鋁合金的需求分析與鋁合金精鍛技術(shù)發(fā)展動態(tài)（下）

文/夏巨諶，鄧?yán)凇とA中科技大學(xué)

張運軍·湖北三環(huán)鍛造有限公司

鋁合金的需求分析與鋁合金精鍛技術(shù)發(fā)展動態(tài)（下）

文/夏巨諶，鄧?yán)凇とA中科技大學(xué)

張運軍·湖北三環(huán)鍛造有限公司

《鋁合金的需求分析與鋁合金精鍛技術(shù)發(fā)展動態(tài)（上）》見《鍛造與沖壓》2017年11期

鋁合金精鍛技術(shù)的研究及國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)

鋁合金作為航空、航天飛行器、火炮及常規(guī)兵器、汽車及高鐵動力零部件制造的首選材料，國內(nèi)外對其精鍛成形技術(shù)的研究高度重視，且發(fā)展很快，已取得多項創(chuàng)新成果并產(chǎn)生了好的應(yīng)用效果，其研究方向和發(fā)展動態(tài)可歸納為如下五個方面。

輕量化制造的需求帶動鋁合金精鍛成形工藝的快速發(fā)展

自20世紀(jì)90年代初以來全球汽車產(chǎn)量一直保持在5000萬輛以上，汽車輕量化對于節(jié)能、減排及環(huán)境保護(hù)意義重大。90年代初，美、歐、日等國外十大汽車制造公司聯(lián)合成立了汽車車身輕量化技術(shù)研究機構(gòu)，專門從事汽車輕量化技術(shù)的規(guī)劃與實施計劃。研究表明：汽車能耗約有60%消耗于自重，一般汽車重量（質(zhì)量）每減少1%，其油耗可降低0.6%～1%。2010年前轎車的平均質(zhì)量由以前的1300kg降到1000kg左右。據(jù)美國汽車工業(yè)有關(guān)方面統(tǒng)計，轎車每使用0.454kg的鋁制零件，車的自身重量可減少1.021kg，節(jié)能效果顯著。因此，很多歐美汽車巨頭都紛紛投入大量的人力、財力，研究怎么來降低車身質(zhì)量。用鋁合金來代替鋼，已在中高檔車上不斷得到應(yīng)用。本田汽車于2004年10月發(fā)表戰(zhàn)略報告說，考慮轎車使用200kg鋁合金零件，其中40kg為鍛件。

根據(jù)中國乘用車樣本調(diào)查，乘用車質(zhì)量降低10%，其油耗可降低7.5%～9%；電動汽車質(zhì)量降低10%，其行駛路程可增加5.5%以上。可見，鋁在汽車上的應(yīng)用將是大有可為。再以罐裝車為例，一個45000L容積的罐裝車采用鋁合金比傳統(tǒng)的鋼制罐裝車減輕質(zhì)量約為2500kg。以耗油量進(jìn)行評估，汽車每降低質(zhì)量100kg，同樣行駛100km，便可節(jié)約大約0.65L。若減少1L油耗，便可減少CO2排放量2.33kg。如果將油罐車的油罐全部鋁合金化，那么每年可減排CO2的量為2150.2萬噸。

汽車的行駛操控性和舒適性與底盤結(jié)構(gòu)中懸架系統(tǒng)息息相關(guān)，現(xiàn)代轎車用的各種獨立式懸架，如橫臂式、縱臂式、麥弗遜式和多連桿式懸架，都會用到控制臂。因為控制臂是用于對方向進(jìn)行有效和可靠的控制。此外，控制臂在復(fù)雜的路面工作環(huán)境中，還具有調(diào)整高速運動上下顛簸和平面偏擺產(chǎn)生振動的作用。除了控制臂外，鋁合金還可以用來制作輪轂及其他零件。

用鋁合金來降低控制臂質(zhì)量，符合汽車工業(yè)的發(fā)展需求。鋁合金的密度大致為2.79g/cm3，是鋼鍛件的34%，銅鍛件的30%，所以鋁合金是輕量化的理想材料。鋁合金具有比強度高，比剛度大，比彈性模量大，疲勞強度高，內(nèi)部組織細(xì)密、均勻、無缺陷，加工性能好，有良好的耐蝕性，吸振性強等優(yōu)點，因此它是懸架系統(tǒng)鋼控制臂理想的替代材料。采用鋁合金懸掛系統(tǒng)控制臂能提高車輛底盤回彈響應(yīng)速度，從而大大提高車輛的操控能力，行駛舒適性也隨之得到質(zhì)的提升。

現(xiàn)在國外中高檔車上的控制臂幾乎全部用鋁合金代替鋼，如奔馳、寶馬、奧迪、沃爾沃等品牌，近年發(fā)展勢頭迅猛的SUV、MPV也開始采用鋁合金控制臂。這是大勢所趨，也是時代的要求。因此，鋁合金控制臂發(fā)展趨勢還在進(jìn)一步發(fā)展和擴大。而這些關(guān)鍵零部件必須采用精鍛工藝，因而帶動了鋁合金精鍛工藝的快速發(fā)展。

