屏蔽盒等溫塑性成形工藝仿真研究

王 剛，陸 敏

(1.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003;2.海軍指揮學院浦口分院，南京 211800)

0 引言

由于電磁屏蔽需要，屏蔽盒被廣泛地應用于雷達結構中，其種類多數量大，一般都是采用機械加工方式制造。但是，隨著雷達指標中標準化和模塊化要求的不斷提高，雷達生產商開始大量使用標準屏蔽盒，與此同時也暴露出大批量機械加工生產屏蔽盒的弊端，其材料利用率和生產效率極低，生產成本高，強度差，所以需要對現有生產工藝進行改進。本文提出的改進思想如圖1所示。首先將針對標準屏蔽盒毛坯制造工藝進行研究，后續(xù)隔板及元器件的裝配方法有待后期進一步研究［1-2］。

圖1 屏蔽盒生產流程

塑性成形工藝是利用金屬在外力作用下的塑性變形能力來獲得所需形狀的加工方法。經過塑性變形的金屬，金相組織得到改善，強度增加;并且，相比于切除體積，采用體積轉移的方法，其材料利用率高，金屬流線分布合理，模具的使用易于實現自動化生產，生產效率大為提高。等溫精密塑性成形是專門針對鋁合金、鎂合金等難變形金屬而發(fā)展起來的先進成形工藝。因此，本文通過數值模擬的方法來研究屏蔽盒的等溫精密塑性成形工藝［3-5］。

1 工藝分析

標準屏蔽盒如圖2所示，其外形尺寸為280 mm×262 mm×43 mm。此零件側邊形狀較復雜，需要對其進行簡化并增加機加工余量。簡化后屏蔽盒毛坯圖如圖3所示。

圖2 標準屏蔽盒

圖3 屏蔽盒毛坯圖

結合鍛件形狀，擬定工藝路線為:采用板材一次等溫閉式擠壓出盒體形狀后通過沖裁模沖掉盒體內腔的連皮。毛坯材料為6063 退火態(tài)鋁合金，尺寸略小于盒體外形，擠壓溫度為400 ℃，通過較小變形速率及恒定溫度來改善金屬的流動性。

2 有限元模型建立

圖4 有限元模型

Deform 是專門用于大塑性變形三維有限元仿真的專業(yè)軟件，采用四面體單元可用于不可壓縮材料的大剪切變形。本文用deform 建立的有限元模型如圖4所示。由于鍛件形狀的對稱性，為了提高模擬速率，本文只模擬二分之一模型。材料選擇AL-6063，模具設為剛性體，坯料設為塑性體，建立剛粘塑性有限元模型。溫度選擇400 ℃。由于是等溫成形，不設置熱傳遞，坯料溫度恒定。選用剪切摩擦類型，摩擦系數為0.4，上模下行速度為0.1 mm/s。

3 有限元模擬結果分析

3.1 成形過程分析

圖5 是擠壓過程中不同階段的等效應變云圖。從圖中可以看出，在上模作用下，坯料側邊發(fā)生正反復合擠壓，同時充填上模和下模型腔。但是，由于最小阻力定律，坯料在寬度方向上流動阻力小于沿長度方向的阻力，且寬度方向上流動阻力沿長度方向逐步增大，因此四周側壁中間金屬拔高快，而角落部分的坯料流動緩慢，加之此處型腔大且復雜，金屬充填困難，只能在其他型腔都充滿后強迫金屬充填角隅部位，造成最后階段成形載荷急劇增大。在實際設計模具時，此處應該設置分流型腔以促進金屬的流動。

圖5 擠壓各階段等效應變云圖

從整個變形過程可以看出，金屬的變形總體比較均勻，金屬流向平穩(wěn)，沒有產生金屬匯流而發(fā)生折疊的現象。從圖6的最大主應力云圖中可見，中心金屬處于三向壓應力狀態(tài)，不會產生成形缺陷，而側面金屬雖在成形過程中出現拉應力，但其數值遠遠小于材料的極限強度，不至于使得此處的金屬發(fā)生拉裂。因此，可以說此種工藝適合于加工此類屏蔽盒。

圖6 最大主應力分布云圖

3.2 成形載荷分析

圖7 是上模的載荷-行程曲線。初始階段，由于坯料與模具型腔未充分接觸，鍛件變形自由，所以載荷較小且平穩(wěn)增加。在成形的后期，模具型腔只有角隅部位沒有充填，此時鍛件自由面比例很小，雖然壓力很大，但是各個方向的應力差值很小，等效應力很小，所以很難發(fā)生屈服變形，導致成形載荷急劇上升。載荷最大值為1200 t，整個零件成形載荷為1200×2=2400(t），近似計算可知作用在模具上的壓強為318 Mpa，采用普通的H13 熱作模具鋼即可滿足要求。

圖7 上模載荷-行程曲線

3.3 經濟效益分析

采用等溫精密塑性成形工藝生產屏蔽盒毛坯，相比于機加工，坯料厚度由50 mm 降到22 mm，材料利用率提高了一倍;此外，得到的屏蔽盒毛坯只需要對側壁進行機加工，生產工時減少約50%，使得生產成本得到降低，但增加了模具和壓力設備的費用，只有當批量達到一定程度時才能產生正效益。

4 展 望

采用此種工藝生產屏蔽盒有一定優(yōu)勢，但是后期隔板和元器件的安裝有待進一步研究。目前，擬采用將元器件固定在獨立隔板上，再將隔板用螺紋連接固定在屏蔽盒側壁的臺階上。由于資料和時間有限，后期可以針對現有元器件的安裝方式進行歸納分析后進行分類，以設計不同隔板類型來滿足元器件的安裝需要。

5 結束語

本文通過deform 有限元仿真軟件對標準屏蔽盒的等溫精密擠壓工藝進行研究，得出以下結論:

(1）為現有屏蔽盒生產和裝配提供了新的思路，以提高生產效益，并提高產品標準化和模塊化的水平。

(2）通過有限元模擬證實等溫精密塑性成形工藝可以運用于此類屏蔽盒的生產，金屬變形均勻，流線分布合理，成形載荷適中，模具成本不高。

(3）模擬結果為模具設計和優(yōu)化及成形設備的選用提供了可靠的依據。

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