金属手机壳的冲压工艺数值模拟仿真

方秀梅，牛 坚，马卓杨，高 希

(四川大学锦城学院，四川 成都 611731)

冲压成形是指靠压力机和模具对板材、带材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得所需形状、尺寸、性能的工件的加工成形方法[1]。随着CAD/CAE应用的发展，塑性成形理论和有限元理论越来越完善，将数值模拟仿真和金属冲压技术相结合已成为大趋势，通过CAE分析可以看到模具设计以及冲压工艺设计的不合理性，及时改良优化，提高生产效率。传统的冲压工艺主要应用于汽车、航空航天等领域，冲压坯料主要是铝合金、镁合金的金属板材。近年来智能手机的快速发展，铝合金手机壳的冲压成形成为一个热点。傅垒等人建立铝合金热冲压成形的有限元模型，研究坯料初始温度、冲压速度、压边力及摩擦因数对板料成形质量的影响，通过铝合金热冲压实验验证有限元模拟的可靠性[2]。李倩林等人采用Abaqu软件对AZ31镁合金手机壳拉深过程进行了数值模拟，对比分析得到了最优的变形温度、压边间隙、摩擦系数，优化了冲压模具和工艺设计参数[3]。为此，本文以7075系铝合金冲压成形为研究对象，运用Deform-3D软件建立了金属手机壳盒型件冲压加工有限元模型。

1 有限元模型的建立

材料选用7075铝合金，弹性模量为71.7GPa，泊松比为0.33，抗拉强度524MPa，屈服强度455MPa。坯料为板材，厚度1mm。

该工件从外形上看与浅盒形件比较相似（如图1所示），为了保证工件质量，提高工作效率，采取落料拉深复合模之后单工序冲孔。

采用有限元软件Deform-3D进行有限元建模并导入7075铝合金材料各项参数，环境温度20℃，接触剪切摩擦系数0.4。定义坯料为刚塑性变形体，并采用四面体实体单元剖分坯料网格，网格数80000；定义各模具为刚体，无需划分网格。基于铝合金手机壳拉深的特点，使用动态显示算法，建立拉深有限元模型如图2（a）所示，在拉深的基础上继续冲孔工序如图2（b），将冲孔附近再次动态划分网格，局部细化，采用Cockcroft&Latham韧性断裂准则，取断裂阈值C为0.51。

图2 冲压有限元简化模型

2 拉深模拟结果分析

2.1 拉深过程应力应变分析

如图3（a）所示，开始拉深时坯料竖直部分已经形成直壁，基本不再发生变形，是已变形区，因此在继续拉深时，直壁部分会承受径向拉应力，将凸模作用的拉深力传递到未变形区，在间隙合适时厚度方向将不受应力作用[4]。

凸模圆角是盒型件直壁与底部的过度变形区，承受径向拉应力和切向拉应力的共同作用，由于凸模的压力和弯曲作用，厚度方向存在压应力。直壁段与凸模圆角相切的部位容易形成拉深危险区，导致拉裂，如图3（c-d）圆角部分色标更深，应力应变较大。

盒型件底部直接接受凸模施加的拉深力，并将其传递给直壁，因此属于传力区并受双向平面拉深作用，产生两个拉应力[5]，但由于摩擦力的制约，其双向拉应力较小，材料一般不会进入塑性状态，仅发生弹性变形，板料的变薄甚微，如图3（d）所示底部无应力色标，模拟数据走向基本和实际拉深过程一致，说明了模拟的可靠性。

图3 拉深过程中的应力应变状态

2.2 拉深过程应力应变曲线分析

在手机壳盒型件的拉深变形过程中，由于加工硬化的作用，应力应变曲线整体呈上升的趋势。图4（a）和图4（b）分别为1mm/s、10mm/s加载速率下拉深成形的应力应变曲线图。

变形速度的增加，相应的所需要的作用力也会增加，晶粒层面位错的运动也会增加，流动应力必然会提高[6]；此外，由于变形速度增加，材料的软化过程来不及完成，流动应力也会增加。

图4 不同加载速率的应力应变曲线

上模的运动速度对工件成形过程中影响很大。通过对比分析两种加载速度发现，上模速度越大，其承受载荷越大，坯料变形过程中的损伤越大。

工件在受拉深力时，发生了加工硬化，使得工件的强度增加，塑性下降。若使工件的塑性不受影响，那么需要降低上模运动速度[7]。

2.3 拉深过程缺陷分析

引起起皱的主要原因有拉深变形程度、材料力学性能等等多种因素，防止起皱最简单的方法是设置压边圈，并施加合适的压边力，加强材料的稳定性。

本文采用的浅拉深，并添加了压边圈，依然存在起皱现象，模拟结果表明：凸模的加载速度也会对起皱的也会产生有较大影响。

如图5（a）和图5（b）分别为1mm/s和10mm/s加载速度下的模拟的拉深件结果。结合应力应变分析，加载速度的提高虽利于材料的强度的改善，但会以形成起皱为代价，表面光亮程度降低。

图5 不同加载速率拉深件起皱

3 冲孔模拟结果分析

3.1 冲孔过程分析

冲孔过程是在瞬间完成的，但大致可分为弹性变形、塑性变形和断裂分离三个阶段。凸模刚开始接触板料并往下压是为弹性变形阶段，如图6所示，凸模与凹模刃口周围的板料产生应力集中，使板料产生弹性压缩、弯曲、拉深等变形，并被略微压入凹模洞口。

随着凹模的继续下行，材料内部应力不断增大，直至材料的强度极限。

图6 冲孔过程中的应力应变曲线

当凹模继续压入，与凹模和凸模接触处的板料应力达到屈服点。凸模切入板料，凹模洞口也有板料挤入。随凸模的不断压入，应力不断增大，变形区的应力达到材料的抗剪强度，同时材料的硬化加剧，冲孔变形力至此达到最大。

3.2 冲孔缺陷分析

冲孔过程中刃口侧面材料产生微裂纹造成毛刺，而后材料的撕裂、分离又使毛刺进一步被拉长形成永久毛刺并残存在工件上。毛刺的存在严重影响工件断面质量，成为冲孔过程中的主要缺陷。毛刺产生的主要原因是凹凸模间隙值及均匀程度的不适宜。间隙过大，毛刺会被明显的拉长产生粗大的毛刺；间隙值过小，会产生尖锐的挤出毛刺；若间隙分布不均匀会导致局部的间隙过大或过小，进而改变毛刺的形状和大小。

采用0.06mm间隙的凹凸模模拟结果如图7，间隙过大引起冲孔后出现明显毛刺，改用0.03mm凹凸模间隙后，毛刺缺陷得到显著改善。

图7 不同凸凹模间隙冲孔产生的毛刺

4 结论

本文通过Deform-3D完整的模拟了7075铝合金冲压成形加工金属手机壳盒形件的拉深和冲孔过程，验证了模拟成形过程的可靠性，得到以下结论：

（1）拉深过程中手机壳直臂部分变形量与凸模圆角部分相比要少，凸模圆角部分是变形危险区，容易形成拉裂缺陷。底部仅发生弹性变形，变薄甚微。

（2）拉深过程中盒形件直臂部分可能会因各种原因出现起皱的缺陷，在实际的生产过程中，为防止起皱缺陷的产生，设置压边圈的同时应选取合适的加载速度。模拟结果表明加载速度为1mm/s时，起皱现象明显得到改善。

（3）冲孔过程中产生的主要缺陷是毛刺过大，采用合适的凹凸模间隙（0.03mm）可有效少毛刺的产生。