產(chǎn)品設(shè)計(jì)與模具開(kāi)發(fā)流程

■ 江門(mén)市新會(huì)區(qū)會(huì)城邦諾模具加工部 （廣東 529100） 柯秉光

優(yōu)秀的產(chǎn)品離不開(kāi)高品質(zhì)的模具，還有整個(gè)生產(chǎn)流程的精準(zhǔn)控制，其核心就是設(shè)計(jì)?，F(xiàn)以一款不銹鋼臉盆水龍頭（見(jiàn)附圖）為例，介紹其整個(gè)研發(fā)設(shè)計(jì)流程。

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品的生命周期以及市場(chǎng)需求，客戶需要推出一款健康無(wú)污染而且線條細(xì)膩的臉盆水龍頭，其基本功能是普通的冷熱混合供水，根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)工藝，采用不銹鋼精密鑄造方式來(lái)生產(chǎn)龍頭的金屬構(gòu)件，這就是項(xiàng)目的基本擬定。接下來(lái)是進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，首先是基于功能要求的框架設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師根據(jù)通用臉盆以及水暖裝修的基本裝配數(shù)據(jù)，擬定水龍頭的基本外形尺寸；按出水口的高度與角度要求選用起泡器并定制其位置；根據(jù)冷熱水混合要求，選用合適的陶瓷閥芯；參考冷熱水進(jìn)水管位置與接頭規(guī)格，擬定龍頭內(nèi)部水流通道的封閉結(jié)構(gòu)；必須控制與起泡器、陶瓷閥芯及水管接頭相關(guān)結(jié)構(gòu)的尺寸，以保證配件的互換性，盡量選用常見(jiàn)的配件以降低維護(hù)的難度；能否選擇非通用型互換配件，比如現(xiàn)有生產(chǎn)型號(hào)的起泡器座、閥芯鎖母能否兼容使用或修改使用。

不銹鋼水龍頭

有了基本的結(jié)構(gòu)框架，設(shè)計(jì)師就可以按自己的設(shè)計(jì)理念并參考市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行水龍頭的外觀造型設(shè)計(jì)，制定出基本的造型方案。綜合了結(jié)構(gòu)框架與外觀造型，接下來(lái)就可以進(jìn)行水龍頭結(jié)構(gòu)件的精確設(shè)計(jì)，這里需要考慮的問(wèn)題很多，首先要明確冷熱水循環(huán)的路徑，必須保證獨(dú)立封閉相互聯(lián)通，避免漏水的發(fā)生；要考慮主體壁厚的控制，在保證鑄造可靠性的前提下盡量減輕質(zhì)量；中空的結(jié)構(gòu)決定了主體不可能整體一次澆注，需要對(duì)主體進(jìn)行分割，分件鑄造后再采用焊接成型，所以要考慮到后序焊接的工藝，比如選用多大功率的氬弧焊機(jī)，駁接的位置是否會(huì)影響到焊槍的使用，駁接位能否設(shè)計(jì)成無(wú)焊絲焊接結(jié)構(gòu)；焊接后的主體采用何種拋光方式，現(xiàn)有的拋光工藝是否能滿足，造型棱線是否能通過(guò)拋光表達(dá)出來(lái)；由于分割的主體構(gòu)件需要精密鑄造，因此要考慮構(gòu)建內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否易于沾漿、制殼和干燥，以及鑄造后是否容易清砂，或者出現(xiàn)縮孔等鑄造缺陷，這還涉及到了澆注口放的位置、組樹(shù)的方式以及鋼水流動(dòng)的路徑是否夠補(bǔ)縮；主體分割還要考慮到核心構(gòu)件在焊接前能組立封閉的冷熱水循環(huán)通道進(jìn)行壓力測(cè)試。

2.模具的設(shè)計(jì)與制作

解決了這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)出來(lái)的水龍頭就相對(duì)合理了，可以進(jìn)入到模具設(shè)計(jì)與制作環(huán)節(jié)。首先要進(jìn)行模具的分類：從陶瓷閥芯底座延伸出來(lái)的冷、熱水管采用304無(wú)縫鋼管通過(guò)調(diào)整管的彎曲角度而成，這就需要用Cr12加工并熱處理的壓型模；主體構(gòu)件、開(kāi)關(guān)把手和閥芯鎖母等配件選用不銹鋼精密鑄造工藝，需要開(kāi)發(fā)由鎂鋁合金制作而成的蠟件精鑄模。水管壓型模屬于沖壓模具的范疇，選用液壓機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)加工，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮到壓力的大小與模具的強(qiáng)度是否匹配；盡量避免折彎角度過(guò)大，否則模具內(nèi)部的定位不可靠，容易造成水管的移位，而且水管也容易被過(guò)度壓扁導(dǎo)致水流量的減少，所以在水管長(zhǎng)度范圍內(nèi)盡量使兩根水管的形狀一致，彎曲變形相對(duì)平緩；另外，液壓成型的過(guò)程具有一定的危險(xiǎn)性，還要考慮模具在生產(chǎn)操作流程中的安全性。

