金屬結構件的案例
Altair-OptiStruct拓撲優化功能在兒童座椅金屬結構設計中的應用案例分析
摘要
本課題利用Altair-OptiStruct拓撲優化分析軟件對兒童座椅內部金屬結構件進行輕量化設計研究，優化后結構布局更合理且質量減輕30%，旨在探索了一種結構優化合理設計和省材減重的方法。
一、研究背景
兒童座椅在進行碰撞測試的法規試驗中，主要通過座椅內部的金屬結構件來承擔的沖擊力，從而保證整椅結構的完好性，達到保護乘員兒童的效果。在座椅的研發階段，結構工程師為了順利通過碰撞測試，往往對金屬件進行過剩設計，一方面，可能造成材料浪費、座椅過重；另一方面，可能由于結構過強、吸能效果差，導致兒童假人在沖擊過程中各項傷害值超標。為了解決這一問題，嘗試對某款產品的金屬結構件進行輕量化分析，希望能為結構工程師提供設計方向。
二、分析思路
通過分析該金屬結構件在座椅中的裝配關系以及法規要求下不同動態工況的受力狀態，碰撞主要考察座椅在不同安裝方向下的正碰、后碰和側碰工況。合理地設置約束與加載進行拓撲優化分析，再將優化后結構代入動態工況中進行校核驗證，強度滿足且假人傷害值達標即可。
三、方法步驟
本案例選取座椅底座上的金屬壓板件作為研究對象。首先厘清結構件與座椅其他件的連接、接觸關系以及碰撞過程中的受力狀態，再合理設置優化分析的邊界條件，具體步驟：1.兩側與isofix外殼焊接，將其下邊緣自由度完全約束；2.孔與底座螺柱連接，對washer單元僅釋放Z方向自由度，并對每個孔向下施加載荷500N模擬孔的拉力；3.翻邊面與其他金屬結構表面接觸，在此表面均勻施加200N的載荷。
展開 28臺金屬3D打印機生產200萬個金屬件，ExOne匹茲堡打印中心
2021年6月28日，南極熊獲悉，ExOne在美國賓夕法尼亞州匹茲堡郊外的金屬3D打印中心現在有28臺金屬3D打印機連續運行，專門為工業客戶和服務商生產不銹鋼零件。今年6月份，這個金屬3D打印中心完成了一個里程碑，生產了200萬個3D打印部件，涉及多種金屬零件。
粘合劑噴射3D打印公司ExOne自1995年創立以來，主要致力于創建由粉末狀金屬和沙子制成的零件。然而，在過去幾年里，競爭加劇，導致ExOne（納斯達克股票代碼：XONE）在其增材制造解決方案上推陳出新。作為其3D打印系統戰略的一部分，他們設計了一個打印中心，被稱為EACs，為考慮購買金屬粘合劑噴射3D打印機器的客戶提供工業3D打印系統和服務。這些中心能夠用各種工業材料和行業領先的產量進行打印，以滿足工業客戶的需求。
△金屬3D打印的需求，圖片來源：ExOne
位于全球各地的EACs每天在金屬增材制造系統上為工業客戶生產零件，并為Sculpteo和Xometry等服務商按需生產。例如，3D打印服務提供商Shapeways與ExOne公司有著長達10年的合作關系，并依靠該公司的粘合劑噴射機生產了超過100萬件不銹鋼件。
ExOne位于賓夕法尼亞州的金屬3D打印中心，自2005年以來一直在運營，最近增加了兩臺新的X1 25Pro金屬打印機，專門用于生產不銹鋼合金316L和17-4PH。該生產級工業系統于2019年發布，可以長期連續運行，以相對便宜的成本制造各種金屬物體。
△ExOne公司賓夕法尼亞州打印中心的Elnik爐，圖片來源：Business Wire
中心將增加新的3D打印機和大約十幾個熔爐，包括一個Elnik MIM3045 高容量批量爐 。
展開 不銹鋼沖壓件與普通金屬沖壓件的不同之處
五金沖壓件加工廠，加工不銹鋼沖壓件，加工普通材質的金屬沖壓件。所謂的普通沖壓件就是碳鋼材質的沖壓件，不銹鋼沖壓件的材質常用的有304和316不銹鋼。碳鋼沖壓件和不銹鋼沖壓件是在各行業的應用非常廣泛。下面我們就來看下不銹鋼沖壓件與普通沖壓件相較有哪些優勢。
