基于三維模型的壓藥模具精益設(shè)計方法

馬增祥，劉　煒，張均法，惠　智，衣東龍，張叢博

(山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 淄博 255201)

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基于三維模型的壓藥模具精益設(shè)計方法

馬增祥，劉煒，張均法，惠智，衣東龍，張叢博

(山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 淄博 255201)

摘要：針對類似形狀藥柱壓裝模具的重復(fù)設(shè)計問題，為了提高設(shè)計效率，采用有限元方法，充分利用三維軟件的參數(shù)與關(guān)系以及相關(guān)性，以藥柱零件為主控件，進(jìn)行壓藥模具的TOP-DOWN設(shè)計，實現(xiàn)當(dāng)變更藥柱零件尺寸和形狀時，模具裝配及零件工程圖樣會自動變更，該方法是壓藥模具精益設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：藥柱；模具；精益設(shè)計

針對類似形狀藥柱壓裝模具的重復(fù)設(shè)計問題進(jìn)行了優(yōu)化。首先，采用有限元方法，優(yōu)化模套尺寸，得到最佳模套尺寸與藥柱尺寸的設(shè)計關(guān)系；然后，在裝配模式下，建立藥柱零件的三維模型，以藥柱零件為主控件，進(jìn)行壓藥模具的TOP-DOWN[1]設(shè)計，并以此為參照，采用自頂向下的方法，利用壓藥模具零件間的關(guān)系，依次分別創(chuàng)建與壓藥模具相關(guān)零件的三維模型；最后，分別創(chuàng)建壓裝模具裝配及零件工程圖。應(yīng)用三維軟件的參數(shù)與相關(guān)性，實現(xiàn)當(dāng)變更藥柱零件尺寸和形狀時，模具裝配及零件工程圖會自動變更，避免了重復(fù)勞動，節(jié)約了時間，提高了設(shè)計效率，是壓藥模具的精益設(shè)計方法。

1模套尺寸的優(yōu)化

在壓藥模具的TOP-DOWN設(shè)計前，應(yīng)對模具中的關(guān)鍵零件——模套的壁厚以及下沖端高度幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以滿足其在壓藥過程中的強(qiáng)度和剛度的要求。

1.1有限元分析模型

為了優(yōu)化壓藥模套尺寸，得到最佳模套尺寸與藥柱尺寸的設(shè)計關(guān)系，應(yīng)建立有限元分析模型，對其進(jìn)行有限元分析。因壓藥模套為回轉(zhuǎn)體，在壓藥過程中，模套所受載荷也具有軸對稱性，所以在有限元分析時，模套可以簡化為2D軸對稱模型。模套零件上端的倒圓角以及下端的倒角對模套的強(qiáng)度和剛度影響甚小，在建模過程中給予忽略。模套中的脫模錐度通常為1∶666或1∶1 500，其值對模套的強(qiáng)度和剛度影響較小，且脫模錐度對模型計算精度影響不大，在建模過程中不予考慮。以壓制φ25 mm×25 mm藥柱的模套為例建模，模套幾何尺寸如圖1所示。

圖1　模套幾何模型

1.1.12D軸對稱模型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由廣義胡克定義可以得到2D軸對稱模型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[2]：

(1)

式中，D是彈性矩陣，它與材料性質(zhì)有關(guān)；S是應(yīng)力矩陣；B是應(yīng)變矩陣；σ是應(yīng)力矩陣；δ是元素各節(jié)點的位移矩陣。考慮軸對稱，得：

式中，E是彈性模量；ν是泊松比。

1.1.2載荷區(qū)域的確定

模套在裝藥壓制到位后，所受載荷最大，為方便施加載荷，在建立2D軸對稱模型時，應(yīng)確定施加載荷區(qū)域。

1.1.3邊界條件

1)載荷。無論哪種炸藥，當(dāng)壓藥比壓>200MPa時，壓力再增加而密度提高很小，為了保證模套有足夠的強(qiáng)度，選用壓藥比壓為300MPa作為所施加的極限載荷[3]。炸藥的流散性是決定模套內(nèi)壁所受的側(cè)壓力PC大小的重要因素, PC計算公式如下：

(2)

圖2　　模套有限元　分析模型

式中， PC是模套內(nèi)壁所受的側(cè)壓力，單位為MPa；ν是炸藥的泊松比；P是炸藥的壓藥比壓，單位為MPa。已知炸藥的泊松比ν=0.35，炸藥的壓藥比壓P=300MPa,模套內(nèi)壁所受的側(cè)壓力PC=161.4MPa,則模套內(nèi)壁所受的計算側(cè)壓力PjC=161.4MPa，其有限元分析模型如圖2所示。

2) 約束。當(dāng)雙向壓藥時，忽略模套自身重力加速度的影響，模套處于懸空狀態(tài)。

3) 材料屬性。模套材料屬性選擇碳素工具鋼，材料彈性模量E=206GPa，泊松比ν=0.27。

由上述模擬條件所創(chuàng)建的有限元數(shù)值分析模型和實際壓裝情況基本吻合。

1.2評價準(zhǔn)則

模套材料為碳素工具鋼，經(jīng)淬火、回火后，洛氏硬度為55～60HRC，抗拉強(qiáng)度Rm為1 995～2 180MPa，屬脆性材料。模套破壞是以拉應(yīng)力為主應(yīng)力毀壞形式，為此，可以應(yīng)用第一強(qiáng)度理論進(jìn)行模套強(qiáng)度校核，取安全系數(shù)n=3～4。

