超 高強 iPad 鋁合金殼體 加工 工藝與模具設計 材料科學與工程

本科 畢業設計

專案名稱： 超 高強 iPad 鋁合金殼體加工工藝與模具設計

專業班級： 材料 1810 班

姓名： 席淳

學號： 8204182525

指導老師： 林高用教授

完成時間： 2021。12。31

超 高強 iPad 鋁合金殼體 加工 工藝與模具設計

《 畢業設計 》 任務書

課題名稱： 超高強 iPad 鋁合金殼體加工工藝與模具設計

設計要求：

1、要求透過文獻查閱，瞭解超高強鋁合金特性、衝壓成形技術、

衝壓模具設計等，並 進行簡要綜述；

2、要求分析指定的 iPad 鋁合金殼體 產品加工成形的可選方案，

並選定本課題的技術方案；

3、繪製 超高強 iPad 鋁合金殼體加工 的工藝流程圖 ；

4、根據工藝流程圖，要求對 衝壓工藝與模具進行 詳細設計，若

可能，進行適當的 C AE 分析；

5、整理設計說明書，要求包括：課題背景、方案選擇、工藝流

程與模具設計、 C AE 分析、結束語、參考文獻等；

6、設計製作答辯 ppt 講稿，按時參加畢業設計答辯；答辯講述

時間為 8-1 0分鐘。答辯後根據老師意見再次進行修改完善；

7、按學院統一要求列印裝訂，並在規定時間提交。

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目 錄

第一章 引 言 ………………………………………………………………………………………………………………………………。。。。 4

1。1 選題背景及目的 ………………………………………………………………………………………………………………。。。 4

1。2 課題研究方法 ……………………………………………………………………………………………………………………。 4

第二 章 7E01 鋁合金 ……………………………………………………………………………………………………………………。。。。 5

2。1 合金成分設計 ……………………………………………………………………………………………………………………。 5

第三章 冷軋板固溶處理 ………………………………………………………………………………………………………………。。。。 5

3。1 固溶工藝設計 ……………………………………………………………………………………………………………………。 5

3。2 裝置 ………………………………………………………………………………………………………………………………。。。。。 5

第四章 衝壓工藝設計 ……………………………………………………………………………………………………………………。。 6

4。1 衝壓件的工藝分析 …………………………………………………………………………………………………………。。。。 6

4。2 排樣設計及材料利用率計算 ……………………………………………………………………………………………… 8

4。3 工藝方案的確定 ………………………………………………………………………………………………………………。。。 8

4。4 工藝計算 …………………………………………………………………………………………………………………………。。。 8

第五章 衝壓模具設計 …………………………………………………………………………………………………………………… 11

5。1 模具的結構形式 ………………………………………………………………………………………………………………。 11

5。2 模具刃口尺寸計算 …………………………………………………………………………………………………………。。 12

5。3 零件設計及標準件選擇 ……………………………………………………………………………………………………。 12

第六章 修邊模具 …………………………………………………………………………………………………………………………。。 16

6。1 修邊模具設計 …………………………………………………………………………………………………………………… 16

6。2 時效處理 ………………………………………………………………………………………………………………………… 16

第七章 表面處理 …………………………………………………………………………………………………………………………。。 17

7。1生產工藝 …………………………………………………………………………………………………………………………。。 17

7。2 裝置概括 …………………………………………………………………………………………………………………………。 18

7。3生產工藝 總結 …………………………………………………………………………………………………………………… 19

第八章 結束語 ……………………………………………………………………………………………………………………………… 20

參考文獻 ……………………………………………………………………………………………………………………………………。。。。 21

