采用自鑄鋁棒替代擠壓鋁棒生產(chǎn)汽車控制臂的新工藝

摘 要:采用鋁合金連鑄坯替代擠壓鋁合金棒材，作為汽車控制臂的鍛造原料，通過對熔鑄工藝進行科學(xué)合理的設(shè)計使鋁合金連鑄坯與擠壓鋁合金棒材質(zhì)量差異盡可能縮小，對后續(xù)加工工藝適度強化，進一步彌補原材料的差異缺陷，最終實現(xiàn)兩種原料生產(chǎn)的產(chǎn)品同質(zhì)化。

關(guān)鍵詞:鋁合金;熔鑄;擠壓;鍛造

中圖分類號:TB

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)08-0288-03

1 技術(shù)背景分析

汽車工業(yè)的發(fā)展，給人們帶來舒適便捷的“汽車文明”同時，也帶來了日益嚴(yán)重的環(huán)境問題。世界環(huán)境衛(wèi)生合作及發(fā)展組織曾指出，交通運輸工具已成為大氣污染的重要根源之一。據(jù)統(tǒng)計，目前汽車尾氣排出的二氧化碳占全球二氧化碳排放量的20%-30%;在一些發(fā)達國家，汽車排放已占大氣污染的30%-60%。

20世紀(jì)末，能源危機日趨嚴(yán)重，使現(xiàn)代汽車減重節(jié)能的要求不斷高漲，輕量化已成為汽車選材的主要發(fā)展方向。國外研究表明汽車質(zhì)量每降低100kg，每百公里油耗可減少0.27L，汽車自重每降低10%，燃油效率可提高5.5%。發(fā)達國家不斷加強對汽車能源消耗和廢氣污染的限制，促使汽車制造廠重視汽車輕量化的發(fā)展。目前，歐洲汽車制造商提出一項環(huán)保目標(biāo)，即實現(xiàn)乘用車平均二氧化碳排放量降低30%，這相當(dāng)于在目前平均整車重量的基礎(chǔ)上降低車重的一半。輕量化已成為未來汽車技術(shù)發(fā)展的一大追求之一，目前，歐洲已出現(xiàn)全鋁汽車。

從駕駛方面來講:汽車輕量化后加速性提高，穩(wěn)定性和噪音、振動方面也均有改善。從安全性考慮:碰撞時慣性小，制動距離減小，另外發(fā)生碰撞時，塑性材料對人的沖擊小得多，所以更加安全。

汽車輕量化特別是大量采用輕量化的塑性材料已成為未來汽車技術(shù)發(fā)展的方向，在此背景下鋁合金材料用于汽車工業(yè)的數(shù)量急劇增加。鋁合金材料在汽車工業(yè)的應(yīng)用，最早僅局限在動力系統(tǒng)和一些簡單零件上，如缸體、儀表盤、車門、座椅框架等?，F(xiàn)在鋁合金材料在汽車工業(yè)的應(yīng)用幾乎遍布汽車車身的各個角落，奔馳汽車、寶馬汽車、美洲豹汽車等都鋁合金零件被大量采用，奧迪A2甚至實現(xiàn)了包括車體和外圍構(gòu)件在內(nèi)的全鋁車身。

鋁合金材料應(yīng)用于汽車工業(yè)不僅可以實現(xiàn)輕量化，還具有防銹功能;同時鋁合金材料不同于復(fù)合高分子有機材料最大特點是幾乎可以全部回收再利用，這對于環(huán)境保護和資源再生利用具有重要意義。

正是由于鋁合金材料具有密度小、回收再利用率高、加工性能好、比鋼吸振性好等等優(yōu)點而在汽車工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。但是現(xiàn)代汽車業(yè)競爭非常激烈，必然要求對成本等多方面因素加以控制。本項目采用先進設(shè)備，合理利用區(qū)域特定資源優(yōu)勢，開發(fā)了一種可以為汽車生產(chǎn)企業(yè)提供質(zhì)優(yōu)價廉的汽車配件的新工藝方法，有效降低了產(chǎn)品成本，為汽車生產(chǎn)企業(yè)提高競爭優(yōu)勢提供了條件。

2 技術(shù)路線介紹

2.1 生產(chǎn)鋁合金汽車控制臂的傳統(tǒng)鍛造工藝概述

鋁合金汽車控制臂傳統(tǒng)鍛造工藝以擠壓鋁合金棒材為原料，其生產(chǎn)工藝如下:擠壓鋁合金棒材的鋸切、制坯、鍛造、機械加工熱處理，具體工序如下:

(1)外購擠壓鋁合金棒材鋸切——檢查——去皮——合格圓錠。

主要生產(chǎn)線設(shè)備配置:鋸切機(具有鋸切、探傷、去皮等功能)，端面銑床和倒角機。

(2)對合格圓錠進行均勻化退火;鍛前制坯;鍛坯打彎;毛坯鍛前加熱;模鍛(預(yù)鍛和終鍛);飛邊、連皮切除。

生產(chǎn)線主要設(shè)備配置:橫楔軋機、5000噸鍛造液壓機、500噸曲柄壓力機、推桿式均勻化退火爐、推桿式鍛造加熱爐等。

(3)對鍛件進行熱處理、機械加工和裝配。

生產(chǎn)線主要設(shè)備配置:熱處理時效爐、固熔爐、探傷清洗機、表面處理超聲波清洗機、其他機械加工設(shè)備等。

2.2 采用鋁合金連鑄坯替代擠壓鋁合金棒材生產(chǎn)汽車控制臂的新工藝概述

擠壓鋁合金棒材是由鋁合金鑄錠經(jīng)過熱擠壓而生產(chǎn)的。對于擁有電解鋁液態(tài)資源優(yōu)勢的企業(yè)，如果直接用液態(tài)金屬鋁熔配生產(chǎn)鋁合金鑄錠替代擠壓鋁合金棒材，將取消鋁合金鑄錠熱擠壓生產(chǎn)工序，從而降低原材料生產(chǎn)成本。但是鋁合金鑄錠較擠壓鋁合金棒材的金相致密度差，如何生產(chǎn)滿足金相致密度要求的鋁合金鑄錠成為本項目技術(shù)開發(fā)的核心。

本項目采用鋁合金連鑄坯替代擠壓鋁合金棒材，首先要對熔鑄工藝進行科學(xué)合理的設(shè)計使鋁合金連鑄坯與擠壓鋁合金棒材質(zhì)量差異盡可能縮小;其次對后續(xù)加工工藝適度強化，進一步彌補原材料的差異缺陷，最終實現(xiàn)兩種原料生產(chǎn)的產(chǎn)品同質(zhì)化。

2.2.1 熔配工藝

熔鑄工藝過程采用“熔煉——攪拌——分析——轉(zhuǎn)注——在線除氣精煉、過濾——半連續(xù)鑄造——冷床——鋸切——檢查——去皮——銑面和倒角——合格圓錠”的先進生產(chǎn)工藝，其生產(chǎn)工藝過程簡述如下:

(1)裝爐:根據(jù)生產(chǎn)合金的牌號、裝爐量，按照配料規(guī)程和工藝要求進行配料計算。先裝小塊或薄片廢料，同時將熔點低易氧化的中間合金和鋁屑裝到爐底，用20/5t吊車將兌鋁槽吊到電阻爐的爐門口安放合適，再用20/5t吊車將真空包吊到兌鋁槽處，人工手動傾動真空包通過兌鋁槽向電阻爐兌鋁液，兌完鋁液后將真空包和兌鋁槽分別吊離電阻爐。當(dāng)爐料熔化后，再將高熔點的中間合金和貴重的金屬(如銅板、鋅錠等)裝入爐內(nèi)，所有固體爐料均從爐門裝入后關(guān)閉爐門。

(2)熔煉:裝爐完成后即可熔煉，其熔煉過程按工藝操作規(guī)程進行。熔化過程中隨著爐料溫度的升高，為了減少液態(tài)金屬在熔煉過程中的燒損，同時可以防止熔化過程中的金屬吸氣，應(yīng)適當(dāng)向液態(tài)金屬表面撒一層粉狀覆蓋劑。熔煉過程中，防止熔體局部過熱，使熔池各處溫度均勻一致，應(yīng)適當(dāng)攪動熔體，加速熔化。

