CAD/CAE集成（通用7篇）
CAD/CAE集成 篇1
0 引言
注塑模设计是典型的设计分析一体化过程,随着CAD和CAE技术在该领域的广泛应用,注塑模的设计效率和质量都有了显著提高。但是,由于CAD和CAE系统之间缺乏有效的数据共享和信息沟通渠道,需要数据转换或重复建模,导致整体的运行效果仍不理想[1]。为此,诸多学者在注塑模CAD/CAE系统集成方面做了大量工作,主要包括:①利用参数化建模、特征造型、特征识别技术实现几何模型到分析模型的自动转换[2,3,4];②利用基于事例的推理(CBR)对CAE分析所需工艺参数进行智能选择[5];③对CAE分析结果的定向解释专家系统进行研究,从分析结果出发,评价、修改设计模型和工艺方案[6]。在CAD和CAE模型的自动转换方面,目前主要是针对制品模型进行研究,忽略了冷却系统建模对CAD/CAE集成效果的影响[7]。在注塑模的设计分析过程中,冷却系统分析占有很大比重,设计好的冷却系统CAD模型无法直接应用于CAE分析,需要通过CAD/CAE软件接口进行数据转换或利用CAE软件的前处理功能进行重复建模,不仅增加了设计人员的工作负荷,而且在数据转换过程中容易出现数据丢失等错误,这些都极大地影响了注塑模设计分析的效率和集成系统的应用普及。
鉴于此,本文总结了注塑模冷却系统的常见形式,将构成冷却系统特征各元素间的拓扑关系和几何约束转化为一组推断规则,提出了一种基于图的冷却系统特征识别方法。该方法可自动识别出注塑模CAD模型中的冷却回路特征,并进一步提取和优化用于CAE分析的冷却回路相关数据,从而实现冷却系统模型从CAD到CAE系统的自动重构。
1 基于图的冷却系统特征识别
特征识别就是从零件的实体模型出发,自动识别出其中具有一定工程意义的几何形状(特征),其基本原理是将几何模型中的数据与预定义的一般特征数据进行比较,确定相匹配的特征实例,从而识别出相应的特征。目前特征识别的方法主要有:语义模式法、基于规则法、基于图的方法(图匹配法)、体分解法、基于神经网络法和基于CSG法等,其中以基于图的特征识别方法应用最为广泛[8]。
基于图的特征识别方法采用面边图表示模型的边界模式,以面为节点,以面之间的邻接关系为弧描述模型的拓扑关系和几何约束,然后将定义好的特征子图或特征规则与模型面边图进行匹配来识别预定的特征。
1.1 冷却系统特征的规则描述
注塑模的冷却系统通常由多条冷却回路组成,其中最常使用的冷却回路形式为以下两种(图1)。图1a所示为动模板内一条直流冷却回路,冷却通道之间采用内部钻孔的方式连通,非进出水口均用堵头堵住使冷却水沿所规定的回路流动。对于普通的塑料制品,采用直流冷却回路即可达到较好的冷却效果。但是对于型芯高度较大的制品,为了使冷却水能迅速冷却型芯表面,常在普通的直流冷却回路中串联一些特殊的冷却结构,如图1b所示为隔板式冷却回路。此种冷却回路采用多个与型芯底面相垂直的通道与底部的横向通道形成冷却回路。同时使用隔板将每一个垂直通道分隔成两部分,使冷却水在垂直通道中往返流动[9]。
根据上述冷却回路的结构特点,可将每条冷却回路特征定义为一组在几何上直接或间接关联的面的集合。由于不同回路集合所包含的面的个数不同,因此无法直接用特征子图来唯一描述冷却回路特征。本文采用“三语法”规则来描述冷却回路特征,假设一组面的集合A(A={f1,f2,…,fn})构成了一条冷却回路特征,则该回路的组成元素必须满足以下规则:
(1)第一规则(面的个数)。集合A中至少包含3个元素,其中有且仅有2个元素为平面类型(进出水口平面),其余元素均为圆柱面类型。
(2)第二规则(面之间的拓扑关系)。在集合A中任取一个元素fi(i=1,2,…,n),则至少存在一个fj(j=1,2,…,n,j≠i)与fi邻接,即存在公共边界;可以将A中的所有元素按相邻关系,组合成一个连通图,图的首节点是进水口平面,末节点是出水口平面。
(3)第三规则(面之间的几何关系)。平面与圆柱面邻接,公共边界为圆弧。圆柱面与圆柱面邻接,公共边界为相贯线(若两圆柱面直径相同,则相贯线为两条椭圆弧;若直径不同,则相贯线为一条空间曲线)。
由于冷却水在隔板孔中往返流动,在CAE模型重构时需要特殊处理,因此还需要在上述推断规则的基础上,增加针对隔板孔特征的识别规则,具体如下:
(1)隔板孔为圆柱面类型。
(2)在集合A中,有且仅有两个圆柱面与隔板孔圆柱面邻接,这两个圆柱面的直径均小于隔板孔圆柱面,并且其轴线或其延长线相交于一点,且都与隔板孔圆柱面的轴线垂直。
1.2 冷却系统特征识别算法
冷却系统特征识别算法的输入为注塑模冷却回路所在模板的三维实体模型面边图和指定的进出水口平面,输出为所有符合规则的冷却回路特征子图。具体步骤如下:
(1)模板零件面边图GO的建立。读取CAD系统中包含冷却回路的三维实体模板每个面的信息(用图中的节点表示),将面与面之间的边界用图中的弧表示。节点记录面的标识符及面的种类等信息,弧记录边界种类等信息。如图2所示,面边图中P代表平面,CF代表圆柱面,TF代表圆锥面。
(2)定义搜索起点和终点。由于图的节点间关联性较复杂,为了提高搜索速度,避免歧义性(图2中{P6,CF4,P7}满足前文所述推断规则,可显然不是冷却回路),需指定模型中的进出水口位置作为搜索的起点和终点。
(3)回路搜索。探索从入口到出口所有符合要求的冷却回路是一个典型的迷宫算法问题。本文将迷宫算法中对通路的判断进行了转变,用以判断面边图中某节点是否符合推断规则,算法如下:①在图G0中查找步骤(2)中指定的起始节点V0,将其作为当前位置,插入栈顶。②从当前位置出发,探索与当前位置节点邻接的下一节点是否符合规则。若符合,则将该节点存入栈中,并设为新的当前位置继续探索;若不符合,则判断与当前位置节点邻接的其他节点是否符合规则,如此重复,直至到达出口节点,此时终止搜索。③如果从某一位置开始,与其邻接的所有节点都不符合规则,则从栈中删除该位置节点,并将新的栈顶节点作为当前位置,返回上一步。④如果栈中元素为空,终止搜索。
(4)特征处理。通过以上操作,获得的冷却回路特征子图中可能包含隔板孔特征,需要单独识别并予以区别。如图2所示,子图G1{P3,CF1,CF2,CF3,P4}是识别出的一条冷却回路特征,利用隔板孔特征的识别规则,在特征子图G1的基础上识别出节点CF2为隔板孔特征,并对该节点进行标识。
2 冷却系统CAE模型重构
注塑模冷却过程模拟经历了从一维、二维到三维的发展过程,特别是边界元方法提出后,该方法以其独特的优势已经被广泛应用于注塑模冷却过程的分析中[10]。要应用边界元法,首先需要获得求解域的边界信息,对注塑模冷却系统CAE模型而言,冷却回路中心线和特征尺寸(如截面直径)等数据最为重要,通过它们即可确定其边界[11]。另外,由于冷却系统CAD模型是用于模具加工的,需要与实际制造过程完全吻合,而CAE模型用于分析计算,往往需要进行合理简化。因此,冷却系统CAE模型的重构主要包括两方面内容:①提取冷却回路中心线和截面尺寸等数据;②优化冷却回路中心线。
通过对冷却系统CAD模型的特征识别,获得了构成冷却回路面的集合,利用CAD软件提供的二次开发接口可以方便地得到各种面的相关数据,如圆柱面的矢量方向、中轴线、直径,以及最大包容框等,在此不再赘述。下面主要讨论冷却回路中心线的优化。
为了防止冷却回路边界元网格模型出现交叉、重叠等缺陷,导致边界元矩阵形态变差而影响分析求解,构成冷却回路的各段水路需要首尾相连,其相邻两段的中心线不能出现交叉、异面和不共端点等错误。本文通过对冷却回路中邻接面的中心线两两求交点,再依次连接交点的方法,对回路中心线进行了优化,首先对邻接面的相交操作作如下定义:
