CAD/CAE技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

葉華

（江西工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330200）

模具加工與設(shè)計(jì)需要與時(shí)俱進(jìn)，降低傳統(tǒng)方法的使用，通常傳統(tǒng)方法工作強(qiáng)度大，技能要求高，工作流程復(fù)雜，容易造成資源浪費(fèi)。因此可以采取CAD/CAE技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)產(chǎn)品。其中CAE分析求解數(shù)值高，可以結(jié)合CAD優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)CAD/CAE的軟件功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷更改與自動(dòng)修復(fù)，快速展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)仿真結(jié)果等功能，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，自動(dòng)化管理水平高，可以增強(qiáng)企業(yè)核心競爭力，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 CAD/CAE技術(shù)的概述

傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)確定模具原型一般通過概念設(shè)計(jì)分析、樣品生產(chǎn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等復(fù)雜過程，CAD/CAE技術(shù)改變傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)理念與方法。CAD模擬設(shè)計(jì)需要借助計(jì)算機(jī)技術(shù)開展，涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、質(zhì)感色彩，模擬建設(shè)實(shí)物，立體展示事物的外形結(jié)構(gòu)，應(yīng)用范圍廣，包括汽車制造、航空航天?，F(xiàn)代CAD功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模擬、組件產(chǎn)生重用、修改整合等功能。計(jì)算機(jī)輔助工程CAE參數(shù)計(jì)算功能強(qiáng)，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可以分析求解材料剛度、動(dòng)力響應(yīng)等性能。CAD/CAE常用的軟件Pro/Engineer，3D建模功能強(qiáng)，可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，模型修改，自帶標(biāo)準(zhǔn)件庫自動(dòng)修模部件，廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品制造與模具設(shè)計(jì)。三維造型UG軟件，操作簡單，參數(shù)化設(shè)計(jì)較弱，應(yīng)用于PC，仿真軟件Moldflow，應(yīng)用在模具設(shè)計(jì)，可以指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)零件優(yōu)化與注塑成型。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，模具可以借助計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，精確結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析以及仿真過程，在模具概念設(shè)計(jì)中，CAD/CAE技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，加快產(chǎn)品生命周期，提高模具生產(chǎn)設(shè)計(jì)質(zhì)量，簡化設(shè)計(jì)對象，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能要求。通常產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)，需要借助CAD技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品初步結(jié)構(gòu)，應(yīng)用CAE技術(shù)開展結(jié)構(gòu)分析，完善模具的可行性評估分析，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)建模，精確模具具體結(jié)構(gòu)，降低企業(yè)成本。

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

機(jī)械設(shè)計(jì)與模具制造需要消耗大量的資源，依靠能源進(jìn)行有效設(shè)計(jì)生產(chǎn)，企業(yè)投入成本大，在模具具體的設(shè)計(jì)制造過程期間，需要涉及的行業(yè)較多，容易出現(xiàn)大量資源浪費(fèi)的情況，不利于環(huán)境保護(hù)，影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，造成資源緊缺的情況加重，不利于行業(yè)健康發(fā)展，難以有效提高材料能源的利用率，難以構(gòu)建行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，長期以往，企業(yè)難以得到長足發(fā)展。同時(shí)，CAD/CAE技術(shù)的系統(tǒng)集成化程度有待完善，基于企業(yè)規(guī)模不同，模具的制造自動(dòng)化程度有差別，容易在進(jìn)行CAD信息交流期間，出現(xiàn)信息存在不協(xié)調(diào)兼容的情況，難以有效提高行業(yè)信息資源的共享，影響行業(yè)數(shù)據(jù)集成化的發(fā)展，容易造成企業(yè)溝通成本，增加企業(yè)成本支出，并且CAD/CAE系統(tǒng)全面化發(fā)展程度低，無法進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)的整合軟件資源，軟件之間的兼容程度有待完善。

