唐永夫+張紅平

摘 要：對前上控制臂鍛造工藝、前上控制臂的粗晶環(huán)控制及前上控制臂制備材料6082鋁合金的機械性能進(jìn)行深入分析與研究，以便能夠提煉出合理化的工藝，同時將前上控制臂的粗晶環(huán)控制在1mm以內(nèi)，并得到最優(yōu)化的6082鋁合金各元素成分配方，從而提高前上控制臂的機械性能，最終制備出能夠滿足市場需求的沃爾沃SPA平臺前上控制臂，達(dá)到能夠配備高端汽車廠商的能力。

關(guān)鍵詞：前上控制臂；粗晶環(huán)；機械性能；鍛造工藝；配方優(yōu)化

中圖分類號：U463.33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0066-04

Abstract： The forging technology of the front control arm， the coarse crystal ring control of the front upper control arm and the mechanical properties of 6082 aluminum alloy prepared by the front upper control arm are analyzed and studied in order to refine the reasonable technology. At the same time， the coarse crystal ring of the front control arm is controlled within 1 mm， and the optimized composition formula of 6082 aluminum alloy elements is obtained， thus improving the mechanical properties of the front upper control arm. Finally， Volvo SPA platform can be prepared to meet market demand in front of the control arm to achieve the ability to be equipped with high-end car manufacturers.

Keywords： front upper control arm； coarse crystal ring； mechanical properties； forging process； formula optimization

1 技術(shù)研究背景

在現(xiàn)代汽車工業(yè)不斷發(fā)展的背景下，為廣大人民群眾的生活帶來便利的同時也出現(xiàn)了各種嚴(yán)重的環(huán)境問題。通過進(jìn)行全面統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的汽車在排出尾氣中二氧化碳的量占全球二氧化碳排放量的20%-30%。同時，在一些發(fā)達(dá)國家中，汽車排放對環(huán)境造成的污染基本上占據(jù)到30%-60%。尤其是在20世紀(jì)發(fā)展的末期，能源危機越來越突出，所以逐步提高了現(xiàn)代汽車的減重節(jié)能要求，讓汽車在選材的方面逐步朝著輕量化的方向發(fā)展。其中，通過從駕駛的角度來進(jìn)行分析，當(dāng)汽車實現(xiàn)輕量化之后，能夠有效提升汽車的加速性，保證汽車的穩(wěn)定性和噪音，全面改善汽車的振動設(shè)置。通過從安全性的角度來進(jìn)行分析，一旦在碰撞的過程中，時慣性較小的情況下，將在一定程度上減少制動的距離。同時，在發(fā)生碰撞的過程中，塑料材質(zhì)的材料對人所產(chǎn)生的沖擊力度較小，所以安全性更好。因此，在這樣的背景下，將鋁合金材料應(yīng)用于汽車工業(yè)發(fā)展中的情況越來越多。通過將鋁合金的材料合理的應(yīng)用于現(xiàn)代汽車的工業(yè)發(fā)展過程中，不但能夠讓汽車生產(chǎn)逐步實現(xiàn)輕量化，而且還能夠增強汽車的防銹功能。在比較鋁合金材料與復(fù)合高分子有機材料的過程中，最大的特點就是能夠真正實現(xiàn)全部回收和利用，這對保護環(huán)境和促進(jìn)資源再生具有非常重要的作用。

本文所闡述主要是針對沃爾沃SPA平臺前上控制臂研究與應(yīng)用，通過創(chuàng)新性研究，在鋁合金鍛造領(lǐng)域取得重大突破，在微觀晶粒組織改善和零件機械性能提高方面也取得了長足進(jìn)步。尤其是粗晶環(huán)的改善，由原來不受控的狀態(tài)改善到目前1mm以內(nèi)，具備為沃爾沃SPA平臺配備前上控制臂的能力，從而填補國內(nèi)鋁鍛件行業(yè)粗晶環(huán)控制工藝的空白，解決了鋁合金控制臂具有截面不均勻、截面積變化大、形狀復(fù)雜、成形難度大等特點，提高我國關(guān)鍵汽車部件鋁鍛件在國際市場上的競爭力。