(1)平面与圆柱面相交。根据冷却回路特征的识别规则(3),平面与圆柱面邻接,公共边界为圆弧,定义其中心线的交点为该圆弧的圆心。
(2)圆柱面与圆柱面相交。如图3所示,两圆柱面邻接主要有三种形式,对应的中心线可能出现交叉、异面和不共端点等问题。两中心线交叉产生一个交点;两中心线异面,定义交点为其公垂线的两个端点,公垂线的截面直径为两邻接圆柱面直径的算数平均值;若一圆柱面为隔板孔,则会出现两中心线不共端点的情况,此时各取两中心线的一个端点作为交点,其中非隔板孔中心线的端点为距离隔板孔中心线最近的端点,隔板孔中心线的端点为距离非隔板孔中心线最远的端点,且近似认为新添加的中心线的截面直径为隔板孔直径的1/2。
基于以上定义,假设识别出的冷却回路面的集合为A={f1,f2,…,fn},对冷却回路中心线进行优化的算法流程如图4所示。
3 应用实例
基于上述方法,利用UG NX软件提供的Open API接口,通过C++编程实现了注塑模冷却系统C AD模型的特征识别与数据提取,并在注塑成形仿真系统HsCAE(华塑CAE)中进行了模型重构。
图5所示是一个塑料音箱制品模具的定模部分,采用了一模两腔的布局。模板中有一条冷却回路,指定了冷却水路进出口平面后,自动识别出冷却回路特征,同时提取了冷却回路中心线和回路直径等数据,并对回路中心线进行了优化,如图6所示。最后将识别出的回路中心线、回路直径等信息转化成HsCAE系统定义的冷却系统前处理数据文件,在HsCAE系统中实现了冷却系统的自动重构,并利用重构的模型进行了冷却分析,如图7所示。
4结语
针对注塑模设计分析过程中,冷却系统模型需要数据转换或重复建模等问题,提出了一种基于图的冷却系统特征识别方法,并将该方法应用于注塑模CAD/CAE集成。对特征识别和CAE模型重构过程中涉及的推断规则定义、特征识别算法、特征数据提取和优化方法等关键内容分别进行了论述。基于上述研究,在UG平台上开发了注塑模冷却系统CAD/CAE集成模块,并以某塑料音箱制品模具为例,对本文所提方法的可行性和实用性进行了验证。
摘要：提出了一种基于图的冷却系统特征识别方法,并将该方法应用于注塑模CAD/CAE集成。针对注塑模冷却系统的结构特点,定义了一组推断规则。对注塑模三维CAD模型中包含冷却系统的模板建立面边图,利用推断规则识别出面边图中的冷却系统特征子图,进而对识别出的冷却回路数据进行提取和优化,并转换成CAE分析所需的格式。以此为基础,在UG平台上开发了注塑模冷却系统CAD/CAE集成模块,实现了冷却系统模型从CAD到CAE系统的自动重构,避免了不同系统之间的重复建模。
关键词：冷却系统,特征识别,CAD/CAE集成,注塑模
参考文献
[1]Deng Y M.Lam Y CTor S B,et al.A CAD-CAE Integrated Injection Molding Design System[J].Engineering with Computers,2002,18(1):80-92.
[2]于同敏,单秀海.面向并行工程的塑件全信息特征建模技术研究[J].中国机械工程,2002,22(13): 1951-1954. Yu Tongmin,Shan Xiuhai.Research on Comprehensive Information Feature Modeling of Plastic Part Based on Concurrent Engineering[J].China Mechanical Engineering,2002,22(13):1951-1954.
[3]潘双夏,徐有忠,冯培恩,等.面向并行设计的特征识别与模型重构方法[J].计算机辅助设计与图形学学报,2003,15(8):984-991. Pan Shuangxia,Xu Youzhong,Feng Pei'en,et al. ??Automatic Feature Recognition and Model Reconstruction for Concurrent Design[J].Computer Aided Design & Computer Graphics,2003,15(8):984- 991.
[4]Gujarathi G P,Ma Y S.Parametric CAD/CAE Integration Using a Common Data Model[J],Manufacturing Systems,2011,30(3):118-132.
[5]Zhao Peng,Zhou Huamin,Cui Shubiao.et al.Intelligent Setting and Optimization of Process Parameters for Plastic Injection Molding[J].Computer Aided Drafting,Design and Manufacturing,2006,16 (1):1-16.
[6]王辉,田晓东,周雄辉,等.注塑件CAD建模与CAE智能处理的集成化研究[J].计算机辅助设计与图形学学报,2002,14(12):1120-1124. Wang Hui,Tian Xiaodong,Zhou Xionghui,et al. Study of Inteligent CAD/CAE Integration for Injection Molding Part Modeling and Analysis[J].Computer Aided Design & Computer Graphics,2002,14 (12):1120-1124.
[7]Deng Y M,Britton G A,Lam Y Cet al.Featurebased CAD—CAE Integration Model for Injectionmoulded Product Design[J].Production Research, 2002,40(15):3737-3750.
[8]Lockett H L,Guenov M D.Graph—based Feature Recognition for Injection Moulding Based on a Mid—surface Approach[J].Computer Aided Design, 2005,37(2):251-262.
[9]李德群,黄志高.塑料注射成型工艺及模具设计[M].北京:机械工业出版社,2009.
[10]Cui Shubiao.Zhou Huamin,Li Dequn.Numerical Simulation of Injection Molding Cooling Process Based on 3D Surface Model[J].Computer Aided Drafting,Design and Manufacturing,2004,14(2): 64-70.
[11]崔树标,周华民,李德群.注塑模冷却分析中特殊冷却结构的处理[J].模具技术,2005(2):3-5. Cui Shubiao,Zhou Huamin,Li Dequn.The Treatment of the Special Cooling Structure during Cooling Analysis in Injection Molding[J].Die and Mould Technology,2005(2):3-5.