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第一章 引 言

1。1 選題背景及目的

隨著資訊科技的高速發展，電子產品更新換代速度越來越快。傳統的塑膠

殼體，已經無法滿足人們對 iPad 便攜、高強、散熱良好的需求。在這種背景下，

人們開始考慮採用強度更高，散熱效能良好的替代品。

在有色金屬當中， 高強鋁合金具有密度低、強度高、加工效能好及焊接性

能良好等特點 ， 被廣泛應用於航天、航空工業及民用工業等領域。在平板電腦

殼體的應用上， 高強鋁合金衝壓成型技術的前景較好，不僅可以減輕質量，外

形美觀，還擁有良好的電磁遮蔽能力，日趨成為平板電腦生產廠商的研究方向。

如何合理的設計並最佳化高強鋁合金 iPad 殼體工藝，成為了當下需要解決的一個

技術難題，也為大平面薄壁零件的衝壓生產積累經驗。在整個課程當中，同學

們在老師的指導下進行了對高強合金 iPad 殼體衝壓工藝的最佳化設計。

1。2 課題研究方法

設計了一種原料為 7E01 鋁合金的高強 iPad 殼體制備工藝。透過對 iPad 殼

體效能要求及工藝性的分析，選擇 7E01 鋁合金為原料，首先設計了一種厚度 為

0。5mm 的板料製備工藝，然後對 iPad 殼體進行衝壓工藝分析並設計出拉深模具

與修邊模具，最後對殼體進行電泳塗漆的設計，提了一種完整的高強 iPad 殼體

加工工藝與模具設計 方案。

圖 1。1 iPad 殼體制備工藝流程圖

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第二 章 7E01 鋁合金板材

2。1 合金成分設計

某公司自主設計命名 7E01 鋁合金， 在 Al-Zn-Mg-Cu 高強合金的基礎上，

加入稀土元素 Er ，能有效優化合金的冷變形能力，新增適量的稀土元素能明顯

細化鋁合金的顯微組織，改善合金的力學效能，但新增過量稀土元素將使晶粒

變得粗大，惡化合金的使用效能。設計合金成分如下：

表 2。1 7E01 鋁合金成分表

化學元素 Zn Mg Cu Mn Cr Er 雜質元素 Al

質量分數 /% 7。57 1。96 2。44 0。40 0。21 0。25 ＜ 0。50 餘量

本次設計使用 0。5mm 厚的 7E01 鋁合金 冷軋板，生產高強 iPad 鋁合金殼體。

第三章 冷軋板固溶處理

3。1 固溶工藝設計

為提高板料塑性，在冷變形過程中防止開裂， 採用單級固溶，選取固溶溫

度為 475 ℃ ，固溶時間為 60min 。在固溶處理後，應立即對試樣進行室溫水淬，

淬火轉移時間小於 5s 。

3。2 裝置

固溶處理在 KSL-1100X 箱式電阻爐內進行，爐溫誤差控制在 ±2℃ 內。

其爐膛尺寸為 100x100x100mm， 做為單純的箱式爐可對樣品在空氣環境下進

行熱處理。此款裝置配有石英爐管和不鏽鋼密封法蘭，可對樣品在真空或氣氛

保護環境下進行熱處理。裝置最高溫度可達 1100 ℃ ，而且功率僅僅為 500-

700W 。另外裝置體積較小，可放入到手套箱裡操作。

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第四章 衝壓工藝設計

4。1 衝壓件的工藝分析

衝壓件的零件圖如圖 4。1 所示

圖 4。1 零件圖

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圖 4。2 產品 圖

零件的結構工藝性分析如表 4。1 所示 。

表 4。1 工藝性分析表

此零件的設計過程中，有拉深這一工藝過程，液壓機沒有固定的行程，不

會因薄板的厚度的變化而超載，特別是對於需要很大的施力行程加工時，具有

明顯的優點，並且液壓機下面可以原有的液壓機頂缸，用來頂出零件，所以選

用液壓機。

分析專案 衝形件的形狀尺寸 工藝性允許值 分析結論

拉深工藝性

形狀 盒型

形狀相對簡單，拉深

容易起皺，需要壓

邊。

圓角半徑 R4 、 R6 ＞ 1。5t=0。75

拉深壓邊 t/D × 100=0。19 ﹤﹤ 3

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4。2 排樣設計及材料利用率計算

4。2。1 排樣方式

為使模具設計簡單以及送料方便，故選用尺寸為 1000 ｘ 750mm， 厚 0。5m m

的板料，每塊生產 6件。

4。2。2 材料利用率計算

4。3 工藝方案的確定

該零件加工的基本工序確定為落料 -拉深 -修邊。

4。4 工藝計算

4。4。1 落料工序

落料工序採用平刃口

毛坯展開尺寸為 340 × 293mm

落料力

F落=1。3F 0=1。3Lt τ=1。3 ｘ 2ｘ （340 +29 3）ｘ 0。5 ｘ 140=126。3KN

其中 t— 材料厚度 ，單位為 ［mm］ ；

τ— 材料抗剪強度， 單位為 ［Mpa］；

L— 衝裁周長 ，單位為 ［mm］ ；

