沃尔沃spa平台前上控制臂关键技术研究---------------------------------林妙可发育了(见上)
唐永夫+张红平
摘 要：对前上控制臂锻造工艺、前上控制臂的粗晶环控制及前上控制臂制备材料6082铝合金的机械性能进行深入分析与研究，以便能够提炼出合理化的工艺，同时将前上控制臂的粗晶环控制在1mm以内，并得到最优化的6082铝合金各元素成分配方，从而提高前上控制臂的机械性能，最终制备出能够满足市场需求的沃尔沃SPA平台前上控制臂，达到能够配备高端汽车厂商的能力。
关键词：前上控制臂；粗晶环；机械性能；锻造工艺；配方优化
中图分类号：U463.33 文献标志码：A 文章编号：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 技术研究背景
在现代汽车工业不断发展的背景下，为广大人民群众的生活带来便利的同时也出现了各种严重的环境问题。通过进行全面统计发现，当前的汽车在排出尾气中二氧化碳的量占全球二氧化碳排放量的20%-30%。同时，在一些发达国家中，汽车排放对环境造成的污染基本上占据到30%-60%。尤其是在20世纪发展的末期，能源危机越来越突出，所以逐步提高了现代汽车的减重节能要求，让汽车在选材的方面逐步朝着轻量化的方向发展。其中，通过从驾驶的角度来进行分析，当汽车实现轻量化之后，能够有效提升汽车的加速性，保证汽车的稳定性和噪音，全面改善汽车的振动设置。通过从安全性的角度来进行分析，一旦在碰撞的过程中，时惯性较小的情况下，将在一定程度上减少制动的距离。同时，在发生碰撞的过程中，塑料材质的材料对人所产生的冲击力度较小，所以安全性更好。因此，在这样的背景下，将铝合金材料应用于汽车工业发展中的情况越来越多。通过将铝合金的材料合理的应用于现代汽车的工业发展过程中，不但能够让汽车生产逐步实现轻量化，而且还能够增强汽车的防锈功能。在比较铝合金材料与复合高分子有机材料的过程中，最大的特点就是能够真正实现全部回收和利用，这对保护环境和促进资源再生具有非常重要的作用。
本文所阐述主要是针对沃尔沃SPA平台前上控制臂研究与应用，通过创新性研究，在铝合金锻造领域取得重大突破，在微观晶粒组织改善和零件机械性能提高方面也取得了长足进步。尤其是粗晶环的改善，由原来不受控的状态改善到目前1mm以内，具备为沃尔沃SPA平台配备前上控制臂的能力，从而填补国内铝锻件行业粗晶环控制工艺的空白，解决了铝合金控制臂具有截面不均匀、截面积变化大、形状复杂、成形难度大等特点，提高我国关键汽车部件铝锻件在国际市场上的竞争力。
2 该技术研究的发展现状与必要性
2.1 发展现状
铝合金在汽车领域的应用程度不断加大，汽车生产所需要应用的零件种类也在不断增多。在汽车生产中使用铝合金的材料具有很多优点，如能够在满足各种机械生产性能要求的条件下，铝合金与钢质材料相比较，铝合金的重量能够减少60%；在进行汽车碰撞实验的过程中，铝合金在吸收能量方面较钢要多50%。同时，铝合金的材质应用于汽车生产过程中，并不需要做任何的防锈处理。由于铝合金材质的应用优点较多，所以在汽车生产中应用铝合金材质的比重不断增加。通过以美国为例，在80年代的轿车生产中平均使用铝合金的量为55kg，直到90年代，汽车生产使用铝合金的量便达到了130kg。到目前为止，在汽车生产中使用铝合金材料的量基本上接近150kg，占整个轿车生产材料重量的12%。同时，这种应用铝合金材料的重量呈现出不断增长的趋势。
