模具设计论文范文

1转轴孔的定模滑块侧抽芯设计

手机翻盖通过转轴实现，转轴孔与模具的脱模方向垂直，其成型必须进行侧面抽芯，由于此处位置狭小，结构上受到种种限制，脱模较为困难。合理的侧抽芯机构设计应在使转轴孔可以顺利抽芯脱出并保证塑件成型生产效率的前提下，尽量简化模具结构，降低加工难度，便于日后的注射生产和模具维护脱模［4］。在总结同类产品模具设计经验的基础上，考虑采用斜导柱驱动的定模滑块内侧抽芯机构来成型转轴孔并完成脱模，由2个滑块分别成型相对的转轴孔，中间共用1个楔紧块，如图3所示。开模时，由于橡胶型面分型，楔紧块21由2个M6×12的沉头螺钉固定在面板上，而滑块6、滑块18和压条33、34随A板19往动模侧移动，开模力通过斜导柱4作用在滑块上，迫使滑块6、滑块18分别沿着楔紧块的2个斜面以及压条和模板形成的导滑槽往内往下运动，直到小拉杆23限位A板，从而完成转轴孔的侧抽芯过程。

2搭扣的侧抽芯设计

该手机外壳共有7个内扣，采用斜顶机构成型并脱模。斜顶也叫斜销、斜方，是利用顶针板顶出的垂直运动转换成水平运动以处理制品内部倒扣的机构，主要由斜顶本体和固定部分组成。斜顶角度、针板顶出行程和倒扣水平脱模距离之间的关系如图4所示。斜顶角度和顶针板顶出行程的确定应以保证倒扣水平脱模为依据。模具成型零部件结构如图5所示，其中内凹搭扣的斜顶1如图6所示。由于斜顶较小，斜顶单边开槽单边导滑。手机外壳共有外侧搭扣5个，加上外侧转轴孔均须滑块外侧抽芯机构成型。搭扣的侧抽芯排布如图7所示，共设有3个动模滑块机构。由于扣位尺寸较小，采用滑块镶针成型方便加工和维修，用螺钉将滑块镶针固定在滑块上。

3顶针和模仁设计

手机外壳底面筋位骨位窄细并纵横交错，适合用扁顶针。顶针和斜顶的分布集中于手机外壳边缘处，为了便于型芯模仁的加工、装配与维修，采用镶块式的组合式型芯模仁，如图8所示。这样既能简化加工过程，缩短加工时间，又有利于排气。

4模具整体设计

手机外壳模具整体成型零部件结构如图5所示，2D总装图如图3(a)所示。高温熔体注射入型腔后，经过保压冷却，模具首先在A分型面分模，取出浇注系统废料并完成2个内侧转轴孔定模滑块的侧抽芯，由图3(a)中小拉杆23限制分模距离。接着模具在B分型面分模，完成图5中滑块3、滑块4、滑块5动模滑块的侧抽芯，由图3(a)中固定在面板上的限位板32和限位螺钉31控制分型距离后，顶出机构顶针和斜顶开始动作，完成内扣的侧抽芯并将产品推离型芯完成脱模过程。合模时，顶出机构由复位杆10和弹簧复位。

1模具总装结构及工作过程

1.1模具总装结构

此不锈钢壳体零件要求实现上下边同时压边，定位准确，模具设计为上、下模与内、外滑块相结合的结构，具有制造精度高、成型快速等特点。模具的总装结构如图2所示，主要机构有上下模板、内腔滑块、外滑块和驱动块等。

1.2模具工作过程

首先进行模具与200t油压机安装连接调试运行，确定油压机最佳工作参数。开机启动后，上模块和下模块分别往上、下移动，打开模具；同时模具的内腔滑块组件向里打开，外滑块组件向外打开，将需压边的外壳放入内、外滑块之间。启动操作按钮，下模块向上顶出到固定位置，同时上模块整组向下移动，当上模块移动到外腔滑块整组“C”处，上模压住外腔中滑块向里打开。同时导柱向下移动到“F”处，压住内腔滑块整组向外打开，将外壳的中间部份压紧固定住，避免外壳在冲压成型状态下滑动，造成起皱；并将壳体的中间部份按所需尺寸成型完整。上模块继续向下移动，压住外腔上滑块“D”与外腔下滑块“E”处时，外腔上滑块与外腔下滑块同时向里打开，将外壳两端的边完整成型出，尺寸稳定，拐弯处成型不起皱，两端面成型后平滑，高度一致。成型完成后，上模与下模分别向上，下移动打开模具，同时内腔滑块向里收，外滑块向外收，一个成型加工周期完成，取出成型完好的壳体，取出工件。

