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摘要：以内燃机垫片凸凹模为研究对象，应用UGNX软件对其进行三维建模，在仿真环境下指派材料、物理属性设定、网格化分、施加载荷和约束，生成仿真模型，并对其应力应变进行仿真求解。仿真结果显示，在同一冲裁力的作用下，凸凹模上台面边缘刃口处节点上的平均变形量为0.022mm，变形量最大;中间大孔边缘刃口处节点的平均变形量为0.0192mm，小孔边缘刃口处节点平均变形量为0.0179mm，变形量最小。小孔边缘刃口处的单元应力平均值最大，最大单元应力值为792MPa。研究结果为内燃机垫片凸凹模的结构改进、工艺提升，延长凸凹模使用寿命，提供理论基础。
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.
关键词：凹凸模;汽车垫片;有限元分析;应力应变
Key words： concave and convex mold;automobile gasket;finite element analysis;stress and strain
中图分类号：TK46 文献标识码：A 文章編号：1674-957X（2021）18-0082-03
0 引言
随着汽车行业的快速发展，汽车冲压零部件的种类越来越多，对模具市场的需求也越来越大。内燃机是汽车的原动部分，冲裁模主要用于各种板料的冲裁工艺，在成型加工中，用以在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件。模具应力最高的部位是模具的凸模、凹模刃口。由于受力复杂，导致模具早期刃口崩刃、断裂、磨损等破坏[1-2]。为了防止模具在使用过程中过早的失效，通常的做法是使模具更大、更厚，增加模具预应力等措施[3]。这些做法会使模具制造变得高成本。以内燃机垫片凸凹冲裁模为研究对象，进行有限元静力学分析，分析模具在使用过程中应力应变的变化情况，从而为模具失效找到力学原因并提出改进措施，为模具的低成本、高寿命提供理论依据。
1 内燃机垫片及冲裁模具
1.1 冲裁零件及冲裁力计算
内燃机垫片是内燃机安装中应用比较广泛的一种小型连接件。形状如图1所示。轮廓形状由四段圆弧和四条切线组成，零件中间有一个直径为50mm的大孔，左右两端有两个直径为10mm的小孔。材料为铝合金，牌号为A5005-H34，其中材料的屈服强度为146MPa，抗拉强度160MPa，屈强比为91%，材料的延伸率为2.2%，加工硬化值为0.05，板厚为1.2mm。
平韧口冲裁工件，理论冲裁力计算公式：
（1）
实际冲裁力计算公式： （2）
其中L-冲裁件周长，K-冲裁系数，t-冲裁件板厚2mm，？子-冲裁板料的屈服强度。 1.2 内燃机垫片的冲裁模具
因垫片应用数量大，板厚较薄，材料的弹塑性较好，适合冲压加工方法。根据垫片形状，由毛坯加工成成品，需要对垫片进行落料形成外围轮廓，中间要进行三个冲孔处理。模具主要由模具、模架、模座、导向装置、顶料装置等组成。具体模具结构见图1所示。
1.3 凸凹模及材料特性
见图2其中零件4即为凸凹模。凸凹模是汽车垫片冲压模具中非常重要的一个零部件，凸凹模的结构强度、刚度、表面硬度等力学性能的好坏直接影响着模具的寿命，同时也影响着垫片的冲裁质量。对凸凹模进行静力学有限元分析，了解凸凹模在冲压过程中的受力状态和变形情况。
冲压凸凹模材料经常采用合金工具钢Cr12MoV（冷作模具钢），具有高的淬透性、淬硬性和高的耐磨性，抛光后抗腐蚀能力好，热变形小。弹性模量为218GPa，泊松比为0.28，密度：7.85e-06kg/mm3，屈服强度750MPa，抗剪切模量853MPa[4]。
2 仿真模型的建立[5]
