□ 李 奇 □ 陳方園 □ 侍書成 □ 龔驍敏

中國電子科技集團公司第五十二研究所 杭州 310012

1 研究背景

凸包是鈑金成形中的一種常用加工工藝。在鈑金件中，凸包可以起到提高結(jié)構(gòu)件強度、整體穩(wěn)定性、導(dǎo)電性及補償間隙等作用，合理運用凸包可以提高整個鈑金件的質(zhì)量。如何選擇凸包形狀，并設(shè)計出結(jié)構(gòu)參數(shù)合理的凸包，對機箱的設(shè)計和加工具有重要意義［1］。

常用的凸包形狀有橢圓形、矩形、階梯形、多邊形等，選擇凸包形狀，主要取決于產(chǎn)品形狀尺寸、凸包功能需求、加工難易程度等因素［2］。凸包成形質(zhì)量既取決于凸包的深度、斜度、圓角半徑，以及凸包與周圍特征的距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)，又受到壓邊力、沖壓速度和潤滑條件等工藝參數(shù)的影響。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要依靠長期生產(chǎn)過程中積累的經(jīng)驗進行結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定，而并沒有對這些因素如何影響成形質(zhì)量進行深入探究，這增加了后期模具開發(fā)的成本，不利于加工生產(chǎn)［3-5］。

筆者選取圖1所示某服務(wù)器機箱U形座的硬盤模組處凸包作為研究對象，應(yīng)用Creo軟件對橢圓形、矩形和階梯形凸包機箱進行靜力分析，選出能夠最大提高機箱剛度的凸包形狀，然后基于Dynaform軟件進行成形模擬，選取凸包的深度、斜度和圓角半徑三個因素，設(shè)計正交試驗，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對凸包成形質(zhì)量的影響規(guī)律，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 材料性能參數(shù)

所選用機箱U形座的材料是鍍鋅鋼板，在進行模擬之前，通過進行室溫單向拉伸試驗來獲取材料機械性能參數(shù)，見表1。拉伸試樣尺寸根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫拉伸試驗方法》，試樣厚度為1 mm，試樣標(biāo)距為50 mm，平行段長度為70 mm，試樣總長為170 mm。 分別沿 0°、45°和90°方向切出三個試樣，在萬能材料試驗機上進行室溫拉伸試驗。對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到鍍鋅鋼板在室溫下三個方向的應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖2所示。將這些參數(shù)設(shè)置入Creo軟件，建立材料模型。

▲圖1 服務(wù)器機箱U形座

表1 鍍鋅鋼板機械性能參數(shù)

▲圖2 鍍鋅鋼板應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

3 凸包形狀對機箱剛度的影響

3.1 凸包模型

對于服務(wù)器機箱而言，機箱底座承載質(zhì)量主要分為兩部分：①機箱前端主要承受硬盤支架模組的質(zhì)量，占機箱內(nèi)部總質(zhì)量的60%，面積占機箱底面的30%；②機箱中后端承受主板及支架部分的質(zhì)量，占機箱內(nèi)部總質(zhì)量的40%，面積占機箱底面的70%。在機箱設(shè)計過程中考慮硬盤處機箱的剛度，需要對凸包進行加強設(shè)計。

設(shè)計如圖3所示橢圓形、矩形、階梯形三種常用凸包，由于機箱整體高度的要求，硬盤底部與機箱之間最大間隙為3.3 mm，凸包高度h設(shè)計為3 mm。根據(jù)鈑金加工實用手冊中的凸包形狀尺寸要求［6］，凸包最大寬度D≥3h，凸包寬度D取12 mm。凸包長度應(yīng)小于機箱寬度（437.8 mm），同時為了避讓硬盤支架，最終選擇為393 mm。凸包具體結(jié)構(gòu)尺寸如下：橢圓形總長為393 mm，長軸為12 mm，短軸為6 mm；矩形總長為393 mm，寬為12 mm，高為3 mm；階梯形總長為393 mm，寬為12 mm，高為3 mm，臺階高度為1 mm。三個凸包斜度為5°，圓角半徑為1 mm。

對建好的三個模型劃分網(wǎng)格、施加載荷和設(shè)置邊界約束。服務(wù)器總質(zhì)量約為25 kg，簡化模型，將載荷均勻施加在機箱底座，其中硬盤支架模組處施加載荷為1 800 Pa，機箱主板處施加載荷為520 Pa。機箱由兩側(cè)導(dǎo)軌懸掛在機柜上，可認(rèn)為約束施加在機箱兩個側(cè)面，如圖4所示。