2 該技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀與必要性

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

鋁合金在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用程度不斷加大，汽車生產(chǎn)所需要應(yīng)用的零件種類也在不斷增多。在汽車生產(chǎn)中使用鋁合金的材料具有很多優(yōu)點，如能夠在滿足各種機械生產(chǎn)性能要求的條件下，鋁合金與鋼質(zhì)材料相比較，鋁合金的重量能夠減少60%；在進(jìn)行汽車碰撞實驗的過程中，鋁合金在吸收能量方面較鋼要多50%。同時，鋁合金的材質(zhì)應(yīng)用于汽車生產(chǎn)過程中，并不需要做任何的防銹處理。由于鋁合金材質(zhì)的應(yīng)用優(yōu)點較多，所以在汽車生產(chǎn)中應(yīng)用鋁合金材質(zhì)的比重不斷增加。通過以美國為例，在80年代的轎車生產(chǎn)中平均使用鋁合金的量為55kg，直到90年代，汽車生產(chǎn)使用鋁合金的量便達(dá)到了130kg。到目前為止，在汽車生產(chǎn)中使用鋁合金材料的量基本上接近150kg，占整個轎車生產(chǎn)材料重量的12%。同時，這種應(yīng)用鋁合金材料的重量呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢。

在2010年的時候，我國汽車生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用鋁的總量大致為232萬噸，成為了當(dāng)前全球汽車用鋁量最多的一個國家。但是，當(dāng)前我國每一臺汽車在生產(chǎn)中所應(yīng)用的鋁量僅僅為127kg。通過我國每臺汽車應(yīng)用鋁的量與美國相比較，基本上12%；與日本相比較，其數(shù)據(jù)低13%。這些數(shù)據(jù)充分說明了我國汽車在生產(chǎn)中鋁的用量的發(fā)展?jié)摿^大。尤其是在汽車行業(yè)快速發(fā)展的背景下，鋁合金材質(zhì)在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用前景越來越大。

在整個汽車懸架系統(tǒng)中，汽車控制臂是非常重要的一個部件，主要發(fā)揮著導(dǎo)向和傳力的作用。控制臂所發(fā)揮的作用可直接在車輪上將各種力傳遞到車身上，從而保證車輪能夠按照一定的軌跡進(jìn)行運動。因此，對于汽車使用者來講，控制臂質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到使用者的人身安全。其中，控制臂的質(zhì)量直接受到剛度、強度和使用方法方面的影響。通過對各種機械部件進(jìn)行加工和鑄造，如果力學(xué)的性能較差將難以滿足控制臂在使用過程中的要求。鍛造能夠在一定程度上增強金屬材料的力學(xué)使用性能，而汽車控制臂則可以通過鍛造來進(jìn)行完成。endprint

因此，為了讓鋁合金更好地滿足汽車控制臂形成過程中的要求，便需要深入研究鋁合金成形的理論內(nèi)容，促進(jìn)鋁合金控制臂生產(chǎn)。

2.2 必要性

目前，我國也開始越來越重視生態(tài)環(huán)保，逐步加大了對節(jié)能減排和可持續(xù)性發(fā)展的重視程度。其中，在汽車生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展過程中，各種輕金屬零部件通過采取減輕車身重量的方法已經(jīng)成為了一種趨勢，鋁合金鍛件在現(xiàn)代汽車的生產(chǎn)過程中的應(yīng)用現(xiàn)象逐漸增多。因此， 自主探索開發(fā)鋁合金鍛造成形技術(shù)實屬必需。

當(dāng)前，我國的汽車零部件產(chǎn)業(yè)雖仰賴于先進(jìn)的技術(shù)與創(chuàng)新性的培訓(xùn)而使得其與發(fā)達(dá)國家之間的差距越來越小，但也不能就此安于現(xiàn)狀，而是要抓住這一發(fā)展機遇，力爭早日實現(xiàn)汽車機械臂產(chǎn)品由低端到高端的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而促使我國由傳統(tǒng)的制造大國完成向制造強國方向的蛻變。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

