汽車懸架6082鋁合金控制臂成形工藝

韓 樂

（咸陽職業技術學院汽車學院，陜西 咸陽 712000）

在汽車懸架系統中，控制承擔的任務是導向和傳力，把作用于車輪上的力傳輸到車身上，并確保車輪能夠按照既定軌跡運轉，所以，控制臂應具備充足的剛度、強度、使用壽命。但是在具體模鍛生產制造時很容易出現兩大問題，即零件裂紋，最終報廢；材料利用率過低。所以，進一步探究能夠大量生產制造，并且可以大大降低生產成本，提高成形效率與水平，以及材料利用率的成形工藝已經成為必然趨勢[1]。

1 鋁合金材料參數

6082 鋁合金的流動性比較差，而且鍛造的溫度范圍比較窄。在鍛造溫度過高的時候，鍛件將會產生粗晶組織。如果鍛造的溫度太低，那么鍛件的表面將會發生加工硬化現象，因為加工硬化的區域內激活性能非常大，在后續熱處理時，部分晶粒會出現快速增長，然后演變成粗晶，從而使得鍛件性能大大下降。鋁合金主要元素是Mg 與Si，以Mg2Si 為主要的強化相輕質合金[2]。通過擠壓工藝能夠獲取鋁棒處于常溫狀態的力學性能指標，具體如表1所示。

表1 6082鋁合金常溫狀態的力學性能

2 控制臂鍛造有限元模擬

6082 鋁合金控制臂鍛造成型是三維非穩態大塑性變形過程，主要包含材料、幾何非線性與邊界接觸條件非線性，彈性變形可以忽略，所以，鍛造成型過程模擬會選用剛塑性模型。在金屬塑性成形時，材料塑性變形的物理過程十分繁雜，為了便于進一步計算，將變形的部分過程進行理想化，有助于后續數學處理。控制臂基本形狀為長條形，各個部分的金屬體積分布并不均勻。所以，可以通過輥鍛制坯、彎曲預鍛、終鍛模鍛成型等環節加以完成。根據鍛模設計理論基礎知識設計模具，并以觀察有限元模擬結果的方式實現模具優化設計。根據鍛造經驗，毛坯的初始溫度選定為510 ℃，輥鍛與終鍛的模具溫度分別是120 ℃與250 ℃。處于熱邊界條件下，模具材料都選用H13 模具鋼[3-4]。6082鋁合金在有限元模擬過程中的邊界條件具體如表2所示。

表2 6082鋁合金材料參數

2.1 確定摩擦系數

在金屬塑性成形有限元模擬過程中，利用庫侖摩擦與剪切摩擦。庫侖摩擦模型模擬板料成形，剪切摩擦模型模擬體積成形，所以，輥鍛、折彎、模鍛模擬則選擇剪切摩擦模型。摩擦系數代表接觸面潤滑條件的特性，直接影響著其金屬流動，一般會就成形工藝條件為依據加以決定。摩擦系數具體如表3所示。

表3 不同工藝的摩擦系數

輥鍛成形與壓扁折彎屬于局部變形，對于潤滑條件要求較低，摩擦系數可以設置成0.7。在模鍛成形的時候，材料的變形變化比較大，為了促使材料流動性保持均衡狀態，避免折疊與充型不滿，潤滑應保持良好態勢，摩擦系數設定成0.3。

2.2 輥鍛成形

在成形時，模具和坯料的接觸范圍一直在演變，屬于局部變形積累演變成整體變形、多道次小變形疊加成為大變形的過程，目的是切實解決材料沿著軸向的分配。輥鍛成形是制坯的重要工藝，成形質量與工藝、鍛件質量有著直接性影響。其中，小變形區域處于控制臂的兩側，而大變形區域位于中間。基于三維造型軟件獲得控制臂最大界面面積為1 569 mm2，體積為784 928 mm3，所以，坯料長度是體積和最大截面的比值，通過圓整取坯料長度498 mm。兩端平均截面的半徑是48 mm，所以毛坯尺寸選擇48 mm×498 mm。為了保證材料加工的流動性，有效改善材料能夠局部成形。多道次輥鍛制坯可以切實解決鍛件截面偏差過大的現象，促使制坯形狀與鍛件展開形狀接近，避免鍛件發生飛邊現象，節約了成本與材料。輥鍛道次的明確直接影響著輥鍛件成形與生產率的提升。通過截面截取方式，采取兩道次輥鍛制坯。利用CAD 軟件，構建模具三維模型，通過布爾運算，以及各種方法支撐半閉式箱式孔型輥鍛模型腔，并對過渡交線倒圓角，以此獲取輥鍛模具。

在3D 有限元模型中，毛坯選擇四面體網絡，網格最小的尺寸設定成1.51 mm，比例因子是3，模擬步長大約是0.21 mm。選擇剛體模型為模具，剛塑性模型為毛坯。輥鍛模具則選擇H13模具鋼，輥鍛模擬參數具體如表4所示。

