基于UGNX的內燃機墊片凸凹沖裁模有限元分析

王勝曼 張華興 叢明新 朱逸炫

摘要：以內燃機墊片凸凹模為研究對象，應用UGNX軟件對其進行三維建模，在仿真環境下指派材料、物理屬性設定、網格化分、施加載荷和約束，生成仿真模型，并對其應力應變進行仿真求解。仿真結果顯示，在同一沖裁力的作用下，凸凹模上臺面邊緣刃口處節點上的平均變形量為0.022mm，變形量最大;中間大孔邊緣刃口處節點的平均變形量為0.0192mm，小孔邊緣刃口處節點平均變形量為0.0179mm，變形量最小。小孔邊緣刃口處的單元應力平均值最大，最大單元應力值為792MPa。研究結果為內燃機墊片凸凹模的結構改進、工藝提升，延長凸凹模使用壽命，提供理論基礎。

Abstract： Taking the convex and concave molds of internal combustion engine gaskets as the research object， using UGNX software to carry out three-dimensional modeling， assigning materials， setting physical properties， meshing points， applying loads and constraints in a simulation environment， generating simulation models， and The stress and strain are simulated and solved. The simulation results show that under the same punching force， the average deformation of the node at the edge of the table top of the punch and die is 0.022mm， which is the largest; the average deformation of the node at the edge of the middle large hole is 0.0192mm ， The average deformation of the node at the edge of the small hole is 0.0179mm， the deformation is the smallest. The average element stress at the edge of the small hole is the largest， and the maximum element stress value is 792MPa. The research results provide a theoretical basis for improving the structure and technology of the male and female dies for internal combustion engine gaskets， and prolonging the service life of the male and female dies.

關鍵詞：凹凸模;汽車墊片;有限元分析;應力應變

Key words： concave and convex mold;automobile gasket;finite element analysis;stress and strain

中圖分類號：TK46? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0082-03

0? 引言

隨著汽車行業的快速發展，汽車沖壓零部件的種類越來越多，對模具市場的需求也越來越大。內燃機是汽車的原動部分，沖裁模主要用于各種板料的沖裁工藝，在成型加工中，用以在外力作用下使坯料成為有特定形狀和尺寸的制件。模具應力最高的部位是模具的凸模、凹模刃口。由于受力復雜，導致模具早期刃口崩刃、斷裂、磨損等破壞[1-2]。為了防止模具在使用過程中過早的失效，通常的做法是使模具更大、更厚，增加模具預應力等措施[3]。這些做法會使模具制造變得高成本。以內燃機墊片凸凹沖裁模為研究對象，進行有限元靜力學分析，分析模具在使用過程中應力應變的變化情況，從而為模具失效找到力學原因并提出改進措施，為模具的低成本、高壽命提供理論依據。

1? 內燃機墊片及沖裁模具

1.1 沖裁零件及沖裁力計算

內燃機墊片是內燃機安裝中應用比較廣泛的一種小型連接件。形狀如圖1所示。輪廓形狀由四段圓弧和四條切線組成，零件中間有一個直徑為50mm的大孔，左右兩端有兩個直徑為10mm的小孔。材料為鋁合金，牌號為A5005-H34，其中材料的屈服強度為146MPa，抗拉強度160MPa，屈強比為91%，材料的延伸率為2.2%，加工硬化值為0.05，板厚為1.2mm。

平韌口沖裁工件，理論沖裁力計算公式：

（1）

實際沖裁力計算公式： （2）

其中L-沖裁件周長，K-沖裁系數，t-沖裁件板厚2mm，？子-沖裁板料的屈服強度。

1.2 內燃機墊片的沖裁模具

因墊片應用數量大，板厚較薄，材料的彈塑性較好，適合沖壓加工方法。根據墊片形狀，由毛坯加工成成品，需要對墊片進行落料形成外圍輪廓，中間要進行三個沖孔處理。模具主要由模具、模架、模座、導向裝置、頂料裝置等組成。具體模具結構見圖1所示。

1.3 凸凹模及材料特性

見圖2其中零件4即為凸凹模。凸凹模是汽車墊片沖壓模具中非常重要的一個零部件，凸凹模的結構強度、剛度、表面硬度等力學性能的好壞直接影響著模具的壽命，同時也影響著墊片的沖裁質量。對凸凹模進行靜力學有限元分析，了解凸凹模在沖壓過程中的受力狀態和變形情況。

沖壓凸凹模材料經常采用合金工具鋼Cr12MoV（冷作模具鋼），具有高的淬透性、淬硬性和高的耐磨性，拋光后抗腐蝕能力好，熱變形小。彈性模量為218GPa，泊松比為0.28，密度：7.85e-06kg/mm3，屈服強度750MPa，抗剪切模量853MPa[4]。

2? 仿真模型的建立[5]

