鋁合金控制臂精密鍛造工藝與裝備

文／蔣鵬，韋?北京機(jī)電研究所

鋁合金控制臂精密鍛造工藝與裝備

鋁合金以其密度小、比強(qiáng)度高、加工性好等優(yōu)點(diǎn)在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，為了達(dá)到節(jié)能減重的效果，美國、日本和西歐等發(fā)達(dá)國家都在不斷加大對(duì)鋁合金鍛造材料及其工藝的研發(fā)力度，鋁合金鍛造技術(shù)更是被作為一項(xiàng)核心技術(shù)來重點(diǎn)支持和發(fā)展。

自1956年起，世界鋁產(chǎn)量就一直居有色金屬首位。目前世界鋁加工材產(chǎn)量為3000萬噸/年，其中板、帶、箔材占57%，擠壓材占38%。由于鋁合金鍛造材成本高，生產(chǎn)技術(shù)難度大，僅在特別重要的受力部位采用，因此在加工材中所占比例較小，為2.5%。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)汽車輕量化的要求越來越高。據(jù)報(bào)道，轎車質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%，因此，以鋁合金為代表的輕質(zhì)材料在汽車零部件中的應(yīng)用日趨廣泛。據(jù)估計(jì)，全球鋁鍛件每年的需求量高達(dá)100萬噸，而目前全世界的年產(chǎn)量僅約為80萬噸，尚不能滿足市場需求。在汽車行業(yè)，目前鋁合金輪轂的使用量達(dá)到數(shù)十億個(gè)，且每年仍在以20%的速度增長。

鋁合金三角臂是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其形狀復(fù)雜，成形難度大。本文作者曾在本刊2012年第3期發(fā)表過《鋁合金三角臂鍛造工藝設(shè)計(jì)與鍛件缺陷分析》一文，介紹了采用自動(dòng)輥鍛機(jī)制坯，在高能螺旋壓力機(jī)上鍛造鋁合金三角臂的工藝，并分析了鍛件穿流和折疊缺陷的形成原因。本文將從工藝與裝備角度詳細(xì)介紹一條鋁合金控制臂精密鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線。

鋁合金的鍛造工藝特點(diǎn)

⑴塑性較低。鋁合金塑性受合金成分和鍛造溫度的影響較大，而且塑性對(duì)變形速度的敏感程度隨合金元素的含量不同而不同，當(dāng)合金元素含量增加時(shí)，鋁合金塑性不斷下降，且對(duì)變形速度的敏感程度也增強(qiáng)。大多數(shù)鋁合金都為正應(yīng)變速率敏感材料，即流動(dòng)應(yīng)力隨著變形速率的降低而減小，因此，對(duì)于航空用大型鋁合金鍛件，往往采用油壓機(jī)或者水壓機(jī)成形，對(duì)于中小型鍛件則可采用螺旋壓力機(jī)或者機(jī)械壓力機(jī)制造。

⑵粘附性強(qiáng)。由于鋁和鐵可以固溶，因此，鋁合金在鍛造過程中經(jīng)常發(fā)生粘?，F(xiàn)象。一般認(rèn)為，錠子油可以起到較好的潤滑效果，近年來，美國Acheson等公司也開發(fā)出了適合工業(yè)應(yīng)用的鋁合金潤滑劑。國內(nèi)也有公司自己配制油基或水基潤滑劑，使用效果也很好。

⑶鍛造溫度范圍窄。大多數(shù)鋁合金的鍛造溫度范圍都在150℃以內(nèi)，有些甚至只有70℃，因此，在鍛造生產(chǎn)中，往往需要采用多次加熱的方法來確保鋁合金具有良好的可鍛性。尤其是對(duì)產(chǎn)品性能要求嚴(yán)格的航天和軍工產(chǎn)品，在最終成形時(shí)往往采用等溫鍛造的方法進(jìn)行生產(chǎn)。

⑷工序變形量小。鋁合金鍛造一般不允許少工序、大變形，以免導(dǎo)致粗晶或者產(chǎn)生裂紋，因此，往往需要將總變形量進(jìn)行合理分配，制坯工序?qū)τ谧罱K產(chǎn)品的成形結(jié)果影響較大。由于工件經(jīng)過若干工序后，溫度往往低于所要求的鍛造溫度，故需要再次加熱。

