基于CAD_CAE技术的模具设计应用分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：罗坚一（1987），男，汉族，浙江象山人，本科，中级工程师，研究方向为机械制造。-137-基于 CAD/CAE 技术的模具设计应用分析 罗坚一 宁波华众模具制造有限公司，浙江 宁波 315700 摘要：摘要：伴随着我国经济的持续增长，产业的规模越来越大，机械、模具等行业的产品呈现出多样化的发展趋势，许多机械产品的功能也在不断的提升。再加上市场对产品的需求量越来越大，对产品的需求也越来越高，这就增加了加工的难度，从而导致了生产成本的增加。为此，许多生产厂家已将 CAD/CAE 应用于模具设计中。本文着重介绍了 CAD/CAE 的发展概况，并对其在模具行业的应用与实践进行了阐述。本文的研究成果可供模具设计者们参考。关键词：关键词：CAD/CAE 技术；模具设计；应用研究 中图分类号：中图分类号：TQ320 0 引言 在聚合物材料加工中，如果模具结构不够合理，会造成制品表面产生熔接痕、气穴、翘曲等缺陷，因此，如何设计和制备具有良好结构的模具，是确保制品品质与外观的重要前提。一般情况下，浇注方式、浇口位置、热流道尺寸等因素都会对制品表面的熔接痕、空穴位置及分布有很大的影响，而冷凝管路的数目、分布等也会对制品的翘曲变形产生影响1。要设计出一种结构化的模具，通常要通过比较不同的结构型式，从中筛选出最佳的结构型式，但该工艺复杂、工作效率低、制造成本高等缺点2。随着 CAD/CAE 等软件的发展，采用 Pro/E、Moldflow 等软件，可以更方便地对注塑工艺进行模拟，从而更方便地对模具进行优化，从而达到减少生产成本、提高生产率的目的3。本文对当前模具设计和 CAE/CAD 的研究进展进行了回顾，并结合具体实例对其进行了阐述。1 模具发展现状及趋势 1.1 模具发展现状 目前，气体辅助成形技术在模具制造中的应用越来越广泛，如汽车内饰，电视机，洗衣机等。由于各类新技术和新方法的出现，使得模具的制造效率得到了有效的提高，同时也使得产品的使用寿命得到了延长4。对于双模腔或多模腔的共挤型材，在提高生产效率的同时，也能达到产业化发展的需要；采用了自动脱模式模具冷却系统，可以确保模具的高效率加工5。此外，利用电火花铣削工艺，可省去复杂成形电极，大大提高了生产效率，简化了加工作业。纳米工艺的日趋成熟，也推动了模具制造向更精细的方向发展。1.2 模具加工发展趋势 数控技术打开了模具设计和加工的新局面，它使模具的研发流程得以简化，减少了生产费用，并使工作效率得到了极大的提升，同时，它还将结合生产经验，使工艺参数的可靠性和制品的质量得到了改善。其中，CAD、CAE、CAM 等技术已经在模具制造领域得到广泛的应用。将上述三种技术或前两种方法有机地结合起来，可以对模具设计时的每一个参数进行优化，并对可视化的窗口进行仿真，从而极大地促进了模具制造过程的智能化与集成化。还有一种智能化的方法就是数字快速扫描，但是这种技术目前还没有得到广泛应用。该方法是将该方法与计算机辅助设计技术有机地结合起来，通过对物体的高速扫描，获得所需的模型，并将其反馈至计算机辅助设计中。数字高速扫描系统的扫频最大可以达到 3 米/分，极大地减少了模具的制造时间。此项技术在未来将有更多的推广与应用。此外，模具表面的磨光直接关系到模具的外观，产品的质量和使用寿命。传统的加工方式主要是通过手工进行研磨，这种研磨方式不仅效率低下，而且还会受到人为的影响。智能化、数控化是当前抛光技术发展的一个新方向，它能较好地解决传统手工抛光存在的问题。日本已经开发出了一种新型的 CNC 抛光装置，它能够实现模具的自动、智能抛光。2 CAD/CAE 技术发展概述 CAD 是一种通过电脑技术来仿真设计实体，将产品中国科技期刊数据库 工业 A-138-的结构、质感、颜色、外形等都展现出来的产品，在汽车制造、电子工业、航空航天等方面，最早在汽车制造、电子工业、航空航天等方面得到了广泛的应用。它具有设计修改，版本控制，标准部件自动生成，部件重用，装配件，设计仿真，以及工程文档的输出等。CAE 是一种解析和解决的手段，它的辅助求解对象包含了刚度、动态响应、弹塑性等，CAD/CAE 中最常见的软件是 Pro/Engineer，它最突出的特征就是参数化设计，它被广泛地用于产品生产和模具设计中，它具有很强的三维造型能力，可以让工作人员在这个平台上进行设计。UG 作为一种具有较弱的参数化设计能力，但是易于使用，在计算机上得到了迅速的发展，并逐渐发展成了一种主流的三维造型技术。