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  1、毕业设计（论文）-螺旋离心泵的设计（含图纸） 第一章 绪论1.1螺旋离心泵概述泵是把原动机的机械能转换为抽送液体能量的机器。一般，原动机通过泵轴带动叶轮旋转，对液体做功使其能量增加，从而使要求数量的液体从吸入口通过泵的过流部分，输送到要求的高度或要求有压力的地方。泵是世界上最早发明的机器之一。现今世界上泵产品产量仅次于电机，所消耗的电量大约为总发电量的四分之一。泵的种类甚多，应用极为广泛。除农田灌溉、城市和工业给排水、热电厂、石油炼厂、石油矿厂、输油管线、化工厂、钢铁厂、采矿、造船等部门外，目前泵在原子能发电、舰艇的喷水推进、火箭的燃料供给等方面亦得到重要应用。另外，还可以用泵来对固体如煤、鱼

  2、等进行长距离水力输送。泵抽送的介质除水外，有油、酸、碱浆料一直到超低温的液态气体和高温熔融金属。可以说，凡是要让液体流动的地方，就有泵在工作。泵在国民经济中起着十分重要的作用。根据科学技术的发展，泵输送固态物质的应用领域日益扩大，如污水污物、泥浆、纸浆、灰渣矿石、粮食淀粉、甜菜水果、鱼虾贝壳等不胜枚举。据文献介绍，如今已成功地从5000米深的海底用泵向陆地输送猛矿石。对输送这类物质的泵，有两个主要要求：一是无堵塞，二是耐磨损。耐磨损主要与材料有关，无堵塞主要根据叶轮的结构及形式。目前作为无堵塞泵叶轮的结构及形式有：1.开式或半开式叶轮；2.旋流式叶轮；3.单（双）流道式叶轮；4.螺旋离心叶轮。螺

  3、旋离心泵是典型的无堵塞离心泵。世界上第一台螺旋离心泵是用来输送鱼类，随后用来输送固液两相流体，可拿来排雨水和输送高黏度液体。为防止故态物质堵塞，使之顺利的流出，开式叶轮中有一片或两片扭曲的螺旋形叶片，在锥形的轮毂体上由吸入口沿轴延长，叶片的半径逐渐增大，形成螺旋形流道。壳体由吸入盖和涡壳两部分所组成。吸入盖部分的叶轮，产生螺旋推进作用，涡壳部分的叶轮像一般的离心泵产生离心作用，叶片进口的锐角部分将杂物导向轴心附近，再利用螺旋作用使之沿轴线推进。这种泵是容积泵和离心泵的组合，故称为螺旋离心泵。1.2离心泵主要零部件及结构及形式离心泵的主要零部件包括：前盖板、叶轮、主轴、涡室、后盖板、轴封、轴承体、

  4、带轮和支架。离心泵中还包括像螺母、法兰盘、轴承等具有通用标准的零部件。离心泵的结构及形式主要有以下几个：1. 按主轴方向卧式：主轴水平放置；立式：主轴垂直放置；斜式：主轴倾斜放置。 按液体流出叶轮的方向离心式装径流式叶轮；混流式装混流式叶轮；轴流式装轴流式叶轮。 按吸入方式单吸装单吸叶轮；双吸装双吸叶轮。 按级数单级装一个叶轮；多级同一根轴上装两个或两个以上的叶轮。 按叶片安装的步骤可调叶片：叶轮的叶片安放角能调节的结构；固定叶片：叶轮的叶片安放角度是固定的结构。 按壳体剖分方式分段式：壳体按与主轴垂直的平面剖分；节段式：在分段式多级泵中，每一级壳体都是分开式的；中开式：壳体在通过轴心线、分开；水平中开式：在中开式中，剖分面是水平的；垂直中开式：在中开式中，剖分面是垂直的；斜中开式：在中开式中，剖分面是倾斜的。按泵体形式涡壳泵：叶轮排出侧具有带涡室的壳体；双涡壳泵：叶轮排出侧具有双涡室的壳体；透平泵：带导叶的离心泵；筒式泵：内壳体外装有圆筒状的耐压壳体；双壳泵：指筒式泵之外的双层壳体泵。特殊结构泵潜水电泵：驱动泵的电动机与泵一起放在水中使用的泵；贯流式泵：泵体内装有电动机等驱动装置；屏蔽泵：泵与电动机直连（共用一根轴），电动机定子内侧装有屏蔽套，以防液体进入。自吸式泵：在一般的自吸泵中抽送液体作用的叶轮同时能起灌水作用，泵启动是无须灌水。管道泵：泵作为管路的一部分，无须特别改变

