CAD/CAE技術在機械設計與模具設計中的應用研究

葉華

（江西工商職業技術學院，江西 南昌 330200）

模具加工與設計需要與時俱進，降低傳統方法的使用，通常傳統方法工作強度大，技能要求高，工作流程復雜，容易造成資源浪費。因此可以采取CAD/CAE技術進行產品設計，運用計算機設計研發產品。其中CAE分析求解數值高，可以結合CAD優化設計質量，同時CAD/CAE的軟件功能強大，可以實現產品缺陷更改與自動修復，快速展示產品設計仿真結果等功能，具有強大的數據運算能力，自動化管理水平高，可以增強企業核心競爭力，提高企業經濟效益。

1 CAD/CAE技術的概述

傳統模具設計確定模具原型一般通過概念設計分析、樣品生產設計、生產等復雜過程，CAD/CAE技術改變傳統模具設計理念與方法。CAD模擬設計需要借助計算機技術開展，涉及產品結構、質感色彩，模擬建設實物，立體展示事物的外形結構，應用范圍廣，包括汽車制造、航空航天。現代CAD功能強大，可以實現設計模擬、組件產生重用、修改整合等功能。計算機輔助工程CAE參數計算功能強，以數據為基礎，可以分析求解材料剛度、動力響應等性能。CAD/CAE常用的軟件Pro/Engineer，3D建模功能強，可以進行參數化設計，模型修改，自帶標準件庫自動修模部件，廣泛應用于產品制造與模具設計。三維造型UG軟件，操作簡單，參數化設計較弱，應用于PC，仿真軟件Moldflow，應用在模具設計，可以指導實現零件優化與注塑成型。在實際生產過程中，模具可以借助計算機應用軟件，精確結構的設計分析以及仿真過程，在模具概念設計中，CAD/CAE技術優化設計流程，加快產品生命周期，提高模具生產設計質量，簡化設計對象，實現產品的功能要求。通常產品生產設計，需要借助CAD技術設計產品初步結構，應用CAE技術開展結構分析，完善模具的可行性評估分析，進一步優化設計建模，精確模具具體結構，降低企業成本。

2 機械設計與模具設計中存在的問題

機械設計與模具制造需要消耗大量的資源，依靠能源進行有效設計生產，企業投入成本大，在模具具體的設計制造過程期間，需要涉及的行業較多，容易出現大量資源浪費的情況，不利于環境保護，影響企業經濟效益，造成資源緊缺的情況加重，不利于行業健康發展，難以有效提高材料能源的利用率，難以構建行業的可持續發展，長期以往，企業難以得到長足發展。同時，CAD/CAE技術的系統集成化程度有待完善，基于企業規模不同，模具的制造自動化程度有差別，容易在進行CAD信息交流期間，出現信息存在不協調兼容的情況，難以有效提高行業信息資源的共享，影響行業數據集成化的發展，容易造成企業溝通成本，增加企業成本支出，并且CAD/CAE系統全面化發展程度低，無法進行系統科學的整合軟件資源，軟件之間的兼容程度有待完善。

3 機械設計與模具設計中CAD/CAE技術的應用

CAD/CAE技術功能強，應用效率高，設計計算功能可以提高工作效率，高效完成工作內容，簡化工作步驟，快速計算材料的重要參數，企業設計人員應當熟悉CAD/CAE技術的管理操作，綜合應用CAD/CAE技術來優化產品管理，多樣化安排原材料的生產制造，規范產品的設計生產步驟，提高企業自動化水平，加快機械設計與模具的生產設計，提高企業經濟效益。

3.1 CAD/CAE在機械設計與設計計算中的應用

傳統的CAD技術需要依靠人工進行零件設計裝配的大量計算，容易產生出現計算錯誤，影響零件設計生產，導致機械產品出現質量問題。CAE技術強大的計算能力，可以快速核算強度剛度、熱傳導等指標，改善機械產品設計的難度，因此企業在材料設計建模過程中，需要運用CAD的裝配功能進行機械設計，形成有效的生成序列，充分觀察零件間的裝配與拆卸。CAD/CAE技術有效處理前期圖形，求解計算熱傳導性、塑性，展現出具體參數，動態展示部件的層級關系，工作人員可以動態觀察并且適時控制零件位置的裝配拆卸，還可以生成多個裝配序列，方便工作人員觀察裝配與拆卸方案的具體情況，有效解決計算量大、設計修改復雜的問題，提高設計的精度。

