劉少春

摘 要：針對帶圓弧結構模具體積的減小、制造成本的降低、工藝操作的簡化，利用斜導柱驅動方式設計了一種新穎的圓弧抽芯機構。深入分析了大圓弧角模具抽芯結構的功能特征與結構需求，設計基于斜導柱抽芯機構將驅動機構的直線運動轉換為圓弧運動，從而完成抽芯動作。利用ProE Mechanism運動仿真模塊仿真分析了模具抽芯機構的運動軌跡，獲得了滑動運動軌跡包絡面；基于運動軌跡包絡面上設計出相應的滑塊導槽孔，以保證斜導柱與滑塊之間的運動匹配。經運動仿真驗證，圓弧拉芯機構不存在動態(tài)體積干涉和可實現良好的間隙配合，配合間隙為單邊2mm；基于該方法所開發(fā)的模具已經獲得了生產驗證，取得了良好的效果，具有較好的推廣價值。

關鍵詞：圓弧抽芯；運動仿真；包絡面；斜導柱；水龍頭

中圖分類號：TG76 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）35-0061-04

Abstract： In order to decrease the volume， reduce the manufacturing cost and simply the process of mould with arc structure， a novel arc core-pulling mechanism has been designed based on the driving of angle pin. The functional and structural characteristics are analyzed. The linear motion is changed into arc motion by the angle pin， by which the core-pulling process can be realized. The motion trajectory of core-pulling mechanism is studied through the simulation module of ProE Mechanism software， and then the enveloping surface is gain. The guide hole is designed based on enveloping surface， by which the motion matching between angle pin and slider is achieved. The dynamic volume interferences of arc core-pulling mechanism avoided. The gap fitness is 2mm and has good gap matching. The mould that designed through the novel designing method is validated by the producing process and achieved excellent results. This novel method has good significance for popularization.

Keywords： arc core-pulling mechanism； dynamic simulation； envelope； angle pin； faucet

1 概述

圓弧形空腔零件加工模具需要利用回轉抽芯作為模具抽芯機構，以將直線運動轉換為圓弧運動，從而完成圓弧抽芯的目的[1-3]。現有模具回轉抽芯主要有齒輪齒條圓弧抽芯、液壓連桿機構及氣動曲柄滑塊機構等[4-6]。但采用齒輪齒條、液壓連桿或氣動曲柄滑塊，都存大模具體積大、成本高、實際生產操作不方便等缺點?；谶\動仿真的結構優(yōu)化，已經成為目前連接機構設計與功能提升的關鍵技術，在多種機械系統(tǒng)中已經得到了應用[7-10]。簡化模具結構、優(yōu)化操作工藝、提高生產效率，已經為圓弧形空腔零件生產高效生產的核心。

針對水龍頭典型圓弧形空腔零件模具的開發(fā)，利用斜導柱驅動開發(fā)了圓弧抽芯機構，基于ProE軟件完成圓弧抽芯機構的結構設計與運動仿真，完成結構優(yōu)化和生產驗證。

2 水龍頭典型圓弧形空腔零件特點分析

水龍頭等金屬圓弧形空腔仍主要采用鑄模生產，模具開發(fā)成為產品開發(fā)的核心。圓弧水龍頭產品外形及結構尺寸，如圖1所示。圓弧形水龍頭材質為鋅合金，壁厚約2mm、長333mm、寬203mm、圓弧結構圓弧角105°。大角度圓弧抽芯機構成為了模具設計的最大難點，針對大角度圓弧零件橫具抽芯機構的設計開展研究。

3 圓弧抽芯機構的設計

3.1 圓弧抽芯結構正常工作運動軌跡

圓弧抽芯傳動機械的主要功能是將驅動機構的直線運動轉換為圓弧運動，完成圓弧型模具的抽芯功能，有助于減少弧形或圓周運動機構。定義相關運動零件的軌跡：a.斜導柱2隨定模板1做直線運動，行程：398mm；b.滑塊4圍繞銷釘3做圓周運動，逆時針轉動角度105度；c.斜導柱2與定模板1成55度夾角。其中，斜導柱2在滑塊4中導槽內表面滑動，滑塊4中的導槽形狀為空間異形孔。為保證抽芯動作的順利執(zhí)行，運動部件需要與導槽形狀緊密配合，開展運動仿真明確斜導柱4運動特征成為導槽形狀中空間異形孔設計的重點，也是圓弧抽芯機構正常工作的關鍵。帶有圓弧抽芯機構的水龍頭模具如圖2所示。

3.2 滑塊導槽孔設計

滑塊導槽孔為空間結構的異形孔，以確保斜導柱與滑塊之間結構的良好配合和運動的順利執(zhí)行。為了獲得導槽孔的空間結構與表面輪廓，利用ProE Mechanism運動仿真模塊進行動態(tài)軌跡仿真，通過對滑塊動態(tài)運動過程軌跡的分析可獲得導槽孔的立體結構。endprint

