機(jī)械設(shè)計(jì)與模具設(shè)計(jì)中CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用

毛興寬

摘要：工業(yè)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，基礎(chǔ)工業(yè)產(chǎn)品呈現(xiàn)多元發(fā)展的特點(diǎn)，對(duì)加工設(shè)計(jì)制作也提出了新要求。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該積極響應(yīng)市場(chǎng)的號(hào)召，明確客戶的需求，綜合利用CAD/CAE技術(shù)進(jìn)行機(jī)械模具設(shè)計(jì)，滿足多元化市場(chǎng)要求?；诖?，本文將主要論述機(jī)械設(shè)計(jì)與模具設(shè)計(jì)中CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì);模具設(shè)計(jì);CAD/CAE;技術(shù)應(yīng)用

0? 引言

CAD/CAE的軟件功能強(qiáng)大，能夠展示出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、色彩、外形等必要特點(diǎn)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)修復(fù)功能。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中可以隨時(shí)修改產(chǎn)品存在的參數(shù)，快速修補(bǔ)模具缺陷，綜合利用計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)功能，形成自動(dòng)化管理，能夠滿足多樣化的市場(chǎng)需求。

1? CAD/CAE技術(shù)的概述

CAD技術(shù)，是英文computer aided design的簡(jiǎn)稱，中文翻譯為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。CAD技術(shù)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，操作相對(duì)比較簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，通過對(duì)實(shí)物進(jìn)行模擬建設(shè)，能夠立體畫地展示事物的結(jié)構(gòu)、色彩、外形等基礎(chǔ)要素。在電子工業(yè)、機(jī)械制造，航空航天領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。CAD具備著設(shè)計(jì)模擬、修改整合、版本控制、文檔保存等一系列功能。CAE是computer aided engineer的簡(jiǎn)稱，中文翻譯文計(jì)算機(jī)輔助工程，技術(shù)技術(shù)以數(shù)據(jù)為支持，進(jìn)行分析求解的一種軟件，主要分析材料彈性系數(shù)、剛度等重要性能。目前常用的應(yīng)用軟件有pro、engineer，UJ等。CAE軟件有強(qiáng)大的參數(shù)計(jì)算功能，在數(shù)據(jù)建模的基礎(chǔ)上依靠強(qiáng)大的平臺(tái)和技術(shù)支撐，設(shè)計(jì)人員能夠完成前期的設(shè)計(jì)與修改工作，全方位展示材料位置形變的內(nèi)部要素，為后續(xù)實(shí)際生產(chǎn)提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2? 機(jī)械設(shè)計(jì)與模具設(shè)計(jì)中存在的問題

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)與模具制造資源損耗較大

在機(jī)械設(shè)計(jì)模具制造過程中，由于涉及行業(yè)眾多，造成大量的資源浪費(fèi)現(xiàn)象，我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)面臨著一定程度上的資源緊缺。違反了可持續(xù)發(fā)展的基本理論，同時(shí)增強(qiáng)了企業(yè)的資金成本，不利于企業(yè)長(zhǎng)久穩(wěn)定發(fā)展。

2.2 CAD/CAE系統(tǒng)集成化不高

CAD/CAE是模具制造與機(jī)械設(shè)計(jì)的必然要求，但由于不同企業(yè)的模具制造自動(dòng)化水平不同，在CAD信息交流過程中信息存在不兼容問題，不能實(shí)現(xiàn)真正的資源信息共享，導(dǎo)致數(shù)據(jù)集成化較低。CAD/CAE系統(tǒng)不夠全面，系統(tǒng)無法科學(xué)地整合在一起，一旦軟件升級(jí)或交換數(shù)據(jù)時(shí)，相融時(shí)兼容程度不夠，整體工作效率低下。

2.3 部分人員不能熟練應(yīng)用CAD/CAE

模具制造的優(yōu)劣與設(shè)計(jì)有密切關(guān)系，但由于模具制造在實(shí)際運(yùn)行過程中意外因素較多，而相應(yīng)的管理人員不熟悉CAD/CAE的基礎(chǔ)操作管理意識(shí)，很容易出現(xiàn)參數(shù)單位錯(cuò)誤、圖紙與客戶要求不匹配等問題。

