铝合金分体式I型推力杆及其制备方法与热铆压装配方法与流程

本发明涉及汽车用i形推力杆，尤其涉及一种铝合金轻量化推力杆及其制备方法、以及推力杆的装配方法。
背景技术：
面对环保及节能减排的压力，汽车轻量化已成为汽车设计更新换代的必然选择。在载重汽车领域，载重汽车的总质量是汽车载重量和车身自重量的总和，交通法规对总重量有明确要求，超重会带来安全隐患且违反交通法规。因此随着运输环境对车辆要求的提高，为了提高运输利润，载重汽车零部件的轻量化已成为迫切需要解决的问题。推力杆是载重汽车平衡悬架、空气悬架的关键部件之一，分为直推力杆(或称为i形推力杆)和v型推力杆，在汽车行驶中传力、限位、隔振、缓和冲击等方面起到至关重要的作用。一般地，推力杆由套管、球头和球铰组成。大多数载重车行驶路况差、装载条件差、使用环境恶劣、车辆使用强度大，作为悬架系统起着关键作用的推力杆，运行工况复杂，受到多向载荷作用，容易导致疲劳损坏。目前推力杆一般为钢或者铸铁材质，如45钢、20钢、40cr等材料，重量较大，不满足汽车进一步轻量化的需求。在当前节能环保减重的压力下，如何在保证推力杆使用性能要求的基础上，尽可能的减少重量，实现推力杆的轻量化，对载重汽车具有重大意义。目前有部分厂家试图通过改变钢质材料推力杆的结构设计，比如将其局部结构设计为空心，但由于材料不变，设计空间小，轻量化效果不明显，且局部空心结构增大了成型工艺难度及制造成本，因此不能被广泛的推广应用。技术实现要素：针对现有钢材质推力杆重量大轻量化效果差的问题，本发明的目的是提供一种新型轻量化推力杆，所述推力杆由铝合金材料制成。为了使铝合金推力杆在汽车行驶传力、限位、隔振、缓和冲击时具备承受多向载荷作用并满足高疲劳寿命的能力，本发明对铝合金推力杆进行了结构设计，并开发了可实现推力杆高性能要求的套管和球头的锻造成型、挤压成型加工工艺及整体热铆压装配工艺，从而得到本发明的新型轻量化推力杆。本发明铝合金推力杆与传统钢材质推力杆相比，不仅具有相当的承载能力，还最大程度地实现了轻量化，减重效果可达40～70％。本发明的一种铝合金分体式i型推力杆，其推力杆的材质为铝合金，优选的成分是al-cu系合金、al-si系合金、al-mg-si系合金、al-zn-mg-cu系合金或者al-mg系合金，以及在上述铝基合金中添加sr、la、ce、y、sc、er、nb、b、cr等微量合金化元素的铝合金。本发明的一种铝合金分体式i型推力杆，其包括有套管、球头和球铰，套管的两端分别安装球头，球铰安装在球头的通孔里；套管1为空心结构体；a球头2a的ba球铰安装座2a3的一端面为a锥形面板2a3a，a球头2a的ba球铰安装座2a3的另一端面为a圆形面板2a3b；ba球铰安装座2a3与波纹管2a1一端的结合部位顺次是a椭圆形段2a5和a圆弧段2a6；b球头2b的bb球铰安装座2b3的一端面为b锥形面板2b3a，b球头2b的bb球铰安装座2b3的另一端面为b圆形面板2b3b；bb球铰安装座2b3与波纹管2b1另一端的结合部位顺次是b椭圆形段2b5和b圆弧段2b6；a球头2a与b球头2b的结构相同，且a球头2a和b球头2b均为一体成型结构件。本发明铝合金分体式i型推力杆可采用热挤压工艺制备：套管的热挤压成型工艺：101步骤，按照目标成分配制铝合金，并将铝合金坯料在箱式电阻炉中加热到一定温度并保温；102步骤，将挤压模具温度加热到一定温度并保温一段时间，将坯料进行热挤压成为所需尺寸的棒材坯料；103步骤，将棒材坯料通过冲孔或者机加工方式加工成为所需空心结构。