關(guān)于鋁合金前上控制臂關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用，因其將直接關(guān)系到能否將技術(shù)研究成果轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟以及社會效益，故針對前上控制臂的鍛造工藝、粗晶環(huán)控制，應(yīng)首先由制備材料6082鋁合金的機械性能方面入手，以確保鍛造工藝的合理性同時將前上控制臂的粗晶環(huán)控制在1mm以內(nèi)，并得到最優(yōu)化的6082鋁合金個元素成分配方，從而提高前上控制臂的機械性能，實現(xiàn)鋁合金前上控制臂的產(chǎn)業(yè)化，帶動我國汽車零部件高速發(fā)展。具體關(guān)鍵技術(shù)如下：

3.1 工藝技術(shù)路線

3.2 新型的楔橫軋鍛造工藝技術(shù)

前上控制臂的鍛造工藝一般采用輥鍛，而所謂的輥鍛工藝，即指通過相應(yīng)的機械設(shè)備，讓材料在一對反向旋轉(zhuǎn)模具的作用下產(chǎn)生三維形變，而后通過材料形變的流動便可增加胚料的長度。至于在輥鍛的過程中，考慮到若依舊采用軸類件的拔長方式，則導(dǎo)致該公司材料的利用率不高，生產(chǎn)效率不高，不利于大批量生產(chǎn)。而我公司研制的該前上控制臂主要應(yīng)用于沃爾沃SPA平臺，需求量較大，輥鍛工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足生產(chǎn)制造要求。

針對上述問題，主要采用一種新型的楔橫軋鍛造工藝，該工藝是一種能將階梯軸類零件重新塑性的新工藝，具有節(jié)能、降低成本以及高效率等優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)的軸類零件生產(chǎn)工藝，該方式無疑更能滿足機械臂公益的發(fā)展需求，而其具體的工作原理則如圖1所示。兩個帶楔形模具的軋輥，均以圓形扎件為中心沿著相同的方向旋轉(zhuǎn)，后經(jīng)不同形狀臺階軸的軋制，使得楔橫軋加工件的變形沿著徑向的方向收縮并向軸向方向延伸。

通過兩種鍛造工藝的比較分析，兩種工藝的主要區(qū)別在于，輥鍛工藝是在一對反向旋轉(zhuǎn)模具的作用下產(chǎn)生塑性變形得到所需鍛件，而楔橫軋工藝則是基于兩個同樣帶楔形模具的軋輥，后經(jīng)不同形狀臺階軸的軋制而形成各種形狀的臺階軸。兩者的鍛造效果圖如圖2所示。

通過兩者工藝的對比最終得出楔橫軋鍛造工藝更適用于前上控制臂的鍛造，其主要特點有：

a.通常情況下，選擇楔橫軋材料制造工藝，其對材料的利用率將能達(dá)到80-95%，而材料的節(jié)約量則達(dá)到了15%-30%。

b.生產(chǎn)效率高。相較于其他工藝，楔橫軋至少由其3-10倍以上的制作效率，而每分鐘的楔橫軋量將能達(dá)到8-20件。

c.產(chǎn)品質(zhì)量好。由于楔橫軋件金屬的前衛(wèi)流線是沿著產(chǎn)品外形連續(xù)分布，故相較于其他鍛造工藝，楔橫軋不僅疲勞度與耐磨性均更強，且形狀的精準(zhǔn)度也相對較高。

d.由于楔橫軋工藝對設(shè)備噸位并無多大要求，故其模具的使用壽命也相對較高。據(jù)統(tǒng)計，采用楔橫軋工藝，其平均每一副模具的生產(chǎn)量可達(dá)到20-30萬件。

e.大大改善工作環(huán)境。由于楔橫軋的軋制過程不會產(chǎn)生任何的沖擊，故噪聲也相對較小。

f.相較于傳統(tǒng)輥鍛工藝，楔橫軋工藝更容易實現(xiàn)機械化與自動化，故也在一定程度上降低了對勞動力的強度要求，基于以上種種優(yōu)點，使得平均生產(chǎn)的成本亦可得以大幅降低，其成本降低率至少可達(dá)到20-30%。

3.3 控制前上控制臂鍛件的粗晶環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

所謂粗晶環(huán)，即指通過擠壓鋁合金制品周邊而出現(xiàn)的一種晶粒較為粗大且成環(huán)狀的區(qū)域，此為擠壓制品普遍存在的一種組織缺陷，且鑒于其晶粒尺寸原始晶粒尺寸大小，故相應(yīng)的抗疲勞性能也便隨之下降。至此，對針對這種粗晶環(huán)的鋁合金型材予以拉伸矯直時，其表面亦將變得尤為粗糙，甚至極度不美觀。而目前，國內(nèi)主要技術(shù)水平能夠?qū)⒋志Лh(huán)控制在3mm左右，但是，用于沃爾沃SPA平臺前上控制臂的鋁鍛件制的鋁合金材料，3mm的粗晶環(huán)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足市場要求。