在2010年的时候，我国汽车生产领域应用铝的总量大致为232万吨，成为了当前全球汽车用铝量最多的一个国家。但是，当前我国每一台汽车在生产中所应用的铝量仅仅为127kg。通过我国每台汽车应用铝的量与美国相比较，基本上12%；与日本相比较，其数据低13%。这些数据充分说明了我国汽车在生产中铝的用量的发展潜力較大。尤其是在汽车行业快速发展的背景下，铝合金材质在汽车生产中的应用前景越来越大。
在整个汽车悬架系统中，汽车控制臂是非常重要的一个部件，主要发挥着导向和传力的作用。控制臂所发挥的作用可直接在车轮上将各种力传递到车身上，从而保证车轮能够按照一定的轨迹进行运动。因此，对于汽车使用者来讲，控制臂质量的好坏直接关系到使用者的人身安全。其中，控制臂的质量直接受到刚度、强度和使用方法方面的影响。通过对各种机械部件进行加工和铸造，如果力学的性能较差将难以满足控制臂在使用过程中的要求。锻造能够在一定程度上增强金属材料的力学使用性能，而汽车控制臂则可以通过锻造来进行完成。endprint
因此，为了让铝合金更好地满足汽车控制臂形成过程中的要求，便需要深入研究铝合金成形的理论内容，促进铝合金控制臂生产。
2.2 必要性
目前，我国也开始越来越重视生态环保，逐步加大了对节能减排和可持续性发展的重视程度。其中，在汽车生产行业的发展过程中，各种轻金属零部件通過采取减轻车身重量的方法已经成为了一种趋势，铝合金锻件在现代汽车的生产过程中的应用现象逐渐增多。因此， 自主探索开发铝合金锻造成形技术实属必需。
当前，我国的汽车零部件产业虽仰赖于先进的技术与创新性的培训而使得其与发达国家之间的差距越来越小，但也不能就此安于现状，而是要抓住这一发展机遇，力争早日实现汽车机械臂产品由低端到高端的转化，进而促使我国由传统的制造大国完成向制造强国方向的蜕变。
3 关键技术分析
关于铝合金前上控制臂关键技术的研发及应用，因其将直接关系到能否将技术研究成果转化为经济以及社会效益，故针对前上控制臂的锻造工艺、粗晶环控制，应首先由制备材料6082铝合金的机械性能方面入手，以确保锻造工艺的合理性同时将前上控制臂的粗晶环控制在1mm以内，并得到最优化的6082铝合金个元素成分配方，从而提高前上控制臂的机械性能，实现铝合金前上控制臂的产业化，带动我国汽车零部件高速发展。具体关键技术如下：
3.1 工艺技术路线
3.2 新型的楔横轧锻造工艺技术
前上控制臂的锻造工艺一般采用辊锻，而所谓的辊锻工艺，即指通过相应的机械设备，让材料在一对反向旋转模具的作用下产生三维形变，而后通过材料形变的流动便可增加胚料的长度。至于在辊锻的过程中，考虑到若依旧采用轴类件的拔长方式，则导致该公司材料的利用率不高，生产效率不高，不利于大批量生产。而我公司研制的该前上控制臂主要应用于沃尔沃SPA平台，需求量较大，辊锻工艺远远无法满足生产制造要求。
针对上述问题，主要采用一种新型的楔横轧锻造工艺，该工艺是一种能将阶梯轴类零件重新塑性的新工艺，具有节能、降低成本以及高效率等优势，相较于传统的轴类零件生产工艺，该方式无疑更能满足机械臂公益的发展需求，而其具体的工作原理则如图1所示。两个带楔形模具的轧辊，均以圆形扎件为中心沿着相同的方向旋转，后经不同形状台阶轴的轧制，使得楔横轧加工件的变形沿着径向的方向收缩并向轴向方向延伸。
通过两种锻造工艺的比较分析，两种工艺的主要区别在于，辊锻工艺是在一对反向旋转模具的作用下产生塑性变形得到所需锻件，而楔横轧工艺则是基于两个同样带楔形模具的轧辊，后经不同形状台阶轴的轧制而形成各种形状的台阶轴。两者的锻造效果图如图2所示。
通过两者工艺的对比最终得出楔横轧锻造工艺更适用于前上控制臂的锻造，其主要特点有：