高強度鋁合金閉式精鍛流動控制成形

流動控制成形（Flow Control Forming, FCF）是20世紀(jì)90年代中后期由德國和日本學(xué)者提出的，它是在常規(guī)閉式模鍛基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種閉式精鍛新工藝。其變形原理及實質(zhì)是，對于復(fù)雜難成形鍛件，將毛坯置于封閉的模膛中，在凸模施加模鍛力的作用下，在毛坯金屬內(nèi)產(chǎn)生強烈的三向壓應(yīng)力，通過靜水壓力水準(zhǔn)的提高，而提高其塑性成形能力，同時，通過合理配置其控制方式，使得在模膛中最難充滿成形的部位至模膛入口處，形成其絕對值由小到大的壓應(yīng)力梯度場，確保精鍛過程中在其他部位充滿的同時，最難充滿的部位也完全充滿，從而實現(xiàn)流動方向的控制，故稱閉式精鍛流動控制成形。

流動控制成形的特點：

⑴可以精確控制金屬材料的非均勻塑性流動，提高其成形性能，可實現(xiàn)更加復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精密成形。

⑵可以有效避免折疊、充不滿等缺陷的產(chǎn)生，使制件金屬流線連續(xù)致密，提高產(chǎn)品的力學(xué)性能。

⑶可使制件表面更加光潔，尺寸精度更高，其公差等級達(dá)到IT8～I(xiàn)T9，比一般擠壓件尺寸公差等級還高1級。

實現(xiàn)流動控制成形的方式：

⑴采用阻尼方式，通過反向作用力即阻尼力與正向擠壓成形力的合理配置，在模膛內(nèi)形成由凹模入口處到最難充滿部位的壓應(yīng)力梯度場。

⑵采用減壓方式，即通過在模膛中最難充滿部位設(shè)置分流腔，使鍛件處在分流腔部位的表面為自由表面，從而形成凹模入口處到最難充滿部位的壓應(yīng)力梯度場。

⑶采用阻尼與減壓聯(lián)合方式，主要用于有閉式預(yù)鍛和終鍛兩工步精鍛成形的情況。

適用范圍：流動控制成形既適合于黑色金屬零件，如直齒錐齒輪等零件的精密成形，也適合于各種鋁合金，尤其是高強度鋁合金等難變形金屬復(fù)雜零件的精密成形。

國內(nèi)外研究與發(fā)展動態(tài)：日本學(xué)者針對鋁合金渦旋盤的形狀為渦旋形且壁厚從中心到邊緣逐漸由厚到薄的結(jié)構(gòu)特點，采用帶有與流動方向相反的作用力，即阻尼力與正向擠壓力共同作用，迫使金屬由中心流向邊緣，且工件前端平齊。若不施加阻尼力，則工件前端由中心到邊緣逐漸變低，從而產(chǎn)生端部充不滿的缺陷。同時采用FCF技術(shù)和生產(chǎn)線成套裝備實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。北京機電研究所針對2014鋁合金渦旋盤阻尼式流動控制成形工藝，研究得到了阻尼力與正向擠壓力之間的合理配置。華中科技大學(xué)針對轎車安全氣囊氣體發(fā)生器壓蓋和殼體均為多層薄壁圓筒的結(jié)構(gòu)特點及7A04超硬鋁合金塑性差的特性，提出并研究了減壓式流動控制成形技術(shù)，包括變形方式、控制腔設(shè)置位置的判據(jù)及控制腔的設(shè)計方法、成形力的計算等，由工藝試驗所得到的樣件經(jīng)水爆試驗表明完全達(dá)到美國安全氣囊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。江蘇泰州科達(dá)精密鍛造有限公司設(shè)計制造了阻尼式和減壓式兩種流動控制成形通用模架和模具，成功地實現(xiàn)了多種規(guī)格的渦旋盤與壓蓋及殼體精密鍛件的批量生產(chǎn)。

鑄造鋁合金以鍛代鑄與鑄鍛聯(lián)合精密成形

對于含Si量為9%～13%甚至更高的中高硅鋁合金結(jié)構(gòu)件，其傳統(tǒng)生產(chǎn)方法主要是采用擠壓鑄造工藝（簡稱壓鑄），目前所采用的鋁合金壓鑄工藝分為間接擠壓和直接擠壓。間接擠壓時的應(yīng)力一般為P=60～100MPa；直接擠壓的應(yīng)力一般為P=25～50MPa，其加壓速度對于小的鋁鑄件為0.2～0.4mm/s；對于大的鋁鑄件為0.1mm/s。不難發(fā)現(xiàn)，采用這兩種壓鑄工藝生產(chǎn)的鋁合金零件內(nèi)部的致密性低、強度不高，不適合用于承力大、特別是承受動態(tài)載荷的零件。對于往復(fù)式空調(diào)壓縮機零件因鑄件內(nèi)部可能存在有氣孔或微裂紋而出現(xiàn)致氣密性差的問題。十多年前，日本空調(diào)壓縮機制造商提出采用精鍛件代替壓鑄件的訂貨要求。華中科技大學(xué)受浙江溫嶺機械有限公司委托在國內(nèi)率先成功開發(fā)出采用擠壓鑄造的棒料毛坯通過減壓式閉式預(yù)鍛和平面薄飛邊阻尼式終鍛成形工藝，建立了機械化生產(chǎn)線，實現(xiàn)了中高硅鋁合金活塞尾、活塞體和斜盤及接頭等零件的批量生產(chǎn)。

