機械設計與模具設計中CAD/CAE技術的應用

毛興寬

摘要：工業經濟蓬勃發展，基礎工業產品呈現多元發展的特點，對加工設計制作也提出了新要求。設計人員應該積極響應市場的號召，明確客戶的需求，綜合利用CAD/CAE技術進行機械模具設計，滿足多元化市場要求。基于此，本文將主要論述機械設計與模具設計中CAD/CAE技術的應用。

關鍵詞：機械設計;模具設計;CAD/CAE;技術應用

0? 引言

CAD/CAE的軟件功能強大，能夠展示出產品的結構、色彩、外形等必要特點，具有強大的數據修復功能。設計人員在設計過程中可以隨時修改產品存在的參數，快速修補模具缺陷，綜合利用計算機的數據功能，形成自動化管理，能夠滿足多樣化的市場需求。

1? CAD/CAE技術的概述

CAD技術，是英文computer aided design的簡稱，中文翻譯為計算機輔助設計。CAD技術以計算機技術為基礎，操作相對比較簡單，功能強大，通過對實物進行模擬建設，能夠立體畫地展示事物的結構、色彩、外形等基礎要素。在電子工業、機械制造，航空航天領域中都有著廣泛的應用。CAD具備著設計模擬、修改整合、版本控制、文檔保存等一系列功能。CAE是computer aided engineer的簡稱，中文翻譯文計算機輔助工程，技術技術以數據為支持，進行分析求解的一種軟件，主要分析材料彈性系數、剛度等重要性能。目前常用的應用軟件有pro、engineer，UJ等。CAE軟件有強大的參數計算功能，在數據建模的基礎上依靠強大的平臺和技術支撐，設計人員能夠完成前期的設計與修改工作，全方位展示材料位置形變的內部要素，為后續實際生產提供有力的數據支持。

2? 機械設計與模具設計中存在的問題

2.1 機械設計與模具制造資源損耗較大

在機械設計模具制造過程中，由于涉及行業眾多，造成大量的資源浪費現象，我國現在已經面臨著一定程度上的資源緊缺。違反了可持續發展的基本理論，同時增強了企業的資金成本，不利于企業長久穩定發展。

2.2 CAD/CAE系統集成化不高

CAD/CAE是模具制造與機械設計的必然要求，但由于不同企業的模具制造自動化水平不同，在CAD信息交流過程中信息存在不兼容問題，不能實現真正的資源信息共享，導致數據集成化較低。CAD/CAE系統不夠全面，系統無法科學地整合在一起，一旦軟件升級或交換數據時，相融時兼容程度不夠，整體工作效率低下。

2.3 部分人員不能熟練應用CAD/CAE

模具制造的優劣與設計有密切關系，但由于模具制造在實際運行過程中意外因素較多，而相應的管理人員不熟悉CAD/CAE的基礎操作管理意識，很容易出現參數單位錯誤、圖紙與客戶要求不匹配等問題。

3? 機械設計與模具設計中CAD/CAE技術的應用

CAD/CAE技術有強大的計算功能與設計功能，能夠快速計算出材料中一些重要參數，把復雜的步驟簡單化，設計人員要綜合利用CAD/CAE，實現對原材料的多樣化管理，明確設計步驟，適當融入自動化管理，促進機械生產快速發展。

3.1 CAD/CAE在機械設計中的廣泛應用

在機械設計中，CAD的技術主要體現在基礎軟件的裝配上，它能夠充分體現零件的尺寸、相對關系，CAE表現出零件的剛度，強度等重要參數，有效解決計算量大、效率低、設計修改復雜等一系列問題。CAD/CAE技術可以對前期的圖形進行有效處理，對熱傳導性、剛性、塑性等復雜進行求解計算，更好展現材料的具體參數，完成工業生產的各項要求。同時在機械設計在采用CAD技術，能夠展現不同部件之間層次關系，使決策人員更加直觀的感受到模具軟件拆除組裝的過程，實現對內部系統的控制，快速提高了設計的準確度。設計人員可以斷裝配過程，持續優化各種組合，選出最優的設計方案，提高工作效率。

