薄壁的案例
薄壁注塑加工對注射機和模具的要求
對生產小而輕的制件的需求已經使薄壁注塑成為注塑機最需增加的性能。“薄壁”通常是由壁厚少于1mm的輕便電子制件所定義的。對大的汽車制件來說，“薄壁”可以是2mm。總之，薄壁制品要求改變加工工藝：更高的壓力和速度、更短的冷卻時間、改變制件頂出和澆口排列。以下是薄壁注塑對注射機和模具的要求。
注射機
標準的注射機可用于生產多種薄壁制品。目前新型注射機的性能大大超過了10年以前。材料、澆口技術以及設計的進步，進一步拓寬了標準注射機對薄壁制件充模的性能。但由于壁厚不斷減少，需要一種更特殊的、具有高速和高壓性能的注射機。
例如，一個厚度小于1mm的電子制件，充模時間小于0.5秒且注塑壓力超過210MPa是很正常的。用于薄壁注塑的液壓式注射機設計有儲壓器，可頻繁地驅動注塑和合模。具有高速和高壓性能的全電動注射機和電動/液壓式注射機也面世了。為了能經受得住新型注射機的高壓，鎖模力的最小值必須是5～7噸/英寸（投影面積）。
另外，當壁厚減少注塑壓力增加時，大型模板有助于減少彎曲。薄壁制品用的注射機的拉桿對模板厚度的比為2:1或更低。生產薄壁制品時，注塑速度和壓力以及其它加工參數的死循環控制有助于在高壓和高速下控制充模和保壓。
至于注射量，大直徑機筒往往太大了，建議的注射量為機筒容量的40%～70%，薄壁制品總成型周期大大縮短，有可能將最小注射量減少到機筒容量的20%～30%。
展開 基于宏觀斷裂力學的CFRP薄壁結構耐撞性能研究及應用
表1中，E、ν和G分別為CFRP結構件的彈性模量、泊松比和剪切模量，下標數字為復合材料的3個方向；f1t、f1c、f2t和f 2c分別為CFRP薄壁圓管11方向的拉伸強度和壓縮強度以及22方向的拉伸強度和壓縮強度。
表1 宏觀斷裂力學性能參數
2.2 CFRP薄壁圓管的制備與試驗
本研究所選用的碳纖維薄壁圓管材料為T300。首先將單向碳纖維預浸料纏繞在設計好尺寸的芯棒上，然后抽出芯棒，將氣囊放入在纏繞好的預浸料圓管中，再將其放入模具之中進行固定，最后用熱壓機進行加壓得到試驗試件。所制備的CFRP薄壁圓管的纖維鋪層角度和順序為[0°/90°]4（最內層為0°），其中0°與90°分別為薄壁管件的軸向與橫向方向。CFRP薄壁圓管的制造工藝流程如圖3所示，其中，CFRP薄壁圓管尺寸數據見表2。
圖3 CFRP薄壁圓管的制造工藝流程
表2 CFRP薄壁圓管尺寸參數
為保證試樣具有穩定的失效破壞模式以及減小試驗過程中的初始載荷峰值，CFRP薄壁圓管的一端被打磨成45°倒角作為觸發機制。在試驗前，將試件放置于下壓板中心，設定上壓板下移速度為2 mm/min，壓潰行程為80 mm，占總長度的2/3。整個試驗布置現場如圖4所示。
圖4 軸向壓潰試驗布置
通過耐撞性指標來研究CFRP薄壁圓管的耐撞性能，以此評價結構性能的強弱，常用的耐撞性指標如式（13）～（16）所示［15-16］。
2.2.1 最大峰值力
最大峰值力（Global Peak Crush Force，GPCF）為整個碰撞過程中出現的最大峰值力。在CFRP薄壁圓管軸向壓潰試驗中，最大峰值力一般出現在上壓板壓實階段，其數值大小用于描述碰撞過程中對乘員造成的傷害程度，通常與碰撞的初速度和加速度有關［17-18］。
