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[摘 要]CAE 技使设计人员可以借助计算机软件对压铸件进行模拟分析及优化设计，能显著缩短压铸模具设计周期，提高产品质量，降低生产成本。
[关键词]CAE；压铸模具；设计
中图分类号：TG699 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0242-01
1 引言
随着生产力的发展，模具工业己成为国民经济中的重要基础工业之一。压铸制品广泛用于汽车、航空、摩托、机床和造船等制造业，因此对压铸模具质量与设计制造效率的要求越来越高。传统的模具设计和制造方式，主要是依赖设计人员和工艺人员的经验。模具设计是否合理、制品有无缺陷都只有通过试模才能知道。CAE技术能在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟，预测设计中潜在的缺陷，帮助设计人员修改和优化设计方案，能显著缩短塑料模具设计周期，提高产品质量，并极大地降低生产成本。
2 CAE技术
CAE 技术是通过计算机模拟对工程和产品进行全面分析的综合型计算机技术，通过计算机模拟CAE 技术可以发现工程和产品存在的设计缺陷，通过不断地改进与优化实现工程和产品性能的提升和成本的控制，在提高工程和产品功能性的基础上，提高其可靠性和适用性。
PROCAST软件就是典型的压铸件CAE 技术的应用，该软件可以模拟整个压铸过程对压铸成型产品的影响。它主要包括缩孔预测、裂纹与变形预测 、裹气预测、冷隔及浇不足的预测、压铸模寿命预测等模块， 通过模拟与分析可以判断模具结构的合理性和成型工艺参数的适宜性。由此得出工艺方案与有关参数以及模具结构对制件质量的影响，从而达到优化模具结构与工艺参数的目的。PROCAST软件的基本模块如下：
（1）热分析模块
本模块进行传热计算并包括Procast的所有前后处理功能。传热包括传导、对流和辐射。Procast的前处理用于设定各种初始和边界条件，可以准确设定所有已知的铸造工艺的边界和初始条件。Procast的后处理可以显示温度、压力和速度场，但又同时可以将这些信息与应力和变形同时显示。
（2） 流体分析模块
流体分析模块可以模拟所有包括充型在内的液体和固体流动的效应。Procast通过流动方程对流体流动和传热进行耦合计算来模拟压铸过程。
（3） 应力分析模块
本模块可以进行完整的热场、流场和应力的耦合计算，可以显示由于铸件变形而产生的铸件和模具的间隙，并进一步确定由于这种间隙的出现而影响的铸件冷却时间和模具中产生的热节。
（4） 辐射分析模块
本模块专用于满足铸铁、铸钢件生产的需要。能够定性和定量地计算固相的转变。通过微观组织模型计算各相如奥氏体、铁素体、渗炭体和珠光体的成分以及相应的潜热释放。
（5） 网格生成模块Meshcast
Meshcast自动产生有限元网格。这个模块与CAD软件的连接是天衣无缝的。它可以读入标准的CAD文件格式如IGES、Step、STL或者Parsolids。同时，MeshcastTM同时拥有独一无二的其它性能，例如初级CAD工具、高级修复工具、不一致网格的生成和壳型网格的生成等。
（6） 反向求解模块
本模块适用于科研或高级模拟计算之用，通过反算求解确定边界条件和材料的熱物理性能。有时模拟计算对这些数据有更高的精度要求，这时反算求解可以利用实际的测试温度数据来确定边界条件和材料的热物理性能。
3 CAE技术在注塑模具设计中的应用
3.1 缩孔预测
收缩缺陷在铸造缺陷中占很大比例。缩孔产生的原因是由于凝固收缩过程中液体不能有效地从充型系统和冒口得到补缩造成的缩松由于冒口补缩不足而导致了很大的内部收缩缺陷。通过使用可以确认封闭液体的位置，并使用特殊的判据来确定缩孔缩松是否会在这些敏感区域内发生，还可以计算出缩孔缩松有关的补缩长度。在砂铸中，可以优化冒口的位置和大小和绝热保温冒口的使用。在压铸中， PROCAST软件可以详细准确计算模型中的热节、冷却加热通道的位置和大小以及溢流口的位置。
3.2 裂纹与变形预测
压铸在凝固过程中容易产生热裂，以及冷却过程中也会产生裂纹。利用PROCAST软件的热应力分析，可以模拟凝固和随后冷却过程中产生的裂纹部位，通过模拟提出新的设计方案，在未投入制造前将潜在的缺陷降到最低。
