采用自铸铝棒替代挤压铝棒生产汽车控制臂的新工艺

摘 要:采用铝合金连铸坯替代挤压铝合金棒材,作为汽车控制臂的锻造原料,通过对熔铸工艺进行科学合理的设计使铝合金连铸坯与挤压铝合金棒材质量差异尽可能缩小,对后续加工工艺适度强化,进一步弥补原材料的差异缺陷,最终实现两种原料生产的产品同质化。

关键词:铝合金;熔铸;挤压;锻造

中图分类号:TB

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)08-0288-03

1 技术背景分析

汽车工业的发展,给人们带来舒适便捷的“汽车文明”同时,也带来了日益严重的环境问题。世界环境卫生合作及发展组织曾指出,交通运输工具已成为大气污染的重要根源之一。据统计,目前汽车尾气排出的二氧化碳占全球二氧化碳排放量的20%-30%;在一些发达国家,汽车排放已占大气污染的30%-60%。

20世纪末,能源危机日趋严重,使现代汽车减重节能的要求不断高涨,轻量化已成为汽车选材的主要发展方向。国外研究表明汽车质量每降低100kg,每百公里油耗可减少0.27L,汽车自重每降低10%,燃油效率可提高5.5%。发达国家不断加强对汽车能源消耗和废气污染的限制,促使汽车制造厂重视汽车轻量化的发展。目前,欧洲汽车制造商提出一项环保目标,即实现乘用车平均二氧化碳排放量降低30%,这相当于在目前平均整车重量的基础上降低车重的一半。轻量化已成为未来汽车技术发展的一大追求之一,目前,欧洲已出现全铝汽车。

从驾驶方面来讲:汽车轻量化后加速性提高,稳定性和噪音、振动方面也均有改善。从安全性考虑:碰撞时惯性小,制动距离减小,另外发生碰撞时,塑性材料对人的冲击小得多,所以更加安全。

汽车轻量化特别是大量采用轻量化的塑性材料已成为未来汽车技术发展的方向,在此背景下铝合金材料用于汽车工业的数量急剧增加。铝合金材料在汽车工业的应用,最早仅局限在动力系统和一些简单零件上,如缸体、仪表盘、车门、座椅框架等。现在铝合金材料在汽车工业的应用几乎遍布汽车车身的各个角落,奔驰汽车、宝马汽车、美洲豹汽车等都铝合金零件被大量采用,奥迪A2甚至实现了包括车体和构件在内的全铝车身。

铝合金材料应用于汽车工业不仅可以实现轻量化,还具有防锈功能;同时铝合金材料不同于复合高分子有机材料最大特点是几乎可以全部回收再利用,这对于环境保护和资源再生利用具有重要意义。

正是由于铝合金材料具有密度小、回收再利用率高、加工性能好、比钢吸振性好等等优点而在汽车工业上得到广泛应用。但是现代汽车业竞争非常激烈,必然要求对成本等多方面因素加以控制。本项目采用先进设备,合理利用区域特定资源优势,开发了一种可以为汽车生产企业提供质优价廉的汽车配件的新工艺方法,有效降低了产品成本,为汽车生产企业提高竞争优势提供了条件。

2 技术路线介绍

2.1 生产铝合金汽车控制臂的传统锻造工艺概述

铝合金汽车控制臂传统锻造工艺以挤压铝合金棒材为原料,其生产工艺如下:挤压铝合金棒材的锯切、制坯、锻造、机械加工热处理,具体工序如下:

(1)外购挤压铝合金棒材锯切――检查――去皮――合格圆锭。

主要生产线设备配置:锯切机(具有锯切、探伤、去皮等功能),端面铣床和倒角机。

(2)对合格圆锭进行均匀化退火;锻前制坯;锻坯打弯;毛坯锻前加热;模锻(预锻和终锻);飞边、连皮切除。

生产线主要设备配置:横楔轧机、5000吨锻造液压机、500吨曲柄压力机、推杆式均匀化退火炉、推杆式锻造加热炉等。

(3)对锻件进行热处理、机械加工和装配。

生产线主要设备配置:热处理时效炉、固熔炉、探伤清洗机、表面处理超声波清洗机、其他机械加工设备等。

2.2 采用铝合金连铸坯替代挤压铝合金棒材生产汽车控制臂的新工艺概述

挤压铝合金棒材是由铝合金铸锭经过热挤压而生产的。对于拥有电解铝液态资源优势的企业,如果直接用液态金属铝熔配生产铝合金铸锭替代挤压铝合金棒材,将取消铝合金铸锭热挤压生产工序,从而降低原材料生产成本。但是铝合金铸锭较挤压铝合金棒材的金相致密度差,如何生产满足金相致密度要求的铝合金铸锭成为本项目技术开发的核心。

