有限元在精密電子沖壓零件中的應用

房忠民

摘? 要：金屬沖壓技術是利用模具使金屬薄板或帶料發(fā)生永久性塑性變形的工藝。沖壓技術被廣泛應用于制造汽車、船舶、飛行器、壓力容器等金屬薄壁結構件。該文以電子產品中的沖壓零件作為研究對象，運用有限元數(shù)值模擬技術，對沖壓成形過程中的問題進行研究，實現(xiàn)優(yōu)化工藝參數(shù)，為工藝設計提供理論依據(jù)。進而縮短模具設計與調試周期，加快新品導入進度。

關鍵詞：沖壓;精密電子;有限元

中圖分類號：TG385? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

1 材料選用

應用在電子產品上的沖壓產品，原材料一般選用電工純鐵，供應方式為帶料形式。母卷經分條后，通過送料機傳送至沖床內模具;電子類沖壓產品精度較高，為保證沖壓加工的過程能力，原材料優(yōu)選“高級精度”。此外，相關材料應具有一定的電磁性能，評價方式一般采用矯頑力。大部分的零件沖壓后會增加電鍍等工序，以實現(xiàn)防護性功能。

2 工藝排樣設計

可根據(jù)產品結構及材料性能制定合理的排樣圖。包括毛刺方向及大小，斷裂帶截面光亮帶比例、允許塌角量、搭邊值、壓延方向、一模幾件、材料利用率、條料蛇形問題等。

下面說一下排樣的6個要點：

（1）沖裁加工先沖裁尺寸較小的封閉區(qū)域，再沖裁尺寸較大的封閉區(qū)域。

（2）精度較高的部位，盡量在同一工步下沖壓完成。

（3）要綜合考慮材料利用率。

（4）要結合不同加工的材料及厚度選擇合理的間隙。

（5）針對變形量較大的工步要預先計算，象拉深工藝的展開料尺寸、彎曲工步中性層偏移、打扁工序的增長等。

（6）要充分考慮模具各部位的強度。

3 設備選取

由于產品的精度及產量需求，可優(yōu)先選用布魯?shù)聽朆STA系列，該系列設備具有精度高、使用壽命長、速度高、可靠性好等優(yōu)點。該設備具有持續(xù)監(jiān)控沖裁力及滑塊行程補償功能。

4 有限元關鍵技術

4.1 幾何模型建立及網格劃分

可針對分析的工步，采用NX8.5進行建模，模型進行適當簡化，以便提升運算效率。網格劃分可在NX8.5中高級仿真模塊中進行，亦可在有限元數(shù)值模擬軟件中進行處理。單元類型的選擇影響計算精度及運算量。如果分析表面過多，象采用六面體網格劃分不能很好地逼近原幾何實體，因此優(yōu)先采用四面體單元。如果模型過大，可在變形區(qū)進行網格細化處理。

4.2 材料本構模型

材料的本構方程或稱流動方程是描述材料變形的基本信息，其中的材料流動應力是材料狀態(tài)的函數(shù)，與應變、溫度、應變速率和加工硬化等諸多因素有關。因此，為獲得有效的模型，可做相關力學性能試驗。

4.3 接觸問題處理

定義接觸體的時候必須遵循以下的5個規(guī)則：

（1）先定義變形體，后定義剛體。

（2）先定義軟的材料，后定義硬的材料。

（3）先定義小的接觸體，后定義大的接觸體。

（4）2個變形體網格密度不同時，接觸體定義時應該先定義網格密的，然后定義網格疏的。

（5）先定義幾何形狀凸的，后定義凹的。

4.4 邊界問題處理

邊界條件問題要根據(jù)給定的運動狀態(tài)和表面特性，選定一個合適的模型。確定相關量化數(shù)據(jù)，象摩擦問題、熱力耦合問題等?？蓮奈墨I或實驗中獲得相關數(shù)據(jù)。

