簡敘某種鋁合金U 形控制臂的鍛造工藝

文／張海建，王榮波，單勇·江蘇理研科技股份有限公司

隨著新能源汽車市場的需求量越來越大，對(duì)續(xù)航里程的要求越來越高，各主機(jī)廠除了加大電池容量以外，其次就是控制汽車的自身重量。控制臂是汽車底盤系統(tǒng)的重要零件，它的綜合力學(xué)性能對(duì)車輛的安全、操穩(wěn)等性能起著至關(guān)重要的作用。常見的U 形控制臂的種類有“鋼鑄件”“鋼鍛件”及“鋁鍛件”，隨著國內(nèi)鋁合金鍛造工藝的越來越成熟，鋁代鋼越來越廣泛。鋁合金的密度約是鋼材的34.77%，相對(duì)于現(xiàn)有的鋼制結(jié)構(gòu)件，單件鋁合金控制臂可以減少40%～60%的自身重量，這在控制車身自重量的要求中，還是相當(dāng)可觀的。現(xiàn)行市面上比較廣泛的前獨(dú)立懸架有“麥弗遜式”“多連桿式”及“雙叉臂式”等幾種，本文主要簡述“雙插臂式獨(dú)立懸架”中某種U 形鋁合金擺臂的鍛造工藝。

產(chǎn)品介紹及結(jié)構(gòu)分析

圖1 為某U 形控制臂示意圖，產(chǎn)品鍛件重量為2.399kg，原材料牌號(hào)為Al6082，熱處理要求：T6(固溶熱處理+人工時(shí)效)，質(zhì)量要求無折疊、裂紋、磕碰傷等鍛造缺陷，表面處理方式為拋丸。按照?qǐng)D示紅色虛線處最大截面積為3781.979mm2，我們選擇規(guī)格為φ65mm 的鋁合金圓棒。

圖1 某U 形控制臂示意圖

工藝工序介紹

生產(chǎn)工藝

結(jié)合產(chǎn)品的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及公司內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備條件，制定產(chǎn)品的鍛造工藝為鋸料→加熱→輥鍛→拍扁→彎曲→預(yù)鍛→二次加熱→終鍛→切邊→T6(固溶+人工時(shí)效)→100%熒光滲透→拋丸。

工序介紹

⑴鋸料。

鋁合金控制臂類的原材料多數(shù)使用的是鋁合金擠型棒材(圖2)、型材，其材料特點(diǎn)是比較軟、粘度高，所以在下料選擇上盡可能選用高速圓盤鋸床，切削后端面無毛刺及明顯切痕，坯料不需做其他特殊處理，可直接用于鍛造。

圖2 鋁合金擠型棒材

⑵加熱。

鋁合金材料對(duì)溫度的敏感性比較高，溫度過高、過低及不均勻，對(duì)鍛后的組織影響很大，在設(shè)備選擇上，我們選用的是鏈板式網(wǎng)帶加熱爐(圖3)，其特點(diǎn)是爐膛內(nèi)溫度均勻性控制的比較好，料與料之間的距離控制的比較穩(wěn)定，網(wǎng)帶在傳輸過程中，棒料不會(huì)有滾動(dòng)，對(duì)批量后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)起到關(guān)鍵性的作用。

圖3 鏈板式網(wǎng)帶加熱爐

⑶輥鍛。

根據(jù)原材料規(guī)格及產(chǎn)品的實(shí)際長度，選用460全自動(dòng)輥鍛機(jī)，根據(jù)產(chǎn)品的最小截面積，結(jié)合材料利用率推算出輥鍛后的最小截面為1163.5mm2(φ38.5mm)，按照n=lg(S1/S2)/lgγ(n 表示道次，S1表示輥鍛前截面積，S2表示輥鍛后截面積，γ 表示平均延伸系數(shù))，計(jì)算出所需要的理論輥鍛道次是2.6478 道次，根據(jù)產(chǎn)品現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，最后一道選用的是圓形截面，即變形區(qū)截面的形變方式為“圓(初始原材料)→橢圓→圓→橢圓→圓”，因此，我們實(shí)際按照4 道次設(shè)計(jì)輥鍛模具(圖4)。

圖4 4 道次設(shè)計(jì)輥鍛模具

考慮中間區(qū)域有部分長度在輥鍛的過程中不發(fā)生形變，以及鋁合金在輥鍛過程中理論摩擦系數(shù)低于鋼鍛件，即在做有限元分析的過程中，部分U 形臂的理論分析結(jié)果相對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果有偏差，即此部分在模具設(shè)計(jì)過程中，對(duì)工程師的經(jīng)驗(yàn)要求比較高，繼而模具完成加工后，需將各道次都進(jìn)行試輥鍛，確認(rèn)是否需要調(diào)整及是否有存在影響后續(xù)鍛造的缺陷，見圖5。

圖5 各道次進(jìn)行試輥鍛

⑷拍扁。

產(chǎn)品兩端的寬度尺寸是48.897mm，選用φ65mm的原材料，在下道工序前，需將兩端厚度進(jìn)行拍扁，拍扁厚度略小于圖6 所示尺寸即可，拍扁后工件如圖7 所示。

圖6 產(chǎn)品兩端寬度尺寸

圖7 拍扁后工件

⑸彎曲。

按照產(chǎn)品的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，需將坯料按產(chǎn)品的現(xiàn)有輪廓壓彎成接近形狀，從而滿足下道鍛造工序，如圖8 所示。