3.3 裹气预测
金属液在充型过程中可能会受阻而将气泡和氧化夹杂物带入铸件中，从而会影响铸件的机械性能。CAE软件能够能够清楚地显示紊流的存在及流动方向，并对其进行跟踪。从而达到直接监视裹气的运行轨迹，为设计合理的浇注系统和溢流孔的位置提供了可靠的依据。
3.4 冷隔及浇不足的预测
选取不当的工艺参数如浇速过慢、型腔过冷、金属液温度过低等都会在充型成型过程中导致缺陷的产生。通过传热和流动的耦合计算，可以准确得到充型过程中的液体温度的变化情况。通过CAE软件可以预测这些铸造充型过程中发生的问题，并随后便可快速地制定和验证相应的改进方案。
3.5 压铸模寿命预测
热循环疲劳会降低压铸模的使用寿命。CAE软件能够预测压铸模中的应力周期和最大抗压应力，结合与之相应的温度场便可准确预测模具的关键部位温度变化周期和区间，进而优化设计以延长压铸模的使用寿命。
4 CAE技术分析模具的步骤
4.1建立有限元模型
首先要将应用CAD 技术建立的几何模型从通用的参数化CAD 软件输出到CAE 软件中，设定有限元网格形状、密度、边界条件等相关信息后，将模型进行网格化处理，建立起可用于分析的有限元模型。
4.2 模流分析
CAE 软件在对应用CAD 技术建立的几何模型有限元网格化处理后，输入铸件名称、牌号和成型过程中所需要的工艺参数后，对铸件模拟充型过程及凝固过程，也可以精确地计算冷却或加热通道的位置。CAE 分析软件就能给出铸件缩孔预测、裂纹变形预测、裹气预测等信息
4.3 模具的优化
根据CAE 软件的分析结果，发现铸件模具浇注系统、冷却系统等设计中存在的缺陷与不足，根据分析结果对模具进行相应修改后，再应用CAE 技术重新进行分析，并最终优化设计出合适的流道、浇口、冷却水道等设计方案。
5 结束语
压铸模具设计是一个复杂的过程，传统的方式会出现设计周期长、成本较高等一系列问题，CAE 技术可以通过模拟来实现对压铸模具设计优化设计，实现对不同方案的快速分析，达到对压铸模具设计问题的及时纠正。CAE 技术实现了模具设计成本的降低和工作效率的提高。
作者简介
任天娟，女，讲师，主要从事模具设计技术方向的研究。
基金项目：本文系陕西国防工业职业技术学院2015年立项课题“基于ProCAST 的压铸模CAD/CAE 的应用研究”（课题编号Gfy15-12）的研究成果之一。
[关键词]CAE；压铸模具；设计
中图分类号：TG699 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0242-01
1 引言
随着生产力的发展，模具工业己成为国民经济中的重要基础工业之一。压铸制品广泛用于汽车、航空、摩托、机床和造船等制造业，因此对压铸模具质量与设计制造效率的要求越来越高。传统的模具设计和制造方式，主要是依赖设计人员和工艺人员的经验。模具设计是否合理、制品有无缺陷都只有通过试模才能知道。CAE技术能在计算机上对模具设计方案进行分析和模拟，预测设计中潜在的缺陷，帮助设计人员修改和优化设计方案，能显著缩短塑料模具设计周期，提高产品质量，并极大地降低生产成本。
2 CAE技术
CAE 技术是通过计算机模拟对工程和产品进行全面分析的综合型计算机技术，通过计算机模拟CAE 技术可以发现工程和产品存在的设计缺陷，通过不断地改进与优化实现工程和产品性能的提升和成本的控制，在提高工程和产品功能性的基础上，提高其可靠性和适用性。
PROCAST软件就是典型的压铸件CAE 技术的应用，该软件可以模拟整个压铸过程对压铸成型产品的影响。它主要包括缩孔预测、裂纹与变形预测 、裹气预测、冷隔及浇不足的预测、压铸模寿命预测等模块， 通过模拟与分析可以判断模具结构的合理性和成型工艺参数的适宜性。由此得出工艺方案与有关参数以及模具结构对制件质量的影响，从而达到优化模具结构与工艺参数的目的。PROCAST软件的基本模块如下：
（1）热分析模块
本模块进行传热计算并包括Procast的所有前后处理功能。传热包括传导、对流和辐射。Procast的前处理用于设定各种初始和边界条件，可以准确设定所有已知的铸造工艺的边界和初始条件。Procast的后处理可以显示温度、压力和速度场，但又同时可以将这些信息与应力和变形同时显示。
（2） 流体分析模块
流体分析模块可以模拟所有包括充型在内的液体和固体流动的效应。Procast通过流动方程对流体流动和传热进行耦合计算来模拟压铸过程。