4.5 算法選擇

為保證計算的收斂性，可采用靜力隱式算法。靜力隱式算法有著獨特的優(yōu)點：

（1）有著嚴格的理論基礎。

（2）只要其收斂，理論上就可以保證結果的精度。

4.6 模擬效率提高

理論上如果沖壓速度提高了n倍，那么整體分析所花費時間則可以降低n倍。但會導致結果誤差很大。為了能夠在精度和效率上達到質量最優(yōu)，把整體變形市場控制在最大周期10倍以上，就可以保證合理的虛擬速度。

5 有限元應用案例

現(xiàn)階段產品質量管理包含3個層次，分別是質量策劃與設計、質量控制、質量改進。質量策劃與設計是最為關鍵的一個環(huán)節(jié)，也是最容易被忽略的。在某種程度上，產品設計能力及水平直接影響其后續(xù)的工藝穩(wěn)定性、質量穩(wěn)定性及成本，最終影響客戶滿意度。有限元數(shù)值模擬技術可應用于產品設計及工藝開發(fā)階段，從產品的可加工性、可量產性等方面進行分析求解，最終實現(xiàn)產品開發(fā)階段至量產階段的快速轉移。以下為幾個典型案例。

案例一，有限元數(shù)值模擬技術可廣泛應用于拉深類產品上，可分析成形道次、壁厚分布、應力場、表面質量缺陷（破裂、起皺）。通過對某密封罩進行成形性分析，采用FLD（（=成形極限圖）分析驗證零件各工序的狀態(tài)及表面質量，確定合理的工藝排布。成形極限圖也稱成形極限曲線，它是由板料各個質點在不同應變路徑下的局部失穩(wěn)極限工程應變e1和e2或極限真實應變ε1和ε2構成的條帶形區(qū)域或曲線，常用FLD或FLC表示。它反映了板料在單向和雙向拉應力作用下抵抗頸縮或破裂的能力，經常被用來分析、解決成形時的破裂問題。如圖1所示。

從圖1可知，筒底部凸模圓角部位變形近似于平面應變狀態(tài)，該處為危險截面，壁厚減薄最為嚴重，易產生破裂缺陷;在筒口法蘭區(qū)域處最大主應變?yōu)閴簯?，因此，該處易產生壓縮失穩(wěn)，最終形成褶皺工藝缺陷。通過對拉深過程進行數(shù)值模擬分析，掌握各質點應變路徑及規(guī)律，對展開料尺寸、間隙、壓邊力等參數(shù)進行優(yōu)化。

案例二，擠壓沉臺工藝是在預制工藝孔的基礎上，采用大直徑沖頭進行擠壓的一種工藝。工藝難點在于擠壓后，金屬產生塑性流動，預制孔尺寸直徑逐漸減小，成形后其尺寸難以定量分析，導致后道精切工步余量不足。通過對沉臺擠壓工步進行分析，為凸模、凹模鑲件尺寸設計提供依據(jù)。

案例三，打扁工藝是通過模具對板材邊緣上下兩端面進行擠壓，最終形成倒角的工藝。工藝難點在于打扁后，金屬產生塑性流動，零件尺寸沿金屬流動方向增長，難以做到定量分析。通過對打扁工步進行數(shù)值模擬，從機理上分析金屬流動規(guī)律、應力場、應變場，定量分析打扁后的增長尺寸，為上道次切邊工序提供數(shù)據(jù)支撐。

案例四，觸點在鉚接過程中經常產生鉚后間隙不良缺陷，導致產品在工作過程中過度發(fā)熱，對觸點壽命產生極大影響。通過對成形過程的數(shù)值模擬研究，分析產生鉚后間隙的影響因素，并設計不同規(guī)格的凹模型腔，最終對不同批次的觸點進行換型，實現(xiàn)鉚后觸點與簧片之間無間隙，達到產品設計性能要求。

參考文獻

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