圖8 按產(chǎn)品現(xiàn)有輪廓壓彎成接近形狀

⑹預(yù)鍛。

預(yù)鍛的主要目的與一般鍛件在鍛造生產(chǎn)過程中增加預(yù)鍛原因基本類似(如：降低一次成形的缺陷產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)、提高終鍛模具壽命、提高終鍛后產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性及終鍛產(chǎn)品的表面質(zhì)量等)，本文不作過多的闡述，設(shè)計(jì)要求及其他相關(guān)事項(xiàng)可以查閱引文中的一些鍛造資料。

⑺二次加熱。

原材料在經(jīng)過“輥鍛、拍扁、彎曲、預(yù)鍛”等一系列工序后，坯料在終鍛前溫度會(huì)有不少下降，現(xiàn)在大部分廠家，在輥鍛、鍛造生產(chǎn)過程中，模具的加溫保溫系統(tǒng)還不夠完善，即此處根據(jù)自身現(xiàn)有條件，酌情增加一道二次加熱保溫工序(可以考慮將預(yù)鍛后的余溫利用起來，從而節(jié)約二次加熱所需要的能耗)，將坯料溫度重新加熱至滿足終鍛成形的溫度。

⑻終鍛。

按照此產(chǎn)品的鍛件結(jié)構(gòu)，參考材料的熱膨脹系數(shù)及相關(guān)的工藝、設(shè)備，設(shè)定滿足此產(chǎn)品的最終熱膨脹系數(shù)，常用的鋁合金控制臂的熱膨脹系數(shù)基本控制在1.007 ～1.0085 之間，按此設(shè)計(jì)好的鍛件以及設(shè)計(jì)好的鍛造模具，鍛造模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素及相關(guān)注意事項(xiàng)如下。

預(yù)鍛與終鍛選用的是2000 噸左右的鍛造設(shè)備，常用的適合此類產(chǎn)品的鍛造設(shè)備有電動(dòng)螺旋壓力機(jī)，比較好點(diǎn)的可以選用機(jī)械式壓力機(jī)。

按照設(shè)計(jì)好的所有模型“輥鍛鍛件、彎曲模、預(yù)鍛模、終鍛模”，對(duì)鍛造成形過程進(jìn)行有限元分析(圖9)，確認(rèn)工藝、模具的合理性，根據(jù)最終的理論分析結(jié)果，制造模具，模具加工完成后，進(jìn)行模具相關(guān)調(diào)試(圖10)。

圖9 對(duì)鍛造成形過程進(jìn)行有限元分析

圖10 模具相關(guān)調(diào)試

⑼切邊。

設(shè)計(jì)加工專用的切邊模具，切邊工序?qū)υO(shè)備的要求不高，正常200 ～300t 開式?jīng)_床即可滿足生產(chǎn)需求，去除產(chǎn)品本體以外的鍛造飛邊。

⑽T6(固溶+人工時(shí)效)。

現(xiàn)行常見的T6 熱處理方式如下。

①待產(chǎn)品完全冷卻后，使用專用的工裝治具，設(shè)備選用箱式(臺(tái)車式)固熔爐及時(shí)效爐，進(jìn)行非連續(xù)式熱處理作業(yè)；

②切邊后的產(chǎn)品直接進(jìn)入熱處理爐，有效的將產(chǎn)品鍛造后的余溫利用起來，從而減少再加熱過程中的電能消耗。

③此兩種不同生產(chǎn)設(shè)備的選擇，都需要注意的事項(xiàng)是“爐溫的均勻性、加熱時(shí)間、保溫時(shí)間、轉(zhuǎn)移時(shí)間、水溫、冷卻時(shí)間及固溶與時(shí)效之間的間隔時(shí)間”等。

⑾100%熒光滲透。

不管是何種結(jié)構(gòu)的控制臂，在車身中都屬于安全件的類型，即產(chǎn)品的表面與內(nèi)部不可以有影響安全性能的缺陷，如折疊、裂紋、過燒、疏松、氣孔、夾渣、夾雜等，考慮到工藝特點(diǎn)，原材料在出材料廠前會(huì)進(jìn)行100%的超聲波探傷，鍛造后的產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)鑄造類比較常見的氣孔、疏松、夾雜、夾渣、針孔等缺陷，即我們更需要關(guān)注的是表面缺陷，根據(jù)材料特點(diǎn)，選用100%熒光滲透。

⑿拋丸。

根據(jù)產(chǎn)品的最終使用要求及生產(chǎn)過程中相關(guān)工序，選用的表面處理方式為拋丸處理，不但可以使產(chǎn)品的外觀狀態(tài)一致(圖11)，更能夠有效的增加產(chǎn)品的表面的強(qiáng)度、去除鍛后及熱處理后的殘留應(yīng)力。

圖11 拋丸后產(chǎn)品外觀狀態(tài)一致

結(jié)束語

本文以“雙叉臂式獨(dú)立懸架”中某種結(jié)構(gòu)的U形鋁合金控制臂為例，簡單闡述了此類產(chǎn)品的鍛造工藝、工序及相關(guān)的注意事項(xiàng)。相對(duì)于其他類型的控制臂，鋁合金控制臂的特點(diǎn)是重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、生產(chǎn)環(huán)境較好、加工工藝難度系數(shù)不高、自動(dòng)化程度高。通過近些年鋁合金鍛造工藝、設(shè)備技術(shù)的越來越成熟，不管是前懸架、后懸架上或某些車身其他系統(tǒng)上，鋁鍛件使用占比越來越多，在未來很長的一段時(shí)間內(nèi)，鋁合金鍛件也將會(huì)越來越有明顯優(yōu)勢(shì)。