带圆弧结构模具抽芯机构的结构设计及运动仿真.doc

带圆弧结构模具抽芯机构的结构设计及运动仿真 刘少春 九牧厨卫股份有限公司 摘 要： 针对带圆弧结构模具体积的减小、制造成本的降低、工艺操作的简化, 利用斜导柱驱动方式设计了一种新颖的圆弧抽芯机构深入分析了大圆弧角模具抽芯结构的功能特征与结构需求, 设计基于斜导柱抽芯机构将驱动机构的直线运动转换为圆弧运动, 从而完成抽芯动作利用 Pro E Mechanism 运动仿真模块仿真分析了模具抽芯机构的运动轨迹, 获得了滑动运动轨迹包络面;基于运动轨迹包络面上设计出相应的滑块导槽孔, 以保证斜导柱与滑块之间的运动匹配经运动仿真验证, 圆弧拉芯机构不存在动态体积干涉和可实现良好的间隙配合, 配合间隙为单边 2mm;基于该方法所开发的模具已经获得了生产验证, 取得了良好的效果, 具有较好的推广价值关键词： 圆弧抽芯; 运动仿真; 包络面; 斜导柱; 水龙头; 作者简介：刘少春 (1975, 12-) , 男, 民族:汉, 籍贯:江西宜春, 学历 (学位) :硕士, 职称/职务:CAE 工程师, 研究方向:数值模拟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 Pro E 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 2 mm 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 signifi-cance for popularization.Keyword： arc core-pulling mechanism; dynamic simulation; envelope; angle pin; faucet; 1 概述圆弧形空腔零件加工模具需要利用回转抽芯作为模具抽芯机构, 以将直线运动转换为圆弧运动, 从而完成圆弧抽芯的目的[1-3]。

现有模具回转抽芯主要有齿轮齿条圆弧抽芯、液压连杆机构及气动曲柄滑块机构等[4-6]但采用齿轮齿条、液压连杆或气动曲柄滑块, 都存大模具体积大、成本高、实际生产操作不方便等缺点基于运动仿真的结构优化, 已经成为目前连接机构设计与功能提升的关键技术, 在多种机械系统中已经得到了应用[7-10]简化模具结构、优化操作工艺、提高生产效率, 已经为圆弧形空腔零件生产高效生产的核心针对水龙头典型圆弧形空腔零件模具的开发, 利用斜导柱驱动开发了圆弧抽芯机构, 基于 Pro E 软件完成圆弧抽芯机构的结构设计与运动仿真, 完成结构优化和生产验证2 水龙头典型圆弧形空腔零件特点分析水龙头等金属圆弧形空腔仍主要采用铸模生产, 模具开发成为产品开发的核心圆弧水龙头产品外形及结构尺寸, 如图 1 所示圆弧形水龙头材质为锌合金, 壁厚约 2mm、长 333mm、宽 203mm、圆弧结构圆弧角 105°大角度圆弧抽芯机构成为了模具设计的最大难点, 针对大角度圆弧零件横具抽芯机构的设计开展研究3 圆弧抽芯机构的设计3.1 圆弧抽芯结构正常工作运动轨迹圆弧抽芯传动机械的主要功能是将驱动机构的直线运动转换为圆弧运动, 完成圆弧型模具的抽芯功能, 有助于减少弧形或圆周运动机构。

定义相关运动零件的轨迹:a.斜导柱 2 随定模板 1 做直线运动, 行程:398mm;b.滑块 4 围绕销钉 3做圆周运动, 逆时针转动角度 105 度;c.斜导柱 2 与定模板 1 成 55 度夹角其中, 斜导柱 2 在滑块 4 中导槽内表面滑动, 滑块 4 中的导槽形状为空间异形孔为保证抽芯动作的顺利执行, 运动部件需要与导槽形状紧密配合, 开展运动仿真明确斜导柱 4 运动特征成为导槽形状中空间异形孔设计的重点, 也是圆弧抽芯机构正常工作的关键带有圆弧抽芯机构的水龙头模具如图 2 所示图 1 圆弧形水龙头产品结构图 Fig.1 The structure diagram of arc faucet body 下载原图3.2 滑块导槽孔设计滑块导槽孔为空间结构的异形孔, 以确保斜导柱与滑块之间结构的良好配合和运动的顺利执行为了获得导槽孔的空间结构与表面轮廓, 利用 Pro E Mechanism 运动仿真模块进行动态轨迹仿真, 通过对滑块动态运动过程轨迹的分析可获得导槽孔的立体结构为更好实验相对各位运动部件之间的匹配, 需要根据滑动运动轨迹的包络范围进行优化根据所设计的模具结构, 在 Pro E Mechanism 构造了如图 3 所示机械运动仿真模型。

