1  引言

目前汽车覆盖件模具市场竞争日益激烈，各大模具厂成本压力日益增加。其中，模具的材料成本是模具全周期成本的重要组成部分，模具的轻量化设计理念应运而生，即如何进行模具的结构设计既能满足结构的强度要求，又能够节省材料成本。但目前结构设计完全是在经验标准下进行，实际设计过程中对结构设计的优劣缺少理论数据的支撑。因此，通过结构强度分析对模具结构的轻量化设计提供理论依据显得尤为必要。

2  问题分析

压料器是汽车覆盖件后续模具的必要组成部分，如图1所示。工作侧销是压料器工作过程中回程限位的常用结构形式，安全侧销是工作侧销失效情况下保证模具安全的常用限位方式。由于结构设计空间及设备加工能力的限制，压料器对应侧销部位的结构经常出现图2所示蝶型压料器的结构形式。结构设计过程中，蝶型压料器的结构强度往往通过经验确定，结构的轻量化设计缺乏结构强度理论分析数据的支持。

3  研究方法

压料器侧销对应部位的结构组成分为工作侧销对应的结构和安全侧销对应的结构。工作侧销对应结构的作用主要是开模过程中提起压料器和开模到位后对压料器整体的限位作用。安全侧销对应的结构的作用主要是在工作侧销失效的情况下保证模具及设备的安全。因此，对压料器侧销部位对应的结构强度分析分为工作侧销部位结构分析和安全侧销部位结构分别进行分析。

3.1  工作侧销部位结构分析

工作侧销在模具工作工程中起两个作用：①冲压工作完成后模具开模使压料器回程；②模具开模后对压料器的限位。作用①工作过程中压料器对应侧销部位由于运动状态的变化承受侧销的冲击；作用②中压料器对应侧销部位受自身重力作用下侧销的限位反力。以某翼子板OP30模具压料器为例，分别建立压料器在回程及开模后静态保持状态下的分析模型如图3、图4所示，其中，假设压料器为弹性体[1~5]、侧销为刚体，材料性能如表1所示。

3.2  结果分析

压料器回程过程侧销部位Mise应力分布如图5所示，同时按照图6取样方式对取样点Mise应力情况进行分析，如图7所示。可见，压料器回程过程中由静止到运动状态改变期间，压料器侧销部位主要受到工作侧销的冲击作用，且在压料器由静止到运动的过程中，冲击应力峰值主要集中在侧销与压料器接触的周边区域，呈现以压料器与工作侧销接触点向周边扩散的特点。因此，在结构设计时要优先保证压料器侧销部位的结构强度，且在模具生产过程中不能对压料器侧销中上部位进行补焊处理（如果进行了补焊处理，在生产过程中会出现由于侧销的冲击，造成补焊区域的开裂或脱落等后果）。同时，压料器加强筋的受力呈现（见图8）：同侧工作侧销之间内侧的与压料器主筋连接的筋（1、5、6、7）的应力值大于工作侧销外侧其余与主筋连接的筋（2、3、4、8、9）的应力值。

开模后静态保持阶段分析结果如图9所示，压料器的重量主要通过筋2、3、4、5、6、7传达到侧销。同时，应力值远远小于材料的许用应力。

在压料器回程过程及到位状态，四个工作侧销部位所受作用力各不相同。为计算侧销部位的理论受力，假设在压料器回程过程中压料器与模座导板接触力为零，物理简化模型如图10所示。定义以下物理量：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、压料器重量m、重力加速度g、压料器加速度a。

根据牛顿第二定律及力矩平衡得出如下关于W、X、Y、Z的方程组，其中a=0m/s2对应压料器匀速运动及静止状态，a≠0m/s2对应压料器非匀速运动状态：

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为例，其中m=950.95kg，g=9.8m/s2，其余参数为模型测量值，则对应的压料器侧销部位的约束反力分别为：F1≈4,338.51N、F2≈1,371.69N、F3≈3,149.87N、F4=459.24N；a=10m/s2对应的压料器侧销部位的约束反力分别为：F1≈8,765.56N、F2≈2,711.38N、F3≈6,364.01N、F4=927.86N。可见，压料器各个侧销的受力情况不尽相同，侧销部位的受力情况与其在系统中的位置直接相关。同时，由于W、X、Y、Z为关于a的一次函数，因此，在压料器的匀速、静止及非匀速的运动过程中，各个侧销部位受力大小的顺序不变。

3.3  安全侧销部位结构分析

安全侧销在工作侧销失效时起到防止压料器掉落的作用。分析假设4个工作侧销同时失效的情况，分析过程分为工作侧销失效后安全侧销对压料器的冲击过程和受到安全侧销限位后的静态保持阶段。冲击过程的Mise应力分析结果如图11所示，同时按照图12取样方式对取样点应力情况进行分析，如图13所示。冲击应力峰值主要集中在压料器安全侧销部位的中上部，筋（见图8所示编号）1、3、5、6、7、8的受力明显大于其余筋的受力。

静态保持阶段分析结果如图14所示，压料器的重量主要通过筋（见图8所示编号）2、3、4、5、6、7传达到侧销。同时，应力值远远小于材料的许用应力。

4  结论

蝶形压料器结构的薄弱环节主要分布在碟形区域与压料器主筋相连接的筋及压料器与侧销相接处的部位。同时，在压料器运动状态改变承受侧销的冲击作用时，结构体现了较低的安全系数，在压料器运动状态恒定时，结构体现出较高的安全系数。由此可见，在模具量产时，压料器经历周期性的载荷冲击，疲劳破坏将成为压料器结构潜在失效的重要原因，因此，下一步应对蝶形压料器的疲劳失效进行研究，进一步为结构设计提供有效的理论支撑。