CAD/CAE集成 篇2
1 CAD/CAE/CAM的发展历程
1.1 CAM的发展历程
从时间上看, CAD/CAE/CAM的发展是随着计算机软硬件技术的发展而发展的, CAD/CAE/CAM的发展历程要从CAM的历史说起。1952年, 美国麻省理工学院研制成功了世界上第一台NC机床来取代以往的手工作业。此机床由于控制程序纸带由人工完
E′/E较大时, 圆孔边上的A点应力最大, 则应力集中系数为:
E′/E与α以及α′的关系如图3所示。该图表明, 在E′/E>1.0时, 即α<1.0的范围内, 由于填充物对应力集中的缓和作用, 板上填充物附近的应力较板在远处的应力要低。
由以上分析可知, 沥青路面坑槽修补后应力集中将会降低。理想状态下, 当所用填充材料与原路面材料相同, 而且边界密合, 则应力集中会消失。但路面暴露在空气中, 经过长年的风吹、日晒、雨淋和车辆的作用, 弹性模量相比新填充的沥青要小, 随之, 应力集中也会很小。如取E′/E=1.5, 则应力集中系数大约为1.3, 得到了缓解。
3结论与展望
修补坑槽虽然按公路养护技术规范所规定的“圆洞方补”的原成, 因而花费时间且容易出错。为解决这些问题, 麻省理工学院开发了APT (Automatically Programmed Tools) 的自动编程系统, 根据加工零件的形状, 自动计算刀具轨迹。1957年和1961年又相继推出了APT-II和APT-III。伊利诺斯工业大学于1969年研制成功了APT-IV。联邦德国的汉堡大学吸收了APT技术并开发了EXAPT-I、EXAPT-II和EXAPT-III。1969年, 雷诺公司开发成功了第一个标准设计系统AUTO-PROS。APT模式是第一代CAM的模式, 基本处理方式是人工或辅助式直接计算数控刀路, 编程目标与对象也都直接是数控刀路。第二代CAM能处理曲面, 系统结构一般是CAD/CAM混合系统, 较好地利用了CAD模型, 以几何信息作为最终的结果, 自动生成加工刀路, 自动化、智能化程度得到了大幅度提高, 具有代表性的是美国的UG、加拿大的Cimatron、美国的Marster CAM、法国的CATIA。由于工序设计中的一些技术处理问题, CAM技术是CAD/CAE/CAM发展中最缓慢的。
1.2 CAD的发展概述
20世纪50年代后期, 麻省理工学院在开发APT的同时, 探索了如何把计算机用于设计过程。其开发的计算机图形对话系统叫SKET-CHPAP, 可以通过光笔在显示器屏幕上给出一些简单的命令来绘出直线、圆、弧线等几何图形。会话式计算机图形处理, 是实现CAD概念的第一步。CAD首先成功地应用在电子工业领域中,
则, 操作简便, 但效果欠佳。因为修补坑槽夯实基层时, 一方面, 方形四角不易夯实, 造成压实度不足、强度不匀, 损坏往往从四角开始而逐步发生;另一方面, 沥青路面在承受行车荷载和低温收缩拉力的作用下, 方形坑槽边缘部位应力集中较大, 界面就易发生早期破损。由对各种形状坑槽的应力集中分析可知, 圆形槽、纵向有两端倒圆的矩形槽的应力集中程度最小, 适宜作为坑槽开槽的形状。之后, 本文通过对圆形坑槽修补之前和修补之后的应力分析可知, 圆形坑槽修补方式很大程度上缓和了应力集中的情况。而目前的铣刨机很难铣出圆形坑槽, 所以如果我们研究出立式铣刨机, 则能方便的挖出圆形坑槽, 对沥青路面坑槽修补具有重大意义。
[参考文献]
[1]西田正孝.应力集中[M].李安定, 郭廷玮, 等译.北京:机械工业出
版社, 1986
[2]徐芝纶.弹性力学简明教程[M].第3版.北京:人民交通出版社,
[3]浙江省公路管理局交通运输部.JTGH10—2009公路养护技术规
范.北京:人民交通出版社, 2009
利用计算机图形处理的功能, 提高了设计的效率。随后, 在机械、土木、建筑等领域中也应用CAD来进行二维图形的绘制。这些二维绘图的CAD系统为第一代CAD技术。
1973年, 布达佩斯国际会议首次公布了一种能与实物一模一样的图形存入计算机中的设计系统———立体模化器, 成功实现了三维CAD, 这就是第二代CAD系统, 主要是进行二维交互式绘图和三维几何绘图。第二代CAD系统在几何造型方面采用了三维线框模型、曲面模型和实体模型, 在实体造型上采用实体几何构造法 (CSG法) 和边界表示法 (B-rep法) 。
第三代CAD系统始于20世纪80年代中期, 建模方法上出现了特征建模、基于约束的参数化和变量化建模方法及2种建模方法互相交叉、融合。这种系统常常与CAM系统之间有内部统一的数据结构及共同的数据库, 做到了二、三维模型修改时的相互关联性以及CAD/CAM的信息集成。
自20世纪90年代后期开始, CAD技术正在向第四代CAD系统发展, 以全面支持异地的、数字化的、采用不同设计哲理与方法的产品设计工作。
1.3 CAE的发展历史
1953年, 首次成功应用了计算机进行电力变压器设计的收敛运算。1956年, 波音公司开发了具有划时代意义的有限元素方法用于进行喷气式飞机设计的振动分析。有限元法能用于结构解析、热传导、流体和电磁解析等多种场合中。随后, 又开发出了边界元素法、模态解析法等新的利用计算机进行解析的方法。
实用的CAE软件诞生于20世纪70年代初期, 其功能和算法得到了进一步扩充和完善。到80年代中期, 逐步形成了商品化的通用和专用CAE软件, 到80年代后期, 随着计算机科技的迅猛发展和有限元方法越来越成熟, 国际上已经有ANSYS、ABAQUS、FASTRAN等10余种知名CAE软件。
1.4 CAD/CAE/CAM的集成
CAD和CAM最初是独立发展的, 用CAD进行设计, 将设计产品形状数据存入计算机后, 再由CAM对同一个形状的数据进行修改, 工作的重复浪费了大量的时间。为了避免这些重复浪费, 应看到CAM与CAD相统一的重要性。利用立体模化器确定形状, 从解析、仿真到生产准备的一系列工作都能统一地集中完成。当前正在开发以立体模化器为核心的CAD/CAM/CAE的集成系统, 从而进一步提高设计和生产的自动化程度和效率。
2 CAD/CAE/CAM的系统构成
要实现CAD/CAE/CAM的有机集成, 必须具备由计算机、输入输出设备组成的硬件和使CAD/CAE/CAM发挥功能作用的软件。
2.1 CAD/CAE/CAM的硬件组成
CAD/CAE/CAM的核心是计算机, 这个计算机可以是专用计算机, 也可以是通用计算机。目前广泛应用的输入设备有键盘、数字化仪、语音输入笔、光笔等。主要的输出设备有复印机、绘图仪、打印机等。显示器可以作输出设备, 与光笔配合又具有输入功能。另外, CAD/CAE/CAM还有一些其他的附属设备。
2.2 CAD/CAE/CAM的软件组成
CAD/CAE/CAM主要包括以下软件系统:
(1) 自动绘图系统。自动绘图系统是根据工业制图的原理, 利用计算机辅助进行图形的绘制。
(2) 各种二维CAD系统。适用于各个领域的CAD系统, 这些CAD系统预先存有领域内使用的符号、工程标准等, 如服装设计CAD、电路设计CAD、建筑用CAD。
(3) 三维CAD系统。将与实际物体形状特性相近的图形数据代替三维形状, 进行三维设计, 便于直观地观察产品结构。
(4) CAE系统。对三维CAD系统得到的数据进行仿真和分析, 包括有限元分析功能、动特性分析功能、结构分析功能等。
(5) CAM系统。CAM系统有3大功能:1) 将加工技术的经验知识存入计算机, 再对其进行调用、修改来进行工序设计;2) 可以在显示器上采用对话方式, 进行半自动NC编程, 编好的程序可在显示器上进行仿真, 以判断程序的正确性;3) 机器人是零件自动装配所必须的设备, 要确定机器人运行的程序是否正确, 应该对机器人的动作进行仿真, 以防止误操作及干涉。
3 CAD/CAE/CAM的发展趋势
3.1 参数化
传统的实体造型技术都是采用无约束自由造型技术, 即用固定的尺寸数值来定义几何元素, 输入的每条线都有其确定位置, 如果想修改结构形状, 只有重新造型。而在新产品设计过程中不可避免地要多次修改, 进行零件尺寸和形状的综合优化协调, 而且大多数新产品设计都是在原有的设计基础上进行改进。参数化设计 (Parametrie) 即尺寸驱动 (Dimension-Driven) 不仅使CAD系统具有交互式绘图功能, 同时也具有自动绘图的功能。这是CAD技术应用领域内的一个非常重要且有待进一步研究的课题。
3.2 智能化