展開 一種高速鍛薄壁產品變形問題的優化方案
總結
該解決方案通過增加彈性頂出機構，增加了薄壁產品頂出面積，降低了因產品特殊結構帶來的頂出過程產生的力矩，很好的解決了薄壁產品在頂出過程中容易產生變形的問題，且與其他改進方案相比該結構受產品結構、材料強度和其他限制較小，對薄壁類產品具有一定的普適性。目前該方案已在我公司多條高速鍛造生產線上推廣使用，并且取得了很好的應用效果，此次改進方案的實施，使我公司產品質量得到了提升，同時適應了市場的發展需求。
——本文節選自《鍛造與沖壓》2019年第5期。
不同沖擊速度及沖擊方式對薄壁不銹鋼鋼管材料沖擊的影響仿真
分析：不同沖擊方式導致的不銹管嚴重變形的位置不同，正弦信號沖擊、鋸齒波信號沖擊、三角波信號沖擊及矩形波信號沖擊導致的薄壁不銹管發生的最大應力處均位于薄壁管的上部分，而恒定信號沖擊位于底部累積；這是由于除去恒定信號沖擊，另外4種都是周期性信號沖擊，通過載荷曲線可以計算沖擊的總位移很小，因此沖擊最大變形處位于薄壁鋼管的上部分。此外通過云圖發現：薄壁管最大應力值出現的順序依次為正弦信號沖擊＞鋸齒波信號沖擊＞恒定信號沖擊＞矩形波信號沖擊＞三角波信號沖擊。這是由于正弦信號的加速度與頻率的二次方成正比，不斷交變的正弦信號不斷沖擊薄壁面使得不銹管在小面積處產生很大的應力集中，因此正弦信號沖擊對不銹管薄壁產生的破壞最大。對于矩形波信號，其速度為常數，因此矩形波信號的加速度為0，所產生的沖擊最小。
圖3 恒定速度沖擊下的應力等值線圖
圖4 不同沖擊方式影響（A）正弦信號沖擊（B）鋸齒波信號沖擊（C）三角波信號沖擊（D）矩形波沖擊信號
5.2最大等效應力時程曲線
最大等效應力時程曲線同樣可以通過LSPP獲取，通過曲線可以快速獲得薄壁管在任意時刻的等效應力變化情況，如圖5所示。可以發現正弦式信號沖擊的最大等效應力峰值出現在沖擊結束時刻左右，鋸齒波信號、矩形波及三角波信號沖擊所產生的最大峰值出現在1.25s左右時刻，而恒定信號沖擊所產生的峰值靠前半部分，在0.6s左右出現峰值。
圖5 5種沖擊方式的最大等效應力時程曲線
6結論
（1）在恒定信號沖擊下，沖擊速度大小直接影響薄壁不銹管的變形程度，速度大的變形可以看成是小速度沖擊鋼管的累積結果。
（2）沖擊方式也會影響薄壁不銹管的變形程度以及最大變形的位置，正弦信號沖擊所產生的變形最嚴重，恒定信號沖擊次之，三角波信號沖擊最弱。
（3）不同沖擊方式所產生最大等效應力的時間不同。
展開 
數控車削加工薄壁零件的技巧
結論
以上方法加工薄壁套管，解決了變形或造成尺寸誤差和形狀誤差而達不到要求的問題，實踐證明加工效率較高，易于操作，并且適合加工較長的薄壁零件，尺寸易掌握，次性完工，批量生產也較實際。
UG丨薄壁零件加工的高效裝夾方式分享！
如今制造業中難加工材料大量應用，其加工性能差與結構整體化帶來的結構復雜化和高材料去除率，給薄壁復雜結構件加工帶來了巨大挑戰，對制造裝備、工藝技術等也提出了更高要求。特別是大型弱剛性曲面結構件、薄壁回轉體類零件、薄型多面體類等零件，在裝夾技術方面亟待突破。
薄壁零件加工的柔性工裝設計
