1、第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023锻造铝合金控制臂弯曲工艺分析与优化陈钰金1,邵长斌1,李思奇1,李 杰2,袁红霞1,白 鹭1,王 腾1,石一磬1(1.中国机械总院集团北京机电研究所有限公司,北京 100083;2.江苏倍嘉力机械科技有限公司,江苏 南通 226600)摘要:为研究弯曲工艺对某型铝合金控制臂的成形质量和显微组织的影响,采用 Deform-3D 软件对该铝合金控制臂的锻造过程进行数值模拟,优化了弯曲模具型腔的设计。结果表明:在相同的工艺参数条件下,弯曲模具型腔的弯曲角度和形状会
2、影响金属的流动和变形量,不合理的设计会导致异常再结晶的发生,从而影响轮廓粗晶的宽度。弯曲模具型腔的弯曲角度和形状优化后,预锻时坯料的变形更加均匀,有效地降低了变形和摩擦引起的温升,轮廓粗晶厚度得到控制,该锻造铝合金控制臂在截面 A-A 处的轮廓粗晶厚度由 6 mm 降至 2 mm。关键词:弯曲工艺;铝合金控制臂;弯曲模具型腔;粗晶;型腔设计DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.003中图分类号:TG316 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0017-05Analysis and optimization on bending p
3、rocess for forging aluminum alloy control armChen Yujin1,Shao Changbin1,Li Siqi1,Li Jie2,Yuan Hongxia1,Bai Lu1,Wang Teng1,Shi Yiqing1(1.Beijing Research Institute of Mechanical&Electrical Technology Co.,Ltd.CAM,Beijing 100083,China;2.Jiangsu Beijiali Machinery Technology Co.,Ltd.,Nantong 226600,Chin
4、a)Abstract:In order to study the influences of bending process on the forming quality and microstructure of a certain aluminum alloy control arm,the forging process of the aluminum alloy control arm was numerically simulated by software Deform-3D,and the design of bending mold cavity was optimized.T
5、he results show that under the same process parameters,the change of bending angle and shape for the ben-ding mold cavity affects the flow and deformation amount of the metal,and the unreasonable design can cause abnormal recrystallization,thus affecting the width of outline coarse grains.After the
6、optimization on the bending angle and shape of the bending mold cavity,the de-formation of billet during the pre-forging is more uniform,the temperature rise caused by deformation and friction is effectively reduced,and the thickness of outline coarse grain is controlled.Thus,the thickness of outlin
7、e coarse grain at section A-A of the aluminum alloy control arm is reduced from 6 mm to only 2 mm.Key words:bending process;aluminum alloy control arm;bending mold cavity;coarse crystal;cavity design收稿日期:2022-08-05;修订日期:2022-11-13作者简介:陈钰金(1984-),男,学士,正高级工程师E-mail:chenyj8412 为推进汽车工业的可持续发展,在保证汽车刚度、强度和
8、安全性的前提下,采用轻金属材料制备汽车零部件对提高汽车燃油效率、减小污染物排放具有重要意义1-2。研究表明,汽车重量每减少10%,燃油效率可提高 6%8%3。铝合金是目前实现汽车轻量化最理想的材料,其密度仅为钢的1/3,比强度却比钢高 50%,而且还具有耐腐蚀性好、可回收利用率高等优点,在汽车车身、发动机、车轮等结构件和悬架控制臂等零部件上被广泛应用,并且用量逐年提升。控制臂作为汽车悬挂系统的重要零件,其性能对于汽车的稳定性、安全性、可靠性和操控性具有决定性作用。因此,控制臂必须具有足够的刚度、强度和服役寿命。近年来,是否采用铝合金控制臂已经成为判断汽车档次高低的标准之一4。与铸造方式相比,锻