球头采用径向挤压成型：201步骤，按照目标成分配制铝合金，按照设计尺寸设定球头坯料的尺寸，并将坯料在箱式电阻炉中加热到一定温度并保温；202步骤，将挤压模具温度加热到一定温度并保温一段时间；203步骤，将加热好的坯料在一定时间内转移到挤压模具中，凸模与坯料接触后，挤压机以合适的挤压速率进行球头的正向挤压，将球头挤压成空腔；204步骤，将球头进行二次挤压，以形成所设计形状，然后将凸模复位，将球头从模具中取出。本发明的铝合金分体式i型推力杆可采用挤压与锻造组合工艺制备：套管的热挤压成型工艺：101步骤，按照目标成分配制铝合金，并将铝合金坯料在箱式电阻炉中加热到一定温度并保温；102步骤，将挤压模具温度加热到一定温度并保温一段时间，将坯料进行热挤压成为所需尺寸的棒材坯料；103步骤，将棒材坯料通过冲孔或者机加工方式加工成为所需空心结构。球头采用锻造成型工艺过程为：211步骤，按照一定的配比配制铝合金，按照设计尺寸设定球头坯料的尺寸，并将坯料加热到一定温度，保温一段时间；212步骤，执行预锻工艺，将加热的球头坯料放入预锻下模模腔中，锻造设备滑块带动预锻上模快以一定的速度移动与下模进行合模，合模后锻造设备锁模机构进行锁模，此后压力机构带动镦粗冲头朝向模具内侧挤压球头坯料中间部分，形成预锻件；213步骤，执行终锻工艺，把预锻件放入终锻下模模腔中，锻造设备滑块带动终锻上模快以5.0～10m/s的速度移动与下模进行合模，合模后锻造设备锁模机构进行锁模，终锻冲头再次挤压球头坯料，得到终锻造毛坯。本发明的铝合金分体式i型推力杆采用整体热铆压方法进行装配，其包括有下列步骤：装配步骤一，将套管放置在箱式加热炉中，以一定的加热速度将其加热到合适温度；装配步骤二，将两个球头分别放置在压机工装模具的两个端头滑座中；装配步骤三，将套管在一定温度下充分保温后取出，放置在与球头等高的模具块上，此转移过程时间控制在较短的时间范围内；装配步骤四，一定的相对速度沿浮动板在轴向上做相对靠近的移动，直至两个球头分别套接到套管的两端上；装配步骤五，设定铆压压力为设定值，控制压机上压板以一定的速度下压移动，带动上铆接模下压与下铆接模相配合，对两个球头和套管两端的套接部位进行热铆接，控制一定的铆接时间；装配步骤六，整体热铆接压完成后，控制压机上压板带动上铆接模一起上移，最后将铆接完成的推力杆杆体取出。本发明的优点在于：①所述的推力杆为铝合金材质，优选成分可以是al-cu系合金、al-si系合金、al-mg-si系合金、al-zn-mg-cu系合金或者al-mg系合金，以及在上述铝基合金中添加sr、la、ce、y、sc、er、nb、b、cr等微量合金化元素的铝合金，相比于钢材质的推力杆，在满足拉伸强度、疲劳强度等使用性能的条件下，减重效果可达到40～70％；且铝合金推力杆成分容易控制。②所述铝合金推力杆的结构既保证了推力杆的高性能又实现了轻量化，且所设计的结构容易制备，所得该种结构的铝合金推力杆强度高，在200～300kn高加载应力条件下无拉脱及破坏现象，可满足推力杆实际应用时高的性能要求。③所述推力杆为分体式的铝合金推力杆，球头与套管可采用锻造成型、挤压成型等多种制备工艺，所得推力杆性能高，且成品率高。④铝合金球头与套管通过整体热铆压连接，相比于传统的分次热铆接，可以快速完成推力杆的球头与套管的精密整体铆接，自动化程度高，既保证了铆接质量又提高了工作效率。附图说明图1是本发明分体式i型推力杆的结构图。图1a是本发明分体式i型推力杆的正视图。图1b是图1的后视图。图1c是图1的左视图。图1d是图1的右视图。图1e是图1的俯视图。图1f是图1的仰视图。图2是本发明中热铆压装配前的球头正视图。图2a是图2的后视图。图2b是图2的右视图。图2c是图2的左视图。图2d是本发明中热铆压装配前的球头结构图。