(3)扒渣、攪拌、取樣分析、成分調(diào)整、靜置:當(dāng)鋁液在熔池熔清后，熔體溫度達到熔煉溫度時，向熔體均勻撒入粉狀劑，使渣與液體金屬分離，這樣既有利于扒渣又能減少扒渣時帶走金屬，隨即扒除熔體表面漂浮的大量氧化渣。扒渣要平穩(wěn)，防止渣卷入熔體內(nèi)。扒渣要徹底，因浮渣的存在會增加熔體的含氣量，并弄臟金屬。扒渣后，便可向熔體內(nèi)加入鎂錠，同時撒粉狀劑覆蓋，以防鎂的燒損。熔鋁爐爐底設(shè)有永磁攪拌裝置，當(dāng)爐料裝完后，開啟永磁攪拌器對爐膛熔體進行攪拌，這樣有利于溫度和成分的均勻，有利于改善操作條件和縮短熔煉時間。所有中間合金加完后，熔體經(jīng)充分攪拌達到溫度均勻化。攪拌時應(yīng)當(dāng)平穩(wěn)進行，不應(yīng)激起太大的波浪，以防止氧化渣卷入熔體中。隨后快速取樣分析，試樣應(yīng)在熔池中部最深部位的二分之一處取出。根據(jù)成份分析結(jié)果對鋁液的化學(xué)成份進行調(diào)整。當(dāng)快速分析結(jié)果和合金成分要求不相符時，應(yīng)對熔體沖淡或補料。調(diào)整后應(yīng)適當(dāng)?shù)膶θ垠w再攪拌。電阻爐內(nèi)合格鋁熔體靜置后扒出浮渣，調(diào)整鋁溶液溫度至半連續(xù)鑄造工藝要求的溫度，準(zhǔn)備鑄造。

(4)在線處理:鋁溶液在轉(zhuǎn)注時，通過送絲機在鋁熔體中在線連續(xù)加入Al-Ti-B圓桿以細化晶粒，通過在線除氣精煉裝置進一步深度除氣、精煉和過濾。精煉氣體采用高純氮氣。在線精煉裝置自身有加熱系統(tǒng)，吹氮氣和過濾不會造成鋁液的溫降。

(5)半連續(xù)鑄造:根據(jù)所生產(chǎn)鑄錠的合金牌號、規(guī)格，選取鑄造工藝參數(shù)。在線處理后的鋁熔體經(jīng)分流盤進入結(jié)晶器，進行鑄造;當(dāng)圓錠達到要求的長度時，自動停止鑄造。打開鑄造平臺的傾翻架，將圓錠升高到適當(dāng)位置，用起重機將圓錠從鑄造井吊至圓錠堆放區(qū)冷卻。然后安放好鑄造平臺，準(zhǔn)備下一次的鑄造。

(6)鋸切:圓錠在鋸切機上依次完成圓錠切頭、切尾和定尺鋸切、端頭打印等。

(7)檢查、去皮、銑端面和倒角:按有關(guān)規(guī)定或鍛造車間要求進行檢查，質(zhì)量符合技術(shù)要求的圓錠通過在線去皮機去除表面的氧化皮，在通過端面銑床和倒角機組合的機床進行銑端面和倒角。

熔鑄工藝的主要裝備按照技術(shù)成熟、可靠、保證產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良、節(jié)約工程建設(shè)投資的原則進行設(shè)備選擇。熔鑄生產(chǎn)設(shè)備配置有:15t矩形電阻式鋁液混合爐，永磁攪拌裝置，在線精煉過濾裝置，15t液壓外導(dǎo)式圓錠半連續(xù)鑄造機，鋸切機，1.5t保溫爐，澆注手，重力鑄造成形機，端面銑床和倒角機組合機床。

2.2.2 后加工工藝

鍛造及后續(xù)加工主體工藝包括工件的鍛造、熱處理、機械加工和裝配等。熔鑄車間的連鑄坯經(jīng)過探傷、剝皮，鋸切為鍛造規(guī)定的長度后，進入鍛造車間，鍛造及后續(xù)加工主體工藝如下:

(1)均勻化退火。

鍛造的第一步，是要對鑄造后的鍛造毛坯進行均勻化退火，以消除鑄造毛坯內(nèi)部組織偏析和鑄造應(yīng)力，細化晶粒，改善鍛造加工狀態(tài)和最終產(chǎn)品的性能，提高塑性，以利后續(xù)的鍛造加工。

由于本項目屬產(chǎn)量較大和退火工藝穩(wěn)定的中小直徑圓棒，所以選用退火爐設(shè)備為推桿式均勻化退火爐。

鑄錠被傳送機構(gòu)連續(xù)地送入均勻化退火爐，通過爐內(nèi)不同區(qū)段完成升溫、保溫工序后，進入冷卻室內(nèi)，按照設(shè)定的速度冷卻至室溫，然后鑄錠被傳送機構(gòu)連續(xù)地從冷卻室運出。

