基于某薄壁零件的模具设计及质量问题优化

杨 薇,石晓飞,徐 伟,闫晓锋,李金涛,贾向辉,魏东峰

(航空工业庆安集团有限公司 制造工艺研究所,陕西 西安 710077)

航空航天制造业的技术水平和生产能力代表了国家的制造能力和工业现代化发展水平。总的来说,薄壁零件主要是指零件的壁厚远小于工件的长度和工件截面宽度的零件[1]。航空整体薄壁零件的使用,能够将若干个部件的使用功能集中在一个大的零件中,可以减少零件数量,达到降低成本、减轻机身质量的目的。

尽管我国采用高速加工的方法,但是由于各种影响因素的作用,仍会导致整体结构零件发生一定量的翘曲变形,变形量大小一般为零件允许误差的5～8倍,严重影响薄壁零件的使用功能[2]。因此,如何控制变形是目前航空制造业亟待解决的问题之一。接线板(见图1)是某电动信号枪用于飞机发射联络信号的配套零件,在信号弹发射过程中起到隔热、绝缘、固定并标记导线的作用。

图1 接线板成型零件图

本文研究的接线板为细长型零件(见图2),长宽比为6∶1,而且零件的厚度只有4 mm。通过工装压制成型后,遇25～30 ℃室温易产生翘曲变形。采用直压注压,压力直接传递,由于模具加热板上有加热棒,上模板没有加热棒,同时,零件周围有棱边,使得冷却速率不同,热化学反应力及热收缩率不均产生的变形,后面需要压力矫正夹具来矫正。此外接线板采用半封闭式压缩模的结构,在技术上不如压注成型,成型周期长,压力传递效率低,模具的磨损大,对模具材料要求高,不易压制形状复杂、壁厚相差较大的制品。

图2 接线板三维结构示意图

1 接线板分析

1.1 接线板的材料特性

随着工程玻璃纤维塑料领域的快速发展,酚醛树脂基材料以其特有的质量性能、机械强度高等优点,已经被广泛应用于各种行业领域中。近年来,有关科研人员对酚醛树脂本身的脆性和力学性能进行改性,为了产品的特定使用要求加入相应填料以改进其机械性能来满足使用要求。在低端常规产品中应用新工艺,使酚醛树脂基复合材料有了更大的发展空间和应用前景。各种改性酚醛树脂作为增粘、增硬、增强材料,也不断应用于橡胶工艺的改进之中。

其中,非常重要的代表性材料之一为酚醛玻璃纤维树脂,酚醛玻璃纤维是最早工业化的合成树脂材料,一般是由酚类和醛类在碱性催化剂存在的条件下聚合而成的缩聚物。酚醛树脂以其优异的阻燃性、尺寸稳定性、较好的耐机械强度性能等优良性能而倍受重视,从而推动了对酚醛玻璃纤维树脂材料的研究和应用。酚醛玻璃纤维树脂因其具有良好的拉伸强度和阻燃等很好的机械性能,多被选用为耐磨、抗拉、抗压材料基体。基体材料主要起粘接作用,可使各组分有机粘接在一起。玻璃纤维是耐磨材料的主要承载单元,起到承载效果。基体材料的作用是把抗拉材料的其他组分牢固粘接在一起,使载荷均匀传递、分布并分配到各种玻璃纤维丝,可使材料具有一定强度和韧性。常用纤维包括玻璃纤维、有机纤维、刚纤维、矿物纤维等,对材料的拉伸强度起到调节作用。

随着工业经济领域的飞速发展,人们对酚醛玻璃纤维材料的性能提出了越来越高的要求,因此,高强度、耐热性强改性酚醛玻璃纤维被大量开发和应用。玻璃纤维增强改性酚醛树脂(FX-502)是目前最成功的酚醛玻璃纤维树脂改性材料之一,该材料是以改性酚醛树脂浸渍无碱玻璃纤维经干燥而成的热固性塑料。其特点是刚性好,变形小,耐热、耐磨,能在150～200 ℃的温度范围内长期使用,在水润滑条件下,FX-502酚醛玻璃纤维塑料的摩擦因数极低,其电绝缘性能优良。FX-502酚醛玻璃纤维模塑料常用来模压成各种复杂的机械零件和电气零件,同时,因其具有优良的电气绝缘性能,耐热、耐水、耐磨,可制作各种线圈架、接线板、电动工具外壳、风扇叶片、耐酸叶轮、齿轮和凸轮等。FX-502典型性能见表1。

