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关键词:模具功能部件   

模具技术在功能部件产品制造中的重要性和决定作用

2017-08-21    
  高档数控机床是装备制造业的工作母机,精密滚动直线导轨副、精密滚珠丝杠以及主轴等功能部件是数控机床的核心部件及必需品。尤其是大批量生产的功能部件中的塑料件、橡胶件等,不得不借助于高效、高精、成形率高、尺寸稳定以及有良好互换性的模具技术完成制造。下面以LR45滚柱直线导轨副、滚珠丝杠副制造为例,诠释模具技术在功能部件产品制造领域的重要性和决定作用。
  1. 模具制造业所用数控机床
  精密数控车削中心机床(见图1)、精密数控内外圆磨床、精密立式加工中心机床( 见图2)、精密卧式加工中心机床(见图3)、精密数控电火花成形机床(见图4)、精密慢走丝线切割机床等,是制造模具必需的设备。这些机床少不了功能部件作支撑,亦是模具制造技术适应功能部件产品制造的先决条件。模具制造业与功能部件产品有着必然的联系。

  2. 模具技术在滚柱直线导轨副产品制造中的应用
  作为直线导向元件的滚柱直线导轨副(见图5),其精度决定数控机床的导向精度,关键零件的制造至关重要。导轨、滑座、返向器、滚道柱、保持链、减振刮屑板以及密封端盖等件须利用模具技术完成制造。

  (1)导轨。毛坯由热轧圆钢经退火、冷拔处理,利用精密模具成形技术,在精密冷拉机床上冷拉成形(见图6),提高了金属利用率,降低了成本。

  (2)矩形滑座。利用精密模具成形技术,一料多件,精锻成形(见图7),滑座内型腔已成皱形,加工余量减少,毛坯质量减轻,金属利用率提高,成本降低,缩短了生产周期,取得了显著的经济效益。

  (3)返向器。返向循环系统是滚柱直线导轨副的核心(见图8),而返向器是核心的核心(见图9)。返向器组件中各件结构复杂、形状各异。其中返向器罩如图10所示,引导返向器如图11所示,上返向器如图12所示,下返向器如图13所示,减振刮屑板如图14所示。采用高刚性高塑性工程塑料,用三维立体仿真、注塑模具精密成形技术,一次注射成形,一次开模成功,保证零件一次设计制成成品。并将复杂型腔关键尺寸、关键定位尺寸公差控制在±0.05mm内,从而保证滚柱循环时产品的流畅性好、手感好以及噪声低。





  (4)隔离保持架、保持链(见图15~17)。通过与滚动轴承保持架材料特性进行对比,选特种复合塑料、特殊成形模具技术, 以达到零件的设计要求,保证顺利脱模。避免高速、重载直线导轨副运动过程中滚柱相互碰撞与发热现象,保证实现高精度、高速度和低噪声等优良特性。受履带式链条结构启发,在滚动体之间加装一条链状结构的隔离保持架,完成滚柱相互隔离与运动姿态校正,消除运行中滚柱之间的逆向阻碍和碰撞,有效减小和消除滚动阻力。并使滚柱在无限循环时整齐排列,达到流畅稳定的纯滚动状态,实现高速、静音和高精的运动特性。另外,在结构设计上还根据材料的自润性能,巧妙叠加了额外的滚柱润滑功能。既利用两个滚动框架之间的间隔部分,又增加坑状凹槽,预留储存润滑剂的空间,附加储存润滑油(脂)功能。

  (5)密封端盖、密封底片。目前国内密封端盖、密封底片材料采用ABS工程塑料。为达到密封效果,滑座组件的密封件在运动部件中,其结构在设计时预加一定的过盈量,为0.1~0.3mm,起到与导轨接触面部位的密封作用。材质ABS工程塑料的零件,用模具成形时过盈量会增大,变为刚性接触,导致运动摩擦阻力增大。摩擦力的波动变化直接影响产品的运动平稳性和使用寿命。减小或消除过盈量,可提高运动平稳性,但密封效果则基本丧失或难以达到密封效果。运动部件中的密封底片、密封端盖材料采用NBR-优质耐油橡胶,柔软性接近天然橡胶,具有良好的弹性,耐油、油脂性,耐水、耐热和耐寒性。橡胶材料作为密封件的首选材料,用模具成形技术加工较简单。单纯以NBR 作为密封件,材料本身特点决定了在运动密封件使用中会带来强度低、易磨损的问题,影响产品的使用寿命。恒压力自适应调整密封结构如图18所示,其中密封端盖组件如图19所示,密封端盖骨架材料采用优质冷轧Q235-A钢板。密封底片如图20所示。