相關(guān)文獻(xiàn)報導(dǎo)，近年來國外針對結(jié)構(gòu)復(fù)雜且強度需求高的汽車零件，如轉(zhuǎn)向節(jié)等開始研究含硅量為6%以上的鋁合金鑄鍛聯(lián)合成形新工藝，其工藝技術(shù)路線為：鋁合金或擠壓棒材坩堝爐熔化→擠壓鑄造成形→工件修邊及切除澆道冒口→鑄件加熱→小飛邊精鍛成形→修邊。這種新工藝的優(yōu)點是綜合了壓鑄和模鍛兩種工藝。

鋁合金精鍛成形過程有限元模擬

剛塑性有限元是在基本塑性力學(xué)中Markov變分原理和Lee & Kobayashi的剛塑性有限元Lagrange算法上建立起來的，該方法具有簡單和效率高的特點，在金屬成形過程的分析中得到了廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)90年代以來，隨著二維四邊形網(wǎng)格全自動生成算法的成熟，在處理二維問題方面出現(xiàn)了諸如DEFORM、ABAQUS、MSC/AutoForge等商品化軟件，已成功用于實際生產(chǎn)中。目前，在二維體積成形方面應(yīng)用剛塑性/剛粘塑性有限元已較為成熟，國內(nèi)外都有較多的研究與應(yīng)用。

隨著計算機技術(shù)與有限元算法的發(fā)展，形狀優(yōu)化方法已越來越多地應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程的優(yōu)化問題。Kobayashi等提出了一種有限元反向跟蹤方法，并應(yīng)用于實際鍛造問題的預(yù)成形設(shè)計。Han等將優(yōu)化方法應(yīng)用于有限元反向跟蹤和預(yù)成形設(shè)計。趙國群等建立了基于有限元逆向仿真的模具接觸跟蹤方法和基于有限元靈敏度分析的模具優(yōu)化設(shè)計方法。

塑性成形過程模擬是根據(jù)固體力學(xué)、材料科學(xué)與數(shù)值計算的基礎(chǔ)理論進(jìn)行的，因而原則上與工藝試驗具有相同的效果。由于模擬是在計算機上虛擬進(jìn)行的，不需要實際的模具、坯料和壓力機，可以減少開發(fā)新產(chǎn)品的工藝試驗次數(shù)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高市場競爭能力。塑性成形過程模擬將使工藝設(shè)計逐步地從傳統(tǒng)的“技藝”走向“科學(xué)”。

20世紀(jì)90年代末以來，有限元模擬技術(shù)發(fā)展更加迅速，不僅用于鍛件形狀和塑性力學(xué)性能的模擬，還可用于鍛件內(nèi)部金相組織，如晶粒的大小及分布狀態(tài)的模擬；同時，將鍛件、鍛模的計算機輔助設(shè)計與制造CAD/CAM同有限元模擬CAE實現(xiàn)集成，使得效率更高，效果更好。

筆者在國內(nèi)率先研發(fā)了這一新技術(shù)并成功實現(xiàn)了材料為7A04超硬鋁合金轎車安全氣囊氣體發(fā)生器、槍械機匣體、4032鋁合金渦旋盤及2A14鋁合金連桿等，精鍛工藝優(yōu)化，既提高了材料利用率，又提高了鍛件質(zhì)量。

新型鋁合金精鍛設(shè)備的研制及應(yīng)用

傳統(tǒng)的鋁合金模鍛設(shè)備完全是采用黑色金屬的模鍛設(shè)備，如模鍛錘、摩擦壓力機、熱模鍛壓力機和液壓機。模鍛錘鍛造成形速度為5～6m/s，速度高，對于速度敏感強的高強度鋁合金模鍛時易于開裂，只能用于強度低、塑性好的鋁合金開式模鍛，但鍛件材料利用率低；摩擦壓力機與模鍛錘的載荷特性相似，因此，存在的問題也相似；熱模鍛壓力機是目前國外使用的主要鋁合金模鍛設(shè)備，但主要適用于塑性好，少品種多工位大批量模鍛生產(chǎn)，其特點是效率高，但材料利用率不高；對于飛機用大型鋁合金筋板件，國外設(shè)計制造大噸位模鍛液壓機進(jìn)行模鍛生產(chǎn)，國內(nèi)近年來也研制了800MN模鍛液壓機進(jìn)行模鍛生產(chǎn)；對于中小型高筋薄壁件的模鍛件設(shè)計制造了等溫模鍛液壓機，解決高筋薄壁的成形問題，但生產(chǎn)效率低，模具使用壽命低。