铝合金三角臂锻造工艺设计与锻件缺陷分析

文/蒋鹏，韦韡·北京机电研究所

铝合金三角臂锻造工艺设计与锻件缺陷分析

文/蒋鹏，韦韡·北京机电研究所

随着汽车工业的不断发展，以及节能减排的要求，汽车轻量化的优势越来越明显。据报道，轿车质量每减少10％，燃油消耗可降低6％～8％。因此，以铝合金为代表的轻质材料在汽车零部件的应用日趋广泛。据统计，美国平均每辆轿车铝合金零件已达到130kg，欧洲每辆轿车使用铝合金零件也已接近100kg，占轿车总自重的8％～9％。

铝合金三角臂是汽车转向系统的关键部件，其形状复杂，成形难度大。此类锻件周边往往带有加强筋，内部设置减重孔。该种结构的筋部较易出现穿流和折叠缺陷。目前，国内普遍的铝合金锻造工艺为液压机上等温锻造，或者自由锻制坯，摩擦压力机或者锤上锻造。前者设备投资大，模具结构复杂，生产效率低；后者制坯工艺落后，流程长，需多次加热，零件精度和质量无法保证。本文介绍了一种采用自动辊锻机制坯，在高能螺旋压力机上锻造铝合金三角臂的工艺，并分析了锻件穿流和折叠缺陷形成原因。

图1三角臂锻件外形图

工艺分析

三角臂锻件如图1所示。该锻件形状复杂，且无对称性，周围为不连续的加强筋，外形由曲面构成，分模面非平面，且落差较大。可以看成长轴类零件，但是局部又具有盘形件的特征。零件最厚处为中部球头，厚度为44.5mm，最薄的腹板处仅为7mm。分模线不在同一平面，且最大落差达27.8mm。根据截面图可知，沿着弯曲轴线方向，各截面面积变化并不剧烈，可看成弯曲类长轴件。但是，截面高宽比相差悬殊，小头端为0.88，中间腹板处达0.05，相差高达18倍。

由于铝合金流动性差，每道次允许的变形程度较小。由相关资料可知，铝合金每次行程允许变形程度80％～85％，因此，该锻件必须将从坯料到锻件的变形程度进行合理分配。中间球头处截面变形最为剧烈，最大变形程度达91.7％。若从坯料直接进行模锻，零件中部腹板变形量大大超过了允许变形程度，难免产生折叠、充不满等缺陷。

因此，必须将变形分配在多道工序中进行。根据该锻件特点，在模锻之前设计了压扁工序。这样，从坯料到压扁变形量为45.2％，压扁到预锻变形量为82.5％。各工序的锻件截面如图2所示。

图2各工序截面对比

对于此种类型的锻件，模锻之前的制坯十分重要。由于铝合金流动性差，必须保证制坯形状与锻件形状尽量相近，避免过大的变形，否则容易导致各种缺陷。

锻造工艺流程设计

根据以上分析，设计了一种辊锻-模锻复合成形新工艺，不仅能提高锻件精度和质量，而且流程短，投资少。其工艺流程如下：

首先，由中频加热炉将原始棒料加热到450℃然后在φ560mm自动辊锻机上通过辊锻对材料沿轴向进行分配，使坯料轴线上各截面面积与锻件面积相当。随后，在一台机械压力机上进行弯曲和压扁，弯曲是为了使辊锻后坯料和锻件形状一致，压扁则使得坯料厚度减少，将总变形量进行分散，使得每道工序变形量都在允许变形量范围内。经过以上工序后，坯料温度下降较多，因此需进入中间加热炉进行加热。待加热到480℃时，将坯料放入预锻模膛进行预锻，接着进行终锻。其中，预锻与终锻布置于一副模具中，该模具安装在25000kN离合器式高能螺旋压力机上。这样可以节省模具和设备占用，同时缩短工艺流程，避免坯料温降过大而需重新加热造成的时间和能源浪费。最后，在机械压力机上进行切边和冲孔。该模具在一个冲程内完成切边和冲孔两道工序，并且兼具校正功能。该过程的工艺流程及锻件变形过程分别如图3和图4所示。

