铝合金的需求分析与铝合金精锻技术发展动态（下）

文/夏巨谌，邓磊·华中科技大学

张运军·湖北三环锻造有限公司

铝合金的需求分析与铝合金精锻技术发展动态（下）

文/夏巨谌，邓磊·华中科技大学

张运军·湖北三环锻造有限公司

《铝合金的需求分析与铝合金精锻技术发展动态（上）》见《锻造与冲压》2017年11期

铝合金精锻技术的研究及国内外发展动态

铝合金作为航空、航天飞行器、火炮及常规兵器、汽车及高铁动力零部件制造的首选材料，国内外对其精锻成形技术的研究高度重视，且发展很快，已取得多项创新成果并产生了好的应用效果，其研究方向和发展动态可归纳为如下五个方面。

轻量化制造的需求带动铝合金精锻成形工艺的快速发展

自20世纪90年代初以来全球汽车产量一直保持在5000万辆以上，汽车轻量化对于节能、减排及环境保护意义重大。90年代初，美、欧、日等国外十大汽车制造公司联合成立了汽车车身轻量化技术研究机构，专门从事汽车轻量化技术的规划与实施计划。研究表明：汽车能耗约有60%消耗于自重，一般汽车重量（质量）每减少1%，其油耗可降低0.6%～1%。2010年前轿车的平均质量由以前的1300kg降到1000kg左右。据美国汽车工业有关方面统计，轿车每使用0.454kg的铝制零件，车的自身重量可减少1.021kg，节能效果显著。因此，很多欧美汽车巨头都纷纷投入大量的人力、财力，研究怎么来降低车身质量。用铝合金来代替钢，已在中高档车上不断得到应用。本田汽车于2004年10月发表战略报告说，考虑轿车使用200kg铝合金零件，其中40kg为锻件。

根据中国乘用车样本调查，乘用车质量降低10%，其油耗可降低7.5%～9%；电动汽车质量降低10%，其行驶路程可增加5.5%以上。可见，铝在汽车上的应用将是大有可为。再以罐装车为例，一个45000L容积的罐装车采用铝合金比传统的钢制罐装车减轻质量约为2500kg。以耗油量进行评估，汽车每降低质量100kg，同样行驶100km，便可节约大约0.65L。若减少1L油耗，便可减少CO2排放量2.33kg。如果将油罐车的油罐全部铝合金化，那么每年可减排CO2的量为2150.2万吨。

汽车的行驶操控性和舒适性与底盘结构中悬架系统息息相关，现代轿车用的各种独立式悬架，如横臂式、纵臂式、麦弗逊式和多连杆式悬架，都会用到控制臂。因为控制臂是用于对方向进行有效和可靠的控制。此外，控制臂在复杂的路面工作环境中，还具有调整高速运动上下颠簸和平面偏摆产生振动的作用。除了控制臂外，铝合金还可以用来制作轮毂及其他零件。

用铝合金来降低控制臂质量，符合汽车工业的发展需求。铝合金的密度大致为2.79g/cm3，是钢锻件的34%，铜锻件的30%，所以铝合金是轻量化的理想材料。铝合金具有比强度高，比刚度大，比弹性模量大，疲劳强度高，内部组织细密、均匀、无缺陷，加工性能好，有良好的耐蚀性，吸振性强等优点，因此它是悬架系统钢控制臂理想的替代材料。采用铝合金悬挂系统控制臂能提高车辆底盘回弹响应速度，从而大大提高车辆的操控能力，行驶舒适性也随之得到质的提升。

现在国外中高档车上的控制臂几乎全部用铝合金代替钢，如奔驰、宝马、奥迪、沃尔沃等品牌，近年发展势头迅猛的SUV、MPV也开始采用铝合金控制臂。这是大势所趋，也是时代的要求。因此，铝合金控制臂发展趋势还在进一步发展和扩大。而这些关键零部件必须采用精锻工艺，因而带动了铝合金精锻工艺的快速发展。

