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CAD/CAE技术在模具设计中的运用

2012-08-15李萌崛张万明

科技传播 2012年23期
关键词:制品成型模具

李萌崛,焦 钰,张万明

西昌学院轻化工学院,四川西昌 615000

0 引言

由于产品制造业的高速发展,商品朝着多元化和功能化方向发展,为了适应市场竞争,企业对产品的研发和生产提出了更高的要求。现代企业运用目前较为成熟的CAD/CAE技术来研发产品,不仅能够缩短研发周期,而且能够实现产品和加工工艺的最优配置。CAD/CAE工程技术诞生于上世纪80年代末期,是集成计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design)和计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineering)“设计+评估”于一体的最新产品研发技术[1]。该技术在工业上的运用有效的利用和整合资源,同时也保证了产品的质量。按照传统的模具设计和加工方法,这个过程主要依靠设计人员积累的经验和工艺人员的技巧,缺乏相应的数据做支撑,产品设计合理性只有在模具投入生产之后才能进行论证,从而提高了研发成本,造成资源的浪费[2]。

本文从CAD/CAE技术、CAD/CAE软件、模具设计基本流程三个方面对CAD/CAE技术应用的发展现状进行综合性介绍。

1 CAD/CAE技术简介

在注塑成型中,许多因素会影响最终成型制品的各项性能指标。这些因素主要包括:产品结构设计、模具设计、熔体流动、工艺参数,注塑机的性能等。CAD/CAE在工业生产中的投入,设计人员便可以直接通过计算机辅助工程(CAE)来预测制品力学性能、熔接痕位置、浇口位置等。通常情况下,在注塑成型中,型腔里的聚合物的状态和变化过程直接影响最后一部分的性能和质量。模拟聚合物加工,预测熔体的状态和变化来设计模具和制定参数是一种聚合物加工领域中的重要方法。

目前国内企业中使用的CAE软件主要包括:Ansys、Fluent、DYNA、Nastran、AutoForm等[3]。在注塑模中moldflow软件应用较为广泛。Moldflow软件是根据塑料加工流变学和传热学的基本原理,在有限元分析的基础之上,利用计算机建立塑料熔体在模具型腔中填充、流动、冷却的数学模型。

2 CAD/CAE软件简介

2.1 Pro/Engineer软件

Pro/Engineer软件是美国参数技术公司(PTC)所开发的三维造型软件。Pro/Engineer突出的特点是参数化设计,在国内制品设计和注塑模具设计领域广泛运用。Pro/Engineer包含有强大的3D建模功能,设计人员可以通过在该平台上完成三维设计工作。此外,Pro/Engineer在修模过程中提供更加强有力的支持,参数设置的修改软件将自动的对配合和干涉的部件进行自动的修模。同时,Pro/Engineer系统自带的标准件库,其包含螺钉、螺母、螺栓、螺柱、垫圈、销、键、轴承、弹簧、油缸等常用零部件,模型数据可被直接调用[4]。

2.2 UG软件

UG(Unigraphics NX)是由Siemens PLM Software公司出品的三维造型软件。UG的参数化设计与Pro/Engineer相比较弱,但是在操作方面与Pro/Engineer相比显得简单。龙计模架和国标零件库都能在UG直接寻找到。20世纪90年代,UG在PC上的应用取得了迅猛的增长,目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。

2.3 Moldflow软件

Autodesk Moldflow是我国企业在模具设计过程中最为常用的仿真软件。Moldflow具有注塑成型过程的仿真工具,能够帮助设计人员验证和优化塑料零件、注塑模具和注塑成型流程。该软件能够为设计人员、模具制作人员、工程师提供指导,通过仿真设置和结果阐明来展示壁厚、浇口位置、材料、几何形状变化如何影响可制造性。从薄壁零件到厚壁、坚固的零件,Autodesk Moldflow的几何图形支持可以帮助用户在最终设计决策前试验假定方案[5]。

3 利用CAD/CAE技术开模过程

3.1 制品设计

制品的结构设计包括:塑料制品的形状、尺寸、精度、表面光洁度、壁厚、斜度、加强筋、支撑面、孔、圆角、螺纹及嵌件等结构设计[6]。制品设计是所有设计和开模工作的第一步。通过Pro/Engineer、UG、CATIA等众多的三维造型软件,逐次调用各种基本模型元素,如、长方体、圆柱、球、螺纹等,在基本的布尔运算如求和、求差下,完成制品的结构设计。制品设计过程中同时要注意制品结构的合理,要考虑到制品壁厚和脱模斜度等因素,同时也要注意制品使用力学性能,增设加强筋和支持[7]。

