CAD/CAE技术在机械设计与模具设计中的应用研究

叶华

（江西工商职业技术学院，江西 南昌 330200）

模具加工与设计需要与时俱进，降低传统方法的使用，通常传统方法工作强度大，技能要求高，工作流程复杂，容易造成资源浪费。因此可以采取CAD/CAE技术进行产品设计，运用计算机设计研发产品。其中CAE分析求解数值高，可以结合CAD优化设计质量，同时CAD/CAE的软件功能强大，可以实现产品缺陷更改与自动修复，快速展示产品设计仿真结果等功能，具有强大的数据运算能力，自动化管理水平高，可以增强企业核心竞争力，提高企业经济效益。

1 CAD/CAE技术的概述

传统模具设计确定模具原型一般通过概念设计分析、样品生产设计、生产等复杂过程，CAD/CAE技术改变传统模具设计理念与方法。CAD模拟设计需要借助计算机技术开展，涉及产品结构、质感色彩，模拟建设实物，立体展示事物的外形结构，应用范围广，包括汽车制造、航空航天。现代CAD功能强大，可以实现设计模拟、组件产生重用、修改整合等功能。计算机辅助工程CAE参数计算功能强，以数据为基础，可以分析求解材料刚度、动力响应等性能。CAD/CAE常用的软件Pro/Engineer，3D建模功能强，可以进行参数化设计，模型修改，自带标准件库自动修模部件，广泛应用于产品制造与模具设计。三维造型UG软件，操作简单，参数化设计较弱，应用于PC，仿真软件Moldflow，应用在模具设计，可以指导实现零件优化与注塑成型。在实际生产过程中，模具可以借助计算机应用软件，精确结构的设计分析以及仿真过程，在模具概念设计中，CAD/CAE技术优化设计流程，加快产品生命周期，提高模具生产设计质量，简化设计对象，实现产品的功能要求。通常产品生产设计，需要借助CAD技术设计产品初步结构，应用CAE技术开展结构分析，完善模具的可行性评估分析，进一步优化设计建模，精确模具具体结构，降低企业成本。

2 机械设计与模具设计中存在的问题

机械设计与模具制造需要消耗大量的资源，依靠能源进行有效设计生产，企业投入成本大，在模具具体的设计制造过程期间，需要涉及的行业较多，容易出现大量资源浪费的情况，不利于环境保护，影响企业经济效益，造成资源紧缺的情况加重，不利于行业健康发展，难以有效提高材料能源的利用率，难以构建行业的可持续发展，长期以往，企业难以得到长足发展。同时，CAD/CAE技术的系统集成化程度有待完善，基于企业规模不同，模具的制造自动化程度有差别，容易在进行CAD信息交流期间，出现信息存在不协调兼容的情况，难以有效提高行业信息资源的共享，影响行业数据集成化的发展，容易造成企业沟通成本，增加企业成本支出，并且CAD/CAE系统全面化发展程度低，无法进行系统科学的整合软件资源，软件之间的兼容程度有待完善。

3 机械设计与模具设计中CAD/CAE技术的应用

CAD/CAE技术功能强，应用效率高，设计计算功能可以提高工作效率，高效完成工作内容，简化工作步骤，快速计算材料的重要参数，企业设计人员应当熟悉CAD/CAE技术的管理操作，综合应用CAD/CAE技术来优化产品管理，多样化安排原材料的生产制造，规范产品的设计生产步骤，提高企业自动化水平，加快机械设计与模具的生产设计，提高企业经济效益。

3.1 CAD/CAE在机械设计与设计计算中的应用

传统的CAD技术需要依靠人工进行零件设计装配的大量计算，容易产生出现计算错误，影响零件设计生产，导致机械产品出现质量问题。CAE技术强大的计算能力，可以快速核算强度刚度、热传导等指标，改善机械产品设计的难度，因此企业在材料设计建模过程中，需要运用CAD的装配功能进行机械设计，形成有效的生成序列，充分观察零件间的装配与拆卸。CAD/CAE技术有效处理前期图形，求解计算热传导性、塑性，展现出具体参数，动态展示部件的层级关系，工作人员可以动态观察并且适时控制零件位置的装配拆卸，还可以生成多个装配序列，方便工作人员观察装配与拆卸方案的具体情况，有效解决计算量大、设计修改复杂的问题，提高设计的精度。