針對上述問題主要通過以下兩個方面的分析研究，從而完善加工工藝，最終將粗晶環(huán)控制在1mm以內(nèi)，以此滿足市場需求。

（1）變形溫度對鍛后粗晶環(huán)的影響研究及分析

在實際的鍛造過程中，始鍛溫度與終鍛溫度均是重要的工藝參數(shù)指標(biāo)，且兩者均會對粗晶環(huán)的厚度產(chǎn)生影響，對此，針對溫度于粗晶環(huán)的影響研究，筆者曾在控制臂取樣前，分別以440℃、470℃、500℃和512℃的高溫予以了鍛造，所得之具體結(jié)論如圖3所示：

由圖3可知，當(dāng)始鍛溫度為440℃時，鍛后鍛件溫度只有360℃，在鍛件截面上充滿了粗晶環(huán)區(qū)，但卻幾乎沒有細(xì)晶分布，而當(dāng)溫度逐步提升至500℃時，由圖3我們可以知道，當(dāng)溫度達(dá)到440攝氏度時，其細(xì)晶區(qū)的截面面積明顯增大，而沿截面的輪廓雖呈現(xiàn)出了向外延伸的趨勢，但卻始終處于粗晶區(qū)的范疇之內(nèi)，直至唯獨達(dá)到512攝氏度之后，此截面才滿布細(xì)晶，并在局部有部分類似于孤島形式的粗晶環(huán)區(qū)。

鍛件外層的粗晶環(huán)形成主要是仰賴于鍛件的變形程度，簡言之，即表層金屬與模具表面之間本身便存在一定的摩擦作用，而當(dāng)模具表面存在粗糙或潤滑不良等情況，那么其對鍛件表層金屬的變型程度也相對較小，而當(dāng)其變形程度達(dá)到6082鋁合金臨界值時，其中較大的晶粒便會因拉力的擴張而產(chǎn)生形變，而部分擁有較高脆性的晶粒則會直接發(fā)生破碎現(xiàn)象。與此同時，當(dāng)鋁合金在經(jīng)歷過高溫變形后，由于其中尚保存有固溶時的金相組織，因此亦可認(rèn)為，粗晶環(huán)是形成于鍛件的固溶過程。而在上文中我們提到，由于加工的硬化必將導(dǎo)致鍛件的位錯密度增加，而鑒于大量的能量又都儲存于晶粒的內(nèi)部，故當(dāng)針對鍛件予以固溶處理時，隨著溫度的不斷升高，其熱激活與晶體內(nèi)部能量的釋放將導(dǎo)致晶粒迅速膨脹壯大，而這些都是加工硬化效益所導(dǎo)致。endprint

可見粗晶環(huán)的出現(xiàn)是無法避免的，但是通過實驗比較分析，在傳統(tǒng)認(rèn)為的380℃-480℃的溫度區(qū)間進(jìn)行鍛造，會導(dǎo)致大量粗晶環(huán)的產(chǎn)生。而適當(dāng)提高始鍛溫度和終鍛溫度對于避免粗晶環(huán)的產(chǎn)生十分有利。這是因為當(dāng)始鍛溫度過低，鍛造過程中鋁合金部分變形落入冷成形區(qū)間，導(dǎo)致加工硬化效果明顯，晶粒出現(xiàn)顯著的拉長和破碎等特征。隨著始鍛溫度和終鍛溫度的提高，粗晶有減少的趨勢，最終得到的結(jié)論是通過控制始鍛溫度在500℃以上，終鍛溫度在450℃以上，能夠有效地減小粗晶環(huán)。

（2）變形程度和均勻性對鍛后粗晶環(huán)組織的影響

上文分析驗證了鍛造溫度區(qū)間是影響粗晶環(huán)產(chǎn)生的一個重要原因。但是，在同一溫度下變形，同一鍛件不同截面粗晶環(huán)的分布情況并不一致，因此，有必要從變形均勻性或變形程度的方面對該問題進(jìn)行分析。以下設(shè)計了一個簡單的平板壓扁實驗，將Φ50mm的原始棒料在兩塊平板之間進(jìn)行壓扁。

