产品设计与模具开发流程

■ 江门市新会区会城邦诺模具加工部 （广东 529100） 柯秉光

优秀的产品离不开高品质的模具，还有整个生产流程的精准控制，其核心就是设计。现以一款不锈钢脸盆水龙头（见附图）为例，介绍其整个研发设计流程。

1.结构设计

根据产品的生命周期以及市场需求，客户需要推出一款健康无污染而且线条细腻的脸盆水龙头，其基本功能是普通的冷热混合供水，根据实际的生产工艺，采用不锈钢精密铸造方式来生产龙头的金属构件，这就是项目的基本拟定。接下来是进行产品设计，首先是基于功能要求的框架设计，设计师根据通用脸盆以及水暖装修的基本装配数据，拟定水龙头的基本外形尺寸；按出水口的高度与角度要求选用起泡器并定制其位置；根据冷热水混合要求，选用合适的陶瓷阀芯；参考冷热水进水管位置与接头规格，拟定龙头内部水流通道的封闭结构；必须控制与起泡器、陶瓷阀芯及水管接头相关结构的尺寸，以保证配件的互换性，尽量选用常见的配件以降低维护的难度；能否选择非通用型互换配件，比如现有生产型号的起泡器座、阀芯锁母能否兼容使用或修改使用。

不锈钢水龙头

有了基本的结构框架，设计师就可以按自己的设计理念并参考市场调研数据进行水龙头的外观造型设计，制定出基本的造型方案。综合了结构框架与外观造型，接下来就可以进行水龙头结构件的精确设计，这里需要考虑的问题很多，首先要明确冷热水循环的路径，必须保证独立封闭相互联通，避免漏水的发生；要考虑主体壁厚的控制，在保证铸造可靠性的前提下尽量减轻质量；中空的结构决定了主体不可能整体一次浇注，需要对主体进行分割，分件铸造后再采用焊接成型，所以要考虑到后序焊接的工艺，比如选用多大功率的氩弧焊机，驳接的位置是否会影响到焊枪的使用，驳接位能否设计成无焊丝焊接结构；焊接后的主体采用何种抛光方式，现有的抛光工艺是否能满足，造型棱线是否能通过抛光表达出来；由于分割的主体构件需要精密铸造，因此要考虑构建内部结构是否易于沾浆、制壳和干燥，以及铸造后是否容易清砂，或者出现缩孔等铸造缺陷，这还涉及到了浇注口放的位置、组树的方式以及钢水流动的路径是否够补缩；主体分割还要考虑到核心构件在焊接前能组立封闭的冷热水循环通道进行压力测试。

2.模具的设计与制作

解决了这些问题，设计出来的水龙头就相对合理了，可以进入到模具设计与制作环节。首先要进行模具的分类：从陶瓷阀芯底座延伸出来的冷、热水管采用304无缝钢管通过调整管的弯曲角度而成，这就需要用Cr12加工并热处理的压型模；主体构件、开关把手和阀芯锁母等配件选用不锈钢精密铸造工艺，需要开发由镁铝合金制作而成的蜡件精铸模。水管压型模属于冲压模具的范畴，选用液压机进行生产加工，所以在设计的时候需要考虑到压力的大小与模具的强度是否匹配；尽量避免折弯角度过大，否则模具内部的定位不可靠，容易造成水管的移位，而且水管也容易被过度压扁导致水流量的减少，所以在水管长度范围内尽量使两根水管的形状一致，弯曲变形相对平缓；另外，液压成型的过程具有一定的危险性，还要考虑模具在生产操作流程中的安全性。

金属构件的精铸模设计更复杂，首先要考虑预留加工余量，陶瓷阀芯底座的端面、侧壁以及锁母的螺纹配合，起泡器座的螺纹配合，这些位置都需要数控车床加工，要预留合理的机加工余量，在铸件变形的范围内尽量减少机加工余量以节省生产成本；按常规的铸造数据放缩水率，并根据构件的大小与形状进行微调，尽量保证所有构件铸造后能尺寸同步；根据射蜡机的型号，制定模具的外形尺寸、上下模板的厚度及射蜡嘴的配合尺寸；结构类似或者互补的构件能否整合到同一套模具里面，以减少模具数量、控制生产成本；构件的结构相对复杂要用到抽芯结构，甚至模具六个面都有抽芯，由于是人手操作的模具，因此所有的抽芯与滑块都要有自锁功能，行程较小的抽芯要尽量采用限位锁定结构固定在模具上，以减少生产中发生的抽芯跌落损坏；构件的配合尺寸很容易因铸造变形发生偏差，因此配合的部位还要考虑到后续修正的可行性与修改难度；在现有的加工条件下，根据模具的结构，合理搭配加工中心、数控车床、线切割、电火花成型等设备的应用，控制生产周期与成本。

3.产品试制

模具制作完毕将进入产品试制环节，铸件出来后要进行数据的检验以及铸造质量的评估，然后进行后续的机加工、压力测试、焊接、抛光和装配等工序，这里就涉及到工装夹具的设计了。铸件存在着收缩与变形的现象，厚的地方容易收缩塌陷，而开放性结构比如主体的接口部分容易扭曲变形，这就需要做成型内芯对其进行调型。调型后的铸件外形尺寸基本一致，可用数控车床精加工配合尺寸，由于铸件均为异形构件，所以要设计出外圆内异形的开边夹具以配合数控车床的三爪自定心卡盘装夹。除此之外，焊接、抛光和激光打标也要根据现有的设备设计出相应的夹具。

4.3D打印技术的应用

麻雀虽小，五脏俱全，即便是一款简单的水龙头，其设计开发也得面面俱到。在现代设计中，数字化贯穿始终，从立项之初的市场数据归纳分析，到产品基本构思的拟定，从产品精准设计到模具开发生产，再到配件的加工与总装，始终围绕着数字化模型的核心数据。近年来3D打印技术飞速发展，从入门级FDM打印技术的推广，到光固化树脂打印的不断推陈出新，乃至金属激光烧结成型的量化生产，3D打印技术的应用正在改变着产品设计与模具制作流程。

在水龙头外观造型设计的时候，可以多个造型方案同步进行，借助桌面级的FDM打印机直接打印出水龙头的外形进行迭代设计，可快速直观地确定外观造型。整个龙头设计出来后，可以借助光固化打印机用高强度光敏树脂将其打印出来，光固化机型更能确保内部结构的打印精度以及外观的表面质量。如果选用铸造用的光敏树脂，还能直接打印出铸造用的蜡模，可以节省精铸模具制作以及蜡模制作的流程，直接进入到制壳铸造环节。在工业级的SLS打印机中，还有可以将蜡粉烧结成蜡模，或者将树脂砂直接烧结成砂模的机型，同样省掉模具制作流程，具有更高的质量。不过，省掉模具制作流程并非意味着可以替代模具，至少目前来看，批量生产还是需要模具来保证的，这两种成型工艺还是比较适合试样生产的。当然，高端用户的个性化定制，可以考虑直接采用金属烧结将水龙头直接打印出来。

[1] 柯秉光．3D打印助力模具开发[J]．金属加工（冷加工），2015（2）：22-23.

[2] 柯秉光．3D打印在模具制造中的应用[J]．金属加工（冷加工），2016（22）：36-37.