鋁合金控制臂鍛造工藝的設(shè)計(jì)

最近，北京機(jī)電研究所開發(fā)出一種汽車用鋁合金控制臂鍛造工藝，并以此為基礎(chǔ)建立起一條鋁合金控制臂自動(dòng)鍛造生產(chǎn)線，目前已經(jīng)移交客戶使用。

該產(chǎn)品的鍛造工藝流程為：中頻加熱→輥鍛→彎曲、壓扁→二次加熱→預(yù)鍛、終鍛→切邊、沖孔、校正。鋁合金控制臂的鍛造過程如圖1所示。

圖1 鋁合金控制臂的鍛造過程

生產(chǎn)線主要工序的設(shè)備選型

中頻加熱：400kW中頻感應(yīng)加熱爐

根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)和生產(chǎn)節(jié)拍，選定400kW中頻感應(yīng)加熱爐作為首次加熱設(shè)備，如圖2所示。該設(shè)備感應(yīng)加熱速度快，加熱溫度可控，毛坯溫差小，且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。此外，在出料口設(shè)有溫度分選裝置，對(duì)過溫和欠溫坯料進(jìn)行識(shí)別和分選。

圖2 400kW中頻感應(yīng)加熱爐

輥鍛：φ560mm自動(dòng)輥鍛機(jī)

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格和變形特點(diǎn)，參考輥鍛機(jī)型號(hào)和技術(shù)參數(shù)，最終選用φ560mm自動(dòng)輥鍛機(jī)(其技術(shù)參數(shù)見表1)，如圖3所示。該設(shè)備配有喂料機(jī)械手和輥鍛機(jī)械手，其中，輥鍛機(jī)械手為機(jī)械聯(lián)動(dòng)式，其通過特定的機(jī)械桿系結(jié)構(gòu)，將軋輥的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械手沿輥鍛方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作可靠，與輥鍛機(jī)配合實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)操作。輥鍛一個(gè)工作循環(huán)(4道次輥鍛)為12～14s，生產(chǎn)節(jié)拍快，輥鍛件尺寸穩(wěn)定、精度高。此外，將坯料大頭端作為輥鍛機(jī)夾鉗的夾持端，在后續(xù)工藝中，可將其作為鍛件的一部分，避免了多余的夾持工藝料頭，提高了材料利用率。

■ 表1 φ560mm自動(dòng)輥鍛機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖3 φ560mm自動(dòng)輥鍛機(jī)

彎曲、壓扁：3150kN機(jī)械壓力機(jī)

根據(jù)工藝需要，選取一臺(tái)3150kN機(jī)械壓力機(jī)(其技術(shù)參數(shù)見表2)用于彎曲和壓扁，如圖4所示。該設(shè)備采用閉式鋼板整體焊接結(jié)構(gòu)，機(jī)身垂直剛度好、角變形小，結(jié)構(gòu)合理，能夠承受強(qiáng)烈振動(dòng)。壓力機(jī)滑塊采用八面矩形導(dǎo)軌，在工作過程中能保持較高的精度。

■ 表2 3150kN機(jī)械壓力機(jī)技術(shù)參數(shù)

二次加熱：連續(xù)式加熱爐

根據(jù)自動(dòng)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，并考慮便于維護(hù)的需要，最終采用連續(xù)式加熱爐。該爐采用鏈帶式結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)節(jié)拍為20s/件。鋁合金鍛造對(duì)于溫度的要求十分嚴(yán)格，對(duì)爐溫控制的要求也很高，爐溫均勻性要求達(dá)到±4℃，溫度控制精度達(dá)±2℃。如圖5所示為二次加熱爐內(nèi)的工件。

圖4 3150kN機(jī)械壓力機(jī)

圖5 二次加熱爐內(nèi)的工件

預(yù)鍛、終鍛：25000kN離合器式螺旋壓力機(jī)