2模具设计要点及注意的问题

模具设计时内腔滑块与外滑块的移动行程够大，上、下模打开后的间距也应满足需要，便于拿取工件；内腔滑块组件的间隙不能够太小或者太大，内滑块间配合角度不宜小于95°；滑块的强度、耐摩损度、脱模斜度需要设计合理。模具运动机构的设计要便于维护与保养。

3结束语

一、模具设计的相关概念界定

（一）模具设计各行各业都有相关的工作人员，他们的主要任务就是模具设计。采用数字化的设计手段，工作对象包括型腔模和冷冲模，在充分利用数字化设计工具的基础上，对传统模具进行设计改造，目标就在于提高模具设计的质量，缩短模具设计耗费的周期。

（二）模具设计的步骤首先在设计之前为了确保设计图纸的正确性，通常要对所设计模具的产品进行全面的可行性分析，即工作中设计者所说的套图，确定重点部位的尺寸。其次在分析产品图纸之后，具体构思模具的内部结构、工作程序的编排、确定各个工序之间的冲工内容，以及采用何种软件。这样在绘制模具图中将节省很多时间。然后就是根据产品的展开图纸进行准备材料，然后就可以全面地进入模具图的绘制在工作，再制一份备料图纸出来，进行各组件的绘制。最后对模具的设计图纸进行仔细地校对，确保各模板与孔位是否一致性，以及折弯位置的上下模是否正确的间隙配合。

二、模具设计技术应用

（一）模具设计的造型特点与传统的机械设计不同,在专业化要求上，模具设计有它自身的特点,主要体现在三个方面:第一、从模具生产的范围上看，模具主要用于批量化的大规模生产，因此，模具主要用于加工一些形体复杂的零件。第二、从模具产品的要求上看，模具的几何设计必须符合零部件描述的的所有细节结构,甚至包括产品的浮雕等表面细节结构；第三、从模具的生产手段要求上看，3D模型的修复技术以及CAD系统必须有良好的数据结口的要求也越来越高，才能不断的满足模具型腔结构必须有的拔模模角及必要的圆弧过度。

（二）模具设计的应用范围根据模具的定义，从模具的适用范围上，我们可以把模具设计的应用范围分为两大类，一类是工业装备制造部门及使用部门，比如机械制造、汽车制造、轻工业、家电组装、石油化工、电力设施等；另一类是零件及模具，比如航空发动机关键耐磨件、汽车发动机凸轮轴热挤压模具、轧辊、温挤压膜具、轧钢滚动导卫、热锻摸等。

三、模具设计技术的发展趋势

（一）多集成趋势。现在社会的发展，现代化模具的制造应该打破传统的只重视信息的搜集的发展模式，更应该把技术使用、人力资源和管理技术的引用都囊括在内，多集成趋势越来越明显。多集成概念还表现在学科功能上，模具设计不仅仅要用到最基础的机械科学理论，而且还会用到电磁学、光学以及控制理论等。