  (6)减振结构。借助于强大的模具设计及制造技术,解决直线导轨副产品的塑料件、橡胶件等件的制造问题。为提升产品的性能,开发高弹性蜗状迷宫式减振结构(见图21)。该结构的研究成果与技术创新点在于:为减小滚柱运动时产生的振动对滑座乃至整个运动系统的影响,在比较目前国内减振技术及结构的基础上,借鉴抗震建筑墙体“空心砖”减振设计结构,高速公路“大气孔”沥青路面降噪技术,高档影院、录音室墙壁装修中广泛采用“蜗状吸音”材料的技术原理,设计成蜗状迷宫式结构减振垫,使滚柱产生的振动能量迅速衰减。在此基础上,与返向器组件、返向器罩组合后安装于滑座两端。经实际验证,与没加装蜗状减振结构的同类产品相比,有效降低直线导轨运动中的振动与噪声。该技术已全面应用于高速、重载、精密滚柱直线导轨副产品上,经现场综合性能试验与测试,与普通产品对比,噪声降低4dB。

  (7)装配轨、保持钢丝。装配轨材料为ABS,保持钢丝材料为1Cr18Ni9Ti,也是借助模具技术制成成品。
  3. 模具技术在滚珠丝杠副产品制造中的应用
  高速滚珠丝杠副结构如图22所示。基于模具技术,将粉末注射成形技术(PIM技术)方法成功应用于17-4PH不锈钢返向装置、TiAl合金内循环和外循环返向器(见图23)以及导珠管(见图24)的开发研制,既能全面满足滚珠丝杠副对返向装置的要求,又为返向器、导珠管的设计和制造带来了创新性突破,更为返向装置的优化设计创造了十分有利的条件,实现了高质量精密零件的近净成形绿色制造,已批量生产。在技术上获得了重大突破,取得了更大的经济效益。

  用PIM技术制造导珠管的五大优势包括:①内孔各区段孔径尺寸一致性好,拐弯段的圆度误差大大减小,改善了滚珠的流畅性。②壁厚度可按需加厚,可提高导珠管的工作强度和使用寿命。③ 管孔平滑, 内表面粗糙度质量远远优于弯管工艺所得,内孔无需后序再加工。④整个导珠管是一次成形,既省去管舌的机械加工,又大幅提高了管舌质量。⑤易于实现三维型导珠管的一次成形。

  生产实践表明,用PIM技术制造的返向器、导珠管等形状复杂的精密零件,内部组织致密均匀,表面质量、精度和尺寸一致性好,寿命和可靠性远远高于工程塑料。既提高了产能,又提高了滚珠丝杠副产品的档次及品质。
  4. 结语
  在滚柱直线导轨副、滚珠丝杠副产品制造中,充分发挥模具制造产品的优点,即生产率高、节省原材料、操作工艺简单及对操作者技艺要求低、能制造出形状复杂的零件制品、精度高、尺寸稳定、有良好的互换性、制成的零件和制品不需进一步的机械加工、易于实现自动化生产、成本低以及更适用于大批量生产,可为功能部件制造企业节约大量成本,大幅提高产能,缩短制造周期, 占领市场, 赢得巨大利润,最主要的是提高功能部件产品的档次及质量,全面反映了模具技术的重要性和决定作用。为实现由“制造大国”向“制造强国”的转变,滚柱直线导轨副、滚珠丝杠副制造企业获得了千载难逢的机遇,面临极大的挑战,也对模具设计及制造技术提出了更高的要求:要在高可靠性、高精度、高效性、高强度和环保性等方面不断进行科技攻关、不断创新,形成自身的特色,抢占模具技术发展的制高点。
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