智能型CAD/CAE/CAM系统是人工智能技术应用在产品的设计、分析、制造中, 尤其是机器人技术和专家系统技术。专家系统是一种问题求解智能软件系统, 在某些专业领域内, 它把人类专家的知识和经验转换成计算机能够处理和接收的符号形式, 按照专家的控制策略和推理方式, 解决该领域内原来只有专家才能解决的问题。
3.3 网络化
随着计算机网络技术的不断完善, CAD/CAE/CAM系统的网络化已成为不可阻挡的发展趋势。网络化可以充分发挥系统的总体优势, 使一个项目在多台计算机上协作完成。借助现有的网络, 不同设计人员可以通过网络交流设计数据, 同时对产品的设计与制造进行操作和评价。
4 结语
企业必须总结CAD/CAM/CAE开发与应用的经验, 进行充分的调研, 制订合理的计划, 提出总体规划, 注重二次开发、人才培训和系统管理, 进一步推动我国模具CAD/CAE/CAM技术的应用和发展。
摘要：介绍了CAD/CAE/CAM发展的历程及其集成的过程, 分析了CAD/CAE/CAM的软硬件构成, 研究了CAD/CAE/CAM的发展趋势。
关键词：CAD,CAE,CAM,发展,趋势
参考文献
[1]雷亚勇, 张韫韬, 刘鑫.CAD/CAM/CAE的协同发展研究[J].机械工程与自动化, 2008 (4) :191～193
[2]王恺.产品造型CAD/CAM/CAE集成方法研究[D].长安大学, 2009
[3]刘昌祺.CAD/CAM/CAE基础[M].北京:机械工业出版社, 2001
[4]李德群, 肖祥芷.模具CAD/CAE/CAM的发展概况及趋势[J].模具工业, 2005 (7) :9～12
[5]陈晖, 周细应, 李名尧.模具CAD/CAE/CAM技术的应用及其发展趋势[J].铸造技术, 2010, 31 (11) :1454～1456
CAD/CAE集成 篇3
将CAD/CAE技术应用到模具设计中, 是提高模具技术和促进手机行业持续发展的有效途径。通过对某款超薄手机外壳结构进行细致分析, 并依据CAD/CAE技术进行模具的生产, 最后在通过Mold flow软件对其进行分析, 对其生产工艺提出有效优化方法。
1 手机外壳模具设计
当今社会手机外壳是否美观、结实、精致已经成为人们选购手机的主要因素之一, 因此对于手机外壳的生产要求是较为严格的[1]。而模具设计的好坏将直接影响到手机外壳成品的质量, 因此在对手机外壳进行注塑模具的具体设计之前, 一定要从多方面进行考量。对于模具制作的材料、精度、抗压力等等方面都要经过科学的分析。除此之外还要在模具设计之前对所设计外壳的手机结构进行了解, 进而使模具结构的设计更为合理。
2 模型分析
手机外壳设计其外侧底端是有两处侧凹的, 因此在进行模具设计时不能以前后模直接进行成型制作, 而要通过走行位的方式进行处理。通常在进行手机外壳模具设计时, 为了不受缺口凹陷的影响而快速完成生产, 都会通过枕位对缺口进行成型制作[2]。除此之外, 目前的超薄手机外壳制品的尾部一般都含有两个卡扣位, 也不能通过前后膜的形式直接进行成品制作。而需要斜顶成型, 通过此种方式处理才能保证在制品与模具分离时卡扣位的完整。除此之外手机外壳尾部还有一处缺口, 同样需要枕位来定型。而制品的内部结构中也同样存在两个相互对称的卡扣, 与卡扣位一样通过斜顶来定型。
3 模具设计的CAE/CAD分析
基于CAE技术进行超薄手机外壳模具的设计, 为了保证模具制品的成功率, 在进行模具设计之前对参照制品进行模流分析[3]。采用现今通用的模流分析软件Mold flow进行分析, 来对制品的成型工艺参数进行优化, 来确保手机外壳的成型质量。
3.1 建模
通过MDL将手机外壳制品的模型导进MPI模块中进行建模。因为手机外壳是分属于薄壁实体件类型中的, 因此在进行制品模型导入的过程中要采用Fusion网格对整个制品进行网格区域划分。同时为了使制作模具更加的精确, 确保分析结构的准确性, 因此在导入制品模型之后要对网格进行不断的修改与完善。通常网格的统计信息对数据精确度是有所显示的, 三角形的单元数如果在8810的, 而节点数在4380处, 那么该模具的匹配率则达到90%[4]。在制品模具的网格分析中匹配率是不能低于85%的, 如果发现单元数与节点数的匹配率过低, 就应该应用网格的重新生成工具对网格进行修改, 直到达到合格参数为止。
3.2 设置工艺条件
通过对所选手机成品的模具分析, 进行模具实体的制作。将设计材料选为某公司生产的牌号为Lupoy HR 5005A的ABS/PC合金进行制作;所选用的制作成型工艺的参数为, 注塑机的最大注塑压力值设为360兆帕, 手机外壳模具的表面温度控制在80℃左右, 熔体的温度设置在260℃, 其他的工艺数值采用默认值。
3.3 浇口位置预分析
浇口位置在手机外壳模具的设计中极为重要, 因此要通过相应的技术对该位置进行预分析。将要分析的制品模具的分析类型设置为Gate Location, 并通过MPI软件中含有的Gate Location分析模块对其进行分析。通过数据分析结果为此次的模具设计初步预设一个最佳的浇口位置。
3.4 流动模拟与方案比较
3.4.1 初始流动方案模拟分析
手机外壳模具系统的设计制作中, 最为重要的就是浇注系统的构建, 它是决定模具能否完成顺利充模工作的主要因素[5]。与此同时, 浇注系统也对熔体的填充行为造成直接的影响。在模具的制作过程中由于手机外壳的浇口位置和数量并不相同, 导致熔体的流动路径、长度和所遇到的阻力也都是情况不一的。所以在模具设计时, 对于模具所需要成型的制作注射的工艺参数要依具体情况进行选择。根据所选制品的实际形状, 将熔体流动通道以及模具制品的表面质量和使用要求以及制品成型参数等, 依据PMI软件分析出结果确定浇口位置。通过对数据的分析制定出不同的浇口位置预方案, 并对其流动行为进行模拟与分析。
3.4.2 改进后的流动方案
通过对最初预设的浇口位置方案设计的分析, 需要对其进行改进。将浇口位置设置为四处, 分别布置在手机前模的按键与屏幕接口处两点, 上半部分两侧各设一点。之后进行流动模拟试验。改进后的浇口位置设计方案完全可以满足熔体条件, 且浇口位置与熔接痕都较为均匀。
3.4.3 流动和翘曲分析
为对设计调整之后成型的成品进行检验来观察制作效果, 可以通过流动+Flow+Warp对成品的内在强度、整体的变形程度以及外观的质量等进行分析。
(1) 熔接痕
由于手机壳多采用注塑形式进行制作, 因此, 塑料结构制品熔接痕的产生是不可避免的。针对此现象, 在设计中要尽可能对熔接痕进行优化, 以免出现融合不良的现象, 进而导致手机成品的取向不良, 并且表面出现裂痕其力学能力也会骤减。通过对浇口位置的方案进行调整之后发现熔接痕的位置也发生变化, 不再集中于手机外壳最为薄弱的区域, 并且熔接痕数量也大大减少。
(2) 填充时间
整个手机外壳模具的设计中, 出现翘曲变形的主要原因是由于在充模阶段的熔体流动不平衡。填充过程如果熔体的流动不平衡, 则会造成整个外壳的型腔内部分位置过保压, 从而使整个制品的整体收缩不均, 内应力加大, 最后曲翘变形。因此为了防止曲翘变形现象的发生, 保证熔体流动的平衡性, 就应对熔体的填充时间加以控制[6]。在进行熔体填充过程中, 熔体到达模型腔末端的最长时间与最短时间的差值, 是反映熔体不平衡程度的主要参考值。所以要将这个差值控制在最小范围内, 才能够达到熔体的相对平衡。通过对本文设计的模具进行熔体流动平衡性的分析, 该方案下的熔体末端的充满时间应设为0.8~1.1秒之间。
4 结语
综上所述, 基于CAD/CAE软件技术对超薄手机外壳制品进行开发与注塑模型的设计方案优化, 可以极大地缩短手机外壳制品的开发时间和周期, 并且能够提升手机模具设计的效率以及对于其结构的优化也具有重要意义。目前手机行业发展景象繁荣, 为提升企业竞争力, 就要提升手机外壳制品的生产质量、生产效以及降低生产成本, 因此企业可以大力应用CAD/CAE技术, 进而满足企业发展需求。
摘要：以某型号手机模型为例, 对其外壳的结构特征进行分析。利用Pro/E软件进行手机外壳与其注塑模具的设计, 并选取Mold flow软件对设计的模具进行必要的优化分析。通过结果证实, 运用CAD/CAE技术进行手机外壳的开发与使用, 可以极大的减少开发周期, 并降低设计的成本, 为企业市场竞争力的提升。
关键词：CAD/CAE技术,手机外壳,模具
参考文献
[1]臧昆岩.手机壳注塑模具设计及仿真[D].天津:天津大学, 2009.