CAD技术在进行零件装配设计期间，借助传统方法进行材料刚度、强度复杂计算，难以有效确定后期零件尺寸参数，容易增加计算量，提高工作难度。在计算零件的设计强度，可以应用CAE技术的静动力学分析，通过虚拟装配、虚拟实验，完善零件的设计生产，针对冷挤压零件筒，可以进行凹凸模设计，通过UG软件进行模具强度计算，优化凸模的负载边界与材料属性，依据CAE过盈量确定凹模的预应力值，针对组合凹模借助CAE校核计算结果，从而设计生产高品质产品，促使模具长寿命工作，优化产品质量，提高企业经济效益。

3.2 CAD/CAE技术在模具设计中的应用

模具设计是机械设计的重要内容，需要进行开模工作，确保工作流程规范，避免开模错误造成模具损坏，给企业带来巨大损失，应用CAD/CAE技术可以优化开模效率，提高工序的技术含量，确保开模工作顺利进行。通常，模具产品设计工作量大且复杂，需要全面考虑明确产品内部的尺寸、形状与厚度的设计，借助三维造型软件调整模具产品的设计环节，并且借助计算机软件重新进行计算，优化模具开模质量。此外，模具产品设计借助CAD/CAE软件计算参数，调取产品设计模型，优化产品前期管理，借助冷却铸件系统，进行模具整体设计。

应用CAD/CAE技术规范产品的开模工作流程：（1）综合考虑产品的外形、用途等指标，进行设计模型，通过模型具体参数进行前期预处理，与模具的设计部门进行沟通，完善后续步骤。（2）进行开模主要参数处理，布置模腔的个数情况，可以使用一腔多模的方法完善结构与功能。（3）进行难度系数最大的扣模和工件调取，利用自动化设计明确产品的具体参数和工件型号，并且确定远点坐标好放入工件，扣模已经布置好的模腔。（4）参考产品使用功能与外形进行哈佛块与侧轴的设计，优化产品的包装管理，再度优化模具的各项功能。（5）进行工作的最后步骤，用设计软件建立浇注、顶出、冷却系统，调取与检查模具的制造情况，检查开模的质量与设计精度，完成装配图操作。

3.3 模具型号的综合CAD/CAE应用

整个模具概念设计需要进行草图设计，传统CAD系统受到约束限制，不能有效展现概念造型，导致其只是草图化绘图工具。现在草图技术完善，可以进行二维、三维草图设计建模，优化协调传统CAD系统与概念设计。同时，由于模具制造一般在高温高压的环境条件下进行，需要面对恶劣的外界环境，为此工作人员需要明确计算模具的具体参数，验证并校准模具的产品特性，如强度、刚性，保证模具可以安全高效进行作业，开展冷压工序期间，可以选择圆桶、槽钢内壁的15#钢，使用冷挤压一次成型模式，借助CAE软件计算强度，优化模具设计方法，提高模具设计管理水平。

凸模顶端需要承受的压力过大，设计人员需要根据其结构特点设计，经过反复的实验，比较理论与真实数值，明确凸模高点的预应力值大小，并且在实际生产作业过程中，企业需要确保标志值是大于外界压力的，否则，会影响凸模正常工作，影响设备安全。凹模设计需要借助CAE软件的过盈量数值，进行综合应力计算分析，通过设定基本的应力值，进行基本变形量分析，得出合适的应力值；组合模型内部零部件多，结构较复杂，需要进行内外圈的相对分析，使用CAD/CAE软件网格划分曲面微元，通常外模可以承受1684MPa的最大应力，中圈仅能承受502MPa的压力。企业可以了解材料的属性负载，使用CAE技术调整具体的材料参数，进行有效的产品预应力的计算，优化加工制造服务质量，简化工作流程。

4 结语

企业可以引进CAD/CAE技术，发挥CAD/CAE技术的核心优势，加强机械模具行业CAD/CAE技术的研究，完善其软件不足，为此企业应综合考虑产品的结构参数和形状参数，借助CAD/CAE技术强大的设计和计算功能，简化工作流程，实现产品设计和制造的数据化管理，提高产品质量，优化产品性能，有效地解决设计生产中的实际问题，满足市场需求，提高企业的经济效益。