圖4（a）為Φ50mm的原始棒料直接進(jìn)行T6處理，其上并沒有粗晶環(huán)。將棒料在510℃壓扁，壓扁后溫度為460℃，最終壓扁厚度為20mm，如圖 4（b）所示。從中可以看出，經(jīng)壓扁變形后出現(xiàn)了一層粗晶環(huán)，厚度約為2mm。

為了比較變形不均勻?qū)Υ志Лh(huán)的影響，將平板壓扁的上模開出一個寬10mm，深5mm的凹槽，繼續(xù)進(jìn)行實驗。圖5為變形程度不同時粗晶環(huán)分布情況。其中圖 5（a）壓扁厚度為30mm，圖5（b）壓扁厚度為25mm，圖5（c）壓扁厚度為20mm，三者對應(yīng)的變形量分別為：40%、50%和60%。由此可見，隨著變形程度的增大，粗晶環(huán)區(qū)逐漸縮小并趨向穩(wěn)定。

通過對比圖4（b）和圖5（c），前者的粗晶環(huán)分布情況要明顯好于后者，這說明在相同的變形程度下，均勻的變形對于改善粗晶環(huán)情況是有利的。而上文所述中一些形狀簡單，變形均勻的截面出現(xiàn)粗晶環(huán)的程度較輕且粗晶環(huán)分布較為規(guī)則，這也可驗證變形均勻性對于粗晶環(huán)的影響。

通過兩組實驗的分析比較，得出結(jié)論將始鍛溫度控制在500℃以上，終鍛溫度控制在450℃以上，同時通過對鍛件的變形程度和均勻性的控制，以及大量實驗的驗證，能夠使得制備的前上控制臂的粗晶環(huán)控制在1mm以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前國內(nèi)的3mm。

3.4 前上控制臂鍛件的機械性能研究

一些高端汽車的控制臂鍛件的機械性能要求高，而目前國內(nèi)一般的機械性能僅僅達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)（即：抗拉強度σb≥310MPa，屈服強度σs≥260MPa，延伸率δ≥10%），而這樣的標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足一些高端汽車的需求。針對上述問題，通過對6082鋁合金材料的成分進(jìn)行分析，對其主要成分進(jìn)行分析比較，最終得到最優(yōu)化的配方。

首先，選用表1鋁合金成分配方a配方比例進(jìn)行鋁合金材料的研制，最終對其進(jìn)行性能測試，通過有限元分析得到其抗拉強度σb≥290MPa，屈服強度σs≥250MPa，延伸率δ≥10%，有限元分析如圖6（a）所示，該機械性能未達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足前上控制臂的制備要求，故對配方比例繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后配方如表1鋁合金成分配方b配方比例所示，對其進(jìn)行性能測試，通過有限元分析得到其抗拉強度σb≥320MPa，屈服強度σs≥270MPa，延伸率δ≥10%，有限元分析如圖6（b），所示雖然該項指標(biāo)略高于國家標(biāo)準(zhǔn)，但是還是無法滿足前上控制臂的制備要求，進(jìn)行第三次優(yōu)化，將配方優(yōu)化至表1鋁合金成分配方c配方比例，最終得到的材料進(jìn)行機械性能測試，通過有限元分析得到其抗拉強度σb≥375MPa，屈服強度σs≥350MPa，延伸率δ≥10%，有限元分析如圖6（c）所示。得到最優(yōu)化的鋁合金制備配方，其最終的機械性能非常符合前上控制臂的制備要求。

4 結(jié)束語

本項技術(shù)研究實施能夠有效地對鋁鍛件粗晶環(huán)進(jìn)行控制，使之能夠小于1mm，從而達(dá)到高端汽車廠的控制臂配備要求，填補國內(nèi)鋁鍛件控制臂粗晶環(huán)控制技術(shù)的空白，提高了國內(nèi)鋁鍛件控制臂的市場競爭力，對于推動國內(nèi)鋁鍛件控制臂產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，具有非常重要的經(jīng)濟價值和社會效益。

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