[2]王强.手机外壳注射模具设计与制造[D].南昌:南昌大学, 2007.
[3]左小刚.汽车玻璃升降器外壳的冲压模设计及数值模拟[D].乌鲁木齐:新疆大学, 2007.
[4]孙健.基于Pro/E的手机外壳注射模CAD系统的研发及应用[D].成都:电子科技大学, 2011.
[5]李庆.基于CAD/CAE集成模型的塑料注射模优化设计系统[D].武汉:华中科技大学, 2012.
CAD/CAE集成 篇4
现代的汽车、飞机、船舶、玩具、用具等产品的外观、型线越来越漂亮, 具有运动感觉。设计者的奇思妙想更是层出不穷, 都来源于计算机的高度发展、CADCAECAM软件的智能化、人性化、高端化, 所以数控加工、模具制造更是离不开软件的支持, 我们广泛地采用CADCAECAM技术, 提高设计和制造环节中的形状的准确度和外观, 高质量、高效率地完成产品的模型加工。例如我院校企合作项目中的一个实习实训产品“叶轮”, 就是我们常见的典型曲面类产品。现在应用NX软件建立三维数据模型, 对其进行分析、加工。
一、叶轮
毛坯为铸造件, 材料为45号钢, 铸件线形周边加工余量2mm左右, 叶长度为78mm, 轮毂半径为50mm, 叶盆到叶背的距离为38mm, 叶根圆角为R0.1, 型面扭曲程度较大。加工前, 需要对毛坯工件进行铸造性能检测, 例如尺寸、气孔等缺陷。加工时要分析好产品加工工艺, 考虑加工成本, 生产效率等。加工后, 需要对工件进行质检, 检测叶轮性能是否合格, 如果可以到达要求, 就可以按照要求生产。
二、工艺特性分析
先应用UGNX6.0软件CAD模块建立三维数据模型, 然后应用CAE分析模块进行模型分析, 例如叶轮曲面的最大螺旋角、曲率、圆角等。模型分析完成后, 应用UGNX6.0软件CAM模块辅助编程, 进而根据XH716四轴数控加工中心的程序格式等要求, 后置处理生成数控加工G代码。应用XH716四轴数控加工中心对叶轮实践加工, 再经过抛光处理、质量检测, 最终完成叶轮加工。
三、数模分析、光顺
叶轮的设计, 因为设计者使用的软件不同、数据在转换时软件公差不同、不同公司的软件的曲面算法也不同、建模的几何关系不同等因素, 对加工者的加工结果可能造成不同的加工效果。同时由于软件的“后处理”参数的设置不同, 软件的模拟加工结果将与实际的加工结果稍有差别, 而且工件的加工结果将永远不能达到理想完美的效果。
为了减少数控加工中的缺陷和抛光时间, 采用高速加工, 数据后处理采用样条插补计算, 以减少数据量, 实现CAD-CAM-CNC之间进行数据良好传递, 生成光顺的刀具轨迹。
通过数据分析, 经NX6.0软件对三维数据模型进行验证, 测量的数据结果, 曲面较为光顺, 角度公差0.5°, 边公差为50μm, 最小半径70.634mm, 最大半径78.371mm, 叶根圆角0.1mm。
根据以上数据选择如下刀具:直径20mm镶片硬质合金立铣刀, 刀尖圆角0.2mm的粗加工刀具, 选择加长型直径为10R5mm球头硬质合金刀具进行半精加工, 选择直径为4R2mm加长球头进行精加工, 选择设备:XH716四轴数控加工中心。
四、加工流程
五、结论
虽然叶轮加工较为复杂, 但在合理的选择刀具、CAM软件、后处理器, 认真分析三维数据模型, C轴的加工速度参数等加工条件, 我们可以高速、高质的加工出合格的产品。
在学生的实习实训中, 学生以真实的工厂产品贯穿于整个学习过程, 学生从中学到了对于此类典型的叶轮加工、叶轮分析、数据模型优化、数控编程优化、刀具、量具、工具选择、机床的使用等实践技能, 深刻体会到加工操作规程, 文明生产制度、高质高效理念的重要性, 学生系统的详细的了解了整个加工工艺制定及实践加工过程, 提高了学生实际加工生产应用的综合能力。
校企合作产品, 提高了高职院校学生实际加工能力, 企业的生产理念。保产生效益, 降低废品率。保证学生无缝隙上岗, 提高就业率, 同时提高了实验教师的实践教学能力和理论水平, 提高了高职院校的社会服务能力, 更进一步深化校企合作。
摘要：实现应用四轴数控加工中心加工叶轮, 标志着高职院校“生产型”数控加工基地的校企合作及教学实训达到了一个更高的水准。CADCAMCAE制造必须从单轴加工向多轴加工等高难度加工、自动测量的跃进。学生实习实训的产品工艺更复杂、精度要求更高。培养学生攻坚克难的能力。
关键词：叶轮,多轴,NX加工
参考文献
CAD/CAE集成 篇5
1 课程定位
模具CAD/CAE/CAM技术是现代模具行业最为关键的技术, 课程主要培养学生的计算机辅助模具设计能力和模具零件的数控加工能力, 对模具专业职业岗位群中的模具开发设计人员、模具制造人员的技能培养起着重要的支撑作用, 所以这门课程在高职院校模具设计与制造专业体系中属于专业核心课程。
《模具CAD/CAE/CAM》课程保证了与前、后续课程在职业能力培养上的有序衔接, 它以《塑料成型工艺与模具设计》、《冲压模具设计与制造》、《模具数控加工技术》等前修课程为支撑, 并将各前修课程中的知识内容串接起来, 形成了从模具设计到模具制造的知识体系, 所以《模具CAD/CAE/CAM》这门直接为《模具技能综合实训》、《顶岗实习》等后续课程作铺垫。这也更加确定了这门课程在专业建设中的核心地位。
2 课程设计
在教学内容的选取上, 结合现代模具企业生产的实际过程, 选取PRO/E软件进行产品造型设计和模具设计, 选取UG软件进行数控加工程序的自动生成, 体现了针对性。教学内容紧跟行业技术发展, 以典型模具项目为载体, 选取生产、生活实例, 塑料杯、手机外壳、仪表盘等为典型项目, 体现了适用性。教学内容和国家职业资格、国家技能大赛相结合, 提升了职业能力。通过校企共建, 使教学内容包含行业的新技术、新工艺、新标准, 这体现了拓展性。
根据专业人才培养目标及职业岗位群对这门课程的需求, 以真实的工作任务及工作过程整合、序化课程内容, 将学科体系重构, 构建行动体系, 优化课程内容, 提炼出典型的工作项目。每个项目按工作的流程来组织, 项目总体上是由简单到复杂, 第一个项目是基础, 包含了比较全面的知识点和技能, 其余各个项目则有所侧重。这样学生在完成项目的过程中, 不仅学到了的理论知识, 也训练了多种技能, 完成了理论和实践的良好结合。每一个项目都体现一个完整的工作任务, 每一个工作任务又为后续的学习服务。
随着教学过程的进行, 学习的难度逐渐增加, 教师讲授的知识却逐渐减少, 学生越来越成为教学的主体。在各级项目的学习和训练中逐渐积累学生的职业素质和职业能力, 最终使学生获得岗位职业能力。