不銹鋼沖壓件的機械性能要好，其硬度高，耐磨性能好，耐腐蝕，耐高溫。不銹鋼沖壓件在較為惡劣的環境下，不易銹蝕，使用壽命長。不銹鋼沖壓件在航天、航空、軍工、機械、農機、電子、信息、交通、化工、醫療器具、日用電器及輕工等行業都有應用到。由此可見，雖然不銹鋼沖壓件價格較高，但它能滿足更多用戶的需求。
普通材質的沖壓件，因其材料易生銹、易腐蝕、材料軟不耐磨等性能，使其應用范圍受到了一定程度的限制。但好在其價格較低，沖壓件加工容易，在干燥通風的環境下，普通沖壓件的應用也是很廣泛的。
五金沖壓件加工廠，在加工不銹鋼沖壓件時，會遇到以下情況，在其工藝設計時一定要考慮到：
1.易出現裂口；
2.加工不銹鋼沖壓件比加工碳鋼沖壓件所需變形力、沖裁力、拉深力要大；
3.加工五金拉深件時塑性變形劇烈硬化，薄板拉深易起皺或掉底；
4.拉深模具易出現結瘤現象導致零件外徑嚴重劃傷；
5.拉深時難以達到預期的形狀。
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展開 
精密金屬沖壓件的介紹
沖壓件加工廠生產的金屬沖壓件中，有普通沖壓件，也有精密沖壓件，下面我們就來了解下精密沖壓件。
1、精密沖壓件形狀復雜，精度高。大多數材料的厚度為t>3mm～12.5mm。
在沖擊、振動、應力松弛、環境腐蝕等惡劣的運行條件下仍能保持可靠性。沖壓件電鍍通常用于確保耐腐蝕性。
2、輪廓清晰、塌角小的精密沖壓件，特別是漸開線、擺線、三角形、矩形、梯形等模數小、精度高的齒輪精密沖裁件，用其他加工工藝難以制造。
3. 已批量生產并達到相應經濟生產規模的機電產品零部件，包括：載重汽車、汽車、摩托車等產品精密沖壓件，由原材料模具出成品件，不用再進行切削加工。
4、由于冷加工的硬化作用，使精密沖壓件的表面硬度和強度大大提高，并提高了耐摩擦和耐候性，從而提高了精密沖壓件的使用壽命。
值得說明的是：精密沖壓件沖壓材料應符合相應的技術要求，如其厚度公差應符合國家標準。雖然不同的模隙適用于不同厚度的材料，但如果材料的厚度公差過大，將直接影響精密沖壓件的質量，還可能導致模具或壓力機的損壞。
展開 精密金屬沖壓件的介紹
沖壓件加工廠生產的金屬沖壓件中，有普通沖壓件，也有精密沖壓件，下面我們就來了解下精密沖壓件。
1、精密沖壓件形狀復雜，精度高。大多數材料的厚度為t>3mm～12.5mm。
在沖擊、振動、應力松弛、環境腐蝕等惡劣的運行條件下仍能保持可靠性。沖壓件電鍍通常用于確保耐腐蝕性。
2、輪廓清晰、塌角小的精密沖壓件，特別是漸開線、擺線、三角形、矩形、梯形等模數小、精度高的齒輪精密沖裁件，用其他加工工藝難以制造。
3. 已批量生產并達到相應經濟生產規模的機電產品零部件，包括：載重汽車、汽車、摩托車等產品精密沖壓件，由原材料模具出成品件，不用再進行切削加工。
4、由于冷加工的硬化作用，使精密沖壓件的表面硬度和強度大大提高，并提高了耐摩擦和耐候性，從而提高了精密沖壓件的使用壽命。
值得說明的是：精密沖壓件沖壓材料應符合相應的技術要求，如其厚度公差應符合國家標準。雖然不同的模隙適用于不同厚度的材料，但如果材料的厚度公差過大，將直接影響精密沖壓件的質量，還可能導致模具或壓力機的損壞。
展開 金屬冷沖壓件的熱處理
沖壓件加工廠，在五金沖壓件生產加工過程中，沖壓制件會產生加工硬化現象，這限制了毛坯制件下道工序的變形加工，這就需要在變形工序如彎曲加工拉深加工等之前，中間需要對硬化的毛坯制件或半成品制件先進行退火來消除硬化；另外沖壓件用在不同的行業有不同的要求，有時沖壓件成品也需要進行熱處理才能滿足其行業需要。
無論是工序間的退火還是最后成品的熱處理，這都屬于熱處理工藝，下面我們來看下熱處理工藝是怎么回事
