文/姚建刚，赵兰磊，尤佳琪·江苏兴锻智能装备科技有限公司 全球都在追求碳中和、碳达峰，各国提出了明确的达成目标，新能源汽车是实现碳中和、碳达峰的关键要素之一。而汽车的轻量化在节能降耗方面表现尤为突出，即在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半。由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。实验证明，若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽车整备质量每减少100kg，百公里油耗可降低0.3 ～0.6L；汽车质量降低1%，油耗可降低0.7%。当前主要的汽车轻量化措施是采用轻质材料，其中铝合金是非常理想的材料，其密度约为钢的1/3，是应用最广泛的轻量化材料。轻量化材料优势明显：⑴从成本角度，高强度钢大幅领先，铝合金次之。⑵从减重潜力角度，铝合金弱于碳纤维和镁合金，大幅强于高强度钢。⑶从制造工艺角度，铝合金工艺较为成熟、效率较高、成本适中。铝合金逐步成为汽车轻量化的主流材料。以美国生产的汽车产品为例，1976年每车用铝合金仅39kg，1982 年达到62kg，而1998年则达到了100kg，2020 年北美纯电动汽车单车用铝量高达291.7kg。铝合金锻造特点⑴锻造变形温度范围小。多数铝合金的锻造变形温度在350 ～450 ℃范围内，变形温度范围在100℃左右，少数合金的变形温度范围甚至只有50 ～70℃，允许锻造操作的时间较短。这无疑给锻造操作带来了极大困难，为争取较长的锻造时间，需要将毛坯尽量加热到上限温度，增加锻造火次和将工模具预热至更高的温度。⑵对应变速率敏感。铝合金对应变速率敏感，需要选择工作速度较低和速度平稳的锻压设备进行锻造。对于铸锭，为防止锻裂，通常需要在压应力状态下、低速进行开坯，采用挤压和锻造或者轧制。铝合金模锻时，往往需要在液压机或机械压力机上进行，尽量不在锻锤类锻压设备上进行，锻造设备选择的余地相对较小。⑶对加热和锻造温度要求严格。由于铝合金锻造变形温度范围小，为延长锻造操作时间，应尽可能加热到变形温度允许的上限，这就要求采用高精度的加热炉和温度控制仪表控制加热温度，否则，容易产生过热。多数经过开坯的铝合金半成品的塑性较高，在一般情况下不容易锻裂，但在锻造过程中应避免激烈变形，以免温度过高而影响锻件的组织和性能，如果不注意操作，采用高速(如使用锻锤)、大变形量锻造，大量变形能转变成热能有可能使锻件温度超过锻造温度的上限，引起过烧，而造成锻件的组织和性能不合格。⑷导热性好。铝合金的导热率为钢的3 ～4 倍，其优点是毛坯小不必预热，就能直接装入高温炉加热。缺点是在锻造过程中表面散热太快，会造成锻造过程中锻件内外温差太大，使得变形不均匀，导致局部出现临界变形，容易引起锻件局部粗晶，使锻件组织不均匀。多数铝合金，尤其是具有挤压效应的铝—锰系合金，挤压棒材表层常见的粗晶环，可能就与毛坯表面散热快以及摩擦大，内外层变形不均匀落入临界变形区有关。为防止热量散失太快，必须把模具和与工件接触的工具预热至300℃或更高的温度。⑸摩擦系数大、流动性差。铝合金与钢质模具之间的摩擦系数大，变形时流动性差，使模锻时金属充满模槽困难，通常需要增加工步和模具，并加大模具的圆角半径。⑹粘附性大。铝合金粘性大，当进行激烈地大变形锻造时，毛坯往往会粘结在模具上，容易引起锻件起皮、翘曲等缺陷，还会引起模具磨损，严重时会导致锻件和模具二者都报废。⑺裂纹敏感性强。铝合金对裂纹敏感，锻造过程中产生的裂纹若不及时清理，在随后的锻造中会迅速扩大，导致锻件报废。铝合金锻造现状分析目前铝合金锻造线国内存有三种形态：手工线、半自动线、进口全自动线，均存在一定的弊病与缺陷。其比较突出的问题点如下：⑴手工线。