| 模具设计主要包括挤压模具设计、锻模设计、冲模设计、注塑模设计等。本文以实例说明了CAE（电脑辅助工程）技术在各类模具设计中的应用以及CAE技术对模具设计的指导作用。 |
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模具工业是国民经济的重要基础工业，在汽车、电子、仪表、航空和家电等产品中，依靠模具成形的零部件占到60%~80%，模具的设计与制造水准直接影响产品的品质和生产效率。模具设计技术也经历了CAD/CAM/CAE的快速发展过程，目前CAE技术逐步得到广泛的应用和发展，出现了很多用於指导模具设计的CAE商业软件，如Dynaform，Deform，Autoform，Superform, Superforge, Pam-stamp, Fastform, FastBlank, Hyperform, Fastamp，Moldflow, Polyflow等，这些软件主要是对成形工艺过程进行虚拟试模，在模具设计领域发挥重要的指导作用。
在挤压模具及工艺设计中的应用
图1正挤模拟过程结束时的等效应变
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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。
图2正反复合挤结束时的等效应力分布
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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。
图3 反挤结束时的等效应变应力分布图
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在冲模设计中的应用
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。
图4飞机零件模具示意图 |
图5初试设计的冲压缺陷 |
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。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。
图6最终设计的产品减薄率 |
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。
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。
图8产品的初始设计 |
图9产品更改後的设计 |
应用现状及前景
CAE技术是未来模具技术中不可缺少的技术，CAE分析技术是未来模具设计发展的一个重要发展方向，而且将得到广泛应用。但CAE技术目前在模具设计过程中也存在着一些不容回避的问题和难题。
图10初始产品的变形量图 |
一方面，CAE技术的应用没有得到充分的认识，在企业中推进CAE技术过程中遇到一定的阻力。目前大多数企业模具设计完全依靠经验。另一方面， CAE技术工程技术人员较为缺乏。应用CAE技术对工程技术人员有很高的要求，仅会使用软件是远远不够的，还必须有扎实的理论知识和丰富的实践经验。同时具备这几方面能力的人很少。
图11产品更改後的变形量 |
CAE仿真技术的不断发展及其与模具设计技术的紧密结合将对模具设计方法产生重要影响。通过对模具在各种工况下的仿真，获得模具的各种资讯，将使设计者对模具及成形工艺的理解更加深入，从而有助於提高设计效率，降低研发风险，推动模具设计技术的进步。 ■
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