表1 FX-502典型性能

1.2 接线板的结构工艺性

零件结构的工艺性是指所设计的零件在满足使用性能要求的前提下制造的可行性和经济性。当某个零件的结构形状在现有的工艺条件下,既能方便制造,又有较低的制造成本时,这种零件结构的工艺性就好。分析零件结构的工艺性．首先要分析该零件是由哪些表面组成的,因为零件表面形状是选择加工方法的基本因素。例如,对外圆柱面一般采用车削和磨削进行加工,对内孔一般则采用钻、扩、铰、镗、磨削等进行加工。除了表面形状外,还要分析表面的尺寸大小。例如,直径很小的孔精加工宜采用铰削或镗削,不宜采用磨削。

2 模具设计

2.1 模具结构的选择

由于该接线板长214 mm,宽11 mm,厚度约4 mm,长宽比为6∶1,且FX-502酚醛玻璃纤维塑料因使用玻璃纤维作填料,故其成型流动性差,单位比压高,比容大,若采用压注式塑压模成型时,接线板长度尺寸大,造成原材料流动的路径太长,容易在接线板两端因原材料无法充满型腔,造成接线板缺料。因此,采用半封闭式压缩模的结构[3]。它的基本原理是将粉状、松散状或预压冷坯料等固态成型物料直接加入到模具型腔中,通过加热、加压方法使它们逐渐软化熔融,然后根据模腔形状进行流动成型,最终经过固化转变为期望的接线板。这种型腔压制的制品密度大,力学性能好,制品精度高,飞边小且易去除。

2.2 模具固定方式的选择

根据接线板结构的工艺性分析,接线板外形较大,其成型模具相应尺寸较大,若采用移动式压缩模成型,填料、开模、取件等工序均为手工操作,劳动强度大,且存在安全隐患,故应采用固定式压缩模[4]。固定式压缩模的上、下模分别固定安装在液压机的动梁和工作台上,开模、合模、脱模等工序均在液压机上进行(见图3),生产效率高,操作简单,劳动强度小。其缺点是模具结构复杂,成本高,嵌件安装不方便。适用于成型批量较大或尺寸较大的接线板。

图3 模具安装示意图

2.3 上、下模芯的设计

下模芯是接线板的主成型面,成型凹凸不平的面以及大小不同的圆孔(见图4),把最复杂的成型要素放在下模芯上一次成型。上模芯组件安装在液压机的动梁上,其作用主要兼顾成型和传递液压机压力,还具有排除废气和控制余料的功能。如试模后需要,在其侧面加工纵向排气槽,从上模芯组件的成型面直至模板。一般这种排气槽深为0.3～0.5 mm,宽为5～6 mm,兼作溢料槽。

图4 上、下模芯示意图

2.4 模具中模板设计

模具中模板主要成型接线板外轮廓(见图5),中模板兼顾加料腔及固定下模芯的作用,与上模芯采用间隙配合,配合间隙最大不超过0.05 mm。如果间隙过大,极易造成溢料过多,零件成型不完整;如果间隙过小,在高温高压下极易造成拉毛咬合,有损模具零部件,还会造成溢料过少,零件尺寸超差。

图5 中模板示意图

2.5 顶出机构的设计

模具的8个推杆均匀分布在下模芯成型面上,安装并固定在活动推板上,推板连接液压机顶杆,实现液压自动顶出(见图6)。因为推杆的长径比较大,为了防止顶杆弯曲变形,增加推板导柱引导实现顶出和复位动作。

图6 推杆示意图

2.6 模具加热系统设计

该接线板由于模具外形大,不适用液压机模板加热的方式。一般大型热固模具设计采用自带加热单元的方式,主要的加热元件为电加热棒,并连接温控箱。电加热的特点是容易实现温度的自动控制,设备简单,安装维修方便[5]。通过计算加热模具所需的功率,在1 h内由室温(25 ℃)达到成型温度:

P=0.24m(θ2-θ1)

(1)

式中,m是模具的质量,单位为kg;θ1是模具加热前温度,单位为℃;θ2是模具压缩时温度,单位为℃。

根据相关标准,该材料成型温度为160 ℃,称得该模具共120 kg,所需电功率P=0.24×120×(160-25)=3 888 (W)。选用500 W的加热棒,需要的根数n=3 888/500=7.78,因此至少需要8根加热棒。

2.7 模具结构件分类

模具的装配示意图如图7所示。图7中,闭模导向装置与支撑零部件的组合构成模架,再添加成形零件和其他必要的功能结构来形成。

根据模具各部件与原材料的接触情况可分为如下两类。

1)成型部件:与原材件接触并构成成型空间的部件,决定着接线板的几何形状和尺寸。图7中,上模芯、下模芯凹凸不平的面决定制件的内形,而中模板决定制件的外轮廓。

2)结构部件:模具结构组成中非成型零件,起支撑、导向、温度补偿及顶出制件等功能。

3 模具部件的制造

3.1 下模芯的制造

下模芯材料选用CrWMn,该型钢材调质后有良好的机械加工性能,并且最终真空淬回火后的硬度为50～55 HRC,变形不超过5%,价格较低,是常用的工具钢,可加工较为复杂的结构[6]。该零件构成表面既有成型制件内形凹凸不平的面,又有成型制件大小不同的圆孔。针对其各加工表面可以选择的加工方法和顺序:首先磨削六面,然后镗各类孔,最后数控铣削外形。具体内容如下:下料(棒料)→刨六面,按最大轮廓六面体各面均留0.3 mm→磨削六面,按最大轮廓六面体→镗孔→数控铣削外形,刻字符→淬回火,50～55 HRC→钳工修配抛光→成型表面镀铬→钳工抛光。

3.2 中模板的制造

中模板主体材料为CrWMn,模具中模板主要成型接线板外轮廓,主体外廓有台阶槽、销钉孔和螺栓过孔。针对其各加工表面可以选择主要的加工方法和顺序:首先磨削六面,然后数控铣削外形。加工顺序和内容如下:下料(棒料)→刨六面,按最大轮廓六面体各面均留0.3 mm→磨削六面,按最大轮廓六面体→镗孔→数控铣削外形→抛光→淬回火,50～55 HRC→钳工修配抛光→成型表面镀铬→钳工抛光。

3.3 模具主要结构零件的制造

模具结构零件中加热板、上固定板、下固定板、垫板、推杆等板类零件主要由平面和孔系组成,平面和孔有较高的形状精度要求,孔与孔之间、孔与平面之间有较高的位置精度要求[7]。在加工过程中为保证技术要求和加工方便,一般遵循“先面后孔”的原则,即先加工平面,再以平面定位加工孔系。其加工工艺过程概述如下。

在铣床或刨床上粗加工上、下两平面,留精加工余量,然后在平面磨床上磨至尺寸并见光两相邻侧面,为了保证安装导柱、导套的垂直度,必须磨好上、下平面后再进行孔加工,相邻侧面作定位基准,再以3个相互垂直的平面作定位基准加工孔系,这有利于保证孔系和各平面间的相互位置精度,定位准确可靠。

模具结构零件中导柱、导套、推杆板导柱为模具的导向机构零件,导柱与导套构成导向运动,保证模具运动零件的相对位置和运动过程中的平稳性。导柱各段的同轴度、圆柱度有较高要求。同时,导柱工作部位轴径尺寸与导套或模具上引导孔满足动配合要求,而且工作表面应具有耐磨性,一般选用材料为T8A,淬回火50～55 HRC。因此导柱加工过程中,外圆柱面的车削和磨削一般采用设计基准和工艺基准重合的两端中心孔定位。因此车削和磨削前应先加工中心定位扎。中心孔的形状精度和同轴度对导柱的加工质量有很大影响,保证中心孔与顶尖之间良好配合很重要。为消除中心孔在热处理过程中可能产生的变形,使外圆磨削时获得精确定位,导柱在热处理后应采用研磨法修整中心孔。外圆磨削时可在一次装夹中将导柱两段外圆磨出,保证两表面间的同轴度。