以凸凹模為研究對象，在三維建模環境中，利用草圖、拉伸、布爾運算等操作建立了凸凹模三維模型。并將其三維模型導入有限元環境中，進行靜力學分析。對三維模型指派材料、設定材料屬性、物理屬性，并進行網格化分。為了保證計算的精確性，應用網格控制操作，對凸凹模邊緣以及大小孔邊緣進行網格控制劃分，網格大小為1mm。隨后對模具實體進行3D網格自由劃分。其中Tetra10單元總量為32467個，節點總數為57726個，生成有限元模型。在仿真環境下，對凸凹模進行自由度限制，以底面為固定面限制自由度，并在頂面凸凹模邊緣以及大小孔邊緣施加載荷，載荷大小根據上面（公式2）沖裁系數K取1.3時計算為81993N，方向沿Z軸向下。利用NX NASTRAN 解算器，解算方案類型為SESTATIC101-單約束解算方案類型進行線性求解。

3? 仿真結果

3.1 節點位移分析

從圖2中可以看出凸凹模在沖裁力的作用下，整個模具都發生了不同程度的變形量。其中三個孔的邊緣以及凸凹模上臺面輪廓邊緣發生的位移較為明顯。其中輪廓邊緣節點272處，位移變形量最大，最大值為0.025mm。從凸凹模位移-節點條帶紋可以看出，從上到下變形量依次減小，上臺面的變形量最大。

從圖3中可以看出，凸凹模上臺面中間大孔邊緣節點位移的變化范圍是0.0175mm至0.0205mm，在沖裁力的作用下，邊緣最小節點位移為0.0175mm，邊緣節點最大位移為0.0205mm。從圖4可以看出兩端小孔邊緣節點位移的變化范圍0.0168mm至0.0192mm。最小節點位移變形量為0.0168mm，最大節點位移變形量為0.0192mm。與圖3比較可以發現，中間大孔邊緣節點位移在沖裁力的作用下位移變形量較大。而左右兩邊小孔邊緣節點位移變形量較小。從圖5中可以看出，上臺面邊緣節點位移變化范圍從0.0198mm至0.0245mm。節點最小位移量為0.0198mm，節點最大位移量為0.0245mm。比較中間孔邊緣位移量和左右兩端小孔邊緣位移量，可以看出節點最大位移變形量在凸凹模邊緣上。最小節點位移變形量為小孔邊緣。

3.2 節點應力分析

從圖6凸凹模應力-單元云圖可以看出，凸凹模上臺面邊緣刃口、中間大孔邊緣刃口、兩側小孔邊緣刃口處應力值較高。小孔邊緣刃口13192單元應力達到最大值792MPa，超過了材料所允許的屈服極限750MPa。從圖7可以看出，左右兩端小孔邊緣刃口處單元應力集中在375 MPa至575MPa之間，單元平均應力值為479MPa。中間大孔邊緣刃口處單元應力集中在350MPa至600MPa之間，單元平均應力值為469MPa。凸凹模上臺面邊緣刃口處單元應力集中300MPa至610MPa之間，單元平均應力值為461MPa。從刃口單元應力結果看，個別單元應力值超過了材料的屈服極限值，但是邊緣刃口處的單元平均應力值都沒有超過材料的屈服極限值。

4? 討論與結論

①從凸凹模節點應變結果來看，在同一沖裁力的作用下，凸凹模上臺面邊緣刃口處的變形量最大。在沖裁的過程中，不但容易導致模具發生彈塑性變形，而且影響沖裁件的質量。因此在設計凸凹模時要改進設計結構，提高刃口邊緣的剛度，同時在允許的情況下，可以適當降低沖裁件的壁厚。②從凸凹模單元應力結果來看，在同一沖裁力的作用下，左右兩端小孔邊緣刃口處的單元平均應力值略高于中間大孔刃口處的單元應力值和凸凹模上臺面邊緣刃口處的單元應力值。因此在沖裁的過程中小孔刃口邊緣更容易出現刃口斷裂現象。因此要改進凸凹模的制造工藝，對其邊緣刃口進行高頻淬火，提高表面硬度。并且使小孔邊緣刃口的應力值應略高于其它刃口應力值。③模具在沖裁的過程中，總會出現刃口發生塑性變形和斷裂或者磨損等現象，致使模具使用壽命降低。導致模具失效的原因很多，但是受力失效是模具失效的主要原因之一，因此在模具設計階段，應進行工程分析、力學計算，發現模具受力或者變形最大區域，并對變形或受力最大區域，改進制造工藝，提高其使用壽命。

參考文獻：

[1]孫力偉，高陽.基于UG的加強板模具設計及有限元分析[J].中華建設，2019（15）：0119-0120.

[2]孫力偉，肖冰，王慶輝.基于ProE的壓鑄模具設計及模具變形有限元分析[J].中國新技術新產品，2020（7）：37-38.

[3]孫力偉，高陽.基于CATIA的汽車覆蓋件沖壓模具有限元分析[J].中國設備工程，2020（1）：86-87.

[4]成大先.機械設計手冊[M].第六版.化學工業出版社，2016.

[5]沈春根.UGNX有限元分析入門與實例精講[M].第2版.機械工業出版社，2016.