CAD技術在進行零件裝配設計期間，借助傳統方法進行材料剛度、強度復雜計算，難以有效確定后期零件尺寸參數，容易增加計算量，提高工作難度。在計算零件的設計強度，可以應用CAE技術的靜動力學分析，通過虛擬裝配、虛擬實驗，完善零件的設計生產，針對冷擠壓零件筒，可以進行凹凸模設計，通過UG軟件進行模具強度計算，優化凸模的負載邊界與材料屬性，依據CAE過盈量確定凹模的預應力值，針對組合凹模借助CAE校核計算結果，從而設計生產高品質產品，促使模具長壽命工作，優化產品質量，提高企業經濟效益。

3.2 CAD/CAE技術在模具設計中的應用

模具設計是機械設計的重要內容，需要進行開模工作，確保工作流程規范，避免開模錯誤造成模具損壞，給企業帶來巨大損失，應用CAD/CAE技術可以優化開模效率，提高工序的技術含量，確保開模工作順利進行。通常，模具產品設計工作量大且復雜，需要全面考慮明確產品內部的尺寸、形狀與厚度的設計，借助三維造型軟件調整模具產品的設計環節，并且借助計算機軟件重新進行計算，優化模具開模質量。此外，模具產品設計借助CAD/CAE軟件計算參數，調取產品設計模型，優化產品前期管理，借助冷卻鑄件系統，進行模具整體設計。

應用CAD/CAE技術規范產品的開模工作流程：（1）綜合考慮產品的外形、用途等指標，進行設計模型，通過模型具體參數進行前期預處理，與模具的設計部門進行溝通，完善后續步驟。（2）進行開模主要參數處理，布置模腔的個數情況，可以使用一腔多模的方法完善結構與功能。（3）進行難度系數最大的扣模和工件調取，利用自動化設計明確產品的具體參數和工件型號，并且確定遠點坐標好放入工件，扣模已經布置好的模腔。（4）參考產品使用功能與外形進行哈佛塊與側軸的設計，優化產品的包裝管理，再度優化模具的各項功能。（5）進行工作的最后步驟，用設計軟件建立澆注、頂出、冷卻系統，調取與檢查模具的制造情況，檢查開模的質量與設計精度，完成裝配圖操作。

3.3 模具型號的綜合CAD/CAE應用

整個模具概念設計需要進行草圖設計，傳統CAD系統受到約束限制，不能有效展現概念造型，導致其只是草圖化繪圖工具。現在草圖技術完善，可以進行二維、三維草圖設計建模，優化協調傳統CAD系統與概念設計。同時，由于模具制造一般在高溫高壓的環境條件下進行，需要面對惡劣的外界環境，為此工作人員需要明確計算模具的具體參數，驗證并校準模具的產品特性，如強度、剛性，保證模具可以安全高效進行作業，開展冷壓工序期間，可以選擇圓桶、槽鋼內壁的15#鋼，使用冷擠壓一次成型模式，借助CAE軟件計算強度，優化模具設計方法，提高模具設計管理水平。

凸模頂端需要承受的壓力過大，設計人員需要根據其結構特點設計，經過反復的實驗，比較理論與真實數值，明確凸模高點的預應力值大小，并且在實際生產作業過程中，企業需要確保標志值是大于外界壓力的，否則，會影響凸模正常工作，影響設備安全。凹模設計需要借助CAE軟件的過盈量數值，進行綜合應力計算分析，通過設定基本的應力值，進行基本變形量分析，得出合適的應力值；組合模型內部零部件多，結構較復雜，需要進行內外圈的相對分析，使用CAD/CAE軟件網格劃分曲面微元，通常外模可以承受1684MPa的最大應力，中圈僅能承受502MPa的壓力。企業可以了解材料的屬性負載，使用CAE技術調整具體的材料參數，進行有效的產品預應力的計算，優化加工制造服務質量，簡化工作流程。

4 結語

企業可以引進CAD/CAE技術，發揮CAD/CAE技術的核心優勢，加強機械模具行業CAD/CAE技術的研究，完善其軟件不足，為此企業應綜合考慮產品的結構參數和形狀參數，借助CAD/CAE技術強大的設計和計算功能，簡化工作流程，實現產品設計和制造的數據化管理，提高產品質量，優化產品性能，有效地解決設計生產中的實際問題，滿足市場需求，提高企業的經濟效益。