基于有限元的AZ31镁合金手机壳成形工艺优化.pdf
《基于有限元的AZ31镁合金手机壳成形工艺优化.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于有限元的AZ31镁合金手机壳成形工艺优化.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第4 2 卷第4 期2023年8 月文章编号:2 0 9 5-7 3 8 6(2 0 2 3)0 4-0 0 9 5-11DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2023.04.014武汉轻工大学学报Journal ofWuhanPolytechnicUniversityVol.42 No.4Aug.2023基于有限元的AZ31镁合金手机壳成形工艺优化王硕,吴艳,曾如铁,熊锦林,徐嘉豪(武汉轻工大学机械工程学院,湖北武汉4 3 0 0 2 3)摘要:为解决镁合金手机壳冲压成形中的起皱、破裂等问题,改善冲压件的成形质量,获得最优的工艺参数组合,使用Dynaform软件对AZ31
2、镁合金手机壳进行可成形性快速评估,结合起皱判断条件,发现AZ31镁合金手机壳容易发生起皱且起皱不可避免。采用以最大增厚率为评价指标的正交试验法,通过调节板料成形过程中压边力、冲压速度、摩擦系数和阻力系数等主要工艺参数得到不同的模拟结果。结果分析表明,各因素的影响大小为阻力系数冲压速度摩擦系数 压边力。模拟仿真得到质量最优的AZ31镁合金手机壳工艺参数组合:压边力为4 2 0 0 0 N、冲压速度为10 0 0 mms-1、摩擦系数为0.12 5、阻力系数为0.2。研究可为冲压成形出质量优良的镁合金手机壳提供坚实的理论基础与可靠的数值依据。关键词:AZ31镁合金;工艺参数优化;数值模拟;正交实验
3、中图分类号:TG389Finite element based optimization of Az31 magnesiumalloy mobile phone case forming processWANG Shuo,WU Yan,ZENG Rutie,XIONG Jinlin,XU Jiahao(School of Mechanical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,China)Abstract:In order to solve the problems of wrinkles and rupture in
4、the stamping and forming of magnesiumalloy mobile phone case and to improve the forming quality of its stamped parts,and to obtain the optimalcombination of process parameters,Dynaform software was used to quickly evaluate the formability ofAZ31 magnesium alloy mobile phone case,and combined with th
5、e wrinkling judgment conditions,it wasfound that AZ31 magnesium alloy mobile phone case was prone to wrinkling and wrinkling was inevitable.Using the orthogonal test method with the maximum thickening rate as the evaluation index,different sim-ulation results were obtained by adjusting the main proc
6、ess parameters such as blank holder force,stampingspeed,friction coefficient and resistance coefficient in the sheet metal forming process.The results showthat the influence of each factor is the resistance coefficientstamping speedfriction coefficientholdingforce.The combination of process paramete