航天類的薄壁復雜結構件具有弱剛性、形狀結構相似等共性特征，同時型號種類呈現系列化發展特點，如艙體和端框類，舵面和翼面類等，這些零件的定位和夾緊規律性強。薄壁整體結構在切削加工中零件剛性隨大量毛坯材料的去除而變化，結構剛性低且復雜，因而客觀上要求加工中工件夾緊力要實時調整以適應零件整體動態剛度的變化;需要進行多點輔助支撐，以提高加工部位的局部剛度，減少薄壁變形。
展開 鋁合金薄壁殼體低壓鑄造工藝方案設計
摘要
針對鋁合金薄壁殼體生產中，縮松、縮孔缺陷多，力學性能差的問題，本研究設計了底注式和縫隙式相結合的澆注系統，綜合運用鑄造數值模擬仿真、響應面分析等手段，優化了鑄造工藝方案。結果表明：優化后的鋁合金薄壁殼體無縮松、縮孔缺陷，二次枝晶間距減小了10.87%，顯著提升了鑄件的力學性能。通過金相分析，驗證了本低壓鑄造工藝方案的正確性。
隨著碳中和概念的提出，節能環保再一次成為人們關注的熱點問題。這也促使機械制造業朝著輕量化發展，鋁合金鑄造作為制造業重要的一環，為了達到輕量化的要求，鑄件的壁厚越來越薄也是必然的趨勢。但鋁合金薄壁件具有難以成形、缺陷多的特點，造成這類零件良品率低的問題。
本文以鋁合金薄壁殼體為研究對象，在建模軟件CATIA中建立帶有澆注系統的三維模型，應用Procast對鑄件鑄造成形過程進行數值模擬計算。根據計算結果，優化設計澆注系統，再利用Design-expert軟件設計響應面試驗，優化鑄造工藝方案，最后進行冷卻系統設計。最終獲得了成形質量高且力學性能良好的鋁合金薄壁殼體鑄件。
1 原工藝分析
1.1 鑄件結構與原始澆注系統
本文研究對象為鋁合金薄壁殼體，鋁合金牌號為A356。其外觀如圖1所示，鑄件特征為形狀細而長，縱向高度差異大，壁厚較薄的異型鋁合金殼體。鑄件尺寸為：733.5 mm×230.6 mm×495 mm；鑄件壁厚大多在6 mm，且存在大量加強筋和肋板，鑄件左側高度明顯高于右側，使得鑄件左側相比右側難以補縮。根據鑄件幾何特征，初步設計澆注系統如圖2所示。
展開 考慮振動與穩定性的帶筋薄壁結構變密度拓撲優化方法
關鍵詞：帶筋薄壁結構；固有頻率；屈曲穩定性；變密度法；拓撲優化；
帶筋薄壁結構因具有質量輕、強度高的優點，在汽車制造、航空航天、船舶工程等眾多工程領域中得到廣泛應用，已成為現代工程設計中不可或缺的重要組成部分。然而，在復雜外部載荷作用下，該類結構的振動與屈曲穩定性問題依然是設計過程中的關鍵挑戰：振動易引發結構疲勞損傷，縮短其服役壽命；屈曲失穩則可能導致結構整體失效，甚至引發嚴重安全事故。傳統設計方法多依賴于工程經驗或采用簡化優化策略，往往難以在輕量化目標、振動特性與屈曲穩定性三者之間實現有效平衡，從而制約了結構性能的進一步提升。為應對上述問題，本文基于有限元分析與變密度拓撲優化理論，提出一種綜合考慮固有頻率與屈曲穩定性的帶筋薄壁結構拓撲優化設計方法，旨在為工程實際提供一種高效可靠的設計方案，在保證結構綜合性能的基礎上實現有效的輕量化設計，基本的工作流程如圖1所示。
圖1 工作流程圖
在帶筋薄壁結構拓撲優化領域，傳統的變密度拓撲優化方法暴露出一定的局限性，由于該方法難以直接獲取筋條特征，導致其在實際應用中受到限制。鑒于此，針對帶筋薄壁結構拓撲優化這一特定場景，在傳統方法的基礎上加以改進和完善顯得尤為必要。如圖2、圖3所示，為使最終優化結果收斂至具備顯著筋條特征的形態，本文以背景映射法為依托，提出一種適用于不同構型的薄壁筋條特征約束方法，能夠靈活應用于平板、馬鞍面以及更復雜的曲面結構，為分析優化奠定了堅實基礎。
