汽车悬架6082铝合金控制臂成形工艺

韩 乐

（咸阳职业技术学院汽车学院，陕西 咸阳 712000）

在汽车悬架系统中，控制承担的任务是导向和传力，把作用于车轮上的力传输到车身上，并确保车轮能够按照既定轨迹运转，所以，控制臂应具备充足的刚度、强度、使用寿命。但是在具体模锻生产制造时很容易出现两大问题，即零件裂纹，最终报废；材料利用率过低。所以，进一步探究能够大量生产制造，并且可以大大降低生产成本，提高成形效率与水平，以及材料利用率的成形工艺已经成为必然趋势[1]。

1 铝合金材料参数

6082 铝合金的流动性比较差，而且锻造的温度范围比较窄。在锻造温度过高的时候，锻件将会产生粗晶组织。如果锻造的温度太低，那么锻件的表面将会发生加工硬化现象，因为加工硬化的区域内激活性能非常大，在后续热处理时，部分晶粒会出现快速增长，然后演变成粗晶，从而使得锻件性能大大下降。铝合金主要元素是Mg 与Si，以Mg2Si 为主要的强化相轻质合金[2]。通过挤压工艺能够获取铝棒处于常温状态的力学性能指标，具体如表1所示。

表1 6082铝合金常温状态的力学性能

2 控制臂锻造有限元模拟

6082 铝合金控制臂锻造成型是三维非稳态大塑性变形过程，主要包含材料、几何非线性与边界接触条件非线性，弹性变形可以忽略，所以，锻造成型过程模拟会选用刚塑性模型。在金属塑性成形时，材料塑性变形的物理过程十分繁杂，为了便于进一步计算，将变形的部分过程进行理想化，有助于后续数学处理。控制臂基本形状为长条形，各个部分的金属体积分布并不均匀。所以，可以通过辊锻制坯、弯曲预锻、终锻模锻成型等环节加以完成。根据锻模设计理论基础知识设计模具，并以观察有限元模拟结果的方式实现模具优化设计。根据锻造经验，毛坯的初始温度选定为510 ℃，辊锻与终锻的模具温度分别是120 ℃与250 ℃。处于热边界条件下，模具材料都选用H13 模具钢[3-4]。6082铝合金在有限元模拟过程中的边界条件具体如表2所示。

表2 6082铝合金材料参数

2.1 确定摩擦系数

在金属塑性成形有限元模拟过程中，利用库仑摩擦与剪切摩擦。库仑摩擦模型模拟板料成形，剪切摩擦模型模拟体积成形，所以，辊锻、折弯、模锻模拟则选择剪切摩擦模型。摩擦系数代表接触面润滑条件的特性，直接影响着其金属流动，一般会就成形工艺条件为依据加以决定。摩擦系数具体如表3所示。

表3 不同工艺的摩擦系数

辊锻成形与压扁折弯属于局部变形，对于润滑条件要求较低，摩擦系数可以设置成0.7。在模锻成形的时候，材料的变形变化比较大，为了促使材料流动性保持均衡状态，避免折叠与充型不满，润滑应保持良好态势，摩擦系数设定成0.3。

2.2 辊锻成形

在成形时，模具和坯料的接触范围一直在演变，属于局部变形积累演变成整体变形、多道次小变形叠加成为大变形的过程，目的是切实解决材料沿着轴向的分配。辊锻成形是制坯的重要工艺，成形质量与工艺、锻件质量有着直接性影响。其中，小变形区域处于控制臂的两侧，而大变形区域位于中间。基于三维造型软件获得控制臂最大界面面积为1 569 mm2，体积为784 928 mm3，所以，坯料长度是体积和最大截面的比值，通过圆整取坯料长度498 mm。两端平均截面的半径是48 mm，所以毛坯尺寸选择48 mm×498 mm。为了保证材料加工的流动性，有效改善材料能够局部成形。多道次辊锻制坯可以切实解决锻件截面偏差过大的现象，促使制坯形状与锻件展开形状接近，避免锻件发生飞边现象，节约了成本与材料。辊锻道次的明确直接影响着辊锻件成形与生产率的提升。通过截面截取方式，采取两道次辊锻制坯。利用CAD 软件，构建模具三维模型，通过布尔运算，以及各种方法支撑半闭式箱式孔型辊锻模型腔，并对过渡交线倒圆角，以此获取辊锻模具。

在3D 有限元模型中，毛坯选择四面体网络，网格最小的尺寸设定成1.51 mm，比例因子是3，模拟步长大约是0.21 mm。选择刚体模型为模具，刚塑性模型为毛坯。辊锻模具则选择H13模具钢，辊锻模拟参数具体如表4所示。

