帶圓弧結(jié)構(gòu)模具抽芯機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真

劉少春

摘 要：針對帶圓弧結(jié)構(gòu)模具體積的減小、制造成本的降低、工藝操作的簡化，利用斜導(dǎo)柱驅(qū)動方式設(shè)計了一種新穎的圓弧抽芯機構(gòu)。深入分析了大圓弧角模具抽芯結(jié)構(gòu)的功能特征與結(jié)構(gòu)需求，設(shè)計基于斜導(dǎo)柱抽芯機構(gòu)將驅(qū)動機構(gòu)的直線運動轉(zhuǎn)換為圓弧運動，從而完成抽芯動作。利用ProE Mechanism運動仿真模塊仿真分析了模具抽芯機構(gòu)的運動軌跡，獲得了滑動運動軌跡包絡(luò)面；基于運動軌跡包絡(luò)面上設(shè)計出相應(yīng)的滑塊導(dǎo)槽孔，以保證斜導(dǎo)柱與滑塊之間的運動匹配。經(jīng)運動仿真驗證，圓弧拉芯機構(gòu)不存在動態(tài)體積干涉和可實現(xiàn)良好的間隙配合，配合間隙為單邊2mm；基于該方法所開發(fā)的模具已經(jīng)獲得了生產(chǎn)驗證，取得了良好的效果，具有較好的推廣價值。

關(guān)鍵詞：圓弧抽芯；運動仿真；包絡(luò)面；斜導(dǎo)柱；水龍頭

中圖分類號：TG76 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）35-0061-04

Abstract： In order to decrease the volume， reduce the manufacturing cost and simply the process of mould with arc structure， a novel arc core-pulling mechanism has been designed based on the driving of angle pin. The functional and structural characteristics are analyzed. The linear motion is changed into arc motion by the angle pin， by which the core-pulling process can be realized. The motion trajectory of core-pulling mechanism is studied through the simulation module of ProE Mechanism software， and then the enveloping surface is gain. The guide hole is designed based on enveloping surface， by which the motion matching between angle pin and slider is achieved. The dynamic volume interferences of arc core-pulling mechanism avoided. The gap fitness is 2mm and has good gap matching. The mould that designed through the novel designing method is validated by the producing process and achieved excellent results. This novel method has good significance for popularization.

Keywords： arc core-pulling mechanism； dynamic simulation； envelope； angle pin； faucet

1 概述

圓弧形空腔零件加工模具需要利用回轉(zhuǎn)抽芯作為模具抽芯機構(gòu)，以將直線運動轉(zhuǎn)換為圓弧運動，從而完成圓弧抽芯的目的[1-3]。現(xiàn)有模具回轉(zhuǎn)抽芯主要有齒輪齒條圓弧抽芯、液壓連桿機構(gòu)及氣動曲柄滑塊機構(gòu)等[4-6]。但采用齒輪齒條、液壓連桿或氣動曲柄滑塊，都存大模具體積大、成本高、實際生產(chǎn)操作不方便等缺點。基于運動仿真的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，已經(jīng)成為目前連接機構(gòu)設(shè)計與功能提升的關(guān)鍵技術(shù)，在多種機械系統(tǒng)中已經(jīng)得到了應(yīng)用[7-10]。簡化模具結(jié)構(gòu)、優(yōu)化操作工藝、提高生產(chǎn)效率，已經(jīng)為圓弧形空腔零件生產(chǎn)高效生產(chǎn)的核心。

針對水龍頭典型圓弧形空腔零件模具的開發(fā)，利用斜導(dǎo)柱驅(qū)動開發(fā)了圓弧抽芯機構(gòu)，基于ProE軟件完成圓弧抽芯機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動仿真，完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化和生產(chǎn)驗證。

2 水龍頭典型圓弧形空腔零件特點分析

水龍頭等金屬圓弧形空腔仍主要采用鑄模生產(chǎn)，模具開發(fā)成為產(chǎn)品開發(fā)的核心。圓弧水龍頭產(chǎn)品外形及結(jié)構(gòu)尺寸，如圖1所示。圓弧形水龍頭材質(zhì)為鋅合金，壁厚約2mm、長333mm、寬203mm、圓弧結(jié)構(gòu)圓弧角105°。大角度圓弧抽芯機構(gòu)成為了模具設(shè)計的最大難點，針對大角度圓弧零件橫具抽芯機構(gòu)的設(shè)計開展研究。

3 圓弧抽芯機構(gòu)的設(shè)計

3.1 圓弧抽芯結(jié)構(gòu)正常工作運動軌跡

圓弧抽芯傳動機械的主要功能是將驅(qū)動機構(gòu)的直線運動轉(zhuǎn)換為圓弧運動，完成圓弧型模具的抽芯功能，有助于減少弧形或圓周運動機構(gòu)。定義相關(guān)運動零件的軌跡：a.斜導(dǎo)柱2隨定模板1做直線運動，行程：398mm；b.滑塊4圍繞銷釘3做圓周運動，逆時針轉(zhuǎn)動角度105度；c.斜導(dǎo)柱2與定模板1成55度夾角。其中，斜導(dǎo)柱2在滑塊4中導(dǎo)槽內(nèi)表面滑動，滑塊4中的導(dǎo)槽形狀為空間異形孔。為保證抽芯動作的順利執(zhí)行，運動部件需要與導(dǎo)槽形狀緊密配合，開展運動仿真明確斜導(dǎo)柱4運動特征成為導(dǎo)槽形狀中空間異形孔設(shè)計的重點，也是圓弧抽芯機構(gòu)正常工作的關(guān)鍵。帶有圓弧抽芯機構(gòu)的水龍頭模具如圖2所示。

