带圆弧结构模具抽芯机构的结构设计

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　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ProE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跡
　　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。
　　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ProE 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ProE 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。
　　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.
　　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.
　　A斜导柱包络面与滑块的位置关系
　　A The relative position relationship between the envelope of angle pin and the slider block
　　B 经光滑处理被包络面切割的滑块内孔面
　　B The inside hole of slider block under the envelope after smoothing process
　　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.
　　3.3 導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ProE 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
　　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。
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