為更好實驗相對各位運動部件之間的匹配，需要根據滑動運動軌跡的包絡范圍進行優(yōu)化。根據所設計的模具結構，在ProE Mechanism構造了如圖3所示機械運動仿真模型。在運動模型中假定滑塊4和動模5靜止不動，定模1和斜導柱2之間剛性連接，定模1與銷釘3建立圓柱自由度連接，滑塊4和斜導柱2采用槽連接。仿真模型中確定了定模1、斜導柱2及銷釘3上述運動連接關系。為實現開模、合模整個運動周期的仿真，將定模1與銷釘3建立圓柱自由度連接關系中的圓周自由度定義為伺服電機。伺服電機周期轉動角度隨仿真時間變化的曲線圖，如圖4所示。

增加運動仿真幀頻有助于獲得滑塊運動軌跡的光滑包絡面，提高導槽孔的立體結構設計的精度。經過前期仿真分析可知，仿真幀頻設為500～1000fps既可以保證仿真結果的精度，也可以確證仿真運算的速度。對運動軌跡的仿真結果進行包絡分析，可獲得如圖5所示的運動軌跡包絡面即導槽孔的立體結構的外輪廓。

基于仿真結果運動軌跡包絡面可以切出滑塊4上的導槽孔，獲得與軌跡包絡面相匹配的導槽孔的三角面（如圖6A）。運動軌跡包絡線受仿真步長與數據誤差的限制，基于包絡面直接獲得的導槽孔表面粗糙，不能直接用于機構加工與運動匹配控制。對導槽孔表面進行光滑處理，以便于后續(xù)的機構加工；使用UG軟件可將導槽孔小型模型轉化為光滑曲面，如圖6B所示。因為動態(tài)仿真包絡出的曲面為零間隙配合，為保證實際加工和裝配，需要設計合理的配合間隙，水龍頭模具配合間隙為單邊2mm。

圖4 伺服電機周期內轉動角度隨時間變化曲線

Fig. 4. The relationship between rotation degree and time in a period of servo motor motion.

圖5 斜導柱相對運動周期內的包絡面形狀

Fig. 5. The envelope of angle pin relative motion in the motion period.

A斜導柱包絡面與滑塊的位置關系

A The relative position relationship between the envelope of angle pin and the slider block

B 經光滑處理被包絡面切割的滑塊內孔面

B The inside hole of slider block under the envelope after smoothing process

圖6 基于運動軌跡包絡面的導槽孔設計

Fig. 6.The design of guidance groove based on the motion envelope.

3.3 導槽孔虛擬裝配干涉檢查與實驗驗證

為了從理論上驗證裝配關系是否存在干涉，利用ProE Mechanism運動仿真模塊定義工作運動軌跡；在運動周期內動態(tài)監(jiān)測滑塊4和斜導柱2是否存在體積干涉，保證模具使用過程的順行執(zhí)行無體積干涉。

基于仿真設計完成了水龍頭模具的制作，并在實際生產中進行了試驗，并獲得了良好的效果。試模過程中一次試模成功，獲得了良好的經濟效益。實際生產模具如圖7所示。

圖7 應用實際生產的圓弧抽芯模具

Fig. 7. The industrial arc core-pulling mechanism

4 結束語

本文引入圓弧抽芯機構，以水龍頭作為典型對象研究了帶圓弧形結構模具的開發(fā)；圓弧抽芯結構的設計可以有效地克服傳統(tǒng)弧運動機構體積大、操作復雜等缺點，對于簡化模具結構、降低加工制造成本、優(yōu)化加工工藝；創(chuàng)新性地設計斜導柱圓弧抽芯機構，實現圓弧抽芯動作，利用PROE Mechanism完成了模具圓弧抽芯結構的運動仿真，驗證機構設計的合理與準確；通過仿真結果繪制了滑塊運動軌跡包絡面，完成了導槽孔異形空間結構的設計，優(yōu)化了空間結構完成了光滑導槽的立體設計，并完成了生產實際驗證。針對圓弧抽芯結構模具設計的方法，具有良好的推廣價值。

參考文獻：

[1]趙桂豐，楊林，吳琳，等.塑料水龍頭殼體模具設計[J].塑料工業(yè)，2008，36（S1）：143-145.

[2]陳懷民.淋浴花灑本體圓弧抽芯機構及模具設計[J].福建工程學院學報，2010，8（01）：48-51.

[3]楊晨朝，劉壯，高長水，等.基于UG的注塑模具工程圖自動生成技術研究[J].機械設計與制造工程，2017，46（06）：25-28.

[4]黃力.斜導柱圓弧抽芯注射模設計[J].模具制造，2011，11（04）：44-45.

[5]顧正央，朱兵.螺旋形斜導柱滑塊抽芯機構的設計[J].模具工業(yè)，2002（03）：40-42.

[6]劉贛華，張振鐸，王霞，等.從動螺旋錐齒輪雙錐輥輾壓成形模具應力分析[J].機械設計與制造，2017（06）：221-224.

[7]王東立，梁宏斌.FDM在模具制造中精度及強度的研究[J].機械設計與制造，2016（01）：112-114.

[8]何國修，王霜.基于PROE的內錐齒輪建模與分析[J].機械設計與制造，2012（04）：227-229.

[9]許耀東，宋超.基于ProE嵌入式圓柱坐標工作臺裝配設計及運動仿真[J].上海工程技術大學學報，2012，26（01）：62-65.

[10]高東強，姚素芬，李進.基于PRO/E的雙擺線鋼球減速器的參數化設計技術的研究[J].機械設計與制造，2009（03）：222-224.endprint