圖2 背景映射法
圖3 筋條特征約束
結構的固有頻率和線性屈曲載荷分析本質上都是求解數學上的廣義特征值問題。在優化過程中，不同的特征值之間極易發生序列跳變（即特征值重根、交叉等現象），導致優化算法震蕩、難以收斂。
展開 鋁泡沫填充薄壁結構耐撞可靠性優化設計
泡沫填充薄壁結構能有效地改善汽車薄壁吸能部件的耐撞性。為設計更輕與更有效的吸能結構并滿足汽車安全性設計要求提出一種新穎的輕質鋁泡沫填充雙管薄壁結構并對其耐撞性展開確定性最優化設計。但是由于薄壁結構的厚度、屈服強度以及鋁泡沫的密度等設計參數易受到仿真以及制造誤差等不確定性因素的影響導致確定性最優解收斂于約束邊界從而丟失了應有的使用可靠性要求。因此提出基于Kriging近似模型與一階可靠性分析方法的鋁泡沫填充結構可靠性最優設計方法并進一步開展基于參數不確定性的鋁泡沫填充結構的耐撞性可靠性優化設計研究。優化結果顯示可靠性最優解不僅遠離約束邊界而且較好地滿足了鋁泡沫填充結構的安全性與可靠性設計要求。
鋁泡沫填充薄壁結構耐撞可靠性優化設計.pdf
展開 汽車電動踏板擠出薄壁件結構優化（一）
薄壁擠出件
電動踏板的面板材質為鋁合金，加工工藝為擠出成型：將鋁合金加熱到一定溫度通過模具推擠，得到特定形狀的薄壁件產品。該成型工藝的特點是產品沿垂直斷面方向成型，沿成型方向壁厚一致，因此斷面優化設計是產品開發的關鍵。
薄壁擠出件截面優化存在如下兩個問題：1）最優解問題，依據經驗設計，斷面設計的可行解非常多，需要在眾多可行解中找出最優解；2）薄壁件厚度分配問題，按需分配材料厚度，進行斷面尺寸非等厚設計，充分發揮材料作用。
本文旨在解決薄壁殼體結構的設計問題：搜索最優截面、非等厚截面設計，達到剛質比最優。該方法同樣可適用于汽車固定踏板、行李架等薄壁擠出件。
3. 擠出件結構優化
針對某主機廠已量產產品，對面板進行優化設計，提升產品剛度。
3.1 設計空間
依據功能性需求，將零件劃分為可設計區域和非設計區域，見下圖
圖2 設計空間示意圖
3.2 工況定義
考慮到面板踩踏性能，設置8個加載工況，踩踏重量150kg，評估踏板剛度。
圖3 工況定義
3.3 截面拓撲優化
設計變量：采用變密度法，將設計域單元屬性作為設計變量；
優化目標：將八個工況的最小加權柔度作為優化目標，設置不同加權系數；
約束條件：體積分數20%；
圖4 拓撲優化概念圖
通過拓撲優化得到了擠出截面的最優概念圖，可以依據此概念圖布置加強筋，重構三維模型。但是拓撲優化后的模型，并不包含完整的壁厚信息，因此還需進一步優化截面各區域壁厚。
展開 計算機仿真克服薄壁鎂壓鑄件帶來的挑戰
制造薄壁鎂壓鑄件充滿挑戰
在過去數年,Schaufler和其它壓鑄模具制造商因應汽車生產商的要求,制造薄壁壓
鑄件的模具,從而降低汽車重量.其中令人最感興趣的是結合減輕重量及改善性能兩項
1
優點的薄壁鎂合金進氣歧管.但是,鑄造這些零件并不容易,鎂的比熱容較小,比鋁還
要小,換言之鎂冷卻速度非常快,令充型過程存在過早凝固的危險,尤其是目前流行的
1.8至2 mm壁厚壓鑄件而言,這問題顯得更具挑戰性.