图3三角臂锻造工艺流程图

图4三角臂锻件变形过程示意图

锻件穿流缺陷形成机理分析

对于角形、槽型和工字形截面锻件，容易产生穿流，严重时形成穿筋。产生穿流、穿筋的原因很多，但是一般认为主要是带筋截面材料余量过大所致。其形成过程大致可认为是金属沿最小阻力方向流动的结果。以工字形截面为例，当材料过多，在锻件还没打靠时，金属已经充满筋部模膛。此时上模仍然继续向下运动，腹板上的多余金属就会流向飞边槽。而流向飞边槽有如图5所示两种路径。该部分金属距离飞边槽近，经筋部模膛再流出的距离远。由于经过筋部再进入飞边槽的阻力要远远大于直接射入飞边槽，因此，金属往往直接射入飞边槽，导致腹板表层的金属流线发生了显著变化，形成穿流甚至穿筋，图6所示为在减重孔内侧出现的穿流现象。

图5穿筋流线

图6减重孔内侧穿流

除了材料分配过多，导致穿流缺陷的原因还有以下几种：

从模具结构上看，腹板与筋相交的圆角半径过小，筋较窄较高，腹板太薄，这些都可能导致穿流产生。换而言之，增大金属向筋部流动阻力，或者减少腹板流动阻力的因素都是导致穿筋的根源。

从操作方法上看，毛坯摆放位置不当，润滑不合理往往会使穿筋恶化。不规范的润滑操作使得模锻件各部分的金属流速不均、流向紊乱，流线紊乱。特别要注意润滑须均匀，尤其是腹板部位润滑剂不宜过多，以免该处表层金属流动阻力过小而直接流入飞边槽。

从变形速度上看，过快的变形程度会加剧穿筋的产生。假如材料过剩太多，当金属已经充满模膛时，模具并未打靠。若此时上下模快速合模，会对金属产生冲击效应，使得腹板处多余的金属沿着筋的根部直接挤入飞边槽，形成穿流甚至穿筋，图7为减重孔处产生紊流和穿流。

图7流线紊乱

筋部折叠缺陷的形成与分析

为了和穿流进行比较，图8给出了筋部折叠产生过程示意图。

图8筋部折叠的产生过程

从本质上来讲，穿流和穿筋都是由于流线不良导致锻件内部出现新的表面，可以认为是一种折叠。只不过一般所认为的折叠是多股金属汇流，或者回流产生。而穿筋是金属流动路径不协调造成的。穿筋的结果往往导致折叠。穿筋是从流线的角度考量，而折叠则是其宏观表现。所谓穿筋其实是金属的汇流；而图8所示折叠则是由于材料回流所形成。

图9正常流线

无论穿流或是折叠，在很大程度上都受筋底和腹板过渡圆角R的影响。当圆角半径R增大，材料向筋部流动的阻力减小，材料的流动状态改善，得到合理的流线，即可避免穿流和折叠的产生。图9所示为筋部正常流线。由此可见，当圆角半径增大时，流线良好，没有出现流线露头、紊流和穿流等缺陷。

结束语

经对上述工艺以及锻件缺陷形成机理分析研究，可以得出如下结论：

⑴由于铝合金塑性差，变形程度不能过大，单道次允许变形程度为80％～85％，否则容易产生折叠等缺陷。

⑵坯料和模锻件材料需严格匹配，坯料截面面积比该处终锻截面面积大5％～10％，太小容易导致充不满，太大又会出现穿流穿筋等缺陷。

⑶模具模膛的凸圆角，尤其是筋部和腹板连接处的圆角半径大小较为敏感，过小的圆角半径往往导致折叠、穿筋等缺陷产生。