（3） 应力分析模块
本模块可以进行完整的热场、流场和应力的耦合计算，可以显示由于铸件变形而产生的铸件和模具的间隙，并进一步确定由于这种间隙的出现而影响的铸件冷却时间和模具中产生的热节。
（4） 辐射分析模块
本模块专用于满足铸铁、铸钢件生产的需要。能够定性和定量地计算固相的转变。通过微观组织模型计算各相如奥氏体、铁素体、渗炭体和珠光体的成分以及相应的潜热释放。
（5） 网格生成模块Meshcast
Meshcast自动产生有限元网格。这个模块与CAD软件的连接是天衣无缝的。它可以读入标准的CAD文件格式如IGES、Step、STL或者Parsolids。同时，MeshcastTM同时拥有独一无二的其它性能，例如初级CAD工具、高级修复工具、不一致网格的生成和壳型网格的生成等。
（6） 反向求解模块
本模块适用于科研或高级模拟计算之用，通过反算求解确定边界条件和材料的熱物理性能。有时模拟计算对这些数据有更高的精度要求，这时反算求解可以利用实际的测试温度数据来确定边界条件和材料的热物理性能。
3 CAE技术在注塑模具设计中的应用
3.1 缩孔预测
收缩缺陷在铸造缺陷中占很大比例。缩孔产生的原因是由于凝固收缩过程中液体不能有效地从充型系统和冒口得到补缩造成的缩松由于冒口补缩不足而导致了很大的内部收缩缺陷。通过使用可以确认封闭液体的位置，并使用特殊的判据来确定缩孔缩松是否会在这些敏感区域内发生，还可以计算出缩孔缩松有关的补缩长度。在砂铸中，可以优化冒口的位置和大小和绝热保温冒口的使用。在压铸中， PROCAST软件可以详细准确计算模型中的热节、冷却加热通道的位置和大小以及溢流口的位置。
3.2 裂纹与变形预测
压铸在凝固过程中容易产生热裂，以及冷却过程中也会产生裂纹。利用PROCAST软件的热应力分析，可以模拟凝固和随后冷却过程中产生的裂纹部位，通过模拟提出新的设计方案，在未投入制造前将潜在的缺陷降到最低。
3.3 裹气预测
金属液在充型过程中可能会受阻而将气泡和氧化夹杂物带入铸件中，从而会影响铸件的机械性能。CAE软件能够能够清楚地显示紊流的存在及流动方向，并对其进行跟踪。从而达到直接监视裹气的运行轨迹，为设计合理的浇注系统和溢流孔的位置提供了可靠的依据。
3.4 冷隔及浇不足的预测
选取不当的工艺参数如浇速过慢、型腔过冷、金属液温度过低等都会在充型成型过程中导致缺陷的产生。通过传热和流动的耦合计算，可以准确得到充型过程中的液体温度的变化情况。通过CAE软件可以预测这些铸造充型过程中发生的问题，并随后便可快速地制定和验证相应的改进方案。
3.5 压铸模寿命预测
热循环疲劳会降低压铸模的使用寿命。CAE软件能够预测压铸模中的应力周期和最大抗压应力，结合与之相应的温度场便可准确预测模具的关键部位温度变化周期和区间，进而优化设计以延长压铸模的使用寿命。
4 CAE技术分析模具的步骤
4.1建立有限元模型
首先要将应用CAD 技术建立的几何模型从通用的参数化CAD 软件输出到CAE 软件中，设定有限元网格形状、密度、边界条件等相关信息后，将模型进行网格化处理，建立起可用于分析的有限元模型。
4.2 模流分析
CAE 软件在对应用CAD 技术建立的几何模型有限元网格化处理后，输入铸件名称、牌号和成型过程中所需要的工艺参数后，对铸件模拟充型过程及凝固过程，也可以精确地计算冷却或加热通道的位置。CAE 分析软件就能给出铸件缩孔预测、裂纹变形预测、裹气预测等信息
4.3 模具的优化
根据CAE 软件的分析结果，发现铸件模具浇注系统、冷却系统等设计中存在的缺陷与不足，根据分析结果对模具进行相应修改后，再应用CAE 技术重新进行分析，并最终优化设计出合适的流道、浇口、冷却水道等设计方案。
5 结束语
压铸模具设计是一个复杂的过程，传统的方式会出现设计周期长、成本较高等一系列问题，CAE 技术可以通过模拟来实现对压铸模具设计优化设计，实现对不同方案的快速分析，达到对压铸模具设计问题的及时纠正。CAE 技术实现了模具设计成本的降低和工作效率的提高。
作者简介
任天娟，女，讲师，主要从事模具设计技术方向的研究。
基金项目：本文系陕西国防工业职业技术学院2015年立项课题“基于ProCAST 的压铸模CAD/CAE 的应用研究”（课题编号Gfy15-12）的研究成果之一。