基于CAE 技术的转向管柱支架冲压工艺分析

文／佟鑫，闫佳奇，刘尚，贾晓峰·中国第一汽车股份有限公司

白车身的一些零件由于拉延深度过大，在冲压成形过程中容易出现起皱、开裂等问题。本文以某一车型防火墙转向管柱支架为例，利用Autoform 软件对其冲压成形过程进行有限元仿真模拟，并对模拟结果进行分析，最终得出了二次拉延可以完美的解决拉延深度较大零件的冲压成形问题。

随着社会经济和汽车工业的发展，汽车在国民经济中的地位越来越重要，它是评价一个国家制造业水平的标志之一。组成汽车车身以及底盘的钣金零件，一般情况下可以分为外覆盖件、内覆盖件、结构件、加强件等。其中有一部分结构件、加强件外形尺寸较小，但空间形状十分复杂，这样的汽车钣金零件在汽车模具设计与制造中，往往很难通过传统的工艺来实现。其中，有些零件在冲压工艺中仅仅通过一次拉延很难实现，需要在一次拉延后再增加一序二次拉延才能够获得合格的零件。其中，转向管柱支架就属于这类零件，本文以零件高度为190mm 的转向管柱支架为例，并结合CAE 分析来阐述汽车转向管柱支架的二次拉延的工艺设计。

零件的外观尺寸及工艺性分析

转向管柱支架的三维图如图1 所示，零件材料为DC06，厚度为1.4mm，最大外观尺寸为430mm×270mm，最大高度为190mm，法兰边半径R为12mm，在立壁上有一个不规则的椭圆形孔。

图1 转向管柱支架三维图

该零件属于典型的盒形件，零件尺寸较小，但空间形状变化剧烈。零件的重点在于法兰面为与防火墙的搭接面，尺寸精度要求±0.5mm，要保证其没有起皱缺陷，其次由于转向管柱的位置及角度都无法更改，零件的高度也无法降低。

传统的工序一般为首先落料，第一序拉延，第二序修边，第三序整形，第四序冲孔。但由于本零件的尺寸较小而高度较高，仅安排一次拉延往往会造成零件顶端的开裂以及法兰面的起皱。因此，要获得合格的零件，需要在一次拉延之后再增加二次拉延，并把法兰边底角半径R增大至15mm，以便于料片的流入。

二次拉延与普通拉延的区别在于在上模中增加了一个压料芯，来保证第一次拉延所成形的部分不会继续参与第二次拉延，以避免造成零件顶部开裂。

二次拉延工艺的设计原则为：

⑴一次拉延的拉延深度要做到最大。

⑵一次拉延与二次拉延的压料面形状是一致的，否则在二次拉延压边圈闭合时板料就会发生变形。

⑶一次拉延与二次拉延的拉延筋在各自压料面上的位置是一样的。

考虑以上各种因素，一次拉延的拉延深度为120mm，二次拉延的拉延深度为70mm，第四序整形把法兰边底角半径R整形至12mm。

冲压工艺规划为OP05 落料，OP10 一次拉延，OP20二次拉延，OP30修边，OP40整形，OP50侧冲孔，共五序完成。

零件的CAE 分析

AutoForm 增量法求解器所采用的是一种继承了通常的静力隐式算法优点的改进型静力隐式算法。

对输入的工具体模型进行网格划分是模拟分析前的重要步骤。网格划分分为两类，模具体网格划分和板料网格划分。

将在UG中做好的工具体模型导入AutoForm中，通过AutoForm 自适应网格划分功能对模型进行网格划分。容错公差决定了网格划分时可接受的弦偏差大小。需要注意的是，网格划分时要保证模型中90°的圆角处至少有8 个网格单元，因此划分网格时需要根据数模的圆角大小来适当调整容错公差以保证模拟精度。容错公差值越小，圆角处的网格单元分布越密集，拟合精度越高。本零件的容错公差选值为0.05mm。最大边长是指在平坦区域三角单元的最大边长，本零件的最大边长选值为30mm。

根据拉延成形不能出现负角、拉延深度均匀并尽可能最小等原则调整至合理的冲压方向。

一次拉延模式选择单动拉延，二次拉延模式选择二次拉延。二次拉延都采用倒装结构。一次拉延中的凸凹模及压边圈选用刚性结构，其工具体如图2 所示。二次拉延的凸凹模、压边圈及压料芯也选用刚性结构，压料面与一次拉延的压料面在形状上保持一致，其工具体如图3 所示。