卸料力

F卸=K 3F落

查文獻 ［3］ 表 2-10 得 K3=0。08

F卸=0。08 ｘ 126。3=10。1KN

所以

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F總=F落+F卸=252。6+10。1=262。7KN

選擇 Y32- 300 型液壓機

確定凸、凹模尺寸及製造的原則：

（1） 落料件的尺寸取決於凹模尺寸，衝孔尺寸取決於凸模尺寸。

（2） 根據刃口的磨損規律，如果刃口磨損後尺寸變大，則刃口應取接近或等

於工件的最小極限尺寸，如果刃口磨損後尺寸減少，則刃口應取接近或等

於工件的最大極限尺寸。

（3） 在選擇凸凹模尺寸公差時，既要保證工件的精度要求和合理的衝裁間隙，

又不能使凸凹模的尺寸精度過高。

對於簡單形狀的衝裁模具一般採用凸凹模分開加工

落料件尺寸 D0-△

Dd=（D-x △ ）0δd

Dp=（D-Z min ）0-δp=（D-x △ -Zmin ）0-δp

式中

Dd、 Dp— 分別為落料件凹模和凸模尺寸

△ — 工件公差

δp、 δd— 分別為凹模、凸模製造公差

x— 磨損係數

工件精度為 IT14 取 x=0。5 ，對直邊部分

查文獻 ［3］ 表 2-6 得 δp=0。035mm

δd=0。050mm

查文獻 ［8］ 附表 1 得 △ 1=1。3 mm

△ 2=1。4 mm

表 1-2-20 Zmin =0。01 mm

Dd1=（ 293-0。5 ｘ 1。3 ） 0+0。05 =292。35 0+0。05

Dd2=（340-0。5 ｘ 1。4） 0+0。05 =339。3 0+0。05

圓角部分

D0=24 D0‘=22

查文獻 ［3］ 得 δp=0。02 mm

δd=0。025 mm

超 高 強 iPad鋁 合 金 殼 體 加 工 工 藝 與 模 具 設 計

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查 文 獻 ［8］附 表 1 △ 1=△ 2=0。52mm

表 1-2-20 Zmin=0。1mm

Dd0=（24-0。5ｘ 0。52）0+0。025=23。740+0。025

Dp0=（23。74-0。1）0-0。02=22。640-0。02

Dd0’=（22-0。5ｘ 0。52）0+0。025=21。740+0。025

Dp0‘=（21。74-0。1）0-0。02=21。640-0。02

4。4。2拉 深 工 序

查 文 獻 ［8］表 1-4-29盒 形 件 一 次 拉 深 時 的 拉 深 力 F拉

F拉=（2A+2B-1。72r）tσbK4

其 中 A、 B— 盒 形 件 的 長 與 寬

r— 盒 形 件 圓 角 半 徑

t— 材 料 厚 度

σb— 抗 拉 強 度 單 位 （M pa）

K4— 系 數

H/B=18。9/260=0。07

r/B=3/260=0。0115

t/Dｘ 100=0。5/297ｘ 100=0。16

查文獻 ［8］ 表 1-4-33 得 K4=0。7

所以

F拉 =（ 2ｘ 260+2ｘ 305-1。72ｘ 3） ｘ 0。5ｘ 50ｘ 0。7

=20KN

查 文 獻 ［8］表 1-4-26得

壓 邊 力

F壓=AP

A— 壓 邊 圈 下 的 坯 料 面 積

P— 單 位 壓 邊 力

由 文 獻 ［8］表 1-4-28得 P=3

F壓=（ 293ｘ 340-260ｘ 305） ｘ 3=61KN

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總壓力

F總=F拉+F壓=20 KN +61 KN =81KN

所以選擇 Y32-100 型液壓機

第五章 衝壓模具設計

5。1 模具的結構形式

因為製件材料較薄，為保證製件平整，採用彈性壓邊裝置。為方便操作和

取件及保證壓邊力均勻，壓力機採用液壓機。在設計時，彈性壓邊圈裝在下模

的拉深模，這種模具的特點就是可選用壓力大的彈簧，橡皮或氣墊，用以增大

壓邊力，同時壓邊力是可調的，以滿足拉深件的要求。其結構形式為：

01 02 03 04 05 06 07 08 09

11

12

14 15 16 18

10

238

13

17 19

？45H7/r6

？60H7/r6

？45H6/h5

258H7/h6

268H7/k7

20

21

23

？10H7/s6 22

圖 5。1 拉深模裝配圖

拉深過程中主要是要滿足拉深時的外形尺寸，拉深過程中的問題是可能會

出現起皺，並且對於這類覆蓋件拉深時，毛坯各處的變形程度相差很大，需要

採用拉深筋來控制毛坯各段流入凹模的阻力，亦即調整毛坯周邊各邊的徑向拉

應力。拉深筋在毛坯周邊的佈置，與零件的幾何形狀、變形特點和拉深程度有

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關。在變形程度大、徑向拉應力也大的圓角處，可不設或少設拉深筋。直邊處