以凸凹模为研究对象，在三维建模环境中，利用草图、拉伸、布尔运算等操作建立了凸凹模三维模型。并将其三维模型导入有限元环境中，进行静力学分析。对三维模型指派材料、设定材料属性、物理属性，并进行网格化分。为了保证计算的精确性，应用网格控制操作，对凸凹模边缘以及大小孔边缘进行网格控制划分，网格大小为1mm。随后对模具实体进行3D网格自由划分。其中Tetra10单元总量为32467个，节点总数为57726个，生成有限元模型。在仿真环境下，对凸凹模进行自由度限制，以底面为固定面限制自由度，并在顶面凸凹模边缘以及大小孔边缘施加载荷，载荷大小根据上面（公式2）冲裁系数K取1.3时计算为81993N，方向沿Z轴向下。利用NX NASTRAN 解算器，解算方案类型为SESTATIC101-单约束解算方案类型进行线性求解。
3 仿真结果
3.1 节点位移分析
从图2中可以看出凸凹模在冲裁力的作用下，整个模具都发生了不同程度的变形量。其中三个孔的边缘以及凸凹模上台面轮廓边缘发生的位移较为明显。其中轮廓边缘节点272处，位移变形量最大，最大值为0.025mm。从凸凹模位移-节点条带纹可以看出，从上到下变形量依次减小，上台面的变形量最大。
从图3中可以看出，凸凹模上台面中间大孔边缘节点位移的变化范围是0.0175mm至0.0205mm，在冲裁力的作用下，边缘最小节点位移为0.0175mm，边缘节点最大位移为0.0205mm。从图4可以看出两端小孔边缘节点位移的变化范围0.0168mm至0.0192mm。最小节点位移变形量为0.0168mm，最大节点位移变形量为0.0192mm。与图3比较可以发现，中间大孔边缘节点位移在冲裁力的作用下位移变形量较大。而左右两边小孔边缘节点位移变形量较小。从图5中可以看出，上台面边缘节点位移变化范围从0.0198mm至0.0245mm。节点最小位移量为0.0198mm，节点最大位移量为0.0245mm。比较中间孔边缘位移量和左右两端小孔边缘位移量，可以看出节点最大位移变形量在凸凹模边缘上。最小节点位移变形量为小孔边缘。
3.2 节点应力分析
从图6凸凹模应力-单元云图可以看出，凸凹模上台面边缘刃口、中间大孔边缘刃口、两侧小孔边缘刃口处应力值较高。小孔边缘刃口13192单元应力达到最大值792MPa，超过了材料所允许的屈服极限750MPa。从图7可以看出，左右两端小孔边缘刃口处单元应力集中在375 MPa至575MPa之间，单元平均应力值为479MPa。中间大孔边缘刃口处单元应力集中在350MPa至600MPa之间，单元平均应力值为469MPa。凸凹模上台面边缘刃口处单元应力集中300MPa至610MPa之间，单元平均应力值为461MPa。从刃口单元应力结果看，个别单元应力值超过了材料的屈服极限值，但是边缘刃口处的单元平均应力值都没有超过材料的屈服极限值。
4 讨论与结论
①从凸凹模节点应变结果来看，在同一冲裁力的作用下，凸凹模上台面边缘刃口处的变形量最大。在冲裁的过程中，不但容易导致模具发生弹塑性变形，而且影响冲裁件的质量。因此在设计凸凹模时要改进设计结构，提高刃口边缘的刚度，同时在允许的情况下，可以适当降低冲裁件的壁厚。②从凸凹模单元应力结果来看，在同一冲裁力的作用下，左右两端小孔边缘刃口处的单元平均应力值略高于中间大孔刃口处的单元应力值和凸凹模上台面边缘刃口处的单元应力值。因此在冲裁的过程中小孔刃口边缘更容易出现刃口断裂现象。因此要改进凸凹模的制造工艺，对其边缘刃口进行高频淬火，提高表面硬度。并且使小孔边缘刃口的应力值应略高于其它刃口应力值。③模具在冲裁的过程中，总会出现刃口发生塑性变形和断裂或者磨损等现象，致使模具使用寿命降低。导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，因此在模具設计阶段，应进行工程分析、力学计算，发现模具受力或者变形最大区域，并对变形或受力最大区域，改进制造工艺，提高其使用寿命。
参考文献：
[1]孙力伟，高阳.基于UG的加强板模具设计及有限元分析[J].中华建设，2019（15）：0119-0120.
[2]孙力伟，肖冰，王庆辉.基于ProE的压铸模具设计及模具变形有限元分析[J].中国新技术新产品，2020（7）：37-38.
