一種基于CATIA 的橡膠壓模快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)

田野,沈建新

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇南京210016)

0 引言

橡膠有天然橡膠和合成橡膠兩類,它具有很高的彈性,但在高溫時(shí)變粘,在低溫下發(fā)脆,在溶劑中溶解,為了改善這種性能,故以各種生膠為基,配以炭黑(或顏料)、填料、硫磺、硫化促進(jìn)劑、有機(jī)活化物、軟化劑、增強(qiáng)劑和防老劑等其他混合劑混煉而成混煉膠?；鞜捘z是制造各種橡膠制件的膠料,經(jīng)過加熱加壓處理(即硫化處理)產(chǎn)生彈性,并具有耐寒、耐熱、耐臭氧、耐溶劑、減震、耐磨、耐疲勞、密封、介電等重要性能。由于橡膠材料具有上述特性,因此是航空工業(yè)上作防震、緩沖、耐磨、介電、密封用的不可缺少的材料之一。

橡膠壓模是成型橡膠制件的主要生產(chǎn)工具之一。它根據(jù)橡膠制件在機(jī)械、液壓系統(tǒng)中應(yīng)用的部位不同,而設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)形式。在實(shí)際生產(chǎn)使用中,這種壓模是由具有較高的耐壓強(qiáng)度和剛度及導(dǎo)熱性良好的金屬制成。長(zhǎng)期以來一直被廣泛使用的模具設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)程序,因其復(fù)雜費(fèi)時(shí)、很大程度上依靠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)設(shè)計(jì)人員要求高等弊端,不能滿足現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展的需要,正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。如何在保證設(shè)計(jì)品質(zhì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模具的快速設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)的智能化,一直以來都是模具設(shè)計(jì)界的一項(xiàng)重大課題。

本文通過對(duì)典型的橡膠壓模進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征分析,提取各個(gè)特征的主要特點(diǎn),采用參數(shù)化建模方法,以CATIA V5R18為開發(fā)平臺(tái)、VS 2005為二次開發(fā)工具,研究了一種可以快速生成橡膠壓模的參數(shù)化建模方法,作為與某大型航空企業(yè)合作項(xiàng)目“工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)”的子系統(tǒng),初步開發(fā)出較為實(shí)用的橡膠壓模的參數(shù)化建模系統(tǒng)。

1 橡膠壓模的典型結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)分析

橡膠壓模主要由成型零件(型芯、凹模),結(jié)構(gòu)零件(上、下模板)、定位導(dǎo)向零件(上、下導(dǎo)柱導(dǎo)套,鉸鏈),及輔助結(jié)構(gòu)(余膠槽、測(cè)溫孔)等組成,其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橡膠壓模典型結(jié)構(gòu)

與普通模具相比較,橡膠壓模有其特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求。

測(cè)溫孔:為保證航空橡膠制件的品質(zhì),根據(jù)其硫化條件的要求,硫化溫度的誤差均嚴(yán)格控制在范圍內(nèi),因此在壓模型腔附近,必須設(shè)置測(cè)溫孔。在壓制成型過程中,利用水銀溫度計(jì)通過壓模上的測(cè)溫孔進(jìn)行溫度控制。

余膠槽:壓模在硫化制件時(shí),型腔內(nèi)的空氣,膠料中的揮發(fā)性氣體以及一部分余膠需順利的排出,否則制件易產(chǎn)生缺膠、氣泡、孔眼、表面不光、毛邊增厚等缺陷,因此壓模應(yīng)開余膠槽。必要時(shí)還應(yīng)開排氣孔或槽。

分型面間隙:橡膠壓模一般都采用一模多巢孔結(jié)構(gòu),因此對(duì)分型面間隙有一定的要求,一般不大于0.02 mm。如果分型面間隙過大,一方面影響橡膠制件的品質(zhì)(如制件缺膠、毛邊增厚等缺陷)另一方面容易促使壓模變形。

卸模槽:橡膠壓模一般為敞開、移動(dòng)式壓模,其結(jié)構(gòu)較塑料壓模及其他模具簡(jiǎn)單,因此一般在壓模上加工出卸模槽就能借助于撬棒進(jìn)行卸模。

