結構CAE技術在冷擠壓模具設計中的應用

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2006年4月17日 21:52

【摘要】近年來CAE(Computer Aided Engineering)技術得到了快速發展，為模具工業提供了更強大的技術支持。在冷擠壓模具設計中，模具強度的校核設計是其中的關鍵，在很多情況下要靠經驗來進行設計。應用結構CAE技術能方便準確地進行復雜模具成型零件及模具裝配部件的強度、剛性的校核計算。筆者結合近年來的實際工作經驗，談談應用 UG軟件的結構CAE技術在冷擠壓模具設計中的應用。
　　【關鍵詞】結構CAE 冷擠壓模具設計強度校核
　　1 結構CAE 技術概述
　　結構CAE技術主要是應用有限元方法，通過給定條件如材料屬性、負載條件、邊界條件、裝配連接設定等，對結構進行力學、熱學的分析及診斷，提供給用戶具體、形象的數據表達形式，以便進行結構設計校核數據。
　　目前，開發對象的自動離散及有限元分析結果的計算機可視化顯示技術“瓶頸”現象已逐步解決，對象的離散從手工、半自動到全自動，從簡單對象的單維單一網格到復雜對象的多維多種網格單元，從單材料到多種材料，從單純的離散到自適應離散，從對象的性能校核到自動自適應動態設計、分析，計算結果的可視化顯示可對應力、應變和溫度等場的靜動態顯示、彩色調色顯示，也可對受載對象可能出現缺陷（裂紋等）的位置、形狀、大小及其可能波及區域等進行顯示。
　　2 結構CAE技術在模具設計中的應用
　　模具常常工作在高壓、高溫的狀況下，如冷擠壓模具工作在高壓狀態下，熱鍛模具工作在高壓高溫狀態下，強度與穩態校核顯得很重要；壓鑄模、塑料成型模工作在高壓高溫狀態下，模具結構的剛性與熱力性校核顯得很重要。有必要清楚模具的工作狀況并進行模具的強度、剛性等校核，使模具能安全、長壽命的工作，保證產品的質量。
　　傳統的模具設計主要是根據設計資料和設計人員的經驗來進行，校核計算往往進行得粗略且不全面，不能精確反應模具的實際狀況。雖然 CAD/CAM技術在模具設計制造中得到了廣泛的應用，但其優越性僅體現在設計、加工效率與精度上，結構性的模具設計及其校核卻往往無能為力。模具制造完成后常常需要多次試驗、返修與改進，甚至模具報廢，造成很大的損失。如今大型CAD/CAE/CAM軟件系統（如UG、Pro/E等）和專門CAE軟件系統（如ANSYS等）功能越來越強大，應用結構CAE技術可以對所設計的模具進行結構性校核，在設計階段及時改善模具結構，從而大大提高模具的一次試模成功率。圖1是應用結構CAE技術進行模具設計的一般步驟。
　　零件CAD設計
　　裝配設計及檢查
　　結構CAE校核計算
　　完成
　　設計
　　模具CAM
　　裝配及試模
　　3 應用UG軟件的結構CAE技術進行冷擠壓模具設計范例
　　模具工作部分基本結構中凸模與凹模組合，經計算得模具受到的最大單位擠壓應力為1870MPa，在此壓力下，根據經驗凹模采用3層預應力組合凹模，內圈與中圈、中圈與外圈的單面過盈量均為0.32mm。凸模材料采用W6Mo5Cr4V2，凹模內圈采用YG20；中圈采用40Cr，硬度為 42~44HRC；外圈采用40Cr，硬度為38~40HRC。
　　在冷擠壓模具設計中，模具強度需得到可靠的保證。因此，必須對模具零件進行嚴格的強度校核計算。在此采用UG軟件的結構CAE模塊功能對凸模和組合凹模進行強度校核計算。
　　1. 凹模內圈 2.中圈 3.外圈 4.推桿 5.墊塊
　　對于凸模，分別賦予材料屬性、負載條件、邊界條件，并對凸模進行有限元網格劃分等，給定條件后進行求解運算，用不同顏色或其它方式可觀察出凸模各處的應力值。其最大壓應力值為3781MPa。
　　對于凹模組合的校核計算，首先要確定預應力的值。其可以根據過盈量的數值，通過結構CAE分析來獲得。首先假定預應力的值，由結構CAE得出變形量，看是否與過盈量吻合，如此反復，可得出正確預應力的值。經此方法求出中圈與內圈的變形量分配為0.24mm與0.08mm；考慮到中圈外緣變形量為 0.20mm，因此，外圈與中內圈組合的變形量分配為0.40mm與0.10mm。得出中圈與內圈的預應力值為610MPa，中圈與外圈的預應力值為 650MPa。
　　對于組合凹模，是多個零件的組合，應用結構CAE進行整體校核計算有別于單個零件對象。除對每個零件進行有限元網格劃分外，還須對中圈與內圈、中圈與外圈進行曲面接觸網格劃分，同時賦予預應力。內圈凹模所受最大應力為1724MPa，中圈所受最大應力為514MPa，外圈所受最大應力為478MPa。
　　從分析結果來看，模具零件所受的應力均在其許用應力范圍之內。如果分析結果超過許用應力，必須修改設計方案，修改后的方案有必要再一次運用結構CAE進行校核。