  6、管路即可安装泵。无堵塞泵：抽送液体中所含的固体不能在泵内造成堵塞。第二章 总体方案的确定2.1 设计参数流量 Q 80m3/h ，扬程H 13m ，效率 65% 转速：1450r/min ， 吸程：7m（水柱）2.2 方案的确定设计上以国际标准的IS泵为基型，此次设计的螺旋离心泵，在设计结构上采用单级单吸悬臂卧式结构，其主要结构是装有背叶片的具有特殊的三维螺旋叶片的叶轮，叶片型线为空间对数螺旋线，采用液固两相流理论进行水力设计。由于该泵是通过其特殊的三维螺旋叶片将螺旋的容积推进作用和叶片的离心作用有机的结合，使介质获得能量。所以它兼有容积泵和叶片泵的特点，是二者相互结合的产物。较一般的普通杂质

  7、泵和旋流泵相比，具有以下特点：（1）无堵塞性能好；（2）无损性能好；（3）效率高，与其他同类杂质泵相比效率高5%以上；（4）泵的吸入性能好。可抽送含气介质，含气量在15%以下时，泵的性能，震动基本不发生明显的变化。（5）具有优良的抗汽蚀性能。其他参数相同的条件下，螺旋离心泵的汽蚀性最好，即NPSHr最小。该螺旋离心泵在结构上主要有三大部分所组成，分别为泵头部分，轴封部分以及传动部分，分别叙述其结构特点。1泵头部分泵头部分由泵体和泵盖组成。前，后盖板的直径大于叶轮直径，叶轮可由前或后拆卸，叶轮为螺旋离心叶轮，叶轮的后盖板带有背叶片以减少泄露，提高泵的寿命及效率。2轴封部分 本次设计的轴封采用填料轴封，填

  8、料轴封结构相对比较简单，维修方便，但需使用轴封水，还需配备供应轴封水的泵。3传动部分传动部分包括托架和轴承组件，轴承根据传动的功率不同选择单列向心圆锥滚子轴承，可承受泵的最大轴向及径向载荷，轴承采用干油润滑，轴承体两端有密封端盖，并且有两道密封圈，能有效的防止污物进入轴承，保证轴承安全运作，具有较高的常规使用的寿命。2.3原动机的选择根据泵实际在做的工作要求， 该泵与钻机配套使用时，常需要野外作业，电源使用不方便，故选用柴油机作为原动机，柴油机转速选择，用V型带传动，因给定泵的转速n 1450r/min，故传动比i 。柴油机功率计算： 泵输出功率： 7.5KW 式中：介质密度 kg/m Q流量（） H扬程（m）

  9、 泵输入功率：N 11.54KW 式中：泵效率柴油机功率： 12.02KW 式中：V带传动效率，取 0.96因此，原动机选择转速为，功率为12KW的柴油机。2.4水力设计设计比转数： 式中： n泵轴的转速（r/min） Q流量（） H扬程（m）故： 沉降层速度： 2.48（m/s）入口速度： 2.83（m/s）出口速度： 满足设计的基本要求。泵的进口直径：（标准法兰盘直径）泵的出口直径：（标准法兰盘直径）第三章叶轮的设计3.1 概述1982年，A布斯曼较早地在离心泵叶轮上采用对数螺旋线年，J郝比奇在“模型挖泥泵特性”一文中，通过实验指出，采用对数螺旋线叶形叶轮的泵，其输送清水和浆体时的效率

  10、均高于渐开线等叶形的叶轮。目前渣浆泵叶轮叶片型线设计中，较为广泛地采用对数螺旋线。本次的叶轮设计是以劳学苏以及何希杰提出的螺旋离心泵叶轮叶片工作面和负压面空间曲线方程为依据进行的设计，叶轮叶片型线 叶轮主要参数的确定图3-1 叶轮轴面投影图1叶轮最大外径： （m）式中： k 1012.5故： 0.2380.298（m）取： 260mm2叶轮出口宽度： 80.86（mm）取： 80（mm）3叶轮出口直径： 其中： 0.8360.161（m）取 100（mm）（主要考虑效率兼顾泵的抗汽蚀性能）4轮毂直径： 19.96+0.07 19.96+0.07115

  12、径： 260-2 189.45 取 190（mm）13轮缘和轮毂各段轴向长度：L （0.450.68）L （0.450.68） 87.75132.6 （作图在范围内）取 140（mm）L （0.20.4）L 3978取L 60（mm）L （0.050.08）L 9.7515.6 （作图在范围内）14轮缘侧叶片出口安放角： 其中： 其中： 19.7297 所以： 11.615轮毂侧叶片出口安放角： 其中： 14.42 0.789 所以： 14.516叶片进口安放角：17叶轮出口叶片包角： 156.95（ 147.67 取 15018轮缘螺线轮毂侧叶片包角： 821.17-1.42 821.17- 657.524 取 65820轮缘侧叶片包角： 652-1.02 652-1.02 534.451 取 53521计算叶轮曲面螺线首先计算叶轮轮缘侧曲面螺线。包括和各曲面上的螺线，其次计算叶轮出口边曲面螺线，最后，计算轮毂侧曲面螺线，包括，和各曲面上的螺线）曲面螺线方程： 由何希杰所推导的公式： 式中 根据边界条件，以空间曲线 空间曲线螺线方程: 设端点对应的螺线转角分别为和在上取一点p z,r 转角为,可建立z,r,三者