3.2 利用UG和Pro/Engineer软件进行开模

模具设计的基本流程如下:

1)制品设计模型调取:通常情况下,由制品设计部门完成对制品外观和功能的设计,将设计完成的3D模型发送至模具设计部门完成模具设计;

2)模腔个数及布置:按照一模多腔的基本设计方法,完成对多个模腔的布局;

3)工件调取、抠模:在确定坐标原点的基础上,调入工件,并使用前所设计的多腔模型扣取工件,完成模腔形状设计,随后设置分型面;

4)侧抽、哈佛块设计:部分制品需要侧抽或者哈佛分型块、根据制品具体形状进行设计;

5)龙计模架调取:国内模具设计企业多选用龙计标准模架;

6)浇注、顶出、冷却系统的建立;

7)干涉检查:在模具设计完成以前,必须对干涉进行仔细检查,在确保无误的情况下生成装配图;

8)零件图的制作:合理设置不同的加工精度,精度过高,生产成本成倍增加,精度过低影响制品使用。

3.3 利用Moldflow软件进行模流分析

CAE技术在今天的工业生产中得到广泛的应用,特别是在材料工程领域发挥着及其重要的作用。主要是运用计算机辅助求解结构力学、流体力学、热力学等问题。CAE技术不仅仅能够做静态分析,而且能完成一系列的动态分析。其基本过程是将一个形状复杂的连续体模拟成为有限个形状简单的子区域,即通过将连续体离散化,把求解连续体的场变量这一复杂问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。

CAE技术通常要经历如下几个步骤:1)建模:对分析模型的建立,在模具设计过程中已经在制品设计阶段完成;2)有限元的划分:把建立好的模型进行有限网格划分,同时对划分的网格进行人工修补;3)有限元分析和结果生成:有限元系统求解和有限元结果生成;4)修模:根据分析结果修改模型设计。

在模具设计中,运用较为广泛的是Moldflow模流分析。其主要运用于:1)辅助设计:计算机分析结果辅助设计人员对制品壁厚,浇口位置、浇口数量进行调整,从而达到优化制品设计的最终目的。以往的设计过程,往往是通过设计人员长期积累的经验来完成,对于模具设计的初学者而言,以上工作就难以完成;2)熔接痕的减少:在制品注塑过程中,难免会产生熔接痕,熔接痕产生将会极大地降低制品力学性能,CAE工程分析有助于熔接痕的提前预测,修改制品设计从而提高制品的力学性能;3)优化工艺参数:CAE工程分析能够帮助工艺师确定最佳的注塑压力、锁模力、背压、模具温度等工艺参数。

4 结论

以上介绍了CAD/CAE工程技术在产品研发和模具开发过程中的运用和发展。CAD/CAE工程技术贯穿于整个产品研发和生产过程,设计人员和工艺人员运用CAD/CAE技术,对制品结构、流道设计,浇口位置、工艺参数等进行有限元分析和运算,有效的节约了资源,同时缩短了研发的周期,为提升企业产品的竞争力做出积极的贡献。

[1]李德群,肖祥芷.模具CAD/CAE/CAM的发展概况及趋势[J].模具工业,2005,6(7):9-12.

[2]王红军,于昂.基于CAD/CAE/CAM的注射模具实训[J].南京工业职业技术学院学报,2009,6(2):95-97.

[3]申开智.塑料成型模具[M].北京:中国轻工业出版社,2002.

[4]王强,刘莹.基于Moldflow的手机壳体成型工艺分析[J].模具工业,2010,36(9):14-17.

[5]兰芳,覃波.CAE技术在注射制品中的应用[J].中国制造业信息化,2009,38(9):54-57.

[6]周大路,黄薇.基于Moldflow技术的绝缘盖注射成型分析[J].模具工业,2008,34(3):22-24.

[7]游思坤,刘晓初,王春.空调后座塑料件的注塑流动模拟分析[J].塑料,2008,37(4):98-99.

[8]孙丽娟.Moldflow在注射模设计中的应用[J].模具工业,2010(3):41-44.

[9]陈海丽.CAE 技术在轿车保险杠浇口设计中的应用[J].轻工机械,2011(6):8-13.

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