為避免過早凝固的問題,從前工程師采用高速
充填,速度經常達到內澆口60m/s和薄壁區域
100m/s以上.不幸的是,高的流動速度會引起
卷氣和漩渦,產生困氣,導致出現氣孔和氧化
夾雜的情形.在一般情況下,這些問題可通過
改變壁厚或在鑄件適當的地方增加流動信道來
克服.然而,所謂適當的改變并不可以輕易判
斷出來.過去,只有試模這種辦法來評估模具
設計師設計新模或改模的效果;并且生產部份
零件,透過X光確定零件是否存在不能通過汽車商OEM質量標準的內部缺陷.
既有的困難和耽擱
這種試模的結果只能提供少量,甚至不能提供有關充型過程中臨界流動模型的資
料,工程師不得不依靠直覺和猜測其流動細節.幸好情況近年有所改變.隨著計算流體
動力學(CFD)軟件發展成熟,工程師可于第一次分析測試,便能精確地仿真壓鑄的高
速流動過程.計算流體動力學(CFD)通過將流動區域分解為數十萬個的計算網格單元,
根據流體力學和傳熱學方程,求解最終結果.
經過適當的驗證,CFD分析讓工程師'觀察'模具內部的壓鑄過程,并能及時確定
模具型腔中,流體前沿的精確位置及金屬液任何一點的溫度和壓力.模具的幾何模型可
以在計算機上快速改變,并重新分析來確定改變的效果.
展開 
不可思議，一夾具解決所有薄壁加工難題
薄壁件的加工和夾緊一直是業界的困難之一，現場加工方法很多，但適合于大批量生產的方法未幾。我們采用了一種浮動三爪夾具，不需要過大的夾緊力就可實現薄壁件加工的定位和夾緊，大大改善了加工效果。
眾所周知，薄壁件夾緊外圓進行車削加工時，在夾緊力的作用下，零件易產生變形，從而影響加工精度，工件尺寸公差不易保證。
如加工的一種出口件8T-4556的加工為例，其外圓直徑412mm，壁厚為25mm，屬薄壁件，且毛坯為鑄造方式生產，存在外形不規則的特點，工藝要求在以外圓為夾緊定位基準的條件下，車削端面和內孔，內孔尺寸公差帶只有0.08mm。
試制該零件時，我們曾采用傳統的軟三爪夾緊外圓的方式，夾緊時工件易變形，影響加工精度，同時，由于毛坯外圓不規則，夾緊定位不穩定，為了減少變形，需減小夾緊力，但這樣可能會出現夾不緊的情況。
對此，我們突破傳統的通過加大裝夾接觸面積（加開縫套筒）的方式，采用了一種六點定位夾緊的浮動三爪（如圖1），在實際應用中取得了較好的效果。
圖1浮動三爪夾緊
浮動三爪夾具的組成及工作原理
我們采用的浮動三爪夾具包括三爪本體、連接塊、夾緊釘及特殊鑲套。三爪本體通過鑲套連接在連接塊上，連接塊像普通三爪一樣與車床卡盤連接，六個夾緊釘成對分別固定在三爪本體上，以鑲套為支點，連同三爪本體隨毛坯外圓的高低起伏，有微量的浮動（浮動量有嚴格要求，不可隨意給定），起到浮動夾緊作用。夾緊釘帶錐的尖部隨著夾緊力的作用扎進毛坯表面一定深度，不需要過大的夾緊力，就可以實現薄壁件加工的定位和夾緊，防止工件變形。
展開 這類薄壁零件，使用 SOLIDWORKS 實體直接生成可事半功倍 | 操作視頻
薄壁零件是常見的一類零件，本期我們通過包角、角碼這兩個薄壁零件進行建模演示，來解決有些薄壁零件不方便直接使用鈑金、曲面等工具建模的問題。