7、rs of AZ31 magnesium alloy phone case with the best quality isobtained by simulation:the holding force is 42 000 N,the stamping speed is 1 000 mm s-1,the friction co-efficient is 0.125,and the resistance coefficient is O.2.The research results provided a solid theoretical ba-收稿日期:2 0 2 3-0 5-3 1.作者简
8、介:王硕(2 0 0 0-),男,硕士研究生,E-mail:w s 17 8 6 0 2 4 559 6 16 3.c o m通信作者:吴艳(19 8 4-),女,副教授,博士,E-mail:w u y 6 11 16 3.c o m.基金项目:湖北省教育厅科学研究计划(D20221606).文献标识码:A96sis and reliable numerical basis for stamping the high-quality magnesium alloy mobile phone case.Key words:AZ31 magnesium alloy;optimization of
9、process parameters;numerical simulation;orthogonalexperiments相比上述研究,笔者不改变软件中的程序模型,1引言而是从改善镁合金板料拉深性能和优化工艺参数的随着移动设备的不断发展和进步,手机在人类角度出发,使用Dynaform有限元软件对AZ31镁合社会中占据着非常重要的地位,而手机壳作为不可金手机壳进行可成形性快速评估,并且借助正交试或缺的部件,也变得越来越重要。目前,由于镁合金验来考察各影响因素对镁合金板料拉深性能的影材料具有轻量化、电磁屏蔽性、良好散热性、完全回响,寻求最优的工艺参数组合,解决制造过程中的难收性等1优点,被广泛应用
10、于3 C产品中,特别是手题,为冲压成形出质量优良的镁合金手机壳提供理机外壳制造之中,且被众多主流品牌认可,苹果、华论基础与数值依据。为等手机外壳的镁合金材料应用不断增加。由于镁2AZ31镁合金手机壳的工艺性分析合金的密排六方晶体(HCP)结构2 决定了其在室温中塑性变形能力很差,导致常规冲压(如室温拉深)难以得到质量优良的镁合金拉深件,其加工方式被限制于铸造方面3 ,但又因其比强度高、疲劳极限高等优点而极具市场优势,前景广阔。通过改善拉深工艺,能够提高生产效率、降低制造成本,生产出力学性能优良的零件,因此有必要对镁合金拉深工艺进行系统深入的研究。通常情况下,轻质合金板料冲压成形容易出现起皱、破
11、裂等失效形式4 ,而且这些失效形式很难靠常规手段准确地预测出来。为了解决上述问题,很多学者都做了不同方向的研究,如基于各向异性屈服CPB06-GTN损伤模型,周霞等4 开发了VU-MAT子程序,该程序不仅能够模拟镁合金的各向异性屈服和不规则硬化,还能够模拟镁合金的损伤破坏,借助其作用,镁合金板料的成形性能将得到显著提升;杨柳等5 依据Fields-Backofen流变应力本构模型,对镁合金筒形件拉深成形法兰区的应力分布进行分析,推导出镁合金筒形件拉深成形的破裂和起皱临界压边力表达式,将其应用于数值模拟,能够得到成形效果较好的成形件;付泽民等6 利用磁流变弹性体优异的可逆性和可控性,将其内置于凹
12、模处,并结合复位弹簧等设计了一种支承模,以减薄率和拉深成形极限为评估指标,研究了磁流变弹性体支承对板料拉深成形性能的影响,结果表明该支承方案显著提高了板料成形性能,极大地提高了镁合金的利用率。以上研究均离不开对Dynaform有限元软件中的程序模型进行改进,但是改进程序模型是错综复杂且工作量巨大的过程,同时改进后的程序模型是否兼容于软件本身也是非常关键且很难解决的问题。武汉轻工大学学报拉深工艺是冲压加工中的一种方法,是利用模具将板料冲压成开口空心零件,故AZ31镁合金手机壳属于拉深件的范畴7。在确定拉深件的基本尺寸前,需要考虑其工艺性要求。良好的工艺性能够优化模具结构、减少拉深次数、提高生产效
