一種內(nèi)螺紋制件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

左文娟，江 帆

（四川華豐科技股份有限公司，四川綿陽，621000）

1 引言

隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，市場競爭的日益激烈，降本增效要求日益攀升，尤其是一些航空、航天類電連接器對產(chǎn)品的重量有著更為嚴(yán)格的要求，采用復(fù)合材料塑壓成型替代鋁材機(jī)加成型也是實現(xiàn)減重的重要途徑之一。相對于鋁制機(jī)加件，塑壓件除重量輕外，還具備成本低、效率高、一致性好等特點，更易滿足客戶對產(chǎn)品質(zhì)量、交付交期等方面的要求。帶內(nèi)螺旋槽、內(nèi)螺紋的蓋類零件（如圖1所示）在軍用連接器產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，通常內(nèi)螺旋槽塑件采用的是齒輪抽芯系統(tǒng)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性和維修性差，而且三螺旋槽的脫模需要極大的扭力及足夠長的止轉(zhuǎn)面，最關(guān)鍵的是此系統(tǒng)根本無法實現(xiàn)全周內(nèi)環(huán)形槽的脫模，最終還得通過機(jī)加二次成型。本項目的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)——伸縮芯即是立足于某軍工產(chǎn)品的減重項目，著眼于民品的高質(zhì)高效低耗生產(chǎn)而進(jìn)行研發(fā)的，這種伸縮芯全周內(nèi)抽成型模具結(jié)構(gòu)，具有體積小、穩(wěn)定性高、維修性好、適用面廣、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢。

圖1 零件結(jié)構(gòu)圖

2 設(shè)計原理

普通的內(nèi)螺紋脫模一般分為旋轉(zhuǎn)脫模和非旋轉(zhuǎn)脫模兩個大類方式，三個小類，見表1所示。

表1 內(nèi)螺紋脫模分類

通過以上幾個方式的比較，可以看出，即便是適用條件較為廣泛的齒輪機(jī)構(gòu)式脫模，也要受到產(chǎn)、品結(jié)構(gòu)的制約，尋求適用性更為廣泛的脫模方式是非常有必要的。通過長期的理論分析和仿真驗證，設(shè)計出一種漲縮套的方式來成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的內(nèi)螺料制件。整體結(jié)構(gòu)簡要如圖2示，其結(jié)構(gòu)描述如下文。

圖2 結(jié)構(gòu)圖

模具總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。開模后機(jī)床頂桿推動模具推板6，在模具推桿4、模具推塊2的傳動下，伸縮芯（如圖3所示）的活動型芯-01、活動型芯-02做軸向同步運動。此時，在活動型芯與固定型芯的斜面導(dǎo)軌的作用下，活動型芯-01、活動型芯-02均同時產(chǎn)生向內(nèi)的徑向運動。當(dāng)活動型芯向內(nèi)的徑向運動距離達(dá)到內(nèi)三螺旋槽及全周內(nèi)環(huán)形槽所需的脫模距離時，機(jī)床停止頂出，但須保持頂出狀態(tài)，暫不復(fù)位，待機(jī)械手完成取件后方可復(fù)位，完成整個開合模動作。在實際生產(chǎn)中，為確保零件不會滯留在某一瓣活動型芯上而影響脫模，在開模之后、機(jī)床頂出之前須由機(jī)械手夾持零件，保證零件在完成脫模之前只產(chǎn)生軸向運動，不產(chǎn)生徑向位移。

圖3 伸縮芯結(jié)構(gòu)圖

圖4 模具結(jié)構(gòu)圖

由上圖及說明可以明顯看出，該結(jié)構(gòu)完全避免了此類零件的二次加工問題?，F(xiàn)有常規(guī)的齒輪機(jī)構(gòu)無法一次成型該類零件，需要機(jī)加二次成型，增加了產(chǎn)品的成本。伸縮芯結(jié)構(gòu)成型塑料制件內(nèi)螺紋解決了傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計而給實際生產(chǎn)帶來的生產(chǎn)效率低，成型周期長，產(chǎn)品尺寸精度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高等問題，從而簡化模具結(jié)構(gòu)，降低成本和提高生產(chǎn)率。

伸縮芯全周內(nèi)抽成型機(jī)構(gòu)的設(shè)計原理與常規(guī)的滑塊抽芯機(jī)構(gòu)基本相同，都是利用斜導(dǎo)軌將縱向（軸向）的頂出運動轉(zhuǎn)換為橫向（徑向）的抽芯運動的機(jī)構(gòu)。與常規(guī)滑塊抽芯不同的是：全周內(nèi)抽需要將整個型芯全部向內(nèi)收縮但其運動空間又限制在型芯直徑以內(nèi)，很難避免活動型芯之間因產(chǎn)生相互干涉而導(dǎo)致全周內(nèi)抽無法實現(xiàn)。其解決方案即設(shè)計原理如圖5所示。由于三螺旋槽為120°均布，所以擬以120°的夾角將型芯拆分成2組即活動型芯-01、活動型芯-02共6件活動型芯及1件固定型芯。此時，可以看出在此夾角下活動型芯-02向內(nèi)運動的速度須等于活動型芯-01向內(nèi)運動速度的2倍才能保證2組活動型芯不會產(chǎn)生干涉。由此，便得到了2組活動型芯抽芯距的比值，再根據(jù)模具的整體結(jié)構(gòu)確定2組活動型芯的斜導(dǎo)軌角度。以上就是伸縮芯全周內(nèi)抽成型機(jī)構(gòu)的所有關(guān)鍵參數(shù)。