Moldflow 是一款模拟软件，它在模具设计中的应用非常广泛，它可以帮助工作人员进行零件优化、注射成形等方面的工作，同时也可以为工程师、模具制造和设计者提供一些参考。通过模拟设定和计算，将材质、变形、位置等信息直观地展现出来，从而为使用者提供一个虚拟的解决方案。3 模具设计中的应用流程 在模具设计中，开模是一项非常重要的工作。一个小失误可能导致模具损坏，从而造成巨大的经济损失。幸运的是，CAD/CAE 技术的应用极大地提高了模具设计的效率和工艺水平，为模具的顺利开模提供了有力的保障。模具设计涉及到尺寸、外形和厚度等多个方面，是一项繁重而繁琐的工作。对于一些关键的设计步骤，可以利用 3D 建模软件对相关部位进行微调，并使用计算机软件进行计算。这种方式充分展现了 CAD/CAE 在提高模具开模效率方面的优越性。通过 CAD/CAE 技术的应用，设计人员可以更加精确地进行模具设计，减少误差和失误的发生。CAD 软件能够帮助设计人员快速准确地创建模具的几何形状，而 CAE 软件则可以通过数值模拟和分析，预测模具在开模过程中的流动、冷却和应力分布情况。这些工具有效地提高了模具设计的质量和可靠性。下面是模具开模过程中 CAD/CAE 技术的运用：（1）设计模式的获取。在此基础上，对产品的外形、结构和功能等要素进行了初步的造型设计。在设计结束之后，向模具设计部递交模具设计部，以便下一步的工作。（2）安排模具型腔的数量。模具型腔的布局应依据产品的主体结构及基本功能来确定。一腔多模式结构是一种常用的结构形式。（3）模具扣紧及工件取出。模具安装完毕后，进行模具的压紧。按预定远点处的座标，把相应的零件放入相应的位置，再按事先做好的模具扣紧模具。（4）设计哈佛块和侧抽设计。这一步主要是参照产品轮廓线，按照产品轮廓线进行哈佛模块及侧面轴线的设计。（5）取出模具。通过计算机辅助设计，实现了铸件的浇注、脱模、冷却等功能。（6）核对。在做完上述工作之后，还要对开模的质量进行检验，确定正确后，使用 CAD/CAE 软件中的组装函数进行组装。（7）装配图纸。根据上述各个步骤的具体作业，绘制出零件图纸，注意对零件的设计精度进行检验，确保其精度满足要求。4 基于 CAD/CAE 技术的模具设计应用 4.1 在汽车塑料制品缩痕问题方面的应用 在汽车塑料制品的生产过程中，缩痕问题一直是一个关键的挑战。缩痕是指在注塑过程中，由于模具设计不合理或加工参数设置不当，导致塑料制品表面出现凹陷或痕迹。为了解决这一问题，CAD/CAE 技术在模具设计中得到了广泛应用。CAD（计算机辅助设计）技术通过三维建模和设计软件，可以帮助设计师快速准确地创建模具的几何形状。在解决汽车塑料制品缩痕问题时，CAD 技术可以提供以下方面的支持：（1）模具几何形状优化：通过 CAD 软件，设计师可以对模具的几何形状进行优化，以减少或消除缩痕的发生。例如，通过调整模具的半径、角度和壁厚等参数，可以改善塑料制品的流动性，减少缩痕的产生。（2）模具冷却系统设计：缩痕问题通常与模具冷却不均匀有关。CAD 技术可以帮助设计师优化模具的冷却系统，确保塑料在注塑过程中能够均匀冷却，减少缩痕的发生。通过 CAD 软件模拟冷却水的流动情况，设计师可以确定最佳的冷却通道布局和尺寸。CAE（计算机辅助工程）技术在模具设计中的应用更加深入。CAE 软件可以通过数值模拟和分析，预测塑中国科技期刊数据库 工业 A-139-料在注塑过程中的流动、冷却和应力分布情况，从而帮助设计师优化模具设计，减少缩痕的产生。CAE 技术的应用具体流程如下：（1）建立模具的三维几何模型：使用 CAD 软件创建模具的几何模型，包括模具的内腔、冷却通道和喷嘴等部分。（2）网格划分：将模具的几何模型划分为小的网格单元，以便进行数值模拟和分析。（3）材料参数设置：根据实际材料的物性参数，设置塑料的熔融温度、粘度和热传导系数等参数。（4）数值模拟和分析：使用 CAE 软件进行数值模拟和分析，预测塑料在注塑过程中的流动、冷却和应力分布情况。通过分析结果，确定缩痕可能发生的位置和原因。（5）优化设计：根据分析结果，对模具的几何形状和冷却系统进行优化设计，以减少缩痕的产生。通过 CAD/CAE 技术的应用，可以帮助设计师更好地理解和解决汽车塑料制品缩痕问题。相关文献表明，在未经优化的模具设计中，缩痕发生率可能高达10%-20%。优化后的效果：通过 CAD/CAE 技术的优化设计，缩痕发生率可以降低到 2%-5%。