图2e是本发明中热铆压装配前的另一视角球头结构图。图2f是本发明中热铆压装配前的球头辅助轮廓线图。图3是本发明中热铆压装配前的套管正视图。图3a是图3的右视图。图3b是本发明中热铆压装配前的套管的右视角结构图。图3c是本发明中热铆压装配前的套管的左视角结构图。图4是本发明制得分体式i型推力杆本体在300kn拉力下的应力分析图。图5是本发明制得分体式i型推力杆本体在200kn拉力下的应力分析图。图6是本发明制得分体式i型推力杆本体的力学性能图。1.套管1a.a通孔2a.a球头2a1.ba波纹管段2a1a.凹形部2a1b.凸形部2a2.ba通孔2a3.ba球铰安装座2a3-1.上轮廓边线2a3-2.下轮廓边线2a3-3.左轮廓边线2a3-4.右轮廓边线2a3a.a锥形面板2a3b.a圆形面板2a4.ba内凸台2a5.a椭圆形段2a6.a圆弧段2b.b球头2b1.bb波纹管段2b2.bb通孔2b3.bb球铰安装座2b3a.b锥形面板2b3b.b圆形面板2b5.b椭圆形段2b6.b圆弧段3a.a球铰3b.b球铰具体实施方式下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。第一部分，铝合金推力杆的目标成分在本发明中，铝合金推力杆的的材质为铝合金，优选成分可以是al-cu系合金、al-si系合金、al-mg-si系合金、al-zn-mg-cu系合金或者al-mg系合金，以及在上述铝基合金中添加sr、la、ce、y、sc、er、nb、b、cr等微量合金化元素的铝合金。优选的推力杆成分一为：元素用量(质量百分比，wt％)si0.1～1.5mg0.4～2.0fe0.06～1.6cu2.5～7.0mn0.2～1.2cr0.001～0.15ni0.001～1.2zn0.10～0.30ti0.01～0.20zr0.001～0.25sr≤0.03la≤0.03ce≤0.03y≤0.1er≤0.05sc≤0.05al余量，以及不可避免的杂质。优选的推力杆成分二为：元素用量(质量百分比，wt％)si4.5～13.5mg0.05～0.8fe0.5～1.5cu0.2～1.5mn0.05～0.6cr0.001～0.2ni0.001～1.25zn0.05～0.30ti0.01～0.25zr0.001～0.05sr0.01～0.15la≤0.03ce≤0.03y≤0.1er≤0.05sc≤0.05al余量，以及不可避免的杂质。优选的推力杆成分三为：元素用量(质量百分比，wt％)si0.2～1.8mg0.3～1.2fe0.1～0.8cu0.1～0.4mn0.3～1.2cr0.04～0.35zn0.10～0.30ti0.01～0.20zr≤0.005sr≤0.03la≤0.03ce≤0.03y≤0.1er≤0.05sc≤0.05al余量，以及不可避免的杂质。优选的推力杆成分四为：元素用量(质量百分比，wt％)si0.1～1.2mg0.04～3.0fe0.08～1.0cu0.1～3.0mn0.1～0.8cr0.1～0.35zn4.0～8.0ti0.001～0.20zr0.005～0.25sr≤0.03la≤0.03ce≤0.03y≤0.1er≤0.05sc≤0.05al余量，以及不可避免的杂质。优选的推力杆成分五为：元素用量(质量百分比，wt％)si0.3～0.6mg2.0～10.5fe0.01～0.8cu0.005～0.2mn0.05～1.2cr0.001～0.35zn0.10～0.25ti0.01～0.20zr0.001～0.30sr≤0.03la≤0.03ce≤0.03y≤0.1er≤0.05sc≤0.05al余量，以及不可避免的杂质。