导套与导柱相配合,构成导套的主要是内外圆柱面,机械加工过程中,除了导套配合表面尺寸、形状精度外,还需保证内外圆柱配合面的同轴度要求。导套内圆柱面应具有良好的耐磨性,一般选用材料为T8A,淬回火50～55 HRC。内外圆柱面的同轴度及其圆柱度一般不低于IT6,另外还需控制工作部位的径向尺寸,导套磨削加工时可以先磨内孔,再将导套装在专门设计的锥度(1∶1 000～1∶5 000)心轴上,以心轴两端的中心孔定位,磨削外圆柱面。这样既可以保证同轴度要求,又能防止内孔微量变形。

4 接线板的成型过程

模具装上液压机后应进行预热,达到工艺温度后即可进行接线板压制,一般热固性塑料压缩过程可以分解为预压、加料、闭模、排气、固化和脱模等几个阶段(见图8)。

图8 接线板成型过程示意图

1)预压:在室温下将松散的粉状或纤维状的模塑料压成质量一定、形状规整的密实体,预压降低了模塑粉的压缩率,可减少模具的装料室,简化了模具结构。预压物紧密,空气少,使传热加快,缩短了预热和固化时间,同时避免制品出现气泡,有利于提高制品质量。

2)加料:根据压制制品的体积和真实密度,再加上毛刺、飞边等额耗损,进行投料量的估算,以保证制品几何尺寸的准确,防止物料不足和材料浪费。

3)闭模:加料后即进行闭模。该接线板模具闭模分为两步:当上模芯组件尚未接触物料时,为缩短成型周期,避免塑料在闭模之前发生固化反应,闭模速度应快,当上模芯组件接触到塑料之后,为避免模具成型零件的损坏,并使型腔组件内空气充分排除,应放慢闭模速度。即所谓先快后慢的闭模方式。

4)排气:压缩成型接线板时,在模具闭合后,必要时还需卸压将上模芯组件松动少许时间,使物料中残留的挥发物、水分、空气及固化反应中生成的低分子物有足够时间放出,一般制品放气次数1～2次,通常为几秒至20 s。

5)固化:压缩成型该接线板时,塑料依靠交联反应固化定型,因此生产中常将这一过程称为固化。在这一过程中,呈粘流态的热固性塑料在模腔内与固化剂反应,形成交联结构,并在成型温度和压力下保待一段时间,使其性能达到最佳状态,故压缩成型的主要工艺参数是指成型压力、成型温度和成型时间。

6)脱模:接线板固化时间结束后,液压机顶出机构带动模具推板,由8个顶杆共同顶出接线板,取下接线板,接线板顶出动作平稳,快捷方便。清理模具后即可进行下一次的压制。

5 接线板压制过程中出现的问题

5.1 零件翘曲问题

5.1.1 问题描述

接线板为细长型零件,长宽比为6∶1,而且零件的厚度只有4 mm。通过工装压制成型后,零件两端发生翘曲,最大处超过0.3 mm,对零件的后机械加工产生了极其不利的影响,造成零件合格率低。

5.1.2 查找原因

零件压制过程中主要问题如下。

1)零件翘曲过大。

零件翘曲现象的发生主要是由于接线板受到了较大的应力作用,主要分为外部应力和内部应力,当大分子间的作用力和相互缠结力承受不住这种力作用时,接线板就会发生翘曲变形[8]。外部应力导致的翘曲主要是接线板顶出变形,产生的原因是模具顶出机构设计不合理。而内部应力导致的翘曲变形主要是受到大分子链的取向和冷却收缩等因素而产生的内在应力变大,破坏了内应力平衡,造成接线板产生翘曲变形,严重时会发生应力开裂。

2)零件厚度不均。

接线板压制时,所选材料的状态是挤出料,其外形是无规则的,将其放入模具型腔中,合模压制,模具会发生一定程度的倾斜,最终体现在接线板的厚度尺寸不均。

3)顶杆过长,拉伤模具型腔,且顶出困难。

模具首次设计时使用成型型芯作为顶杆将零件顶出型腔。但是在实际的压制过程中,接线板的顶出动作繁琐,且极易拉伤模具,导致接线板出模困难[9]。这些现象主要是由于成型型芯在压制过程中受到流动树脂的挤压,与模具之间产生了一定的作用力,在零件出模时拉伤了模具。