[3]孙力伟，高阳.基于CATIA的汽车覆盖件冲压模具有限元分析[J].中国设备工程，2020（1）：86-87.
[4]成大先.机械设计手册[M].第六版.化学工业出版社，2016.
[5]沈春根.UGNX有限元分析入门与实例精讲[M].第2版.机械工业出版社，2016.
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.
关键词：凹凸模;汽车垫片;有限元分析;应力应变
Key words： concave and convex mold;automobile gasket;finite element analysis;stress and strain
中图分类号：TK46 文献标识码：A 文章編号：1674-957X（2021）18-0082-03
0 引言
随着汽车行业的快速发展，汽车冲压零部件的种类越来越多，对模具市场的需求也越来越大。内燃机是汽车的原动部分，冲裁模主要用于各种板料的冲裁工艺，在成型加工中，用以在外力作用下使坯料成为有特定形状和尺寸的制件。模具应力最高的部位是模具的凸模、凹模刃口。由于受力复杂，导致模具早期刃口崩刃、断裂、磨损等破坏[1-2]。为了防止模具在使用过程中过早的失效，通常的做法是使模具更大、更厚，增加模具预应力等措施[3]。这些做法会使模具制造变得高成本。以内燃机垫片凸凹冲裁模为研究对象，进行有限元静力学分析，分析模具在使用过程中应力应变的变化情况，从而为模具失效找到力学原因并提出改进措施，为模具的低成本、高寿命提供理论依据。
1 内燃机垫片及冲裁模具
1.1 冲裁零件及冲裁力计算
内燃机垫片是内燃机安装中应用比较广泛的一种小型连接件。形状如图1所示。轮廓形状由四段圆弧和四条切线组成，零件中间有一个直径为50mm的大孔，左右两端有两个直径为10mm的小孔。材料为铝合金，牌号为A5005-H34，其中材料的屈服强度为146MPa，抗拉强度160MPa，屈强比为91%，材料的延伸率为2.2%，加工硬化值为0.05，板厚为1.2mm。
平韧口冲裁工件，理论冲裁力计算公式：
（1）
实际冲裁力计算公式： （2）
其中L-冲裁件周长，K-冲裁系数，t-冲裁件板厚2mm，？子-冲裁板料的屈服强度。 1.2 内燃机垫片的冲裁模具
因垫片应用数量大，板厚较薄，材料的弹塑性较好，适合冲压加工方法。根据垫片形状，由毛坯加工成成品，需要对垫片进行落料形成外围轮廓，中间要进行三个冲孔处理。模具主要由模具、模架、模座、导向装置、顶料装置等组成。具体模具结构见图1所示。
1.3 凸凹模及材料特性
见图2其中零件4即为凸凹模。凸凹模是汽车垫片冲压模具中非常重要的一个零部件，凸凹模的结构强度、刚度、表面硬度等力学性能的好坏直接影响着模具的寿命，同时也影响着垫片的冲裁质量。对凸凹模进行静力学有限元分析，了解凸凹模在冲压过程中的受力状态和变形情况。
冲压凸凹模材料经常采用合金工具钢Cr12MoV（冷作模具钢），具有高的淬透性、淬硬性和高的耐磨性，抛光后抗腐蚀能力好，热变形小。弹性模量为218GPa，泊松比为0.28，密度：7.85e-06kg/mm3，屈服强度750MPa，抗剪切模量853MPa[4]。
2 仿真模型的建立[5]
以凸凹模为研究对象，在三维建模环境中，利用草图、拉伸、布尔运算等操作建立了凸凹模三维模型。并将其三维模型导入有限元环境中，进行静力学分析。对三维模型指派材料、设定材料属性、物理属性，并进行网格化分。为了保证计算的精确性，应用网格控制操作，对凸凹模边缘以及大小孔边缘进行网格控制划分，网格大小为1mm。随后对模具实体进行3D网格自由划分。其中Tetra10单元总量为32467个，节点总数为57726个，生成有限元模型。在仿真环境下，对凸凹模进行自由度限制，以底面为固定面限制自由度，并在顶面凸凹模边缘以及大小孔边缘施加载荷，载荷大小根据上面（公式2）冲裁系数K取1.3时计算为81993N，方向沿Z轴向下。利用NX NASTRAN 解算器，解算方案类型为SESTATIC101-单约束解算方案类型进行线性求解。
