1  引言

目前汽車覆蓋件模具市場競爭日益激烈，各大模具廠成本壓力日益增加。其中，模具的材料成本是模具全周期成本的重要組成部分，模具的輕量化設(shè)計(jì)理念應(yīng)運(yùn)而生，即如何進(jìn)行模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既能滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，又能夠節(jié)省材料成本。但目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全是在經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣缺少理論數(shù)據(jù)的支撐。因此，通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析對模具結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)顯得尤為必要。

2  問題分析

壓料器是汽車覆蓋件后續(xù)模具的必要組成部分，如圖1所示。工作側(cè)銷是壓料器工作過程中回程限位的常用結(jié)構(gòu)形式，安全側(cè)銷是工作側(cè)銷失效情況下保證模具安全的常用限位方式。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間及設(shè)備加工能力的限制，壓料器對應(yīng)側(cè)銷部位的結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)圖2所示蝶型壓料器的結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，蝶型壓料器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度往往通過經(jīng)驗(yàn)確定，結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)缺乏結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論分析數(shù)據(jù)的支持。

3  研究方法

壓料器側(cè)銷對應(yīng)部位的結(jié)構(gòu)組成分為工作側(cè)銷對應(yīng)的結(jié)構(gòu)和安全側(cè)銷對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。工作側(cè)銷對應(yīng)結(jié)構(gòu)的作用主要是開模過程中提起壓料器和開模到位后對壓料器整體的限位作用。安全側(cè)銷對應(yīng)的結(jié)構(gòu)的作用主要是在工作側(cè)銷失效的情況下保證模具及設(shè)備的安全。因此，對壓料器側(cè)銷部位對應(yīng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析分為工作側(cè)銷部位結(jié)構(gòu)分析和安全側(cè)銷部位結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行分析。

3.1  工作側(cè)銷部位結(jié)構(gòu)分析

工作側(cè)銷在模具工作工程中起兩個(gè)作用：①?zèng)_壓工作完成后模具開模使壓料器回程；②模具開模后對壓料器的限位。作用①工作過程中壓料器對應(yīng)側(cè)銷部位由于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化承受側(cè)銷的沖擊；作用②中壓料器對應(yīng)側(cè)銷部位受自身重力作用下側(cè)銷的限位反力。以某翼子板OP30模具壓料器為例，分別建立壓料器在回程及開模后靜態(tài)保持狀態(tài)下的分析模型如圖3、圖4所示，其中，假設(shè)壓料器為彈性體[1~5]、側(cè)銷為剛體，材料性能如表1所示。

3.2  結(jié)果分析

壓料器回程過程側(cè)銷部位Mise應(yīng)力分布如圖5所示，同時(shí)按照圖6取樣方式對取樣點(diǎn)Mise應(yīng)力情況進(jìn)行分析，如圖7所示�？梢姡瑝毫掀骰爻踢^程中由靜止到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變期間，壓料器側(cè)銷部位主要受到工作側(cè)銷的沖擊作用，且在壓料器由靜止到運(yùn)動(dòng)的過程中，沖擊應(yīng)力峰值主要集中在側(cè)銷與壓料器接觸的周邊區(qū)域，呈現(xiàn)以壓料器與工作側(cè)銷接觸點(diǎn)向周邊擴(kuò)散的特點(diǎn)。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要優(yōu)先保證壓料器側(cè)銷部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且在模具生產(chǎn)過程中不能對壓料器側(cè)銷中上部位進(jìn)行補(bǔ)焊處理（如果進(jìn)行了補(bǔ)焊處理，在生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)由于側(cè)銷的沖擊，造成補(bǔ)焊區(qū)域的開裂或脫落等后果）。同時(shí)，壓料器加強(qiáng)筋的受力呈現(xiàn)（見圖8）：同側(cè)工作側(cè)銷之間內(nèi)側(cè)的與壓料器主筋連接的筋（1、5、6、7）的應(yīng)力值大于工作側(cè)銷外側(cè)其余與主筋連接的筋（2、3、4、8、9）的應(yīng)力值。

