基于某薄壁零件的模具設計及質量問題優化

楊 薇,石曉飛,徐 偉,閆曉鋒,李金濤,賈向輝,魏東峰

(航空工業慶安集團有限公司 制造工藝研究所,陜西 西安 710077)

航空航天制造業的技術水平和生產能力代表了國家的制造能力和工業現代化發展水平。總的來說,薄壁零件主要是指零件的壁厚遠小于工件的長度和工件截面寬度的零件[1]。航空整體薄壁零件的使用,能夠將若干個部件的使用功能集中在一個大的零件中,可以減少零件數量,達到降低成本、減輕機身質量的目的。

盡管我國采用高速加工的方法,但是由于各種影響因素的作用,仍會導致整體結構零件發生一定量的翹曲變形,變形量大小一般為零件允許誤差的5～8倍,嚴重影響薄壁零件的使用功能[2]。因此,如何控制變形是目前航空制造業亟待解決的問題之一。接線板(見圖1)是某電動信號槍用于飛機發射聯絡信號的配套零件,在信號彈發射過程中起到隔熱、絕緣、固定并標記導線的作用。

圖1 接線板成型零件圖

本文研究的接線板為細長型零件(見圖2),長寬比為6∶1,而且零件的厚度只有4 mm。通過工裝壓制成型后,遇25～30 ℃室溫易產生翹曲變形。采用直壓注壓,壓力直接傳遞,由于模具加熱板上有加熱棒,上模板沒有加熱棒,同時,零件周圍有棱邊,使得冷卻速率不同,熱化學反應力及熱收縮率不均產生的變形,后面需要壓力矯正夾具來矯正。此外接線板采用半封閉式壓縮模的結構,在技術上不如壓注成型,成型周期長,壓力傳遞效率低,模具的磨損大,對模具材料要求高,不易壓制形狀復雜、壁厚相差較大的制品。

圖2 接線板三維結構示意圖

1 接線板分析

1.1 接線板的材料特性

隨著工程玻璃纖維塑料領域的快速發展,酚醛樹脂基材料以其特有的質量性能、機械強度高等優點,已經被廣泛應用于各種行業領域中。近年來,有關科研人員對酚醛樹脂本身的脆性和力學性能進行改性,為了產品的特定使用要求加入相應填料以改進其機械性能來滿足使用要求。在低端常規產品中應用新工藝,使酚醛樹脂基復合材料有了更大的發展空間和應用前景。各種改性酚醛樹脂作為增粘、增硬、增強材料,也不斷應用于橡膠工藝的改進之中。

其中,非常重要的代表性材料之一為酚醛玻璃纖維樹脂,酚醛玻璃纖維是最早工業化的合成樹脂材料,一般是由酚類和醛類在堿性催化劑存在的條件下聚合而成的縮聚物。酚醛樹脂以其優異的阻燃性、尺寸穩定性、較好的耐機械強度性能等優良性能而倍受重視,從而推動了對酚醛玻璃纖維樹脂材料的研究和應用。酚醛玻璃纖維樹脂因其具有良好的拉伸強度和阻燃等很好的機械性能,多被選用為耐磨、抗拉、抗壓材料基體。基體材料主要起粘接作用,可使各組分有機粘接在一起。玻璃纖維是耐磨材料的主要承載單元,起到承載效果。基體材料的作用是把抗拉材料的其他組分牢固粘接在一起,使載荷均勻傳遞、分布并分配到各種玻璃纖維絲,可使材料具有一定強度和韌性。常用纖維包括玻璃纖維、有機纖維、剛纖維、礦物纖維等,對材料的拉伸強度起到調節作用。

隨著工業經濟領域的飛速發展,人們對酚醛玻璃纖維材料的性能提出了越來越高的要求,因此,高強度、耐熱性強改性酚醛玻璃纖維被大量開發和應用。玻璃纖維增強改性酚醛樹脂(FX-502)是目前最成功的酚醛玻璃纖維樹脂改性材料之一,該材料是以改性酚醛樹脂浸漬無堿玻璃纖維經干燥而成的熱固性塑料。其特點是剛性好,變形小,耐熱、耐磨,能在150～200 ℃的溫度范圍內長期使用,在水潤滑條件下,FX-502酚醛玻璃纖維塑料的摩擦因數極低,其電絕緣性能優良。FX-502酚醛玻璃纖維模塑料常用來模壓成各種復雜的機械零件和電氣零件,同時,因其具有優良的電氣絕緣性能,耐熱、耐水、耐磨,可制作各種線圈架、接線板、電動工具外殼、風扇葉片、耐酸葉輪、齒輪和凸輪等。FX-502典型性能見表1。