3 仿真结果
3.1 节点位移分析
从图2中可以看出凸凹模在冲裁力的作用下，整个模具都发生了不同程度的变形量。其中三个孔的边缘以及凸凹模上台面轮廓边缘发生的位移较为明显。其中轮廓边缘节点272处，位移变形量最大，最大值为0.025mm。从凸凹模位移-节点条带纹可以看出，从上到下变形量依次减小，上台面的变形量最大。
从图3中可以看出，凸凹模上台面中间大孔边缘节点位移的变化范围是0.0175mm至0.0205mm，在冲裁力的作用下，边缘最小节点位移为0.0175mm，边缘节点最大位移为0.0205mm。从图4可以看出两端小孔边缘节点位移的变化范围0.0168mm至0.0192mm。最小节点位移变形量为0.0168mm，最大节点位移变形量为0.0192mm。与图3比较可以发现，中间大孔边缘节点位移在冲裁力的作用下位移变形量较大。而左右两边小孔边缘节点位移变形量较小。从图5中可以看出，上台面边缘节点位移变化范围从0.0198mm至0.0245mm。节点最小位移量为0.0198mm，节点最大位移量为0.0245mm。比较中间孔边缘位移量和左右两端小孔边缘位移量，可以看出节点最大位移变形量在凸凹模边缘上。最小节点位移变形量为小孔边缘。
3.2 节点应力分析
从图6凸凹模应力-单元云图可以看出，凸凹模上台面边缘刃口、中间大孔边缘刃口、两侧小孔边缘刃口处应力值较高。小孔边缘刃口13192单元应力达到最大值792MPa，超过了材料所允许的屈服极限750MPa。从图7可以看出，左右两端小孔边缘刃口处单元应力集中在375 MPa至575MPa之间，单元平均应力值为479MPa。中间大孔边缘刃口处单元应力集中在350MPa至600MPa之间，单元平均应力值为469MPa。凸凹模上台面边缘刃口处单元应力集中300MPa至610MPa之间，单元平均应力值为461MPa。从刃口单元应力结果看，个别单元应力值超过了材料的屈服极限值，但是边缘刃口处的单元平均应力值都没有超过材料的屈服极限值。
4 讨论与结论
①从凸凹模节点应变结果来看，在同一冲裁力的作用下，凸凹模上台面边缘刃口处的变形量最大。在冲裁的过程中，不但容易导致模具发生弹塑性变形，而且影响冲裁件的质量。因此在设计凸凹模时要改进设计结构，提高刃口边缘的刚度，同时在允许的情况下，可以适当降低冲裁件的壁厚。②从凸凹模单元应力结果来看，在同一冲裁力的作用下，左右两端小孔边缘刃口处的单元平均应力值略高于中间大孔刃口处的单元应力值和凸凹模上台面边缘刃口处的单元应力值。因此在冲裁的过程中小孔刃口边缘更容易出现刃口断裂现象。因此要改进凸凹模的制造工艺，对其边缘刃口进行高频淬火，提高表面硬度。并且使小孔边缘刃口的应力值应略高于其它刃口应力值。③模具在冲裁的过程中，总会出现刃口发生塑性变形和断裂或者磨损等现象，致使模具使用寿命降低。导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，因此在模具設计阶段，应进行工程分析、力学计算，发现模具受力或者变形最大区域，并对变形或受力最大区域，改进制造工艺，提高其使用寿命。
参考文献：
[1]孙力伟，高阳.基于UG的加强板模具设计及有限元分析[J].中华建设，2019（15）：0119-0120.
[2]孙力伟，肖冰，王庆辉.基于ProE的压铸模具设计及模具变形有限元分析[J].中国新技术新产品，2020（7）：37-38.
[3]孙力伟，高阳.基于CATIA的汽车覆盖件冲压模具有限元分析[J].中国设备工程，2020（1）：86-87.
[4]成大先.机械设计手册[M].第六版.化学工业出版社，2016.
[5]沈春根.UGNX有限元分析入门与实例精讲[M].第2版.机械工业出版社，2016.