包角實體生成薄壁所用的方法：
點擊特征選項卡內的抽殼 >
設置厚度 >
選擇要移除的面。
不可思議，一夾具解決所有薄壁加工難題
薄壁件的加工和夾緊一直是業界的困難之一，現場加工方法很多，但適合于大批量生產的方法未幾。我們采用了一種浮動三爪夾具，不需要過大的夾緊力就可實現薄壁件加工的定位和夾緊，大大改善了加工效果。
眾所周知，薄壁件夾緊外圓進行車削加工時，在夾緊力的作用下，零件易產生變形，從而影響加工精度，工件尺寸公差不易保證。
如加工的一種出口件8T-4556的加工為例，其外圓直徑412mm，壁厚為25mm，屬薄壁件，且毛坯為鑄造方式生產，存在外形不規則的特點，工藝要求在以外圓為夾緊定位基準的條件下，車削端面和內孔，內孔尺寸公差帶只有0.08mm。試制該零件時，我們曾采用傳統的軟三爪夾緊外圓的方式，夾緊時工件易變形，影響加工精度，同時，由于毛坯外圓不規則，夾緊定位不穩定，為了減少變形，需減小夾緊力，但這樣可能會出現夾不緊的情況。
對此，我們突破傳統的通過加大裝夾接觸面積（加開縫套筒）的方式，采用了一種六點定位夾緊的浮動三爪（如圖1），在實際應用中取得了較好的效果。
圖1浮動三爪夾緊
浮動三爪夾具的組成及工作原理
我們采用的浮動三爪夾具包括三爪本體、連接塊、夾緊釘及特殊鑲套。三爪本體通過鑲套連接在連接塊上，連接塊像普通三爪一樣與車床卡盤連接，六個夾緊釘成對分別固定在三爪本體上，以鑲套為支點，連同三爪本體隨毛坯外圓的高低起伏，有微量的浮動（浮動量有嚴格要求，不可隨意給定），起到浮動夾緊作用。夾緊釘帶錐的尖部隨著夾緊力的作用扎進毛坯表面一定深度，不需要過大的夾緊力，就可以實現薄壁件加工的定位和夾緊，防止工件變形。
展開 薄壁零件加工技術研究
三、工裝設計
1、數控車工裝
由于在首道工序切斷后，仍有φ6+0.10/+0.02mm的通孔與φ12.7mm、深0.3mm孔結構要素未滿足要求，還需調頭加工，而零件為典型薄壁結構，內部存在深槽，不能使用常規的堵頭、襯套等夾具進行裝夾加工防止變形。因此，通過設計專用工裝來滿足要求。
通過改變夾緊力方向來防止裝夾變形，與零件φ8.6mm內孔配合，螺母壓緊端面加工，保證總長與φ12.7mm孔尺寸。通過螺母壓緊端面改變夾緊力方向，避免薄壁部分裝夾變形。具體裝夾如圖4所示。
（a）
（b）
圖4 10工序工裝及裝夾示意
2、線切割工裝
為保證薄壁盡量不受切削力的影響發生變形，經過數控車工序，其余尺寸要素選用線切割保證。15工序線切割主要加工內容是將R9mm圓外部分切除。由于零件材料為蒙乃爾棒，不具有磁性，不能通過吸附定位，同時經過數控車的加工，零件已成薄壁結構，不能使用虎鉗等普通裝夾方式進行裝夾定位。因此，通過設計專用工裝滿足要求。
通過改變夾緊力方向來防止裝夾變形，與零件內錐面配合，使用內錐面對零件進行定位，避免薄壁部分裝夾變形。具體工藝內容與裝夾如圖5所示。
（a）
（b）
圖5 15工序工裝及裝夾示意圖
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