基于CATIA 參數(shù)化的環(huán)形金屬橡膠成型模具設(shè)計

陳磊 劉永超 劉永 張佳琪 張一

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

引言

金屬橡膠是一種新型均質(zhì)的彈性多孔材料，經(jīng)特殊的工藝方法將一定質(zhì)量、拉伸開、螺旋狀的金屬絲有序地排放在沖壓或碾壓模具中，通過沖壓成型的方法制成。[1]其內(nèi)部有很多孔洞，既呈現(xiàn)類似橡膠材料的彈性和阻尼性能，同時又保持金屬的優(yōu)異特性，俗稱金屬橡膠。由金屬絲作為原材料，使其具有耐高溫、高壓、高真空、超低溫的特點(diǎn)，且在空間環(huán)境下不揮發(fā)、不怕輻射和粒子的撞擊，選擇特殊的金屬絲還可以工作在腐蝕環(huán)境中，不產(chǎn)生老化現(xiàn)象，是一種使用范圍廣泛的新型高彈性、大阻尼材料。

因為環(huán)形金屬橡膠應(yīng)用場景豐富，所以減振器產(chǎn)品中金屬橡膠以環(huán)形金屬橡膠結(jié)構(gòu)形式為主。環(huán)形金屬橡膠外形尺寸如圖 1。其結(jié)構(gòu)尺寸分別為外徑D，內(nèi)徑d 和金屬橡膠厚度t。

隨著減振器產(chǎn)品化要求，環(huán)形金屬橡膠的內(nèi)徑d 主要和相應(yīng)螺栓外徑配合。目前常用的產(chǎn)品化金屬橡膠內(nèi)孔主要應(yīng)用于匹配M3～M12 之間的螺栓。本文探索一種通用的環(huán)形金屬橡膠模具的設(shè)計和管理方法，以適用于減振器產(chǎn)品化要求。

一、CATIA 參數(shù)化建模思想

參數(shù)化設(shè)計是隨著約束概念引入CAD 技術(shù)而出現(xiàn)的，常采用尺寸驅(qū)動的形式來實(shí)現(xiàn)，對零件上各種特征施加各種約束形式，各個特征的幾何形狀與尺寸大小用變量的方式來表示。

CATIA 是法國達(dá)索公司CAD/CAE/CAM 一體化軟件，在世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車等制造業(yè)。在航空航天的多個項目中，CATIA 被應(yīng)用于開發(fā)虛擬的原型機(jī)，其中包括Boeing 飛機(jī)公司（美國）的Boeing777 和Boeing737，Dassault 公司（法國）的陣風(fēng)（Rafale）戰(zhàn)斗機(jī)、Bombardier 飛機(jī)公司（加拿大）的Global Express 公務(wù)機(jī)、以及Lockheed Martin 飛機(jī)公司（美國）的Darkstar 無人駕駛偵察機(jī)。[1]

參數(shù)化建模關(guān)鍵是如何用實(shí)物的特征參數(shù)來自動控制和生成實(shí)物三維模型,而且特征參數(shù)發(fā)生改變能夠自動地反映到三維模型中。這一技術(shù)給機(jī)械產(chǎn)品中的標(biāo)準(zhǔn)件、常用件和系列化產(chǎn)品的設(shè)計帶來極大的便利。

二、模具設(shè)計思路

（一）總體思路

環(huán)形金屬橡膠模具結(jié)構(gòu)可分為環(huán)形金屬橡膠模具和盤形金屬橡膠模具，見圖 3。盤形金屬橡膠模具可以作為環(huán)形金屬橡膠模具的一種特殊結(jié)構(gòu)，即d=0 情況。

當(dāng)d≠0 時，模具結(jié)構(gòu)形式為圖2，主要包括底座、中心桿、陰模、陽模、壓桿，其中：

底座作用是限位陰模和中心桿，其頂面在壓制過程用于金屬橡膠下底面成型。

中心桿作用是其外徑用于金屬橡膠內(nèi)徑d 成型。

陰模作用是其內(nèi)徑用于金屬橡膠外徑D 成型。

陽模作用是通過在陰模的滑動，其底面在壓制過程用于金屬橡膠上底面成型。

壓桿作用是傳遞壓力機(jī)壓力給陽模，使得陽模在陰模中向下滑動，壓制金屬橡膠毛坯成型金屬橡膠。

當(dāng)d=0 時，模具結(jié)構(gòu)主要包括底座、陰模、陽模、壓桿:

因為沒有孔，所以沒有了中心桿，同時底座、陽模、壓桿等零件的中心孔也沒有了，而陰模結(jié)構(gòu)保持不變。

（二）模具配合關(guān)系

1.底座

底座凸臺外徑和陰模內(nèi)徑為滑動配合；

底座內(nèi)孔（d≠0）和中心桿外徑為滑動配合。

2.中心桿（d≠0）

中心桿外徑和底座內(nèi)孔為滑動配合；

中心桿外徑和陽模內(nèi)孔為滑動配合；

中心桿外徑和壓桿內(nèi)徑外間隙配合。

3.陰模

陰模內(nèi)徑和底座凸臺外徑為滑動配合；

陰模內(nèi)徑和陽模外徑為滑動配合；

陰模內(nèi)徑和壓桿外徑為間隙配合。

4.陽模

陽模內(nèi)徑和中心桿外徑（d≠0）為滑動配合；

陽模外徑和陰模內(nèi)徑為滑動配合。

5.壓桿

壓桿內(nèi)徑和中心桿外徑（d≠0）為間隙配合；

壓桿外徑和陰模內(nèi)徑為間隙配合。

三、CATIA 參數(shù)化建模實(shí)施

（一）CATIA 參數(shù)化建模規(guī)則確定

參數(shù)化設(shè)計的思路是將模具中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行梳理，將這些關(guān)鍵參數(shù)建立一定的規(guī)則，從而達(dá)到改變這些參數(shù)后模型會隨之更改的目的。

根據(jù)確定的原則，確定規(guī)則，建立參數(shù)化設(shè)計模型。圖3 圖2 為模具參數(shù)化設(shè)計思路圖。根據(jù)經(jīng)驗，本文中主要的輸入?yún)?shù)是金屬橡膠的外形尺寸，即外徑D，內(nèi)徑d 和厚度t，其中H、a、b 為按照經(jīng)驗給定的尺寸。

設(shè)計過程中各參數(shù)間要主要滿足兩個關(guān)系：

1.中心桿的長度≥* MERGEFORMAT 底座厚度a+陰模高度H，本文設(shè)定為H+3a，這樣在壓制金屬橡膠毛坯過程中，毛坯才能充分利用陰模高度空間；

2.壓桿長度≥* MERGEFORMAT 壓桿高度（H+3a）-陽模厚度(3a)-底座總高度(3a)≥* MERGEFORMATH-3a,以免壓力機(jī)和中心桿干涉，陽模不再向下，金屬橡膠厚度尺寸t 不能滿足。

（二）CATIA 參數(shù)化建模

根據(jù)3.1 中確定的規(guī)則在CATIA 中進(jìn)行模具裝配體參數(shù)化建模，然后將模具參數(shù)和模具表關(guān)聯(lián)，通過Excel 表格對模具參數(shù)進(jìn)行管理。如圖4,選擇表格中的一行，模具會以此行參數(shù)建立模型。點(diǎn)選編輯表按鈕即彈出Excel 表，其中Excel 表格中相應(yīng)的參數(shù)和CATIA 模具表配置行對話框以及CATIA 模型樹中的參數(shù)相對應(yīng)。在Excel 表中增加一行新的參數(shù)，即創(chuàng)建一個新的模具。更改模具參數(shù)，即實(shí)現(xiàn)模具的更改。

四、總結(jié)與展望

CATIA 參數(shù)化設(shè)計方法已經(jīng)應(yīng)用于環(huán)形金屬橡膠模具設(shè)計中。通過此方法生產(chǎn)的模具大部分產(chǎn)品需求，模具壓制的金屬橡膠產(chǎn)品均符合質(zhì)量要求。

該設(shè)計方法很好的利用了模具中各零件的相互關(guān)系，從而保證模具設(shè)計的可應(yīng)用性。

該設(shè)計方法保證了模具的通用性，避免了模具重復(fù)加工生產(chǎn)造成的成本和時間浪費(fèi)。

通過CATIA 參數(shù)化建模，實(shí)現(xiàn)了模具設(shè)計的自動化，極大提高了設(shè)計效率和準(zhǔn)確性。

后續(xù)當(dāng)結(jié)合金屬橡膠壓制過程施加恒定力情況下模具受力情況對模具進(jìn)行CAE 參數(shù)化仿真，以尋求最佳設(shè)計方案。