金屬手機殼的沖壓工藝數值模擬仿真

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應用的發展，塑性成形理論和有限元理論越來越完善，將數值模擬仿真和金屬沖壓技術相結合已成為大趨勢，通過CAE分析可以看到模具設計以及沖壓工藝設計的不合理性，及時改良優化，提高生產效率。傳統的沖壓工藝主要應用于汽車、航空航天等領域，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、壓邊力及摩擦因數對板料成形質量的影響，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值模擬，對比分析得到了最優的變形溫度、壓邊間隙、摩擦系數，優化了沖壓模具和工藝設計參數[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，環境溫度20℃，接觸剪切摩擦系數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格，網格數80000；定義各模具為剛體，無需劃分網格。基于鋁合金手機殼拉深的特點，使用動態顯示算法，建立拉深有限元模型如圖2（a）所示，在拉深的基礎上繼續沖孔工序如圖2（b），將沖孔附近再次動態劃分網格，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形成直壁，基本不再發生變形，是已變形區，因此在繼續拉深時，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，在間隙合適時厚度方向將不受應力作用[4]。

凸模圓角是盒型件直壁與底部的過度變形區，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，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，因此屬于傳力區并受雙向平面拉深作用，產生兩個拉應力[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，僅發生彈性變形，板料的變薄甚微，如圖3（d）所示底部無應力色標，模擬數據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

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現，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置壓邊圈，并施加合適的壓邊力，加強材料的穩定性。

本文采用的淺拉深，并添加了壓邊圈，依然存在起皺現象，模擬結果表明：凸模的加載速度也會對起皺的也會產生有較大影響。

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果。結合應力應變分析，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生應力集中，使板料產生彈性壓縮、彎曲、拉深等變形，并被略微壓入凹模洞口。

隨著凹模的繼續下行，材料內部應力不斷增大，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

沖孔過程中刃口側面材料產生微裂紋造成毛刺，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量，成為沖孔過程中的主要缺陷。毛刺產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生粗大的毛刺；間隙值過小，會產生尖銳的擠出毛刺；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果如圖7，間隙過大引起沖孔后出現明顯毛刺，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生的毛刺

4 結論

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，容易形成拉裂缺陷。底部僅發生彈性變形，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起皺的缺陷，在實際的生產過程中，為防止起皺缺陷的產生，設置壓邊圈的同時應選取合適的加載速度。模擬結果表明加載速度為1mm/s時，起皺現象明顯得到改善。

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