第二部分，铝合金推力杆本体的优化结构参见图1所示，本发明设计的铝合金推力杆包括有套管、球头和球铰，套管的两端分别安装球头，球铰安装在球头的通孔里。套管1参见图1、图1a～图1d、图3、图3b、图3c所示，为了使得铝合金套管1具有优良的结构，套管1为中空一体成型结构件，套管1的中心有a通孔1a；套管1的总长度记为l1，套管1的内半径(即通孔1a的半径)记为r1a。一般地，l1＝420～810mm，r1a＝18～30mm。球头2a、2b参见图1、图1a～图1f、图2、图2a～图2e所示，a球头2a与b球头2b的结构相同，且a球头2a和b球头2b为一体成型结构件。i型推力杆背对背放置的两个球头相对套管存在一定的装配角，记为δ(图1c所示)，所述装配角δ为10～15度。球头安装在汽车悬架上是以球头的圆形面板为基准的，因此如图1a-图1d所示，a球头2a的a锥形面板2a3a与b球头3b的b圆形面板2b3b保持在同一面放置，a球头2a的a圆形面板2a3b与b球头3b的b锥形面板2b3a保持在另一面放置。即一个球头的锥形面板向外，而另一个球头的圆形面板向外。参见图2、图2a-图2e所示，a球头2a上设有ba波纹管段2a1和ba球铰安装座2a3，所述ba球铰安装座2a3上设有用于安装a球铰3a的ba通孔2a2。同理，参见图2所示，b球头2b上设有bb波纹管段2b1和bb球铰安装座2b3，所述bb球铰安装座2b3上设有用于安装b球铰3b的bb通孔2b2。参见图2、图2a、图2d、图2e所示，a球头2a上的ba球铰安装座2a3的一端面为a锥形面板2a3a，在靠近a锥形面板2a3a的ba通孔2a2末端设有ba内凸台2a4(图2e所示)，ba内凸台2a4用于限制a球铰3a经大孔端进入后与其接触，达到装配位置的限定；a球头2a上的ba球铰安装座2a3的另一端面为a圆形面板2a3b。所述a锥形面板2a3a端的ba通孔2a2要小于所述a圆形面板2a3b端的ba通孔2a2，球铰(如a球铰3a)从ba通孔2a2进入，且置于ba通孔2a2内并用ba内凸台2a4作限位，使球铰安装在a球头2a上的ba球铰安装座2a3上。如图2a所示，ba波纹管段2a1的长度记为h2a1，ba波纹管段2a1的半径记为r2a1，ba波纹管段2a1为实心的，r2a1为波纹管的最大半径，r2a1与r1a相等，h2a1＝(3～5)r1a。参见图2所示，ba波纹管段2a1的起端为波纹管凹形部2a1a末端为波纹管凸形部2a1b。另外，也可以是ba波纹管段2a1的起端为波纹管凸形部止端为波纹管凸形部。参见图2d、图2e所示，ba球铰安装座2a3与ba波纹管段2a1的结合部位顺次是a椭圆形段2a5和a圆弧段2a6。同理，bb球铰安装座2b3与bb波纹管段的结合部位顺次是b椭圆形段2b5和b圆弧段2b6。为了实现铝合金材质推力杆高的承载能力，本发明设计的ba球铰安装座2a3与ba波纹管段2a1的结合部位以满足图2f所示。在图2f中，ba波纹管段2a1底部的圆心记为o0，ba波纹管段2a1底部的半径记为r2a1(r2a1＝r1a)，然后以o0o1的等距离下移画圆作为ba波纹管段2a1的凸形部，第一轨迹圆的半径为r1，且r1＝r2a1，直至到圆心o2点，增强轨迹圆的半径为r2，且r2＝r2a1。在图2f中，第一方面，ba球铰安装座2a3底部的圆心记为o3，以o3a3为半径画辅助圆；第二方面，以上距离ab切除得到ba球铰安装座2a3的上轮廓边线2a3-1，以下距离cd切除得到ba球铰安装座2a3的下轮廓边线2a3-2；辅助画出左轮廓边线2a3-3和右轮廓边线2a3-4；第三方面，以长半径o3a3和短半径o3b3画下半个辅助椭圆(即为椭圆形段2a5靠近圆形面板2a3b的轮廓止线)，交于o3c上一b3点；第四方面，以长半径o4a4和短半径o4b4画上半个辅助椭圆(即为椭圆形段2a5靠近锥形面板2a3a的轮廓止线)，交于上轮廓边线2a3-1上两b5点、b6点，形成a球头2a。