汽車前下擺臂工藝與材料淺析

文/史東杰，劉翰志，賈世川，靳玉濤，王獻(xiàn)忠·長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心

汽車前下擺臂工藝與材料淺析

文/史東杰，劉翰志，賈世川，靳玉濤，王獻(xiàn)忠·長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心

為了滿足對性能、成本和輕量化的需求，國內(nèi)外主機(jī)廠在汽車前下擺臂的生產(chǎn)和開發(fā)上應(yīng)用了沖壓成形、鍛造成形和鑄造成形等工藝，不同生產(chǎn)工藝對應(yīng)的不同材料，如熱軋鋼板、球墨鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼和鋁合金等材料也得到了全面的應(yīng)用。

前下擺臂是汽車底盤系統(tǒng)上重要的受力零件，它的主要作用是將車架與車輪連接起來，同時傳遞車輪與車架之間的所有力和力矩，緩沖和衰減因汽車行駛在不平路面情況下，車輪振動傳遞給車架的沖擊和振動，使汽車行駛保持平穩(wěn)和安全可靠，部分車型因底盤結(jié)構(gòu)要求會將前減振器安裝在前下擺臂上，因此要求前下擺臂必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度。

主要應(yīng)用工藝

前下擺臂結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，平面形狀主要為不規(guī)則三角形，一端通過一個安裝點(diǎn)與轉(zhuǎn)向節(jié)連接，另一端通過兩個安裝點(diǎn)固定在車架或副車架上。隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，應(yīng)用成熟的前下擺臂的成形工藝較多，當(dāng)前國內(nèi)外主機(jī)廠車型上主要應(yīng)用沖壓成形、鑄造成形和鍛造成形三種成形工藝，如表1所示。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用要求，不同成形工藝在成本、重量和性能方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。

工藝和用材分析

國內(nèi)外主機(jī)廠根據(jù)開發(fā)車型的需要，開發(fā)出滿足車型性能要求的工藝和材料，當(dāng)前市場上的車型中主要應(yīng)用的工藝和用材為沖壓焊接成形、沖壓成形、球墨鑄造成形、結(jié)構(gòu)鋼鍛造成形、鋁合金鍛造成形，下面將對上述成形工藝和材料應(yīng)用情況進(jìn)行簡要介紹。

沖壓焊接成形

雙片鋼板沖壓焊接成形是前下擺臂傳統(tǒng)成形工藝，至今仍在國內(nèi)外車型上大量的應(yīng)用，如圖1所示的沖壓焊接成形前下擺臂截面，它由兩片鋼板沖壓后焊接在一起成形，焊接工藝主要采用20%CO2+80%Ar惰性混合氣體保護(hù)焊。根據(jù)前下擺臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，通常要求鋼板具有良好的拉延性能，常用熱軋酸洗鋼板材料為SAPH440、QSTE380TM、QSTE420TM和QSTE460TM等；如果結(jié)構(gòu)上需要在安裝位置壓入球銷或襯套時，則需要鋼板具有一定的擴(kuò)孔性能，應(yīng)用最為成熟的材料為高擴(kuò)孔鋼FB590、SPFH590等材料。當(dāng)前汽車廠家對零件耐腐蝕性能有較高的要求，為保證零件電泳漆膜質(zhì)量、零件防銹性能和提高模具使用壽命，熱軋酸洗鋼板已完全取代普通熱軋板生產(chǎn)前下擺臂。

表1 底盤前下擺臂成形工藝

圖1 沖壓焊接成形前下擺臂截面

沖壓成形

如圖2所示沖壓成形前下擺臂截面，鋼板沖壓成形是在鋼板沖壓焊接成形的基礎(chǔ)上，去除封板或補(bǔ)板，并通過使用更高強(qiáng)度材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來滿足零件性能要求，減少零件數(shù)量和縮短生產(chǎn)工藝，降低零件綜合成本。一般情況下，沖壓成形前下擺臂需要壓入襯套或軸套，故要求材料具有良好的擴(kuò)孔性能。

圖2 沖壓成形前下擺臂截面

奧迪A3、軒逸、逍客、奇駿、朗動、愛唯歐、嘉年華、速騰、大眾UP、帕薩特等歐美日韓很多車型，都已應(yīng)用此沖壓成形工藝生產(chǎn)前下擺臂。為分析應(yīng)用此種結(jié)構(gòu)前下擺臂對應(yīng)的材料強(qiáng)度，特對奧迪A3、大眾UP和通用愛唯歐車型前下擺臂進(jìn)行材質(zhì)分析，結(jié)果如表2所示。由表2可知，F(xiàn)B780和CP800等先進(jìn)高強(qiáng)鋼材料具有較好的沖壓拉延性能和擴(kuò)孔性能，同時材料屈服強(qiáng)度達(dá)到600MPa以上，較沖焊成形前下擺臂用材強(qiáng)度提高200MPa左右，在國外車型沖壓成形前下擺臂上得到了成熟應(yīng)用。

