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結構CAE技術在冷擠壓模具設計中的應用

作者:  信息來源:張金標  2006-2-12

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摘要:近年來CAE(Coputper Aided Engineering)技術得到快速發展,為模具工業提供了更強大的技術支持。在冷擠壓模具設計中,模具強度的校核設計是其中的關鍵,在很多情況下要靠經驗來進行設計。應用結構CAE技術能方便準確地進行復雜模具成型零件及模具裝配部件的強度、剛性的校核計算。筆者結合近年來的實際工作經驗,談談應...
摘要:近年來CAE(Coputper Aided Engineering)技術得到快速發展,為模具工業提供了更強大的技術支持。在冷擠壓模具設計中,模具強度的校核設計是其中的關鍵,在很多情況下要靠經驗來進行設計。應用結構CAE技術能方便準確地進行復雜模具成型零件及模具裝配部件的強度、剛性的校核計算。筆者結合近年來的實際工作經驗,談談應用UC軟件的結構CAE技術在冷擠壓模具設計中的應用。
關鍵詞:結構CAE 冷擠壓模具設計 強度 棱核

1 結構CAE技術概述

結構CAE技術主要是應用有限元方法,通過給定條件如材料屬性、負載條件、邊界條件、裝配連接設定等,對結構進行力學、熱學的分析及診斷,提供給用戶具體、形象的數據表達形式.以便進行結構設計校核數據。

目前,開發對象的自動離散及有限元分析結果的計算機可視化顯示技術“瓶頸”現象巳逐步解決,對象的離散從手工、半自動到全自動,從簡單對象的單維單一網格到復雜對象的多維多種網格單元,從單材料到多種材料,從單純購離散到自適應離散,從對象的性能校核到自動自適應動態設計、分析,計算結果的可視化顯示可對應力、應變和溫度等場的靜動態顯示、彩色調色顯示,也可對受載對象可能出現缺陷(裂紋等)的位置、形狀、大小及其可能波及區域等進行顯示。

2 結構CAE技術在模具設計中的應用

模具常常工作在高壓、高溫的工況下,如冷擠壓模具工作在高壓狀態下,熱鍛模具工作在高壓高溫狀態下,強度與穩態校核顯得很重要;壓鑄模、塑料成型模工作在高壓高溫狀態下,模具結構的剛性與熱力性校核顯得很重要。有必要清楚模具的工作狀況并進行模具的強度、剛性等校核,使模具能安全、長壽命的工作,保證產品的質量。

傳統的模具設計主要是根據設計資料和設計人員的經驗來進行,校核計算往往進行得粗略且不全面,不能精確反應模具的實際工況。雖然CAD/CAM技術在模具設計制造中得到了廣泛的應用,但其優越性僅體現在設計、加工效率與精度上,結構性的模具設計及其校核卻往往無能為力。模具制造完成后常常需要多次試驗、返修與改進,甚至模具報廢,造成很大的損失。如今大型CAD/CAE/CAM軟件系統(如UG、Pro/E等)和專門CAE軟件系統(如ANSYS等)功能越來越強大,應用結構CAE技術可以對所設計的摸具進行結構性校核,在設計階段及時改善模具結構,從而大大提高模具的一次試模成功率。圖1是應用結構CAE技術進行模具設計的一般步驟。

3 應用UG軟件的結構CAE技術進行冷擠壓模具設計范例

如圖2所示是冷擠壓工序件簡圖,材料15鋼,圓桶形外形,內花鍵槽孔,規格為6mm×23mm×28mm×6mm,此工序件采用冷擠壓一次成型,計算得所需坯料尺寸為φ40mm×20.6mm。

模具工作部分基本結構中凸模與凹模組合,如圖3所示。經計算得模具受到的最大單位擠壓應力為1870MPa,在此壓力下,根據經驗凹模采用3層預應力組合凹模,內圈與中圈,中圈與外圈的單面過盈量均為0.32mm。凸模材料采用W6Mo5Cr4V2,凹模內圈采用YG20;中圈采用4Cr,硬度為42-44HRC;外圈采用40Cr,硬度為38-40HRC。

在冷擠壓模具設計中,模具強度需得到可靠的保證。因此,必須對模具零件進行嚴格的強度校核計算。在此采用UG軟件的結構CAE模塊功能對凸模和組合凹模進行強度校核計算。

對于凸模,分別賦予材料屬性、負載條件、邊界條件,并對凸模進行有限元網格劃分等,如圖4所示。給定條件后進行求解運算,結果如圖1所示,用不同顏色或其它方式可觀察出凸模各處的應力值。其最大壓應力值為3781MPa。

對于凹模組合的校核計算,首先要確定預應力的值。其可以根據過盈量的數值,通過結構CAE分析來獲得。首先假定頂應力的值,由結構CAE得出變形量.看是否與過盈量吻合,如此反復,可得出正確預應力的值。經此方法求出中圈與內圈的變形量分配為0.24mm與0.0Bmm;考慮到中圈外緣變形量為0.20mm,因此外圈與中內圈組合的變形量分配為0.40mm與0.10mm。得出中圈與內圈的預應力值為610MPa,中圈與外圍的預應力值為650MPa。圖6是紿中圈內緣面賦予一定預應力的值進行的分析結果,由圖6可觀察出內緣面與外緣面的變形量。

對于組合凹模,是多個零件的組合,應用結構CAE進行整體校核計算有別于單個零件對象。除對每個零件進行有限元網格劃分外,還須對中圈與內圈、中圈與外圈進行曲面接觸網格劃分,同時賦予預應力。經分析結果如圖7所示。內圈凹模所受最大應力為1724MPa,中圈所受最大應力為514MPa,外圈所受最大應力為478MPa。

從分析結果來看,模具零件所受的應力均在其許用應力范圍之內。如果分析結果超過許用應力,必須修改設計方案,修改后的方案有必要再一次運用結構CAE進行校核。
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