1 模具設(shè)計的發(fā)展趨勢

1.1傳統(tǒng)的設(shè)計方法

在計算機(jī)輔助分析還沒有出現(xiàn)在人們的視線中時，工業(yè)中的設(shè)計，基本上就只能靠師徒相傳用長時間積累來的經(jīng)驗去維持這些行業(yè)的繼續(xù)發(fā)展；而且設(shè)計過程只能是如圖1所示：

圖1

這樣的設(shè)計生產(chǎn)方式不僅耗時長而且浪費大量的人力物力，使生產(chǎn)成本大大加大。這種農(nóng)耕式的發(fā)展模式無疑只會使這些產(chǎn)業(yè)發(fā)展為夕陽產(chǎn)業(yè)。

1.2設(shè)計的新趨勢

CAE（Computer Aided Engineering）即計算機(jī)輔助分析，各個領(lǐng)域都有不同CAE技術(shù)和功能，早期主要是用在結(jié)構(gòu)體強度計算與航天工業(yè)上。而行業(yè)里一般將應(yīng)用在模具設(shè)計上的CAE叫作模流分析（從英語Moldflow一詞直譯而來）。

隨著學(xué)術(shù)理論的發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)急速進(jìn)步，帶動了計算機(jī)的副產(chǎn)業(yè)如計算機(jī)輔助設(shè)計和計算機(jī)輔助分析等飛躍性的發(fā)展，正式為模流CAE開啟了一扇門，1978年，MOLDFLOW公司成立，提供初步的計算機(jī)輔助分析技術(shù)給世界上不同國家的制造公司，包括汽車業(yè)、家電業(yè)、電子業(yè)、以及精密模具業(yè)等。在工業(yè)中，這無疑是上升到另一個完全不同的標(biāo)志性的層面。在大大縮短試驗、探索時間的同時，也為設(shè)計師們帶來了一種全新的設(shè)計方法?，F(xiàn)今，模流技術(shù)已普遍為世界各國所肯定，功能也加強到成型各不同階段。

然而，即使是外國在CAE的利用上已經(jīng)非常廣泛和深入的現(xiàn)在，但中國模具行業(yè)仍然沒有追上這個歷史的潮流。據(jù)調(diào)查所得，只有廣東省極小部分工廠有利用CAE進(jìn)行分析設(shè)計。

只是利潤越來越薄，競爭越來越激烈，全球經(jīng)濟(jì)開始放緩的現(xiàn)在，沒有捉住這個轉(zhuǎn)型的時機(jī)，利用計算機(jī)技術(shù)幫助縮短成本與時間，必然會因為沒有跟上時代的步伐而愈來愈落后，可能終將被淘汰。

2.計算機(jī)輔助分析的操作

2.1設(shè)計步驟

鋁型材擠壓模具CAE的使用方法是先根據(jù)所設(shè)計的模具圖在計算機(jī)上建立三維模型，再根據(jù)實際的擠壓工藝與環(huán)境參數(shù)在CAE軟件上對鋁材的擠壓過程進(jìn)行分析，從而對模具優(yōu)化或再設(shè)計。經(jīng)過數(shù)次反復(fù)的修正設(shè)計，直到模具設(shè)計方案滿足設(shè)計要求和產(chǎn)品質(zhì)量要求為止。這實際上就是把傳統(tǒng)的反復(fù)試模和修模的過程搬到電腦上進(jìn)行。從而節(jié)省了這階段使用的材料、能源和人物的消耗，減低生產(chǎn)成本，并設(shè)計出高質(zhì)量的鋁型材成品(如圖2)。