3? 機(jī)械設(shè)計(jì)與模具設(shè)計(jì)中CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用

CAD/CAE技術(shù)有強(qiáng)大的計(jì)算功能與設(shè)計(jì)功能，能夠快速計(jì)算出材料中一些重要參數(shù)，把復(fù)雜的步驟簡(jiǎn)單化，設(shè)計(jì)人員要綜合利用CAD/CAE，實(shí)現(xiàn)對(duì)原材料的多樣化管理，明確設(shè)計(jì)步驟，適當(dāng)融入自動(dòng)化管理，促進(jìn)機(jī)械生產(chǎn)快速發(fā)展。

3.1 CAD/CAE在機(jī)械設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，CAD的技術(shù)主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)軟件的裝配上，它能夠充分體現(xiàn)零件的尺寸、相對(duì)關(guān)系，CAE表現(xiàn)出零件的剛度，強(qiáng)度等重要參數(shù)，有效解決計(jì)算量大、效率低、設(shè)計(jì)修改復(fù)雜等一系列問題。CAD/CAE技術(shù)可以對(duì)前期的圖形進(jìn)行有效處理，對(duì)熱傳導(dǎo)性、剛性、塑性等復(fù)雜進(jìn)行求解計(jì)算，更好展現(xiàn)材料的具體參數(shù)，完成工業(yè)生產(chǎn)的各項(xiàng)要求。同時(shí)在機(jī)械設(shè)計(jì)在采用CAD技術(shù)，能夠展現(xiàn)不同部件之間層次關(guān)系，使決策人員更加直觀的感受到模具軟件拆除組裝的過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)的控制，快速提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度。設(shè)計(jì)人員可以斷裝配過程，持續(xù)優(yōu)化各種組合，選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，提高工作效率。

例如，CAD/CAE機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙的審核至關(guān)重要，直接影響著機(jī)械設(shè)計(jì)的整體水平，技術(shù)人員可以利用CAD/CAE，加強(qiáng)對(duì)圖紙的審核，保證數(shù)據(jù)能夠全面細(xì)致合理，一旦遇到疑難問題時(shí)要及時(shí)請(qǐng)教資深的人員，利用CAD/CAE計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自查自糾。并和專業(yè)的工程師進(jìn)行聯(lián)合審查，在保證質(zhì)量的情況下，進(jìn)行下一步的模具制造鋪設(shè)工作。引入大數(shù)據(jù)計(jì)算，不斷優(yōu)化線路，完成模具制造中的節(jié)能設(shè)計(jì)，有效降低能源損耗，綜合利用CAD/CAE進(jìn)行模擬計(jì)算，去除和優(yōu)化非重點(diǎn)的環(huán)節(jié)，最大程度上提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 CAD/CAE在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

模具設(shè)計(jì)作為整體機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，利用CAD技術(shù)可以快速提高開模的技術(shù)含量，為后續(xù)的生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐以及技術(shù)保障。模具設(shè)計(jì)過程比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮內(nèi)部的尺寸、形狀、厚度之間的耦合關(guān)系，借助計(jì)算機(jī)平臺(tái)完成動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)，綜合考慮材料的性能與應(yīng)力程度。利用CAD/CAE軟件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，簡(jiǎn)化工作流程，調(diào)取設(shè)計(jì)模型，建立以功能、外形、尺寸為首前期管理模式，合理控制模腔個(gè)數(shù)。合理的工件設(shè)置分型面，綜合利用冷卻系統(tǒng)與鑄件系統(tǒng)，完成模具整體水平上的設(shè)計(jì)。

