1清友（苏州）汽车技术有限公司天津300011；2清研同创机器人（天津）有限公司天津300304
摘要：模具加工与设计如果采用传统的方法，对工作人员的技能要求较高，由于相关数据缺乏无法为工作开展提供支撑。模具投入生产后才能对产品合理性进行分析论证，开发的成本高，而资源容易被浪费。鉴于多方面的需要，CAD/CAE技术被引入产品设计工作中。
关键词：CAD/CAE技术；机械设计；模具设计；应用
1CAD/CAE技术
CAD是利用计算机技术对实物进行模拟设计，以展现产品的结构、质感、色彩、外形。技术发展拓展了其应用范围，除工业外，印刷行业也有广泛应用，而最早CAD应用于汽车制造，电子工业，航空航天等领域。现代CAD功能包括了设计修改，版本控制，标准组件自动产生，组件重用，装配件，设计模拟，工程文档输出。CAE是一种分析求解的方法，辅助求解的对象包括了刚度，动力响应，弹塑变形等方面。
2CAD/CAE技术在机械设计和模具设计中的应用及实践
2.1在机械设计中的应用
一些传统的CAD技术主要是针对一些零件的设计和装配，但是这种零件的设计和装配需要进行大量的计算，传统机械设计中的大量计算都是依靠人工来进行的，因此计算的量非常大，而且计算还经常出现一些错误，对于一些计算量大的产品还存在一定的难度，所以不能保证机械产品的质量。自从CAE技术的诞生，极大的改善了机械产品设计的难度。由于CAE技术具有非常强大的计算能力，包括强度的计算、刚度的计算、热传导等指标的求解，大大降低了设计的计算难度。在机械设计和机械零件的装配过程中，工作人员可以利用CAD软件清楚地查看零部件的拆装过程，整个过程非常清晰和直观，特别是利用CAD装配功能来观看零部件的拆卸控制过程，大大提高了设计的精度。除此之外，还可以利用装配功能来生成不同的装配序列，这样就可以观察出不同的装配方案产生的不同的效果，可以从这些效果中找出最优的效果作为设计的方案，极大地方便了机械的设计，同时也大大提高了工作的效率。
2.2在模具设计中的应用
在模具的设计中开模是一项非常重要的工作，在开模的过程中不能出现太大的错误，否则可能造成模具的损坏，对企业造成很大的损失。因此CAD/CAE的应用极大地提高了开模的效率和技术含量，为开模的工作提供了有力的保障。模具产品的设计包括尺寸的设计、形状的设计、厚度的设计等等，需要做的工作量大而且复杂，在一些比较重要的设计环节中可以利用三维造型软件对相关的部分进行调整，调整以后再通过计算机软件进行计算。因此可以看出CAD/CAE技术可以极大地提高模具的开模效率。CAD/CAE技术的开模流程如下：第一、设计模型。设计模型是产品设计过程中非常重要的一步，在产品的设计中要先把产品的外形、结构、功能等确定好，然后根据这些方面进行一个大概的模型设计，设计好以后把设计好的模型送给模具的设计部门，下面的任务全部依靠模具的设计部门来完成。第二、布置模腔个数。模腔个数的布置要根据产品的大体结构和基本的功能进行布置，目前基本上都是采用一腔多模的方式来布置。第三、扣模和工件调取。在布置好模腔以后要进行扣模，在远点的坐标确定好以后，把相关的一些工件放入进去，然后利用已经做好的模型进行扣模。第四、设计哈佛块和侧抽设计。这个设计流程中主要参考产品的外形，根据产品的外形来设计哈佛块和侧轴。第五、模架调取。利用设计软件建立浇注系统、顶出系统和冷却系统。第六、检查。结束以上工作后，先检查开模质量，确认无误后利用CAD/CAE技术的装配功能生成装配图。第七、制作零件图。基于以上各环节的具体操作制作零件图，注重检查零件设计的精度情况，确认精度符合要求。
3具体的应用实践
CAD/CAE技术在机械设计与模具设计中的应用，让复杂的设计工作工业化、流程化、标准化，提升设计质量和成效。下面以模具设计为例，分析了CAD/CAE技术在设计工作中的应用实践。模具一般工作在高压、高温环境下，如冷挤压模具就是在高压状态下工作，使得强度、稳态等方面的校核工作尤为重要。为此，冷挤压模具时，必须认真核算、校准强度、刚性等属性参数，确保模具质量安全，保证最终形成的产品符合使用标准。如，冷挤压某工序件时，其材料选用15#钢，外形为圆筒，内花键槽孔，采用冷挤压一次成型模式。经计算，该工序件加工制作需要胚料尺寸为45mm×21mm。为了保证模具本身的强度，此时可以利用UG软件进行强度核算。强度核算分为以下几种情况：
（1）对于凸模，首先借助UG软件赋予凸模材料属性、边界、负载等条件，再用有限元方法进行网格划分，最后结合具体的给定条件去求解计算，得出模具不同部位的应力值。其中，本例中最大的应力值为364MPa。
（2）对于凹模，其强度核算前先要确定预应力值，而预应力值的确定以过盈量数值为依据。过盈量数值通过CAE软件分析获得。首先，设定一个的预应力值；然后，利用CAE软件分析得出变形量，将其与之前设定的过盈量进行核对，查看是否吻合。反复操作这一过程，就可以求解出正确的预应力值。按照此方法得出本例中该筒型工序件的中圈变形量为0.24mm，内圈变形量为0.07mm，与之相对应的预应力值分别为600MPa、665MPa。
（3）对于组合凹模，因为零部件过多，其整体强度核算不同于单个零部件的强度核算。组合凹模强度核算时，除了对每一个零部件进行有限元网格划分外，还要对外圈与中圈、内圈与外圈进行曲面接触网格划分，然后再赋予预应力。根据以上考虑，经计算，本例中内圈凹模承受的最大应力为1684MPa，中圈凹模承受的最大应力为502MPa，外圈凹模承受的最大应力为482MPa。经过以上几种情况的计算分析后，得出本筒型工序件模具中圈、外圈、内圈所承受的应力值都在允许的规定范围内，符合产品设计标准，达到市场投入要求。如果以上任何一个方面的应力值超过规定范围，则可以利用CAD/CAE技术进行设计修改，调整设计方案。总之，模具设计主要包括凹模、凸模和组合模具等几种情况，无论任何模具设计都要求模具本身有很强的强度。为了满足模具产品的强度要求，设计时必须严格核准预应力值。综上，凸模部分设计要求有很高的强度，对此可以利用UG软件进行强度计算。首先，借助UG软件赋予凸模材料属性、边界、负载等条件，再用有限元方法进行网格划分，结合具体的给定条件去求解。凹模设计时，先根据过盈量确定预应力值，再采用CAE进行求解。组合凹模时，则要分别对每一个零部件进行有限元网格划分，再进行中圈、外圈、内圈部位的预应力核算。
4结语
技术进步为设计工作开展提供更加有力的支撑，利用CAD/CAE技术则可以实现方案优化，设计人员的创造性也能够得到充分发挥。并且随着相关技术发展，CAD/CAE技术在未来应用范围将会更加广阔，该技术为设计工作开展提供了更加有力的支撑。
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