  17、4.322.421.120.316.314.113Z97.192.988.884.780.576.472.268.164N7.5520r12.512.212Z59.855.755.222叶片螺线平面图根据上述叶轮叶片曲面螺线计算结果，绘制叶片螺线个轴面，每两个轴面夹角为22.5,当Z 0时,空间螺线在平面上投影,如图所示:图3-2 空间螺线叶片厚度计算 确定叶片厚度时，应注意到铸造的可能性，对铸铁叶轮，叶片最小厚度为34毫米，本次设计的叶轮材料选用MT-4，叶片厚度（S）由经验公式求出： 式中： K经验系数，与材料和比转数有关，查表得K

  18、 5 叶轮外径 H扬程 Z叶片数，Z 1 所以： S 5.687（mm） 取： S 6（mm）3.3 背叶片的设计背叶片的最大的作用是减压，其减压程度决定了背叶片的几何参数。背叶片对于一般的泵而言，还有另一个作用，就能及时地把固体颗粒甩至涡室内，以防止固体颗粒进入填料箱，破坏其密封性能。背叶片减压后剩余的压头可由下列经验公式求出： 式中：泵腔压头（包括灌注压头）m，其中灌注压头 n泵的转速 n 1450r/min叶轮外径 cm 27cm背叶片外径 cm 19cm背叶片宽度 取 5mmt背叶片与涡室间隙 取t 1mm背叶片内径 cm 取 8cm故： （1+0.15） 9.65（m）由计算结果可

  19、知，经背叶片减压后，剩余压头为9.65m，如果近似把1bar 10m水柱，则剩余压头为0.965bar。第四章 压水室及吸水室的设计4.1压水室的用途及分类压水室即涡形体，是泵中的一个很重要的过流部件。它主要是把从吸水室和叶轮中流通过来的高速流体介质，通过叶轮的离心力作用，送入下级叶轮进口或者送入排出管路，从而把泵轴的机械能转化为液体的压力能。常用的压水室结构及形式有环形压水室、螺旋形压水室、以及半螺旋形压水室。实验多个方面数据显示，螺旋形压水室比环形压水室的效率个高，所以本次设计的螺旋离心泵采用的是螺旋形压水室。4.2压水室的设计压水室的设计要根据泵输送介质的特性来决定。过去我们国家生产的老型号离心杂质

  20、泵几乎全是环形压水室，压水室各个断面的水流速度不同，用环形压水室可减轻隔舌的磨损，但冲击损失较大，这也是杂质泵水力效率很低的原因之一。为了增大效率选用螺旋形压水室，考虑到离心杂质泵的特点，为减少隔舌处的磨损，降低噪音，提高其寿命，涡壳断面选择矩形，如图所示：图4-3 泵体断面图螺旋形涡室俗称涡形体，其主要优点是制造较为方便，泵性能曲线高效率区域比较宽广，车削叶轮后泵效率变化比较小，缺点是单涡壳泵在非设计公况运转时产生不平衡的径向力。在设计螺旋形涡室时，通常认为液体从叶轮中均匀流出，并在涡室中作等速运动，涡室只起收集液体的作用，在扩散管中将液体的一部分动能变为压能。涡壳主要由两部分所组成。即压水

  21、室和出水管。主要是压水室的设计，压水室的作用是以最小的水力损失将叶轮流出的高速水流引向吐出口，并且将水流的一部分动能变为压力能。压水室几何参数的确定：1基圆直径： 根据经验取 290mm2.涡室宽度： 134.57圆整后得： 135mm3.隔舌位置角： 15.62-0.12 15.05 取 15 从涡室出口中心线.隔舌位置出间隙： （0.234-0.041 （0.234-0.041 8.74 取 9mm5.涡室内轮廓线型线： 采用对数螺线： 式中： 初始动径 动径角 角系数 根据边界条件求出 202.5 ， 1.910 ，根据公式计算各个断面位置和距中心点的半径。结果

