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。

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。

图2 坯料形状与尺寸

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

图11 裁切侧边后的产品与U盘大小比较

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

GBT 38362-2021《 由隔爆外壳“d”保护的设备》解读（四）

（一）GB/T 3836.2-2021《爆炸性环境第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》----保护等级(设备保护级别，EPL)

4.1 通则

由隔爆外壳“d”保护的电气设备应是以下保护等级：

——"da"保护等级(EPL"Ma" 或“Ga”);

——“db"保护等级(EPL"Mb" 或“Gb”);

——"dc"保护等级(EPL"Gc")。

除非另有规定，本文件的要求适用于所有保护等级。

此外，作为Ex 元件的空隔爆外壳应符合附录D 的要求；隔爆外壳内使用的电池应符合附录 E 的要求；具有内部释放源的隔爆外壳应符合附录G 的附加要求；由变频器供电的具有隔爆外壳“d”的电机应 符合附录 H 的要求； I 类电气设备应符合附录 I 的补充要求。

4.2 对“da”保护等级的要求

“da”保护等级仅适用于便携式可燃气体探测器的催化式传感器。

以下“da”保护等级的附加具体要求是对本文件要求的修改或补充：

——最大内部净容积不超过5 cm³;

—— 导电体引入传感器应直接在外壳壁中使用符合第6章的密封接合面；

——传感器的呼吸装置应符合第10章，应无间隙地粘结在外壳壁上(如按6.1粘结或烧结结合), 或应用补充机械固定方式压装在外壳的壁上(如型锻);

—— 由“ia”保护等级的电路供电，最大耗散功率限制在3.3 W ( 对 I 类)和1.3 W (对Ⅱ类);和

注：催化元件一般在高温下工作。如果耗散功率增加到超过正常工作水平，元件故障造成开路。因此，要求的功率 限制提供了一个对外表面温度的限制。

——修改15.3或15.4.4(如适用)的不传爆试验以增加不传爆试验次数，如表1所示。

表 1 “da”保护等级不传爆试验次数

设备类别

不传爆试验次数

I

50

ⅡA

50

ⅡB

50

ⅡC

50次氢气和50次乙炔

4.3 对“db”保护等级的要求

除对“da”和"dc"保护等级的特殊要求外，本文件的所有其他要求适用于“db”保护等级。

4.4 对“dc”保护等级的要求

4.4.1 总则

对"dc"保护等级的要求适用于具有电气开关触点的电气设备和 Ex 元件，见4.4.2～4.4.3。

4.4.2 “dc”保护等级装置结构

4.4.2.1 总则

4.4.2.2～4.4.2.5的要求代替第5～13章的要求。对用于连接到现场布线的“dc”保护等级设备，第

13 章适用。

4.4.2.2 内部净容积

内部净容积不应超过20 cm³。

4.4.2.3 密封保护

不用作外部设备外壳的"dc"保护等级的外壳，应能承受正常处理和装配操作而不损坏密封。当 "dc"保护等级的外壳也用作外部设备外壳时，GB/T3836.1 的外壳要求适用。

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