熱處理工藝包含正火、退火、固溶熱處理、淬火、回火、碳氮共滲、調質處理等多項內容，金屬熱處理是機械制造加工行業常用到的重要工藝之一，與其它加工工藝相比，熱處理一般不會改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦預或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內在質量，而這一般不是肉眼所能看到的。為使金屬制件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機械工業中應用最廣的材料，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內容。
金屬沖壓件的熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程。有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不可間斷。加熱是熱處理的重要工序之一，加工溫度是熱處理工藝的重要參數之一，選擇和控制溫度，是保證熱處理質理的主要問題。加熱溫度隨被處理材料的熱處理的目的不同而異。但一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織。值得說明的是，材料的組織轉變需要一定的時間，因此當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，還須在此溫度保持一定時間，使內外溫度一致，使顯微組織轉變完全，這段時間稱為保溫時間。采用高能密度加熱和表面熱處理時。加熱速度極快，一般沒有保溫時間，而化學熱處理的保溫時間會較長。
展開 金屬沖壓件沖裁時板料的變形過程
沖壓件廠家加工金屬沖壓件，沖裁加工是其必經的工序，也是所有沖壓件都是要經過的工序。沖裁加工得到的可以是成形的沖壓件，也可以是沖壓件的毛坯。
因此沖裁工序在沖壓加工過程中是一個很重要的工序。下面我們來了解下在沖裁加工時沖壓件的金屬板料的變形過程。
在沖壓模具間隙正常的情況下，沖壓件金屬材料的沖裁過程大致可分三個階段：
1）彈性變形階段：材料在受到外力作用時產生變形或者尺寸的變化，而且能夠恢復的變形叫做彈性變形。在這一階段，金屬板料產生彈性壓縮、彎曲和拉伸等變形。
2）塑性變形階段：是指材料在外力作用下產生而在外力去除后不能恢復的那部分變形。在這一過程，金屬板料的應力達到屈服極限，板料開始產生塑性剪切變形。
3）斷裂分離階段:在這一階段，已成形的裂紋沿最大應變速度方向向材料內延伸，呈楔形狀發展。
展開 金屬沖壓件的沖裁斷面有什么特征
沖壓件廠生產加工各類金屬沖壓件。金屬沖壓件的加工少不了沖裁工序。今天由沖壓件生產廠家帶你了解下沖裁件的斷面特征是怎樣的。
沖裁件的斷面不是光滑的，并且帶有一定的錐度，沖壓件的斷面可以分為四個特征區域：A.圓角帶，也稱塌角帶；B.光亮帶，也稱剪切帶；C.斷裂帶；D.毛刺帶。
在圓角帶：刃口附近的材料產生彎曲和伸長變形；
在光亮帶：材料發生塑性剪切變形，是質量最好的區域；
在斷裂帶：形成裂紋及擴展；
在毛刺帶：間隙存在，裂紋產生不在刃尖而是 在凸凹模的刃口兩側，裂紋形成時就在落料件上留下了毛刺，所以說毛刺不可避免。但沖裁間隙不合理，刃口不鋒利還會加大毛刺。
展開 金屬沖壓件為什么要磷化處理
五金沖壓件生產廠家，對一些金屬沖壓件在涂漆前要進行磷化處理，這是為什么呢？這是因為磷化處理能給沖壓件的基體金屬提供保護，在一定程度上防止金屬被腐蝕；磷化用于涂漆前打底，提高漆膜層的附著力與防腐蝕能力。磷化處理在金屬沖壓件的冷沖壓加工過程中應用時，還能起到減摩潤滑的作用。
