型腔模具設(shè)計(jì)過程探討

劉祿金 （貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽550003）

模具工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，模具工業(yè)的發(fā)展水平標(biāo)志著一個(gè)國家的工業(yè)水平及產(chǎn)品開發(fā)能力[1-2]。改革開放30多年來，我國已成為各類模具的使用大國[3]。型腔模具設(shè)計(jì)過程是一個(gè)綜合考慮各種設(shè)計(jì)條件的過程，設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、工作量大、周期長。下面，筆者對(duì)型腔模具設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了闡述。

1 型腔模具設(shè)計(jì)流程

一般模具設(shè)計(jì)流程如圖1所示。圖1明確反映了模具設(shè)計(jì)的整體思路，其中包含一些與標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證相關(guān)的設(shè)計(jì)和開發(fā)流程，對(duì)可能產(chǎn)生的設(shè)計(jì)缺陷具有一定的預(yù)防作用。

圖1 型腔模具設(shè)計(jì)流程圖

2 設(shè)計(jì)前準(zhǔn)備工作

在正式設(shè)計(jì)之前，需要仔細(xì)了解產(chǎn)品的使用要求和相關(guān)的產(chǎn)品用途說明書，包括產(chǎn)品圖、產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作樣書、設(shè)計(jì)制作合同書及其他資料。設(shè)計(jì)者必須對(duì)上述資料充分理解，不明確之處要和客戶及時(shí)溝通。同時(shí)，還要了解客戶所在國的制圖習(xí)慣，例如通常日本客戶提供的產(chǎn)品圖采用三角法繪制，通常由正面圖、平面圖、側(cè)面圖、斷面圖、詳細(xì)圖、參考圖、注記、公差一覽、記號(hào)一覽、標(biāo)題欄等組成。此外，在視圖過程中尤其應(yīng)注意如下部分：①公差要求較高處；②對(duì)模具構(gòu)造有影響的部位；③現(xiàn)有圖面無法理解的部分；④注記中特別要求的部分；⑤材料和熱處理的要求；⑥產(chǎn)品壁厚較薄處 （t＜0.6mm）[4]；⑦外觀要求；⑧各種中曲面部分。

3 產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)

3.1 式樣造型

產(chǎn)品圖是二維繪制的，設(shè)計(jì)者必須要對(duì)圖紙進(jìn)行二次加工，例如將英制單位轉(zhuǎn)換成公制單位，在看圖的時(shí)候要準(zhǔn)備草稿紙和筆，在看圖的過程中將視圖初步繪制出產(chǎn)品三維形狀，如果條件允許，使用橡皮泥等輔助物來幫助建模會(huì)更好。然后根據(jù)設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品圖的理解，利用PROE、UG等三維造型軟件準(zhǔn)確造型，以此來檢查設(shè)計(jì)過程是否正確。

3.2 模具工藝造型

在確定好模具的分型面的位置和形狀后，根據(jù)試樣的結(jié)構(gòu)、最小壁厚及成型材料等確定合理的收縮率 （建模中的模型尺寸＝產(chǎn)品尺寸×收縮率）。在型腔模具中，壓鑄和注塑所采用的成型材料不同，故模型中的收縮率不同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意。試樣在原來模型的基礎(chǔ)上要進(jìn)行2次工藝造型，即按照分模要求，把模型各個(gè)部分做成拔模斜度，這樣方便產(chǎn)品脫模。在模具中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行合理布局，并確定每模的件數(shù)，然后對(duì)澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)進(jìn)行三維造型。

3.3 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到模具質(zhì)量的優(yōu)劣。通常根據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量要求如外觀要求等對(duì)模具進(jìn)行總體考慮。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括模架的選擇 （通常是根據(jù)壓鑄機(jī)的類型來選擇）、分型面的選擇、型腔數(shù)量、內(nèi)澆口的位置、澆注系統(tǒng)的總體布置、各部分主輔機(jī)構(gòu)如抽芯機(jī)構(gòu)、推出和復(fù)位機(jī)構(gòu)以及鎖緊裝置等。在設(shè)計(jì)之前應(yīng)根據(jù)所選澆口形狀、分型面位置考慮以下幾個(gè)方面：① 型腔填充是否完全；②溶接痕的位置；③氣泡的發(fā)生；④試樣的變形；⑤點(diǎn)澆口的切斷痕。在模具總體方案設(shè)計(jì)中，型腔設(shè)計(jì)完畢后，要充分注意冷卻系統(tǒng)和脫模機(jī)構(gòu)，避免發(fā)生系統(tǒng)干涉。在此基礎(chǔ)上就可以進(jìn)行型腔模的模架選擇。由于型腔模的模架已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因而應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要具體確定。對(duì)于脫模方式是選用推桿機(jī)構(gòu)還是推件板機(jī)構(gòu)需要根據(jù)制品和流道凝料留在哪一側(cè)來確定。分型面的選擇應(yīng)該滿足零件外觀要求、方便脫模、模具制造以及有利于排氣。型腔數(shù)量一般根據(jù)零件投影面積來確定，對(duì)于小的零件可以考慮一模多件，這樣可以使得模具受力比較均勻，同時(shí)可以提高工作效率。