則設 1~3 條拉深筋，以增大變形阻力，從而調整送料阻力和進料阻力。

5。2 模具刃口尺寸計算

5。2。1 上下模 間隙 計算

由於零件一次可以拉成，所以凸模的尺寸就是零件的內部尺寸。盒形件拉

深時的間隙直邊部分和圓角部分是不相等的，直邊部分一般取 z/2=（1~1。1）t 。

直邊部分 z/2=1。0t=0。5mm

圖 5。2 凸凹模間隙

5。2。2 壓力中心計算

為了保證壓力機和模具正常地工作，必須使沖模的壓力中心與壓力機滑塊

中心線相重合。否則衝壓時會使沖模與壓力機滑塊歪斜，引起凸凹模間隙不均

和導向零件加速磨損，造成刃口和其他零件的損壞。在拉深過程中，壓力是不

均勻的，並且此零件的幾何形狀不是完全對稱的，所以壓力中心的計算比較麻

煩，又因為此零件近似對稱，所以就近似把它的幾何中心定義為壓力中心。

5。3 零件設計及標準件選擇

5。3。1 凸模 與凹模 的設計

凸模尺寸 260 ｘ 305 ｘ 85mm ，圓角部分為 0。8mm 。

根據模具實際結構的需要 ， 凹模 尺寸為 400 ｘ 400 ｘ 70mm ，採用平刃口，

特點是刃磨後刃口尺寸不變 。

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圖 5。6 凸模與凹模組合圖

5。3。 2彈性壓邊圈的設計

由於 殼體 的圓角部分的半徑較小，在拉深過程中可能會出現起皺的情況，

為保證正常生產，需要加壓邊圈，壓邊力的大小對拉深力有很大影響，壓邊力

太大會增加危險斷面的拉應力，導致拉裂或嚴重變薄，太小則防皺效果不好。

壓邊裝置有剛性和彈性兩種，本次設計採用彈性壓邊裝置，彈性壓邊裝置

的壓邊力系由底油缸、彈簧或橡皮產生，其中，油缸壓邊力不隨凸模行程變化，

壓邊效果較好，彈簧和橡皮壓邊力都隨行程增大而上升，對拉深不利，所以選

用油缸壓邊裝置。

彈性壓邊裝置的尺寸根據模具的實際需要設為 400 ｘ 400 ｘ 8mm ，與凸模間

隙配合 。

5。3。 3拉深筋的設計

毛坯各處的變形程度相差很大，需要採用拉深筋來調整，拉深筋的結構和

位置對覆蓋件的拉深成形的質量有極其重要的影響，拉深筋的結構與產生的阻

力密切相關，不合理的結構，將使筋的作用不能正常發揮。

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圖 5。7 拉深筋誘發外皺

拉深筋合理的位置應同時滿足下列條件

（1） 起外皺

圖 4。7 是壓筋瞬間狀態。包筋所用材料來自外緣，就外緣變形而言，其性

質純屬不帶壓邊圈情況下的拉深，應滿足不用壓邊圈的判據，否則會起外皺，

如果在 dj之外設定一平面壓邊圈並單獨施加平面壓邊力，則壓筋時外皺可以避

免。

（2） 不起內皺

由經驗得知，筋的阻力隨著位置的外移而呈上升趨勢，在結構一定的情況

下，阻力近是位置的函式。

（3） 不拉裂

阻力的增大雖然可以消除內皺，但阻力過大又會造成內部的拉裂，在筋結

構已定的情況下，透過調整位置引數可以避免。

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5。3。 4出件裝置的設計

出件裝置的結構如圖所示，這樣的設計模柄就要選用中間有孔的，以方便

打料杆從中間孔中透過，其出件過程就是打料杆 1和卸料板 2把工件敲出來。

圖 5。8 卸料裝置

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第六章 修邊模具

6。1 修邊模具設計

圖 6。1 修邊模結構圖

修邊模具中，凸模圓角取 0。4mm ，凸凹模其餘尺寸資料與拉深模具相同。

修邊機理是，凸模向內留邊，刀具在零件凸緣部分行走一圈，將凸緣部分

切離，同時凸模圓角較小起到整形的作用。

圖 6。2 修邊原理圖

6。2 時效處理

修邊後，為進一步提高殼體強度，進行時效處理， 本實驗採用單級 人工時

效 ， 條件為 120 ℃ ×24h ， 在 KSL-1100X 箱式電阻爐內進行，爐溫誤差控制在

±2℃ 內。

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第七章 表面處理