在运动模型中假定滑块 4 和动模 5 静止不动, 定模 1 和斜导柱 2 之间刚性连接, 定模 1 与销钉 3 建立圆柱自由度连接, 滑块 4 和斜导柱 2采用槽连接仿真模型中确定了定模 1、斜导柱 2 及销钉 3 上述运动连接关系为实现开模、合模整个运动周期 1.定模;2.斜导柱;3.销钉;4.滑块;5.动模的仿真, 将定模 1 与销钉 3 建立圆柱自由度连接关系中的圆周自由度定义为伺服电机伺服电机周期转动角度随仿真时间变化的曲线图, 如图 4 所示图 2 带圆弧抽芯结构的模具结构设计 Fig.2 Mould Design with Arc Structure 下载原图1.定模;2.斜导柱;3.销钉;4.滑块;5.动模 1.Stationary mould;2.Angle pin;3.Dowel pin;4.Slide block;5.Movable mould图 3 斜导柱相对运动仿真模型与运动示意图 Fig.3 Relative motion simulation model and schematic diagram of angle pin motion 下载原图增加运动仿真帧频有助于获得滑块运动轨迹的光滑包络面, 提高导槽孔的立体结构设计的精度。

经过前期仿真分析可知, 仿真帧频设为 500~1000fps 既可以保证仿真结果的精度, 也可以确证仿真运算的速度对运动轨迹的仿真结果进行包络分析, 可获得如图 5 所示的运动轨迹包络面即导槽孔的立体结构的外轮廓基于仿真结果运动轨迹包络面可以切出滑块 4 上的导槽孔, 获得与轨迹包络面相匹配的导槽孔的三角面 (如图 6A) 运动轨迹包络线受仿真步长与数据误差的限制, 基于包络面直接获得的导槽孔表面粗糙, 不能直接用于机构加工与运动匹配控制对导槽孔表面进行光滑处理, 以便于后续的机构加工;使用 UG 软件可将导槽孔小型模型转化为光滑曲面, 如图 6B 所示因为动态仿真包络出的曲面为零间隙配合, 为保证实际加工和装配, 需要设计合理的配合间隙, 水龙头模具配合间隙为单边 2mm图 4 伺服电机周期内转动角度随时间变化曲线 Fig.4.The relationship between rotation degree and time in a period of servo motor motion. 下载原图图 5 斜导柱相对运动周期内的包络面形状 Fig.5.The envelope of angle pin relative motion in the motion period. 下载原图图 6 基于运动轨迹包络面的导槽孔设计 Fig.6.The design of guidance groove based on the motion envelope. 下载原图3.3 导槽孔虚拟装配干涉检查与实验验证为了从理论上验证装配关系是否存在干涉, 利用 Pro E Mechanism 运动仿真模块定义工作运动轨迹;在运动周期内动态监测滑块 4 和斜导柱 2 是否存在体积干涉, 保证模具使用过程的顺行执行无体积干涉。

基于仿真设计完成了水龙头模具的制作, 并在实际生产中进行了试验, 并获得了良好的效果试模过程中一次试模成功, 获得了良好的经济效益实际生产模具如图 7 所示图 7 应用实际生产的圆弧抽芯模具 Fig.7.The industrial arc core-pulling mechanism 下载原图4 结束语本文引入圆弧抽芯机构, 以水龙头作为典型对象研究了带圆弧形结构模具的开发;圆弧抽芯结构的设计可以有效地克服传统弧运动机构体积大、操作复杂等缺点, 对于简化模具结构、降低加工制造成本、优化加工工艺;创新性地设计斜导柱圆弧抽芯机构, 实现圆弧抽芯动作, 利用 PROE Mechanism 完成了模具圆弧抽芯结构的运动仿真, 验证机构设计的合理与准确;通过仿真结果绘制了滑块运动轨迹包络面, 完成了导槽孔异形空间结构的设计, 优化了空间结构完成了光滑导槽的立体设计, 并完成了生产实际验证针对圆弧抽芯结构模具设计的方法, 具有良好的推广价值参考文献[1]赵桂丰, 杨林, 吴琳, 等.塑料水龙头壳体模具设计[J].塑料工业, 2008, 36 (S1) :143-145. [2]陈怀民.淋浴花洒本体圆弧抽芯机构及模具设计[J].福建工程学院学报, 2010, 8 (01) :48-51. [3]杨晨朝, 刘壮, 高长水, 等.基于 UG 的注塑模具工程图自动生成技术研究[J].机械设计与制造工程, 2017, 46 (06) :25-28. [4]黄力.斜导柱圆弧抽芯注射模设计[J].模具制造, 2011, 11 (04) :44-45. [5]顾正央, 朱兵.螺旋形斜导柱滑块抽芯机构的设计[J].模具工业, 2002 (03) :40-42. [6]刘赣华, 张振铎, 王霞, 等.从动螺旋锥齿轮双锥辊辗压成形模具应力分析[J].机械设计与制造, 2017 (06) :221-224. [7]王东立, 梁宏斌.FDM 在模具制造中精度及强度的研究[J].机械设计与制造, 2016 (01) :112-114. [8]何国修, 王霜.基于 PROE 的内锥齿轮建模与分析[J].机械设计与制造, 2012 (04) :227-229. [9]许耀东, 宋超.基于 Pro E 嵌入式圆柱坐标工作台装配设计及运动仿真[。