4.2 机械设计中的应用 CAD/CAE 技术的运用，不仅简化了机械产品的设计，而且大大提高了产品的设计质量与工作效率。以 15#钢材为主要原料，采用圆柱形、带花键的内花键孔的冷挤工艺零件，一次成形成形。经计算，本工艺零件所需的坯料大小为 45 毫米21 毫米。通过 UG 软件对其进行强度计算，保证其自身的强度。首先，针对凸模的强度核算，我们利用 UG 软件的属性和边界等条件对凸模进行赋值，并进行网格划分，采用限元方法进行计算。经过计算，我们得到了凸模的最大应力值为 364MPa。其次，对于凹模的强度核算，我们首先需要确定预应力的大小。预应力的确定是根据干涉值进行的。我们利用 CAE 软件对干涉值进行分析，得到干涉值的结果。然后，我们设定一个初始预应力值，并通过 CAE软件对其进行分析，得到其变形情况，并将其与预先设定的干涉量进行对比，以确认其一致性。通过反复的计算，我们可以得到准确的预应力值。根据计算结果，我们得到了圆柱形工艺零件中间环的变形为 0.24毫米，内环的变形为 0.07 毫米，相应的预应力分别为600 MPa 和 665 MPa。最后，对复合模具进行强度计算。复合模具内包含的零件数量比较多，在计算时有一定的困难，故与个别零件的核算有所不同。所以在计算凹模强度的时候，我们要对每个零件都进行计算，计算完毕之后，还要对主杆、外圈和内圈的挂轮格进行详细的划分。通过分析，得到了内圈和外圈模具分别受到 1684 MPa、502 MPa 和 482 MPa 的中圈凹模和 482 MPa 的压力。4.3 在手机保护壳注塑模具中的应用 4.3.1 塑件结构与模型前处理 利用 UG 对手机外壳进行 CAD 建模，将其转化成 STL 格式，再将其输入到 Moldflow 软件中，对其进行仿真分析。在此基础上，可以通过一种新的曲面网格方法。通过检测、维修，保证构件的长径比满足流变计算的要求。同时可以设定 26300 个网格，其配合度达到 94.2%，无任意边界、交叉等问题。此零件为外观零件，有组装的需求。其表面为侧、后表面，其精度要求为中等，但不得有毛边及其他质量问题。整个模具无拉模角度。我们将塑料制品的最大尺寸设置在 146 毫米 x75.25 毫米 X10 毫米，平均壁厚 1 毫米，属于最小壁厚 0.756 毫米的薄壁件。关于尺寸误差，我们需要为0.05 毫米，以保证能很好地配合到手机上。4.3.2 材料选择与成型工艺参数设定 以聚碳酸酯为例，该材料具有优异的热塑性能，透明度高达 90%.其硬度和抗冲击性能均较好，收缩率仅为 0.1%-0.3%。具有很高的弹性模量。我们设定模子的温度到 85 摄氏度，溶液的温度设定在 300 摄氏度。4.3.3 浇注系统 利用 Moldflow 软件来分析产品浇口的位置，从而得到最好的浇口位置。在此基础上进行浇注系统的设计与仿真。对其进行了冷却、充填、保压和翘曲等分析，得到了 CAE 分析的结果.从充填时间、熔接痕和翘曲变形三个方面对该体系的性能进行了分析。从而获得更符合产品需求的模具设计方案。5 结语 随着 CAD/CAE 技术的不断发展和应用，模具设计和制造过程将变得更加智能化、高效化和精确化。通过 CAD/CAE 技术，设计师可以更好地理解和解决设计中国科技期刊数据库 工业 A-140-问题，优化产品结构和性能，提高生产效率和质量。本文选择几个典型的应用进行分析，分析技术的优势。在汽车塑料制品的缩痕问题中，CAD/CAE 技术可以帮助优化模具的几何形状和冷却系统，减少缩痕的发生。在机械设计中，CAD/CAE 技术可以进行强度核算和优化设计，提高设计质量和工作效率。在手机保护壳注塑模具中，CAD/CAE 技术可以进行塑件结构和模型前处理，材料选择和成型工艺参数设定，浇注系统优化等，从而提高模具的制造质量和效率。在未来，随着人工智能和大数据等技术的发展，CAD/CAE 技术在模具设计中的应用将会更加广泛，为模具行业带来更多的创新和发展机会。参考文献 1 彭智,周勇.CAD/CAE 技术在模具概念设计中的应用J.模具技术,2004(5):5.2 贾建波,徐岩,王浩舟.基于 CAD/CAE 技术的电器外壳注射模具设计J.工程塑料应用,2011(5)29-31.3 王华东.基于 CAE/CAD 技术的梳子模具设计J.机械研究与应用,2020,33(2):2.4 陈玲琳.CAD/CAE 软件在汽车塑料内饰件模具造型设计中的应用J.塑料工业,2018,46(12):6.5 吴绪平,吴耀荣,李虹,等.基于 CAD/CAE 技术的浮子室压铸模设计J.模具工业,2019(12):56-57.