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：3mk 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：3225.21553613.1⨯=’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：25525.21553627.1⨯=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 DD 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，cmσ—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 += )1841171.01(1300+⨯= =1404 kg （5）式中，L—锻件水平投影面上的最大长度，cmB—平均宽度，B=A/L，cmA—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)3555°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。
12345678910111213141516171819图4 切边模装配图1-底座，2-螺钉，3-顶出器，4-模板，5-凹模，6-U形板，7-双头螺柱，8-冲头，9-斜楔，10-冲头夹，11、12-螺钉，13-条板，14、15-螺母，16-压板，17、18-螺钉，19-横板4 数值模拟分析用Deform模拟时，上模运动速度为6000mm/s，下模导入后，其材料和温度与上模相同，但不选其为主动模具，并且不设定运动方向和速度；设定每步位移量为0.2mm，每5步保存一次，设定接触条件时，热成形系数为0.3，热交换系数为5[8-9]。
模拟结果如图5所示：由图5(a)可知，模拟成形结果的损伤在正常的范围内，所以可以进行成形，但在实际生产中应对损伤部位较大的部位进行相应的工艺处理，如加润滑剂进行润滑，进行相适应的热处理。
图5(b)中显示的是应变分布，应变量合理,从模拟结果可看出，在油箱盖的中部薄壁处、底部圆角处及飞边处应变量较大，这和实际生产中的坯料流动规律是相符合的[10]。
(a) 损伤分布图（b）应变分布图(c) 应力分布图(d) 温度分布图图5 数值模拟结果图5(c)为应力分布，较大的应力出现在较小圆角处，这和实际生产中所遇到的情况是一致的，说明这里有应力集中的情况，但在模拟结果显示应力集中不是太大，可保证成形而不损坏工件，在生产中如应力太大而引起裂口出现，则需加大模具相应部分的圆角尺寸，这样可减小缺陷、减小最大应力。
图5(d)是锻件的温度分布，预先设定的锻造温度为1000°C，但锻件在成形过程中温度有所升高，这与锻件内部的能量转化有关，符合实际生产中的情况。
5 结论本文通过对发动机油箱盖进行各方面的成形性分析，确定了最终的工艺方案为：镦粗，终锻，切边。
设计出了合理的模具结构，并且运用Solidworks和Deform软件对油箱盖进行了建模和数值模拟，通过传统设计和数值模拟的结合，提出了符合要求的工艺方案。
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