CAD/CAE技術在模具設計中的運用

李萌崛，焦 鈺，張萬明

西昌學院輕化工學院，四川西昌 615000

0 引言

由于產品制造業的高速發展，商品朝著多元化和功能化方向發展，為了適應市場競爭，企業對產品的研發和生產提出了更高的要求。現代企業運用目前較為成熟的CAD/CAE技術來研發產品，不僅能夠縮短研發周期，而且能夠實現產品和加工工藝的最優配置。CAD/CAE工程技術誕生于上世紀80年代末期，是集成計算機輔助設計CAD（Computer Aided Design）和計算機輔助工程CAE（Computer Aided Engineering）“設計+評估”于一體的最新產品研發技術[1]。該技術在工業上的運用有效的利用和整合資源，同時也保證了產品的質量。按照傳統的模具設計和加工方法，這個過程主要依靠設計人員積累的經驗和工藝人員的技巧，缺乏相應的數據做支撐，產品設計合理性只有在模具投入生產之后才能進行論證，從而提高了研發成本，造成資源的浪費[2]。

本文從CAD/CAE技術、CAD/CAE軟件、模具設計基本流程三個方面對CAD/CAE技術應用的發展現狀進行綜合性介紹。

1 CAD/CAE技術簡介

在注塑成型中，許多因素會影響最終成型制品的各項性能指標。這些因素主要包括：產品結構設計、模具設計、熔體流動、工藝參數，注塑機的性能等。CAD/CAE在工業生產中的投入，設計人員便可以直接通過計算機輔助工程（CAE）來預測制品力學性能、熔接痕位置、澆口位置等。通常情況下，在注塑成型中，型腔里的聚合物的狀態和變化過程直接影響最后一部分的性能和質量。模擬聚合物加工，預測熔體的狀態和變化來設計模具和制定參數是一種聚合物加工領域中的重要方法。

目前國內企業中使用的CAE軟件主要包括：Ansys、Fluent、DYNA、Nastran、AutoForm等[3]。在注塑模中moldflow軟件應用較為廣泛。Moldflow軟件是根據塑料加工流變學和傳熱學的基本原理，在有限元分析的基礎之上，利用計算機建立塑料熔體在模具型腔中填充、流動、冷卻的數學模型。

2 CAD/CAE軟件簡介

2.1 Pro/Engineer軟件

Pro/Engineer軟件是美國參數技術公司（PTC)所開發的三維造型軟件。Pro/Engineer突出的特點是參數化設計，在國內制品設計和注塑模具設計領域廣泛運用。Pro/Engineer包含有強大的3D建模功能，設計人員可以通過在該平臺上完成三維設計工作。此外，Pro/Engineer在修模過程中提供更加強有力的支持，參數設置的修改軟件將自動的對配合和干涉的部件進行自動的修模。同時，Pro/Engineer系統自帶的標準件庫，其包含螺釘、螺母、螺栓、螺柱、墊圈、銷、鍵、軸承、彈簧、油缸等常用零部件，模型數據可被直接調用[4]。

2.2 UG軟件

UG（Unigraphics NX）是由Siemens PLM Software公司出品的三維造型軟件。UG的參數化設計與Pro/Engineer相比較弱，但是在操作方面與Pro/Engineer相比顯得簡單。龍計模架和國標零件庫都能在UG直接尋找到。20世紀90年代，UG在PC上的應用取得了迅猛的增長，目前已經成為模具行業三維設計的一個主流應用。

2.3 Moldflow軟件

Autodesk Moldflow是我國企業在模具設計過程中最為常用的仿真軟件。Moldflow具有注塑成型過程的仿真工具，能夠幫助設計人員驗證和優化塑料零件、注塑模具和注塑成型流程。該軟件能夠為設計人員、模具制作人員、工程師提供指導，通過仿真設置和結果闡明來展示壁厚、澆口位置、材料、幾何形狀變化如何影響可制造性。從薄壁零件到厚壁、堅固的零件，Autodesk Moldflow的幾何圖形支持可以幫助用戶在最終設計決策前試驗假定方案[5]。

3 利用CAD/CAE技術開模過程

3.1 制品設計

制品的結構設計包括：塑料制品的形狀、尺寸、精度、表面光潔度、壁厚、斜度、加強筋、支撐面、孔、圓角、螺紋及嵌件等結構設計[6]。制品設計是所有設計和開模工作的第一步。通過Pro/Engineer、UG、CATIA等眾多的三維造型軟件，逐次調用各種基本模型元素，如、長方體、圓柱、球、螺紋等，在基本的布爾運算如求和、求差下，完成制品的結構設計。制品設計過程中同時要注意制品結構的合理，要考慮到制品壁厚和脫模斜度等因素，同時也要注意制品使用力學性能，增設加強筋和支持[7]。