4 檢 圖

4.1 原則性項(xiàng)目

在檢圖中需要關(guān)注的原則性項(xiàng)目包括如下內(nèi)容：①分型面的設(shè)置是否正確；②型腔是否完全填充；③成形品型腔是否順利脫出；④澆口、流道的配置是否得當(dāng)；⑤冷卻水道有無干涉處；⑥支撐柱、頂桿、定出導(dǎo)向柱有無干涉；⑦收縮率計(jì)算是否正確；⑧鑲件分割方式是否正確；⑨兩側(cè)相互配合的部件設(shè)計(jì)是否正確；⑩成形機(jī)取付試樣是否滿足要求。

4.2 模具構(gòu)造方面

在模具構(gòu)造的檢圖中應(yīng)注意如下問題：①型芯、型腔離型對(duì)策正確與否；②滑塊與滑動(dòng)型芯的設(shè)計(jì)是否正確；③配合處公差是否正確；④排氣道是否合適；⑤配合間隙是否合適；⑥裝配和拆卸是否方便；⑦對(duì)白化現(xiàn)象有無預(yù)防；⑧兩側(cè)各部件之間有無干涉。

4.3 需要詳細(xì)檢查的部分

在檢圖中需要詳細(xì)檢查的部分包括如下內(nèi)容：①斷面形狀正確與否；②型板剛性是否滿足要求；③型腔剛性、強(qiáng)度是否滿足要求；④澆口形狀是否合適；⑤電極設(shè)計(jì)是否正確；⑥客戶樣品變更部分是否已全部變更；⑦廢舊圖面是否已被替換；⑧機(jī)械加工性是否適當(dāng)。

5 產(chǎn)品性能分析

模具設(shè)計(jì)完成后就應(yīng)進(jìn)行試模，試模即檢驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)是否完全合格，該過程需要反復(fù)修模，對(duì)模具損傷大且浪費(fèi)人力和物力。為了盡可能減少試模次數(shù)，得到最佳的模具設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該進(jìn)行成型過程的流場、溫度場模擬，進(jìn)一步優(yōu)化模具工藝參數(shù)以及澆注系統(tǒng)和模具熱平衡系統(tǒng)。通過輸入壓鑄工藝參數(shù)、合金的物理參數(shù)等邊界條件，用有限元分析軟件模擬合金的充型和凝固過程以及溫度場變化，以動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的方式呈現(xiàn)整個(gè)充型過程中液態(tài)金屬的走向、溫度場的分布等信息，通過分析找出可能產(chǎn)生設(shè)計(jì)缺陷的部位，在后續(xù)設(shè)計(jì)中通過更改澆口的位置及增設(shè)排溢系統(tǒng)等措施來改善充填效果。

6 文檔備案

對(duì)每幅模具應(yīng)進(jìn)行文檔備案，具體包括如下內(nèi)容：①模具材質(zhì)分析報(bào)告；②模具熱處理檢測報(bào)告；③產(chǎn)品型號(hào)、零件圖號(hào)、模具編號(hào)、零件標(biāo)號(hào)、毛坯簡圖；④模具更改技術(shù)通知單；⑤模具維修記錄表，包括模具損壞部位、損壞原因及處理結(jié)果等；⑥易損配件圖；⑦模具交接記錄。從設(shè)計(jì)開始到模具加工成功和檢驗(yàn)合格為止，所有技術(shù)資料按規(guī)定加以整理、裝訂、編號(hào)進(jìn)行歸檔，這樣可以為今后的模具設(shè)計(jì)和修理提供參考。

7 結(jié) 語

型腔模具設(shè)計(jì)過程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，需要設(shè)計(jì)者認(rèn)真細(xì)致地做好準(zhǔn)備工作，才能設(shè)計(jì)出優(yōu)良的型腔模具。此外，設(shè)計(jì)者應(yīng)掌握三維模擬仿真技術(shù)，使用該技術(shù)可以減少設(shè)計(jì)失誤，節(jié)約成本，并大大縮短設(shè)計(jì)周期。

[1]蔣桂芝，王麗.我國模具技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 [J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008，21（4）：197-198.

[2]吳崇峰.模具CAD／CAE／CAM教程 [M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2005.

[3]羅繼相.淺析我國模具行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢和對(duì)策 [J].模具技術(shù)，2001（3）：72-75.

[4]潘憲曾.壓鑄模設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.