例如，設(shè)計(jì)人員要通過CAD/CAE技術(shù)制定規(guī)范的開模流程。第一步是設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)模型作為整體設(shè)計(jì)中的上游工程，在設(shè)計(jì)過程中要綜合考量產(chǎn)品的外形、結(jié)構(gòu)、用途，以模型的具體參數(shù)入手，做好前期的預(yù)處理。第二步是布置模腔個(gè)數(shù)。模型個(gè)數(shù)作為開模中的主要參數(shù)，但大體結(jié)構(gòu)和基本功能為主，目前市面上采用一腔多模的方式。第三步是扣模與工件調(diào)取，同時(shí)也是整體工程中難度系數(shù)最大的一步，工作人員要將布置好的模腔進(jìn)行扣模，明確具體參數(shù)與工件型號(hào)進(jìn)行扣模，積極利用自動(dòng)化設(shè)計(jì)，完成精細(xì)化管理。第四步是要設(shè)計(jì)哈佛塊與側(cè)軸設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員需要參考產(chǎn)品的使用功能，進(jìn)行包裝和管理，實(shí)現(xiàn)模具功能的再度優(yōu)化。第五步是模具調(diào)取與檢查。在結(jié)束好以上的工作之后，設(shè)計(jì)人員檢查開模質(zhì)量，確認(rèn)無誤后，利用CAD與CAD技術(shù)完成基礎(chǔ)的裝配圖。

3.3 模具型號(hào)的綜合CAD/CAE應(yīng)用

大部分模具的工作狀態(tài)惡劣，需要在高溫高壓的環(huán)境下持續(xù)工作，模具需要承受外界巨大的應(yīng)力，因此設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)該認(rèn)真核算模具的參數(shù)，校準(zhǔn)其強(qiáng)度和剛性，確保模具在使用過程中的安全性。在進(jìn)行冷壓工序時(shí)，材料應(yīng)該選擇15#鋼，保證外形為圓桶狀，內(nèi)壁為槽鋼，最后由CAE進(jìn)行強(qiáng)度核算，針對(duì)不同的模具，利用不同的設(shè)計(jì)手段，實(shí)現(xiàn)整體水平上的模具設(shè)計(jì)與管理。

3.3.1 凸模設(shè)計(jì)

由于凸模本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，頂端所受壓力較大，因此在進(jìn)行核算前要首先確定高點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力值。通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，比較理論值與真實(shí)值之間的差值，求解出正確的預(yù)應(yīng)力值。在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際生產(chǎn)過程中，要保證外界壓力小于標(biāo)志值，保證凸模穩(wěn)定工作。

3.3.2 凹模設(shè)計(jì)

凹模設(shè)計(jì)與凸模設(shè)計(jì)過程大體相似，也需要綜合應(yīng)力計(jì)算，以CAE軟件分析強(qiáng)度，首先要設(shè)定一個(gè)基礎(chǔ)的應(yīng)力值，通過軟件分析出基本的變形量，查看與之前的參數(shù)是否符合要求，解出正確的應(yīng)力值。

3.3.3 組合模型

組合模型相對(duì)比較復(fù)雜，內(nèi)部零部件過多，因此設(shè)計(jì)人員在利用CAD/CAE時(shí)，要綜合內(nèi)圈、外圈之間的相對(duì)關(guān)系，進(jìn)行曲面的微元網(wǎng)格劃分。根據(jù)計(jì)算，外模的承受最大應(yīng)力為1684MPa，中圈承受最大的壓力僅為502MPa。保證內(nèi)圈、外圈所承受的壓力值在規(guī)定范圍內(nèi)符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員可以要利用CAE技術(shù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，動(dòng)態(tài)管理設(shè)計(jì)方案，以材料的邊界屬性、負(fù)載等多種性能入手，完成有效的預(yù)應(yīng)力核算。明確材料成型與控制工程的概率計(jì)算，提高CAD/CAE工程的連續(xù)性和可模擬性，為后續(xù)的加工制造提供基礎(chǔ)的理論支持和優(yōu)質(zhì)服務(wù)。持續(xù)降低工人的作業(yè)量與強(qiáng)度，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)與模具生產(chǎn)向高精度方向發(fā)展。

4? 總結(jié)

CAD/CAE技術(shù)有著自己核心的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)與模具開發(fā)時(shí)，應(yīng)該將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、形狀等具體參數(shù)直接錄入到軟件中，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化、流程化，加強(qiáng)CAD/CAE技術(shù)在材料領(lǐng)域之間的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)據(jù)化管理，持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)與內(nèi)在性能，使模具和機(jī)械滿足更復(fù)雜的生產(chǎn)條件，促進(jìn)我國(guó)工業(yè)持續(xù)發(fā)展。

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