開模后靜態(tài)保持階段分析結(jié)果如圖9所示，壓料器的重量主要通過筋2、3、4、5、6、7傳達(dá)到側(cè)銷。同時(shí)，應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。

在壓料器回程過程及到位狀態(tài)，四個(gè)工作側(cè)銷部位所受作用力各不相同。為計(jì)算側(cè)銷部位的理論受力，假設(shè)在壓料器回程過程中壓料器與模座導(dǎo)板接觸力為零，物理簡化模型如圖10所示。定義以下物理量：F1=W、F2=X、F3=Y、F4=Z、AC=q、BC=c、CD=d、OC=j、OA=h、OB=i、OD=k、∠OCA=l、∠OCD=n、∠BCO=p、∠AOE=r、∠EOB=s、∠COF=t、∠FOD=u、壓料器重量m、重力加速度g、壓料器加速度a。

根據(jù)牛頓第二定律及力矩平衡得出如下關(guān)于W、X、Y、Z的方程組，其中a=0m/s2對應(yīng)壓料器勻速運(yùn)動(dòng)及靜止?fàn)顟B(tài)，a≠0m/s2對應(yīng)壓料器非勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：

W+X+Y+Z=m×（g+a）(1）

W×q×cosl+X×c×cosp+Z×d×cosn=m×（g+a）×j   （2）

Z×d×sinn+w×q×sinl=x×c×sinp（3）

W×h×cosr+X×i×coss=Y×j×cost+Z×k×cosu（4）

以a=0m/s2為例，其中m=950.95kg，g=9.8m/s2，其余參數(shù)為模型測量值，則對應(yīng)的壓料器側(cè)銷部位的約束反力分別為：F1≈4,338.51N、F2≈1,371.69N、F3≈3,149.87N、F4=459.24N；a=10m/s2對應(yīng)的壓料器側(cè)銷部位的約束反力分別為：F1≈8,765.56N、F2≈2,711.38N、F3≈6,364.01N、F4=927.86N�？梢姡瑝毫掀鞲鱾�(gè)側(cè)銷的受力情況不盡相同，側(cè)銷部位的受力情況與其在系統(tǒng)中的位置直接相關(guān)。同時(shí)，由于W、X、Y、Z為關(guān)于a的一次函數(shù)，因此，在壓料器的勻速、靜止及非勻速的運(yùn)動(dòng)過程中，各個(gè)側(cè)銷部位受力大小的順序不變。

3.3  安全側(cè)銷部位結(jié)構(gòu)分析

安全側(cè)銷在工作側(cè)銷失效時(shí)起到防止壓料器掉落的作用。分析假設(shè)4個(gè)工作側(cè)銷同時(shí)失效的情況，分析過程分為工作側(cè)銷失效后安全側(cè)銷對壓料器的沖擊過程和受到安全側(cè)銷限位后的靜態(tài)保持階段。沖擊過程的Mise應(yīng)力分析結(jié)果如圖11所示，同時(shí)按照圖12取樣方式對取樣點(diǎn)應(yīng)力情況進(jìn)行分析，如圖13所示。沖擊應(yīng)力峰值主要集中在壓料器安全側(cè)銷部位的中上部，筋（見圖8所示編號）1、3、5、6、7、8的受力明顯大于其余筋的受力。

靜態(tài)保持階段分析結(jié)果如圖14所示，壓料器的重量主要通過筋（見圖8所示編號）2、3、4、5、6、7傳達(dá)到側(cè)銷。同時(shí)，應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力。

4  結(jié)論

蝶形壓料器結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)主要分布在碟形區(qū)域與壓料器主筋相連接的筋及壓料器與側(cè)銷相接處的部位。同時(shí)，在壓料器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變承受側(cè)銷的沖擊作用時(shí)，結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了較低的安全系數(shù)，在壓料器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)恒定時(shí)，結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出較高的安全系數(shù)。由此可見，在模具量產(chǎn)時(shí)，壓料器經(jīng)歷周期性的載荷沖擊，疲勞破壞將成為壓料器結(jié)構(gòu)潛在失效的重要原因，因此，下一步應(yīng)對蝶形壓料器的疲勞失效進(jìn)行研究，進(jìn)一步為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有效的理論支撐。