9、造铝合金控制臂的缺陷少、力学性能更佳。但受锻造工艺的影响,在铝合金控制臂的实际生产中常出现折叠、填充不满、表面折皱、流线紊乱、粗晶等质量问题5-6,特别是轮廓粗晶厚度控制不好会严重降低控制臂的强度和疲劳性能7。为获得质量良好、满足使用要求的铝合金控制臂,研究学者对铝合金控制臂的锻造工艺进行了大量的优化研究8-11,也取得了一定的效果。但是,对于不同尺寸结构的控制臂,锻造模具设计、锻造工艺参数、模具温度、热处理工艺参数等均存在差异,因此,每种铝合金控制臂均需要采用有限元数值模拟进行工艺参数优化,以减少成品件的质量问题。本文主要针对某型铝合金控制臂的弯曲工艺进行分析和优化,研究弯曲工艺对该类控制臂
10、的成形及内部组织变化的影响。1 某型铝合金控制臂基本情况某型 6082 铝合金控制臂的锻件图如图 1 所示。从图 1 可以看出,该控制臂属于 3 点臂,整体形状呈“L”型,中间外侧有凸出的枝芽状圆柱,距离主体较远,且体积较大,中心腹板处面积大、厚度小,腹板周围的筋条窄而长,整体横截面面积不均匀,其锻造成形属于三维非稳态大塑性变形。该控制臂所用的 6082 铝合金是以 Mg 和 Si 为主要元素、以 Mg2Si 为主要强化相的轻质合金,属于变形铝合金,与锻造用的碳钢和合金钢相比,其流动性差、锻造温度范围窄12。图 1 某型 6082 铝合金控制臂锻件图Fig.1 Forgings drawing
11、 of a certain 6082 aluminum alloy control arm该类控制臂因各部位体积差异较大,中间外侧有难充填的枝芽结构,成形前制坯工艺对材料的体积分配尤为重要。通常铝合金控制臂的锻造成形工艺流程为:下料加热楔横轧制坯(或辊锻制坯)弯曲二次加热预锻终锻切边固溶热处理。其中,辊锻制坯和楔横轧制坯是目前最常用的制坯方式,主要用于棒料在长度方向的体积分配。楔横轧制坯具有成形过程稳定、轧制的坯料尺寸一致性好和尺寸精度高等优势。本文研究的铝合金控制臂采用楔横轧制坯,并在定制开发的铝合金成形专用楔横轧机上生产,以更加精确地控制制坯后毛坯的尺寸和连续生产的稳定性。图 2 为楔横轧
12、制坯后的直坯料,弯曲工艺是将其弯曲为与最终锻件形状接近的形态,是整个锻件材料体积分配的重要环节。将采用上述制坯流程得到的弯曲毛坯,与预锻模具型腔进行比对,如图 3 所示。由图 3 可知,弯曲后的毛坯与预锻模具型腔基本匹配,各部位根据体积大小分配的毛坯直径变化与设计基本相符。按图 2 弯曲前的坯料形状Fig.2 Shape of blank before bending图 3 弯曲后的坯料与预锻模具下模型腔对比Fig.3 Comparison between blank after bending and lower mold cavity of pre-forging mold 照工艺流程及相
13、关参数要求,完成整个锻造工艺过程,获得的锻件充填饱满,无折叠等缺陷。对锻造后的铝合金控制臂进行内部组织检验,重点检测指定截面的异常再结晶组织(常称为粗晶)的尺寸大小。按照 GB/T 343592017 13及国内外汽车厂家对关键铝合金锻件内部组织性能的要求,指定截面内部不允许出现异常再结晶组织,异常再结晶组织只允许出现在外轮廓附近,即锻件的表层。所以,在外轮廓附近出现的异常再结晶组织也称为轮廓粗晶,轮廓粗晶的宽度要求不超过 3 mm。对该型铝合金控制臂进行内部组织检测,发现在取样位置的(截面 A-A 处,图 1)轮廓粗晶厚度超标,通过该位置处截面照片(图 4)可以看出,粗晶层沿整个截面的轮廓分
14、布,最厚处达到 6 mm,与产品粗晶层厚度的技术要求值 3 mm 相比,增大了 1 倍。图 4 锻件截面 A-A 处的轮廓粗晶Fig.4 Outline coarse grain at section A-A of forgings2 铝合金控制臂轮廓粗晶的原因分析因铝合金控制臂截面 A-A 处的轮廓粗晶厚度超标,导致产品不能正常交付,需探究粗晶产生原因81锻压技术 第 48 卷并通过工艺优化解决该问题,从而获得合格的锻件产品。该型铝合金控制臂锻件需要检测多处内部组织的截面,除截面 A-A 处之外的其他位置,轮廓粗晶均满足要求。因此,可以认定锻造工艺路线、加热温度、模具温度和润滑条件等工艺参数
15、是合理的。控制臂的外形决定弯曲模具的形状,弯曲过程中将楔横轧制坯放置在折弯下模的定位位置,在弯曲上模向下运动的过程中,毛坯上表面受压、下表面受拉,在局部挤压作用下最终弯曲成形。为保证锻件产品的充形效果,应使弯曲制坯后的锻件与预锻型腔的方向大体一致。弯曲工艺为局部成形过程,因该铝合金控制臂仅截面 A-A 处的轮廓粗晶厚度超标,分析认为,弯曲模具的局部设计不合理是造成该处轮廓粗晶厚度超标的主要原因。进一步观察弯曲制坯后的锻件形状与预锻下模型腔的匹配情况,如图 3 所示,可以看出,截面 A-A 处的坯料贴紧型腔外侧,金属在成形时首先充填外侧,多余的坯料再挤压至内侧。由此分析认为粗晶产生的原因可能包括
16、以下两个方面:(1)变形量过大,变形激活能增大;(2)摩擦升热,坯料温度过高。3 铝合金控制臂弯曲成形工艺优化与验证 为解决该铝合金控制臂截面 A-A 处轮廓粗晶厚度超标的问题,采用 Deform-3D 软件对弯曲模具进行数值模拟分析,并对该弯曲模具的局部型腔进行迭代优化设计,经过实际修改和样品调试比对验证,使粗晶厚度满足技术要求。对弯曲模具的局部型腔进行优化设计,在确保弯曲过程稳定的同时,使弯曲后的毛坯形状与锻件的外形匹配更好,能将毛坯稳定的摆放在预锻模具型腔的中心位置,尤其是两端的杆部区域。重点对控制臂的截面 A-A 处对应的弯曲模具进行优化修改,图 5 为优化后的弯曲模具图,其中线条所示为优化前的弯曲型腔轮廓。可以看出,优化后的弯曲模具主要改变了对应区域的弯曲角度和形状,保证弯曲后的坯料处于预锻模具型腔的中间位置。图 6 为弯曲工艺优化前后坯料与预锻下模型腔的对比。图 5 优化后的弯曲模具Fig.5 Bending mold after optimization图 6 弯曲工艺优化前(a)和优化后(b)的坯料与预锻下模型腔对比三维图Fig.6 3D diagrams of com
