基于CATIA 参数化的环形金属橡胶成型模具设计

陈磊 刘永超 刘永 张佳琪 张一

（北京强度环境研究所，北京 100076）

引言

金属橡胶是一种新型均质的弹性多孔材料，经特殊的工艺方法将一定质量、拉伸开、螺旋状的金属丝有序地排放在冲压或碾压模具中，通过冲压成型的方法制成。[1]其内部有很多孔洞，既呈现类似橡胶材料的弹性和阻尼性能，同时又保持金属的优异特性，俗称金属橡胶。由金属丝作为原材料，使其具有耐高温、高压、高真空、超低温的特点，且在空间环境下不挥发、不怕辐射和粒子的撞击，选择特殊的金属丝还可以工作在腐蚀环境中，不产生老化现象，是一种使用范围广泛的新型高弹性、大阻尼材料。

因为环形金属橡胶应用场景丰富，所以减振器产品中金属橡胶以环形金属橡胶结构形式为主。环形金属橡胶外形尺寸如图 1。其结构尺寸分别为外径D，内径d 和金属橡胶厚度t。

随着减振器产品化要求，环形金属橡胶的内径d 主要和相应螺栓外径配合。目前常用的产品化金属橡胶内孔主要应用于匹配M3～M12 之间的螺栓。本文探索一种通用的环形金属橡胶模具的设计和管理方法，以适用于减振器产品化要求。

一、CATIA 参数化建模思想

参数化设计是随着约束概念引入CAD 技术而出现的，常采用尺寸驱动的形式来实现，对零件上各种特征施加各种约束形式，各个特征的几何形状与尺寸大小用变量的方式来表示。

CATIA 是法国达索公司CAD/CAE/CAM 一体化软件，在世界CAD/CAE/CAM领域中处于领先地位，广泛应用于航空航天、船舶、汽车等制造业。在航空航天的多个项目中，CATIA 被应用于开发虚拟的原型机，其中包括Boeing 飞机公司（美国）的Boeing777 和Boeing737，Dassault 公司（法国）的阵风（Rafale）战斗机、Bombardier 飞机公司（加拿大）的Global Express 公务机、以及Lockheed Martin 飞机公司（美国）的Darkstar 无人驾驶侦察机。[1]

参数化建模关键是如何用实物的特征参数来自动控制和生成实物三维模型,而且特征参数发生改变能够自动地反映到三维模型中。这一技术给机械产品中的标准件、常用件和系列化产品的设计带来极大的便利。

二、模具设计思路

（一）总体思路

环形金属橡胶模具结构可分为环形金属橡胶模具和盘形金属橡胶模具，见图 3。盘形金属橡胶模具可以作为环形金属橡胶模具的一种特殊结构，即d=0 情况。

当d≠0 时，模具结构形式为图2，主要包括底座、中心杆、阴模、阳模、压杆，其中：

底座作用是限位阴模和中心杆，其顶面在压制过程用于金属橡胶下底面成型。

中心杆作用是其外径用于金属橡胶内径d 成型。

阴模作用是其内径用于金属橡胶外径D 成型。

阳模作用是通过在阴模的滑动，其底面在压制过程用于金属橡胶上底面成型。

压杆作用是传递压力机压力给阳模，使得阳模在阴模中向下滑动，压制金属橡胶毛坯成型金属橡胶。

当d=0 时，模具结构主要包括底座、阴模、阳模、压杆:

因为没有孔，所以没有了中心杆，同时底座、阳模、压杆等零件的中心孔也没有了，而阴模结构保持不变。

（二）模具配合关系

1.底座

底座凸台外径和阴模内径为滑动配合；

底座内孔（d≠0）和中心杆外径为滑动配合。

2.中心杆（d≠0）

中心杆外径和底座内孔为滑动配合；

中心杆外径和阳模内孔为滑动配合；

中心杆外径和压杆内径外间隙配合。

3.阴模

阴模内径和底座凸台外径为滑动配合；

阴模内径和阳模外径为滑动配合；

阴模内径和压杆外径为间隙配合。

4.阳模

阳模内径和中心杆外径（d≠0）为滑动配合；

阳模外径和阴模内径为滑动配合。

5.压杆

压杆内径和中心杆外径（d≠0）为间隙配合；

压杆外径和阴模内径为间隙配合。

三、CATIA 参数化建模实施

（一）CATIA 参数化建模规则确定

参数化设计的思路是将模具中的关键参数进行梳理，将这些关键参数建立一定的规则，从而达到改变这些参数后模型会随之更改的目的。

根据确定的原则，确定规则，建立参数化设计模型。图3 图2 为模具参数化设计思路图。根据经验，本文中主要的输入参数是金属橡胶的外形尺寸，即外径D，内径d 和厚度t，其中H、a、b 为按照经验给定的尺寸。

设计过程中各参数间要主要满足两个关系：

1.中心杆的长度≥* MERGEFORMAT 底座厚度a+阴模高度H，本文设定为H+3a，这样在压制金属橡胶毛坯过程中，毛坯才能充分利用阴模高度空间；

2.压杆长度≥* MERGEFORMAT 压杆高度（H+3a）-阳模厚度(3a)-底座总高度(3a)≥* MERGEFORMATH-3a,以免压力机和中心杆干涉，阳模不再向下，金属橡胶厚度尺寸t 不能满足。

（二）CATIA 参数化建模

根据3.1 中确定的规则在CATIA 中进行模具装配体参数化建模，然后将模具参数和模具表关联，通过Excel 表格对模具参数进行管理。如图4,选择表格中的一行，模具会以此行参数建立模型。点选编辑表按钮即弹出Excel 表，其中Excel 表格中相应的参数和CATIA 模具表配置行对话框以及CATIA 模型树中的参数相对应。在Excel 表中增加一行新的参数，即创建一个新的模具。更改模具参数，即实现模具的更改。

四、总结与展望

CATIA 参数化设计方法已经应用于环形金属橡胶模具设计中。通过此方法生产的模具大部分产品需求，模具压制的金属橡胶产品均符合质量要求。

该设计方法很好的利用了模具中各零件的相互关系，从而保证模具设计的可应用性。

该设计方法保证了模具的通用性，避免了模具重复加工生产造成的成本和时间浪费。

通过CATIA 参数化建模，实现了模具设计的自动化，极大提高了设计效率和准确性。

后续当结合金属橡胶压制过程施加恒定力情况下模具受力情况对模具进行CAE 参数化仿真，以寻求最佳设计方案。