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)功能強(qiáng)，應(yīng)用效率高，設(shè)計(jì)計(jì)算功能可以提高工作效率，高效完成工作內(nèi)容，簡化工作步驟，快速計(jì)算材料的重要參數(shù)，企業(yè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)熟悉CAD/CAE技術(shù)的管理操作，綜合應(yīng)用CAD/CAE技術(shù)來優(yōu)化產(chǎn)品管理，多樣化安排原材料的生產(chǎn)制造，規(guī)范產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)步驟，提高企業(yè)自動(dòng)化水平，加快機(jī)械設(shè)計(jì)與模具的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 CAD/CAE在機(jī)械設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)計(jì)算中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的CAD技術(shù)需要依靠人工進(jìn)行零件設(shè)計(jì)裝配的大量計(jì)算，容易產(chǎn)生出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤，影響零件設(shè)計(jì)生產(chǎn)，導(dǎo)致機(jī)械產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題。CAE技術(shù)強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以快速核算強(qiáng)度剛度、熱傳導(dǎo)等指標(biāo)，改善機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難度，因此企業(yè)在材料設(shè)計(jì)建模過程中，需要運(yùn)用CAD的裝配功能進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，形成有效的生成序列，充分觀察零件間的裝配與拆卸。CAD/CAE技術(shù)有效處理前期圖形，求解計(jì)算熱傳導(dǎo)性、塑性，展現(xiàn)出具體參數(shù)，動(dòng)態(tài)展示部件的層級關(guān)系，工作人員可以動(dòng)態(tài)觀察并且適時(shí)控制零件位置的裝配拆卸，還可以生成多個(gè)裝配序列，方便工作人員觀察裝配與拆卸方案的具體情況，有效解決計(jì)算量大、設(shè)計(jì)修改復(fù)雜的問題，提高設(shè)計(jì)的精度。

CAD技術(shù)在進(jìn)行零件裝配設(shè)計(jì)期間，借助傳統(tǒng)方法進(jìn)行材料剛度、強(qiáng)度復(fù)雜計(jì)算，難以有效確定后期零件尺寸參數(shù)，容易增加計(jì)算量，提高工作難度。在計(jì)算零件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，可以應(yīng)用CAE技術(shù)的靜動(dòng)力學(xué)分析，通過虛擬裝配、虛擬實(shí)驗(yàn)，完善零件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)，針對冷擠壓零件筒，可以進(jìn)行凹凸模設(shè)計(jì)，通過UG軟件進(jìn)行模具強(qiáng)度計(jì)算，優(yōu)化凸模的負(fù)載邊界與材料屬性，依據(jù)CAE過盈量確定凹模的預(yù)應(yīng)力值，針對組合凹模借助CAE校核計(jì)算結(jié)果，從而設(shè)計(jì)生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品，促使模具長壽命工作，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 CAD/CAE技術(shù)在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

模具設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，需要進(jìn)行開模工作，確保工作流程規(guī)范，避免開模錯(cuò)誤造成模具損壞，給企業(yè)帶來巨大損失，應(yīng)用CAD/CAE技術(shù)可以優(yōu)化開模效率，提高工序的技術(shù)含量，確保開模工作順利進(jìn)行。通常，模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作量大且復(fù)雜，需要全面考慮明確產(chǎn)品內(nèi)部的尺寸、形狀與厚度的設(shè)計(jì)，借助三維造型軟件調(diào)整模具產(chǎn)品的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，并且借助計(jì)算機(jī)軟件重新進(jìn)行計(jì)算，優(yōu)化模具開模質(zhì)量。此外，模具產(chǎn)品設(shè)計(jì)借助CAD/CAE軟件計(jì)算參數(shù)，調(diào)取產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，優(yōu)化產(chǎn)品前期管理，借助冷卻鑄件系統(tǒng)，進(jìn)行模具整體設(shè)計(jì)。