a.通常情况下，选择楔横轧材料制造工艺，其对材料的利用率将能达到80-95%，而材料的节约量则达到了15%-30%。
b.生产效率高。相较于其他工艺，楔横轧至少由其3-10倍以上的制作效率，而每分钟的楔横轧量将能达到8-20件。
c.产品质量好。由于楔横轧件金属的前卫流线是沿着产品外形连续分布，故相较于其他锻造工艺，楔横轧不仅疲劳度与耐磨性均更强，且形状的精准度也相对较高。
d.由于楔横轧工艺对设备吨位并无多大要求，故其模具的使用寿命也相对较高。据统计，采用楔横轧工艺，其平均每一副模具的生产量可达到20-30万件。
e.大大改善工作环境。由于楔横轧的轧制过程不会产生任何的冲击，故噪声也相对较小。
f.相较于传统辊锻工艺，楔横轧工艺更容易实现机械化与自动化，故也在一定程度上降低了对劳动力的强度要求，基于以上种种优点，使得平均生产的成本亦可得以大幅降低，其成本降低率至少可达到20-30%。
3.3 控制前上控制臂锻件的粗晶环的关键技术研发
所谓粗晶环，即指通过挤压铝合金制品周边而出现的一种晶粒较为粗大且成环状的区域，此为挤压制品普遍存在的一种组织缺陷，且鉴于其晶粒尺寸原始晶粒尺寸大小，故相应的抗疲劳性能也便随之下降。至此，对针对这种粗晶环的铝合金型材予以拉伸矫直时，其表面亦将变得尤为粗糙，甚至极度不美观。而目前，国内主要技术水平能够将粗晶环控制在3mm左右，但是，用于沃尔沃SPA平台前上控制臂的铝锻件制的铝合金材料，3mm的粗晶环远远无法满足市场要求。
针对上述问题主要通过以下两个方面的分析研究，从而完善加工工艺，最终将粗晶环控制在1mm以内，以此满足市场需求。
（1）变形温度对锻后粗晶环的影响研究及分析
在实际的锻造过程中，始锻温度与终锻温度均是重要的工艺参数指标，且两者均会对粗晶环的厚度产生影响，对此，针对温度于粗晶环的影响研究，笔者曾在控制臂取样前，分别以440℃、470℃、500℃和512℃的高温予以了锻造，所得之具体结论如图3所示：
由图3可知，当始锻温度为440℃时，锻后锻件温度只有360℃，在锻件截面上充满了粗晶环区，但却几乎没有细晶分布，而当温度逐步提升至500℃时，由图3我们可以知道，当温度达到440摄氏度时，其细晶区的截面面积明显增大，而沿截面的轮廓虽呈现出了向外延伸的趋势，但却始终处于粗晶区的范畴之内，直至唯独达到512摄氏度之后，此截面才满布细晶，并在局部有部分类似于孤岛形式的粗晶环区。
锻件外层的粗晶环形成主要是仰赖于锻件的变形程度，简言之，即表层金属与模具表面之间本身便存在一定的摩擦作用，而当模具表面存在粗糙或润滑不良等情况，那么其对锻件表层金属的变型程度也相对较小，而当其变形程度达到6082铝合金临界值时，其中较大的晶粒便会因拉力的扩张而产生形变，而部分拥有较高脆性的晶粒则会直接发生破碎现象。与此同时，当铝合金在经历过高温变形后，由于其中尚保存有固溶时的金相组织，因此亦可认为，粗晶环是形成于锻件的固溶过程。而在上文中我们提到，由于加工的硬化必将导致锻件的位错密度增加，而鉴于大量的能量又都储存于晶粒的内部，故当针对锻件予以固溶处理时，随着温度的不断升高，其热激活与晶体内部能量的释放将导致晶粒迅速膨胀壮大，而这些都是加工硬化效益所导致。endprint
可见粗晶环的出现是无法避免的，但是通过实验比较分析，在传统认为的380℃-480℃的温度区间进行锻造，会导致大量粗晶环的产生。而适当提高始锻温度和终锻温度对于避免粗晶环的产生十分有利。这是因为当始锻温度过低，锻造过程中铝合金部分变形落入冷成形區间，导致加工硬化效果明显，晶粒出现显著的拉长和破碎等特征。随着始锻温度和终锻温度的提高，粗晶有减少的趋势，最终得到的结论是通过控制始锻温度在500℃以上，终锻温度在450℃以上，能够有效地减小粗晶环。