  22、列于下表：表4-1 各断面位置和中心点半径断面02.5214.5220.6240.3261.0285.1310.5338.2368.4401.36.压水室的壁厚根据铸造要求，强度要求，由经验初步选取壁厚为8mm。4.3 吸水室的设计吸水室是指泵进口法兰到叶轮出口的过程部分。吸水室的作用是将吸入管中的液体以最小的损失均匀地引向叶轮。吸水室的水力损失比压水室相比小得多，但是吸入室中液流的流动状态直接影响叶轮中的流动状态。对泵的效率有一定的影响，对泵的汽蚀性能影响也比较大。因此，对吸水室有如下要求：1.保证叶轮进口有要求的速度场，如：速度分布均匀，

  23、大小适当，方向符合等。2.吸水室内部分布均匀，方向符合等。3.吸水室的类型主要有：锥形管吸水室、圆环形吸水室以及半螺旋形吸水室等。由于本次设计的是螺旋离心式水泵，省略设计吸水室。第五章 轴向力及其平衡水泵运转时，在其转子上作用一个很大的与轴心线 产生轴向力的根本原因1.液体流入叶轮吸入口及从叶轮出口流出，其速度大小及方向都不相同，液体动量的轴向矢量发生了变化，因此，由动量定理在轴上作用了一个冲力，这个作用在叶轮上的力也是轴向力的一部分。2.水泵叶轮前后盖板承受液体压力的面积大小不等，前后泵腔中的液体压强分布也不相同，因此，作用于叶轮上的压力在轴向上不能平衡，造成了一个

  24、轴向力，这个轴向力是轴向力的主要部分。5.2 轴向力的计算螺旋式叶轮可按半开式叶轮经验公式来近似计算轴向力，公式如下：式中： 圆心在叶片入口边上，并且与叶轮轮廓相切的圆的直径。 k轴向力系数，查表得 k 1.63 圆心处的半径， （ 液体重度， 2650kg/故： 1143N5.3 轴向力的平衡方法1利用对称性，平衡轴向力从分析对称形状的双吸叶轮可知，它相当于两个单吸叶轮并联工作，这种叶轮轴向力是自动平衡的这个办法广泛的应用于单吸两级悬臂泵，涡壳式多级泵以及立式多级泵上2改造叶轮，以减少或平衡轴向力用改变叶轮形状的办法，降低叶轮背面压力，达到平衡或者减少轴向力的目的3采用专门的平衡装置，如平衡

  25、鼓装置，平衡盘装置4对于单级小型轴向吸入泵轴向力不太大，一般都会采用径向止推轴承来平衡轴向力，但有时考虑受径向力作用，可采用圆锥滚子轴承来承担5采用平衡孔，使后泵腔的下部与叶轮的吸入口相连，使两面压力相同，但不能完全平衡轴向力这种平衡轴向力的方法存在以下两个缺点：（）泵的泄露量大，因此降低了泵的效率（）液体流入叶轮时的速度不均匀，因而降低了叶轮的水力效率综上所述，该泵的轴向力较大，如果采用均压孔来平衡轴向力，不但水力效率降低，又会因固体颗粒渗入填料箱或串到背叶片内，从而加速了叶轮填料及轴的磨损，综合以上两种方式，采用单列圆锥滚子轴承平衡轴向力因为这种轴承可以同时承受较大的轴向力和径向力第6章 主要

  26、通用零部件的选择6.1 正确选用主要通用零部件的重要性现代大部分机械设备中有相当部分是通用零部件。也就是说通用零部件对于现代机械来说，是很重要的也是必不可少的部分。通用零部件关系着机械产品的加工制造效率和经济的效果与利益。因为合理的通用零部件的选择可以方便产品的组装和使用后的维修工作。特别是标准化后的零部件对于主要零件的设计、标准件的选购以及方便用户使用维修方面更是有很重要的意义。6.2 轴封结构的选择一离心泵常用的填料（）用石墨或黄油侵透的棉织调料，用于低压离心泵输送常温清水。（）石墨侵透的石棉填料，在中等温度及压力下使用。一般输送液体的温度不高于250，压力小于10kg/cm，最大压力不小于1

  27、8kg/cm。最高温度为400。二填料密封结构尺寸的确定在已知轴径或轴套直径后，可按水泵行业标准选用填料压盖，填料套，填料环，长扣螺栓和螺母等。填料可取46圈，假如没有行业标准，填料函的主要结构尺寸可按下列步骤确定。图6.1 填料函结构1填料宽度（）（1.41.8）式中：d轴或轴套直径所以：S （1.01.8） 7.513.5 取 S 9mm2填料高度H（mm） 当液体压力P10kg/cm时 H （57）S 4563 取H 49mm3填料压盖高度h（mm） h （23）S 1827 取h 25mm4压入填料函体内的填料压盖长度b（mm） b （0.51）S 4.59 取 b 9mm5填料压盖螺