7。1生產工藝

本次設計使用彩色消光電泳塗漆的方法，對成品進行表面處理，目標是得

到厚度為 15um ，顏色為鉑灰色的 電泳 塗層。

塗漆的工藝流程為 ：前處理 → 陽極氧化 → 電解著色 → 水洗 → 熱純水洗 → 冷純

水洗 → 瀝乾 → 彩色消光電泳 → RO1 水洗 → RO2 水洗 → 瀝 幹 → 烘烤。

7。1。1 前處理

與常規表面處理方式相同，包括除油、鹼蝕、中和，鹼蝕時間的長短可根

據型材表面狀況和最終產品的表面要求確定。

7。1。2 陽極氧化

氧化膜厚的變化會引起後繼電泳漆膜厚的變化，從而引起產品顏色的差異，

一般控制在 10~12 um， 膜厚差在 +2。5 um 內對顏色無明顯影響。

7。1。3 單鎳鹽電解著色

均勻 著色顏色深淺，對最終產品的顏色起著決定作用，因而在生產過程中

應儘量減少著色色差。

7。1。4 熱純水洗

溫度控制在 60 ~80 ℃ ，時間 1~10 min， 水溫高可適當縮短水洗時間，電導

率 30~60 uS/cm， pH 4。0~6。0 。

7。1。5 冷純水洗

要求電導率小於 50 uS/cm 。

7。1。6 彩色消光電泳

電壓 180 -250 v，電流密度 10~20 A/m2 ，槽液溫度 20-25 ℃ ，固體份 10%

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~13% ，時間 2~5 min， 膜厚 15~20 μm。電泳漆膜的厚度會影響最終複合色的深淺，

因而漆膜厚度儘量控制在一個較小的範圍內，允許上下波動範圍為土 3μm。

7。1。7 瀝乾

又叫切水，指型材進固化爐前將其表面的水瀝乾，否則型材固化時，表面

的水珠揮發後，會留下水滴斑痕，一般需瀝乾 15~20min 。

7。1。8 固化

固化烘烤溫度 160~ 190C ，時間 30 ~40min， 爐溫低時可適當延長烘烤時間。

7。2 裝置概括

所用裝置與普通透明電泳差別不大，但應注意以下幾點 ：

7。2。1 電泳槽及電泳溢流槽

電泳槽及溢流槽宜用硬 PVC 板或 FRP 內襯，極板用 304 或 316 不鏽鋼，陽

極與陰極面積比為 1：1~1：2 。電泳溢流槽體積應為主槽體積的 1/4~1/3 ，陰極消

泡袋可使用聚丙烯材料製作。與透明電泳不同，彩色消光電泳消泡袋要求上、

下開口，否則顏料會在消泡袋底沉積。

7。2。2 迴圈系統

所選用迴圈泵流量應比透明電泳的大 1/5， 要求效能可靠，且保證不間斷運

行，否則易造成色漿沉積而影響生產。因此一 -般配備 -用一備兩臺迴圈泵。同

時要求溢流槽配備自迴圈泵，也需配備一用一備兩個迴圈泵。迴圈週期與主槽

的相同，對管路走向、槽底出液管的大小、出液孔的噴射方向等也有其特殊要

求，否則易產生品質缺陷。

7。2。3 精製、回收系統

精製系統與透明電泳的相同，但要考慮其精製能力與槽液總量匹配，回收

裝置比透明電泳的略大，原因在於槽液粘度和固體分均比透明電泳的大，生產

過程中槽液帶出量也比透明電泳的多。

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7。2。4 電泳電源

由於彩色消光電泳工作電壓高，電流密度大，所選擇的電源要有足夠的容

量，目前國產電源已能滿足生產要求，但紋波係數要小於 5% ，否則對產品品質

有一定影響。

7。3生產工藝 總結

圖 7。1 生產工藝圖

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第八章 結束語

本文是在 林高用 老師的指導下完成的，在 本次設計 完成之際，我要特別感

謝 林老師 的熱情關懷和悉心指導。特別是他廣博的學識、深厚的學術素養、嚴

謹的治學精神和一絲不苟的工作作風使我終生受益，在此表示真誠地感謝。 在

設計 過程中， 我 也得到了許多同學的寶貴建議，在此一併致以誠摯的謝意。

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參考文獻

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