1胶塞的模具设计特点及要求

从几类胶塞的结构及用途可以看出，胶塞生产具有批量大、尺寸要求严格及有洁净和生物安全性要求的特点，针对这几个特点，在胶塞模具设计时必须考虑以下几点：（1）胶塞属于大批量生产的模型制品，因为多腔模具生产效率高且能满足生产需求，所以，模具设计时必须是多腔模具，设计模具时尽量占满整个热板。模具型腔之间的间距一般与产品尺寸保持+3.5～4mm，型腔呈交错排列。（2）胶塞尺寸要求严格，模具型腔及模具大板必须采用精密的加工技术才能满足尺寸精度要求。模具型腔芯（简称模芯）与模具大板分别加工，然后镶嵌在一起。（3）胶塞有洁净和生物安全要求，硫化完成后的胶片，不宜采用撕边和冷冻除边工艺，否则剩余胶丝和胶粉末会因清洗困难而影响生物安全性。目前，通常采用连片硫化生产（分模边厚度0.6～1.2mm）进而采用冷冲切工艺，一次性切除分模边，不留胶丝毛刺。（4）胶塞为含胶率高的纯胶制品，所用胶料卤化丁基胶及其他胶种必须采用抽真空平板硫化机或注射抽真空硫化机来生产，对硫化设备要求高，且必须为抽真空设备。（5）由于胶塞尺寸的严格性，化胶塞的面压大于普通的橡胶制品，一般在100kg/cm2以上（普通橡胶制品为50kg/cm2左右）。（6）硫化模具除采用多腔设计外，由于冲切工艺的限制，多腔排布需要再分割冲切分区。（7）硫化前的半成品采用薄胶片进行整模具覆盖，对半成品尺寸及重量要求严格（长宽尺寸误差±1mm，厚度误差±0.1mm，重量误差±5g）。（8）由于采用连片生产，半成品胶片精度高，一般只在模具大板周边设计溢胶槽。（9）胶料的收缩率通常根据胶种不同、含胶率不同、配方不同、硫化条件不同，将根据实验实际测定后确定，经验值一般在1.8%～2.8%之间。（10）模具定位通常采用4个定位销定位，模具固定在硫化机热板上，硫化机采用大开档结构，便于放入和取出胶片。（11）为了提高效率，硫化机热板尽量采用大台面、大吨位的平板硫化机。硫化模具尺寸变大，模具加工困难也相应增大。目前我公司的胶塞模具尺寸达到1300mm×600mm×100mm的模腔数量多达2352腔/模。

2胶塞模具的结构组成及加工方法

根据以上胶塞模具的特点进而可以设计出胶塞模具的结构，通常胶塞模具均采用二开模、多腔镶芯技术。模具由上模具大板、上模芯、下模具大板、下模芯、定位销及定位套组成。

2.1上模具大板与下模具大板上模具大板的典型结构如图8所示，下模具大板的典型结构如图9所示。上模具大板与下模具大板的主要功用是固定和连接上模芯与下模芯，它们与上下模芯之间通常采用H6/k5配合。上模具大板通常设分区线，目的是便于硫化后分片和冲切。下模具大板内腔设预留分模边，分模边的厚薄将根据胶料硫化时的流动特性来确定，通常为0.5～1mm。下模具大板周边设溢胶槽，满足半成品重量误差需求，生产合格产品。上模具大板与下模具大板将根据不同直径形状及厚度的产品，选用不同排布形式与厚度，排布形式有直排型和交错排列型，在同样模板面积上，交错排列型的生产效率比直排型提高7.5%，因此只要结构允许，应尽量采用交错排列形式。上下模具大板的加工通常采用坐标镗床或加工中心一次完成上下模具大板坐标孔的加工。

2.2上模芯与下模芯上模芯典型结构如图10所示，下模芯结构如图11所示。上下模芯是胶塞硫化成型最关键的部件，它的加工质量直接影响到产品质量。胶塞模具是多腔模具，模芯数量巨大，目前我公司腔数最多的可达2352腔/模，因此模芯的一致性要求很高，对于简单型腔的产品，一般采用数控车床生产，而对于复杂型腔的产品除采用数控车床加工外，还必须辅以电火花等加工方法来完成其加工，还有个别型腔复杂的产品采用镶嵌法生产，但质量和一致性很难保证。

2.3定位销与定位套定位销与定位套的结构如图12所示，由于多腔模具的特殊性，通常1套模具一般只有4对定位销与定位套对上下模具进行定位，上下大板的定位套与定位销孔通常在坐标镗床或加工中心与模芯孔一次加工完成，定位销、定位套与大板采用H7/n6配合，销与套之间采用H7/g6配合。

