重型汽車輪輻沖孔模的ANSYS分析

沈淑紅

(1.河北理工大學機械工程學院,河北唐山 063009;2.唐山學院計算中心,河北唐山 063000)

重型汽車輪輻沖孔模的ANSYS分析

沈淑紅1,2

(1.河北理工大學機械工程學院,河北唐山 063009;2.唐山學院計算中心,河北唐山 063000)

通過重型汽車輪輻的工藝性分析,在沖孔模設計、三維造型的基礎上,對重型汽車輪輻的沖孔模的凸、凹模進行靜力學分析,通過ANSYS軟件對凸、凹模材料校核、受力分析,從而對模具進行優化,提高模具的使用壽命。

重型汽車輪輻;沖孔模;凸、凹模;優化

0 引言

模具是機械制造業中技術先進、影響深遠的重要工藝裝備,具有生產效率高、材料利用率高、制件質量優良、工藝適應性好等特點。模具行業是工業的基礎行業,在工業的各個領域都廣泛地使用模具。模具在很大程度上決定著產品的質量、效益和新產品的開發能力,模具制造技術現己成為衡量一個國家制造業水平高低的重要標志[1]。

1 重型汽車輪輻模具工藝性分析

車輪是汽車行駛系統中的重要部件,它的質量直接影響汽車行駛的安全性和可靠性。鋼制車輪由輪輞和輪輻組成。輪輻需經沖壓拉深、成形和切邊等工序加工后再壓入輪輞之中,并在兩者接合處進行焊接。輪輻的單件高度尺寸一致性及口部端面平整性尤其重要,直接影響著鋼制車輪焊接質量以及相關焊接工藝參數的控制。因此,要使輪輻切邊尺寸及焊接過程的穩定,就必須對輪輻工藝方法和模具結構進行分析與設計。重型汽車輪輻與其它輪輻比較,要求更高的強度與質量。從經濟方面考慮,要充分提高原材料的利用率以減少不必要的浪費。

重型汽車輪輻(零件材料為45鋼,料厚13 mm,)尺寸、形狀如圖1所示。

2 輪輻的沖孔模具分析設計過程簡述

在重型汽車輪輻中,底面有10個直徑26 mm的小孔均勻分布,且公差等級在 IT15～IT16之間,精度要求不高,可以直接沖壓成形。分析圖紙可知底面10個小孔相對輪輻中心有比較高的位置度要求,按沖裁件工藝性分析,應以Φ281 mm內徑定位。小孔沖出的方法有兩種:一是依次沖孔,二是同時沖出。依次沖孔,因10個小孔有位置度要求,必須保證旋轉角度,模具制造精度要求比較高,且完成該沖孔工序的時間比較長,效率比較低;同時沖孔,一次可以完成10個小孔的沖制,每個小孔的位置容易保證,可以縮短生產時間,效率高,適合大量生產。但同時沖10個小孔時沖壓力比較大,對模具的材料及制造強度要求比較高,因此在設計完成沖孔模具設計以后,需要對模具材料及模具的受力進行分析,以提高模具的壽命。

圖1 重型汽車輪輻

經過沖孔工序設計與工藝計算,沖孔工序尺寸、沖壓力的計算,壓力中心的確定,沖孔凸、凹模材料的確定等過程,確定沖孔模具結構的設計[2]如下。

本次設計的沖孔模,10個小孔同時沖出。首先確定沖模形式,采用10個凸模,固定在凸模板上。沖孔凹模如果做成一體,廢料梗塞在凹模內較多,推件力增大,進而導致沖壓力的增加,又因為輪輻為大中型零件,沖壓力比較大,與沖壓件接觸部位磨損嚴重,隨著沖壓次數的增加,輪輻零件的精度難以保證,破壞以后維修不方便。為了減小沖壓力,削減制造模具的材料,可將凹模做成嵌入式,即將10個凹模套嵌入到凹模板中。采用這種結構其優點在于制造簡化、提高了模具精度,并且節省了貴重鋼材,容易維修,淬火過程中不易變形和開裂。凸凹模由固定板壓緊,并用螺釘緊固聯結。由于是拉深成形后沖孔,可將輪輻倒裝,這樣可簡化模具的結構,也模具易于安裝。將下模板與凹模嵌套對應的部位做成通孔,廢料由模具下方排出。本次沖孔有位置度要求,可用定位銷定位。所沖的孔相對于圓心有位置度要求,定位銷與輪輻之間的間隙要適當減小。沖孔動作完成后凸模的復位可采用彈性復位裝置。沖壓過程中應采用導向裝置,以保證沖孔的精度。模具裝配圖及爆炸圖2所示。

