凸包形状对服务器机箱刚度的影响及凸包成形优化研究

2018-10-10陈方园侍书成龚骁敏

机械制造 2018年7期

□ 李奇 □ 陈方园 □ 侍书成 □ 龚骁敏

中国电子科技集团公司第五十二研究所杭州 310012

1 研究背景

凸包是钣金成形中的一种常用加工工艺。在钣金件中，凸包可以起到提高结构件强度、整体稳定性、导电性及补偿间隙等作用，合理运用凸包可以提高整个钣金件的质量。如何选择凸包形状，并设计出结构参数合理的凸包，对机箱的设计和加工具有重要意义［1］。

常用的凸包形状有椭圆形、矩形、阶梯形、多边形等，选择凸包形状，主要取决于产品形状尺寸、凸包功能需求、加工难易程度等因素［2］。凸包成形质量既取决于凸包的深度、斜度、圆角半径，以及凸包与周围特征的距离等结构参数，又受到压边力、冲压速度和润滑条件等工艺参数的影响。传统的结构设计中，主要依靠长期生产过程中积累的经验进行结构参数的确定，而并没有对这些因素如何影响成形质量进行深入探究，这增加了后期模具开发的成本，不利于加工生产［3-5］。

笔者选取图1所示某服务器机箱U形座的硬盘模组处凸包作为研究对象，应用Creo软件对椭圆形、矩形和阶梯形凸包机箱进行静力分析，选出能够最大提高机箱刚度的凸包形状，然后基于Dynaform软件进行成形模拟，选取凸包的深度、斜度和圆角半径三个因素，设计正交试验，研究不同结构参数对凸包成形质量的影响规律，并优化结构参数。

2 材料性能参数

所选用机箱U形座的材料是镀锌钢板，在进行模拟之前，通过进行室温单向拉伸试验来获取材料机械性能参数，见表1。拉伸试样尺寸根据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温拉伸试验方法》，试样厚度为1 mm，试样标距为50 mm，平行段长度为70 mm，试样总长为170 mm。分别沿 0°、45°和90°方向切出三个试样，在万能材料试验机上进行室温拉伸试验。对试验数据进行处理，得到镀锌钢板在室温下三个方向的应力应变曲线，如图2所示。将这些参数设置入Creo软件，建立材料模型。

▲图1 服务器机箱U形座

表1 镀锌钢板机械性能参数

▲图2 镀锌钢板应力应变关系曲线

3 凸包形状对机箱刚度的影响

3.1 凸包模型

对于服务器机箱而言，机箱底座承载质量主要分为两部分：①机箱前端主要承受硬盘支架模组的质量，占机箱内部总质量的60%，面积占机箱底面的30%；②机箱中后端承受主板及支架部分的质量，占机箱内部总质量的40%，面积占机箱底面的70%。在机箱设计过程中考虑硬盘处机箱的刚度，需要对凸包进行加强设计。

设计如图3所示椭圆形、矩形、阶梯形三种常用凸包，由于机箱整体高度的要求，硬盘底部与机箱之间最大间隙为3.3 mm，凸包高度h设计为3 mm。根据钣金加工实用手册中的凸包形状尺寸要求［6］，凸包最大宽度D≥3h，凸包宽度D取12 mm。凸包长度应小于机箱宽度（437.8 mm），同时为了避让硬盘支架，最终选择为393 mm。凸包具体结构尺寸如下：椭圆形总长为393 mm，长轴为12 mm，短轴为6 mm；矩形总长为393 mm，宽为12 mm，高为3 mm；阶梯形总长为393 mm，宽为12 mm，高为3 mm，台阶高度为1 mm。三个凸包斜度为5°，圆角半径为1 mm。

对建好的三个模型划分网格、施加载荷和设置边界约束。服务器总质量约为25 kg，简化模型，将载荷均匀施加在机箱底座，其中硬盘支架模组处施加载荷为1 800 Pa，机箱主板处施加载荷为520 Pa。机箱由两侧导轨悬挂在机柜上，可认为约束施加在机箱两个侧面，如图4所示。

3.2 模拟结果

对设置好的模型进行静态分析，图5所示为不同凸包结构机箱的静态模拟结果。由图5可以看出，三种凸包结构的机箱在施加静态载荷后，变形都集中在硬盘支架模组部位。图6所示为不同凸包形状机箱的最大变形量，分别为3.02 mm、2.42 mm、2.13 mm。结果表明，阶梯形凸包能够更好地提高机箱刚度，减小变形量。阶梯形凸包机箱最大应力为237.8 MPa，主要集中在凸包中间的圆角处和U形座的两个圆角连接处。镀锌钢板的屈服强度为312 MPa，安全因数取1.2，该材料的许用应力为260 MPa，最大应力小于许用应力，说明使用镀锌钢板完全能够保证机箱强度安全。

4 阶梯形凸包成形模拟与优化

4.1 凸包模型

由静态分析结果可知，阶梯形凸包能够提高机箱刚度。在此基础上，为进一步优化阶梯形凸包的结构参数，将建好的模型保存为.IGES文件后导入Dynaform软件进行网格划分和模型修补。划分后的网格模型如图7所示，图7中从上往下依次为凸模、压边圈、板材和凹模。