(2)鍛前制坯。

鍛造的第二步，是對均勻化退火后的鑄錠進行鍛前制坯，通過制坯工序，一則將鑄錠制成工件鍛造所要求的初步尺寸和形狀，以減小后續(xù)鍛造工藝上的復(fù)雜程度和產(chǎn)生最少的毛邊廢料;二則可以通過該工序的徑向壓縮和軸向延伸變形，進一步改善毛坯的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。

選用制坯設(shè)備為橫楔軋機。與傳統(tǒng)鍛造制坯設(shè)備相比，橫楔軋機具有生產(chǎn)率高、節(jié)能、產(chǎn)品精度高等特點，廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機、摩托車、內(nèi)燃機等軸類零件毛坯的生產(chǎn)和為模鍛件精確制坯。

(3)打彎。

鍛造的第三步，是根據(jù)本項目的零件特點，對從橫楔軋機下來的鍛坯進行打彎，以使鍛坯的形狀更接近鍛件的形狀，為下一步的模鍛做進一步的準(zhǔn)備工作。

選用的設(shè)備為500噸曲柄壓力機。

(4)鍛前加熱。

鍛造的第四步，是毛坯的鍛前加熱，由于該項目鋁合金的鍛造溫度范圍窄，其加熱溫度又比較接近過熱、過燒溫度，因此，要求加熱爐必須保持精確的溫度，必須帶強制循環(huán)空氣和自動調(diào)節(jié)的功能。

選用設(shè)備為推桿式鍛造加熱爐。

(5)預(yù)鍛和終鍛。

鍛造的第五步是關(guān)鍵核心工藝，該工藝將加熱好的毛坯放在液壓機上進行預(yù)鍛和終鍛。由于本項目的零件形狀不算復(fù)雜，所以預(yù)鍛和終鍛模設(shè)在一副模具上，并且預(yù)鍛和終鍛都只進行一次，就可以完成對零件的壓力成型。

鋁合金最適合于在液壓機上進行模鍛，因為液壓機的變形速度小，金屬流動平緩，變形均勻，金屬纖維連續(xù)，模鍛件表面缺陷少，內(nèi)部組織也比較均勻。所以本項目選用的模鍛設(shè)備為一臺5000噸模鍛液壓機。

為了保證在規(guī)定的鍛造溫度范圍內(nèi)變形，改善變形的均勻性，增加金屬的流動性以利于金屬充滿模具型腔，我們設(shè)置了模具預(yù)熱程序，將模具溫度預(yù)熱至250～420℃。為此，本項目配備了專門的模具感應(yīng)加熱裝置一臺，用于模鍛模具的預(yù)熱。

對鋁合金進行模鍛時，模具的型槽必須進行潤滑。因為在高溫和外力作用下，鋁合金對鋼模具具有明顯的黏附傾向，為了避免粘模，使工件順利脫模，必須對模具的型槽進行潤滑，對模具的型槽進行潤滑還可以減少鍛件表面缺陷，使模鍛時的壓力降低。傳統(tǒng)的鋁合金鍛造脫模劑，往往采用機油加石墨或其它石墨制品，在使用過程中，不但有黑色粉塵和油煙污染，而且氣味難聞，操作環(huán)境較惡劣，且殘留的潤滑劑難于去除，質(zhì)點嵌入表面會形成污點、點蝕和腐蝕。本項目模鍛液壓機選用的是環(huán)保型鍛造脫模劑，該脫模劑克服了上述缺點，它為水溶性半透明液體，它由特制的耐高溫超細度潤滑透明微粒和有色金屬防銹劑組成。脫模效果好，鍛壓出的工件表面光亮，使用方便，可直接噴涂，也可加入適量水稀釋后噴涂，可替代同類進口產(chǎn)品，而價格較低，經(jīng)濟實用。

(6)精整。

鍛造的最后一步，是將毛坯經(jīng)模鍛產(chǎn)生的飛邊、連皮切除，以完成零件的整個鍛造工藝過程。

對于鋁合金，鍛后長時間不切去毛邊是不合適的:因為可能會引起時效強化，在切邊時于剪切處出現(xiàn)撕裂，產(chǎn)生廢品。為此，鍛件從液壓機終鍛后，立即進入淬火水槽進行水中冷卻，以便及時切除飛邊、連皮。

本項目切除飛邊、連皮設(shè)備選用的是500噸曲柄壓力機。

為了提高生產(chǎn)率，減小操作工人的勞動強度，從鑄造原料直至切除鍛件的飛邊、連皮整個鍛造過程全部為程序控制，以3個機器人銜接各個工藝設(shè)備和工藝過程。