3.2 模擬結(jié)果

對設(shè)置好的模型進行靜態(tài)分析，圖5所示為不同凸包結(jié)構(gòu)機箱的靜態(tài)模擬結(jié)果。由圖5可以看出，三種凸包結(jié)構(gòu)的機箱在施加靜態(tài)載荷后，變形都集中在硬盤支架模組部位。圖6所示為不同凸包形狀機箱的最大變形量，分別為3.02 mm、2.42 mm、2.13 mm。結(jié)果表明，階梯形凸包能夠更好地提高機箱剛度，減小變形量。階梯形凸包機箱最大應(yīng)力為237.8 MPa，主要集中在凸包中間的圓角處和U形座的兩個圓角連接處。鍍鋅鋼板的屈服強度為312 MPa，安全因數(shù)取1.2，該材料的許用應(yīng)力為260 MPa，最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，說明使用鍍鋅鋼板完全能夠保證機箱強度安全。

4 階梯形凸包成形模擬與優(yōu)化

4.1 凸包模型

由靜態(tài)分析結(jié)果可知，階梯形凸包能夠提高機箱剛度。在此基礎(chǔ)上，為進一步優(yōu)化階梯形凸包的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將建好的模型保存為.IGES文件后導(dǎo)入Dynaform軟件進行網(wǎng)格劃分和模型修補。劃分后的網(wǎng)格模型如圖7所示，圖7中從上往下依次為凸模、壓邊圈、板材和凹模。

網(wǎng)格劃分后，對模型進行參數(shù)設(shè)置，重點對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，其它工藝參數(shù)保持不變。摩擦因數(shù)為0.125，沖壓速度為2 000 m/s，壓邊力F為：

式中：A為壓邊圈面積，A=31 260 mm2；q為單位壓邊力，取 q=3 MPa。

求得壓邊力F為93.78 kN。

4.2 目標(biāo)函數(shù)

在凸包成形過程中，由于凸包為窄長階梯形，并且內(nèi)部有臺階面，容易造成材料在圓角部位流動過快，會導(dǎo)致減薄率過大，產(chǎn)生破裂缺陷。同時，凸包周圍部分過長，容易失穩(wěn)，造成材料局部堆積增厚，產(chǎn)生起皺缺陷。為了綜合評價不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對凸包成形質(zhì)量的影響，同時為避免產(chǎn)生上述缺陷，需要建立合適的成形質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)［7］。

▲圖3 凸包三維模型

▲圖4 約束定義

▲圖5 模擬結(jié)果

▲圖6 機箱最大變形量變化圖

▲圖7 凸包網(wǎng)格模型

由于破裂與起皺等缺陷產(chǎn)生的直接原因都是變形后板材局部厚度的變化，通過測出板材各處厚度的變化情況可以間接反映成形質(zhì)量，因此采用兩個指標(biāo)來評價成形質(zhì)量：①成形后凸包的最大減薄率要求不高于25%，否則認(rèn)為破裂；② 建立式（2）所示的函數(shù)來評價成形厚度分布程度［8］。

式中：t0為各單元初始厚度；ti為各單元成形末期厚度；W1為減薄加權(quán)因子；W2為增厚加權(quán)因子；p為指數(shù)。

對于機箱U形座凸包而言，起皺和破裂都是必須要避免的缺陷，因此W1和W2都取0.5，p取2。目標(biāo)函數(shù)值越小，表明成形質(zhì)量越好。

4.3 正交試驗

在實際生產(chǎn)過程中，對階梯形凸包成形質(zhì)量的影響因素較多，如臺階高度、凸包斜度、凸包圓角半徑，以及凸包與周圍特征的距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)，還包括壓邊力、沖壓速度和潤滑條件等工藝參數(shù)。為了在設(shè)計階段研究出合理的凸包結(jié)構(gòu)，確定模塊化的凸包結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而減小后期模具開發(fā)調(diào)試工藝制訂的難度，降低生產(chǎn)成本，重點研究臺階高度、凸包斜度和凸包圓角半徑三個結(jié)構(gòu)參數(shù)對凸包成形質(zhì)量的影響，并以這三個參數(shù)為試驗因素設(shè)計正交試驗［9］，探究這三個因素對制件成形質(zhì)量的影響程度，得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。

如圖8所示，通常凸包圓角半徑r的大小與材料厚度t有關(guān)，一般在（0.5～3）t之間。圓角半徑過小，會導(dǎo)致法蘭部位材料流入凹模困難，使圓角處材料減薄，嚴(yán)重產(chǎn)生破裂缺陷。圓角半徑過大，容易導(dǎo)致法蘭起皺［10］。針對厚度為1 mm的機箱底座，圓角半徑取0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm三個值來進行分析。對于臺階高度h而言，凸包本身最大高度為3 mm，所以h＜3 mm。如果臺階高度過小，凸包兩個臺階之間的梯度就會過大，不利于材料流動，容易產(chǎn)生破裂。如果臺階高度過大，凸包兩個臺階面之間的梯度就會過小，整體凸包接近矩形凸包，加強效果會減弱，所以臺階高度取1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm三個值來進行分析。為了在成形后取件方便，并且提高成形質(zhì)量，凸包斜度α取5°、10°和15°三個值來進行分析。在不考慮所選取三個因素之間相互作用的前提下，選用3因素3水平的正交表來進行試驗，共9組試驗方案，見表2。