3.2 滑塊導(dǎo)槽孔設(shè)計

滑塊導(dǎo)槽孔為空間結(jié)構(gòu)的異形孔，以確保斜導(dǎo)柱與滑塊之間結(jié)構(gòu)的良好配合和運動的順利執(zhí)行。為了獲得導(dǎo)槽孔的空間結(jié)構(gòu)與表面輪廓，利用ProE Mechanism運動仿真模塊進行動態(tài)軌跡仿真，通過對滑塊動態(tài)運動過程軌跡的分析可獲得導(dǎo)槽孔的立體結(jié)構(gòu)。endprint

為更好實驗相對各位運動部件之間的匹配，需要根據(jù)滑動運動軌跡的包絡(luò)范圍進行優(yōu)化。根據(jù)所設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)，在ProE Mechanism構(gòu)造了如圖3所示機械運動仿真模型。在運動模型中假定滑塊4和動模5靜止不動，定模1和斜導(dǎo)柱2之間剛性連接，定模1與銷釘3建立圓柱自由度連接，滑塊4和斜導(dǎo)柱2采用槽連接。仿真模型中確定了定模1、斜導(dǎo)柱2及銷釘3上述運動連接關(guān)系。為實現(xiàn)開模、合模整個運動周期的仿真，將定模1與銷釘3建立圓柱自由度連接關(guān)系中的圓周自由度定義為伺服電機。伺服電機周期轉(zhuǎn)動角度隨仿真時間變化的曲線圖，如圖4所示。

增加運動仿真幀頻有助于獲得滑塊運動軌跡的光滑包絡(luò)面，提高導(dǎo)槽孔的立體結(jié)構(gòu)設(shè)計的精度。經(jīng)過前期仿真分析可知，仿真幀頻設(shè)為500～1000fps既可以保證仿真結(jié)果的精度，也可以確證仿真運算的速度。對運動軌跡的仿真結(jié)果進行包絡(luò)分析，可獲得如圖5所示的運動軌跡包絡(luò)面即導(dǎo)槽孔的立體結(jié)構(gòu)的外輪廓。

基于仿真結(jié)果運動軌跡包絡(luò)面可以切出滑塊4上的導(dǎo)槽孔，獲得與軌跡包絡(luò)面相匹配的導(dǎo)槽孔的三角面（如圖6A）。運動軌跡包絡(luò)線受仿真步長與數(shù)據(jù)誤差的限制，基于包絡(luò)面直接獲得的導(dǎo)槽孔表面粗糙，不能直接用于機構(gòu)加工與運動匹配控制。對導(dǎo)槽孔表面進行光滑處理，以便于后續(xù)的機構(gòu)加工；使用UG軟件可將導(dǎo)槽孔小型模型轉(zhuǎn)化為光滑曲面，如圖6B所示。因為動態(tài)仿真包絡(luò)出的曲面為零間隙配合，為保證實際加工和裝配，需要設(shè)計合理的配合間隙，水龍頭模具配合間隙為單邊2mm。

圖4 伺服電機周期內(nèi)轉(zhuǎn)動角度隨時間變化曲線

Fig. 4. The relationship between rotation degree and time in a period of servo motor motion.

圖5 斜導(dǎo)柱相對運動周期內(nèi)的包絡(luò)面形狀

Fig. 5. The envelope of angle pin relative motion in the motion period.

A斜導(dǎo)柱包絡(luò)面與滑塊的位置關(guān)系

A The relative position relationship between the envelope of angle pin and the slider block

B 經(jīng)光滑處理被包絡(luò)面切割的滑塊內(nèi)孔面

B The inside hole of slider block under the envelope after smoothing process

圖6 基于運動軌跡包絡(luò)面的導(dǎo)槽孔設(shè)計

Fig. 6.The design of guidance groove based on the motion envelope.

3.3 導(dǎo)槽孔虛擬裝配干涉檢查與實驗驗證

為了從理論上驗證裝配關(guān)系是否存在干涉，利用ProE Mechanism運動仿真模塊定義工作運動軌跡；在運動周期內(nèi)動態(tài)監(jiān)測滑塊4和斜導(dǎo)柱2是否存在體積干涉，保證模具使用過程的順行執(zhí)行無體積干涉。

基于仿真設(shè)計完成了水龍頭模具的制作，并在實際生產(chǎn)中進行了試驗，并獲得了良好的效果。試模過程中一次試模成功，獲得了良好的經(jīng)濟效益。實際生產(chǎn)模具如圖7所示。

圖7 應(yīng)用實際生產(chǎn)的圓弧抽芯模具

Fig. 7. The industrial arc core-pulling mechanism

4 結(jié)束語

本文引入圓弧抽芯機構(gòu)，以水龍頭作為典型對象研究了帶圓弧形結(jié)構(gòu)模具的開發(fā)；圓弧抽芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以有效地克服傳統(tǒng)弧運動機構(gòu)體積大、操作復(fù)雜等缺點，對于簡化模具結(jié)構(gòu)、降低加工制造成本、優(yōu)化加工工藝；創(chuàng)新性地設(shè)計斜導(dǎo)柱圓弧抽芯機構(gòu)，實現(xiàn)圓弧抽芯動作，利用PROE Mechanism完成了模具圓弧抽芯結(jié)構(gòu)的運動仿真，驗證機構(gòu)設(shè)計的合理與準確；通過仿真結(jié)果繪制了滑塊運動軌跡包絡(luò)面，完成了導(dǎo)槽孔異形空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計，優(yōu)化了空間結(jié)構(gòu)完成了光滑導(dǎo)槽的立體設(shè)計，并完成了生產(chǎn)實際驗證。針對圓弧抽芯結(jié)構(gòu)模具設(shè)計的方法，具有良好的推廣價值。

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