沖壓件毛坯或成品在進行磷化處理時，常常會出現一些質量缺陷，這是必須要克服的，否則會影響沖壓件的產品質量。下面來看下磷化時常發生的問題有哪些，怎樣才能解決。
1. 磷化件返銹 ：這是由于磷化處理液中游離酸度過高,Fe2+離子濃度過高,磷化時間不足造成。其解決方法是調整酸比，清換槽劃用雙氧水處理，延長處理時間；
2. 膜不均勻有流痕這是因為除油不干凈,磷化溫度偏低,工件有鈍化層，加強脫脂，升高溫度，酸洗；
3. 膜有空白點產生原因：磷化溫度過低,工件掛放過密或重疊,酸比值偏大。解決方法是，升高溫度，增大工件間隙，調整酸比
4. 掛灰：這是由于槽液中有沉淀物,磷化液沖洗不凈,磷化液促進劑含量過高。清除沉淀物，酸洗后重新磷化，調整磷化液促進劑用量；
5. 膜結晶粗：這是因為Fe2+離子含量過高,磷化液促進劑含量高,溫度過高。清換槽液或用雙氧水處理，調整磷化液促進劑用理，降溫；
6. 膜出現彩紅狀花斑：產生原因是游離酸過低,磷化液促進劑含量過高,材質中含有重金屬。解決方法是補加原液，延時消耗或添加尿素，對材質進行分析；
展開 加工鈑金沖壓件使用什么金屬材料
我們知道加工五金沖壓件所用的金屬材料有多種材質，如碳鋼材質、不銹鋼、合金鋼、銅鋁合金等等。但這些材質都有一個共同的特性那就是均為板料或帶料；沖壓件所用金屬材料厚度越大其使用的沖壓加工設備壓力等級越高。
但鈑金沖壓件所使用的原料為板料且料厚在6mmn以內。鈑金沖壓件多用于汽車行業。鈑金沖壓件在汽車行業多為汽車車身的覆蓋件，這就要求鈑金件的外觀不能有銹蝕，表面要光潔且光滑不能有影響外觀及內在質量的缺陷。鈑金件加工所用的原料有酸洗板或熱軋板，那么鈑金件使用酸洗板或熱軋板加工出的鈑金件有什么區別呢？下面我們來簡單了解下。
何為酸洗板？酸洗板是以優質熱軋薄板為原料，經酸洗機組去除氧化層，切邊，精整后，表面質量和使用要求（主要是冷彎成型或沖壓性能）介于熱軋板和冷軋板之間的中間產品 ；熱軋板：強度相對較低，表面質量差點(有氧化、光潔度低)，但塑性好，一般為中厚板。
酸洗板與熱軋板相比之有下列優點：
1. 表面質量好，與普通熱軋板相比，熱軋酸洗板去除了表面氧化鐵皮，提高了鋼材的表面質量，便于焊接、涂油和上漆 ；
2. 尺寸精度高，平整后，可使板型發生一定變化，從而減少不平度的偏差；
3. 提高了表面光潔度，增強了外觀效果 。
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金屬沖壓件表面出現條紋怎么解決
五金沖壓件廠家在沖壓生產當中，發現金屬沖壓件表面有時會產生條紋。那么他們是怎么解決這一問題的呢。
沖壓件表面之所以產生不均勻的條紋，主要是金屬材料在沖壓加工塑性變形時內部產生了殘余的內應力所致。要消除或避免這個內應力的產生就能克服這一現象。沖壓件生產廠家采用的方法有：
1.選用合適的刀具和沖壓材料。根據不同的金屬材料選擇合適的刀具，使刀具與工件之間的摩擦系統動、靜摩擦系數最小。使用性能良好的切削液就能改善刀具和沖壓零件間的摩擦特性。
2.用滾珠絲杠代替普通絲杠，用液體摩擦代替邊界干摩擦。采用專用潤滑油，提高機床傳動系統的摩擦性能，提高進給系統的靈敏度，減少金屬沖壓件的振動現象。提高系統的剛度：提高整個過程的剛度，可以有效地減少這種現象的發生。減少刀具伸出刀架的長度，加厚刀柄，提高刀架的剛度。
3.減小沖壓件的長徑比，采用中心架等中間支撐來增加工件的剛度。為了提高進給機構的傳動剛度，消除進給機構中傳動元件之間的間隙，提高進給機構的傳動性能，提高機床傳動系統的剛度，進給機構中傳動螺桿的直徑應適當增大，螺桿長度應縮短。
4.增加系統的阻尼：為了增加系統的阻尼，可以選擇內部阻尼較大的材料作為支撐，在零件上加入高阻尼材料進入阻尼環節，以減少振動現象。