  28、栓长度L应保证在填料函体内装满填料时不需加盖就就能拧上螺母。6填料压盖螺栓直径 可按下表选取：表6.1 螺栓直径系列轴或轴套外径00螺栓直径M6M8M10M12所以螺栓直径选取为 M10 7填料压盖厚度a（mm） a （0.71.0） 710 取 a 7mm 三填料密封的安装技术方面的要求1切割填料时，最好将它绕在与轴外径相同的圆棒上切割，以保证尺寸准确和切口平行、整齐、无松散的石棉线度角。装填料时填料接头必须错开，一般交错120度。2在安装时应注意使填料对准水封环，以免填料添死水封环，使水封失去作用。3在液体温度超过105或吸入压力大于8kg/cm时，对填

  29、料函体应进行冷却，并采用水冷填料压盖。4为保证填料函的密封性能，对填料函应进行水封，一般用自来水或从泵吐出口引水即可。 由于此次设计的为离心式固液两相泵，为防止泄露现象出现，轴封水经计算得3bar。6.3 轴承部件的选择轴承是支撑离心泵转子的部件，承受径向和轴向载荷，在离心泵中应用较多的是滚动轴承。滚动轴承的优点是：轴承磨损小，轴或转子不会因轴承磨损而下沉很多。轴承间隙小，能保证轴的对中性，互换性好，维修方便，磨损系数小，泵的启动力矩小，轴承的轴向尺寸小，缺点是担负冲击的能力比较差，在高速时易有噪音，安装要求准确，滚珠的工作上的能力随滚珠分离圈线速度的增加而减小。总的来说，滚动轴承的优点远超于缺点

  30、，所以，逐渐在各种机械中普遍的使用。1轴承的润滑及结构选择由于设计选用的轴承一定要能同时承受轴向载荷和径向载荷，故选用向心推力轴承，经计算拟选单列圆锥磙子轴承。滚动轴承能否正常工作，与轴承的润滑情况紧密关联，一般来说，被输送介质在80以下，转速在2900r/min以下的泵，能够使用脂润滑，此次设计的离心泵转速为1450r/min，常温下输送介质，故采用脂润滑，润滑脂选用锂基润滑脂SY1412-75的2或3。2轴承安装时应注意的几个问题（1）与内圈一起旋转的轴，一般都会采用过渡配合，js6，k6。（2）安装时预热轴承内圈不允许超过120。（3）装轴承处的轴面最好淬火处理，以免拆卸时将轴擦伤。（4）与外

  31、圈配合的轴承体可采用过渡配合或间隙配合。第7章 离心泵主要零部件的强度计算离心泵的主要零部件在设计的时候有必要进行强度计算以满足运行和安全要求。在螺旋离心泵中，有必要进行强度计算的零部件主要有：泵体，泵轴和轴承。7.1泵体的强度计算涡室是离心泵中较大的零件，并承受高压液体作用。所以，涡室应有足够的强度和刚度，本次设计的螺旋离心泵的泵体强度计算是校核涡室的壁厚，计算公式如下： 式中：S涡室厚度 cm 许用应力（），铸铁100150，铸钢200250。 涡室当量壁厚， 21.57 S 0.58cm所以设计时选用MT-4，壁厚为8cm，满足强度要求。7.2 泵轴的校核校核过程如下：受力简图如下：图7-1

  32、 受力简图已知： 叶轮自重，经估计 180NV带泵轴的拉力， 1012.2NT 泵轴传递的扭矩，T 49.7 N.m 计算支撑反力： 水平面反力： 垂直面反力：画弯矩图：水平面弯矩图：图7-2水平面弯矩图垂直面弯矩图：图7-3垂直面弯矩图合成弯矩图：图7-4合成弯矩图画转矩图： T 49700Nmm转矩图：图7-5转矩图许用应力：许用应力值：用插值法由表得应力校正系数：画当量弯矩图：当量弯矩：在A点： 95701 N.mmA点处轴径:50 mm轴径: 25.250 mm轴钢度校核:由实践经验公式,单级悬臂泵比t/l1.01.5就不会有问题. t/l 260/200 1.31.5,故钢度可满足要

  33、求.7.3 轴承的校核查表得30210轴承的主要性能参数如下：图7-6 受力分析图寿命计算：附加轴向力：轴承轴向力：故轴承A被压紧，X/Y值：冲击载荷系数：考虑到轻冲击，查表得 1.2当量动载荷：轴承寿命：因，只计算B轴承寿命：每天工作360天，每天工作8小时，则其工作年限为。 总结“螺旋离心泵的结构设计”介绍了一种高效、实用的设计方法。它采用实验和现场运行性能指标都优秀的设计方法和经验公式，本次设计我采用了劳学苏以及何希杰提出的螺旋离心泵叶轮叶片工作面和负压面空间曲线方程为依据的设计方法，叶轮叶片型线为对数螺旋线。从而为设计性能优秀的螺旋离心泵提供了保障。此次设计的螺旋离心泵具有很多优点，比

