汽車前下擺臂工藝與材料淺析

文/史東杰，劉翰志，賈世川，靳玉濤，王獻忠·長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心

汽車前下擺臂工藝與材料淺析

文/史東杰，劉翰志，賈世川，靳玉濤，王獻忠·長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心

為了滿足對性能、成本和輕量化的需求，國內外主機廠在汽車前下擺臂的生產和開發上應用了沖壓成形、鍛造成形和鑄造成形等工藝，不同生產工藝對應的不同材料，如熱軋鋼板、球墨鑄鐵、結構鋼和鋁合金等材料也得到了全面的應用。

前下擺臂是汽車底盤系統上重要的受力零件，它的主要作用是將車架與車輪連接起來，同時傳遞車輪與車架之間的所有力和力矩，緩沖和衰減因汽車行駛在不平路面情況下，車輪振動傳遞給車架的沖擊和振動，使汽車行駛保持平穩和安全可靠，部分車型因底盤結構要求會將前減振器安裝在前下擺臂上，因此要求前下擺臂必須具備足夠的強度和剛度。

主要應用工藝

前下擺臂結構較為復雜，平面形狀主要為不規則三角形，一端通過一個安裝點與轉向節連接，另一端通過兩個安裝點固定在車架或副車架上。隨著汽車行業的快速發展，應用成熟的前下擺臂的成形工藝較多，當前國內外主機廠車型上主要應用沖壓成形、鑄造成形和鍛造成形三種成形工藝，如表1所示。根據零件結構設計和使用要求，不同成形工藝在成本、重量和性能方面各有優缺點。

工藝和用材分析

國內外主機廠根據開發車型的需要，開發出滿足車型性能要求的工藝和材料，當前市場上的車型中主要應用的工藝和用材為沖壓焊接成形、沖壓成形、球墨鑄造成形、結構鋼鍛造成形、鋁合金鍛造成形，下面將對上述成形工藝和材料應用情況進行簡要介紹。

沖壓焊接成形

雙片鋼板沖壓焊接成形是前下擺臂傳統成形工藝，至今仍在國內外車型上大量的應用，如圖1所示的沖壓焊接成形前下擺臂截面，它由兩片鋼板沖壓后焊接在一起成形，焊接工藝主要采用20%CO2+80%Ar惰性混合氣體保護焊。根據前下擺臂的結構設計要求，通常要求鋼板具有良好的拉延性能，常用熱軋酸洗鋼板材料為SAPH440、QSTE380TM、QSTE420TM和QSTE460TM等；如果結構上需要在安裝位置壓入球銷或襯套時，則需要鋼板具有一定的擴孔性能，應用最為成熟的材料為高擴孔鋼FB590、SPFH590等材料。當前汽車廠家對零件耐腐蝕性能有較高的要求，為保證零件電泳漆膜質量、零件防銹性能和提高模具使用壽命，熱軋酸洗鋼板已完全取代普通熱軋板生產前下擺臂。

表1 底盤前下擺臂成形工藝

圖1 沖壓焊接成形前下擺臂截面

沖壓成形

如圖2所示沖壓成形前下擺臂截面，鋼板沖壓成形是在鋼板沖壓焊接成形的基礎上，去除封板或補板，并通過使用更高強度材料和結構優化設計來滿足零件性能要求，減少零件數量和縮短生產工藝，降低零件綜合成本。一般情況下，沖壓成形前下擺臂需要壓入襯套或軸套，故要求材料具有良好的擴孔性能。

圖2 沖壓成形前下擺臂截面

奧迪A3、軒逸、逍客、奇駿、朗動、愛唯歐、嘉年華、速騰、大眾UP、帕薩特等歐美日韓很多車型，都已應用此沖壓成形工藝生產前下擺臂。為分析應用此種結構前下擺臂對應的材料強度，特對奧迪A3、大眾UP和通用愛唯歐車型前下擺臂進行材質分析，結果如表2所示。由表2可知，FB780和CP800等先進高強鋼材料具有較好的沖壓拉延性能和擴孔性能，同時材料屈服強度達到600MPa以上，較沖焊成形前下擺臂用材強度提高200MPa左右，在國外車型沖壓成形前下擺臂上得到了成熟應用。

