基于CATIA 參數化的環形金屬橡膠成型模具設計

陳磊 劉永超 劉永 張佳琪 張一

（北京強度環境研究所，北京 100076）

引言

金屬橡膠是一種新型均質的彈性多孔材料，經特殊的工藝方法將一定質量、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]其內部有很多孔洞，既呈現類似橡膠材料的彈性和阻尼性能，同時又保持金屬的優異特性，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，且在空間環境下不揮發、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境中，不產生老化現象，是一種使用范圍廣泛的新型高彈性、大阻尼材料。

因為環形金屬橡膠應用場景豐富，所以減振器產品中金屬橡膠以環形金屬橡膠結構形式為主。環形金屬橡膠外形尺寸如圖 1。其結構尺寸分別為外徑D，內徑d 和金屬橡膠厚度t。

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

一、CATIA 參數化建模思想

參數化設計是隨著約束概念引入CAD 技術而出現的，常采用尺寸驅動的形式來實現，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 是法國達索公司CAD/CAE/CAM 一體化軟件，在世界CAD/CAE/CAM領域中處于領先地位，廣泛應用于航空航天、船舶、汽車等制造業。在航空航天的多個項目中，CATIA 被應用于開發虛擬的原型機，其中包括Boeing 飛機公司（美國）的Boeing777 和Boeing737，Dassault 公司（法國）的陣風（Rafale）戰斗機、Bombardier 飛機公司（加拿大）的Global Express 公務機、以及Lockheed Martin 飛機公司（美國）的Darkstar 無人駕駛偵察機。[1]

參數化建模關鍵是如何用實物的特征參數來自動控制和生成實物三維模型,而且特征參數發生改變能夠自動地反映到三維模型中。這一技術給機械產品中的標準件、常用件和系列化產品的設計帶來極大的便利。

二、模具設計思路

（一）總體思路

環形金屬橡膠模具結構可分為環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形金屬橡膠模具的一種特殊結構，即d=0 情況。

當d≠0 時，模具結構形式為圖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徑d 成型。

陰模作用是其內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d=0 時，模具結構主要包括底座、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，而陰模結構保持不變。

（二）模具配合關系

1.底座

底座凸臺外徑和陰模內徑為滑動配合；

底座內孔（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孔為滑動配合；

中心桿外徑和陽模內孔為滑動配合；

中心桿外徑和壓桿內徑外間隙配合。

3.陰模

陰模內徑和底座凸臺外徑為滑動配合；

陰模內徑和陽模外徑為滑動配合；

陰模內徑和壓桿外徑為間隙配合。

4.陽模

陽模內徑和中心桿外徑（d≠0）為滑動配合；

陽模外徑和陰模內徑為滑動配合。

5.壓桿

壓桿內徑和中心桿外徑（d≠0）為間隙配合；

壓桿外徑和陰模內徑為間隙配合。

三、CATIA 參數化建模實施

（一）CATIA 參數化建模規則確定

參數化設計的思路是將模具中的關鍵參數進行梳理，將這些關鍵參數建立一定的規則，從而達到改變這些參數后模型會隨之更改的目的。

根據確定的原則，確定規則，建立參數化設計模型。圖3 圖2 為模具參數化設計思路圖。根據經驗，本文中主要的輸入參數是金屬橡膠的外形尺寸，即外徑D，內徑d 和厚度t，其中H、a、b 為按照經驗給定的尺寸。

設計過程中各參數間要主要滿足兩個關系：

1.中心桿的長度≥* MERGEFORMAT 底座厚度a+陰模高度H，本文設定為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 參數化建模

根據3.1 中確定的規則在CATIA 中進行模具裝配體參數化建模，然后將模具參數和模具表關聯，通過Excel 表格對模具參數進行管理。如圖4,選擇表格中的一行，模具會以此行參數建立模型。點選編輯表按鈕即彈出Excel 表，其中Excel 表格中相應的參數和CATIA 模具表配置行對話框以及CATIA 模型樹中的參數相對應。在Excel 表中增加一行新的參數，即創建一個新的模具。更改模具參數，即實現模具的更改。

四、總結與展望

CATIA 參數化設計方法已經應用于環形金屬橡膠模具設計中。通過此方法生產的模具大部分產品需求，模具壓制的金屬橡膠產品均符合質量要求。

該設計方法很好的利用了模具中各零件的相互關系，從而保證模具設計的可應用性。

該設計方法保證了模具的通用性，避免了模具重復加工生產造成的成本和時間浪費。

通過CATIA 參數化建模，實現了模具設計的自動化，極大提高了設計效率和準確性。

后續當結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行CAE 參數化仿真，以尋求最佳設計方案。