（2）变形程度和均匀性对锻后粗晶环组织的影响
上文分析验证了锻造温度区间是影响粗晶环产生的一个重要原因。但是，在同一温度下变形，同一锻件不同截面粗晶环的分布情况并不一致，因此，有必要从变形均匀性或变形程度的方面对该问题进行分析。以下设计了一个简单的平板压扁实验，将Φ50mm的原始棒料在两块平板之间进行压扁。
图4（a）为Φ50mm的原始棒料直接进行T6处理，其上并没有粗晶环。将棒料在510℃压扁，压扁后温度为460℃，最终压扁厚度为20mm，如图 4（b）所示。从中可以看出，经压扁变形后出现了一层粗晶环，厚度约为2mm。
为了比较变形不均匀对粗晶环的影响，将平板压扁的上模开出一个宽10mm，深5mm的凹槽，继续进行实验。图5为变形程度不同时粗晶环分布情况。其中图 5（a）压扁厚度为30mm，图5（b）压扁厚度为25mm，图5（c）压扁厚度为20mm，三者对应的变形量分别为：40%、50%和60%。由此可见，随着变形程度的增大，粗晶环区逐渐缩小并趋向稳定。
通过对比图4（b）和图5（c），前者的粗晶环分布情况要明显好于后者，这说明在相同的变形程度下，均匀的变形对于改善粗晶环情况是有利的。而上文所述中一些形状简单，变形均匀的截面出现粗晶环的程度较轻且粗晶环分布较为规则，这也可验证变形均匀性对于粗晶环的影响。
通过两组实验的分析比较，得出结论将始锻温度控制在500℃以上，终锻温度控制在450℃以上，同时通过对锻件的变形程度和均匀性的控制，以及大量实验的验证，能够使得制备的前上控制臂的粗晶环控制在1mm以内，远远高于目前国内的3mm。
3.4 前上控制臂锻件的机械性能研究
一些高端汽车的控制臂锻件的机械性能要求高，而目前国内一般的机械性能仅仅达到国家标准（即：抗拉强度σb≥310MPa，屈服强度σs≥260MPa，延伸率δ≥10%），而这样的标准远远无法满足一些高端汽车的需求。针对上述问题，通过对6082铝合金材料的成分进行分析，对其主要成分进行分析比较，最终得到最优化的配方。
首先，选用表1铝合金成分配方a配方比例进行铝合金材料的研制，最终对其进行性能测试，通过有限元分析得到其抗拉强度σb≥290MPa，屈服强度σs≥250MPa，延伸率δ≥10%，有限元分析如图6（a）所示，该机械性能未达到国家标准，远远无法满足前上控制臂的制备要求，故对配方比例继续进行优化，优化后配方如表1铝合金成分配方b配方比例所示，对其进行性能测试，通过有限元分析得到其抗拉强度σb≥320MPa，屈服强度σs≥270MPa，延伸率δ≥10%，有限元分析如图6（b），所示虽然该项指标略高于国家标准，但是还是无法满足前上控制臂的制备要求，进行第三次优化，将配方优化至表1铝合金成分配方c配方比例，最终得到的材料进行机械性能测试，通过有限元分析得到其抗拉强度σb≥375MPa，屈服强度σs≥350MPa，延伸率δ≥10%，有限元分析如图6（c）所示。得到最优化的铝合金制备配方，其最终的机械性能非常符合前上控制臂的制备要求。
4 结束语
本项技术研究实施能够有效地对铝锻件粗晶环进行控制，使之能够小于1mm，从而达到高端汽车厂的控制臂配备要求，填补国内铝锻件控制臂粗晶环控制技术的空白，提高了国内铝锻件控制臂的市场竞争力，对于推动国内铝锻件控制臂产业的可持续发展，具有非常重要的经济价值和社会效益。
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