1.3有限元優(yōu)化計算結(jié)果

1.3.1敏感度分析

模套壁厚以及下沖端高度對最大主值應(yīng)力以及最大位移影響程度如圖3～圖6所示。

圖3　模套壁厚對最大主應(yīng)力的影響程度

圖4　下沖端高度對最大主應(yīng)力的影響程度

圖5　模套壁厚對最大位移的影響程度

圖6　下沖端高度對最大位移的影響程度

1.3.2優(yōu)化設(shè)計

1)設(shè)計限制。最大主值應(yīng)力 <5.700×102MPa； 最大位移<2.000 0×10-2mm。

2)優(yōu)化結(jié)果。通過對2D軸對稱模套模型進(jìn)行有限元分析，在模套內(nèi)壁測量如下：a.最大主值應(yīng)力位于模套內(nèi)壁下端處(也即下沖上端)，最大主值應(yīng)力為2.619 316×102MPa，模套內(nèi)壁主值應(yīng)力分布如圖7所示；b.模套最大位移為1.998 855×10-2mm，模套最大位移分布如圖8所示。

圖7　模套內(nèi)壁主值應(yīng)力分布

圖8　模套內(nèi)壁最大位移分布

3)優(yōu)化后的模套尺寸情況。模套壁厚δ=7.1mm,約為0.284倍藥柱直徑。模套下端尺寸h=24mm，約為藥柱高度的0.96倍。由此建立模套與藥柱之間參數(shù)關(guān)系。

2自頂向下創(chuàng)建關(guān)聯(lián)零件

應(yīng)用CREOPARAMETRIC三維軟件，以藥柱零件為主控件，進(jìn)行壓藥模具的TOP-DOWN設(shè)計，可實現(xiàn)當(dāng)藥柱形狀及尺寸發(fā)生變化時，與藥柱相關(guān)的模腔及上下沖、退料套等零件三維圖及工程圖都會隨之改變，極大地提高了模具設(shè)計更改速度和正確性。

壓藥模具的TOP-DOWN設(shè)計是在裝配模式下，首先參照藥柱零件邊和上述模套有限元分析結(jié)果創(chuàng)建模套；然后以同樣的方法，利用軟件參數(shù)之間的關(guān)系，實現(xiàn)相互參考，使零件之間保持相關(guān)，分別創(chuàng)建上下沖和退料套等其他三維零件，實現(xiàn)由一個零件控制多個零件，受控零件自動跟著主控件改變。

3創(chuàng)建壓裝模具裝配及零件工程圖

在壓藥模具中，選擇藥柱為主控件就包含了藥柱尺寸和形狀等基本特征，以及可能要更改的特征。模套、上下沖頭等其他零件是以藥柱主控件為參照而生成的，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化，形成不同的其他零件。當(dāng)修改藥柱設(shè)計參數(shù)后，只要更新藥柱主控件與模具裝配圖(.asm)，與藥柱主控件相關(guān)的零件(.prt)的三維圖及其工程圖(.drw)都會隨著自動變化。如：藥柱尺寸為φ10mm×10mm，其裝配工程圖如圖9所示。當(dāng)藥柱尺寸變更為φ65mm×56mm時，只須更改主控件藥柱零件，刷新裝配工程圖即可。φ65mm×56mm藥柱裝配工程圖如圖10所示。

圖9　φ10 mm×10 mm藥柱裝配工程圖

圖10　φ65 mm×56 mm藥柱裝配工程圖

4結(jié)語

相似幾何形狀的藥柱壓制模具，采用CREOPARAMETRIC主控件(MasterPart)技術(shù)，進(jìn)行TOP-DOWN壓藥模具設(shè)計，具有如下優(yōu)勢：1)模具裝配非常簡單，所有零件均采用缺省方式裝配；2)對不同尺寸藥柱模具，只做主控件藥柱的更改，可以獲得壓藥模具的裝配和零件工程圖，大大減少了設(shè)計工作量，提高了設(shè)計更改的正確性，是壓藥模具精益設(shè)計方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 詹友剛.CreoParametric3.0 高級應(yīng)用教程 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[2] 魏惠之，等.彈丸設(shè)計原理 [M].南京:南京理工大學(xué)出版社，1985.

[3] 陳國光，等.彈藥制造工藝學(xué) [M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2004.

責(zé)任編輯馬彤

The Method of Pressure Charge Die Lean Design based on 3D Mode

MA Zengxiang， LIU Wei， ZHANG Junfa， HUI Zhi， YI Donglong， ZHANG Congbo

(Shangdong Special Industry Grop Co.,Ltd.， Zibo 255201， China)

Abstract：For increasing the ratio of similar form pressure charge dies design, we researches 3D software parameter and the relationship between them. Set charge as the master part, then develop the TOP-DOWN design with the charge die. The die engineering drawing will change when the charge size is changing. The results show the lean design method for engineers.

Key words:charge， die， lean design

收稿日期：2015-08-11

作者簡介：馬增祥(1962-)，男，高級工程師，主要從事軍品研發(fā)等方面的研究。

中圖分類號：TB 21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B