3胶塞模具装配与使用过程的常见问题与处理方法

1材料及工艺参数

在现有Al－Si系合金的基础上，通过优化合金成分设计和组织设计，设计出一种新型高Cu、高Ni的Al－Si合金，其化学成分见表1。Cu在合金中可形成Al2Cu、Al4Mg5Cu4Si4、Al2CuMg等强化相，使其室温抗拉强度和高温持久强度显著增大，且当合金中同时加入Cu和Mg时组织中出现Mg2Si、CuAl2强化相，提高了其耐热性和高温强化效果。另外，Cu还可以改善合金的切削加工性，降低表面粗糙度。在活塞合金中加入了适量Ni，可形成硬脆弥散的Al3Ni相及Al9NiFe相，弥散的Al3Ni相使合金硬度提高，线膨胀系数降低，而Al9NiFe相本身的热稳定性很好，对于保证活塞的尺寸稳定性有十分重要的意义。此外，在合金中Cu和Ni还有相互促进强化的作用。

2正交试验设计及数值模拟

铸件模具结构见图3，利用Flow－3D软件来模拟挤压铸造充型及凝固过程。

2．1正交试验设计在挤压铸造工艺过程中，冲头速度、浇注温度和模具温度是影响挤压铸造件品质最主要的3个因素。为了对这3个因素进行优化，采用3因素3水平正交试验设计。正交设计的因素－水平表见表2，正交试验方案见表3。

2．2充型过程数值模拟分析比较多次模拟分析结果可知，当浇注温度为810℃，模具温度为200℃，压头速度为0．6m／s时，充型平稳、无卷气发生，整个充型过程在0．452s内完成，各充填状态见图4。金属液用定量勺浇入型腔内，压头以较快的速度自上而下运动，当压头接触型腔内金属液面时，降低压头的运动速度，压头以0．6m／s的速度运动，此时金属液由底部开始逐步向上充填，流动前沿自由表面光滑，没有喷溅。随着压头的运动，活塞外圆部分温度首先开始降低，且在型腔还未全部充满时，活塞外圆边缘金属液已经凝固，容易产生冷隔、浇不足等缺陷。

2．3凝固过程模拟分析对活塞的凝固过程进行模拟，图5为活塞凝固时的温度场分布。铸件充型完毕后，在给定的压力下对铸件进行保压凝固，铸件凝固迅速。首先是活塞外圆部分开始凝固，接着是活塞裙部凝固，最后活塞顶部和活塞销座凝固。由此可见，随着凝固进行，活塞销座部分仍保持有压力补缩通道。

3工艺及模具结构改进

1分型面的选择和排气系统的设计

从塑件形状和产品外观要求可看出，分型面只能选择在塑件上大面为一平面。整个塑件包含在动模板内，定模中心凸起部分成型塑件上表面所有沉孔、凹台。模具型腔内的排气靠模具本身分型面及动模型腔中心左右两侧镶块（12件）与动模板之间拼缝、动模型腔顶杆孔与顶杆间隙、动模型腔与圆型芯之间配合间隙等等都可以起到排气作用。此外，如图3所示，借助CAE分析软件Moldflow的分析结果，合理布置其余顶杆位置，既能平稳地顶出零件又起到较好排气效果。

2模芯的设计

综合塑件的外观要求及结构工艺性、模具的结构和降低加工难度和成本等因素，定模模采用整体结构，整个定模选用国产预硬P20钢。由于动模结构复杂，采用镶拼结构，动模镶件件12（两件）、圆型芯件10（3件）及动模板均采用相同材料为国产预硬P20钢。由于塑件下表面有6处螺纹嵌件，因此螺纹嵌件旋入可以反复拆卸的螺纹镶件上，放入对应位置顶杆孔内，采用滑动配合，开模时随塑件一起被托处模具外，最后采用机外拆卸。螺纹镶件选用韧性好、不易断裂，适合反复拆卸的材料不锈钢2Cr13。

3浇注系统的设计

3.1浇注系统的尺寸确定由于塑件本身材料特殊性，流动性极差、成型模温高，因此模具采用一模一件，直浇口进料，直浇口小端直径Ф6.5，锥度8º，加之塑件外观不能有浇口痕迹，因此直浇口只能选择在上表面矩形沉台内，直浇道与模具大型腔直接连通，无需分流道板与动模板的连通。