表4 辊锻工艺参数

铝合金毛坯在经过两道次辊锻模拟之后，可以发现辊锻件不存在飞边与折叠等相关缺陷，毛坯材料沿着轴向流动比较均衡。

2.3 弯曲成形

辊锻之后，坯料弯曲成形的过程开始的时候由于右侧坯料的直径最小，和中间直径存在较大落差，那么此时就会先出现弯曲。在增量步逐渐增加的趋势下，坯料开始进入弯曲型膛，右侧坯料和弯曲上模相互接触。然后，在上模和下模的垂直距离会渐渐缩减，在厚度方向上慢慢镦粗，而且坯料朝着弯曲底的部分开始聚集。弯曲是局部成形，弯曲模具的形状受控制臂形状所影响。基于给定控制臂3D数模，获得折弯模。弯曲过程的有限元模型中，辊锻毛坯厨房到折弯的下模。在上模朝下运动时，辊锻毛坯上表面受到挤压，下表面被拉动，受局部挤压的影响会慢慢成形。弯曲模拟工艺参数具体如表5所示。

表5 弯曲模拟工艺参数

通过弯曲模拟结果可知，弯曲件不存在皱褶和折叠等缺陷。

2.4 终锻成形

终锻是最终成形的环节，是大变形范围。上模和下模是把已修整终锻件增加1%热膨胀系数之后，放到上模块和下模块中，通过各种方法进行飞边桥和锁口修整，然后进行局部细化修正之后形成。进行弯曲处理以后，采取螺旋压力机终锻模拟，具体工艺参数如表6所示。

表6 终锻工艺参数

在终锻的时候，上模受外力与边界条件影响，开始向下方运动，材料出现塑性变形，上模和下模型腔、最终闭合程度、外力条件、材料变形抗力等各种因素直接决定了锻件的最终形态。终锻模拟结果中可以看出，控制臂的成形比较良好，不存在折叠与缩孔等不足[5-6]。

3 结果讨论

3.1 模锻速度的影响

模锻速度是非常关键的工艺参数，其与成型中的锻件温度、模锻力密切相关。在辊锻始锻温度状态下，针对锻件开展辊锻制坯与弯曲预锻，然后利用模锻速度针对铝合金控制臂模锻进行终锻数值模拟。在模拟时，选择的速度也各不一致。而且在模锻速度不断增大的趋势下，锻件表面和心部温度都会逐渐上升，锻件的高低温都会明显升高，锻件温度所占据的比例也会随之增大。

随着压上模下逐渐增大，上模所提供的成形力会增加，成形力增加的速率逐渐提升。总之，在模锻速度不同时，上模所提供成形力会在模锻速度增加的趋势下逐渐增大。在模锻速度不断增加的趋势下，铝合金变形抗力也显著增大。所以，处于相同压下量下模锻的速度越大，成形力就会越大。然而，在模锻速度增加的影响下，上模提供的成形力增加并不显著。在热塑性成形时，变形抗力会渐渐增加。合金化程度低的铝合金处于合理温度状态时锻造，变形速率增大会造成加工硬化速率，以此造成变形抗力的速度有所增加，并未超出再结晶，进而使得变形抗力速度缩小。而6082 铝合金的合金化程度较差，在合理锻造温度阈限之内，变形速率在变形抗力方面的影响并不明显。

3.2 摩擦系数的影响

在模锻时，摩擦系数与模锻重要参数之间密切相关。铝合金的黏性比较大，在模锻时，需要使用润滑剂。变形温度大约在420 ℃以上，添加润滑剂，铝合金摩擦系数处于0.37～0.424。在润滑技术逐渐优化，润滑剂不断改善的形势下，润滑剂的效果会越发突出，铝合金与锻模的摩擦系数则会显著降低。

另外，因为模具飞边槽桥部，以及型腔的阻碍影响，金属的流动性抗力大大增加，锻件和模具摩擦力逐渐增大。所以，模锻力增长速率相对较快。在不同压下量下，坯料的变形抗力相同，但摩擦系数却存在差异。摩擦系数越来越大，在相同条件下，摩擦力逐渐增大，模锻力也越来越大。在充型之后，锻模的作用并非充型，而是把型槽中多余金属挤压到飞边槽中，便可以看出模锻力快速增加。在铝合金模锻下，应利用更优质润滑条件，模锻力也显著下降[7]。

4 结 论

总之，针对汽车悬架6082 铝合金控制臂，选择辊锻-压扁折弯-模锻工艺及其相关参数，对锻造成型过程进行有限元分析，模拟结果表明充形良好，外形轮廓和3D 数模相一致。为了验证工艺的科学合理性，锻造加工控制臂，通过试验可知，锻件并未出现折叠或缩孔等不足。把锻件试棒在材料拉伸试验机上测验其力学性能，抗拉强度、屈服强度、伸长率都能够满足相关要求，通过数值模拟，可知工艺参数、流程、模具设计具备较高的科学合理性。