.3.1 拉延成型模模具型面加工工藝流程
                          2.3.2 拉延成型模模具型面典型加工工藝分析
                        2.4 小結
                      第 3 章 汽車覆蓋件模具數控加工CAPP技術概況
                        3.1 汽車覆蓋件模具制造工藝現狀
                        3.2 汽車覆蓋件模具制造工藝設計概述
                        3.3 汽車覆蓋件模具CAPP技術概述
                          3.3.1 成組技術的應用
                          3.3.2 基于事例推理技術的應用
                        3.4 小結
                      第 4 章 汽車覆蓋件模具加工工藝的選擇與優化
                        4.1 汽車覆蓋件模具粗加工工藝參數的選擇與優化
                          4.1.1 工藝內容和工藝要求
                          4.1.2 粗加工刀具的直徑選擇
                          4.1.3 粗加工切削用量的選擇與優化
                        4.2 汽車覆蓋件模具精加工工藝參數的選擇與優化
                          4.2.1 工藝要求和工藝內容
                          4.2.2 切削用量優化目標與約束條件
                        4.3 汽車覆蓋件模具粗加工走刀方式的選擇與優化
                          4.3.1 粗銑刀位軌跡生成方法綜述
                          4.3.2 走刀方式對刀位軌跡長度的影響
                          4.3.3 走刀方式的選擇與優化
                        4.4 汽車覆蓋件模具精加工走刀方式的選擇與優化
                          4.4.1 精加工刀位軌跡生成方法綜述
                          4.4.2 刀位軌跡對表面質量的影響
                          4.4.3 刀位軌跡的優化途徑
                        4.5 小結
                      第 5 章 汽車覆蓋件模具數控加工CAPP技術開發
                        5.1 引言
                        5.2 PowerMILL軟件在汽車覆蓋件模具CAPP中的應用
                        5.3 汽車覆蓋件模具數控加工CAPP技術實施
                          5.3.1 汽車覆蓋件模具數控加工CAPP工藝模板總體結構
                          5.3.2 汽車覆蓋件模具數控加工CAPP工藝模板開發
                          5.3.3 CAPP工藝模板在汽車覆蓋件模具制造中的應用
                        5.4 小結
                      結 論
                      參考文獻
                      致 謝

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