本项目采用铝合金连铸坯替代挤压铝合金棒材,首先要对熔铸工艺进行科学合理的设计使铝合金连铸坯与挤压铝合金棒材质量差异尽可能缩小;其次对后续加工工艺适度强化,进一步弥补原材料的差异缺陷,最终实现两种原料生产的产品同质化。

2.2.1 熔配工艺

熔铸工艺过程采用“熔炼――搅拌――分析――转注――在线除气精炼、过滤――半连续铸造――冷床――锯切――检查――去皮――铣面和倒角――合格圆锭”的先进生产工艺,其生产工艺过程简述如下:

(1)装炉:根据生产合金的牌号、装炉量,按照配料规程和工艺要求进行配料计算。先装小块或薄片废料,同时将熔点低易氧化的中间合金和铝屑装到炉底,用20/5t吊车将兑铝槽吊到电阻炉的炉门口安放合适,再用20/5t吊车将真空包吊到兑铝槽处,人工手动倾动真空包通过兑铝槽向电阻炉兑铝液,兑完铝液后将真空包和兑铝槽分别吊离电阻炉。当炉料熔化后,再将高熔点的中间合金和贵重的金属(如铜板、锌锭等)装入炉内,所有固体炉料均从炉门装入后关闭炉门。

(2)熔炼:装炉完成后即可熔炼,其熔炼过程按工艺操作规程进行。熔化过程中随着炉料温度的升高,为了减少液态金属在熔炼过程中的烧损,同时可以防止熔化过程中的金属吸气,应适当向液态金属表面撒一层粉状覆盖剂。熔炼过程中,防止熔体局部过热,使熔池各处温度均匀一致,应适当搅动熔体,加速熔化。

(3)扒渣、搅拌、取样分析、成分调整、静置:当铝液在熔池熔清后,熔体温度达到熔炼温度时,向熔体均匀撒入粉状剂,使渣与液体金属分离,这样既有利于扒渣又能减少扒渣时带走金属,随即扒除熔体表面漂浮的大量氧化渣。扒渣要平稳,防止渣卷入熔体内。扒渣要彻底,因浮渣的存在会增加熔体的含气量,并弄脏金属。扒渣后,便可向熔体内加入镁锭,同时撒粉状剂覆盖,以防镁的烧损。熔铝炉炉底设有永磁搅拌装置,当炉料装完后,开启永磁搅拌器对炉膛熔体进行搅拌,这样有利于温度和成分的均匀,有利于改善操作条件和缩短熔炼时间。所有中间合金加完后,熔体经充分搅拌达到温度均匀化。搅拌时应当平稳进行,不应激起太大的波浪,以防止氧化渣卷入熔体中。随后快速取样分析,试样应在熔池中部最深部位的二分之一处取出。根据成份分析结果对铝液的化学成份进行调整。当快速分析结果和合金成分要求不相符时,应对熔体冲淡或补料。调整后应适当的对熔体再搅拌。电阻炉内合格铝熔体静置后扒出浮渣,调整铝溶液温度至半连续铸造工艺要求的温度,准备铸造。

(4)在线处理:铝溶液在转注时,通过送丝机在铝熔体中在线连续加入Al-Ti-B圆杆以细化晶粒,通过在线除气精炼装置进一步深度除气、精炼和过滤。精炼气体采用高纯氮气。在线精炼装置自身有加热系统,吹氮气和过滤不会造成铝液的温降。

(5)半连续铸造:根据所生产铸锭的合金牌号、规格,选取铸造工艺参数。在线处理后的铝熔体经分流盘进入结晶器,进行铸造;当圆锭达到要求的长度时,自动停止铸造。打开铸造平台的倾翻架,将圆锭升高到适当位置,用起重机将圆锭从铸造井吊至圆锭堆放区冷却。然后安放好铸造平台,准备下一次的铸造。