  34、如：（1）无堵塞性能好；（2）无损性能好；（3）效率高，与其他同类杂质泵相比效率高5%以上；（4）泵的吸入性能好。可抽送含气介质，含气量在15%以下时，泵的性能，震动基本不发生明显的变化。（5）具有优良的抗汽蚀性能。其他参数相同的条件下，螺旋离心泵的汽蚀性最好，即NPSHr最小。因此，此螺旋离心泵在市场上有广阔的应用和开发前景。适用于各种行业。在本次设计中，一方面我自己做了大量的努力；另一方面也得到了各位指导老师的大力帮助，这才使得我的设计能够按时完成。能确定的是，本次设计中由于本人的知识层次及设计经验不足，难免会有一些不足之处，恳请各位老师批评指正！致谢将近三个月的毕业设计就这样伴随着我们的大学

  35、毕业而完成了，在这段值得珍藏的岁月里，我在指导老师文美纯老师的带领下，从开始的不知所措，到一步步的进入设计状态：收集资料，查信息，图纸绘制，直至说明书的完成及后期检查。通过本次毕业设计，不仅使我系统的学习和应用了以前的知识，而且也锻炼了我独立动手和思考的能力。我们的老师“授我们以渔”，而且在设计当中教导我们做人如做事一样，要踏塌实实，来不得马虎取巧。我会记住这次设计，以后努力的工作，为母校争光!参考文献1丁成伟. 离心泵与轴流泵M. 机械工业出版社. 1981: 143-158 2 夫. 离心泵和轴流泵M. 机械工业出版社. 1980: 74-933 金树德,陈次昌. 现代水泵设计方法J. 兵

  39、点和趋势。塑料模具CAD集成技术塑料模具的制造, 包括塑料产品的造型设计、模具的结构设计及分析、模具的数控加工 铣削、电加工、线切割等 、抛光和配试模以及快速成形制造等。所有的环节所涉及的CAD单元技术有:造型和结构设计 CAD 、产品外形的快速反求 RE 、结构分析与优化设计 CAE 、辅助制造 CAM 、工艺流程虚拟仿真 SIMULATION 、产品及模具的快速成形 RP 、辅助工艺过程 CAPP 和产品数据管理技术 PDM 等。塑料模具CAD集成技术,? 就是把塑料模具制作的完整过程所涉及的各项单元技术集成起来, 统一数据库和文件传输格式, 实现信息集成和数据资源共享, 从而快速缩短模具的设计制

  40、造周期, 提高制模质量。塑料产品的CAD设计与外形的快速反求进行塑料模具设计制造的第一步是塑件产品的设计。传统产品设计方法是设计者对产品的三维构思用二维平面图纸表达出来, 图纸上标明工艺及施工方法,这种方法决定了所设计图形的简单性及不能直接控制制造质量。现代设计方法是设计者在电脑上直接建立产品的三维模型,依照产品三维模型进行模具结构设计及优化设计,再根据模具结构设计三维模型来加工编程及编制工艺计划。这种方法使产品模型设计、模具结构设计、加工编程及工艺设计都以3D数据为基础, 实现数据共享, 不仅能快速提高设计效率, 而且能保证质量, 减少相关成本。电脑塑件产品模型的来源有三种: 利用CAD系统软

  41、件进行产品模型设计、利用实物测量进行快速反求建模、利用其它CAD系统的标准格式文件。针对这三种产品模型的来源方式, 目前已研究出各种技术来提升产品模型的设计效率和质量。下面进一步分析各种技术的内涵和特点。利用CAD系统软件进行产品模型设计,其技术最重要的包含二维几何图形的绘制、二维参数化图形的设计、三维实体造型设计、三维特征造型设计、三维参数化实体造型设计、三维曲面造型设计、空间自由造型设计、产品的外观渲染、产品的动态广告设计等等。这些软件有许多典型的代表。二维软件有:? ME10、CADKEY、AUTOCAD、DHCAD、Genis、Sigraph等; 三维软件有:? UGII、PRO/E、ID

  42、EAS、CATIA、EUCLID等; 产品自由造型及广告设计的软件有:Alias、CDRS等。二维几何图形的绘制是利用平面CAD软件绘制零件图形, 即用计算机代替手工绘图; 而二维参数化, 即计算机实现了图形的变量设计, 使修改更便利; 三维造型设计是数字化的产品的真实形状设计, 它完全表达了产品, 能够进一步为模具设计、分析和加工提供必要的数学模型; 空间自由造型设计是产品外形的艺术设计, 使产品不仅是功能产品, 也是艺术品;产品的外观渲染是产品的效果设计, 使产品更加美观、颜色更加能迎合人们的各种需求; 产品的动态广告设计是将产品设计的结果直接制作宣传广告,? 进行市场推广。 利用实物测