表1 FX-502典型性能

1.2 接線板的結構工藝性

零件結構的工藝性是指所設計的零件在滿足使用性能要求的前提下制造的可行性和經濟性。當某個零件的結構形狀在現有的工藝條件下,既能方便制造,又有較低的制造成本時,這種零件結構的工藝性就好。分析零件結構的工藝性．首先要分析該零件是由哪些表面組成的,因為零件表面形狀是選擇加工方法的基本因素。例如,對外圓柱面一般采用車削和磨削進行加工,對內孔一般則采用鉆、擴、鉸、鏜、磨削等進行加工。除了表面形狀外,還要分析表面的尺寸大小。例如,直徑很小的孔精加工宜采用鉸削或鏜削,不宜采用磨削。

2 模具設計

2.1 模具結構的選擇

由于該接線板長214 mm,寬11 mm,厚度約4 mm,長寬比為6∶1,且FX-502酚醛玻璃纖維塑料因使用玻璃纖維作填料,故其成型流動性差,單位比壓高,比容大,若采用壓注式塑壓模成型時,接線板長度尺寸大,造成原材料流動的路徑太長,容易在接線板兩端因原材料無法充滿型腔,造成接線板缺料。因此,采用半封閉式壓縮模的結構[3]。它的基本原理是將粉狀、松散狀或預壓冷坯料等固態成型物料直接加入到模具型腔中,通過加熱、加壓方法使它們逐漸軟化熔融,然后根據模腔形狀進行流動成型,最終經過固化轉變為期望的接線板。這種型腔壓制的制品密度大,力學性能好,制品精度高,飛邊小且易去除。

2.2 模具固定方式的選擇

根據接線板結構的工藝性分析,接線板外形較大,其成型模具相應尺寸較大,若采用移動式壓縮模成型,填料、開模、取件等工序均為手工操作,勞動強度大,且存在安全隱患,故應采用固定式壓縮模[4]。固定式壓縮模的上、下模分別固定安裝在液壓機的動梁和工作臺上,開模、合模、脫模等工序均在液壓機上進行(見圖3),生產效率高,操作簡單,勞動強度小。其缺點是模具結構復雜,成本高,嵌件安裝不方便。適用于成型批量較大或尺寸較大的接線板。

圖3 模具安裝示意圖

2.3 上、下模芯的設計

下模芯是接線板的主成型面,成型凹凸不平的面以及大小不同的圓孔(見圖4),把最復雜的成型要素放在下模芯上一次成型。上模芯組件安裝在液壓機的動梁上,其作用主要兼顧成型和傳遞液壓機壓力,還具有排除廢氣和控制余料的功能。如試模后需要,在其側面加工縱向排氣槽,從上模芯組件的成型面直至模板。一般這種排氣槽深為0.3～0.5 mm,寬為5～6 mm,兼作溢料槽。

圖4 上、下模芯示意圖

2.4 模具中模板設計

模具中模板主要成型接線板外輪廓(見圖5),中模板兼顧加料腔及固定下模芯的作用,與上模芯采用間隙配合,配合間隙最大不超過0.05 mm。如果間隙過大,極易造成溢料過多,零件成型不完整;如果間隙過小,在高溫高壓下極易造成拉毛咬合,有損模具零部件,還會造成溢料過少,零件尺寸超差。

圖5 中模板示意圖

2.5 頂出機構的設計

模具的8個推桿均勻分布在下模芯成型面上,安裝并固定在活動推板上,推板連接液壓機頂桿,實現液壓自動頂出(見圖6)。因為推桿的長徑比較大,為了防止頂桿彎曲變形,增加推板導柱引導實現頂出和復位動作。

圖6 推桿示意圖

2.6 模具加熱系統設計

該接線板由于模具外形大,不適用液壓機模板加熱的方式。一般大型熱固模具設計采用自帶加熱單元的方式,主要的加熱元件為電加熱棒,并連接溫控箱。電加熱的特點是容易實現溫度的自動控制,設備簡單,安裝維修方便[5]。通過計算加熱模具所需的功率,在1 h內由室溫(25 ℃)達到成型溫度:

P=0.24m(θ2-θ1)

(1)

式中,m是模具的質量,單位為kg;θ1是模具加熱前溫度,單位為℃;θ2是模具壓縮時溫度,單位為℃。

根據相關標準,該材料成型溫度為160 ℃,稱得該模具共120 kg,所需電功率P=0.24×120×(160-25)=3 888 (W)。選用500 W的加熱棒,需要的根數n=3 888/500=7.78,因此至少需要8根加熱棒。

2.7 模具結構件分類

模具的裝配示意圖如圖7所示。圖7中,閉模導向裝置與支撐零部件的組合構成模架,再添加成形零件和其他必要的功能結構來形成。

根據模具各部件與原材料的接觸情況可分為如下兩類。

1)成型部件:與原材件接觸并構成成型空間的部件,決定著接線板的幾何形狀和尺寸。圖7中,上模芯、下模芯凹凸不平的面決定制件的內形,而中模板決定制件的外輪廓。

2)結構部件:模具結構組成中非成型零件,起支撐、導向、溫度補償及頂出制件等功能。

3 模具部件的制造

3.1 下模芯的制造

下模芯材料選用CrWMn,該型鋼材調質后有良好的機械加工性能,并且最終真空淬回火后的硬度為50～55 HRC,變形不超過5%,價格較低,是常用的工具鋼,可加工較為復雜的結構[6]。該零件構成表面既有成型制件內形凹凸不平的面,又有成型制件大小不同的圓孔。針對其各加工表面可以選擇的加工方法和順序:首先磨削六面,然后鏜各類孔,最后數控銑削外形。具體內容如下:下料(棒料)→刨六面,按最大輪廓六面體各面均留0.3 mm→磨削六面,按最大輪廓六面體→鏜孔→數控銑削外形,刻字符→淬回火,50～55 HRC→鉗工修配拋光→成型表面鍍鉻→鉗工拋光。

3.2 中模板的制造

中模板主體材料為CrWMn,模具中模板主要成型接線板外輪廓,主體外廓有臺階槽、銷釘孔和螺栓過孔。針對其各加工表面可以選擇主要的加工方法和順序:首先磨削六面,然后數控銑削外形。加工順序和內容如下:下料(棒料)→刨六面,按最大輪廓六面體各面均留0.3 mm→磨削六面,按最大輪廓六面體→鏜孔→數控銑削外形→拋光→淬回火,50～55 HRC→鉗工修配拋光→成型表面鍍鉻→鉗工拋光。

3.3 模具主要結構零件的制造

模具結構零件中加熱板、上固定板、下固定板、墊板、推桿等板類零件主要由平面和孔系組成,平面和孔有較高的形狀精度要求,孔與孔之間、孔與平面之間有較高的位置精度要求[7]。在加工過程中為保證技術要求和加工方便,一般遵循“先面后孔”的原則,即先加工平面,再以平面定位加工孔系。其加工工藝過程概述如下。

在銑床或刨床上粗加工上、下兩平面,留精加工余量,然后在平面磨床上磨至尺寸并見光兩相鄰側面,為了保證安裝導柱、導套的垂直度,必須磨好上、下平面后再進行孔加工,相鄰側面作定位基準,再以3個相互垂直的平面作定位基準加工孔系,這有利于保證孔系和各平面間的相互位置精度,定位準確可靠。

模具結構零件中導柱、導套、推桿板導柱為模具的導向機構零件,導柱與導套構成導向運動,保證模具運動零件的相對位置和運動過程中的平穩性。導柱各段的同軸度、圓柱度有較高要求。同時,導柱工作部位軸徑尺寸與導套或模具上引導孔滿足動配合要求,而且工作表面應具有耐磨性,一般選用材料為T8A,淬回火50～55 HRC。因此導柱加工過程中,外圓柱面的車削和磨削一般采用設計基準和工藝基準重合的兩端中心孔定位。因此車削和磨削前應先加工中心定位扎。中心孔的形狀精度和同軸度對導柱的加工質量有很大影響,保證中心孔與頂尖之間良好配合很重要。為消除中心孔在熱處理過程中可能產生的變形,使外圓磨削時獲得精確定位,導柱在熱處理后應采用研磨法修整中心孔。外圓磨削時可在一次裝夾中將導柱兩段外圓磨出,保證兩表面間的同軸度。