5.就是減少切削負荷。通過減少回切量和傳動件的重量，減少切削負荷，改善五金沖壓件的振動。
值得說明的是：無論采取什么方法，在沖壓加工過程中要確保金屬板料被緊緊壓住，這是關鍵的一點。
展開 新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構
近日從外媒獲悉，特溫特大學的荷蘭研究人員開發了一種新的金屬3D打印技術，該技術允許激光設備逐滴打印金屬結構，包括純金，打印精度可以達到幾微米尺度。
通常，金屬結構可以通過光刻方法，鑄造，選擇性激光燒結或熔化來制造。然而，這些新方法還不適用于特征尺寸小于約10μm的金屬的3D打印，這對于電子設備而言將是非常有意思的。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構研究人員的新技術被稱為激光誘導正向傳輸（又稱“LIFT”），它使用超短激光脈沖來熔化納米厚度薄膜中的微小金屬。這形成了熔融金屬的微滴，其可以噴射到目標位置后并固化。由于這種技術，UT研究人員能夠逐滴構建一個帶有銅和金微滴的螺旋微結構。這兩種金屬具有相似的熔點，在這種情況下，銅作為支撐，金可以在其上形成。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構激光打印技術：通過依次打印銅和金，將銅蝕刻掉，產生純金的獨立螺旋金屬液滴的體積只有幾個飛升（一萬億分之一）。制造液滴的方式是使用超短脈沖的綠色激光照射金屬。這種精確的液滴產生使得結構能夠精心構造，高度僅為幾十微米，并且具有小于10μm的細節，具有最小的表面粗糙度（約0．3至0．7微米）。對于研究人員來說，一個關鍵的問題是兩種金屬是否會在它們的界面混合：這會對蝕刻后產品的質量產生影響。研究人員在增材制造中寫道，這些金屬之間沒有混合的跡象。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構一旦結構完成，研究人員就在氯化鐵中使用化學蝕刻來完全去除銅支架。通過這樣做，他們留下了純金的獨立螺旋復合材料。
螺旋的頂視圖（c）表明它是三維的，具有中心空隙。
展開 金屬沖壓件為什么需要淬火
沖壓件加工廠為了滿足不同用戶的需求，有時需要對金屬沖壓件進行淬火處理，那么經過淬火處理的沖壓件能具備什么性能呢？
淬火屬于金屬的熱處理工藝，將金屬工件加熱到某一適當溫度并保持一段時間，隨即浸入冷介質中快速冷卻，這就是金屬的熱處理工藝。
通過淬火，使金屬材料的內部組織的金相結構發生改變，由原來的奧氏體變為馬氏體或貝氏體。馬氏體組織是鐵基固溶體組織中最硬的金組織，所以經過淬火的沖壓件可以獲得高硬度、高強度。但是馬氏體的脆性很大，淬火后鋼件內部有較大的淬火內應力，金屬硬而脆，產生的表面殘余應力會造成冷裂紋，而通過回火可消除這一現象，并且回火處理并不影響金屬件所獲得的優良性能。因而不宜直接使用，必須回火
淬火對厚度和直徑較小的零件使用比較合適，它大大提高了鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而能滿足各種機械零件和工具的不同使用要求。也可以通過淬火來滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐腐蝕性等特殊物理及化學性能。
淬火處理不止應用于五金沖壓加工行業，它在機械加工行業經常被用到。
展開 精密五金沖壓件的金屬原材料應具備的性能
6.沖壓金屬材料還要對機械接合及繼續加工有良好的適應性能，減少對機械設備造成損壞的可能性。使用能夠滿足上述所有條件的材料制作精密沖壓件，品質絕對有保障。