网格划分后，对模型进行参数设置，重点对结构参数进行优化，其它工艺参数保持不变。摩擦因数为0.125，冲压速度为2 000 m/s，压边力F为：

式中：A为压边圈面积，A=31 260 mm2；q为单位压边力，取 q=3 MPa。

求得压边力F为93.78 kN。

4.2 目标函数

在凸包成形过程中，由于凸包为窄长阶梯形，并且内部有台阶面，容易造成材料在圆角部位流动过快，会导致减薄率过大，产生破裂缺陷。同时，凸包周围部分过长，容易失稳，造成材料局部堆积增厚，产生起皱缺陷。为了综合评价不同结构参数对凸包成形质量的影响，同时为避免产生上述缺陷，需要建立合适的成形质量评价标准［7］。

▲图3 凸包三维模型

▲图4 约束定义

▲图5 模拟结果

▲图6 机箱最大变形量变化图

▲图7 凸包网格模型

由于破裂与起皱等缺陷产生的直接原因都是变形后板材局部厚度的变化，通过测出板材各处厚度的变化情况可以间接反映成形质量，因此采用两个指标来评价成形质量：①成形后凸包的最大减薄率要求不高于25%，否则认为破裂；② 建立式（2）所示的函数来评价成形厚度分布程度［8］。

式中：t0为各单元初始厚度；ti为各单元成形末期厚度；W1为减薄加权因子；W2为增厚加权因子；p为指数。

对于机箱U形座凸包而言，起皱和破裂都是必须要避免的缺陷，因此W1和W2都取0.5，p取2。目标函数值越小，表明成形质量越好。

4.3 正交试验

在实际生产过程中，对阶梯形凸包成形质量的影响因素较多，如台阶高度、凸包斜度、凸包圆角半径，以及凸包与周围特征的距离等结构参数，还包括压边力、冲压速度和润滑条件等工艺参数。为了在设计阶段研究出合理的凸包结构，确定模块化的凸包结构参数，从而减小后期模具开发调试工艺制订的难度，降低生产成本，重点研究台阶高度、凸包斜度和凸包圆角半径三个结构参数对凸包成形质量的影响，并以这三个参数为试验因素设计正交试验［9］，探究这三个因素对制件成形质量的影响程度，得到最优的结构参数组合。

如图8所示，通常凸包圆角半径r的大小与材料厚度t有关，一般在（0.5～3）t之间。圆角半径过小，会导致法兰部位材料流入凹模困难，使圆角处材料减薄，严重产生破裂缺陷。圆角半径过大，容易导致法兰起皱［10］。针对厚度为1 mm的机箱底座，圆角半径取0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm三个值来进行分析。对于台阶高度h而言，凸包本身最大高度为3 mm，所以h＜3 mm。如果台阶高度过小，凸包两个台阶之间的梯度就会过大，不利于材料流动，容易产生破裂。如果台阶高度过大，凸包两个台阶面之间的梯度就会过小，整体凸包接近矩形凸包，加强效果会减弱，所以台阶高度取1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm三个值来进行分析。为了在成形后取件方便，并且提高成形质量，凸包斜度α取5°、10°和15°三个值来进行分析。在不考虑所选取三个因素之间相互作用的前提下，选用3因素3水平的正交表来进行试验，共9组试验方案，见表2。

▲图8 凸包结构参数示意图

表2 正交试验表

在Dynaform软件中根据正交试验表设置的参数进行数值模拟，对模拟后的结果进行后处理，计算出每组的目标函数值和最大减薄率。

依据目标函数值，计算出每个试验因素对应的K值和极差R，见表3。

表3 正交试验模拟结果

4.4 模拟结果

由模拟试验结果可以得到第1组结构参数下的凸包在两端圆角处会产生破裂缺陷，主要是因为结构不合理导致圆角处材料流入困难，说明第1组的结构参数不合理。第5组结构参数下的凸包成形整个单元都在成形极限曲线之下，并没有破裂缺陷产生，成形质量相对较好。

由表3正交试验结果整理分析，绘制出如图9所示最大减薄率随各因素变化趋势图。在正交试验水平范围内，凸包最大减薄率随圆角半径和台阶高度的增大而降低，但并不是线性变化，这是因为圆角半径和台阶高度的增大，导致法兰处材料容易流入凹模型腔，从而降低材料的最大减薄率。凸包斜度的增大导致最大减薄率呈现先减后增的趋势，而不是单调关系。所以从单因素角度考虑，圆角半径为1.5 mm、凸包斜度为10°、台阶高度为2.0 mm时材料的最大减薄率最小。

对正交试验模拟结果进行极差分析可知，台阶高度的极差值最大，凸包斜度的极差值最小，说明各因素对阶梯形凸包最大减薄率及厚度均匀性的影响从大到小依次为台阶高度、圆角半径、凸包斜度。所以从厚度分布均匀性的角度考虑，表3中第5组模拟结果的目标函数值最小，为 3.169，其结构参数组合为圆角半径 1.0 mm、凸包斜度 10°、台阶高度2.0 mm。与前述最大减薄率的参数组合相比，1.0mm与1.5 mm圆角半径下的最大减薄率相差较小，并且都没有破裂缺陷出现。综合考虑最大减薄率和厚度均匀性对成形质量的影响，在阶梯形凸包不产生破裂的前提下，厚度分布应尽量均匀，可以认为在第5组结构参数组合下，阶梯形凸包的厚度分布最均匀，成形质量最好。再对第5组结构参数的凸包在Creo软件中进行静态分析，得到机箱的最大变形量为2.02 mm，说明优化后的凸包结构进一步提高了机箱的刚度。综上所述，从结构优化和静力分析的角度，可以认为最优结构参数组合为第5组，即圆角半径为1.0 mm，凸包斜度为10°，台阶高度为2.0 mm。