结构CAE技术在冷挤压模具设计中的应用

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2006年4月17日 21:52

【摘要】近年来CAE(Computer Aided Engineering)技术得到了快速发展，为模具工业提供了更强大的技术支持。在冷挤压模具设计中，模具强度的校核设计是其中的关键，在很多情况下要靠经验来进行设计。应用结构CAE技术能方便准确地进行复杂模具成型零件及模具装配部件的强度、刚性的校核计算。笔者结合近年来的实际工作经验，谈谈应用 UG软件的结构CAE技术在冷挤压模具设计中的应用。
　　【关键词】结构CAE 冷挤压模具设计强度校核
　　1 结构CAE 技术概述
　　结构CAE技术主要是应用有限元方法，通过给定条件如材料属性、负载条件、边界条件、装配连接设定等，对结构进行力学、热学的分析及诊断，提供给用户具体、形象的数据表达形式，以便进行结构设计校核数据。
　　目前，开发对象的自动离散及有限元分析结果的计算机可视化显示技术“瓶颈”现象已逐步解决，对象的离散从手工、半自动到全自动，从简单对象的单维单一网格到复杂对象的多维多种网格单元，从单材料到多种材料，从单纯的离散到自适应离散，从对象的性能校核到自动自适应动态设计、分析，计算结果的可视化显示可对应力、应变和温度等场的静动态显示、彩色调色显示，也可对受载对象可能出现缺陷（裂纹等）的位置、形状、大小及其可能波及区域等进行显示。
　　2 结构CAE技术在模具设计中的应用
　　模具常常工作在高压、高温的状况下，如冷挤压模具工作在高压状态下，热锻模具工作在高压高温状态下，强度与稳态校核显得很重要；压铸模、塑料成型模工作在高压高温状态下，模具结构的刚性与热力性校核显得很重要。有必要清楚模具的工作状况并进行模具的强度、刚性等校核，使模具能安全、长寿命的工作，保证产品的质量。
　　传统的模具设计主要是根据设计资料和设计人员的经验来进行，校核计算往往进行得粗略且不全面，不能精确反应模具的实际状况。虽然 CAD/CAM技术在模具设计制造中得到了广泛的应用，但其优越性仅体现在设计、加工效率与精度上，结构性的模具设计及其校核却往往无能为力。模具制造完成后常常需要多次试验、返修与改进，甚至模具报废，造成很大的损失。如今大型CAD/CAE/CAM软件系统（如UG、Pro/E等）和专门CAE软件系统（如ANSYS等）功能越来越强大，应用结构CAE技术可以对所设计的模具进行结构性校核，在设计阶段及时改善模具结构，从而大大提高模具的一次试模成功率。图1是应用结构CAE技术进行模具设计的一般步骤。
　　零件CAD设计
　　装配设计及检查
　　结构CAE校核计算
　　完成
　　设计
　　模具CAM
　　装配及试模
　　3 应用UG软件的结构CAE技术进行冷挤压模具设计范例
　　模具工作部分基本结构中凸模与凹模组合，经计算得模具受到的最大单位挤压应力为1870MPa，在此压力下，根据经验凹模采用3层预应力组合凹模，内圈与中圈、中圈与外圈的单面过盈量均为0.32mm。凸模材料采用W6Mo5Cr4V2，凹模内圈采用YG20；中圈采用40Cr，硬度为 42~44HRC；外圈采用40Cr，硬度为38~40HRC。
　　在冷挤压模具设计中，模具强度需得到可靠的保证。因此，必须对模具零件进行严格的强度校核计算。在此采用UG软件的结构CAE模块功能对凸模和组合凹模进行强度校核计算。
　　1. 凹模内圈 2.中圈 3.外圈 4.推杆 5.垫块
　　对于凸模，分别赋予材料属性、负载条件、边界条件，并对凸模进行有限元网格划分等，给定条件后进行求解运算，用不同颜色或其它方式可观察出凸模各处的应力值。其最大压应力值为3781MPa。
　　对于凹模组合的校核计算，首先要确定预应力的值。其可以根据过盈量的数值，通过结构CAE分析来获得。首先假定预应力的值，由结构CAE得出变形量，看是否与过盈量吻合，如此反复，可得出正确预应力的值。经此方法求出中圈与内圈的变形量分配为0.24mm与0.08mm；考虑到中圈外缘变形量为 0.20mm，因此，外圈与中内圈组合的变形量分配为0.40mm与0.10mm。得出中圈与内圈的预应力值为610MPa，中圈与外圈的预应力值为 650MPa。
　　对于组合凹模，是多个零件的组合，应用结构CAE进行整体校核计算有别于单个零件对象。除对每个零件进行有限元网格划分外，还须对中圈与内圈、中圈与外圈进行曲面接触网格划分，同时赋予预应力。内圈凹模所受最大应力为1724MPa，中圈所受最大应力为514MPa，外圈所受最大应力为478MPa。
　　从分析结果来看，模具零件所受的应力均在其许用应力范围之内。如果分析结果超过许用应力，必须修改设计方案，修改后的方案有必要再一次运用结构CAE进行校核。