表4 輥鍛工藝參數

鋁合金毛坯在經過兩道次輥鍛模擬之后，可以發現輥鍛件不存在飛邊與折疊等相關缺陷，毛坯材料沿著軸向流動比較均衡。

2.3 彎曲成形

輥鍛之后，坯料彎曲成形的過程開始的時候由于右側坯料的直徑最小，和中間直徑存在較大落差，那么此時就會先出現彎曲。在增量步逐漸增加的趨勢下，坯料開始進入彎曲型膛，右側坯料和彎曲上模相互接觸。然后，在上模和下模的垂直距離會漸漸縮減，在厚度方向上慢慢鐓粗，而且坯料朝著彎曲底的部分開始聚集。彎曲是局部成形，彎曲模具的形狀受控制臂形狀所影響。基于給定控制臂3D數模，獲得折彎模。彎曲過程的有限元模型中，輥鍛毛坯廚房到折彎的下模。在上模朝下運動時，輥鍛毛坯上表面受到擠壓，下表面被拉動，受局部擠壓的影響會慢慢成形。彎曲模擬工藝參數具體如表5所示。

表5 彎曲模擬工藝參數

通過彎曲模擬結果可知，彎曲件不存在皺褶和折疊等缺陷。

2.4 終鍛成形

終鍛是最終成形的環節，是大變形范圍。上模和下模是把已修整終鍛件增加1%熱膨脹系數之后，放到上模塊和下模塊中，通過各種方法進行飛邊橋和鎖口修整，然后進行局部細化修正之后形成。進行彎曲處理以后，采取螺旋壓力機終鍛模擬，具體工藝參數如表6所示。

表6 終鍛工藝參數

在終鍛的時候，上模受外力與邊界條件影響，開始向下方運動，材料出現塑性變形，上模和下模型腔、最終閉合程度、外力條件、材料變形抗力等各種因素直接決定了鍛件的最終形態。終鍛模擬結果中可以看出，控制臂的成形比較良好，不存在折疊與縮孔等不足[5-6]。

3 結果討論

3.1 模鍛速度的影響

模鍛速度是非常關鍵的工藝參數，其與成型中的鍛件溫度、模鍛力密切相關。在輥鍛始鍛溫度狀態下，針對鍛件開展輥鍛制坯與彎曲預鍛，然后利用模鍛速度針對鋁合金控制臂模鍛進行終鍛數值模擬。在模擬時，選擇的速度也各不一致。而且在模鍛速度不斷增大的趨勢下，鍛件表面和心部溫度都會逐漸上升，鍛件的高低溫都會明顯升高，鍛件溫度所占據的比例也會隨之增大。

隨著壓上模下逐漸增大，上模所提供的成形力會增加，成形力增加的速率逐漸提升。總之，在模鍛速度不同時，上模所提供成形力會在模鍛速度增加的趨勢下逐漸增大。在模鍛速度不斷增加的趨勢下，鋁合金變形抗力也顯著增大。所以，處于相同壓下量下模鍛的速度越大，成形力就會越大。然而，在模鍛速度增加的影響下，上模提供的成形力增加并不顯著。在熱塑性成形時，變形抗力會漸漸增加。合金化程度低的鋁合金處于合理溫度狀態時鍛造，變形速率增大會造成加工硬化速率，以此造成變形抗力的速度有所增加，并未超出再結晶，進而使得變形抗力速度縮小。而6082 鋁合金的合金化程度較差，在合理鍛造溫度閾限之內，變形速率在變形抗力方面的影響并不明顯。

3.2 摩擦系數的影響

在模鍛時，摩擦系數與模鍛重要參數之間密切相關。鋁合金的黏性比較大，在模鍛時，需要使用潤滑劑。變形溫度大約在420 ℃以上，添加潤滑劑，鋁合金摩擦系數處于0.37～0.424。在潤滑技術逐漸優化，潤滑劑不斷改善的形勢下，潤滑劑的效果會越發突出，鋁合金與鍛模的摩擦系數則會顯著降低。

另外，因為模具飛邊槽橋部，以及型腔的阻礙影響，金屬的流動性抗力大大增加，鍛件和模具摩擦力逐漸增大。所以，模鍛力增長速率相對較快。在不同壓下量下，坯料的變形抗力相同，但摩擦系數卻存在差異。摩擦系數越來越大，在相同條件下，摩擦力逐漸增大，模鍛力也越來越大。在充型之后，鍛模的作用并非充型，而是把型槽中多余金屬擠壓到飛邊槽中，便可以看出模鍛力快速增加。在鋁合金模鍛下，應利用更優質潤滑條件，模鍛力也顯著下降[7]。

4 結 論

總之，針對汽車懸架6082 鋁合金控制臂，選擇輥鍛-壓扁折彎-模鍛工藝及其相關參數，對鍛造成型過程進行有限元分析，模擬結果表明充形良好，外形輪廓和3D 數模相一致。為了驗證工藝的科學合理性，鍛造加工控制臂，通過試驗可知，鍛件并未出現折疊或縮孔等不足。把鍛件試棒在材料拉伸試驗機上測驗其力學性能，抗拉強度、屈服強度、伸長率都能夠滿足相關要求，通過數值模擬，可知工藝參數、流程、模具設計具備較高的科學合理性。