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        基于CATIA 參數(shù)化的環(huán)形金屬橡膠成型模具設(shè)計(jì)

        2021-08-23 07:40:30陳磊劉永超劉永張佳琪張一
        魅力中國(guó) 2021年24期

        陳磊 劉永超 劉永 張佳琪 張一

        (北京強(qiáng)度環(huán)境研究所,北京 100076)

        引言

        金屬橡膠是一種新型均質(zhì)的彈性多孔材料,經(jīng)特殊的工藝方法將一定質(zhì)量、拉伸開、螺旋狀的金屬絲有序地排放在沖壓或碾壓模具中,通過沖壓成型的方法制成。[1]其內(nèi)部有很多孔洞,既呈現(xiàn)類似橡膠材料的彈性和阻尼性能,同時(shí)又保持金屬的優(yōu)異特性,俗稱金屬橡膠。由金屬絲作為原材料,使其具有耐高溫、高壓、高真空、超低溫的特點(diǎn),且在空間環(huán)境下不揮發(fā)、不怕輻射和粒子的撞擊,選擇特殊的金屬絲還可以工作在腐蝕環(huán)境中,不產(chǎn)生老化現(xiàn)象,是一種使用范圍廣泛的新型高彈性、大阻尼材料。

        因?yàn)榄h(huán)形金屬橡膠應(yīng)用場(chǎng)景豐富,所以減振器產(chǎn)品中金屬橡膠以環(huán)形金屬橡膠結(jié)構(gòu)形式為主。環(huán)形金屬橡膠外形尺寸如圖 1。其結(jié)構(gòu)尺寸分別為外徑D,內(nèi)徑d 和金屬橡膠厚度t。

        隨著減振器產(chǎn)品化要求,環(huán)形金屬橡膠的內(nèi)徑d 主要和相應(yīng)螺栓外徑配合。目前常用的產(chǎn)品化金屬橡膠內(nèi)孔主要應(yīng)用于匹配M3~M12 之間的螺栓。本文探索一種通用的環(huán)形金屬橡膠模具的設(shè)計(jì)和管理方法,以適用于減振器產(chǎn)品化要求。

        一、CATIA 參數(shù)化建模思想

        參數(shù)化設(shè)計(jì)是隨著約束概念引入CAD 技術(shù)而出現(xiàn)的,常采用尺寸驅(qū)動(dòng)的形式來實(shí)現(xiàn),對(duì)零件上各種特征施加各種約束形式,各個(gè)特征的幾何形狀與尺寸大小用變量的方式來表示。

        CATIA 是法國(guó)達(dá)索公司CAD/CAE/CAM 一體化軟件,在世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位,廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車等制造業(yè)。在航空航天的多個(gè)項(xiàng)目中,CATIA 被應(yīng)用于開發(fā)虛擬的原型機(jī),其中包括Boeing 飛機(jī)公司(美國(guó))的Boeing777 和Boeing737,Dassault 公司(法國(guó))的陣風(fēng)(Rafale)戰(zhàn)斗機(jī)、Bombardier 飛機(jī)公司(加拿大)的Global Express 公務(wù)機(jī)、以及Lockheed Martin 飛機(jī)公司(美國(guó))的Darkstar 無人駕駛偵察機(jī)。[1]

        參數(shù)化建模關(guān)鍵是如何用實(shí)物的特征參數(shù)來自動(dòng)控制和生成實(shí)物三維模型,而且特征參數(shù)發(fā)生改變能夠自動(dòng)地反映到三維模型中。這一技術(shù)給機(jī)械產(chǎn)品中的標(biāo)準(zhǔn)件、常用件和系列化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)帶來極大的便利。

        二、模具設(shè)計(jì)思路

        (一)總體思路

        環(huán)形金屬橡膠模具結(jié)構(gòu)可分為環(huán)形金屬橡膠模具和盤形金屬橡膠模具,見圖 3。盤形金屬橡膠模具可以作為環(huán)形金屬橡膠模具的一種特殊結(jié)構(gòu),即d=0 情況。

        當(dāng)d≠0 時(shí),模具結(jié)構(gòu)形式為圖2,主要包括底座、中心桿、陰模、陽(yáng)模、壓桿,其中:

        底座作用是限位陰模和中心桿,其頂面在壓制過程用于金屬橡膠下底面成型。

        中心桿作用是其外徑用于金屬橡膠內(nèi)徑d 成型。

        陰模作用是其內(nèi)徑用于金屬橡膠外徑D 成型。

        陽(yáng)模作用是通過在陰模的滑動(dòng),其底面在壓制過程用于金屬橡膠上底面成型。

        壓桿作用是傳遞壓力機(jī)壓力給陽(yáng)模,使得陽(yáng)模在陰模中向下滑動(dòng),壓制金屬橡膠毛坯成型金屬橡膠。

        當(dāng)d=0 時(shí),模具結(jié)構(gòu)主要包括底座、陰模、陽(yáng)模、壓桿:

        因?yàn)闆]有孔,所以沒有了中心桿,同時(shí)底座、陽(yáng)模、壓桿等零件的中心孔也沒有了,而陰模結(jié)構(gòu)保持不變。

        (二)模具配合關(guān)系

        1.底座

        底座凸臺(tái)外徑和陰模內(nèi)徑為滑動(dòng)配合;

        底座內(nèi)孔(d≠0)和中心桿外徑為滑動(dòng)配合。

        2.中心桿(d≠0)

        中心桿外徑和底座內(nèi)孔為滑動(dòng)配合;

        中心桿外徑和陽(yáng)模內(nèi)孔為滑動(dòng)配合;

        中心桿外徑和壓桿內(nèi)徑外間隙配合。

        3.陰模

        陰模內(nèi)徑和底座凸臺(tái)外徑為滑動(dòng)配合;

        陰模內(nèi)徑和陽(yáng)模外徑為滑動(dòng)配合;

        陰模內(nèi)徑和壓桿外徑為間隙配合。

        4.陽(yáng)模

        陽(yáng)模內(nèi)徑和中心桿外徑(d≠0)為滑動(dòng)配合;

        陽(yáng)模外徑和陰模內(nèi)徑為滑動(dòng)配合。

        5.壓桿

        壓桿內(nèi)徑和中心桿外徑(d≠0)為間隙配合;

        壓桿外徑和陰模內(nèi)徑為間隙配合。

        三、CATIA 參數(shù)化建模實(shí)施

        (一)CATIA 參數(shù)化建模規(guī)則確定

        參數(shù)化設(shè)計(jì)的思路是將模具中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行梳理,將這些關(guān)鍵參數(shù)建立一定的規(guī)則,從而達(dá)到改變這些參數(shù)后模型會(huì)隨之更改的目的。

        根據(jù)確定的原則,確定規(guī)則,建立參數(shù)化設(shè)計(jì)模型。圖3 圖2 為模具參數(shù)化設(shè)計(jì)思路圖。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),本文中主要的輸入?yún)?shù)是金屬橡膠的外形尺寸,即外徑D,內(nèi)徑d 和厚度t,其中H、a、b 為按照經(jīng)驗(yàn)給定的尺寸。

        設(shè)計(jì)過程中各參數(shù)間要主要滿足兩個(gè)關(guān)系:

        1.中心桿的長(zhǎng)度≥* MERGEFORMAT 底座厚度a+陰模高度H,本文設(shè)定為H+3a,這樣在壓制金屬橡膠毛坯過程中,毛坯才能充分利用陰模高度空間;

        2.壓桿長(zhǎng)度≥* MERGEFORMAT 壓桿高度(H+3a)-陽(yáng)模厚度(3a)-底座總高度(3a)≥* MERGEFORMATH-3a,以免壓力機(jī)和中心桿干涉,陽(yáng)模不再向下,金屬橡膠厚度尺寸t 不能滿足。

        (二)CATIA 參數(shù)化建模

        根據(jù)3.1 中確定的規(guī)則在CATIA 中進(jìn)行模具裝配體參數(shù)化建模,然后將模具參數(shù)和模具表關(guān)聯(lián),通過Excel 表格對(duì)模具參數(shù)進(jìn)行管理。如圖4,選擇表格中的一行,模具會(huì)以此行參數(shù)建立模型。點(diǎn)選編輯表按鈕即彈出Excel 表,其中Excel 表格中相應(yīng)的參數(shù)和CATIA 模具表配置行對(duì)話框以及CATIA 模型樹中的參數(shù)相對(duì)應(yīng)。在Excel 表中增加一行新的參數(shù),即創(chuàng)建一個(gè)新的模具。更改模具參數(shù),即實(shí)現(xiàn)模具的更改。

        四、總結(jié)與展望

        CATIA 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法已經(jīng)應(yīng)用于環(huán)形金屬橡膠模具設(shè)計(jì)中。通過此方法生產(chǎn)的模具大部分產(chǎn)品需求,模具壓制的金屬橡膠產(chǎn)品均符合質(zhì)量要求。

        該設(shè)計(jì)方法很好的利用了模具中各零件的相互關(guān)系,從而保證模具設(shè)計(jì)的可應(yīng)用性。

        該設(shè)計(jì)方法保證了模具的通用性,避免了模具重復(fù)加工生產(chǎn)造成的成本和時(shí)間浪費(fèi)。

        通過CATIA 參數(shù)化建模,實(shí)現(xiàn)了模具設(shè)計(jì)的自動(dòng)化,極大提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。

        后續(xù)當(dāng)結(jié)合金屬橡膠壓制過程施加恒定力情況下模具受力情況對(duì)模具進(jìn)行CAE 參數(shù)化仿真,以尋求最佳設(shè)計(jì)方案。

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