①对工人的熟练程度要求比较高，操作时间短；②脱岗或临时换人，产品差异性大；③生产效率低。⑵半自动线。①人工结合自动化生产方式，生产效率受限；②人工多数为操作切边工艺。⑶进口全自动化线。①多工位锻压机结合机器人生产方式，在生产中通常采用跳打工艺，生产节拍仅3 ～4 次/分钟；②模具复杂；③设备采购与维护保养成本高且时效性差。铝合金控制臂锻造工艺规划控制臂是汽车悬挂系统的关键零件之一，除了承受整个车身的重量，在行驶中还会受到外部动态扭矩的作用以及实时路况的考验，这使得控制臂制造的要求较为严格与精细，优化铝合金控制臂成形技术一直以来是行业内人员不断研究探索的焦点之一。铝合金控制臂包括直臂、弯臂、L 臂及三角臂等，其具有种类多样化和形状复杂化的特征，控制臂成形难度大，需要多个成形工步才能将形状简单的毛坯变为形状复杂的控制臂零件，其锻造工艺复杂，可行性、稳定性、成形质量、材料利用以及成形载荷、提高模具寿命等都是其成形工艺的重点。锻造铝合金控制臂产品的应用是汽车制造水平提高的标志，也是车辆实现减重节能，提高市场竞争力的有力措施。目前铝合金控制臂有两种锻造方式：其一是常规的挤压棒+锻造；其二是异形铸锭+锻造，其在材料的成品率方面能提高15%～20%，大幅减少工序。但欧美体系通常采用常规的锻造方式，其更多的关注锻件的机械性能。基于以上分析，本文主要以控制臂中的典型铝合金三角臂为例，对控制臂的锻件成形工艺展开论述。铝合金三角臂的常规工艺如图1 所示：“挤压→切断→辊锻→弯曲→加热→粗模锻→切边→加热→模锻成形→切边”，此线为手工工艺路线，为了使锻件成形饱满并保证产品质量，最大程度的避免穿流、充不满、折叠、晶粒不均匀等缺陷，整个锻件流转及成形过程中，需要多且熟练程度要求相对较高的人员。随着人力成本的越来越高，国内人口红利逐渐降低，面临锻工难找，人工贵，人工流失严重的问题，那么如何才能提高生产效率、降低生产成本呢？
图1 铝合金三角臂的常规工艺 基于此，本文提出了自动化锻造的工艺路线如图2 所示。即：棒料采用锯切下料后再用中频感应炉加热至指定温度，经“辊锻制坯→压弯→压扁→预锻→终锻→切边”后，完成铝合金三角臂的锻造过程，达到最终所要求的锻件形状。
图2 铝合金三角臂自动化锻造工艺 由于铝合金锻造变形温度范围小、对应变速度敏感、对加热和锻造温度要求严格、在变形过程中具有较高的摩擦系数，材料流动中粘度高等主要因素。控制臂的种类和形状多样化，加之在锻造吨位及锻件尺寸允许的前提下，为增加对多品种、多产品规格的适应性，保证锻造工艺的稳定性和高精度，本线采用多机连线，多道工序成形，多台自动化装置的布局方式，其整线设备的布局图如图3 所示。由压弯、切边压力机、热模锻压力机、自动换模台车、产品转运机器人、喷涂机器人、锻造模具、耐高温楔形夹紧液压锁以及石墨自动喷涂系统等主要部分组成，其中压弯压力机主要采用小台面、长行程、过载自动消除、高刚性的压力机传动结构；热模锻压力机采用新式的油压机械摆臂式顶料装置、伺服调节油压杠杆式防闷车封高调整装置、片式干式离合器及高承载力人字齿轮结构；换模台车采用一车两模、拖拽牵引式结构；产品转运机器人采用串联式排布结构及可视化在线温度监控装置；喷涂机器人采用寻迹喷涂的控制方式；锻造模具采用快换模架结构及模座在线自动加热装置；耐高温楔形夹紧液压锁，纵观温度对模具夹紧装置的影响，采用斜面夹紧卡扣式锁紧结构和内部循环冷却结构；石墨自动喷涂系统由高压泵、石墨自动配比、液位自动监控及喷涂雾化装置等组成。