(6)锯切:圆锭在锯切机上依次完成圆锭切头、切尾和定尺锯切、端头打印等。

(7)检查、去皮、铣端面和倒角:按有关规定或锻造车间要求进行检查,质量符合技术要求的圆锭通过在线去皮机去除表面的氧化皮,在通过端面铣床和倒角机组合的机床进行铣端面和倒角。

熔铸工艺的主要装备按照技术成熟、可靠、保证产品质量优良、节约工程建设投资的原则进行设备选择。熔铸生产设备配置有:15t矩形电阻式铝液混合炉,永磁搅拌装置,在线精炼过滤装置,15t液压外导式圆锭半连续铸造机,锯切机,1.5t保温炉,浇注手,重力铸造成形机,端面铣床和倒角机组合机床。

2.2.2 后加工工艺

锻造及后续加工主体工艺包括工件的锻造、热处理、机械加工和装配等。熔铸车间的连铸坯经过探伤、剥皮,锯切为锻造规定的长度后,进入锻造车间,锻造及后续加工主体工艺如下:

(1)均匀化退火。

锻造的第一步,是要对铸造后的锻造毛坯进行均匀化退火,以消除铸造毛坯内部组织偏析和铸造应力,细化晶粒,改善锻造加工状态和最终产品的性能,提高塑性,以利后续的锻造加工。

由于本项目属产量较大和退火工艺稳定的中小直径圆棒,所以选用退火炉设备为推杆式均匀化退火炉。

铸锭被传送机构连续地送入均匀化退火炉,通过炉内不同区段完成升温、保温工序后,进入冷却室内,按照设定的速度冷却至室温,然后铸锭被传送机构连续地从冷却室运出。

(2)锻前制坯。

锻造的第二步,是对均匀化退火后的铸锭进行锻前制坯,通过制坯工序,一则将铸锭制成工件锻造所要求的初步尺寸和形状,以减小后续锻造工艺上的复杂程度和产生最少的毛边废料;二则可以通过该工序的径向压缩和轴向延伸变形,进一步改善毛坯的内部组织结构。

选用制坯设备为横楔轧机。与传统锻造制坯设备相比,横楔轧机具有生产率高、节能、产品精度高等特点,广泛应用于汽车、拖拉机、摩托车、内燃机等轴类零件毛坯的生产和为模锻件精确制坯。

(3)打弯。

锻造的第三步,是根据本项目的零件特点,对从横楔轧机下来的锻坯进行打弯,以使锻坯的形状更接近锻件的形状,为下一步的模锻做进一步的准备工作。

选用的设备为500吨曲柄压力机。

(4)锻前加热。

锻造的第四步,是毛坯的锻前加热,由于该项目铝合金的锻造温度范围窄,其加热温度又比较接近过热、过烧温度,因此,要求加热炉必须保持精确的温度,必须带强制循环空气和自动调节的功能。

选用设备为推杆式锻造加热炉。

(5)预锻和终锻。

锻造的第五步是关键核心工艺,该工艺将加热好的毛坯放在液压机上进行预锻和终锻。由于本项目的零件形状不算复杂,所以预锻和终锻模设在一副模具上,并且预锻和终锻都只进行一次,就可以完成对零件的压力成型。

铝合金最适合于在液压机上进行模锻,因为液压机的变形速度小,金属流动平缓,变形均匀,金属纤维连续,模锻件表面缺陷少,内部组织也比较均匀。所以本项目选用的模锻设备为一台5000吨模锻液压机。

为了保证在规定的锻造温度范围内变形,改善变形的均匀性,增加金属的流动性以利于金属充满模具型腔,我们设置了模具预热程序,将模具温度预热至250～420℃。为此,本项目配备了专门的模具感应加热装置一台,用于模锻模具的预热。

对铝合金进行模锻时,模具的型槽必须进行。因为在高温和外力作用下,铝合金对钢模具具有明显的黏附倾向,为了避免粘模,使工件顺利脱模,必须对模具的型槽进行,对模具的型槽进行还可以减少锻件表面缺陷,使模锻时的压力降低。传统的铝合金锻造脱模剂,往往采用机油加石墨或其它石墨制品,在使用过程中,不但有黑色粉尘和油烟污染,而且气味难闻,操作环境较恶劣,且残留的剂难于去除,质点嵌入表面会形成污点、点蚀和腐蚀。本项目模锻液压机选用的是环保型锻造脱模剂,该脱模剂克服了上述缺点,它为水溶性半透明液体,它由特制的耐高温超细度透明微粒和有色金属防锈剂组成。脱模效果好,锻压出的工件表面光亮,使用方便,可直接喷涂,也可加入适量水稀释后喷涂,可替代同类进口产品,而价格较低,经济实用。