表2 沖壓成形前下擺臂用材分析

球墨鑄造成形

球墨鑄造成形前下擺臂在國內外車型上應用并不常見，前下擺臂因在車行駛過程中受到動載荷的影響，對鑄造工藝要求非常嚴格，鑄造過程中不允許有氣泡、組織偏析、夾雜等缺陷產生，普通的砂型鑄造零件無法滿足強度和疲勞耐久要求，需使用壓力鑄造提高零件性能。國外車型中老款奔馳ML350、大眾邁騰和途觀等部分車型上均應用球墨鑄造工藝加工前下擺臂零件，經對奔馳ML350和大眾途觀車型前下擺臂零件取樣材質分析（表3），可知，QT400-15材料已能夠滿足零件強度、剛度等性能要求。

結構鋼與非調質鋼鍛造成形

結構鋼材料強度較高，用其鍛造成形的前下擺臂具有很高的強度，能夠保證零件具有很高的性能，但由于結構鋼原材料成本較高，鍛造成形后需經過調質等處理工藝，故零件生產成本較高，且零件重量較高，在輕量化和降成本方面不具備優勢，限制了結構鋼鍛造成形工藝在乘用車上的應用。為降低零件生產成本，國外主機廠開發出用非調質鋼代替調質鋼來生產前下擺臂。非調質鋼只需要在鍛造成形后控制冷卻速度，保證零件最終組織和性能，節省了調質處理工藝，降低綜合生產成本，如寶馬X1、X5前下擺臂應用非調質鋼15V24材料。

鋁合金鍛造成形

鋁合金材料密度較低，只有鋼的1/3，故鋁合金成為汽車零件實現輕量化的首選，但受零件成本因素影響，在中低端車型上應用并不多，在中高端車型上應用則較為普遍。

國內外主機廠用于生產前下擺臂的主要材料為6082和6061，表4給出了部分主機廠鍛造鋁合金材料性能。為滿足零件的使用要求，相同材料不同主機廠和鍛造廠家對材料性能的要求存在一定的差異。由于鋁合金粘附性強，鍛造前需對模具加熱，來提高金屬流動性。為提高零件強度和硬度，消除壓力加工過程中所產生的內應力，使其獲得均勻的成分、組織和性能，鍛造成形后需進行固溶+人工時效處理。鍛造鋁合金零件固溶時效處理工藝通常為加熱至（530±10）℃，保溫4h后迅速轉移到水中冷卻，然后再加熱至（175±5）℃，保溫8～10h，并在空氣中冷卻。鋁合金鍛造成形通常使用擠壓鋁棒坯料，隨著工藝控制水平的提高，連鑄鋁棒也已滿足鍛造的要求，神戶制鋼等鋁合金鍛造零部件企業一直在應用連鑄鋁棒進行鍛鋁零件生產。

表3 球墨鑄造成形前下擺臂材質分析

表4 部分主機廠鍛造鋁合金材料性能

應用分析

不同成形工藝和用材對前下擺臂的成本、重量和性能方面影響較大，圖3所示為不同的成形工藝成本與輕量化效果對比。由圖3可以看出，鋁合金鍛造成形輕量化效果最好，但對應的零件成本也最高，只適用于在中高端車型上應用。沖壓成形零件在輕量化和成本方面也是最優，但受零件強度和剛度影響，主要適用于A級和部分B級車型上。結構鋼鍛造和球墨鑄造成本和輕量化效果較差，但零件性能較高。沖焊成形在成本、重量和性能方面最優，國內外主機廠多數車型均應用此工藝。

圖3 成本和輕量化效果對比

結束語

通過以上分析及市場需求情況，筆者建議：⑴A級車控制臂以鋼板沖壓焊接成形為主，近年來的換代車和新車型逐步開始應用先進高強鋼沖壓成形工藝；限于成本壓力，鋁合金鍛造成形不適用于A級車型；如對零件性能要求較高時，可考慮應用球墨鑄造和結構鋼鍛造成形。⑵國內C級車車型價格定位較高，同時對輕量化的需求較高，可接受鋁合金鍛造成形帶來的成本。⑶B級車處于兩者之間，應根據車型需要確定采用何種工藝。