3.2模具的CAE分析如图3所示，由于塑件投影面较大，壁厚差别较大，模具设计中浇注系统的流程比较长，填充时间相对会长一些，模具需要进行CAE分析验证，图3是借助CAE分析软件Moldflow的MPA模块与分析结果，验证模具浇注系统设计的合理与否。通过模流分析直观反映填充时间、成型缺陷如气旋、气泡、合料纹所在部位，为后续模具设计提供参考。

4.结束语

1系统设计

系统构架采用CATIA平台的CAA技术开发的系统，包括4个功能模块，为了保证系统的功能明确、可扩展性强，采用3层系统结构，如图2所示，依次为物理层、数据层和技术层。物理层:应用CAA提供的各种API接口程序，实现在CAITA平台上系统的开发。数据层:用户提供包括新产品工艺数模、模具模板，模板匹配参数文件以及模具结构设计检查表在内的必需数据，为新产品模具的快速设计做好数据准备。技术层:系统以参数化模板为核心，采用向导式模具自动化设计工具，提供了以模具参数自动更新为核心的包括新产品数模导入、模具参数化设计、标准件定位和模具检查在内的4个功能模块，完整地实现了在已有模板基础上快速进行模具“再设计”的流程。其中，在新产品数模导入模块，应用数模自动替换技术完成工艺数模的替换更新工作，为后续的参数化设计打好基础;参数化设计模块通过参数自动更新技术，利用用户提供的参数文件和交互界面，对各类参数进行快速批量更新;在标准件定位模块，应用动态测量技术，实现标准件的快速定位;在模具检查模块，根据用户提供的模具检查表，在CATIA环境中对模具逐项进行检查，并自动输出审核结果。

2关键技术

2．1新产品数模自动替换

数模自动替换功能基于CATIA的“”(Pub-lication)命令，此命令主要用于参数化装配建模(ParametricAssemblyModeling)［5］，使用命令可以智能地实现组件之间的替换。元素的几何特征可以根据用户需求进行修改变化，但只要名称不改变，其外部引用就会根据元素的变化而重新构建“”与“外部参考”之间的关联关系。命令实现几何元素之间的关联，由的名称和原几何元素所在零件在装配环境下的实例名称共同决定。因此即使将整个Part文档替换，只要保持新Part在装配环境下的实例名称和元素的名称均与原Part一致，那么几何元素之间依然有效关联，并会根据当前几何特征的变化智能地构建出全新的几何特征。基于命令的关联原理，程序实现数模自动替换的过程如图3所示。用户将提供的新产品数模的模具设计必需元素(如板料轮廓线、分模线、曲面等)，按照已导入模板的要求进行，保证元素名称的一致。程序自动获取数模在装配体中的实例名称，赋给替换后的新产品零件。各个外部参考节点根据新的元素几何特征进行相关特征的关联重构，完成模具产品型面的自动替换。对于已更新的型面模型，可以实现各个子节点的重复替换。

2．2参数快速批量更新

2．2．1构建动态交互界面交互界面的动态构建基于用户提供的与模板相匹配的参数文件。参数文件的格式如表1所示，依次为参数所属类别、参数类别表示图片、参数名称及参数所在部件。参数类型和每一类型包含参数的个数由用户自己确定，这种方法不受模具类型的限制，也为初级设计人员提供良好的引导。一套完整的参数化模板拥有庞大的参数信息，用户将模板中的参数进行分类整理，写成与模板匹配的参数文件，程序根据文件驱动生成动态交互界面。即当用户选择不同特征类别时，程序自动在交互界面中显示表示该类别的图片和所包含的所有参数，并根据参数所在部件获取其在特征树上的数值，达到根据类别的不同，智能地动态构造交互界面的目的，方便用户一次性修改某类别的所有参数。例如，用户提供如表1的参数文件，在构建的交互界面中分别选择“特征类别一”和“特征类别二”时，动态参数区分别如图4a和4b。以拉延模为例，可以模具主控参数作为特征类别一，所属2个参数为模具总体高度、总体长度;以导板参数作为特征类别二，所属3个参数为导板长度、宽度、厚度。修改时以类为单位，每次批量修改此几何特征类所属参数的数值，方便快速有效更新。