導套與導柱相配合,構成導套的主要是內外圓柱面,機械加工過程中,除了導套配合表面尺寸、形狀精度外,還需保證內外圓柱配合面的同軸度要求。導套內圓柱面應具有良好的耐磨性,一般選用材料為T8A,淬回火50～55 HRC。內外圓柱面的同軸度及其圓柱度一般不低于IT6,另外還需控制工作部位的徑向尺寸,導套磨削加工時可以先磨內孔,再將導套裝在專門設計的錐度(1∶1 000～1∶5 000)心軸上,以心軸兩端的中心孔定位,磨削外圓柱面。這樣既可以保證同軸度要求,又能防止內孔微量變形。

4 接線板的成型過程

模具裝上液壓機后應進行預熱,達到工藝溫度后即可進行接線板壓制,一般熱固性塑料壓縮過程可以分解為預壓、加料、閉模、排氣、固化和脫模等幾個階段(見圖8)。

圖8 接線板成型過程示意圖

1)預壓:在室溫下將松散的粉狀或纖維狀的模塑料壓成質量一定、形狀規整的密實體,預壓降低了模塑粉的壓縮率,可減少模具的裝料室,簡化了模具結構。預壓物緊密,空氣少,使傳熱加快,縮短了預熱和固化時間,同時避免制品出現氣泡,有利于提高制品質量。

2)加料:根據壓制制品的體積和真實密度,再加上毛刺、飛邊等額耗損,進行投料量的估算,以保證制品幾何尺寸的準確,防止物料不足和材料浪費。

3)閉模:加料后即進行閉模。該接線板模具閉模分為兩步:當上模芯組件尚未接觸物料時,為縮短成型周期,避免塑料在閉模之前發生固化反應,閉模速度應快,當上模芯組件接觸到塑料之后,為避免模具成型零件的損壞,并使型腔組件內空氣充分排除,應放慢閉模速度。即所謂先快后慢的閉模方式。

4)排氣:壓縮成型接線板時,在模具閉合后,必要時還需卸壓將上模芯組件松動少許時間,使物料中殘留的揮發物、水分、空氣及固化反應中生成的低分子物有足夠時間放出,一般制品放氣次數1～2次,通常為幾秒至20 s。

5)固化:壓縮成型該接線板時,塑料依靠交聯反應固化定型,因此生產中常將這一過程稱為固化。在這一過程中,呈粘流態的熱固性塑料在模腔內與固化劑反應,形成交聯結構,并在成型溫度和壓力下保待一段時間,使其性能達到最佳狀態,故壓縮成型的主要工藝參數是指成型壓力、成型溫度和成型時間。

6)脫模:接線板固化時間結束后,液壓機頂出機構帶動模具推板,由8個頂桿共同頂出接線板,取下接線板,接線板頂出動作平穩,快捷方便。清理模具后即可進行下一次的壓制。

5 接線板壓制過程中出現的問題

5.1 零件翹曲問題

5.1.1 問題描述

接線板為細長型零件,長寬比為6∶1,而且零件的厚度只有4 mm。通過工裝壓制成型后,零件兩端發生翹曲,最大處超過0.3 mm,對零件的后機械加工產生了極其不利的影響,造成零件合格率低。

5.1.2 查找原因

零件壓制過程中主要問題如下。

1)零件翹曲過大。

零件翹曲現象的發生主要是由于接線板受到了較大的應力作用,主要分為外部應力和內部應力,當大分子間的作用力和相互纏結力承受不住這種力作用時,接線板就會發生翹曲變形[8]。外部應力導致的翹曲主要是接線板頂出變形,產生的原因是模具頂出機構設計不合理。而內部應力導致的翹曲變形主要是受到大分子鏈的取向和冷卻收縮等因素而產生的內在應力變大,破壞了內應力平衡,造成接線板產生翹曲變形,嚴重時會發生應力開裂。

2)零件厚度不均。

接線板壓制時,所選材料的狀態是擠出料,其外形是無規則的,將其放入模具型腔中,合模壓制,模具會發生一定程度的傾斜,最終體現在接線板的厚度尺寸不均。

3)頂桿過長,拉傷模具型腔,且頂出困難。

模具首次設計時使用成型型芯作為頂桿將零件頂出型腔。但是在實際的壓制過程中,接線板的頂出動作繁瑣,且極易拉傷模具,導致接線板出模困難[9]。這些現象主要是由于成型型芯在壓制過程中受到流動樹脂的擠壓,與模具之間產生了一定的作用力,在零件出模時拉傷了模具。

