壓藥模具精益設(shè)計中的三維模型構(gòu)建探討

陶李

摘 要：在形狀藥柱中使用壓裝模具進(jìn)行重復(fù)設(shè)計的問題上，想要更好的提高設(shè)計效率，可以使用有限元的方法，然后利用三維軟件相關(guān)的參數(shù)關(guān)系和相關(guān)性，對以藥柱為主的零件，進(jìn)行TOP-DOWN的壓藥模具設(shè)計。這樣在藥柱零件發(fā)生形狀或是尺寸的變化時，模具的裝配和零件相關(guān)的工程圖樣也會進(jìn)行自動的變更，這也是對壓藥模具進(jìn)行精益設(shè)計的方法。

關(guān)鍵詞：藥柱；模具；精益設(shè)計

中圖分類號：TQ560.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0063-03

想要對藥柱壓裝形狀的模具進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計，首先，就是利用有限元方法，對模套的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，然后得出藥柱尺寸和模套尺寸的最佳設(shè)計關(guān)系；然后，在裝配模式的情況下，對藥柱零件進(jìn)行三維模型的建立，其中要將藥柱零件作為主控件，之后在進(jìn)行壓藥模具有關(guān)TOP-DOWN的設(shè)計，之后根據(jù)這個參照，利用自頂向下的方式，根據(jù)壓藥模具零件之間的關(guān)系，分別對壓藥模具有關(guān)的零件進(jìn)行三維模型的建立；最后，就是建立壓裝模具裝配和零件工程有關(guān)的圖紙設(shè)計。利用三維軟件相關(guān)的參數(shù)和相關(guān)性，對藥柱相關(guān)的形狀和尺寸進(jìn)行變更，這樣對應(yīng)的工程圖也會自動變化，這樣既節(jié)約了時間，也避免了勞動的重復(fù)，從而提高了設(shè)計的效率，實現(xiàn)壓藥模具的精益設(shè)計方法。

1 優(yōu)化模套的尺寸

在進(jìn)行壓藥模具的TOP-DOWN進(jìn)行設(shè)計之前，要對模套的壁厚、下沖端的高度幾何尺寸等有關(guān)模具的關(guān)鍵零件進(jìn)行優(yōu)化，這樣才能更好的滿足壓藥過程的剛度和強度的要求。

1.1 模型的有限元分析

想要對壓藥模套進(jìn)行尺寸的優(yōu)化，首先就是要建立一個有限元模型進(jìn)行分析，模套和藥柱的最佳尺寸之間的設(shè)計關(guān)系。由于壓藥模套屬于一種回轉(zhuǎn)體，所以在壓藥的過程中，模套所受到的承載荷表現(xiàn)出的是軸對稱性，因此利用有限元進(jìn)行分析時，可以將模套轉(zhuǎn)變成2D軸的對稱模型。其中在模套零件中，上端處的倒圓角和下端處的倒角對模套的剛度和強度影響不是很大，這個在進(jìn)行建模時可以忽略不計。還有脫模錐度一般在1：1500或是1：666比值范圍內(nèi)，它對模套的剛度和強度的影響也是很小，也就是脫模錐度不影響模型的計算精度問題，這個在建模的時候依然不用考慮。建立一個25mm×25mm的藥柱模套，可以看圖1中模套幾何尺寸進(jìn)行分析。

2D軸對稱的模型有關(guān)應(yīng)變和應(yīng)力之間的關(guān)系。根據(jù)冠以的胡可定義對2D軸對稱模型中的應(yīng)力-應(yīng)變之間的關(guān)系進(jìn)行計算得出：

在這個公式中，D表示的是彈性矩陣，它根據(jù)材料的不同而不同；其中S表示的是應(yīng)力矩陣；則是每個元素中的節(jié)點發(fā)生的位移矩陣，表示的是應(yīng)力矩陣；B表示的是應(yīng)變矩陣。之后可以求出軸對稱的公式：