  43、量进行快速反求建模是目前研究的热点之一,? 它是产品仿型基础上进行产品修改设计的重要技术。其基础原理是通过三座标测量机、激光测量机或电子抄数仪对实物进行扫描测量, 把测量所获得的数字化的大量数据点送入高级CAD软件的反求模块或专用的反求软件中, 反求软件可直接读取点数据群, 并可对点数据群进行编辑、过滤、整理、求精、排序、局部修改与重组, 然后自动生成曲面, 最终获得同实物精确一致的或经改造的电脑塑件产品模型。这一方式可极大提高新产品设计速率。目前较成熟的曲面反求建模软件有: Surfacer,? Cimatronrenge, Strim100等。利用其它CAD系统的标准格式文件来建模, 这一

  44、方式较方便。由于市场的全球化和INTERNET网络技术的发展, 模具企业的CAD技术交流和合作有许多通过CAD文件方式来进行。由于CAD系统种类较多, 因此文件的格式就一定要遵循国际标准,? 如DXF、IGES、STEP、VDA、STL等。通过读取标准格式文件来直接建立或修改后建立产品模型, 既可加快、加深用户与模具厂家的交流, 也可缩短产品设计周期。模具的CAD设计与分析模具的CAD设计、分析, 包括依照产品模型进行模具分型面的设计、确定型腔和型芯、模具结构的详细设计、塑料充填过程分析等几个维度。利用先进的特征造型软件如PRO/E、UGII等很容易地确定分型面, 生成上下模腔和模芯, 再进行流道

  45、、浇口以及冷却水管的布置等。确定了这些设计数据以后, 再利用模具分析软件, 如MOLDFLOW、CFLOW进行塑料的成形过程分析。根据MOLDFOLW软件和它的丰富的材料、工艺数据库, 通过输入成形工艺参数, 可动态仿真分析塑料在注塑模腔内的注射过程流动情况 含多浇口注射时的塑料汇流纹分析 、分析温度压力变动情况、分析注塑件残余应力等, 根据分析情况来检查模具结构的合理性、流动状态的合理性、产品的质量上的问题等。比如是不是真的存在浇注系统不合理, 出现流道和浇口位置尺寸不当, 无法平衡充满型腔; 是不是真的存在产品结构不合理或模具结构不合理, 出现产品充不满 即短射现象 ; 是否冷却不均匀, 影响生产效率和产

  46、品质量; 是不是真的存在注塑工艺不对, 出现产品的翘曲变形等。模具通过CAD设计和分析, 就可以将错误消除在设计阶段, 提高一次试模成功率。在塑料模具设计和分析这一阶段应用了许多新的电脑辅助技术, 如参数化技术、特征造型技术、数据库技术等。塑料模具中有许多标准件,? 如标准模架、顶出机构、浇注系统、冷却系统等都能够使用基于数据库管理的参数化特征造型设计办法来进行设计或建立标准件库, 这样既能轻松实现数据共享, 又能够完全满足用户对设计的随时修改, 使模具的设计分析快速、准确、高效。参数化特征造型不但可以完整地描述产品的几何图形信息, 还能够获得产品的精度、材料及装配等信息, 其所建立的产品模型是一种易于处

  47、理、能反映设计意图和加工特征的模型。因此, 参数化特征造型技术是模具制作的完整过程最重要的技术之一。模具的CAM技术的应用、加工仿真及制造模具的计算机辅助制造 CAM 技术主要使用在在数控铣削加工、线切割加工、电火花加工等方面。CAM技术尤其是在复杂模具的型腔、型芯及电极的铣削加工中起着更重要的作用。其主要的技术特点包括:? 1 粗、精加工刀具轨迹的优化规划和NC指令的产生, 2 刀具种类、特性和材料库的建立, 3 切削加工工艺参数的确定, 4 普通切削和高速切削加工的特性控制, 5 过切检查与加工表面的精度控制, 6 工艺流程的电脑实体仿线 电脑控制数字控制机床的DNC技术及群控技术的应用等

  48、等。 在CAM技术的应用中特别需要CAD三维产品模型数据。较多的专业电脑编程软件如MASTERCAM、UNIMOD、CIMATRON等在多曲面的编程加工时对产品的曲面模型有较高的要求,如相邻曲面的U、V方向的一致性、曲面与曲面的高精度拟合、曲面斜率连续变化等。在高级CAD/CAM一体化系统中 如UGII、PRO/E ,由于利用了参数化特征造型设计和同一数据库技术, 使得产品模型数据、模具的型腔和型芯模型数据、刀具轨迹数据有着内在的联系, 产品模型的修改刀具轨迹亦自动修改。模具加工实体仿真技术越来越成熟, 也慢慢变得受到人们的重视。加工实体仿真是在电脑上模仿机床的工艺流程, 能直观反映加工的结果,