▲圖8 凸包結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

表2 正交試驗表

在Dynaform軟件中根據(jù)正交試驗表設(shè)置的參數(shù)進行數(shù)值模擬，對模擬后的結(jié)果進行后處理，計算出每組的目標(biāo)函數(shù)值和最大減薄率。

依據(jù)目標(biāo)函數(shù)值，計算出每個試驗因素對應(yīng)的K值和極差R，見表3。

表3 正交試驗?zāi)M結(jié)果

4.4 模擬結(jié)果

由模擬試驗結(jié)果可以得到第1組結(jié)構(gòu)參數(shù)下的凸包在兩端圓角處會產(chǎn)生破裂缺陷，主要是因為結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致圓角處材料流入困難，說明第1組的結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理。第5組結(jié)構(gòu)參數(shù)下的凸包成形整個單元都在成形極限曲線之下，并沒有破裂缺陷產(chǎn)生，成形質(zhì)量相對較好。

由表3正交試驗結(jié)果整理分析，繪制出如圖9所示最大減薄率隨各因素變化趨勢圖。在正交試驗水平范圍內(nèi)，凸包最大減薄率隨圓角半徑和臺階高度的增大而降低，但并不是線性變化，這是因為圓角半徑和臺階高度的增大，導(dǎo)致法蘭處材料容易流入凹模型腔，從而降低材料的最大減薄率。凸包斜度的增大導(dǎo)致最大減薄率呈現(xiàn)先減后增的趨勢，而不是單調(diào)關(guān)系。所以從單因素角度考慮，圓角半徑為1.5 mm、凸包斜度為10°、臺階高度為2.0 mm時材料的最大減薄率最小。

對正交試驗?zāi)M結(jié)果進行極差分析可知，臺階高度的極差值最大，凸包斜度的極差值最小，說明各因素對階梯形凸包最大減薄率及厚度均勻性的影響從大到小依次為臺階高度、圓角半徑、凸包斜度。所以從厚度分布均勻性的角度考慮，表3中第5組模擬結(jié)果的目標(biāo)函數(shù)值最小，為 3.169，其結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為圓角半徑 1.0 mm、凸包斜度 10°、臺階高度2.0 mm。與前述最大減薄率的參數(shù)組合相比，1.0mm與1.5 mm圓角半徑下的最大減薄率相差較小，并且都沒有破裂缺陷出現(xiàn)。綜合考慮最大減薄率和厚度均勻性對成形質(zhì)量的影響，在階梯形凸包不產(chǎn)生破裂的前提下，厚度分布應(yīng)盡量均勻，可以認(rèn)為在第5組結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下，階梯形凸包的厚度分布最均勻，成形質(zhì)量最好。再對第5組結(jié)構(gòu)參數(shù)的凸包在Creo軟件中進行靜態(tài)分析，得到機箱的最大變形量為2.02 mm，說明優(yōu)化后的凸包結(jié)構(gòu)進一步提高了機箱的剛度。綜上所述，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和靜力分析的角度，可以認(rèn)為最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為第5組，即圓角半徑為1.0 mm，凸包斜度為10°，臺階高度為2.0 mm。

▲圖9 最大減薄率變化趨勢圖

5 結(jié)束語

筆者通過Creo軟件對不同凸包形狀的機箱進行靜態(tài)分析，得出階梯形凸包能夠更好地提高機箱剛度。然后通過Dynaform軟件模擬階梯形凸包的成形過程，并采用正交試驗對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。

基于Creo軟件對橢圓形、矩形、階梯形凸包的機箱進行靜態(tài)分析，得出三種凸包形狀的機箱在特定模型下的最大變形量分別為 3.02 mm、2.42 mm、2.13 mm，結(jié)果定性地表明階梯形凸包能夠更好地提高機箱剛度，減小機箱變形量。

以圓角半徑、凸包斜度、臺階高度為試驗因素設(shè)計正交試驗，對模擬結(jié)果分析得出三個因素對凸包成形質(zhì)量的影響程度從大到小依次為臺階高度、圓角半徑、凸包斜度。綜合考慮最大減薄率和厚度分布對成形質(zhì)量的影響，得到一組正交試驗各因素水平范圍內(nèi)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，既可以提高成形質(zhì)量，又可以進一步增大機箱剛度。