(6)精整。

锻造的最后一步,是将毛坯经模锻产生的飞边、连皮切除,以完成零件的整个锻造工艺过程。

对于铝合金,锻后长时间不切去毛边是不合适的:因为可能会引起时效强化,在切边时于剪切处出现撕裂,产生废品。为此,锻件从液压机终锻后,立即进入淬火水槽进行水中冷却,以便及时切除飞边、连皮。

本项目切除飞边、连皮设备选用的是500吨曲柄压力机。

为了提高生产率,减小操作工人的劳动强度,从铸造原料直至切除锻件的飞边、连皮整个锻造过程全部为程序控制,以3个机器人衔接各个工艺设备和工艺过程。

主要工艺路线如图2:

图2 主要工艺路线图

3 工艺特点

本项目工艺的显著特点是:直接用电解车间所提供的液态金属铝熔铸生产铝合金铸锭替代挤压铝合金棒材,取消铝合金铸锭热挤压生产工序,从而达到节能、降低原材料生产成本的目的。

原工艺中原料为挤压棒材,在加工过程中,经过多次加热变形,其实挤压的组织已经发生了根本变化,基本失去了挤压组织的特性:

而铸态组织经过多次的反复热变形,破碎了粗大的柱状晶粒,反复的变形,使材料的组织成为较均匀细小的等轴晶粒,还能使某些微小的裂纹得以愈合;由于应力状态中静水压力的作用,可促进铸态组织中存在的气泡焊合,缩孔压实,疏松压密,变为较致密的组织结构;由于高温原子热运动能力加强,在应力作用下,借助原子的自由扩散和异扩散,铸锭化学成分的不均匀性相对减少;通过热变形,铸锭组织改变成了变形组织或加工组织,并具有较高的密度、均匀细小的等轴晶粒及比较均匀的化学成分,因而塑性和强度指标都有明显的提高。

采用铝合金连铸坯替代挤压铝合金棒材,在后续加工过程中,经过多次适度强化的加热与压力加工过程,挤压铝合金棒材的挤压组织优势,可以被适度强化的后续加工实现,特别是最后一火的加热对材料的组织具有决定性作用,所以采用铝合金连铸坯替代挤压铝合金棒材是可行的。

综合以上诸种因素,再进行了经济分析,有理由对原有的工艺进行一些必要的改进,认为原工艺中原料为挤压棒材没有太大意义,原料改为以铝液铸成铝棒替代外购挤压棒材,完全可以满足产品对原料的要求,也可以满足国内外最终用户对产品质量的要求。

4 技术关键与创新点

本项目由熔铸工艺和后续加工工艺构成,对于熔铸工艺而言要尽可能使铝合金连铸坯与挤压铝合金棒材质量差异缩小,半连续铸机铸出的铝合金棒材的质量如何,直接关系到整个工艺的成功与否,所以必须保证铸造工艺的顺利进行,铸出合格的铝合金棒材;对于后续加工工艺要对工艺条件适度强化,进一步弥补原材料的差异缺陷,最终实现两种原料生产的产品同质化,达到产品的各项物理、机械性能的要求,满足市场需求。

5 熔铸工艺的创新分析

为使铝合金连铸坯质量均化,采取了以下措施:熔炼时通过永磁搅拌器对炉膛熔体进行搅拌,使成分均化并可缩短熔炼时间;通过送丝机在铝熔体中在线连续加入Al-Ti-B圆杆以细化晶粒,通过在线除气精炼装置进一步深度除气、精炼和过滤。

6 后续加工工艺的分析

为了进一步减小挤压铝合金棒材与铸造铝合金棒材原材料的缺陷差异,应对后续加工工艺进行了适度强化,主要体现在:铝合金连铸坯在线探伤检查,对坯料的径向、轴向小于0.8mm的缩孔、气孔以及裂纹进行探测,并显示和报警,同时对分层也要进行探测和报警,防止铸造缺陷坯料下线;强化均匀化退火,以消除铸造毛坯内部组织偏析和铸造应力,细化晶粒;强化锻前制坯,加大径向压缩力和轴向延伸变形力,进一步改善毛坯的内部组织结构。