球头中球铰安装座与波纹管段结合部位满足的尺寸为在本发明中，圆弧段(2a6、2b6)的起半径为r2，圆弧段(2a6、2b6)的止半径为r4，椭圆形段(2a5、2b5)的下长半径为o3a3、下短半径为o3b3、上长半径o4a4和上短半径o4b4，则有，r2a1＝2r1a，o3a3＝2r1a，上长半径和上短半径o4b4＝r1a。第三部分，加工铝合金推力杆本体套管制备工艺为热挤压成型，工艺过程如下：101步骤，按照一定的配比配制铝合金，并将铝合金坯料在箱式电阻炉中加热到380～520℃，保温30～60min；102步骤，将挤压模具温度加热到400～500℃，并保温10～30min，将坯料进行热挤压成为的棒材坯料；103步骤，将棒材坯料通过冲孔或者机加工方式加工成为所需空心结构。球头的精密挤压成型工艺过程为：所述球头制备工艺也可为径向挤压成型，挤压速率为2.0～5.0mm/s。201步骤，按照一定的配比配制铝合金，按照设计尺寸设定球头坯料的尺寸，并将坯料在箱式电阻炉中加热到380～480℃，保温30～60min；202步骤，将挤压模具温度加热到400～480℃，保温10～30min；203步骤，将加热好的坯料在2～5s内转移到挤压模具中，凸模与坯料接触后，挤压机以3.0～6.0mm/s的挤压速率进行球头的正向挤压，将球头挤压成空腔；204步骤，将球头进行二次挤压，以形成所设计形状，然后将凸模复位，将球头从模具中取出。球头的锻造成型工艺过程为：211步骤，按照一定的配比配制铝合金，按照设计尺寸设定球头坯料的尺寸，并将坯料加热到380～500℃，保温30～60min；212步骤，执行预锻工艺，将加热的球头坯料放入预锻下模模腔中，锻造设备滑块带动预锻上模快以3.0～8.0m/s的速度移动与下模进行合模，合模后锻造设备锁模机构进行锁模，此后压力机构带动镦粗冲头朝向模具内侧挤压球头坯料中间部分，形成预锻件；213步骤，执行终锻工艺，把预锻件放入终锻下模模腔中，锻造设备滑块带动终锻上模快以5.0～10m/s的速度移动与下模进行合模，合模后锻造设备锁模机构进行锁模，终锻冲头再次挤压球头坯料，得到终锻造毛坯。第四部分，整体热铆压装配铝合金推力杆本体在本发明中，铝合金球头与铝合金套管通过整体热铆压连接，具体包括下列步骤：装配步骤一，将套管放置在箱式加热炉中，以5.0～10.0mm/s的加热速度将其加热到200～280℃；装配步骤二，将两个球头分别放置在压机工装模具的两个端头滑座中；装配步骤三，将套管在200～300℃下保温30～60min后取出，放置在与球头等高的模具块上，此转移过程时间控制在9～12s内；装配步骤四，启动控制器面板上两个滑座动力缸相对运动的按钮，使两个球头滑座在滑座动力缸的带动下，以2.0～6.0m/s的相对速度沿浮动板在轴向上做相对靠近的移动，直至两个球头分别套接到套管的两端上；装配步骤五，设定铆压压力为800～1200kn，控制压机上压板以5.0～10.0m/s的速度下压移动，带动上铆接模下压与下铆接模相配合，对两个球头和套管两端的套接部位进行热铆接，铆接时间为2～12s；装配步骤六，整体热铆接完成后，控制压机上压板带动上铆接模一起上移，最后将铆接完成的推力杆杆体取出。实施例1实施例一中推力杆的成分为：元素用量(质量百分比，wt％)si0.6mg1.5fe0.55cu5.25mn0.8cr0.08ni0.01zn0.20ti0.16zr0.12sr0.005er0.005al余量，以及不可避免的杂质。