CAE技术：模具设计的一把利器

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在挤压模具及工艺设计中的应用
在体积成形工艺虚拟试模中，用得比较多的是Deform软件，Deform是一套基於有限元的工艺仿真系统，用於分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺。通过在电脑上类比整个加工过程，指导工程师和设计人员设计模具，减少昂贵的现场试模成本，从而提高工模具设计效率，降低生产和材料成本，缩短新产品的研究开发周期。锻造、拉深、挤压、轧制、旋压等多种塑性成形工艺都可以在电脑上进行虚拟试模，并且还可以进行模具应力、弹性变形及破损分析。
在挤压工艺模具设计过程中，可以借助CAE仿真技术实现挤压工艺的制定以及关键模具尺寸的设计。图1至图3是某产品的正挤、正反复合挤、反挤工艺的模拟计算结果。通过运用CAE技术对原有工艺及模具进行优化设计，取得了良好的效果。
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9 j# o6 A" A* a6 w5 l8 _  |" H) ]图1 正挤模拟过程结束时的等效应变
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) i- p6 }4 |: D0 I  V/ P图2 正反复合挤结束时的等效应力分布

图3 反挤结束时的等效应变应力分布图在冲模设计中的应用
4 D. q9 w4 E4 H& \2 g在板料成形虚拟试模中，Dynaform用得较多。Dynaform方便易用且包含许多自动功能，可以方便地解决最复杂的成形问题。Dynaform包含完整的CAD、前处理功能、分析功能及後处理功能。Dynaform支持Windows、LINUX及UNIX操作系统，为用户提供了一套功能齐全且价格低廉的解决方案。运用CAE技术模拟冲压成形过程来指导模具设计，可以大大节省试模成本，提高模具设计质量。
. I' D/ x; ]$ f在冲模设计中，同样可以借助CAE仿真技术实现对工艺及模具结构的改进与优化。图4为利用冲压工艺生产的某飞机零件。如图5所示，通过对原有成形工艺的CAE仿真可以发现，材料局部区域没有充分拉伸，而另外的区域却严重减薄，导致成形件出现明显品质问题。
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5 J1 u) g: N0 _, }- X& b图4 飞机零件模具示意图
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图5 初试设计的冲压缺陷针对这些成形缺陷，通过修改模具结构，在适当位置布置拉延筋改变局部材料流动，从而使材料流动趋於均匀，消除了成形缺陷。图6和图7就是修改模具结构後的分析结果，基本上达到了比较理想的状态。
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# H! K, L4 W6 c图6最终设计的产品减薄率
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% m" r( @5 g7 i  s( }" M8 @图7成形极限图利用Dynaform软件虚拟试模，能大大降低模具设计开发过程中的试模时间与费用。它能预测板料在成形过程中的成形性能，如拉裂、起皱、减薄、压痕及回弹现象，从而对模具设计提供指导。
在注塑模具设计中的应用
在注塑CAE技术中，目前用得比较多的是Moldflow公司的MPI（Moldflow Plastics Insight）。该软件可以模拟整个注塑成型过程，优化制件设计、模具设计和注塑成型过程，进行塑料流动模拟和热塑性塑料填充和保压过程模拟。同时可以优化最佳浇口位置，进行成型参数优化和流道平衡等，甚至还可以模拟压力控制和体积控制的气体辅助注塑成型过程。
1 n0 A7 K) Z) u) B在注塑模具设计中，同样可以借助CAE仿真技术实现对工艺及模具结构的改进与优化。图8至图10是CAE技术在指导塑料产品和模具设计中的应用。图8是产品的初始设计，通过CAE仿真技术计算产品Z方向的变形量为18.8mm，通过调整工艺和模具结构，变形量能降低3mm，始终很难明显的降低变形量。最後通过更改产品的设计，变形量得到了明显的降低，更改产品後，Z方向的最大变形量为7.1mm，这样的结果用户基本上能够接受。图9是更改後的产品结构图，在产品的背面增加了肋条。图10、图11是产品更改前後的变形量。
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图8产品的初始设计 图9产品更改後的设计

图10初始产品的变形量图 图11产品更改後的变形量
文章关键词： CAE技术、模具设计