表2 沖壓成形前下擺臂用材分析

球墨鑄造成形

球墨鑄造成形前下擺臂在國內(nèi)外車型上應(yīng)用并不常見，前下擺臂因在車行駛過程中受到動載荷的影響，對鑄造工藝要求非常嚴(yán)格，鑄造過程中不允許有氣泡、組織偏析、夾雜等缺陷產(chǎn)生，普通的砂型鑄造零件無法滿足強(qiáng)度和疲勞耐久要求，需使用壓力鑄造提高零件性能。國外車型中老款奔馳ML350、大眾邁騰和途觀等部分車型上均應(yīng)用球墨鑄造工藝加工前下擺臂零件，經(jīng)對奔馳ML350和大眾途觀車型前下擺臂零件取樣材質(zhì)分析（表3），可知，QT400-15材料已能夠滿足零件強(qiáng)度、剛度等性能要求。

結(jié)構(gòu)鋼與非調(diào)質(zhì)鋼鍛造成形

結(jié)構(gòu)鋼材料強(qiáng)度較高，用其鍛造成形的前下擺臂具有很高的強(qiáng)度，能夠保證零件具有很高的性能，但由于結(jié)構(gòu)鋼原材料成本較高，鍛造成形后需經(jīng)過調(diào)質(zhì)等處理工藝，故零件生產(chǎn)成本較高，且零件重量較高，在輕量化和降成本方面不具備優(yōu)勢，限制了結(jié)構(gòu)鋼鍛造成形工藝在乘用車上的應(yīng)用。為降低零件生產(chǎn)成本，國外主機(jī)廠開發(fā)出用非調(diào)質(zhì)鋼代替調(diào)質(zhì)鋼來生產(chǎn)前下擺臂。非調(diào)質(zhì)鋼只需要在鍛造成形后控制冷卻速度，保證零件最終組織和性能，節(jié)省了調(diào)質(zhì)處理工藝，降低綜合生產(chǎn)成本，如寶馬X1、X5前下擺臂應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼15V24材料。

鋁合金鍛造成形

鋁合金材料密度較低，只有鋼的1/3，故鋁合金成為汽車零件實(shí)現(xiàn)輕量化的首選，但受零件成本因素影響，在中低端車型上應(yīng)用并不多，在中高端車型上應(yīng)用則較為普遍。

國內(nèi)外主機(jī)廠用于生產(chǎn)前下擺臂的主要材料為6082和6061，表4給出了部分主機(jī)廠鍛造鋁合金材料性能。為滿足零件的使用要求，相同材料不同主機(jī)廠和鍛造廠家對材料性能的要求存在一定的差異。由于鋁合金粘附性強(qiáng)，鍛造前需對模具加熱，來提高金屬流動性。為提高零件強(qiáng)度和硬度，消除壓力加工過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使其獲得均勻的成分、組織和性能，鍛造成形后需進(jìn)行固溶+人工時效處理。鍛造鋁合金零件固溶時效處理工藝通常為加熱至（530±10）℃，保溫4h后迅速轉(zhuǎn)移到水中冷卻，然后再加熱至（175±5）℃，保溫8～10h，并在空氣中冷卻。鋁合金鍛造成形通常使用擠壓鋁棒坯料，隨著工藝控制水平的提高，連鑄鋁棒也已滿足鍛造的要求，神戶制鋼等鋁合金鍛造零部件企業(yè)一直在應(yīng)用連鑄鋁棒進(jìn)行鍛鋁零件生產(chǎn)。

表3 球墨鑄造成形前下擺臂材質(zhì)分析

表4 部分主機(jī)廠鍛造鋁合金材料性能

應(yīng)用分析

不同成形工藝和用材對前下擺臂的成本、重量和性能方面影響較大，圖3所示為不同的成形工藝成本與輕量化效果對比。由圖3可以看出，鋁合金鍛造成形輕量化效果最好，但對應(yīng)的零件成本也最高，只適用于在中高端車型上應(yīng)用。沖壓成形零件在輕量化和成本方面也是最優(yōu)，但受零件強(qiáng)度和剛度影響，主要適用于A級和部分B級車型上。結(jié)構(gòu)鋼鍛造和球墨鑄造成本和輕量化效果較差，但零件性能較高。沖焊成形在成本、重量和性能方面最優(yōu)，國內(nèi)外主機(jī)廠多數(shù)車型均應(yīng)用此工藝。

圖3 成本和輕量化效果對比

結(jié)束語

通過以上分析及市場需求情況，筆者建議：⑴A級車控制臂以鋼板沖壓焊接成形為主，近年來的換代車和新車型逐步開始應(yīng)用先進(jìn)高強(qiáng)鋼沖壓成形工藝；限于成本壓力，鋁合金鍛造成形不適用于A級車型；如對零件性能要求較高時，可考慮應(yīng)用球墨鑄造和結(jié)構(gòu)鋼鍛造成形。⑵國內(nèi)C級車車型價格定位較高，同時對輕量化的需求較高，可接受鋁合金鍛造成形帶來的成本。⑶B級車處于兩者之間，應(yīng)根據(jù)車型需要確定采用何種工藝。