王宏松,汪程,修輝平
(九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院,九江 332007)
隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,產(chǎn)品的小批量、多樣化、高精度、復(fù)雜化將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì),這就迫使制造企業(yè)在產(chǎn)品不斷更新、質(zhì)量要求不斷提升的前提下,最大限度地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,降低成本,以滿(mǎn)足用戶(hù)的最新要求。制造業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)模具工業(yè),模具的開(kāi)發(fā)和制造是制約新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的瓶頸,傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)和制造方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足市場(chǎng)需要,因此模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)和快速模具制造技術(shù)為產(chǎn)品快速響應(yīng)市場(chǎng)奠定了基礎(chǔ)。
模具數(shù)字化設(shè)計(jì)與快速制造技術(shù)集成,可以減少中間建模的時(shí)間和誤差,借助計(jì)算機(jī)對(duì)模具性能、模具結(jié)構(gòu)、數(shù)控加工及精度等進(jìn)行反復(fù)修改和優(yōu)化,將問(wèn)題發(fā)現(xiàn)于正式生產(chǎn)之前,可以快速完成產(chǎn)品設(shè)計(jì),并有效地確保所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和可行的工藝性,顯著縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,降低相關(guān)成本[1]。
模具數(shù)字化設(shè)計(jì),是以先進(jìn)設(shè)計(jì)理論和方法為基礎(chǔ),以數(shù)字技術(shù)為工具,實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)全過(guò)程中對(duì)象的數(shù)字化表達(dá)、處理、儲(chǔ)存、傳遞及控制[2]。其特征表現(xiàn)為數(shù)字化設(shè)計(jì)、加工、分析以及數(shù)字化制造[3]。傳統(tǒng)的模具是由模具鋼經(jīng)過(guò)“去除材料”,如車(chē)、銑、刨、磨等加工而成,制造周期長(zhǎng),成本高,工藝復(fù)雜??焖倌>咧圃旒夹g(shù)是由快速成形與快速制造(Rapid prototyping&Manufacturing)作為支撐的一項(xiàng)基礎(chǔ)創(chuàng)新制造方法[4],即從根本上拋棄了舊工藝方法,采用新的工藝方法,是一種新的“增加”材料制造模具的方法。
模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)和快速制造集成系統(tǒng)如圖1所示。具體可以分為兩大過(guò)程:模具的數(shù)字化設(shè)計(jì)和模具的快速制造(RT)。
圖1 數(shù)字化設(shè)計(jì)和快速制造集成系統(tǒng)Fig.1 Integrated system of digital design and rapid manufacturing
1.1.1 三維造型
實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和模具的三維CAD設(shè)計(jì),是實(shí)現(xiàn)模具數(shù)字化制造的前提。數(shù)字化設(shè)計(jì)的方法有正向設(shè)計(jì)和逆向設(shè)計(jì)[5]。逆向設(shè)計(jì)是利用采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù),導(dǎo)入到三維CAD后對(duì)產(chǎn)品和模具進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí),模具設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的弱理論領(lǐng)域,具有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí),所以可以建立起專(zhuān)家?guī)欤糜诒4婧椭赜靡延薪?jīng)驗(yàn)和知識(shí),來(lái)指導(dǎo)模型的設(shè)計(jì)[6—7]。
1.1.2 結(jié)構(gòu)分析
產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅要滿(mǎn)足客戶(hù)的外觀(guān)要求,更重要的是要滿(mǎn)足使用性能和加工制造要求,因此要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析的主要內(nèi)容有強(qiáng)度和剛度結(jié)構(gòu)分析,根據(jù)分析的結(jié)果,對(duì)原始設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,使產(chǎn)品滿(mǎn)足客戶(hù)要求。
1.1.3 虛擬設(shè)計(jì)
虛擬技術(shù)是一種基于仿真的設(shè)計(jì),虛擬設(shè)計(jì)是基于CAD模型,用精確逼真的數(shù)字模型表示物理模具的各個(gè)部分、各個(gè)部件以及整個(gè)原型模具及裝配。虛擬模具裝配系統(tǒng)在模具的設(shè)計(jì)階段,就對(duì)模具的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件的安裝、裝配進(jìn)行虛擬操作,將已完成設(shè)計(jì)的模具裝配到一起,用以檢查多個(gè)零部件裝配到一起的協(xié)調(diào)性,分析裝配和運(yùn)動(dòng)的干涉等。
1.1.4 成形工藝仿真與優(yōu)化