應(yīng)用CAD/CAE技術(shù)規(guī)范產(chǎn)品的開模工作流程：（1）綜合考慮產(chǎn)品的外形、用途等指標(biāo)，進(jìn)行設(shè)計(jì)模型，通過模型具體參數(shù)進(jìn)行前期預(yù)處理，與模具的設(shè)計(jì)部門進(jìn)行溝通，完善后續(xù)步驟。（2）進(jìn)行開模主要參數(shù)處理，布置模腔的個(gè)數(shù)情況，可以使用一腔多模的方法完善結(jié)構(gòu)與功能。（3）進(jìn)行難度系數(shù)最大的扣模和工件調(diào)取，利用自動(dòng)化設(shè)計(jì)明確產(chǎn)品的具體參數(shù)和工件型號，并且確定遠(yuǎn)點(diǎn)坐標(biāo)好放入工件，扣模已經(jīng)布置好的模腔。（4）參考產(chǎn)品使用功能與外形進(jìn)行哈佛塊與側(cè)軸的設(shè)計(jì)，優(yōu)化產(chǎn)品的包裝管理，再度優(yōu)化模具的各項(xiàng)功能。（5）進(jìn)行工作的最后步驟，用設(shè)計(jì)軟件建立澆注、頂出、冷卻系統(tǒng)，調(diào)取與檢查模具的制造情況，檢查開模的質(zhì)量與設(shè)計(jì)精度，完成裝配圖操作。

3.3 模具型號的綜合CAD/CAE應(yīng)用

整個(gè)模具概念設(shè)計(jì)需要進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)受到約束限制，不能有效展現(xiàn)概念造型，導(dǎo)致其只是草圖化繪圖工具?，F(xiàn)在草圖技術(shù)完善，可以進(jìn)行二維、三維草圖設(shè)計(jì)建模，優(yōu)化協(xié)調(diào)傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)與概念設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于模具制造一般在高溫高壓的環(huán)境條件下進(jìn)行，需要面對惡劣的外界環(huán)境，為此工作人員需要明確計(jì)算模具的具體參數(shù)，驗(yàn)證并校準(zhǔn)模具的產(chǎn)品特性，如強(qiáng)度、剛性，保證模具可以安全高效進(jìn)行作業(yè)，開展冷壓工序期間，可以選擇圓桶、槽鋼內(nèi)壁的15#鋼，使用冷擠壓一次成型模式，借助CAE軟件計(jì)算強(qiáng)度，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)方法，提高模具設(shè)計(jì)管理水平。

凸模頂端需要承受的壓力過大，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，比較理論與真實(shí)數(shù)值，明確凸模高點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力值大小，并且在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過程中，企業(yè)需要確保標(biāo)志值是大于外界壓力的，否則，會影響凸模正常工作，影響設(shè)備安全。凹模設(shè)計(jì)需要借助CAE軟件的過盈量數(shù)值，進(jìn)行綜合應(yīng)力計(jì)算分析，通過設(shè)定基本的應(yīng)力值，進(jìn)行基本變形量分析，得出合適的應(yīng)力值；組合模型內(nèi)部零部件多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要進(jìn)行內(nèi)外圈的相對分析，使用CAD/CAE軟件網(wǎng)格劃分曲面微元，通常外?？梢猿惺?684MPa的最大應(yīng)力，中圈僅能承受502MPa的壓力。企業(yè)可以了解材料的屬性負(fù)載，使用CAE技術(shù)調(diào)整具體的材料參數(shù)，進(jìn)行有效的產(chǎn)品預(yù)應(yīng)力的計(jì)算，優(yōu)化加工制造服務(wù)質(zhì)量，簡化工作流程。

4 結(jié)語

企業(yè)可以引進(jìn)CAD/CAE技術(shù)，發(fā)揮CAD/CAE技術(shù)的核心優(yōu)勢，加強(qiáng)機(jī)械模具行業(yè)CAD/CAE技術(shù)的研究，完善其軟件不足，為此企業(yè)應(yīng)綜合考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)參數(shù)和形狀參數(shù)，借助CAD/CAE技術(shù)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)和計(jì)算功能，簡化工作流程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的數(shù)據(jù)化管理，提高產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化產(chǎn)品性能，有效地解決設(shè)計(jì)生產(chǎn)中的實(shí)際問題，滿足市場需求，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。