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结构CAE技术在冷挤压模具设计中的应用
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摘要：近年来CAE(Coputper Aided Engineering)技术得到快速发展，为模具工业提供了更强大的技术支持。在冷挤压模具设计中，模具强度的校核设计是其中的关键，在很多情况下要靠经验来进行设计。应用结构CAE技术能方便准确地进行复杂模具成型零件及模具装配部件的强度、刚性的校核计算。笔者结合近年来的实际工作经验，谈谈应用UC软件的结构CAE技术在冷挤压模具设计中的应用。
关键词：结构CAE 冷挤压模具设计 强度 棱核
1 结构CAE技术概述
结构CAE技术主要是应用有限元方法，通过给定条件如材料属性、负载条件、边界条件、装配连接设定等，对结构进行力学、热学的分析及诊断，提供给用户具体、形象的数据表达形式．以便进行结构设计校核数据。
目前，开发对象的自动离散及有限元分析结果的计算机可视化显示技术“瓶颈”现象巳逐步解决，对象的离散从手工、半自动到全自动，从简单对象的单维单一网格到复杂对象的多维多种网格单元，从单材料到多种材料，从单纯购离散到自适应离散，从对象的性能校核到自动自适应动态设计、分析，计算结果的可视化显示可对应力、应变和温度等场的静动态显示、彩色调色显示，也可对受载对象可能出现缺陷(裂纹等)的位置、形状、大小及其可能波及区域等进行显示。
2 结构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，热锻模具工作在高压高温状态下，强度与稳态校核显得很重要；压铸模、塑料成型模工作在高压高温状态下，模具结构的刚性与热力性校核显得很重要。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，保证产品的质量。
传统的模具设计主要是根据设计资料和设计人员的经验来进行，校核计算往往进行得粗略且不全面，不能精确反应模具的实际工况。虽然CAD/CAM技术在模具设计制造中得到了广泛的应用，但其优越性仅体现在设计、加工效率与精度上，结构性的模具设计及其校核却往往无能为力。模具制造完成后常常需要多次试验、返修与改进，甚至模具报废，造成很大的损失。如今大型CAD/CAE/CAM软件系统(如UG、Pro/E等)和专门CAE软件系统(如ANSYS等)功能越来越强大，应用结构CAE技术可以对所设计的摸具进行结构性校核，在设计阶段及时改善模具结构，从而大大提高模具的一次试模成功率。图1是应用结构CAE技术进行模具设计的一般步骤。

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3 应用UG软件的结构CAE技术进行冷挤压模具设计范例
如图2所示是冷挤压工序件简图，材料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φ40mm×20.6mm。

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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单位挤压应力为1870MPa，在此压力下，根据经验凹模采用3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W6Mo5Cr4V2，凹模内圈采用YG20；中圈采用4Cr，硬度为42-44HRC；外圈采用40Cr，硬度为38-40HRC。

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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模块功能对凸模和组合凹模进行强度校核计算。
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，如图4所示。给定条件后进行求解运算，结果如图1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。

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对于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。首先假定顶应力的值，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0.0Bmm；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，中圈与外围的预应力值为650MPa。图6是绐中圈内缘面赋予一定预应力的值进行的分析结果，由图6可观察出内缘面与外缘面的变形量。

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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7所示。内圈凹模所受最大应力为1724MPa，中圈所受最大应力为514MPa，外圈所受最大应力为478MPa。

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从分析结果来看，模具零件所受的应力均在其许用应力范围之内。如果分析结果超过许用应力，必须修改设计方案，修改后的方案有必要再一次运用结构CAE进行校核。 4/5/2005

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