圖5 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)原理圖

但是，有了以上參數(shù)并不意味著就能設(shè)計出真正適合實際生產(chǎn)的伸縮芯全周內(nèi)抽成型模具。就拿這個零件來說，上述關(guān)鍵參數(shù)解決伸縮芯本身的問題。通過運動仿真發(fā)現(xiàn)，在塑件頂出時，伸縮芯與塑件之間同樣存在運動干涉的問題：矩形截面的三螺旋槽在做徑向運動時，除法向與運動方向重合的節(jié)點外的其他節(jié)點均存在如圖5所示的現(xiàn)象而產(chǎn)生干涉。該零件的三螺旋槽實際為卡釘?shù)膶?dǎo)向槽，其配合間隙較大。

圖5 伸縮芯與塑件運動干涉分析圖

因此，可以在不影響零件功能的前提下對螺旋槽截面稍加改動即可解除干涉，如圖6所示。

圖6 干涉解除方案圖

3 設(shè)計優(yōu)化

在早期的設(shè)計中，伸縮芯模具仍然采用的是常規(guī)模具的安裝方式（背裝方式）進(jìn)行設(shè)計。由于伸縮芯模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，背裝的難度較大、效率較低、維護(hù)成本較高。如圖7所示。

圖7 伸縮芯常規(guī)安裝圖

為將此技術(shù)推廣應(yīng)用到更多的內(nèi)螺紋制件產(chǎn)品，尤其是系列化的內(nèi)螺紋制件產(chǎn)品，我們對原有的設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化。首先我們把伸縮芯的關(guān)鍵部件抽離并小型化，然后將支持伸縮芯工作的固定件和從動件等部件與其進(jìn)行集成，使其成為可獨立完成伸縮內(nèi)抽工作的模塊化組件；然后按制件尺寸分系列將上述模塊組件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的安裝尺寸，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)模架，形成標(biāo)準(zhǔn)化庫，以便于同類模具的設(shè)計制造；同時輔以整體裝卸設(shè)計和正面裝卸設(shè)計便可以達(dá)到快速設(shè)計、快速制造、快速換模的目的，如圖8所示。

圖8 模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)圖

模塊劃分是模塊設(shè)計的第一步，模塊劃分是否合理，直接影響模塊化系統(tǒng)的功能、性能和成本，每一類產(chǎn)品的模塊劃分都必須經(jīng)過技術(shù)調(diào)研和反復(fù)論證才能得出合理的劃分結(jié)果。對于模具而言，功能模塊和結(jié)構(gòu)模塊是相互包容的，結(jié)構(gòu)模塊在局部范圍內(nèi)可有較大的結(jié)構(gòu)變化，因而它可以包含功能模塊，而功能模塊的局部結(jié)構(gòu)可能比較固定，它可以包含功能模塊，模具設(shè)計完成后，在3D軟件中自定義特征功能，定義模塊的可變參數(shù)，可變尺寸和裝配關(guān)系，形成自定義特征。系統(tǒng)通過輸入尺寸參數(shù)、精度特征、材料特征與裝配關(guān)系定義，驅(qū)動模型。

該模具結(jié)構(gòu)劃可以劃分出如下關(guān)鍵模塊化設(shè)計零件，如圖9所示（字母所示尺寸都為自定義尺寸）：

圖9 關(guān)鍵模塊化零件圖

4 制造工藝

模具制造的通用工藝流程一般如下：

備料→模架加工→模芯加工→電級類加工→模具組裝

模芯類零件是整個模具的核心部件。關(guān)鍵零件需要采用高硬材料以保證其強(qiáng)度和耐磨性，成型機(jī)工方式采用現(xiàn)有的工藝條件完全可以滿足。固定型芯的加工制造可先車外圓、線切外形、精磨達(dá)圖?；顒有托镜募庸ぶ圃炜上溶囃鈭A、線切大外形，再磨削斜導(dǎo)軌面。

該結(jié)構(gòu)本身對于制造工藝是沒有任何難點的，制造工藝性佳。按照慣例，須消除尖銳的內(nèi)角，以免應(yīng)力集中造成磨耗，并毀壞制件內(nèi)表面，可對制件進(jìn)行合金化工藝處理，以減少磨損或者獲得耐腐蝕性。預(yù)計制件運行100次后，會在制件內(nèi)表面出現(xiàn)雜質(zhì)沉淀，固在模具總裝之前，應(yīng)對制件進(jìn)行徹底的脫脂和清洗處理。所有常用的熱塑性塑料，包括帶填充料的塑料，均可成型作業(yè)在該結(jié)構(gòu)上。就制造工藝來說，是個絕對的低風(fēng)險投入。

5 結(jié)束語

該結(jié)構(gòu)經(jīng)過理論計算、建模仿真分析到最終的投入生產(chǎn)，實現(xiàn)了一次頂出即可完成脫模，實現(xiàn)了該類結(jié)構(gòu)的小型化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，降低了設(shè)計成本、制造成本和維護(hù)成本，從而提高了產(chǎn)品的競爭力。該結(jié)構(gòu)的內(nèi)部實現(xiàn)（可應(yīng)用三螺旋槽、內(nèi)螺紋、內(nèi)三頭螺紋、內(nèi)環(huán)形槽），驗證了該設(shè)計結(jié)構(gòu)合理、生產(chǎn)穩(wěn)定可靠高效，對于塑料件內(nèi)螺紋的模具成型結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個相對前沿的設(shè)計方式，對類似產(chǎn)品的模具設(shè)計方式也給出了一個良好的設(shè)計發(fā)展方向。