套管1的总长度记为l1＝810mm，套管1的内半径记为r1a＝30mm；球头2a的波纹管段的最大外半径记为r2a1＝30mm；套管与球头结合部位满足的尺寸为，圆弧段(2a6、2b6)的起半径为r2(r2＝r1a＝r2a1＝30mm)，圆弧段(2a6、2b6)的止半径为r4椭圆形段(2a5、2b5)的下长半径为o3a3＝2r1a＝60mm、下短半径为上长半径和上短半径o4b4＝r1a＝30mm。套管制备工艺为热挤压成型，工艺过程如下：101步骤，按照一定的配比配制铝合金，并将铝合金坯料在箱式电阻炉中加热到420℃，保温40min；102步骤，将挤压模具温度加热到480℃，并保温20min，将坯料进行热挤压成为的棒材坯料；103步骤，将棒材坯料通过冲孔或者机加工方式加工成为所需空心结构。球头的精密挤压成型工艺过程为：所述球头制备工艺也可为径向挤压成型，挤压速率为5.0mm/s。201步骤，按照一定的配比配制铝合金，按照设计尺寸设定球头坯料的尺寸，并将坯料在箱式电阻炉中加热到420℃，保温60min；202步骤，将挤压模具温度加热到450℃，保温30min；203步骤，将加热好的坯料在4s内转移到挤压模具中，凸模与坯料接触后，挤压机以5.0mm/s的挤压速率进行球头的正向挤压，将球头挤压成空腔；204步骤，将球头进行二次挤压，以形成所设计形状，然后将凸模复位，将球头从模具中取出。铝合金推力杆本体的装配在本发明中，铝合金球头与铝合金套管通过整体热铆压连接，具体包括下列步骤：装配步骤一，将套管放置在箱式加热炉中，以6.0mm/s的加热速度将其加热到250℃；装配步骤二，将两个球头分别放置在压机工装模具的两个端头滑座中；装配步骤三，将套管在250℃下保温60min后取出，放置在与球头等高的模具块上，此转移过程时间控制在10s内；装配步骤四，启动控制器面板上两个滑座动力缸相对运动的按钮，使两个球头滑座在滑座动力缸的带动下，以5.0m/s的相对速度沿浮动板在轴向上做相对靠近的移动，直至两个球头分别套接到套管的两端上；装配步骤五，设定铆压压力为1000kn，控制压机上压板以8.0m/s的速度下压移动，带动上铆接模下压与下铆接模相配合，对两个球头和套管两端的套接部位进行热铆压，铆压时间为5s；装配步骤六，整体热铆接完成后，控制压机上压板带动上铆接模一起上移，最后将铆接完成的推力杆杆体取出。铝合金推力杆本体的性能测试在本发明中，将经第三部分制得的套管和球头，按照第四部分装配成铝合金推力杆本体。对所述结构及铝合金材质的推力杆进行200kn及300kn的应力分析，结果分别见图4及图5，在300kn拉力下，该结构的推力杆最大应力不超过350mpa，在200kn拉力下，该结构的推力杆最大应力不超过200mpa，可见本发明所设计铝合金推力杆都能满足实际应用时的受力要求。推力杆装配完成后，采用mts45.105型微机控制电子万能试验机对其进行力学性能测试，应力-应变结果见图6，可见所设计推力杆的平均抗拉强度534.12mpa、屈服强度469.88mpa，延伸率12.20％，可满足实际使用强度要求。推力杆总成装配完成后，采用mts万能试验机进行拉脱试验检测，在推力杆纵向施加200kn的拉伸载荷，结果表明球头和套管铆接之处未出现相对滑动，未出现拉脱现象。推力杆总成装配完成后，采用电液伺服疲劳试验机进行疲劳试验检测，沿推力杆纵向加载120kn的力，加载频率为1.5hz，循环120万次，结果表明推力杆未出现断裂现象，球铰无破坏现象，试验前、后刚度变化不超过30％，说明推力杆疲劳寿命较好。当前第1页12