注塑成形過(guò)程的機(jī)理比較復(fù)雜,注塑模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如分型面、澆口、流道、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)),直接影響注塑件的外觀(guān)質(zhì)量,如翹曲變形、熔接痕等。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)多是基于經(jīng)驗(yàn)的多反復(fù)性過(guò)程。通過(guò)反復(fù)的試模-修模-試模的方式來(lái)進(jìn)行新模的開(kāi)發(fā),從而導(dǎo)致了模具的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng),開(kāi)發(fā)成本高。注塑工藝的仿真與優(yōu)化可以評(píng)判結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞,及時(shí)反饋給CAD的設(shè)計(jì);同時(shí)還能確定合理的注塑成形工藝參數(shù),為設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)。
1.2.1 快速成形
快速成形(Rapid Prototyping)是一種由CAD模型直接驅(qū)動(dòng),快速生成任意復(fù)雜形狀的三維實(shí)體的制造技術(shù),它是一種“增加”材料制造的方法[8]。RP技術(shù)根據(jù)CAD模型,對(duì)實(shí)體進(jìn)行切片,得到各個(gè)層的二維輪廓信息,按照這些輪廓一層一層加工堆砌形成三維的實(shí)體。目前商業(yè)化的快速成形方法主要有5種,其成形方法特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合見(jiàn)表1[9]。
1.2.2 模具快速制造方法
快速模具制造技術(shù)(RT)是快速成形技術(shù)(RP)的自然延伸??焖俪尚巫畛醯哪康氖球?yàn)證產(chǎn)品的設(shè)計(jì),由于在材質(zhì)上與真實(shí)的產(chǎn)品不一致,另外很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大批量生產(chǎn),因此迫切需要一種采用多種工藝、多種工具的新技術(shù),它就是RT[10]?;赗P技術(shù)的模具快速制造工藝可以分為2種,一種是直接制造,另一種是間接制造,如圖2所示。
1.2.3 快速模具制造工藝
基于RP的模具快速制造工藝路線(xiàn)見(jiàn)表2。
表1 常用快速成形方法、原材料、特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合Table 1 Rapid prototyping methods,materials,characteristics and applications
表2 基于RP的模具快速制造工藝路線(xiàn)Table 2 Rapid mold manufacturing process
圖2 模具快速制造方法Fig.2 Rapid mold manufacturing methods
根據(jù)客戶(hù)對(duì)快速成形制造工程中心的要求,試制2件玩具車(chē)齒輪。以客戶(hù)玩具車(chē)齒輪的原型為制造實(shí)例,采用FDM快速成形方式,通過(guò)間接制模方法,制造該產(chǎn)品的軟模,從而實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的試制。通過(guò)樣品的試制,來(lái)驗(yàn)證基于RP的快速模具制造系統(tǒng)的可行性。齒輪的數(shù)字化設(shè)計(jì)和快速模具制造流程如下。
通過(guò)UG軟件建立模型,如圖3所示,然后進(jìn)行塑模部件驗(yàn)證,得到產(chǎn)品的綜合信息、拔模角等。分析顯示,齒輪厚度為25 mm,拔模角為0°,不利于分模,修改后的拔模角為1°。
圖3 玩具車(chē)齒輪Fig.3 Toy car gear
運(yùn)用UG進(jìn)行產(chǎn)品的分模,確定型芯和型腔的長(zhǎng)寬高,查看設(shè)計(jì)是否合理,并為后續(xù)的模具制造提供數(shù)據(jù)參考。擬采用軟模制造小批量產(chǎn)品,故不需要調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)模架,但使用間接法來(lái)制造過(guò)渡?;蚺磕#梢哉{(diào)用標(biāo)準(zhǔn)模架,來(lái)觀(guān)察產(chǎn)品的布局是否合理。
圖4 型芯芯腔Fig.4 Core&cavity
運(yùn)用Moldflow對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行成形工藝的分析,考察在給定的成形工藝下,產(chǎn)品的收縮率、翹曲等,來(lái)確定產(chǎn)品和模具的設(shè)計(jì)是否合理。擬采用硅橡膠軟模來(lái)制造小批量的產(chǎn)品,硅橡膠軟模采用自然冷卻方式,無(wú)需要冷卻回路,因此可以省略成形工藝分析。
與其他RP系統(tǒng)相比,F(xiàn)DM系統(tǒng)不用激光器件,使用維護(hù)簡(jiǎn)單,成本較低,對(duì)于該塑料玩具制品,形狀不太復(fù)雜,要求的精度也不是很高,因此選用FDM成形工藝,采用北京殷華激光快速成形與模具技術(shù)有限公司的MEM-300-E型號(hào)的熔融快速成形機(jī),配套開(kāi)發(fā)的軟件為Auroral,成形層厚為0.2 mm,噴嘴溫度為260℃,工作室溫度為60℃,其他參數(shù)默認(rèn)。成形后的零件如圖5所示。
圖5 快速成形系統(tǒng)與快速成形零件Fig.5 Rapid prototyping systems&part
軟模是一種試制用模具,它制造周期短、成本低、彈性好,工件易于脫模,再現(xiàn)性好??蛻?hù)要求試制造2件樣品,根據(jù)產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合制造成本和開(kāi)發(fā)周期,優(yōu)先選擇間接法制造硅橡膠軟模具。其工藝過(guò)程如下[11]。
1)在快速成形的母模上,沿著選定的分模面,貼一層膠帶,并用膠帶覆蓋住齒輪輪輻上的孔和軸孔。然后用強(qiáng)力膠將流道芯模粘結(jié)于母模上。
2)制作木頭澆注框,用油泥密封縫隙,懸掛母模和流道芯模與澆注框之中。
3)向澆注框中注入硅橡膠,同時(shí)加入少量的液態(tài)硅橡膠和固化劑。
4)烘干固化后,描畫(huà)分模線(xiàn),用刀沿著分模線(xiàn)向粘貼的膠帶紙方向,切開(kāi)澆注件。取出母模和澆注芯模具,最終得到玩具齒輪的上下模具。
模具的數(shù)字化設(shè)計(jì),可以快速完成產(chǎn)品設(shè)計(jì),并有效地確保所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和可行的工藝性;注塑模具的快速制造,可以針對(duì)不同的客戶(hù)需求和產(chǎn)品的質(zhì)量要求,選擇不同的RP技術(shù)和RT技術(shù)。RP和RT技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,能顯著縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、制造周期,大大降低開(kāi)發(fā)模具的成本。
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