图3 整线布局图 创新点解读压力机⑴热模锻压力机(预锻&终锻)：就锻造成形工艺而言，液压机是铝合金锻造较为理想的设备，但由于其工作频率与生产效率低，难以适应大批量生产的需求。由于机械压力机具有强度大、刚度好、动作稳定、锻件精度高、材料利用率高、生产率高、锻件力学性能一致性好及易于实现自动化的特点，故特别适合于模锻对变形速度敏感的铝合金锻件的生产。从铝合金锻造工艺要求着手，为保证生产工艺的稳定性，考虑到项目及自动化搬运，再综合考虑设备的结构特性，所需要的工艺参数均打破了传统的理念。采用了非机械式联锁结构的新式盘式摩擦离合器和制动器，分别安装于低速轴处，即偏心轴的左右两侧，其主传动齿轮，采用具有高承载力的人字齿轮结构；为满足锻件生产中锻件脱模及机器人搬运的需求，从维护特性以及多品种适应特性方面着手，上顶出采用油压机械摆臂式杠杆结构，下顶出采用行程可调实时反馈的液压式结构；为防止锻造过程中由于坯料、温度、润滑、误操作等造成的主要问题，以及满足整线一键自动换模的要求，本项目是首次使用了伺服调节油压杠杆式防闷车封高调整装置，用于预防设备的闷车及滑块调整位置的精度需求。⑵压力机(压弯、压扁、切边)：常规锻件切边都使用专用切边压力机来实现，本次创新改善通用压力机，用以实现切边压弯功能。为满足铝合金锻造压弯工艺要求，在通用机基础上研发大偏心曲轴加工及装配工艺，改善机身传动结构；同时不拘泥于传统通用机，充分结合自动化及模具相关需求，在通用机基础上合理配置上下液压顶出模块，顶出行程实时反馈可控。通过对通用机一系列的改善提升，在小台面通用机基础上实现了大行程传动，充分满足压弯切边所需的大行程、高刚性的工艺需求。自动化换模系统热模锻实现多机自动换模存有较大的困难：环境恶劣，须防水防尘；模架重量大；模具有加热要求，拉出的模架温度高(约200℃左右)。目前国内基本上以手动换模或半自动方式实现换模为主导，且均是单工位布局。基于全自动化一键换模要求，已突破的关键技术有：换模台车增加隔热层确保非承载部件不受热影响；与模架接触部件选择耐高温的材质与结构；双工位设计布局。现已实现10 ～15 分钟快速换模(含自动调整封闭高度)设计目标。一种耐高温带楔形夹头的液压锁(图4)，包括主油缸和可与工作台相固定的保持架，且主油缸与保持架可拆卸连接，所述保持架带有导向孔，主油缸的活塞穿过导向孔，并可在导向孔内进行伸缩移动，同时，活塞的端部带有可固定模架的夹头，主油缸还包括缸体，且缸体中有围绕活塞设置的冷却流道。将主油缸和保持架分体设置，这样在热锻过程中，模架的热量不容易由保持架传导至主油缸，并且，冷却流道中的冷却介质又能够带走主油缸的热量，从而降低了主油缸因为温度过高导致零件发生老化损坏，进而出现漏油的可能性。目前此类型液压夹模钳最大能承受63 吨的负载，耐热能力高达160℃左右；为实现自动换模提供了底层核心技术。
图4 楔形夹头液压锁 喷涂系统铝合金专用喷涂技术相对钢件而言要求更高，不仅要求喷涂时管路(气路/石墨管)压力处在高压稳定的状态，而且要求石墨液雾化更加充分，并且喷涂量也有严格限制。喷涂系统常规是由喷涂装置、喷嘴单元和电气控制等三部分构成。喷涂装置与锻压机配套使用，根据主轴编码器给出相应喷涂时间与角度。喷涂装置必须具备石墨乳的储存、搅拌、石墨输送、管道清洗等功能，从而实现全自动化，与工艺完美结合。喷嘴单元现在采用的是双喷头座，每个座上安放两个喷头，每个喷头上装上下两个喷嘴。原则上可以做到单个喷嘴的喷涂控制，确保每个点喷涂时间与量能随意调节满足生产工艺的要求。新自动线进展目前该项目设备(图5)已安装到位，还处在机器人调试阶段，已顺利打出合格的产品，节拍已达到5 个/分钟，达到了预先规划目标。该线与其他生产线对照见表1。表1 手工线、进口线与新规划国产线对照表 
图5 铝合金控制臂锻造压机 结束语该项目由江苏兴锻智能装备有限公司成功开发，打破了铝合金控制臂自动线依赖进口的尴尬局面，不仅大幅降低采购成本、提高生产节拍，而且给用户带来额外的价值与体验感。另外在售后服务方面做到及时反应，降低维修成本，为用户抢占与扩大市场奠定坚实的基础。——文章选自：《锻造与冲压》2022年第7期
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