图2 一次拉延的工具体

图3 二次拉延的工具体

板料选用椭圆形的异形料，厚度选择1.4mm，材料选择DC04，其材料的物理性能参数见表1。

表1 材料的物理性能参数

汽车零件的拉延成形中，一般采用拉延筋或拉延槛。拉延筋增加了压料面上各位置的进料阻力，控制材料的流动方向，调节材料流入量，大大改善零件的拉延条件。根据拉延筋的设计原则，考虑到CAE 分析的计算时间，使用等效拉延筋代替实体筋。一次拉延与二次拉延的等效拉延筋如图4和图5 所示。

图4 一次拉延的等效拉延筋

图5 二次拉延的等效拉延筋

根据经验，润滑值由于润滑条件的不同，一般为0.16 ～0.19 之间，本文选用0.15，该值的物理描述是，模具研配合理，推光到位，不采用任何润滑剂，并且料片涂有防锈油。

膜单元运算速度较快，但精度较低，壳单元一般应用于板料厚度大于2.5mm，后工序为二次拉延、翻边和咬边等情况。故一次拉延和二次拉延都选用壳单元。一次拉延的压边力设为100000N，二次拉延的压边力设为300000N。

板料单元与模具体单元的相互适应也是影响分析结果的一个因素，总的来说模具体网格应该比板料网格更密。其半径穿透值和最大单元角度的具体数值按照表2 板料细化的三级标准选取，半径穿透值取0.16mm，最大单元角度取22.5°。

表2 板料细化的三级标准

CAE 结果的分析

对于转向管柱支架来说，开裂和法兰边起皱是判断其是否满足要求的两个最重要的指标。

零件成形性云图与成形极限图的分析

如图6 所示为成形性云图，它通过不同颜色显示零件的成形性和缺陷趋势，是我们定性分析冲压成形好坏的最主要手段。成形性云图显示的是零件的失效风险区域，但不能给出定量的结果，还需结合变薄率云图和起皱云图等结果共同评价。成形性云图的判定原理为FLD 图。

图6 成形性云图

成形极限图可以全面地反映零件在复杂的应力应变情况下的拉裂、起皱等各项失稳状况，通过成形极限图能很快地发现材料在成形过程中的各项缺陷，并采取相应措施，改变其成形状况，避免缺陷的出现，提高零件的成形性能。

如图7 所示为成形极限图，它是以次应变为X轴，主应变为Y 轴的坐标图。其中的基本曲线也就是材料的成形极限曲线，直接反映了材料属性的一条特征曲线，将该曲线向下偏置一定距离得到存在开裂风险的区域。从图中可以看出大部分点在绿色区域，部分点在蓝色区域，小部分点在紫色区域，距离成形极限曲线都有一定的距离。故可以得出零件的大部分区域拉延充分，但存在一定的拉延不充分区域，甚至有起皱的可能，这需要通过进一步的分析来确定。

图7 成形极限图

零件减薄云图的分析

通过成形性云图可以大致了解零件的成形状况，但还需要分析变薄率云图来确定零件是否有开裂的风险。变薄率云图表示板料的变薄和增厚，与厚度云图有着相同的功能，其值为：

其中Thickness为板料当前厚度，Original thickness为板料初始厚度。变薄率为负说明板料变薄，为正说明板料增厚。

通过查询相关资料了解到，DC06 板材当减薄率达到25%时就会有开裂的风险。如图8 所示，从图中可以看出零件的最大减薄处出现在顶端，减薄率达到了21.78%，远远没有达到25%，故判断此零件没有开裂的风险。

图8 减薄率云图

零件起皱云图的分析

由于成形性云图的起皱评估是很粗略的，所以我们需要更高精度的起皱评判准则——起皱云图，如图9 所示。起皱云图的基本定义为：

其中r为各向异性指数，ε1、ε2为主应变和次应变。

从图9 中可以很明显地看出，零件的部分区域有起皱的风险，起皱的最大部分位于法兰边附近的转角处，其值为3.12%，完全可以通过加水滴状的吸料筋来消除。而重要的法兰面基本没有起皱。

图9 起皱云图

结论

本文以AutoForm 软件为工具，以转向管柱支架为例，研究了拉延深度较大零件的二次拉延冲压工艺，最后通过对仿真模拟结果的分析，得出了二次拉延可以完美地解决拉延深度较大零件的无法成形问题。

但由于现实中的生产情况非常复杂，到目前为止，有限元仿真分析还不能完全代替实际试验，但随着计算机和有限元应用的进一步深入，数值仿真分析将完全可以指导实际生产。