高强度铝合金闭式精锻流动控制成形

流动控制成形（Flow Control Forming, FCF）是20世纪90年代中后期由德国和日本学者提出的，它是在常规闭式模锻基础上发展起来的一种闭式精锻新工艺。其变形原理及实质是，对于复杂难成形锻件，将毛坯置于封闭的模膛中，在凸模施加模锻力的作用下，在毛坯金属内产生强烈的三向压应力，通过静水压力水准的提高，而提高其塑性成形能力，同时，通过合理配置其控制方式，使得在模膛中最难充满成形的部位至模膛入口处，形成其绝对值由小到大的压应力梯度场，确保精锻过程中在其他部位充满的同时，最难充满的部位也完全充满，从而实现流动方向的控制，故称闭式精锻流动控制成形。

流动控制成形的特点：

⑴可以精确控制金属材料的非均匀塑性流动，提高其成形性能，可实现更加复杂结构的精密成形。

⑵可以有效避免折叠、充不满等缺陷的产生，使制件金属流线连续致密，提高产品的力学性能。

⑶可使制件表面更加光洁，尺寸精度更高，其公差等级达到IT8～IT9，比一般挤压件尺寸公差等级还高1级。

实现流动控制成形的方式：

⑴采用阻尼方式，通过反向作用力即阻尼力与正向挤压成形力的合理配置，在模膛内形成由凹模入口处到最难充满部位的压应力梯度场。

⑵采用减压方式，即通过在模膛中最难充满部位设置分流腔，使锻件处在分流腔部位的表面为自由表面，从而形成凹模入口处到最难充满部位的压应力梯度场。

⑶采用阻尼与减压联合方式，主要用于有闭式预锻和终锻两工步精锻成形的情况。

适用范围：流动控制成形既适合于黑色金属零件，如直齿锥齿轮等零件的精密成形，也适合于各种铝合金，尤其是高强度铝合金等难变形金属复杂零件的精密成形。

国内外研究与发展动态：日本学者针对铝合金涡旋盘的形状为涡旋形且壁厚从中心到边缘逐渐由厚到薄的结构特点，采用带有与流动方向相反的作用力，即阻尼力与正向挤压力共同作用，迫使金属由中心流向边缘，且工件前端平齐。若不施加阻尼力，则工件前端由中心到边缘逐渐变低，从而产生端部充不满的缺陷。同时采用FCF技术和生产线成套装备实现大批量生产。北京机电研究所针对2014铝合金涡旋盘阻尼式流动控制成形工艺，研究得到了阻尼力与正向挤压力之间的合理配置。华中科技大学针对轿车安全气囊气体发生器压盖和壳体均为多层薄壁圆筒的结构特点及7A04超硬铝合金塑性差的特性，提出并研究了减压式流动控制成形技术，包括变形方式、控制腔设置位置的判据及控制腔的设计方法、成形力的计算等，由工艺试验所得到的样件经水爆试验表明完全达到美国安全气囊技术标准。江苏泰州科达精密锻造有限公司设计制造了阻尼式和减压式两种流动控制成形通用模架和模具，成功地实现了多种规格的涡旋盘与压盖及壳体精密锻件的批量生产。

铸造铝合金以锻代铸与铸锻联合精密成形

对于含Si量为9%～13%甚至更高的中高硅铝合金结构件，其传统生产方法主要是采用挤压铸造工艺（简称压铸），目前所采用的铝合金压铸工艺分为间接挤压和直接挤压。间接挤压时的应力一般为P=60～100MPa；直接挤压的应力一般为P=25～50MPa，其加压速度对于小的铝铸件为0.2～0.4mm/s；对于大的铝铸件为0.1mm/s。不难发现，采用这两种压铸工艺生产的铝合金零件内部的致密性低、强度不高，不适合用于承力大、特别是承受动态载荷的零件。对于往复式空调压缩机零件因铸件内部可能存在有气孔或微裂纹而出现致气密性差的问题。十多年前，日本空调压缩机制造商提出采用精锻件代替压铸件的订货要求。华中科技大学受浙江温岭机械有限公司委托在国内率先成功开发出采用挤压铸造的棒料毛坯通过减压式闭式预锻和平面薄飞边阻尼式终锻成形工艺，建立了机械化生产线，实现了中高硅铝合金活塞尾、活塞体和斜盘及接头等零件的批量生产。

