屏蔽盒等温塑性成形工艺仿真研究

王 刚，陆 敏

(1.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 210003;2.海军指挥学院浦口分院，南京 211800)

0 引言

由于电磁屏蔽需要，屏蔽盒被广泛地应用于雷达结构中，其种类多数量大，一般都是采用机械加工方式制造。但是，随着雷达指标中标准化和模块化要求的不断提高，雷达生产商开始大量使用标准屏蔽盒，与此同时也暴露出大批量机械加工生产屏蔽盒的弊端，其材料利用率和生产效率极低，生产成本高，强度差，所以需要对现有生产工艺进行改进。本文提出的改进思想如图1所示。首先将针对标准屏蔽盒毛坯制造工艺进行研究，后续隔板及元器件的装配方法有待后期进一步研究［1-2］。

图1 屏蔽盒生产流程

塑性成形工艺是利用金属在外力作用下的塑性变形能力来获得所需形状的加工方法。经过塑性变形的金属，金相组织得到改善，强度增加;并且，相比于切除体积，采用体积转移的方法，其材料利用率高，金属流线分布合理，模具的使用易于实现自动化生产，生产效率大为提高。等温精密塑性成形是专门针对铝合金、镁合金等难变形金属而发展起来的先进成形工艺。因此，本文通过数值模拟的方法来研究屏蔽盒的等温精密塑性成形工艺［3-5］。

1 工艺分析

标准屏蔽盒如图2所示，其外形尺寸为280 mm×262 mm×43 mm。此零件侧边形状较复杂，需要对其进行简化并增加机加工余量。简化后屏蔽盒毛坯图如图3所示。

图2 标准屏蔽盒

图3 屏蔽盒毛坯图

结合锻件形状，拟定工艺路线为:采用板材一次等温闭式挤压出盒体形状后通过冲裁模冲掉盒体内腔的连皮。毛坯材料为6063 退火态铝合金，尺寸略小于盒体外形，挤压温度为400 ℃，通过较小变形速率及恒定温度来改善金属的流动性。

2 有限元模型建立

图4 有限元模型

Deform 是专门用于大塑性变形三维有限元仿真的专业软件，采用四面体单元可用于不可压缩材料的大剪切变形。本文用deform 建立的有限元模型如图4所示。由于锻件形状的对称性，为了提高模拟速率，本文只模拟二分之一模型。材料选择AL-6063，模具设为刚性体，坯料设为塑性体，建立刚粘塑性有限元模型。温度选择400 ℃。由于是等温成形，不设置热传递，坯料温度恒定。选用剪切摩擦类型，摩擦系数为0.4，上模下行速度为0.1 mm/s。

3 有限元模拟结果分析

3.1 成形过程分析

图5 是挤压过程中不同阶段的等效应变云图。从图中可以看出，在上模作用下，坯料侧边发生正反复合挤压，同时充填上模和下模型腔。但是，由于最小阻力定律，坯料在宽度方向上流动阻力小于沿长度方向的阻力，且宽度方向上流动阻力沿长度方向逐步增大，因此四周侧壁中间金属拔高快，而角落部分的坯料流动缓慢，加之此处型腔大且复杂，金属充填困难，只能在其他型腔都充满后强迫金属充填角隅部位，造成最后阶段成形载荷急剧增大。在实际设计模具时，此处应该设置分流型腔以促进金属的流动。

图5 挤压各阶段等效应变云图

从整个变形过程可以看出，金属的变形总体比较均匀，金属流向平稳，没有产生金属汇流而发生折叠的现象。从图6的最大主应力云图中可见，中心金属处于三向压应力状态，不会产生成形缺陷，而侧面金属虽在成形过程中出现拉应力，但其数值远远小于材料的极限强度，不至于使得此处的金属发生拉裂。因此，可以说此种工艺适合于加工此类屏蔽盒。

图6 最大主应力分布云图

3.2 成形载荷分析

图7 是上模的载荷-行程曲线。初始阶段，由于坯料与模具型腔未充分接触，锻件变形自由，所以载荷较小且平稳增加。在成形的后期，模具型腔只有角隅部位没有充填，此时锻件自由面比例很小，虽然压力很大，但是各个方向的应力差值很小，等效应力很小，所以很难发生屈服变形，导致成形载荷急剧上升。载荷最大值为1200 t，整个零件成形载荷为1200×2=2400(t），近似计算可知作用在模具上的压强为318 Mpa，采用普通的H13 热作模具钢即可满足要求。

图7 上模载荷-行程曲线

3.3 经济效益分析

采用等温精密塑性成形工艺生产屏蔽盒毛坯，相比于机加工，坯料厚度由50 mm 降到22 mm，材料利用率提高了一倍;此外，得到的屏蔽盒毛坯只需要对侧壁进行机加工，生产工时减少约50%，使得生产成本得到降低，但增加了模具和压力设备的费用，只有当批量达到一定程度时才能产生正效益。

4 展 望

采用此种工艺生产屏蔽盒有一定优势，但是后期隔板和元器件的安装有待进一步研究。目前，拟采用将元器件固定在独立隔板上，再将隔板用螺纹连接固定在屏蔽盒侧壁的台阶上。由于资料和时间有限，后期可以针对现有元器件的安装方式进行归纳分析后进行分类，以设计不同隔板类型来满足元器件的安装需要。

5 结束语

本文通过deform 有限元仿真软件对标准屏蔽盒的等温精密挤压工艺进行研究，得出以下结论:

(1）为现有屏蔽盒生产和装配提供了新的思路，以提高生产效益，并提高产品标准化和模块化的水平。

(2）通过有限元模拟证实等温精密塑性成形工艺可以运用于此类屏蔽盒的生产，金属变形均匀，流线分布合理，成形载荷适中，模具成本不高。

(3）模拟结果为模具设计和优化及成形设备的选用提供了可靠的依据。

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