導(dǎo)柱定位的有效長(zhǎng)度:壓模一般為手工卸模,在保證橡膠制件品質(zhì)的前提下,為便于卸模方便,導(dǎo)柱定位的有效長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng),一般為3~6 mm(對(duì)于深腔、深筒形制件例外)。

合模標(biāo)記:在壓制操作過程中,為避免壓?？鄯炊鴵p壞型腔,則壓模必須設(shè)置合模標(biāo)記。

1.2 成型原理

將壓延過的膠料按一定規(guī)格及幾何形狀下料后直接裝入模具型腔內(nèi),合模后在蒸汽平板硫化機(jī)或壓力機(jī)上,按規(guī)定的壓力、硫化溫度及時(shí)間而獲得成型制件。

1.3 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

一般模具設(shè)計(jì)基本要求:保證制件的品質(zhì);提高勞動(dòng)生產(chǎn)率;降低勞動(dòng)強(qiáng)度;保證操作安全和使用方便;提高模具的使用壽命;保證模具加工方便;降低制造成本。

橡膠壓模的特殊要求:有關(guān)型腔數(shù)量和位置的確定時(shí),形狀簡(jiǎn)單而較小的制件,數(shù)量大、批量大,在成型壓力或注射量允許的范圍內(nèi),可采取一模多件的形式。制件形狀簡(jiǎn)單、面積不大、批量較少時(shí),可以考慮幾種不同的制件,在同一副模具內(nèi)成型,但必須具備以下幾點(diǎn):

1)橡膠的牌號(hào)必須相同,制件的形狀、大小不能相差很大。

2)制件的品質(zhì)、壁厚、脫模形式相差不大。

3)制件的成型工藝相近似。

2 系統(tǒng)總體框架

橡膠壓模快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是結(jié)合國(guó)內(nèi)某大型航空企業(yè)的需求,作為與其合作項(xiàng)目“工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)”的子系統(tǒng),運(yùn)用CATIA V5R18提供的二次開發(fā)平臺(tái)CAA V5R18,以VS 2005為開發(fā)工具,在Windows XP系統(tǒng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)框架如圖2所示。

在工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)下包含工程管理模塊,實(shí)例庫(kù)模塊,二維制圖模塊三個(gè)公用模塊和包含橡膠壓模子系統(tǒng)在內(nèi)的涉及飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)的多個(gè)子系統(tǒng)。由于CAA開發(fā)平臺(tái)采用組件式開發(fā)結(jié)構(gòu),每個(gè)子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)都含有公用的設(shè)計(jì)模塊,所以各個(gè)子系統(tǒng)之間在功能上相互獨(dú)立,每個(gè)子系統(tǒng)都是一個(gè)單獨(dú)完整的系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)框架圖

工程管理模塊:實(shí)現(xiàn)新建工程,新建組件、零件,文件改版,實(shí)例名稱和零件名稱批量修改等功能,提供了一個(gè)初始化的建模環(huán)境,集成設(shè)計(jì)過程以及二維出圖時(shí)需要的屬性信息。

實(shí)例庫(kù)模塊:實(shí)現(xiàn)已經(jīng)用CATIA知識(shí)工程模塊參數(shù)化的常用零組件及標(biāo)準(zhǔn)件的調(diào)用,參數(shù)修改,入庫(kù)功能,方便用戶對(duì)已有資源的利用。

二維制圖模塊:實(shí)現(xiàn)了標(biāo)題欄、明細(xì)表的快速生成,通過提取三維零件實(shí)體的屬性信息,實(shí)現(xiàn)三維零件與二維圖紙相關(guān)聯(lián),使符合模板要求的標(biāo)題欄和明細(xì)表可以快速生成,對(duì)組件和零件在明細(xì)表中分開顯示。

橡膠壓模子系統(tǒng):在對(duì)已有典型橡膠壓模及其設(shè)計(jì)流程知識(shí)歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上,開發(fā)了橡膠壓模快速設(shè)計(jì)系統(tǒng),主要包含巢孔排樣、模具體生成、模芯調(diào)用、模芯快速裝配四個(gè)功能模塊。

3 系統(tǒng)開發(fā)

3.1 橡膠壓?？焖僭O(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程(圖3)

