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        金屬手機殼的沖壓工藝數(shù)值模擬仿真

        2018-11-20 08:18:04方秀梅馬卓楊
        世界有色金屬 2018年17期
        關(guān)鍵詞:有限元變形

        方秀梅,牛 堅,馬卓楊,高 希

        (四川大學錦城學院,四川 成都 611731)

        沖壓成形是指靠壓力機和模具對板材、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)值模擬仿真和金屬沖壓技術(shù)相結(jié)合已成為大趨勢,通過CAE分析可以看到模具設(shè)計以及沖壓工藝設(shè)計的不合理性,及時改良優(yōu)化,提高生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的沖壓工藝主要應用于汽車、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。近年來智能手機的快速發(fā)展,鋁合金手機殼的沖壓成形成為一個熱點。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)對板料成形質(zhì)量的影響,通過鋁合金熱沖壓實驗驗證有限元模擬的可靠性[2]。李倩林等人采用Abaqu軟件對AZ31鎂合金手機殼拉深過程進行了數(shù)值模擬,對比分析得到了最優(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)計參數(shù)[3]。為此,本文以7075系鋁合金沖壓成形為研究對象,運用Deform-3D軟件建立了金屬手機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,抗拉強度524MPa,屈服強度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,采取落料拉深復合模之后單工序沖孔。

        采用有限元軟件Deform-3D進行有限元建模并導入7075鋁合金材料各項參數(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。基于鋁合金手機殼拉深的特點,使用動態(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),將沖孔附近再次動態(tài)劃分網(wǎng)格,局部細化,采用Cockcroft&Latham韌性斷裂準則,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 拉深過程應力應變分析

        如圖3(a)所示,開始拉深時坯料豎直部分已經(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,直壁部分會承受徑向拉應力,將凸模作用的拉深力傳遞到未變形區(qū),在間隙合適時厚度方向?qū)⒉皇軕ψ饔肹4]。

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

        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)生兩個拉應力[5],但由于摩擦力的制約,其雙向拉應力較小,材料一般不會進入塑性狀態(tài),僅發(fā)生彈性變形,板料的變薄甚微,如圖3(d)所示底部無應力色標,模擬數(shù)據(jù)走向基本和實際拉深過程一致,說明了模擬的可靠性。

        圖3 拉深過程中的應力應變狀態(tài)

        2.2 拉深過程應力應變曲線分析

        在手機殼盒型件的拉深變形過程中,由于加工硬化的作用,應力應變曲線整體呈上升的趨勢。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力應變曲線圖。

        變形速度的增加,相應的所需要的作用力也會增加,晶粒層面位錯的運動也會增加,流動應力必然會提高[6];此外,由于變形速度增加,材料的軟化過程來不及完成,流動應力也會增加。

        圖4 不同加載速率的應力應變曲線

        上模的運動速度對工件成形過程中影響很大。通過對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,發(fā)生了加工硬化,使得工件的強度增加,塑性下降。若使工件的塑性不受影響,那么需要降低上模運動速度[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對起皺的也會產(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)合應力應變分析,加載速度的提高雖利于材料的強度的改善,但會以形成起皺為代價,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)部應力不斷增大,直至材料的強度極限。

        圖6 沖孔過程中的應力應變曲線

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

        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、分離又使毛刺進一步被拉長形成永久毛刺并殘存在工件上。毛刺的存在嚴重影響工件斷面質(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,毛刺會被明顯的拉長產(chǎn)生粗大的毛刺;間隙值過小,會產(chǎn)生尖銳的擠出毛刺;若間隙分布不均勻會導致局部的間隙過大或過小,進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殼盒形件的拉深和沖孔過程,驗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因各種原因出現(xiàn)起皺的缺陷,在實際的生產(chǎn)過程中,為防止起皺缺陷的產(chǎn)生,設(shè)置壓邊圈的同時應選取合適的加載速度。模擬結(jié)果表明加載速度為1mm/s時,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。

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