圖 2

在擠壓過程影響成品形狀的因數(shù)非常復(fù)雜，其中?？椎男螤钆c工作帶的長短是影響鋁合金擠壓流速的兩個主演因素。擠壓壓力在整個模具中的分布是不均勻的，一般在模具中心處的壓力會比外圍的壓力大，如果沒有利用好?？椎姆植寂c工作帶尺寸調(diào)整擠壓壓力，就會使金屬流出?？跁r的速度分布不均勻，因而使鋁型材基礎(chǔ)后出現(xiàn)扭擰、波浪，彎曲和裂紋等缺陷。而在實際生產(chǎn)中，也會因為擠壓產(chǎn)生的變形應(yīng)力、應(yīng)變，擠壓時的溫度、速度，加工模具時產(chǎn)生的不平整光滑等工藝參數(shù)的變化影響到成品的形狀。所以我們在進(jìn)行模流分析的時候也要較為準(zhǔn)確地將這些數(shù)據(jù)反映在分析軟件上。

3 SolidWorks用于優(yōu)化模具設(shè)計的過程

3.1建立三維模

在設(shè)計完模具后，利用SolidWorks建立三維模型，將模具的實際形狀精確反映在上面，包括工作帶也要正確畫在上面。只有這樣才能作出合理的分析。

再按實際關(guān)系裝配成裝配體。下圖5為裝配圖，上下模設(shè)置為半透明狀態(tài)。

3.2設(shè)定環(huán)境數(shù)據(jù)

根據(jù)我廠Φ230mm模具的擠壓情況可以得到如下數(shù)據(jù)：

擠壓時的壓強：

P＝mg/S＝190g/mm^­2×9.8m/s²＝1.862×10⁹ Pa

模具溫度：

T₁＝480℃＝480+273.15K＝753.15K

T₂＝500℃＝500+273.15K＝773.15K

流動比：

Φ230mm模具的棒徑為：Φ150mm

由此得：r＝7.5×10²m

S＝пr²＝3.14×(7.5×10²m)²＝0.0176625m²

v＝30m/min＝0.5m/s

6063鋁合金的密度：

ρ＝2.7×10³kg/ m³

流動比 q＝ρSv＝2.7×10³kg/ m³×0.0176625m²×0.5m/s≈23.8kg/s

3.3利用軟件分析

COSMOSFloWorks是第一個與Solidworks無縫內(nèi)嵌、方便使用的流體分析軟件。讓用戶在設(shè)計階段（而非設(shè)計之后）就能了解、驗證并改善新產(chǎn)品的設(shè)計。通過COSMOSFloWorks，用戶可以洞察涉及零件或裝配提的氣體流動、液體流體、熱傳導(dǎo)及作用在侵入流體中的零件或裝配體上的力。

利用Solidworks結(jié)合以上數(shù)據(jù)可得到以下分析結(jié)果：

以上是在裝配狀態(tài)顯示鋁合金在模具內(nèi)部運動的情況，為方便觀察，下圖8將上模設(shè)置為隱藏狀態(tài)。

上圖9為鋁合金運動方向與速度的顯示圖，通過這個圖象，我們可以知道鋁合金在這個模具中各個位置的運動速度，其中代表鋁合金的線條的數(shù)目可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)。右邊的顏色條為線條顏色與速度的對比色牌。

圖10

利用Solidworks中COSMOSFloWorks的這個功能，我們可以觀察到鋁合金在模具中運動的動態(tài)過程，從而作出合理的優(yōu)化設(shè)計。上圖10為動態(tài)過程中某時刻的截圖。

通過對這模具的模流分析，可以知道中間的流速較快，特別是左右兩個工頭與中間工頭之間的位置，為了使整體流速較為平衡，可以利用這些分析結(jié)果稍微調(diào)整工作帶。

下面兩圖顯示為流速較快位置：

4 結(jié)論

本文主要通過將傳統(tǒng)模具設(shè)計方法和計算機(jī)輔助分析的設(shè)計方法作對比，說明使用計算機(jī)輔助分析設(shè)計的必要性。通過Solidworks中的COSMOSFloXpress功能對某一模具分析演示。基于Solidworks平臺，對擠壓模具進(jìn)行虛擬試模，對設(shè)計分析有一定的輔助性，但在計算機(jī)輔助分析上還有很多很好的分析軟件可以選擇的。如HyperXtrude等。