锻压论文 7、油箱盖模锻成形模具设计及数值模拟

油箱盖模锻成形模具设计及数值模拟

摘要目前国内油箱盖大多为塑料件或铸造件，都具有一定的缺陷而不能满足使用要求。本文采用模锻成形的方法来设计油箱盖，对工件的成形工艺性进行了分析，确定了锻锤吨位，并选取合适的工艺参数，设计出了合理的模具结构。用Solidworks对工件进行了三维建模，然后导入Deform软件对其进行了数值模拟，分析了应力、应变的分布，验证了所设计方案的可行性。

关键词油箱盖；模锻成形；模具设计；数值模拟

1 零件的锻压工艺性分析

1.1 零件分析

油箱盖是汽车发动机上储备汽油的

箱子上面的盖子，如图1所示。形状是

方形的，用45钢做成，密封性很好，

一般放在汽车的底部，大批量生产。

图1 油箱盖三维图由图可知，该零件形状对称，结构简单，生产工艺不太复杂，难度系数较小。在进行锤上模锻时需要有模锻斜度，这是为了便于将成形后的锻件从型腔中取出，所以锻模侧壁必须做成一定的斜度，但是为了减少材料损耗和机加工余量，应尽量选择小的模锻斜度。零件为大批量生产，因此必须要保证模具的强度和韧性，使其满足一定的使用要求，具有一定的使用寿命[1-2]。

零件的余量和公差可按经验来选取，另外，热锻件图的尺寸应比冷锻件图的相应尺寸增加一个收缩率，本文中收缩率取为1.5%。因此在用Solidworks绘制热锻件图时，除了要考虑余量外，还要加上一个收缩率，既乘以1.015。

1.2 工艺分析

油箱盖为饼类零件，外形复杂，为大批量生产，故采用锤上模锻加工方法。锤上模锻时，锤头打击速度快，生产效率高，生产操作方便，劳动强度比自由锻小，精度也比自由锻高。由于模锻锤的导向精度不高，锤头行程不固定，模锻件的尺寸精度不高，但已能满足该零件的精度要求，所以应选用锤上模锻进行加工。

零件所用材料为45钢，正火处理效果较好，由于工件结构并不复杂，所以终锻前只需加一道镦粗工序既可。镦粗台和终锻型槽设置在一套模具上较为合理，成形过程就是先选用一定尺寸的棒料进行镦粗，然后用镦粗后的毛坯放在终锻型槽内进行锻打成形，终锻完成后将热锻件放在切边模上，利用锻件的余热在热态下进行切边，切边时将零件反置，这样更为方便易行，由于油箱盖是密封用的，有底部薄壁，所以切边时不需冲孔[3]。

由以上分析可以确定该工件的加工工序为:镦粗，终锻，切边。其中切边是在热态下进行，热态下进行可减小压力机吨位，减少能量消耗，避免冷切时的冷却过程，所以也就减少了生产时间提高了生产率。

2 工艺参数的确定

2.1 毛坯体积计算与尺寸确定

该零件属于圆饼类锻件，在终锻时的变形是属于体积变形，一般用镦粗制坯。毛坯计算以镦粗变形为依据计算：

毛坯体积：

锻坯）（V V k 1+= （1）

毛坯直径：

3

m

k 113.1锻’坯）（V D += （2） 式中，V 锻—锻件的体积，mm 3

；

k —宽裕系数，考虑的是锻件复杂程度影响飞边体积。

圆形锻件k =(0.12-0.25),非圆形锻件k =(0.12-0.35)；

m —毛坯高度与直径之比值，一般为1.8-2.2。

计算出D ’坯或A ’坯后，按国家标准规格选用。如所选毛坯的直径为D 坯

或边长为A 坯，按下式确定其长度：

2/27.1坯坯坯D V L = 或2/坯坯坯A V L = （3） 172429=V mm 3 ，17242925.01⨯+=

）（坯V （k 取为0.25）25.2155536=mm 3 把坯V 代入公式（2）可得毛坯直径：3

225.21553613.1⨯=’坯D = 54 mm 按照规格可知，可选择D 坯=55mm

毛坯长度，代入公式（3）可得：2

5525.21553627.1⨯=

坯L = 91 mm 所以选取毛坯规格为：φ55⨯91mm 。

2.2 锻锤吨位的确定

终锻成形时所需的最大打击能量较为复杂，在生产实践中，决定设备吨位可按经验公式计算[4]。σ=60MPa ；D =16.56cm ，代入圆饼类锻件的经验公式： σD D D

D G )001.075.021.1005.0-1220+⨯+

⨯=（）（）（ （4） 代入数值计算可得：13000=G kg 式中，D —锻件外径，cm

σ—终锻时材料的变形抗力，MPa

但本次设计的零件为非圆形锻件，因此应按公式（5）计算G ： )1.01(0B L G G += )184

1171.01(1300+⨯= =1404 kg （5）

式中，L—锻件水平投影面上的最大长度，cm

B—平均宽度，B=A/L，cm

A—锻件投影面积，cm2

故应选择2吨模锻锤。

2.3 飞边槽的确定

经分析选用图2所示的飞边槽形式，

飞边槽最主要的尺寸是桥部高度尺寸h飞

及宽度b。h飞增大，金属的流动阻力减小，

反之阻力增大；b增加时阻力增大[5]。

图2 飞边槽尺寸

2.4 其他参数的确定

通常，锻造温度越高，金属材料的塑性越好，变形抗力越低。45钢的锻造温度区间为800-1200°C。由于提高锻造温度可提高金属材料的塑性和降低变形抗力，因此提高温度亦可改善充填性能。考虑到一般钢的过热可以通过热处理消除，而过烧则是无法挽回的缺陷，因此，始锻温度要受到过烧的限制，通常要低于熔点150-250°C；而终锻温度则应保证锻造时金属有较好的塑性和锻后有良好的组织[6]。所以本次设计选定锻造温度为1000°C。

设备的工作速度是指锤头和滑块的运动速度。由于该工件在生产中所选用的设备为模锻锤，所以其工作速度为6~8米/秒。

3 模具结构的确定

3.1 锻模结构确定

5CrNiMo钢具有很好的强度、耐磨性、韧性和良好的淬透性，同时5CrNiMo钢有很好的综合力学性能，加热至500°C仍能保持高的强度极限和屈服强度，有很高的淬透性，因此选用5CrNiMo作为锻模材料。

由于锻件形状、模膛排列、操作技术等因素的影响，模锻时，上下锻模常常会产生错移。锻模错移将造成锻件错差，降低锻件精度、加速锻锤导轨磨损并导致锤杆过早折断。为此，需要在锻模上设置锁扣以平衡模锻时的错移力。为平衡错移力，设置了图3所示的圆形锁扣[7]。

Ø250+0.10(上模)

3

55

5°

Ø2500-0.1(下模)

图3 圆形锁扣

3.2 切边结构的确定

切边结构如图4所示，切边压力机吨位为250吨，开启高度为590mm，封闭高度为400mm，空行程为110mm，有效行程为80mm。其工作过程为：在冲切过程中冲头在压力机的带动下向下运动，冲头完成冲切任务；冲切完成后冲头和U形板在压力机带动下向上运动，冲头离开凹模，而U形板和与其连接成一体的横板、顶件器一起向上运动把工件顶出。