相关文献报导，近年来国外针对结构复杂且强度需求高的汽车零件，如转向节等开始研究含硅量为6%以上的铝合金铸锻联合成形新工艺，其工艺技术路线为：铝合金或挤压棒材坩埚炉熔化→挤压铸造成形→工件修边及切除浇道冒口→铸件加热→小飞边精锻成形→修边。这种新工艺的优点是综合了压铸和模锻两种工艺。

铝合金精锻成形过程有限元模拟

刚塑性有限元是在基本塑性力学中Markov变分原理和Lee & Kobayashi的刚塑性有限元Lagrange算法上建立起来的，该方法具有简单和效率高的特点，在金属成形过程的分析中得到了广泛应用。

20世纪90年代以来，随着二维四边形网格全自动生成算法的成熟，在处理二维问题方面出现了诸如DEFORM、ABAQUS、MSC/AutoForge等商品化软件，已成功用于实际生产中。目前，在二维体积成形方面应用刚塑性/刚粘塑性有限元已较为成熟，国内外都有较多的研究与应用。

随着计算机技术与有限元算法的发展，形状优化方法已越来越多地应用于复杂结构工程的优化问题。Kobayashi等提出了一种有限元反向跟踪方法，并应用于实际锻造问题的预成形设计。Han等将优化方法应用于有限元反向跟踪和预成形设计。赵国群等建立了基于有限元逆向仿真的模具接触跟踪方法和基于有限元灵敏度分析的模具优化设计方法。

塑性成形过程模拟是根据固体力学、材料科学与数值计算的基础理论进行的，因而原则上与工艺试验具有相同的效果。由于模拟是在计算机上虚拟进行的，不需要实际的模具、坯料和压力机，可以减少开发新产品的工艺试验次数，缩短开发周期，降低开发成本，提高市场竞争能力。塑性成形过程模拟将使工艺设计逐步地从传统的“技艺”走向“科学”。

20世纪90年代末以来，有限元模拟技术发展更加迅速，不仅用于锻件形状和塑性力学性能的模拟，还可用于锻件内部金相组织，如晶粒的大小及分布状态的模拟；同时，将锻件、锻模的计算机辅助设计与制造CAD/CAM同有限元模拟CAE实现集成，使得效率更高，效果更好。

笔者在国内率先研发了这一新技术并成功实现了材料为7A04超硬铝合金轿车安全气囊气体发生器、枪械机匣体、4032铝合金涡旋盘及2A14铝合金连杆等，精锻工艺优化，既提高了材料利用率，又提高了锻件质量。

新型铝合金精锻设备的研制及应用

传统的铝合金模锻设备完全是采用黑色金属的模锻设备，如模锻锤、摩擦压力机、热模锻压力机和液压机。模锻锤锻造成形速度为5～6m/s，速度高，对于速度敏感强的高强度铝合金模锻时易于开裂，只能用于强度低、塑性好的铝合金开式模锻，但锻件材料利用率低；摩擦压力机与模锻锤的载荷特性相似，因此，存在的问题也相似；热模锻压力机是目前国外使用的主要铝合金模锻设备，但主要适用于塑性好，少品种多工位大批量模锻生产，其特点是效率高，但材料利用率不高；对于飞机用大型铝合金筋板件，国外设计制造大吨位模锻液压机进行模锻生产，国内近年来也研制了800MN模锻液压机进行模锻生产；对于中小型高筋薄壁件的模锻件设计制造了等温模锻液压机，解决高筋薄壁的成形问题，但生产效率低，模具使用寿命低。