13、率,可以从拉深件的结构形状、圆角半径、高度等角度出发,对AZ31镁合金手机壳进行工艺性判定。在结构形状方面,拉深件应该保持简化、对称7.8 ,AZ31镁合金手机壳是一种无凸缘矩形件,具有典型的对称性;在圆角半径方面,AZ31镁合金手机壳的各圆角均满足转角半径r3t、底部圆角半径rpt等工艺性要求7.8 ;在高度方面,AZ31镁合金手机壳的拉深高度较小,只需要一次拉深成形,减少了拉深次数。根据上述内容可以得知,AZ31镁合金手机壳基本满足拉深件的工艺性要求。AZ31镁合金手机壳长度尺寸a为14 6.7 mm,宽度尺寸6 为7 1.5mm,高度h为7.6 5mm,厚度t为1mm,转角半径r为10
14、mm,底部圆角半径rp为2 mm,模型如图1所示。146.70图1AZ31镁合金手机壳模型Fig.1 AZ31 magnesium alloy phone case model2023年82.004期3AZ31镁合金手机壳可成形性评估毛坏尺寸工程模块(Blank Size Engineering,BSE)是Dynaform软件的一个子模块,具有快速求解、精确预测毛坏尺寸、帮助改善毛坏外形等功能 。一步求解器(MSTEP)是基于有限元逆算法的快速成形求解器10 ,能够在产品设计早期快速进行产品可成形分析。在精确模拟零件成形之前,对零件进行快速的计算,能够在很短的时间内进行产品可成形性快速评估,对
15、成形效果进行初步预测,起到提前发现缺陷的作用,同时还可以得到板料的最初轮廓形状。AZ31镁合金手机壳的可成形性快速评估如图2 所示。产品可成形性快速评估表明,该部件在冲压成形中容易出现起皱现象。Formability ReportCOMPOMNE:LB,meiaesse.2王硕,吴艳,曾如铁,等:基于有限元的AZ31镁合金手机壳成形工艺优化4有限元模型的建立4.1冈网格模型的建立运用Solidworks软件设计出手机壳三维模型,进行曲面处理后输出IGES文件,并将其导人Dy-naform软件中进行材料定义和网格划分。采用双动成形技术,利用Dynaform模面工程(DFE)模块,自动生成凸模、凹
16、模和压边圈工具,并对其对应的参数及成形工序进行定义与设置。在冲压过程中,凸模下行,压边圈与凹模首先贴合并压紧板料,凸模继续下行完成拉延。AZ31镁合金手机壳冲压有限元模型如图3 所示,凹模上的等效拉延筋布局如图4所示。凸模(punch)压边圈(binder)FLDCRACKSAE97板料(blank)凹模(die)图3 AZ31镁合金手机壳冲压有限元模型Fig.3 AZ31 magnesium alloy mobile phone casestamping finite element modelETAPOST图2 AZ31镁合金手机壳可成形性快速评估Fig.2 Rapid assessmen
17、t of the formability拉延筋拉延筋8260.851651202of AZ31 magnesium alloy mobile phone cases在实际生产中,可以初步采用经验公式(1)7 作为成形件是否起皱的判断条件,若满足经验公式(1),则表明该部件不容易发生起皱现象。(1)to0.0100,0.045(1一m)0.0157D。式中7,to为板料原始厚度,D。为板料直径,m为拉深系数。板料原始厚度to为1mm,板料直径D。为100.2148mm,拉深系数m为0.6 51 2。将公式(2)所得到的数据代人公式(1)进行大小比较,结果表明该部件容易发生起皱现象。因此,从可成形
18、性评估和起皱判断条件两个方面出发,均验证了该部件在冲压成形过程中容易出现起皱现象,且起皱不可避免。一般而言,轻微起皱不会影响该部件的整体成形质量,该部件存在轻微起皱依旧符合成形质量要求。因此,在该部件的有限元仿真分析中应该着重考虑影响起皱的相关因素,要尽量减小轻微起皱,避免严重起皱。拉延筋拉延筋图4 等效拉延筋布局Fig.4Layout of equivalent tension bars4.2材料模型及其性能参数的确定(2)由于刚体是理想的不变形体,刚体的材料性能参数不用于变形计算,对板料进行冲压成形分析时,凸模、凹模和压边圈变形量较小,可视为刚体1。数值模拟的准确性很大程度上取决于材料的本
19、构关系12 ,AZ31镁合金板料在仿真分析中可采用弹塑性材料模型。在板料冲压成形过程中,弹塑性材料模型表现出塑性和弹性的完美结合,能够较好地反映板料成形的实际情况13 。弹塑性材料模型包括幂指数塑性材料模型、分段线性材料模型、厚向异性弹塑性材料模型以及三参数Barlat(1989)材料模型等14 ,而三参数Barlat(1989)材料模型是一种专门针对金属薄板成形分析而建立的材料屈服准则模型15,该模型既考虑了板料成形中厚向异性对屈服98面的影响,又考虑了平面各向异性对屈服面的影响,尤其适用于平面应力状态下各向异性弹塑性板料冲压成形的模拟16.17)。三参数Barlat(1989)材料模型采用
