CAD/CAE技術(shù)在模具設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

李萌崛，焦 鈺，張萬明

西昌學(xué)院輕化工學(xué)院，四川西昌 615000

0 引言

由于產(chǎn)品制造業(yè)的高速發(fā)展，商品朝著多元化和功能化方向發(fā)展，為了適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)提出了更高的要求。現(xiàn)代企業(yè)運(yùn)用目前較為成熟的CAD/CAE技術(shù)來研發(fā)產(chǎn)品，不僅能夠縮短研發(fā)周期，而且能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品和加工工藝的最優(yōu)配置。CAD/CAE工程技術(shù)誕生于上世紀(jì)80年代末期，是集成計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD（Computer Aided Design）和計(jì)算機(jī)輔助工程CAE（Computer Aided Engineering）“設(shè)計(jì)+評(píng)估”于一體的最新產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)[1]。該技術(shù)在工業(yè)上的運(yùn)用有效的利用和整合資源，同時(shí)也保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。按照傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)和加工方法，這個(gè)過程主要依靠設(shè)計(jì)人員積累的經(jīng)驗(yàn)和工藝人員的技巧，缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)做支撐，產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性只有在模具投入生產(chǎn)之后才能進(jìn)行論證，從而提高了研發(fā)成本，造成資源的浪費(fèi)[2]。

本文從CAD/CAE技術(shù)、CAD/CAE軟件、模具設(shè)計(jì)基本流程三個(gè)方面對(duì)CAD/CAE技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜合性介紹。

1 CAD/CAE技術(shù)簡(jiǎn)介

在注塑成型中，許多因素會(huì)影響最終成型制品的各項(xiàng)性能指標(biāo)。這些因素主要包括：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、熔體流動(dòng)、工藝參數(shù)，注塑機(jī)的性能等。CAD/CAE在工業(yè)生產(chǎn)中的投入，設(shè)計(jì)人員便可以直接通過計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）來預(yù)測(cè)制品力學(xué)性能、熔接痕位置、澆口位置等。通常情況下，在注塑成型中，型腔里的聚合物的狀態(tài)和變化過程直接影響最后一部分的性能和質(zhì)量。模擬聚合物加工，預(yù)測(cè)熔體的狀態(tài)和變化來設(shè)計(jì)模具和制定參數(shù)是一種聚合物加工領(lǐng)域中的重要方法。

目前國(guó)內(nèi)企業(yè)中使用的CAE軟件主要包括：Ansys、Fluent、DYNA、Nastran、AutoForm等[3]。在注塑模中moldflow軟件應(yīng)用較為廣泛。Moldflow軟件是根據(jù)塑料加工流變學(xué)和傳熱學(xué)的基本原理，在有限元分析的基礎(chǔ)之上，利用計(jì)算機(jī)建立塑料熔體在模具型腔中填充、流動(dòng)、冷卻的數(shù)學(xué)模型。

2 CAD/CAE軟件簡(jiǎn)介

2.1 Pro/Engineer軟件

Pro/Engineer軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)所開發(fā)的三維造型軟件。Pro/Engineer突出的特點(diǎn)是參數(shù)化設(shè)計(jì)，在國(guó)內(nèi)制品設(shè)計(jì)和注塑模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。Pro/Engineer包含有強(qiáng)大的3D建模功能，設(shè)計(jì)人員可以通過在該平臺(tái)上完成三維設(shè)計(jì)工作。此外，Pro/Engineer在修模過程中提供更加強(qiáng)有力的支持，參數(shù)設(shè)置的修改軟件將自動(dòng)的對(duì)配合和干涉的部件進(jìn)行自動(dòng)的修模。同時(shí)，Pro/Engineer系統(tǒng)自帶的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，其包含螺釘、螺母、螺栓、螺柱、墊圈、銷、鍵、軸承、彈簧、油缸等常用零部件，模型數(shù)據(jù)可被直接調(diào)用[4]。

2.2 UG軟件

UG（Unigraphics NX）是由Siemens PLM Software公司出品的三維造型軟件。UG的參數(shù)化設(shè)計(jì)與Pro/Engineer相比較弱，但是在操作方面與Pro/Engineer相比顯得簡(jiǎn)單。龍計(jì)模架和國(guó)標(biāo)零件庫(kù)都能在UG直接尋找到。20世紀(jì)90年代，UG在PC上的應(yīng)用取得了迅猛的增長(zhǎng)，目前已經(jīng)成為模具行業(yè)三維設(shè)計(jì)的一個(gè)主流應(yīng)用。

2.3 Moldflow軟件

Autodesk Moldflow是我國(guó)企業(yè)在模具設(shè)計(jì)過程中最為常用的仿真軟件。Moldflow具有注塑成型過程的仿真工具，能夠幫助設(shè)計(jì)人員驗(yàn)證和優(yōu)化塑料零件、注塑模具和注塑成型流程。該軟件能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員、模具制作人員、工程師提供指導(dǎo)，通過仿真設(shè)置和結(jié)果闡明來展示壁厚、澆口位置、材料、幾何形狀變化如何影響可制造性。從薄壁零件到厚壁、堅(jiān)固的零件，Autodesk Moldflow的幾何圖形支持可以幫助用戶在最終設(shè)計(jì)決策前試驗(yàn)假定方案[5]。

3 利用CAD/CAE技術(shù)開模過程

3.1 制品設(shè)計(jì)