在這個公式之中，E表示的是彈性的模量；其中v表示的是泊松比。

確定載區(qū)域。在模套裝藥壓制做好之后，它所受到的載荷是比較大的，想要更加容易的進(jìn)行載荷的施壓，在2D軸對稱模型的建立時，應(yīng)該先確定載荷區(qū)域的施加。

需要的邊界條件。

（1）不管是哪種的炸藥，當(dāng)壓藥的壓力比是>220MPa時，就算壓力在繼續(xù)增加，密度的提高都不會很大。所以想要提高模套的強度，要選擇壓藥比壓是300MPa，將該值作為載荷的最大限值。模套內(nèi)壁需要承受的側(cè)壓力Pc的大小是由炸藥的流散性確定的，所以，根據(jù)分析得出的Pc的計算公式為：

該式中，Pc表示模套內(nèi)壁承受到的側(cè)壓力，其單位是MPa；v表示炸藥中泊松比；而P則是炸藥的壓藥比，它的單位則是MPa。其中炸藥的泊松比是v=0.35，而炸藥的壓藥比壓則是P=300MPa，其中模套內(nèi)壁受到的側(cè)壓力是Pc=161.4MPa，那么計算出模套內(nèi)壁受到的側(cè)壓力是=161.4MPa，對該模型的有限元分析可以見圖2。

（2）約束。在進(jìn)行雙向的壓藥時，可以忽略模套本身的重力加速度，這樣計算出的模套是處于懸空的狀態(tài)。

（3）材料的屬性。選擇碳素工具鋼作為模套的材料，其中材料的彈性模量是E=206GPa，那么泊松比則是v=0.27。

上述進(jìn)行的有限元模擬條件數(shù)值分析模型和實際中的壓裝情況是相吻合的。

1.2 評價原則

碳素工具鋼的模套材料，經(jīng)過淬火和回火之后，得到的洛氏硬度則是55～60HRC，其中抗拉強度則是1995～2180MPa，也就是說它屬于脆性的材料。對模套造成的破壞，主要是以拉應(yīng)力為主表現(xiàn)的應(yīng)力形式的毀壞，因此，可以根據(jù)第一強度的理論對模套強度進(jìn)行校核，使用的安全系數(shù)是n=3～4。

2 有限元的計算結(jié)果

進(jìn)行敏感度的分析。對于模套壁厚有關(guān)下沖端的高度，以及應(yīng)力的最大值，還有位移的最大值受到的影響可以對圖3～圖6進(jìn)行分析。

進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。（1）設(shè)計的限制。其中應(yīng)力的最大主值是在<5.700×102MPa的范圍內(nèi)，而位移的最大值在<2.0000×10-2mm的范圍內(nèi)。（2）優(yōu)化的結(jié)果。利用有限元對2D軸對稱模套的模型進(jìn)行分析，測量得出模套內(nèi)壁如下：模套內(nèi)壁受到的應(yīng)力最大值是在下端出（即下沖上端），其中應(yīng)力的最大主值是2.619316×102MPa，關(guān)于模套內(nèi)壁的應(yīng)力主值分布可以見圖7；關(guān)于模套的位移最大值是1.998855×10-2mm，關(guān)于位移的分布可以見圖8中所示。（3）對模套尺寸進(jìn)行優(yōu)化后的結(jié)果。此時的模套壁厚是=7.1mm，約為0.284倍的藥柱直徑。其中模套的線段尺寸是h=24mm，是藥柱高度的0.96倍的約值。這樣就是可以建立藥柱和模套之間的關(guān)系參數(shù)了。

3 結(jié)語

關(guān)于藥柱的相似幾何形狀壓制模具，則是利用的CREO PARAMETRIC三維軟件的主控件技術(shù)，對壓藥模具TOP-DOWN進(jìn)行設(shè)計，其所具有的優(yōu)點有：（1）進(jìn)行裝配模具時非常容易，每個零件都可以使用缺省的方式進(jìn)行裝配；（2）只進(jìn)行主控件藥柱的改變，就可以得到壓藥模具的裝配以及零件的工程圖，減少了工作量。

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