金屬手機(jī)殼的沖壓工藝數(shù)值模擬仿真

方秀梅，牛 堅(jiān)，馬卓楊，高 希

(四川大學(xué)錦城學(xué)院，四川 成都 611731)

沖壓成形是指靠壓力機(jī)和模具對(duì)板材、帶材等施加外力，使之產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得所需形狀、尺寸、性能的工件的加工成形方法[1]。隨著CAD/CAE應(yīng)用的發(fā)展，塑性成形理論和有限元理論越來越完善，將數(shù)值模擬仿真和金屬?zèng)_壓技術(shù)相結(jié)合已成為大趨勢(shì)，通過CAE分析可以看到模具設(shè)計(jì)以及沖壓工藝設(shè)計(jì)的不合理性，及時(shí)改良優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的沖壓工藝主要應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域，沖壓坯料主要是鋁合金、鎂合金的金屬板材。近年來智能手機(jī)的快速發(fā)展，鋁合金手機(jī)殼的沖壓成形成為一個(gè)熱點(diǎn)。傅壘等人建立鋁合金熱沖壓成形的有限元模型，研究坯料初始溫度、沖壓速度、壓邊力及摩擦因數(shù)對(duì)板料成形質(zhì)量的影響，通過鋁合金熱沖壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有限元模擬的可靠性[2]。李倩林等人采用Abaqu軟件對(duì)AZ31鎂合金手機(jī)殼拉深過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)比分析得到了最優(yōu)的變形溫度、壓邊間隙、摩擦系數(shù)，優(yōu)化了沖壓模具和工藝設(shè)計(jì)參數(shù)[3]。為此，本文以7075系鋁合金沖壓成形為研究對(duì)象，運(yùn)用Deform-3D軟件建立了金屬手機(jī)殼盒型件沖壓加工有限元模型。

1 有限元模型的建立

材料選用7075鋁合金，彈性模量為71.7GPa，泊松比為0.33，抗拉強(qiáng)度524MPa，屈服強(qiáng)度455MPa。坯料為板材，厚度1mm。

該工件從外形上看與淺盒形件比較相似（如圖1所示），為了保證工件質(zhì)量，提高工作效率，采取落料拉深復(fù)合模之后單工序沖孔。

采用有限元軟件Deform-3D進(jìn)行有限元建模并導(dǎo)入7075鋁合金材料各項(xiàng)參數(shù)，環(huán)境溫度20℃，接觸剪切摩擦系數(shù)0.4。定義坯料為剛塑性變形體，并采用四面體實(shí)體單元剖分坯料網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)80000；定義各模具為剛體，無需劃分網(wǎng)格?；阡X合金手機(jī)殼拉深的特點(diǎn)，使用動(dòng)態(tài)顯示算法，建立拉深有限元模型如圖2（a）所示，在拉深的基礎(chǔ)上繼續(xù)沖孔工序如圖2（b），將沖孔附近再次動(dòng)態(tài)劃分網(wǎng)格，局部細(xì)化，采用Cockcroft&Latham韌性斷裂準(zhǔn)則，取斷裂閾值C為0.51。

圖2 沖壓有限元簡化模型

2 拉深模擬結(jié)果分析

2.1 拉深過程應(yīng)力應(yīng)變分析

如圖3（a）所示，開始拉深時(shí)坯料豎直部分已經(jīng)形成直壁，基本不再發(fā)生變形，是已變形區(qū)，因此在繼續(xù)拉深時(shí)，直壁部分會(huì)承受徑向拉應(yīng)力，將凸模作用的拉深力傳遞到未變形區(qū)，在間隙合適時(shí)厚度方向?qū)⒉皇軕?yīng)力作用[4]。

凸模圓角是盒型件直壁與底部的過度變形區(qū)，承受徑向拉應(yīng)力和切向拉應(yīng)力的共同作用，由于凸模的壓力和彎曲作用，厚度方向存在壓應(yīng)力。直壁段與凸模圓角相切的部位容易形成拉深危險(xiǎn)區(qū)，導(dǎo)致拉裂，如圖3（c-d）圓角部分色標(biāo)更深，應(yīng)力應(yīng)變較大。

盒型件底部直接接受凸模施加的拉深力，并將其傳遞給直壁，因此屬于傳力區(qū)并受雙向平面拉深作用，產(chǎn)生兩個(gè)拉應(yīng)力[5]，但由于摩擦力的制約，其雙向拉應(yīng)力較小，材料一般不會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài)，僅發(fā)生彈性變形，板料的變薄甚微，如圖3（d）所示底部無應(yīng)力色標(biāo)，模擬數(shù)據(jù)走向基本和實(shí)際拉深過程一致，說明了模擬的可靠性。

圖3 拉深過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)

2.2 拉深過程應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

在手機(jī)殼盒型件的拉深變形過程中，由于加工硬化的作用，應(yīng)力應(yīng)變曲線整體呈上升的趨勢(shì)。圖4（a）和圖4（b）分別為1mm/s、10mm/s加載速率下拉深成形的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。