20、Barlat屈服准则,其屈服准则表达式18 如下。F=a|Ki+K,|+a|Ki-K,+(2-a)|2K2|=2 mKi=+how2(gx+how)+p2ro0a=2-2,1+roo1+r9oh=1+rooroo1+r90r90表1AZ31镁合金材料的性能参数Table 1 The property parameters of AZ31 magnesium alloy material厚度密度材料泊松比/mm/g cm)AZ31镁合金14.3工艺参数的选取在AZ31镁合金手机壳冲压成形工艺中,成形件质量与很多影响因素有关19 ,如压边力、拉深速度、摩擦系数、阻力系数等。压边力可以增大板料径向拉
21、应力,若压边力过大,径向拉深变得困难,增加了成形件发生过度变薄和破裂的风险,同时会加剧模具的磨损,影响模具寿命;若压边力过小,径向拉深变得容易,导致成形件出现难以控制起皱和塑性变形不足的问题2 0 1。模具的冲压速度通常由压力机及其规格决定,拉深速度主要影响板料的流动性2 0 。在凸凹模间隙中的板料流动速度会直接影响零件的成形质量。如果冲压速度过快,材料的流动性将会加快,这容易导致破裂的产生。同样,如果冲压速度过慢,零件也会出现起皱现象。摩擦系数越小,板料的流动越容易,成形件最薄处的厚度会变厚,从而减少了破裂的风险。相反,摩擦系数越大,板料的流动越受阻碍,成形件容易破裂。如果摩擦系数过大,板料
22、几乎无法流动,成形件也容易破裂,而过小的摩擦系数则会导致成形件容易起皱2 0 。使用拉延筋是降低板料起皱现象的有效途径,拉延筋能够极大程度地减少起皱2 1。其作用机理在于,当板料流过拉延筋时,会发生反复的弯曲和反弯曲,从而产生变形抗力,即拉延筋的变形阻力2 2 。武汉轻工大学学报式中18 1,、y 为板料轧制方向和横向,a、h、p 分别为塑性各向异性材料系数,为沿轧制方向的等效应力,m为Barlat指数,roo、r g o 为与轧制方向成0、90角的厚向异性系数。目前,针对板料冲压成形分析而言,三参数(3)Barlat(1989)模型是一种备受推崇的材料模型,其优越性不言而喻,综合考虑选用三参
23、数Barlat(4)(1989)模型(即Dynaform软件中的3 6 号材料模型)作为本次数值模拟的材料模型。AZ31镁合金(5)的力学性能等参数通过板料单向拉伸试验获得,拟r90合数据输人至3 6 号材料模型中,具体材料参数见表(6)1。模拟过程中不考虑板料与模具之间的热交换问(7)题,即将其视为等温问题。硬化屈服强度指数/MPa1.780.352023年抗拉强度杨氏模量/MPa/GPa0.23175同时,板料与拉延筋之间还存在着摩擦阻力,而拉延筋的变形阻力和摩擦阻力则被合并称为拉延筋阻力。通过控制拉延筋阻力,可以调节板料各部分的成形力,从而实现对板料局部变形条件的精准控制,以达到变形条件
24、的平衡状态,最终确保板料的顺利成形。因此,为了更好地控制AZ31镁合金手机壳的成形质量,需要综合考虑压边力、冲压速度、摩擦系数、拉延筋阻力系数等因素对AZ31镁合金板料冲压成形的影响,并且根据实际情况进行试验和模拟分析,确定最佳的工艺参数数值,从而实现高质量的AZ31镁合金板料的冲压成形。5正交试验及仿真分析5.1正交试验设计正交试验根据正交性原理从全面试验中选择部分具有代表性的组合进行试验,是研究多变量多水平问题的有效试验方法。该方法运用数理统计技术,通过对试验因素的合理安排和对试验数据的有效处理,以缩短试验周期,降低试验成本2 3 。笔者选择压边力、冲压速度、摩擦系数和阻力系数作为影响因素
25、,各影响因素对应的水平选取依据如下。(1)压边力是指在拉深过程中为了解决起皱问题而施加在压边圈上的力,其理论公式为2 3 1Q=Ap。式中A为压边面积(mm),经计算取3 2 0 0 0 mm;各向异性系数RoR4526545R902.032.423.134期p为单位压边力(MPa),参考文献2 3 取1MPa。经过计算得到理论上的压边力Q约为3 2 0 0 0 N,故取2 2 0 0 0 N、3 2 0 0 0 N和4 2 0 0 0 N作为压边力的三个水平。(2)在板料成形数值模拟过程中,实际拉深速度通常被放大若干倍作为冲压速度(即虚拟冲压速度),结合实际生产经验,取10 0 0 mms-
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 有限元 AZ31 镁合金 机壳 成形 工艺 优化
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。