5.1.3 解决方案及工艺性试验

1)冷却夹具设计。

在接线板压制完成后,使用冷却夹具(见图9)施压加紧接线板,可有效改善接线板的翘曲变形。许多同类零件均有采用相同的方式来减小翘曲所造成的不利影响。在接线板出模后,使用冷却夹具室温施压40～90 min,零件翘曲有了明显的改善,为零件的后加工提供了先决条件。

a) 冷却夹具CAD图

2)冷坯模设计。

由于挤出料的不规则外形,放入型腔后高低不平(见图10),且树脂流动的距离不一,接线板压制完成后,总是会有厚度不均,偶尔还会有缺料。

图10 挤出料在型腔中示意图

使用冷坯模预压制的冷坯成型零件(见图11和图12),理论上可以有效减少树脂在型腔中的流动距离(见图13),从而可有效解决零件缺料的问题。它的基本原理是将粉状、松散状或预压冷坯料等固态成型物料直接加入到模具型腔中,通过加热、加压方法使它们逐渐软化熔融,然后根据模腔形状进行流动成型,最终经过固化转变为最终期望的接线板[10]。

图11 预压冷坯示意图

图12 冷坯模工装示意图

图13 冷坯在型腔中示意图

用塞尺测量压制后的接线板,使用冷坯模预压的冷坯料,与不规则的挤出料相比较,可以使得压制后的接线板厚度偏差保持在0.2 mm以下(见图14),减少了接线板后加工的工作量。

图14 塞尺测量零件示意图

压缩成型采用预压冷坯料具有如下优点:加料简单、迅速,避免了因加料过多或过少而造成废品;采用适合的冷坯料进行压缩成型,能够压缩成型形状复杂的接线板;避免了加料过程中的物料粉末飞扬,改善劳动条件等。

3)顶出机构改进。

顶出机构改进前后示意图如图15所示。将成型型芯缩短,增加8处顶杆并与推杆板连接,加上推杆固定板、推杆板导柱和推杆板导套,就组成了新的顶出机构。改进后的顶出机构,接线板顶出动作平稳,快捷方便,不仅提高了接线板质量,还提升了生产效率。顶出动作前后示意图如图16所示。

a) 改进前

a) 顶出动作前

5.2 问题小结

热固性塑料零件所采用的半封闭式直压法,模腔内所产生的压力较大,且接线板本身的硬度也较大,不宜使用凸出的型芯作为零件的顶出机构,应在树脂流动方向无关联的面设置顶出机构。通过试模的成功验证,充分说明以上改进方法对于固定式半封闭塑压模具设计、较大尺寸的热固性接线板成型工艺、成型后有严重翘曲的接线板成型均有一定的可参考性。采用固定式机载塑压模的设计,具有生产效率高、操作简易、工人的劳动强度小、开模振动小和模具寿命长等特点。通过成型工艺的摸索,大大减少了废品和物料的浪费,降低了生产成本。

5.3 改善效果追踪

现对2021年及2022年生产的4批零件进行统计(见表2和表3)发现,经过改善后,4批零件合格率均达到85%以上,改善内容可行。改善前后柱状图如图17所示。

表2 2021年生产零件4个批次交检记录统计表

表3 2022年生产零件4个批次交检记录统计表

从改善前后柱状图上可以直观地看出,在使用冷却夹具、冷坯模及改进顶出机构后,零件合格率提高,改善效果非常明显。

6 结语

通过接线板接线板的工艺摸索、模具设计及零件翘曲问题的分析和解决,掌握了固定式热固塑压模具的设计方法和思路及FX-502酚醛玻璃纤维模塑料的工艺性能。该模具结构设计合理可行,工艺规程所采用的模压成型和后处理方式正确有效,流程安排合理完善,生产出的接线板能满足产品使用要求。本文的研究成果将继续应用于后续各种薄壁零件的加工,具有代表性的零件主要有框体类零件、梁类零件、整体壁板、缘条、长桁类零件以及航空发动机结构中的薄壁零件[11],具有广泛的应用价值,同时可为后续研究者提供新的思路。