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挤压模具的数字化设计与数字化制造(一)

2017/9/22    来源:互联网    作者:张志豪  谢建新      
关键字:挤压模具  数字化设计  CNC加工  数值模拟  
介绍了基于数字仿真技术的挤压模具数字化设计、结构优化、产品质量预测的实现方法,以及挤压模具数字化制造的加工工艺。挤压模具数字化设计的目的是提供模具的几何、拓扑信息和挤压成形的工艺信息,其核心技术是数字化建模与数字化仿真。数字化仿真技术在挤压过程金属流动行为分析、模具结构优化、型材成形质量预测等方面已取得了良好的应用效果。采用基于仿真技术的虚拟试模方法,是实现挤压模具的“零试模”有效途径,也是形成新设计思路和设计方法的重要技术手段。大量采用CNC加工、热处理和表面处理系统是挤压模具数字化制造的主要特征。实现CAD、CAM和CAE的有效结合,提高复杂多孔空心型材挤压模具的制造技术水平,是我国挤压模具数字化制造的重要发展方向。

    1 前言

    模具设计制造是挤压生产的核心技术,对于铝合金型材挤压,模具成本可占挤压成本的30%~40% ,对于某些钛合金、钢铁材料挤压,模具成本可达生产成本的50%。

    传统的铝合金型材挤压模具设计主要依据工程类比和模具设计者的个人经验,模具设计加工完成后需经多次试模和修模才能保证其顺利投入使用,导致挤压产品质量稳定性和一致性差、模具使用寿命较短,甚至造成企业停工待模,影响正常生产。随着挤压产品在航空航天、轨道交通、国防军工等领域应用范围的扩大,挤压产品不断向精密化、大型化、断面形状复杂化、产品性能均匀化发展,传统的挤压模具设计方法已经很难满足挤压生产的高效率、高产品附加值的实际需求,改进传统的模具设计方法已成为铝型材工业发展的当务之急。

    近年来,随着数字化设计与数字化制造技术水平的提高,通过综合利用三维建模、数字模拟、过程仿真、数控加工等技术手段,实现挤压模具结构和尺寸、挤压工艺的优化设计和无纸化精确制造,已经成为挤压模具行业的重要发展方向。

    现代挤压模具设计制造流程如图1所示。与传统设计流程的重要区别在于: ①省略了模具制造后的实际试模与修模过程,而代之以基于数字仿真的虚拟试模,从而大大减少了设计制造流程和试验成本; ②在模具制造过程中,大量采用CNC( Computer Numerical Control,计算机数字控制) 加工机床、CNC 线切割机床、CNC 热处理和表面处理系统代替传统的机加工、热处理和人工研磨抛光等工序,可满足更高的加工效率、尺寸精度、表面质量等要求。

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    图1 现代挤压模具设计制造流程图

    2 挤压模具数字化设计

    挤压模具设计不同于一般的机械设计,除参考机械设计所需要遵循的原则( 如强度、公差、表面质量、装配等设计原则) 外,还需要考虑挤压条件下的各种工艺因素,如挤压设备条件、模具材料、模具结构尺寸、模具加工工艺流程、模具加热温度、挤压速度、工艺润滑等。

    因此,挤压模具设计对设计者的数学、力学、材料学等理论知识以及工程实践经验具有较高的要求。而对于复杂断面型材的挤压模具也很难由模具设计者单独完成,通常需要与模具制造者和挤压生产者( 用户) 进行反复沟通交流,不断调整和修改设计思路和方案。利用CAD/CAE/CAM的高效设计环境,实现挤压模具的数字化设计,对于降低模具设计难度,最大限度地发挥模具设计者的创造性,提高模具设计质量以及模具设计的标准化具有重要意义。

    挤压模具数字化设计的最终目的,除了提供模具的几何信息与拓扑信息外,还需提供挤压成形的工艺信息,其核心技术是数字化建模与数字化仿真。

    2.1 数字化建模

    数字化建模就是人们根据已有的草图或形象思维,利用交互方式将物体的几何形状在计算机的虚拟空间中建立数字化模型( 数学模型) 。

    目前,铝型材挤压模具设计领域常用的数字化建模软件有Creo、NX、Solidworks 等。通过对挤压型材可挤压性分析,结合挤压设备、模具材料等具体条件,采用上述软件形成模具的设计参数并生成三维模具结构图。

    例如,对于图2a中剖面线所示的A6005空心型材,用户提出的焊合面位置如图中点划线所示。根据型材尺寸,选择平面分流模进行挤压,挤压筒直径95 mm,根据空心型材挤压的一般原则,采用4个扇形分流孔,上模二维尺寸参数如图2a所示。根据图2a及焊合室的计原则,在Creo 中生成模具三维结构,如图2b和2c所示。

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    图2 简单空心型材模具结构设计图

责任编辑:张纯子
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