3 沖孔凸、凹模ANSYS靜力學分析

3.1 凸凹模的靜力分析的意義

由于凸模最下部刃口(凹模最上部分刃口)(如圖3和圖4所示)承受的力比較大,所以刃口部分磨損較快,并且容易崩刃;刃口處磨損變短后沖孔的精度變差,如不及時更換,則會使凸模和凹模磨損加快;更換凸凹模的停機時間長,影響生產,因此對凸凹模進行靜力分析顯得十分重要。對凸凹模進行分析時,傳統的力學解析方法計算公式繁多、復雜,且不易精確,相比之下,利用有限元分析方法建立凸凹模的有限元模型,并按實際的載荷分布進行加載、求解,就能得到實際的承載狀況,具有快捷、方便、求解結果相對準確的優點,凸凹模采用 T10A鋼[3]。

圖2 模具裝配圖及爆炸圖

模具主要由模架、凸模、凹模和定位固定裝置組成,模具的使用壽命主要取決于凸凹模的材料及熱處理方法。此次分析主要對內鏈板進行靜力學分析,通過分析數據來得出所選材料是否合適以及凸凹模的受力區域的變化。

圖3 凸模

圖4 凹模

3.2 凸模有限元分析

(1)凸模有限元模型的建立和網格劃分如圖5所示[4]。

圖5 凸模的網格劃分

創建模型:將三維軟件Pro/E中創建的模型導入AN-SYS中。

材料屬性:材料為 T10A,其機械性能如下:σS= 750 M Pa,E=206 GPa,μ=0.3。

網格劃分:采用20節點的Solid95塊單元。

(2)凸模的約束和載荷的施加如圖6所示。

在工作過程中,凸模的一端是固定在固定板上,而另一端是沖壓工件,所以凸模的模型可簡化成懸臂梁,一端加約束,另一端加載荷。

凸凹模所受的沖載力計算如下:FS=625 M Pa。

圖6 凸模的載荷和約束

由圖7和圖8知,知凸模的刃口部分的變形最大及凸模的最大應力達到了 140 M Pa,而 T10A的屈服強度為200 M Pa,所以所選材料能滿足要求。

圖7 凸模的節點位移云圖

圖8 凸模的等效應力分布圖

另一方面,凸模在受到沖壓力時會產生比較大的彈性變形,在刃口處產生的位移最大,這也是最容易發生磨損和破壞的地方,所以對凸模進行熱處理時必須保證凸模主要部分的硬度達到要求,以保證凸模能正常工作,提高他的壽命。

由圖8凸模應力圖,可知在凸模的直徑變化處應力比較集中,容易發生破壞,所以應該將這些地方做成圓角以減小應力集中,提高模具凸模的使用壽命。

3.3 凹模有限元分析

凹模有限元模型的建立和網格劃分如圖9所示。

圖9 凹模網格劃分

凹模的約束和載荷的施加如圖10所示。

由圖10,11可知凹模在受到沖壓力時會產生彈性變形,并且在刃口處產生的位移最大,最容易發生磨損和破壞,所以對凸模進行熱處理時必須保證凹模主要部分的硬度達到要求,以保證凹模能正常工作,提高他的壽命。

圖10 凹模所受的約束和載荷

圖11 凹模所受的位移云圖

由圖12凹模所受的應力圖,可知在凹模的直徑變化處應力比較集中,容易發生破壞,所以應盡可能將這些地方做成圓角,以減小應力集中。

4 結論

圖12 凹模節點應力云圖

通過對重型汽車輪輻沖孔模靜力學有限元分析,得到制造凸、凹模所用的材料符合要求,在凸、凹模的直徑變化處做成圓角,可以減小應力集中。凸、凹模在刃口處是最容易發生磨損和破壞的地方,所以對凸、凹模進行熱處理時必須保證凸、凹模主要部分的硬度達到要求,以保證凸凹模能正常工作,提高壽命。

[1] 丁松聚.冷沖模設計[M].北京:機械工業出版社, 2001:2-10.

[2] 許發樾.模具設計與制造實用手冊[M].第二版.北京:機械工業出版社,2005:30-45.

[3] 《沖模設計手冊》編寫組.模具手冊之四[M].北京:機械工業出版社,1997:39-63.

[4] 張洪信.有限元基礎理論與ANSYS應用[M].北京:機械工業出版社,2006:58-80.

(責任編校:李高峰)

ANSYS Analysis of Heavy Truck Spoke Pupnching Die

SHEN Shu-hong1,2
(1.College of Mechanical Engineering Hebei Polytechnic University,Tangshan 063009,China;2.Compution Center Tanghsan College,Tangshan 063000,China)

Through manufacture analysis of heavy truck spoke,static analysis is made of terrace and hollowing block in heavy truck spoke punching die based on the punching die design and 3-di-mensional moulding and the analysis of terrace and hollowing block material checking and force with AN YS software can optimize moulds and increase their service life.

heavy truck spoke;punching die;terrace and hollowing block;optimization

U 463,34-

A

1672-349X(2010)06-0032-03

2010-10-25

沈淑紅(1969-),女,高級實驗師,碩士,主要從事計算機輔助設計的研究工作。