制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：塑料制品的形狀、尺寸、精度、表面光潔度、壁厚、斜度、加強(qiáng)筋、支撐面、孔、圓角、螺紋及嵌件等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]。制品設(shè)計(jì)是所有設(shè)計(jì)和開模工作的第一步。通過Pro/Engineer、UG、CATIA等眾多的三維造型軟件，逐次調(diào)用各種基本模型元素，如、長(zhǎng)方體、圓柱、球、螺紋等，在基本的布爾運(yùn)算如求和、求差下，完成制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。制品設(shè)計(jì)過程中同時(shí)要注意制品結(jié)構(gòu)的合理，要考慮到制品壁厚和脫模斜度等因素，同時(shí)也要注意制品使用力學(xué)性能，增設(shè)加強(qiáng)筋和支持[7]。

3.2 利用UG和Pro/Engineer軟件進(jìn)行開模

模具設(shè)計(jì)的基本流程如下：

1）制品設(shè)計(jì)模型調(diào)?。和ǔＧ闆r下，由制品設(shè)計(jì)部門完成對(duì)制品外觀和功能的設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)完成的3D模型發(fā)送至模具設(shè)計(jì)部門完成模具設(shè)計(jì)；

2）模腔個(gè)數(shù)及布置：按照一模多腔的基本設(shè)計(jì)方法，完成對(duì)多個(gè)模腔的布局；

3）工件調(diào)取、摳模：在確定坐標(biāo)原點(diǎn)的基礎(chǔ)上，調(diào)入工件，并使用前所設(shè)計(jì)的多腔模型扣取工件，完成模腔形狀設(shè)計(jì)，隨后設(shè)置分型面；

4）側(cè)抽、哈佛塊設(shè)計(jì)：部分制品需要側(cè)抽或者哈佛分型塊、根據(jù)制品具體形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)；

5）龍計(jì)模架調(diào)?。簢?guó)內(nèi)模具設(shè)計(jì)企業(yè)多選用龍計(jì)標(biāo)準(zhǔn)模架；

6）澆注、頂出、冷卻系統(tǒng)的建立；

7）干涉檢查：在模具設(shè)計(jì)完成以前，必須對(duì)干涉進(jìn)行仔細(xì)檢查，在確保無誤的情況下生成裝配圖；

8）零件圖的制作：合理設(shè)置不同的加工精度，精度過高，生產(chǎn)成本成倍增加，精度過低影響制品使用。

3.3 利用Moldflow軟件進(jìn)行模流分析

CAE技術(shù)在今天的工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，特別是在材料工程領(lǐng)域發(fā)揮著及其重要的作用。主要是運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助求解結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)等問題。CAE技術(shù)不僅僅能夠做靜態(tài)分析，而且能完成一系列的動(dòng)態(tài)分析。其基本過程是將一個(gè)形狀復(fù)雜的連續(xù)體模擬成為有限個(gè)形狀簡(jiǎn)單的子區(qū)域，即通過將連續(xù)體離散化，把求解連續(xù)體的場(chǎng)變量這一復(fù)雜問題簡(jiǎn)化為求解有限的單元節(jié)點(diǎn)上的場(chǎng)變量值。

CAE技術(shù)通常要經(jīng)歷如下幾個(gè)步驟：1）建模：對(duì)分析模型的建立，在模具設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)在制品設(shè)計(jì)階段完成；2）有限元的劃分：把建立好的模型進(jìn)行有限網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)劃分的網(wǎng)格進(jìn)行人工修補(bǔ)；3）有限元分析和結(jié)果生成：有限元系統(tǒng)求解和有限元結(jié)果生成；4）修模：根據(jù)分析結(jié)果修改模型設(shè)計(jì)。

在模具設(shè)計(jì)中，運(yùn)用較為廣泛的是Moldflow模流分析。其主要運(yùn)用于：1）輔助設(shè)計(jì)：計(jì)算機(jī)分析結(jié)果輔助設(shè)計(jì)人員對(duì)制品壁厚，澆口位置、澆口數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到優(yōu)化制品設(shè)計(jì)的最終目的。以往的設(shè)計(jì)過程，往往是通過設(shè)計(jì)人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)來完成，對(duì)于模具設(shè)計(jì)的初學(xué)者而言，以上工作就難以完成；2）熔接痕的減少：在制品注塑過程中，難免會(huì)產(chǎn)生熔接痕，熔接痕產(chǎn)生將會(huì)極大地降低制品力學(xué)性能，CAE工程分析有助于熔接痕的提前預(yù)測(cè)，修改制品設(shè)計(jì)從而提高制品的力學(xué)性能；3）優(yōu)化工藝參數(shù)：CAE工程分析能夠幫助工藝師確定最佳的注塑壓力、鎖模力、背壓、模具溫度等工藝參數(shù)。

4 結(jié)論

以上介紹了CAD/CAE工程技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)和模具開發(fā)過程中的運(yùn)用和發(fā)展。CAD/CAE工程技術(shù)貫穿于整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)過程，設(shè)計(jì)人員和工藝人員運(yùn)用CAD/CAE技術(shù)，對(duì)制品結(jié)構(gòu)、流道設(shè)計(jì)，澆口位置、工藝參數(shù)等進(jìn)行有限元分析和運(yùn)算，有效的節(jié)約了資源，同時(shí)縮短了研發(fā)的周期，為提升企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力做出積極的貢獻(xiàn)。

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