1 模具設計的發展趨勢

1.1傳統的設計方法

在計算機輔助分析還沒有出現在人們的視線中時，工業中的設計，基本上就只能靠師徒相傳用長時間積累來的經驗去維持這些行業的繼續發展；而且設計過程只能是如圖1所示：

圖1

這樣的設計生產方式不僅耗時長而且浪費大量的人力物力，使生產成本大大加大。這種農耕式的發展模式無疑只會使這些產業發展為夕陽產業。

1.2設計的新趨勢

CAE（Computer Aided Engineering）即計算機輔助分析，各個領域都有不同CAE技術和功能，早期主要是用在結構體強度計算與航天工業上。而行業里一般將應用在模具設計上的CAE叫作模流分析（從英語Moldflow一詞直譯而來）。

隨著學術理論的發展，計算機技術急速進步，帶動了計算機的副產業如計算機輔助設計和計算機輔助分析等飛躍性的發展，正式為模流CAE開啟了一扇門，1978年，MOLDFLOW公司成立，提供初步的計算機輔助分析技術給世界上不同國家的制造公司，包括汽車業、家電業、電子業、以及精密模具業等。在工業中，這無疑是上升到另一個完全不同的標志性的層面。在大大縮短試驗、探索時間的同時，也為設計師們帶來了一種全新的設計方法。現今，模流技術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的利用上已經非常廣泛和深入的現在，但中國模具行業仍然沒有追上這個歷史的潮流。據調查所得，只有廣東省極小部分工廠有利用CAE進行分析設計。

只是利潤越來越薄，競爭越來越激烈，全球經濟開始放緩的現在，沒有捉住這個轉型的時機，利用計算機技術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.計算機輔助分析的操作

2.1設計步驟

鋁型材擠壓模具CAE的使用方法是先根據所設計的模具圖在計算機上建立三維模型，再根據實際的擠壓工藝與環境參數在CAE軟件上對鋁材的擠壓過程進行分析，從而對模具優化或再設計。經過數次反復的修正設計，直到模具設計方案滿足設計要求和產品質量要求為止。這實際上就是把傳統的反復試模和修模的過程搬到電腦上進行。從而節省了這階段使用的材料、能源和人物的消耗，減低生產成本，并設計出高質量的鋁型材成品(如圖2)。

圖 2

在擠壓過程影響成品形狀的因數非常復雜，其中模孔的形狀與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，如果沒有利用好模孔的分布與工作帶尺寸調整擠壓壓力，就會使金屬流出模口時的速度分布不均勻，因而使鋁型材基礎后出現扭擰、波浪，彎曲和裂紋等缺陷。而在實際生產中，也會因為擠壓產生的變形應力、應變，擠壓時的溫度、速度，加工模具時產生的不平整光滑等工藝參數的變化影響到成品的形狀。所以我們在進行模流分析的時候也要較為準確地將這些數據反映在分析軟件上。

3 SolidWorks用于優化模具設計的過程

3.1建立三維模

在設計完模具后，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。

再按實際關系裝配成裝配體。下圖5為裝配圖，上下模設置為半透明狀態。

3.2設定環境數據

根據我廠Φ230mm模具的擠壓情況可以得到如下數據：

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無縫內嵌、方便使用的流體分析軟件。讓用戶在設計階段（而非設計之后）就能了解、驗證并改善新產品的設計。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、熱傳導及作用在侵入流體中的零件或裝配體上的力。

利用Solidworks結合以上數據可得到以下分析結果：

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

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目可以根據需要調節。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過程，從而作出合理的優化設計。上圖10為動態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果稍微調整工作帶。

下面兩圖顯示為流速較快位置：

4 結論

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