CAD／CAE技术在机械设计与模具设计中的应用
Equipment Manufactring Technology NO．1 1，2007
CAD／CAE技术在机械设计-5模具设计中的应用
张夕琴，张金标
(常州机电职业技术学院 ，江苏 常州 213164)
摘要 ：CAD／CAE技术突飞猛进 ，为机械工业提供 了强 大的技 术支持 ，以冷挤压模具的设计为例 ，阐述 了 CADICAE技 术在机械设计与
模具设计 中的应用。
关键词 ：CAD／CAE；机械设计 ；模具设计 ；应用
中图分类号 ：TH122 文献标识码：A 文章编号 ：1672-545X(2007)11--0082--02
计算 机辅助设 计(CAD：Computer Aided Design)技 术是 以
计算机 、外围设备及其 系统软件为基础 ，包括二维绘图设计 、三
维几何造 型设计 、有限元分析(FEA)及 优化设 计 、数控加工编
程(NCP)、仿真模拟及产 品数据管理等 内容。传统 的机械设计
的步骤为 ：材料选择一热处理方法确定一零件的尺寸确定一强
度校核 ，若强度校核不满足要求 ，则修改零件的某些参数 ，直至
满足强度要求为止。如此反复地修改 比较麻烦 。而利用 CAD的
优化设计功能 。可优化设计方案。例如 ：在进行减速器结构设计
时 ，零件结构与尺 寸设计是否合理 、正确与零件装配是否成功
是紧密联系的。在轴 系零件装配中 ，轴系零件轴向装 配尺寸链
之和与箱体两端面尺寸是相关联 的 ，在零件结构与 尺寸确定
后 ，将各零件按照装 配关 系进行装配 ，然后进行轴系 自由端与
箱体端 面进行干涉检查 ，可 以检查 出其是硬干涉 ，还是接触干
涉或 间隙配合 ，如是 间隙配合可方便地检查其 间隙量(也可通
过视 图操作直接观察其大致状态 )。通过改变相关零件结构与
尺寸 ，其修改结果 可直 接使装配体上零件得以更新 ，可再进行
相关检查 ，直至得 到优化的方案。
1 CAD在机械设计中的运用
在进行机械设计时可充分运用 CAD强大的装 配功能展示
零件与零件之 间的装 配过程、拆卸过程。通过生成序列 ，可 以动
态地观察装配体装配及拆卸过程。此过程的动态感非常强 ，在
装配时，可 以清晰的观察到零件逐一地装 配到 目标 位置 ，且此
过程 可以适时控制 ，也可生成多个装配序列 ，观察不 同的装配
方案。拆卸过程具有同样 的功能。同时可 以快捷地通过装 配导
航器快速浏览整个装配体系 ，包括零部件名称 、数量 、属性等。
可以通过装 配配对功能观察到每个零件与其相关 的装配零件
及装 配关系 。如图 1所示。
图 1装配关系
2 CAE在设计计算中的应用
CAD技术 在零 件的设计 与装 配 中起 了非常重要 的作 用 ，
而对于设计好的零件如何确定其尺寸是否满足要求 ，传统的方
法是通过复杂的计算来校核其 强度 、刚度等指标 ，这种方法计
算 量 大而 且不 易 修 改 。而计 算 机辅 助 工 程 (CAE：Computer
Aided Engineering)技术则是用计算机辅助求解复杂工程和产
品结构强度 、刚度 、热传导、弹塑性等力学性能的分析i-I-~以及
结构性能 的优化设计等问题的一种 近似数值分析方法 。运用
CAE技术中的动力学或静力学分析 结果来指导零件的强度设
计 。与传统设计过程相 比，增加了虚拟装 配、虚拟试验等过程 ，
所 以 CAE技术在工程上 的应用越 来越广泛 。下面以冷挤压模
具为例谈谈 CAE技术在模具设计 中的应用 。
模具常常工作在高压 、高温 的工况下 ，如冷挤压模具工作
在高压状态下 ，强度 与稳态校核显得很重要 ；这就有必要清楚
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 ，保证成形产品的质量 。
如图 2所示是冷挤压工序 件简 图，材料为 15#钢 ，圆桶形
外形 ，内花键槽孔 ，规格为 6mm×23mm×28mm×6mm，此工序
件采用冷 挤压一次 成型 ，计算得所需 坯料 尺寸为 40mm×
20．6mmo r～ R20．o()0
图 2冷挤压工序件简
模具工作部分基本结构中凸模与凹模组合 ，如图 3所示。
经计算得模具受到的最大挤压应力为 1870MPa，在此压力下 ，
根据经验凹模采用三层预应力组合凹模，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 W6Mo5Ca,4V2，
凹模 内圈采用 YG20；中圈采 用 40Cr，HRC42-．44；外 圈采用
40Cr，HRC38—40。
收稿 日期：2007—09—07
作者简介：张夕琴(1968一 )，女 ，江苏丹阳人 ，常州机电职业技术学院模具技术系，讲师 ，研究方 向：机械设计。
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《装备制造技术~2007年第 1 1期
R5O
图 3 凸模与 凹模组合
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 凹模组合进行强度校核计算 。
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 ，结果
如图 4所示 ，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。
图 4 求解 运 算 图形
对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。图 5是 给中圈内缘面赋予一定预应力
的值进行的分析结果 ，由图可看出内缘 面与外缘面 的变形量 。
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。经分析结果如 图 6所示。内圈凹模所受
最 大应 力为 1724 MPa，中圈所受最 大应 力 为 514 MPa，外圈E
受最大应力为 478 MPa。
图 5 预应 力值 的分析结果
图 6 组合凹模预应 力值 的分析结果
从分析结果来看 ，模具零件所受的应 力均在其许用应力
围之 内。如果分析结 果超 过许用应力 ，必须修改设计方案 ，修
后 的方案有必要再一次运用结构 CAE进行校核 。
CAE技术 除了可对产 品结构进行强度分析外 ，还可进干
刚度分析 、散热能力分析 、疲 劳和蠕变分析 、抗冲击试验模拟
跌落试验模拟等。
3 结束语
随着科学技 术的不 断发展与进步 ，制造业正向数字化 、口
络化 、全球化方 向发展 ，产 品生产周期越来越短 ，新产品上市
度越来越快 ，从而使得 机械设计 、制造 的效率对产 品的开发
率起 着决 定性 的影 响 。所 以在 机械设 计 与模具 设计 中利 F
CAD／CAE技术进行设计 与分析会更省事 、省力且更经济。
The Application of CAD ／CAE Technology in Mechanical Design and Mould Design
ZHANG Xi—qin，ZHANG Jin-biao
(Changzhou Electromechanical Institute ofVocation and Technology，Changzhou Jiangsu 213164，China)
Abstract：In recent years CAD ／CAE technology are developing rapidly，it provides a powerful technical support for the Machinery Industr
．
In this paper，taking the design of cold extrusion die for example，described the application of CAD ／CAE technology in mechanical desig
and die design ．
Key words：CAD ／CAE；Mechanical design ；Mould design ；Application
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