例如，CAD/CAE機械設計圖紙的審核至關重要，直接影響著機械設計的整體水平，技術人員可以利用CAD/CAE，加強對圖紙的審核，保證數據能夠全面細致合理，一旦遇到疑難問題時要及時請教資深的人員，利用CAD/CAE計算機控制系統自查自糾。并和專業的工程師進行聯合審查，在保證質量的情況下，進行下一步的模具制造鋪設工作。引入大數據計算，不斷優化線路，完成模具制造中的節能設計，有效降低能源損耗，綜合利用CAD/CAE進行模擬計算，去除和優化非重點的環節，最大程度上提高企業的經濟效益。

3.2 CAD/CAE在模具設計中的應用

模具設計作為整體機械設計的基礎，利用CAD技術可以快速提高開模的技術含量，為后續的生產提供數據支撐以及技術保障。模具設計過程比較復雜，在設計過程中需要綜合考慮內部的尺寸、形狀、厚度之間的耦合關系，借助計算機平臺完成動態的設計，綜合考慮材料的性能與應力程度。利用CAD/CAE軟件進行參數計算，簡化工作流程，調取設計模型，建立以功能、外形、尺寸為首前期管理模式，合理控制模腔個數。合理的工件設置分型面，綜合利用冷卻系統與鑄件系統，完成模具整體水平上的設計。

例如，設計人員要通過CAD/CAE技術制定規范的開模流程。第一步是設計模型，設計模型作為整體設計中的上游工程，在設計過程中要綜合考量產品的外形、結構、用途，以模型的具體參數入手，做好前期的預處理。第二步是布置模腔個數。模型個數作為開模中的主要參數，但大體結構和基本功能為主，目前市面上采用一腔多模的方式。第三步是扣模與工件調取，同時也是整體工程中難度系數最大的一步，工作人員要將布置好的模腔進行扣模，明確具體參數與工件型號進行扣模，積極利用自動化設計，完成精細化管理。第四步是要設計哈佛塊與側軸設計，設計人員需要參考產品的使用功能，進行包裝和管理，實現模具功能的再度優化。第五步是模具調取與檢查。在結束好以上的工作之后，設計人員檢查開模質量，確認無誤后，利用CAD與CAD技術完成基礎的裝配圖。

3.3 模具型號的綜合CAD/CAE應用

大部分模具的工作狀態惡劣，需要在高溫高壓的環境下持續工作，模具需要承受外界巨大的應力，因此設計人員在設計模具時應該認真核算模具的參數，校準其強度和剛性，確保模具在使用過程中的安全性。在進行冷壓工序時，材料應該選擇15#鋼，保證外形為圓桶狀，內壁為槽鋼，最后由CAE進行強度核算，針對不同的模具，利用不同的設計手段，實現整體水平上的模具設計與管理。

3.3.1 凸模設計

由于凸模本身的結構特點，頂端所受壓力較大，因此在進行核算前要首先確定高點的預應力值。通過反復的實驗，比較理論值與真實值之間的差值，求解出正確的預應力值。在工業生產實際生產過程中，要保證外界壓力小于標志值，保證凸模穩定工作。

3.3.2 凹模設計

凹模設計與凸模設計過程大體相似，也需要綜合應力計算，以CAE軟件分析強度，首先要設定一個基礎的應力值，通過軟件分析出基本的變形量，查看與之前的參數是否符合要求，解出正確的應力值。

3.3.3 組合模型

組合模型相對比較復雜，內部零部件過多，因此設計人員在利用CAD/CAE時，要綜合內圈、外圈之間的相對關系，進行曲面的微元網格劃分。根據計算，外模的承受最大應力為1684MPa，中圈承受最大的壓力僅為502MPa。保證內圈、外圈所承受的壓力值在規定范圍內符合產品設計。設計人員可以要利用CAE技術進行參數調整，動態管理設計方案，以材料的邊界屬性、負載等多種性能入手，完成有效的預應力核算。明確材料成型與控制工程的概率計算，提高CAD/CAE工程的連續性和可模擬性，為后續的加工制造提供基礎的理論支持和優質服務。持續降低工人的作業量與強度，促進機械設計與模具生產向高精度方向發展。

4? 總結

CAD/CAE技術有著自己核心的優勢，設計人員在進行機械設計與模具開發時，應該將產品結構、形狀等具體參數直接錄入到軟件中，實現復雜問題簡單化、流程化，加強CAD/CAE技術在材料領域之間的應用，實現智能化、數據化管理，持續優化產品的外觀設計與內在性能，使模具和機械滿足更復雜的生產條件，促進我國工業持續發展。

參考文獻：

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