一种车用摄像头壳体冷挤压成形工艺与模具设计
文／王欢·湖州剑力金属制品有限公司洛舍分公司随着科技的进步，在多媒体娱乐功能引入传统汽车时，标志着汽车这一驾驶机器，就已经不再是单一的交通工具。当高度智能化的特斯拉电动车一经问世，便引爆全球，凭借其出色的自动安全驾驶功能，不断刷新我们的眼球，而自动安全驾驶功能的“眼睛”和“耳朵”，则是车身四周的摄像头和雷达探头。随着自动安全驾驶功能不断地丰富，需要全车无死角探测车身周围环境，遍布车身的各类摄像头、雷达探头的数量需求持续增加。面对复杂的用车环境和高昂的传感器价格，其耐用性要求也不断地提高。
摄像头壳体和雷达壳体作为其内部传感器的结构载体和防护件，材质一般有金属和非金属两类，现以塑料件居多，本文将针对我们已完成试模打样的铝制摄像头壳体进行介绍。
产品及生产工艺
产品信息
材料使用工业纯铝，牌号1070A，纯铝塑性好，易于冷挤压成形。产品长宽高尺寸为23mm×23mm×17.5mm，轮廓尺寸公差±0.05mm，体积2038mm3，重量5.5g。因冷挤压后的产品尺寸和表面粗糙度满足要求，故锻后无CNC加工，产品图如图1所示。
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图1 产品图
设备选型
此系列产品冷挤压成形吨位预估不足60t，虽然成形吨位小，但因设备吨位限制，故只能选用500t油压机。
成形工艺与模具设计
此系列产品结构可使用型材冷挤压一次成形，冷挤压对坯料重量、体积和端面的要求较高，需采用精密锯切下料。型材锯切后的坯料形状、尺寸见图2；模具结构简图如图3所示。
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图2 坯料形状与尺寸
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图3 部分模具结构简图
上模芯在向下运动过程中，头部的导向杆穿过坯料中心孔，与下模顶杆接触发生导向；上模芯再继续向下运动，中部方形杆与下模芯接触发生二次导向，故对模具材料和加工精度要求较高，否则极易引起上模芯偏载断裂。在退料后，下模顶杆依靠重力和下模顶杆弹簧的作用恢复到位。
成形与模具应力模拟分析
模拟参数设定
原材料尺寸：长宽高为22.6mm×22.6mm×5.3mm，重量约5.5g；网格划分：网格数量为102863个，最小网格尺寸为0.385mm，网格比例2.5；摩擦系数：剪切摩擦系数0.2；运动与步长：上模运动速度1mm/s，步长值0.035mm。
模拟结果分析
模拟成形终步产品填充情况与产品尺寸(386步)，如图4所示。
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图4 成形终步产品尺寸
等效应变分布云图如图5所示，成形过程中，壳体的等效应变分布较为均匀，最大值不大于3.9；最大等效应变出现在成形终步，位于壳体头部毛刺位置，最大值5.93。
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图5 等效应变分布云图
等效应力分布云图见图6，在刚开始发生塑性变形的过程中，应力集中在壳体内壁，最大值不小于134MPa；随着变形程度的增大，等效应力分布趋于均匀，最大值不小于140MPa，出现在成形终步，主要分布在壳体头尾的端部。
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图6 等效应力分布云图
变形速度分布等高线图见图7，随着变形程度的加大，变形速度也随着加快，呈层状分布，成形终步在壳体头、尾部出现最大变形速度，最大值不小于29mm/s，在闭式挤压模拟中，此位置易出现不收敛情况。
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图7 变形速度分布等高线图
在冷挤压成形过程中，如果应变速率太快，易出现开裂的风险，图8为壳体成形过程中破损／破裂预测分布云图，在成形过程的220～330步之间，系数值在1.1～1.5之间，破损／破裂的风险较高，壳体内壁存在破裂风险，在试模时需留意观察。
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图8 破坏／破裂预测分布云图
模具应力分析
因为产品尺寸较小，导致模具结构强度稍弱一些，在模具的结构上还需进一步研究，所以针对设计的模具结构做了应力模拟分析。闭式冷挤压成形，成形终步的吨位最高，模具所承受的压力也最大，因此，选取成形终步时的模具受力情况进行应力分析。
成形终步发生在0.1s时，图9为模具应力分布云图：左上为模具整体的应力分布云图，最大应力1320MPa；右上为上模芯模具应力分布云图，最大应力1070MPa；左下为下模芯模具应力分布云图，最大应力1320MPa；右下为下模顶杆模具应力分布云图，最大应力1110MPa。
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图9 模具应力分布云图
由应力分布云图可以看出，仅下模芯的最大应力超出1300MPa，最大应力集中在型腔R角处。因此，需对下模芯模具结构进行加强，此情况在设计之初就已经考虑到，故在下模芯基础之上设计有预应力圈，以此来增强下模芯结构强度。其余模具的最大应力在1100MPa左右，无需做特殊加强，仅需选用优质冷挤压模具材料，做优化处理即可。
试模
油压机参数设定：吨位压力设定80t，油压机滑块下压速度1mm/s，图10为试验用到的500t油压机。
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图10 500t油压机
试模过程中，虽然成形吨位较小，但由于成形走料、导向间隙和模具的弹性变形，会导致一定的偏载，使导向间隙不均匀，间隙大的地方有毛刺产生；同时产品外壁没有设计拔模角度；在脱模顶出时，产品会产生变形，尺寸超差。试模后，观察壳体内腔表面状况相对良好，无明显破损和拉毛痕迹。后续外壁会增加0.5°的拔模斜度和整形模进行改善。图11为此产品侧面裁切后的成品与U盘的比较图，图12为此系列产品与圆珠笔的比较图。
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图11 裁切侧边后的产品与U盘大小比较
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图12 该系列产品与圆珠笔的比较
结束语
在依靠经验进行工艺和模具设计的过程中，当无法定性判断缺陷且计算难度较高时，可以借助Deform-3D对此进行模拟分析，有助于对没有把握的风险进行判断，从而来提升试模的成功率和模具设计的可靠性。
——文章选自：《锻造与冲压》2022年第5期
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