下面以一个项目为例, 说明一下课程中的项目应该如何实施的。教学内容选取生产实际中的产品“塑料杯”作为教学载体, 以企业的实际生产过程将教学项目分为六个具体环节。第一:老师布置任务, 讲述整体的设计方案, 学生分组讨论, 查阅资料, 利用PRO/E软件进行“产品的三维建模”。第二:学生分组讨论, 编写模具设计说明书, 确定设计方案。第三:学生利用PROE软件进行模具的分模、选择标准模架, 设计浇注系统, 冷却系统等, 并利用华塑CAE软件完成模具分析。第四:学生利用PROE软件、Autocad及其外挂燕秀软件生成模具总装图。第五:学生利用UG对设计的模具零件进行自动编程。将编制的程序进行后置处理, 利用VNUC软件进行加工仿真。第六:将经过仿真的程序用于到机床的实际加工, 从而得到模具零件。最后将加工好的模具安装到注塑机上, 进行塑料杯的加工。
尽管是一个项目, 但学生都要完成若干个任务, 每个任务又由若干个知识点和若干个技能要点来支撑。在整个教学组织过程中, 教师由传统的知识传授者变成教学的组织者、引导者, 学生以真实的任务为工作背景, 在操做的过程中不断积累相关的职业能力, 切实融“教、学、做”为一体, 有效地实现了课程学习的工学交替。
3 教学实施
教学实施以设计模具结构为例说明具体的实施过程, 教学地点设置在实训室, 专业能力目标是能够确定模具结构, 绘制模具结构草图。方法能力目标是对模具结构进行优化设计, 社会能力目标是在小组工作中获得团队协作能力。教学重点与难点是分型面的处理方案, 抽芯机构的确定顶出系统方案。利用5分钟的时间, 进行知识回顾, 提出问题, 再利用5分钟, 引入任务主题。利用40分钟进行成型工艺分析与工艺章程的制定, 由学生自主讨论设计, 教师解答疑问, 利用15分钟由各小组汇报工作成果, 然后利用20分钟进行最终模具结构方案的确定, 老师给各小组打分, 并给出参考的工艺方案, 学生进行方案的优化。最后5分钟, 教师总结模具结构确定的要点, 布置下一次的任务, 学生提交课堂作业。这样教学过程, 充分体现了学生的主体地位, 学生乐于动手动脑积极参与。
因为高职学生普遍理论基础差, 学习积极性不高, 所以采用项目教学, 把课堂安排在实训室和生产车间, 通过教学项目把理论性的知识转变成实践技能, 让学生在实践中去理解和接受理论知识。这样不仅增强了学生的学习兴趣, 也培养了学生的工程实践能力, 实现了校企零距离。另一方面, 学生的理解能力和接受能力较差, 经常出现听不懂, 学不会的情况, 从而产生厌学情趣, 因此要利用充足的教学设备和完备师资力量, 对学生进行捆绑式的陪练, 一个实践指导老师, 负责对一个小组的学生进行指导, 这样老师就能时时监控学生在操作过程中的出现问题, 也能够及时地对问题进行手把手的指导, 这样不仅解决了听不懂, 学不会, 也增强了学生学习的自信心和学习的兴趣, 提高了教学效果。
学生学习的兴趣不高, 主动性也较差, 所以在教学过程中, 用小组比赛、分数激励的方法, 激发学生学习的积极性, 活跃了课堂氛围, 提高了授课质量。另外, 布置课后作业的同时, 也给学生提供良好的学习条件, 全天开放实训室, 并且安排老师进行指导, 方便学生课后复习和巩固, 也能强化学生的知识和技能。
总之《模具CAD/CAE/CAM》课程的整体建设要体现以下三个方面:a.使用企业实际产品项目进行教学, 强调企业操作规范, 培养工程实践能力, 实现校企零距离。b.依据工作过程安排课程内容顺序和项目实例, 知识讲解通过项目实例穿插进行, 课堂在实训室和生产车间, 项目穿插训练, 讲、练、训有机融合。c.教学过程与技能比赛接轨, 训练内容具有开放性和创新性。
摘要：《模具CAD/CAE/CAM》是高职院校模具设计与制造专业的核心专业课, 课程建设是以工学结合、校企合作为宗旨, 强化学生工程实践能力的培养, 根据企业需求进行基于工作过程的课程开发与设计。以培养实用、好用的高素质技能型人才为目标, 以培养学生的职业能力为主线, 讲、练、训一体化。
关键词：课程建设,CAD/CAE/CAM,模具课程
参考文献
[1]张勇, 张敬芳.高职模具设计与制造专业的定位和课程体系的优化整合研究[J].黑龙江科技信息, 2010, 1.
[2]胡晓岳, 林建.基于工学结合的高职模具设计与制造专业课程体系的构建[J].职教通讯, 2010, 4.
CAD/CAE集成 篇6
复杂机械产品从产品设计到产品完成, 大致可以分为产品设计、工艺设计、加工装配、产品验收四个重要的阶段。以传统的机械设计生产方式来说, 产品设计阶段所消耗的成本最大。在传统的机械设计中, 是以手工设计复杂机械产品, 用特殊的方式进行计算和画图, 然后通过反复修改完成机械产品设计的工作。这个过程耗时长、设计人员耗费的精力多、修改起来十分麻烦, 而且传统流程使机械产品的设计所需要消耗的成本极大。将CAD/CAE技术应用到机械产品设计中, 它能用数字的方法自动地完成产品计算分析、性能仿真、优化设计、自动绘图等工作, 通过该种方法进行设计, 能使设计的产品信息化和集成化, 使设计出的产品根据产品需要打破距离限制发送到任何需要设计图的工作岗位。CAD/CAE目前被广泛地应用到机械设计中, 特别是复杂的机械产品设计中, 通过CAD/CAE软件的应用, 更能体现出机械产品信息化的重要作用。
2 CAD/CAE在机械产品设计中的应用流程
CAD/CAE并行开发是指借用CAD/CAE类软件, 使复杂机械产品的设计与开发流程可以同时进行, 通过信息化的方式使复杂的机械设计以成本少、速度快、质量好的方式完成设计和开发的全部工作。本文以设计和开发一款复杂机械设计中常用的齿轮为例, 介绍CAD/CAE软件在复杂机械产品设计的全部流程。
2.1 选用Pro/E设计
根据机械设计的要求, 该次设计选用Pro/E软件, 该软件是根据CAD/CAE/CAM领域的新标准设计出的专门满足机械设计需要的软件。
1) 标准的参数设计。在设计和绘图时, 要求用户直接输入大量的标准参数, 软件能根据用户给出的参数不断设计出模型, 用户通过不断地修正参数来完成产品的开发, 通过该种方式能完成设计和生产一体化的过程, 实现CAD/CAE并行开发的过程。
2) 使用模块化设计。在复杂机械产品设计的过程中, 有数种绘图要求, 比如任务规划、概念设计、结构设计、工程分析等不同流程。在不同的流程中, 绘制图的细节也有区别, 该款软件针对机械设计的需要, 用模块化的方式区分各个设计与生产的绘图方式, 通过模块化的方式绘制图形, 让它能在不改变原图设计的情况下, 使设计出的产品能直观地表现出不同的效果。
3) 智能生产模型。用户在完成参数设计的绘制工作后, 会根据机械设计的一些特点, 要求用户给予一些常用的模型参数, 只要用户能够完成参数设定, 软件就可智能地生成需要的模型。同样, 如果用户对设计出的齿轮不满意, 则可不断修正参数, 直到满足用户的需求为止。
4) 实用的工具包。该软件提供了大量的工具包, 用户在设计时可以根据工具包用不同的角度对设计出的作品进行观察和调整, 它形成的工具包能让用户非常直观地、全方位地看到产品设计的效果, 并随时可对产品进行修改, 直到产品设计真正满足用户的需求。