主要工藝路線如圖2:

圖2 主要工藝路線圖

3 工藝特點

本項目工藝的顯著特點是:直接用電解車間所提供的液態(tài)金屬鋁熔鑄生產(chǎn)鋁合金鑄錠替代擠壓鋁合金棒材，取消鋁合金鑄錠熱擠壓生產(chǎn)工序，從而達到節(jié)能、降低原材料生產(chǎn)成本的目的。

原工藝中原料為擠壓棒材，在加工過程中，經(jīng)過多次加熱變形，其實擠壓的組織已經(jīng)發(fā)生了根本變化，基本失去了擠壓組織的特性:

而鑄態(tài)組織經(jīng)過多次的反復(fù)熱變形，破碎了粗大的柱狀晶粒，反復(fù)的變形，使材料的組織成為較均勻細小的等軸晶粒，還能使某些微小的裂紋得以愈合;由于應(yīng)力狀態(tài)中靜水壓力的作用，可促進鑄態(tài)組織中存在的氣泡焊合，縮孔壓實，疏松壓密，變?yōu)檩^致密的組織結(jié)構(gòu);由于高溫原子熱運動能力加強，在應(yīng)力作用下，借助原子的自由擴散和異擴散，鑄錠化學(xué)成分的不均勻性相對減少;通過熱變形，鑄錠組織改變成了變形組織或加工組織，并具有較高的密度、均勻細小的等軸晶粒及比較均勻的化學(xué)成分，因而塑性和強度指標(biāo)都有明顯的提高。

采用鋁合金連鑄坯替代擠壓鋁合金棒材，在后續(xù)加工過程中，經(jīng)過多次適度強化的加熱與壓力加工過程，擠壓鋁合金棒材的擠壓組織優(yōu)勢，可以被適度強化的后續(xù)加工實現(xiàn)，特別是最后一火的加熱對材料的組織具有決定性作用，所以采用鋁合金連鑄坯替代擠壓鋁合金棒材是可行的。

綜合以上諸種因素，再進行了經(jīng)濟分析，有理由對原有的工藝進行一些必要的改進，認為原工藝中原料為擠壓棒材沒有太大意義，原料改為以鋁液鑄成鋁棒替代外購擠壓棒材，完全可以滿足產(chǎn)品對原料的要求，也可以滿足國內(nèi)外最終用戶對產(chǎn)品質(zhì)量的要求。

4 技術(shù)關(guān)鍵與創(chuàng)新點

本項目由熔鑄工藝和后續(xù)加工工藝構(gòu)成，對于熔鑄工藝而言要盡可能使鋁合金連鑄坯與擠壓鋁合金棒材質(zhì)量差異縮小，半連續(xù)鑄機鑄出的鋁合金棒材的質(zhì)量如何，直接關(guān)系到整個工藝的成功與否，所以必須保證鑄造工藝的順利進行，鑄出合格的鋁合金棒材;對于后續(xù)加工工藝要對工藝條件適度強化，進一步彌補原材料的差異缺陷，最終實現(xiàn)兩種原料生產(chǎn)的產(chǎn)品同質(zhì)化，達到產(chǎn)品的各項物理、機械性能的要求，滿足市場需求。

5 熔鑄工藝的創(chuàng)新分析

為使鋁合金連鑄坯質(zhì)量均化，采取了以下措施:熔煉時通過永磁攪拌器對爐膛熔體進行攪拌，使成分均化并可縮短熔煉時間;通過送絲機在鋁熔體中在線連續(xù)加入Al-Ti-B圓桿以細化晶粒，通過在線除氣精煉裝置進一步深度除氣、精煉和過濾。

6 后續(xù)加工工藝的分析

為了進一步減小擠壓鋁合金棒材與鑄造鋁合金棒材原材料的缺陷差異，應(yīng)對后續(xù)加工工藝進行了適度強化，主要體現(xiàn)在:鋁合金連鑄坯在線探傷檢查，對坯料的徑向、軸向小于0.8mm的縮孔、氣孔以及裂紋進行探測，并顯示和報警，同時對分層也要進行探測和報警，防止鑄造缺陷坯料下線;強化均勻化退火，以消除鑄造毛坯內(nèi)部組織偏析和鑄造應(yīng)力，細化晶粒;強化鍛前制坯，加大徑向壓縮力和軸向延伸變形力，進一步改善毛坯的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。