  49、 能直接评估加工后零件的质量, 能检查出加工的错误。在检查加工后零件的质量时, 可在电脑上对加工后的实体模型进行任意的剖切, 直接测量其尺寸和精度。因此, 它能把错误消除在加工工艺编程设计阶段, 减少加工后的修补和返工, 大幅度的提升模具的制造效率和质量。塑料产品及其模具的快速成形制造塑料产品及其模具用电脑CAD技术设计完成后, 可通过快速成形技术来制造。这是一种全新概念的制造技术,它摒弃了传统的机械加工方法。其成形原理是将三维CAD实体模型离散成设定厚度的一系列片层数据, 利用激光成形机或其它成形设备读取这一些数据,? 用材料添加法技术, 依次将每层堆积起来成形。这一技术称为快速自动成形技术 Ra

  50、pid Prototype 。它也是CAD集成技术的重要组成部分。第一台快速成形设备于1987年在美国3D公司诞生, 由于其特点是与制造的产品的复杂程度无关, 给制造业带来非常大的震动。此后十年, 快速成形技术获得快速的提升, 设备的种类也层出不穷,? 从材料固化方法可分为激光和非激光烧结法 SLS 、固体表层造型法 SGC 、层片制造法 LOM 、熔化沉积法 FDM 、选区粘结法 DSPC 、激光气相沉积法 SALD 等。很多方法特点是:? SLA法是最早应用的快速成形技术, 初期市场占有较大的分额, 但由于材料范围窄, 成本比较高, 成形件耐热、耐负荷和着色能力低, 近年逐渐被其它方法所代替。F

  51、DM法由于成形速度快, 成本低, 在塑料产品行业中得到较好的应用, 由于零件的尺寸小, 精度差,也受到一定的限制。LOM法由于采用纸或者是薄片塑料, 成本低, 且激光只照射每一层的轮廓边缘, 因而成形速度快, 但产品表面上的质量差。SLS法是用激光进行烧结, 采用的材料较广, 如塑料、蜡料、陶瓷、金属等均可成形, 成形件耐热、耐负荷和着色能力较强, 具有广泛的应用前景。其它方法也在某些特种加工中得到应用。根据上述成形法特点, 快速成形技术的作用主要在于:制造用于设计和试验的产品模型、制造用于小批量生产的模具和小批量特殊零件的加工。快速成形技术制造的产品模型在材质方面比传统加工方法制造的产品模型有所

  52、差别, 但在外形及尺寸方面几乎完全一样, 而且有一定的机械强度, 可作功能性试验, 同时经过表面处理, 看起来与真实产品一样, 可作广告宣传品。快速成形技术制造的模具, 目前主要是软材料的成形模 蜡模、环氧树脂模、硅橡胶模、低熔点合金铸造模等 和陶瓷或金属基合成材料硬型腔模。制造硬模时可用快速成形零件作母模, 先制作环氧树脂模或其它材料的软模, 在软模中浇注陶瓷或石膏模, 然后浇铸钢成钢模; 或者在软模中浇注混合有化学粘结剂的钢粉, 进行烧结成钢模。快速成形技术制造的钢模需进一步做抛光等后加工, 制成小批量生产的注塑模。由于模具是用钢粉浇注或烧结而成, 材质与普通模具钢有一定的差距, 因此,

  53、寿命较短, 只能做试制产品或小批量生产。另外, 快速成形技术也能制作特殊的零件,? 如用冶金粉末法制作金属电极、精密铸造法制作铜电极、研模法制作石墨电极等。 快速成形技术制作模具和产品的成型设备, 均是读取CAD系统产生的STL或CLI等文件格式数据, 不同的文件格式数据对制作的产品精度有较大的差距, 因此, 研究CAD系统对快速成形设备的文件格式输出有很重要的意义。模具CAD集成技术的发展的新趋势综上所述, 模具CAD集成技术就是应用于模具制造所有的环节的计算机辅助技术和实现各环节信息集成的技术。显然,信息集成与数据统一管理是关键。产品的信息是贯穿于设计、分析、加工、检测、装配等各个阶段,实现各环节信息的流畅、解决数据格式的标准化及数据维护与共享是未来CAD集成技术发展的重点。PDM系统的出现为解决这一问题带来了曙光。PDM系统的实施是模具企业应用CAD集成技术的重要课题。在模具的设计制造方面,富有丰富专家知识的智能化模具CAD/CAM系统的研究、高速切削加工及其编程等是未来研究发展的趋势。需要完整说明书、图纸或请加叩叩153893706需要完整说明书、图纸请加叩叩153893706

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