變形速度的增加，相應(yīng)的所需要的作用力也會(huì)增加，晶粒層面位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)也會(huì)增加，流動(dòng)應(yīng)力必然會(huì)提高[6]；此外，由于變形速度增加，材料的軟化過程來不及完成，流動(dòng)應(yīng)力也會(huì)增加。

圖4 不同加載速率的應(yīng)力應(yīng)變曲線

上模的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)工件成形過程中影響很大。通過對(duì)比分析兩種加載速度發(fā)現(xiàn)，上模速度越大，其承受載荷越大，坯料變形過程中的損傷越大。

工件在受拉深力時(shí)，發(fā)生了加工硬化，使得工件的強(qiáng)度增加，塑性下降。若使工件的塑性不受影響，那么需要降低上模運(yùn)動(dòng)速度[7]。

2.3 拉深過程缺陷分析

引起起皺的主要原因有拉深變形程度、材料力學(xué)性能等等多種因素，防止起皺最簡單的方法是設(shè)置壓邊圈，并施加合適的壓邊力，加強(qiáng)材料的穩(wěn)定性。

本文采用的淺拉深，并添加了壓邊圈，依然存在起皺現(xiàn)象，模擬結(jié)果表明：凸模的加載速度也會(huì)對(duì)起皺的也會(huì)產(chǎn)生有較大影響。

如圖5（a）和圖5（b）分別為1mm/s和10mm/s加載速度下的模擬的拉深件結(jié)果。結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變分析，加載速度的提高雖利于材料的強(qiáng)度的改善，但會(huì)以形成起皺為代價(jià)，表面光亮程度降低。

圖5 不同加載速率拉深件起皺

3 沖孔模擬結(jié)果分析

3.1 沖孔過程分析

沖孔過程是在瞬間完成的，但大致可分為彈性變形、塑性變形和斷裂分離三個(gè)階段。凸模剛開始接觸板料并往下壓是為彈性變形階段，如圖6所示，凸模與凹模刃口周圍的板料產(chǎn)生應(yīng)力集中，使板料產(chǎn)生彈性壓縮、彎曲、拉深等變形，并被略微壓入凹模洞口。

隨著凹模的繼續(xù)下行，材料內(nèi)部應(yīng)力不斷增大，直至材料的強(qiáng)度極限。

圖6 沖孔過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線

當(dāng)凹模繼續(xù)壓入，與凹模和凸模接觸處的板料應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)。凸模切入板料，凹模洞口也有板料擠入。隨凸模的不斷壓入，應(yīng)力不斷增大，變形區(qū)的應(yīng)力達(dá)到材料的抗剪強(qiáng)度，同時(shí)材料的硬化加劇，沖孔變形力至此達(dá)到最大。

3.2 沖孔缺陷分析

沖孔過程中刃口側(cè)面材料產(chǎn)生微裂紋造成毛刺，而后材料的撕裂、分離又使毛刺進(jìn)一步被拉長形成永久毛刺并殘存在工件上。毛刺的存在嚴(yán)重影響工件斷面質(zhì)量，成為沖孔過程中的主要缺陷。毛刺產(chǎn)生的主要原因是凹凸模間隙值及均勻程度的不適宜。間隙過大，毛刺會(huì)被明顯的拉長產(chǎn)生粗大的毛刺；間隙值過小，會(huì)產(chǎn)生尖銳的擠出毛刺；若間隙分布不均勻會(huì)導(dǎo)致局部的間隙過大或過小，進(jìn)而改變毛刺的形狀和大小。

采用0.06mm間隙的凹凸模模擬結(jié)果如圖7，間隙過大引起沖孔后出現(xiàn)明顯毛刺，改用0.03mm凹凸模間隙后，毛刺缺陷得到顯著改善。

圖7 不同凸凹模間隙沖孔產(chǎn)生的毛刺

4 結(jié)論

本文通過Deform-3D完整的模擬了7075鋁合金沖壓成形加工金屬手機(jī)殼盒形件的拉深和沖孔過程，驗(yàn)證了模擬成形過程的可靠性，得到以下結(jié)論：

（1）拉深過程中手機(jī)殼直臂部分變形量與凸模圓角部分相比要少，凸模圓角部分是變形危險(xiǎn)區(qū)，容易形成拉裂缺陷。底部僅發(fā)生彈性變形，變薄甚微。

（2）拉深過程中盒形件直臂部分可能會(huì)因各種原因出現(xiàn)起皺的缺陷，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，為防止起皺缺陷的產(chǎn)生，設(shè)置壓邊圈的同時(shí)應(yīng)選取合適的加載速度。模擬結(jié)果表明加載速度為1mm/s時(shí)，起皺現(xiàn)象明顯得到改善。

（3）沖孔過程中產(chǎn)生的主要缺陷是毛刺過大，采用合適的凹凸模間隙（0.03mm）可有效少毛刺的產(chǎn)生。