2.2 使用齿轮渐开线生成原理完成齿轮设计
1) 齿轮渐开线参数设计
渐开线公式为:rk=rb/cosα;θk=tanαk-αk。根据机械设计设计标准与专用的设计公式及渐开线原理, 此次使用齿轮渐开线原理对齿轮设计的参数如表1。
2) 在软件中设计参数
打开软件, 点击工具栏中“新建”文件的菜单, 选择helical_gear零件模块, 调出相关的文件, 根据模块设计好的数据参数进行填写, 其填写结果如图1。
3) 绘制齿轮曲线
打开“草图”绘制工具栏, 根据设计要求填写齿轮的圆曲线参数;点击“圆曲线”, 根据以上设计的渐开线原理及设定的参数填写相关的参数;在基准轴、基准面、基准点中一一输入以上渐开线中设计出的参数;在镜像齿轮廓中填写渐开线设计中设定的参数。
4) 完成3D草绘设计
在以上参数完成后, 点选“拉伸”, 软件完成草绘的圆柱体, 此时软件自动完成齿轮的草绘工作。用户在完成产品设计时, 可以一边填写参数一次移动或旋转设计图, 看是否满足自己的需求。完成草绘后, 在“从边创建图元”的菜单中选择“环”, 齿根圆曲线选“圆角”;齿根圆的设计参数为LONGTH=B。
5) 轮齿设计效果
点击“草绘约束器”设定半径的参数为r=0.38mn, 此参数为轮齿设计要求的参数, 以两圆角半径相等的方式修剪圆角。转动轮齿的角度, 设定齿轮端面轮廓的关系为:theta=2*b*tan (beta) *180/ (pi*d) 。完成齿廓时, 可以根据原先设定的要求在软件中填写参数, 其填写参数为渐开线原理设计的参数, 其2D的效果图为图2, 在完成齿廓设计时, 将轮齿的设计参数定义为“阵列”, 方式选为“轴”。
6) 轴孔的设计效果
轴孔的设计效果全部依照生产要求与设计标准直接进行参数输入, 其参数如图3。
7) 成品图设计效果
在完成所有的参数设置后, 软件自动绘制出需要的3D效果图, 如果用户不满足成品的效果, 可以修改参数重新调整设计, 成品图如图4。
2.3 CAE完成产品封装
Pro/E5.0以上便有集成CAE封装的功能, 是指软件在完成绘图工作以后, 不仅保留有绘制的3D效果图, 还将各种设定的数据集成到相关的数据库里, 以便在设计初评未达成满意的设计效果时随时可对参数进行调整, 让软件对绘图进行修正。
3 机械产品CAD/CAE并行开发流程评估
在机械产品中进行CAD/CAE对产品进行设计时, 可以一边设计一边对产品进行开发。这是指软件具有智能绘图的功能, 它可以一边设计, 一边评估, 设计与开发并行。在机械设计与开发的过程中, 有两个关键的评审, 一个为设计评审, 一个为分析评审。以齿轮设计为例, 在产品完成设计进入设计评审阶段时, 无论产品设计能否满足要求, 它都可对产品设计进行评估, 如果评估结果不合格, 它就要从“齿轮渐开线参数设计”的环节开始, 重新分析齿轮的需求, 对参数重新进行设计, 直到绘制的结果评审合格进入下一个阶段。当产品设计到分析评审阶段时, 它可以对目前设计的结果是否满足机械设计的需要进行评估, 考虑产品是进行设计评审阶段, 还是直接再进入“齿轮渐开线参数设计”重新设计。齿轮的CAD/CAE并行开发的流程方式如图5。
通过使用CAD/CAE, 可以实现复杂机械产品的设计与开发并行的流程, 通过齿轮的设计与开发并行流程实例, 证明应用该种设计方式方法能节省大量精力、成本、时间, 同时能精准地保证设计的质量, 使机械产品生产时, 能提高效益。
参考文献
[1]徐国斌.Pro/ENGINEER Wildfire在企业的实施与应用[M].北京:机械工业出版社, 2004.
[2]孙恒, 陈作模, 葛文杰.机械原理[M].北京:高等教育出版社, 2006.
[3]周新建, 肖乾.基于Pro/E与ANSYS实现斜齿轮的工程分析[M].煤矿机械, 2006 (12) :80-82.
CAD/CAE集成 篇7
随着科学技术的不断进步和社会的高速发展,设计人员必须花费大量的时间来绘制模架、顶杆、滑块等部件,为了表达清楚设计意图,设计人员必须随时紧跟产品更新换代的速度。目前,CAD/CAE的发展,大大提高了模具设计和制造的水平,缩短塑件研制周期,特别是近几年来,模具CAD/CAE技术发展很快,为广大模具设计人员提供了方便。应用范围日益扩大,并取得了可观的经济效益。
1 CAD/CAE技术的概念
1.1 CAD概念
运用CAD技术使模具设计师从繁琐、冗长的手工绘图和人工计算中解放出来,帮助广大模具设计人员由注塑制品的零件图迅速设计出该制品的全套模具图,将精力集中于方案构思、结构优化等创造性工作。
1.2 CAE概念
CAE技术分析型腔中塑料的流动、保压和冷却过程,借助于有限元法、有限差分法和边界元法等数值计算方法,计算制品和模具的应力分布,预测制品的翘曲变形,以达到优化制品和模具结构、优选成型工艺参数的目的,由此分析工艺条件、材料参数及模具结构对制品质量的影响。塑料注射成型CAE软件主要包括翘曲预测、模具刚度强度分析和应力计算、冷却模拟、流道平衡分析、流动保压模拟等功能。
图1为注塑模具流程图。
2 CAD/CAE技术在模具设计中的应用
随着计算机的发展,CAD/CAE技术逐渐取代了传统的模具设计理念和设计方法,这种技术使得模具在进行真实的生产(包括样品生产)之前就已经通过了计算机应用软件进行了精确的结构设计、结构分析以及成形仿真过程。
2.1 注塑模CAD
2.1.1 参数化设计
参数化设计是随着约束的概念引入CAD技术而出现的,又叫做尺寸驱动,是指对零件上各种特征施加各种约束形式,各个特征的几何形状与尺寸大小用变量的方式来表示,这个变量不仅可以是常数,而且可以是某种代数式,如果定义某个特征的变量发生了改变,则零件的这个特征的几何形状或尺寸大小将随着参数的改变而改变,随之刷新该特征及其相关联的各个特征,而不需要再重新画图。参数化设计技术为初始设计、产品模型的修改、系列零件族的生成、多方案比较等提供了强大的手段。参数分为尺寸约束参数和几何约束参数两种。
参数化设计的方法主要有两种:(1)程序参数化设计:这种方法的程序编制量大,柔性差,直观性不好,仅在早期的CAD系统中运用。(2)交互参数化设计:无需考虑设计细节尽快地画出零件草图,经过对草图的反复修改来得到所需的设计,而且还可改变约束参数来更新设计,实现的方法有几何推理法,作图规则匹配法,变量几何法等。
2.1.2 建模技术
CAD技术的核心是几何形体的构造,即通常所说的几何建模。在CAD技术的发展过程中,几何形体的构造由简单到复杂,所包含的信息也由贫乏到丰富,到目前为止,主要有四种建模方法:线框模型、表面模型、实体模型、特征建模。
2.2 注塑模CAE