3.2 利用UG和Pro/Engineer軟件進行開模

模具設計的基本流程如下：

1）制品設計模型調取：通常情況下，由制品設計部門完成對制品外觀和功能的設計，將設計完成的3D模型發送至模具設計部門完成模具設計；

2）模腔個數及布置：按照一模多腔的基本設計方法，完成對多個模腔的布局；

3）工件調取、摳模：在確定坐標原點的基礎上，調入工件，并使用前所設計的多腔模型扣取工件，完成模腔形狀設計，隨后設置分型面；

4）側抽、哈佛塊設計：部分制品需要側抽或者哈佛分型塊、根據制品具體形狀進行設計；

5）龍計模架調取：國內模具設計企業多選用龍計標準模架；

6）澆注、頂出、冷卻系統的建立；

7）干涉檢查：在模具設計完成以前，必須對干涉進行仔細檢查，在確保無誤的情況下生成裝配圖；

8）零件圖的制作：合理設置不同的加工精度，精度過高，生產成本成倍增加，精度過低影響制品使用。

3.3 利用Moldflow軟件進行模流分析

CAE技術在今天的工業生產中得到廣泛的應用，特別是在材料工程領域發揮著及其重要的作用。主要是運用計算機輔助求解結構力學、流體力學、熱力學等問題。CAE技術不僅僅能夠做靜態分析，而且能完成一系列的動態分析。其基本過程是將一個形狀復雜的連續體模擬成為有限個形狀簡單的子區域，即通過將連續體離散化，把求解連續體的場變量這一復雜問題簡化為求解有限的單元節點上的場變量值。

CAE技術通常要經歷如下幾個步驟：1）建模：對分析模型的建立，在模具設計過程中已經在制品設計階段完成；2）有限元的劃分：把建立好的模型進行有限網格劃分，同時對劃分的網格進行人工修補；3）有限元分析和結果生成：有限元系統求解和有限元結果生成；4）修模：根據分析結果修改模型設計。

在模具設計中，運用較為廣泛的是Moldflow模流分析。其主要運用于：1）輔助設計：計算機分析結果輔助設計人員對制品壁厚，澆口位置、澆口數量進行調整，從而達到優化制品設計的最終目的。以往的設計過程，往往是通過設計人員長期積累的經驗來完成，對于模具設計的初學者而言，以上工作就難以完成；2）熔接痕的減少：在制品注塑過程中，難免會產生熔接痕，熔接痕產生將會極大地降低制品力學性能，CAE工程分析有助于熔接痕的提前預測，修改制品設計從而提高制品的力學性能；3）優化工藝參數：CAE工程分析能夠幫助工藝師確定最佳的注塑壓力、鎖模力、背壓、模具溫度等工藝參數。

4 結論

以上介紹了CAD/CAE工程技術在產品研發和模具開發過程中的運用和發展。CAD/CAE工程技術貫穿于整個產品研發和生產過程，設計人員和工藝人員運用CAD/CAE技術，對制品結構、流道設計，澆口位置、工藝參數等進行有限元分析和運算，有效的節約了資源，同時縮短了研發的周期，為提升企業產品的競爭力做出積極的貢獻。

[1]李德群，肖祥芷.模具CAD/CAE/CAM的發展概況及趨勢[J].模具工業，2005，6(7)：9-12.

[2]王紅軍，于昂.基于CAD/CAE/CAM的注射模具實訓[J].南京工業職業技術學院學報，2009，6(2)：95-97.

[3]申開智.塑料成型模具[M].北京：中國輕工業出版社，2002.

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[5]蘭芳，覃波.CAE技術在注射制品中的應用[J].中國制造業信息化，2009，38(9)：54-57.

[6]周大路，黃薇.基于Moldflow技術的絕緣蓋注射成型分析[J].模具工業，2008，34(3)：22-24.

[7]游思坤，劉曉初，王春.空調后座塑料件的注塑流動模擬分析[J].塑料，2008，37(4)：98-99.

[8]孫麗娟.Moldflow在注射模設計中的應用[J].模具工業，2010(3)：41-44.

[9]陳海麗.CAE 技術在轎車保險杠澆口設計中的應用[J].輕工機械，2011(6)：8-13.