圖3 橡膠壓模設(shè)計(jì)流程

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)

在設(shè)計(jì)過程中,需要使用大量的數(shù)據(jù)信息,而這些信息都可以表達(dá)成數(shù)據(jù)表的形式,如橡膠件的收縮率計(jì)算表,因此系統(tǒng)選用較為簡(jiǎn)便實(shí)用的Access數(shù)據(jù)庫(kù)來存儲(chǔ)這些信息。連接數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)使用(JET)連接性引擎技術(shù)與程序關(guān)聯(lián),可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)表的查詢、插入、修改等操作。

3.3 巢孔排樣

在確定巢孔數(shù)時(shí),一般應(yīng)注意以下兩點(diǎn):1)對(duì)于批量大、制件尺寸小、形狀簡(jiǎn)單、精度不太高或者批量不大,但品種規(guī)格多且品種相同、規(guī)格相近的橡膠制件,一般采用一模多巢孔。2)對(duì)于尺寸大、幾何形狀復(fù)雜、精度高以及金屬嵌件多的橡膠制件,由于受機(jī)床負(fù)荷、精度及操作時(shí)間不宜長(zhǎng)的限制,一般采用單巢孔。

在橡膠壓模工程建立后,系統(tǒng)中該功能提示選擇橡膠制件的樣式、尺寸、牌號(hào)、以及硫化條件,根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算橡膠的收縮率;下一步選擇模具體類型,包含方形壓模和圓形壓模,在方形壓模下可供選擇巢孔數(shù)為2、4、6、9、12 在圓形壓模下可供選擇的巢孔數(shù)為 1、3、7、19、37。確定巢孔樣式后,后臺(tái)程序根據(jù)已知的橡膠收縮率計(jì)算巢孔直徑以及新建工程時(shí)輸入的材料屬性,從Access數(shù)據(jù)表中讀取巢孔間間距,巢孔與模具體間距,并在前臺(tái)顯示。程序?qū)⑦@些獲得的信息保存,供模具體設(shè)計(jì)時(shí)使用。

3.4 模具體設(shè)計(jì)

該功能首先提取巢孔排樣時(shí)的特征信息,尺寸信息,根據(jù)已有總結(jié)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算出模具體的尺寸,在對(duì)話框中顯示也可以由用戶手動(dòng)修改。而后程序會(huì)從實(shí)例庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)的模板文件對(duì)相應(yīng)的尺寸和特征進(jìn)行修改,使之生成符合要求的模具體上、下模板。

3.5 模芯調(diào)入

由于橡膠制件種類繁多,每種制件都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的模芯,因此系統(tǒng)中將常用的橡膠制件模芯集成在實(shí)例庫(kù)中,在模芯調(diào)入時(shí),依據(jù)在巢孔排樣時(shí)得到的制件類型和橡膠收縮率,計(jì)算得到模芯的約束尺寸,從實(shí)例庫(kù)中實(shí)例化一個(gè)模芯到當(dāng)前CATIA界面中,使其類型和尺寸符合要求。

3.6 模芯快速裝配

模芯快速裝配的前提是在已有的模芯模型中封裝了可以重用的裝配關(guān)系,在快速裝配時(shí),系統(tǒng)搜索零部件中的裝配特征并匹配裝配關(guān)系。在該系統(tǒng)中主要應(yīng)用到軸線重合(Coincidence)和面重合(Coincidence)約束關(guān)系,如根據(jù)流程在特征樹上選取與模芯約束的軸線和面后,系統(tǒng)在模芯特征中搜索預(yù)先定義的“裝配軸線”和“裝配面”特征,創(chuàng)建約束關(guān)系,完成快速裝配。

4 結(jié)語(yǔ)

橡膠制件在航空工業(yè)中有著重要的應(yīng)用,基于CATIA提供的CAA二次開發(fā)平臺(tái),總結(jié)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),對(duì)典型的橡膠壓模結(jié)構(gòu)歸納分類,開發(fā)了較為實(shí)用的橡膠壓?？焖僭O(shè)計(jì)系統(tǒng),在企業(yè)應(yīng)用中取得了良好的效果。后續(xù)研究會(huì)繼續(xù)豐富系統(tǒng)的功能。

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