模具设计已经扩展到对模具结构分析的领域,不再仅仅停留在对外观和结构的设计上,对已经设计出的模具,运用CAE软件。通过分析检验前面的模具结构设计是否合理,对其进行强度、刚度、抗冲击试验模拟、跌落试验模拟,分析出结构不合理的原因和位置,最终确定满足要求的模具结构,在CAE软件中进行各种性能检测,在CAD软件中进行相应的修改等等。
2.2.1 疲劳和蠕变分析
对于那些处于低温或者高温条件工作的模具产品,或那些可能在集中载荷、循环载荷和常值位移作用下的模具,在模具设计中,要进行初步的疲劳分析和蠕变分析,这种分析的结果具有很大的参考价值,因为它不需要考虑外部的每一个条件,同时如果出现不合理的情况,也可以进行随时的更改,没有必要到最后一步,才进行重新的设计,那样会耗费大量的人力物力。
2.2.2 散热能力分析
通过传导、对流和辐射散发出的热量或通过模拟大功率电子元件产生的能量,来确定模具的热分布,现在的CAE技术可以模拟模具中的温度分布,然后再对各种材质模具的散热能力进行初步分析。
2.2.3 跌落试验模拟
CAE技术也可以用于分析刚度性质、抗冲击性能、防爆性能等,或由于碰撞或跌落产生的力、变形、应力、位移,对整个系统工作稳定性和完整性做出定量评估,对振动响应、产品的结构强度、联接设计作出相应的评价。
2.2.4 抗冲击试验模拟
CAE技术能够用于分析随时间变化的载荷,为分析产品提供了完整的评估与解决方案,研究在特殊与恶劣的环境和工作条件下的物理响应、可靠性与耐用性,如CAE技术对瞬态分析、模态分析、谐波响应分析,和交变载荷、冲击载荷、随机载荷和其它瞬态力等对结构的影响等。
2.2.5 强度和刚度分析
运用CAE技术,分析模具的强度和刚度是否达到规定要求,通过对模具施加约束等外部条件来模拟模具的真实应用情况,强度和刚度主要是模具设计中最重要的一项性能要求。模具CAE技术经过短暂的时间,已经在实际中指导生产,例如冲压模、挤压模、压铸模、锻模、注塑模等模具的优化问题,在工程实际中,一般应用ANSYS、ALGOR、DEFORM等进行分析计算。
3 注塑模具流动模拟软件分析结果的指导作用
它能够辅助模具设计者优化模具结构与工艺,注射模流动模拟软件的指导意义十分广泛,指导产品设计者从工艺的角度改进产品形状,当变更塑料品种时对现有模具的可行性做出判断,选择最佳性能的塑料,帮助模具制造者选择合适的注射机,分析现有模具设计弊病,把握熔体流动的基本原则,能够帮助模具工作者熟悉熔体在型腔内的流动行为。下面逐项分析三维流动软件的主要输出结果是如何用来指导设计的。
3.1 多浇口的平衡
为不影响制品的表面质量及结构的完整性,得到理想的简单流动,当采用多浇口时,有一种避免各浇口的充填不平衡的方法,即根据情况及时调整浇口的位置,来自不同浇口的熔体相互汇合,可能造成流动的停滞和转向。这一方法就很好地避免了这一现象。
流动模拟软件在优化设计方案更显优势。可以获得最佳的成型质量,通过对不同方案的模拟结果的比较,可以辅助设计人员选择较优的方案。
3.2 熔合纹/气穴
熔合纹不仅影响外观,而且材料结构性能也受到削弱。在单浇口时,由于制品的几何形状以及熔体的流动情况,很容易会出现裂纹。在多浇口方案中熔合纹也是不可避的,因为在两个流动前沿相遇时极易形成熔合纹,改变流动条件使其处于制品低感光区和应力不敏感区,可以控制熔合纹的位置,主要是在非“关键”部位。而气穴为熔体流动推动空气最后聚集的部位,此时就应该加设排气装置,局部过热、气泡、甚至充填不足等缺陷,都是因为该部位排气不畅造成的,保证这个部位的通畅由此就显得极为重要,流动模拟软件可以为用户准确地预测熔合纹和气穴的位置。
3.3 剪切应力
剪切应力值大,残余应力值也大。熔体的剪切应力值不要过大,剪切应力也是影响制品质量的一个重要因素,以避免制品翘曲或开裂。
3.4 剪切速率
该值对熔体的流动过程影响甚大。剪贴速率又称应变速率或者速度梯度。流动软件能给出不同填充时刻型腔各处的熔体剪切速率,能判断熔体的最大剪切速率是否超过该材料所允许的极限值,有助于用户判断在该设计方案下预测的剪切速率是否与推荐值接近。剪切速率分布不均匀会使熔体各处分子产生不同程度的取向,剪切速率过大将使熔体过热,导致聚合物降解或产生熔体破裂等弊病。通过调整注射时间可以改变剪切速率。因此避免因收缩不同,而导致制品翘曲的现象。
3.5 熔体温度
流动模拟软件可鉴别在填充过程中熔体是否存在着因剪贴发热而形成的局部热点,提供型腔内熔体在填充过程中的温度场。能避免易产生表面黑点、条纹等并引起机械性能下降等问题,温差太大是引起翘曲的主要原因,判断熔体的温度分布是否均匀,熔体接合点的温度还可帮助判断熔合纹的相对强度,判断熔体的平均温度是否太低(引起注射压力增大)等。
3.6 型腔压力
在填充过程中最大的型腔压力值能帮助判断,何处最可能产生飞边,在各个流动方向上单位长度的压力差是否接近相等,在指定的注射机上熔体能否顺利充满型腔(是否短射),是否存在局部过压(容易引起翘曲),最有效的流动形式其实是沿着每个流动分支熔体的压力梯度相等。流动模拟软件还能给出在熔体填充模具所需的最大锁模力,以便用户选择注射机。
3.7 熔体流动前沿动态显示
三维流动模拟软件可以判断熔体的流动是否较理想,它能显示熔体从进料口逐渐充满型腔的动态过程。若熔体的填充过程不理想,可以改变进料口的尺寸,经过几次修改,得到较为满意的流道设计就好,对数量和位置,反复进行软件模拟,一直到获得理想的流动形式为止,最后再运行非等温三维流动分析。
4 结束语
在产品设计、模具设计中应用UG软件建立产品实体模型,建立好模具结构后将相关信息转到Moldflow中进行分析,使其集成形成一体化技术。同时根据产品模型生成模具型芯、型腔及装配图等模具结构关系,根据分析结果对注塑模CAD进行优化,再进行仿真加工,CAD/CAE是模具设计、制造的发展方向。缩短了产品的开发和制造周期,提高了设计质量。
摘要：现代产品对模具的精度要求越来越高,本文探讨介绍了基于UG软件的注塑模具设计,利用Moldflow软件进行注塑分析模拟,并且运用CAD技术对开模、合模及制品被推出的过程进行仿真,以减少修模时间,为注塑模具设计制造提供有效的途径,如果检查出模具结构设计的不合理处,应及时地予以更正。
关键词：CAD/CAE,注塑模具,Moldflow
参考文献
[1]李凯岭.现代注塑模具设计制造技术[M].北京:清华大学出版社,2011.
[2]李锦标.AutoCAD注塑模具设计专家实例精讲.北京:机械工业出版社,2011.
[3]刘燕.基于UG按钮注射模具设计与制造.常州信息职业技术学院学报,2008.121-29.
[4]高长银,赵程,王金凤.UG4.0模具设计.北京:电子工业出版社,2007.21-240.
[5]李群.模具CAD/CAE的发展概况及趋势[J].模具工业,2005,12(3):27-30.
[6]张春吉,唐跃.CAD/CAE技术在塑料模具设计中的应用[J].现代塑料加工应用,2004,16(1):34-35.