金屬構(gòu)件的精鑄模設(shè)計(jì)更復(fù)雜，首先要考慮預(yù)留加工余量，陶瓷閥芯底座的端面、側(cè)壁以及鎖母的螺紋配合，起泡器座的螺紋配合，這些位置都需要數(shù)控車(chē)床加工，要預(yù)留合理的機(jī)加工余量，在鑄件變形的范圍內(nèi)盡量減少機(jī)加工余量以節(jié)省生產(chǎn)成本；按常規(guī)的鑄造數(shù)據(jù)放縮水率，并根據(jù)構(gòu)件的大小與形狀進(jìn)行微調(diào)，盡量保證所有構(gòu)件鑄造后能尺寸同步；根據(jù)射蠟機(jī)的型號(hào)，制定模具的外形尺寸、上下模板的厚度及射蠟嘴的配合尺寸；結(jié)構(gòu)類似或者互補(bǔ)的構(gòu)件能否整合到同一套模具里面，以減少模具數(shù)量、控制生產(chǎn)成本；構(gòu)件的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜要用到抽芯結(jié)構(gòu)，甚至模具六個(gè)面都有抽芯，由于是人手操作的模具，因此所有的抽芯與滑塊都要有自鎖功能，行程較小的抽芯要盡量采用限位鎖定結(jié)構(gòu)固定在模具上，以減少生產(chǎn)中發(fā)生的抽芯跌落損壞；構(gòu)件的配合尺寸很容易因鑄造變形發(fā)生偏差，因此配合的部位還要考慮到后續(xù)修正的可行性與修改難度；在現(xiàn)有的加工條件下，根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)，合理搭配加工中心、數(shù)控車(chē)床、線切割、電火花成型等設(shè)備的應(yīng)用，控制生產(chǎn)周期與成本。

3.產(chǎn)品試制

模具制作完畢將進(jìn)入產(chǎn)品試制環(huán)節(jié)，鑄件出來(lái)后要進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)以及鑄造質(zhì)量的評(píng)估，然后進(jìn)行后續(xù)的機(jī)加工、壓力測(cè)試、焊接、拋光和裝配等工序，這里就涉及到工裝夾具的設(shè)計(jì)了。鑄件存在著收縮與變形的現(xiàn)象，厚的地方容易收縮塌陷，而開(kāi)放性結(jié)構(gòu)比如主體的接口部分容易扭曲變形，這就需要做成型內(nèi)芯對(duì)其進(jìn)行調(diào)型。調(diào)型后的鑄件外形尺寸基本一致，可用數(shù)控車(chē)床精加工配合尺寸，由于鑄件均為異形構(gòu)件，所以要設(shè)計(jì)出外圓內(nèi)異形的開(kāi)邊夾具以配合數(shù)控車(chē)床的三爪自定心卡盤(pán)裝夾。除此之外，焊接、拋光和激光打標(biāo)也要根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備設(shè)計(jì)出相應(yīng)的夾具。

4.3D打印技術(shù)的應(yīng)用

麻雀雖小，五臟俱全，即便是一款簡(jiǎn)單的水龍頭，其設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)也得面面俱到。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，數(shù)字化貫穿始終，從立項(xiàng)之初的市場(chǎng)數(shù)據(jù)歸納分析，到產(chǎn)品基本構(gòu)思的擬定，從產(chǎn)品精準(zhǔn)設(shè)計(jì)到模具開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，再到配件的加工與總裝，始終圍繞著數(shù)字化模型的核心數(shù)據(jù)。近年來(lái)3D打印技術(shù)飛速發(fā)展，從入門(mén)級(jí)FDM打印技術(shù)的推廣，到光固化樹(shù)脂打印的不斷推陳出新，乃至金屬激光燒結(jié)成型的量化生產(chǎn)，3D打印技術(shù)的應(yīng)用正在改變著產(chǎn)品設(shè)計(jì)與模具制作流程。

在水龍頭外觀造型設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以多個(gè)造型方案同步進(jìn)行，借助桌面級(jí)的FDM打印機(jī)直接打印出水龍頭的外形進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，可快速直觀地確定外觀造型。整個(gè)龍頭設(shè)計(jì)出來(lái)后，可以借助光固化打印機(jī)用高強(qiáng)度光敏樹(shù)脂將其打印出來(lái)，光固化機(jī)型更能確保內(nèi)部結(jié)構(gòu)的打印精度以及外觀的表面質(zhì)量。如果選用鑄造用的光敏樹(shù)脂，還能直接打印出鑄造用的蠟?zāi)?，可以?jié)省精鑄模具制作以及蠟?zāi)Ｖ谱鞯牧鞒?，直接進(jìn)入到制殼鑄造環(huán)節(jié)。在工業(yè)級(jí)的SLS打印機(jī)中，還有可以將蠟粉燒結(jié)成蠟?zāi)?，或者將?shù)脂砂直接燒結(jié)成砂模的機(jī)型，同樣省掉模具制作流程，具有更高的質(zhì)量。不過(guò)，省掉模具制作流程并非意味著可以替代模具，至少目前來(lái)看，批量生產(chǎn)還是需要模具來(lái)保證的，這兩種成型工藝還是比較適合試樣生產(chǎn)的。當(dāng)然，高端用戶的個(gè)性化定制，可以考慮直接采用金屬燒結(jié)將水龍頭直接打印出來(lái)。

[1] 柯秉光．3D打印助力模具開(kāi)發(fā)[J]．金屬加工（冷加工），2015（2）：22-23.

[2] 柯秉光．3D打印在模具制造中的應(yīng)用[J]．金屬加工（冷加工），2016（22）：36-37.