2．2．2参数批量修改CATIA中参数化过程的实现基于知识工程顾问模块提供的公式(Formulas)、规则(Rules)等方法，即用一组参数约束该几何图形的结构尺寸和零部件的特征。参数与设计对象的尺寸和特征有对应关系，当赋予不同的参数值时，可通过函数关系公式和尺寸驱动达到新的目标几何形状和特征［6］。具体设计时，用户根据新产品的数模型面特点，通过交互界面，对参数值按类别进行一次性批量修改，利用参数驱动重构原理实现模板相关几何特征的更新。借助CAA中CATIProduct，CATIParmPub-lisher，CATICkeParm等几个主要接口提供的函数，程序将用户在对话框中输入的目标参数值自动更新到模板特征树上相应的参数节点下，参数值及引用到该参数值的外部参数值同步更新，通过相应的函数关系公式完成几何特征重构(见图5)。用户根据需要，完成参数文件中所列出参数的更新，最终完成新产品模具的设计。

1工艺改进

由于零件在实际加工中存在多种问题，无法满足设计要求，无法对润滑油进行密封，必须对加工工艺进行改进。通过对零件的结构及设计要求再次进行分析，只有放弃焊接工艺，采用一次成形才能避免焊接变形及热处理变形。因此对原工艺改进为：下料→成形→车加工→旋压成形→车加工→手工校正。（1）下料、成形与前述工序相同。（2）旋压成形。在车床上采用滚轮将零件另一面压靠在凸模上，得到所需型面，如图9所示。（3）车加工。旋压成形后用压盖压紧零件，在车床上将成形后零件的余量去除，如图10所示。（4）手工校正。因零件为半封闭形状，取出零件时会产生轻微变形，需手工消除变形，最终得到图11所示零件。第一次成形时将零件的一端型面成形（见图3），在车床上使用固定在刀架上的小滚轮将另一端型面旋压成形（见图9），车加工将余量去除得到图11所示零件。

2模具设计

从成形工艺分析，改进后的成形工艺需要2副模具，第一副模具为拉深模，如图12所示；第二副模具为校正模，如图13所示；2套车加工夹具，即1套有单边型面的车加工夹具，如图14所示；1套全型面夹具（见图10）。

图12所示模具主要是将板料拉深到图3所需形状，工作过程：上模上行，顶板14将内、外顶板顶出与凸模平齐，将板料放在内、外顶板上；上模下行，压住板料向下拉深得到所需零件。因该零件采用拉深成形后，在车床上将余量去除，然后进行旋压成形，再进行车加工去除余量，这些工作都在车床上完成，因此为减少零件变形，尽可能减少零件装夹次数，校正模具有校正功能的同时，还必须具有夹具功能，结构见图13．基座1安装在车床三爪卡盘上，旋压成形时将校正模的压盖3取下，仅用凸模4将零件压紧，凸模靠螺钉固定在基座上，由于凸模为分块式(见图15)，在凸模内用限位块5进行限位，限位块5靠螺钉与基座1固定，将滚轮固定在刀架上，车床主轴旋转后用小滚轮从根部开始逐渐向主轴中心移动，直到最终成形所需零件型面，如图16所示。旋压成形后再将压盖3装上，在500kN液压机上使零件型面完全压紧贴合凸模，起校正作用，然后将校正模装在车床上进行车加工，压盖3与基座靠定位销和螺钉固定。

由于零件为半封口环形，旋压成形后凸模处于一个封闭腔内，为便于取出凸模而不破坏零件，凸模必须采用图15所示分瓣式结构，成形时靠限位块5和螺钉6将其固定在基座上，成形后首先取下螺钉6和限位块5，再取出图15中件1和件2，然后取出件3和件4。由于零件材料较薄，最高点与封口处的高度差仅为0.56mm，如图17所示，将分块式凸模向中心一拉即可取出，对零件型面不会产生破坏。通过现场加工验证，采用改进后的加工工艺加工出的零件在自由状态下尺寸精度及密封性能完全满足设计要求，零件已交付使用，使用效果良好。

作者：刘兴红梁洁单位：贵州黎阳航空动力有限公司