5.1.3 解決方案及工藝性試驗

1)冷卻夾具設計。

在接線板壓制完成后,使用冷卻夾具(見圖9)施壓加緊接線板,可有效改善接線板的翹曲變形。許多同類零件均有采用相同的方式來減小翹曲所造成的不利影響。在接線板出模后,使用冷卻夾具室溫施壓40～90 min,零件翹曲有了明顯的改善,為零件的后加工提供了先決條件。

a) 冷卻夾具CAD圖

2)冷坯模設計。

由于擠出料的不規則外形,放入型腔后高低不平(見圖10),且樹脂流動的距離不一,接線板壓制完成后,總是會有厚度不均,偶爾還會有缺料。

圖10 擠出料在型腔中示意圖

使用冷坯模預壓制的冷坯成型零件(見圖11和圖12),理論上可以有效減少樹脂在型腔中的流動距離(見圖13),從而可有效解決零件缺料的問題。它的基本原理是將粉狀、松散狀或預壓冷坯料等固態成型物料直接加入到模具型腔中,通過加熱、加壓方法使它們逐漸軟化熔融,然后根據模腔形狀進行流動成型,最終經過固化轉變為最終期望的接線板[10]。

圖11 預壓冷坯示意圖

圖12 冷坯模工裝示意圖

圖13 冷坯在型腔中示意圖

用塞尺測量壓制后的接線板,使用冷坯模預壓的冷坯料,與不規則的擠出料相比較,可以使得壓制后的接線板厚度偏差保持在0.2 mm以下(見圖14),減少了接線板后加工的工作量。

圖14 塞尺測量零件示意圖

壓縮成型采用預壓冷坯料具有如下優點:加料簡單、迅速,避免了因加料過多或過少而造成廢品;采用適合的冷坯料進行壓縮成型,能夠壓縮成型形狀復雜的接線板;避免了加料過程中的物料粉末飛揚,改善勞動條件等。

3)頂出機構改進。

頂出機構改進前后示意圖如圖15所示。將成型型芯縮短,增加8處頂桿并與推桿板連接,加上推桿固定板、推桿板導柱和推桿板導套,就組成了新的頂出機構。改進后的頂出機構,接線板頂出動作平穩,快捷方便,不僅提高了接線板質量,還提升了生產效率。頂出動作前后示意圖如圖16所示。

a) 改進前

a) 頂出動作前

5.2 問題小結

熱固性塑料零件所采用的半封閉式直壓法,模腔內所產生的壓力較大,且接線板本身的硬度也較大,不宜使用凸出的型芯作為零件的頂出機構,應在樹脂流動方向無關聯的面設置頂出機構。通過試模的成功驗證,充分說明以上改進方法對于固定式半封閉塑壓模具設計、較大尺寸的熱固性接線板成型工藝、成型后有嚴重翹曲的接線板成型均有一定的可參考性。采用固定式機載塑壓模的設計,具有生產效率高、操作簡易、工人的勞動強度小、開模振動小和模具壽命長等特點。通過成型工藝的摸索,大大減少了廢品和物料的浪費,降低了生產成本。

5.3 改善效果追蹤

現對2021年及2022年生產的4批零件進行統計(見表2和表3)發現,經過改善后,4批零件合格率均達到85%以上,改善內容可行。改善前后柱狀圖如圖17所示。

表2 2021年生產零件4個批次交檢記錄統計表

表3 2022年生產零件4個批次交檢記錄統計表

從改善前后柱狀圖上可以直觀地看出,在使用冷卻夾具、冷坯模及改進頂出機構后,零件合格率提高,改善效果非常明顯。

6 結語

通過接線板接線板的工藝摸索、模具設計及零件翹曲問題的分析和解決,掌握了固定式熱固塑壓模具的設計方法和思路及FX-502酚醛玻璃纖維模塑料的工藝性能。該模具結構設計合理可行,工藝規程所采用的模壓成型和后處理方式正確有效,流程安排合理完善,生產出的接線板能滿足產品使用要求。本文的研究成果將繼續應用于后續各種薄壁零件的加工,具有代表性的零件主要有框體類零件、梁類零件、整體壁板、緣條、長桁類零件以及航空發動機結構中的薄壁零件[11],具有廣泛的應用價值,同時可為后續研究者提供新的思路。