根據(jù)數(shù)值模擬和計(jì)算結(jié)果，該產(chǎn)品的鍛造變形力為20000kN左右，25000kN離合器式螺旋壓力機(jī)(亦稱高能螺旋壓力機(jī)，如圖6所示)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)(表3)能夠滿足該種零件的鍛造需求。此外，離合器式螺旋壓力機(jī)的滑塊在全部行程上均能發(fā)揮出額定的能量和打擊力，有助于提高成形效率。打擊次數(shù)、打擊能量、打擊力均可進(jìn)行預(yù)選，并能在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示工作中的相關(guān)參數(shù)。該設(shè)備對(duì)于打擊終了位置的控制更為可靠，除了電氣控制以外，還設(shè)計(jì)有慣性盤控制機(jī)構(gòu)，超行程打擊后會(huì)自動(dòng)脫開。這種壓力機(jī)具有多工位鍛造的能力，可以滿足工藝設(shè)計(jì)中將預(yù)鍛和終鍛模膛布置在一副模具中成形的要求。

■ 表3 25000kN離合器式螺旋壓力機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖6 25000kN離合器式螺旋壓力機(jī)

切邊、沖孔和校正復(fù)合工序：3150kN機(jī)械壓力機(jī)

3150kN機(jī)械壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)在前面的彎曲與壓扁工序中已有詳細(xì)的描述，此處不再贅述。

固溶處理：連續(xù)式固溶處理爐

固溶處理根據(jù)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求采用連續(xù)式固溶處理爐，如圖7所示為固溶爐內(nèi)的產(chǎn)品。

圖7 固溶爐內(nèi)的產(chǎn)品

生產(chǎn)線的平面布置

主要設(shè)備的選型完成后，根據(jù)廠房原有條件，綜合考慮物流需求，最終確定的整條生產(chǎn)線的平面布置如圖8所示。

圖8 生產(chǎn)線平面布置圖

由圖8可知，該生產(chǎn)線由中頻加熱爐、輥鍛機(jī)、3150kN機(jī)械壓力機(jī)、二次加熱爐、25000kN離合器式螺旋壓力機(jī)以及固溶爐組成。各工序之間通過機(jī)器人進(jìn)行工件傳送，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，如圖9所示。

圖9 生產(chǎn)線(局部)

為了提高效率，該生產(chǎn)線配備5臺(tái)機(jī)器人，用于不同工序之間工件的傳送。R1機(jī)器人負(fù)責(zé)從輥鍛機(jī)出料到彎曲之間的工件搬運(yùn)以及彎曲到壓扁工位的搬運(yùn)；R2機(jī)器人則負(fù)責(zé)將工件從壓扁工位放入二次加熱爐；R3機(jī)器人將二次加熱后的工件從出爐口放入預(yù)鍛工位；R4機(jī)器人承擔(dān)將預(yù)鍛工件搬運(yùn)到終鍛工位，并將終鍛后的工件放到中轉(zhuǎn)料臺(tái)的工作；R5機(jī)器人將工件從中轉(zhuǎn)料臺(tái)放到切邊、沖孔工位，并將最終產(chǎn)品放入固溶爐中。最終批量生產(chǎn)出的產(chǎn)品如圖10所示。

圖10 批量生產(chǎn)出的產(chǎn)品

由于該生產(chǎn)線采用多關(guān)節(jié)機(jī)器人而不是桁架類機(jī)械手進(jìn)行工件傳送，因此具備較好的柔性，既可滿足單一品種大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)要求，在更換模具和部分機(jī)器人夾鉗以及部分輔助工具后，也可進(jìn)行不同品種、不同批量的其他產(chǎn)品生產(chǎn)。這對(duì)于現(xiàn)代企業(yè)所強(qiáng)調(diào)的柔性化和訂單化生產(chǎn)十分有利。

結(jié)束語

目前我國鋁合金鍛造行業(yè)還處于起步階段，在基礎(chǔ)研究、技術(shù)裝備、產(chǎn)品種類和質(zhì)量、生產(chǎn)規(guī)模和管理水平等方面都和國外先進(jìn)水平存在較大差距。本文介紹的汽車用鋁合金控制臂鍛造技術(shù)和裝備，具有投入少、成本低、柔性好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，年生產(chǎn)能力可達(dá)60萬件。該生產(chǎn)線的建成投產(chǎn)，對(duì)于打破國外壟斷、促進(jìn)我國鋁合金鍛造行業(yè)的工藝進(jìn)步和效率提升，具有很好的示范作用。