冷擠壓成型在懸掛襯套鋼套制造中的應用與工藝參數研究

冷擠壓成型在懸掛襯套鋼套制造中的應用與工藝參數研究

摘要：懸掛襯套作為汽車底盤懸掛系統的核心零部件，其鋼套的結構精度、力學性能直接影響汽車行駛的平穩性、安全性及舒適性。冷擠壓成型技術憑借材料利用率高、生產效率優、制品力學性能優異等特點，逐步取代傳統切削加工工藝，成為懸掛襯套鋼套制造的主流技術。本文結合懸掛襯套鋼套的結構特點與性能要求，分析冷擠壓成型技術在其制造中的應用優勢，系統研究冷擠壓工藝參數（坯料預處理、擠壓溫度、擠壓速度、凸凹模間隙、潤滑條件）對鋼套成型質量的影響，通過參數優化試驗確定合理的工藝參數范圍，解決冷擠壓過程中出現的開裂、尺寸偏差、表面缺陷等問題，為懸掛襯套鋼套的高效、高精度制造提供理論依據與實踐指導。

關鍵詞：冷擠壓成型；懸掛襯套鋼套；工藝參數；成型質量；力學性能

一、引言

汽車懸掛系統中，襯套鋼套主要起到連接、緩沖、導向及減振的作用，長期承受交變載荷、沖擊載荷及摩擦作用，要求其具備較高的尺寸精度（內徑、外徑公差需達到IT7-IT8級）、表面光潔度（Ra≤1.6μm）、抗拉強度及疲勞強度，同時需控制制造成本以適應汽車產業規模化生產需求。傳統懸掛襯套鋼套制造多采用圓鋼切削加工，存在材料利用率低（僅40%-50%）、生產效率低、切削過程中產生的應力易導致鋼套變形等弊端，難以滿足現代汽車制造業的高質量、高效率、低成本要求。

冷擠壓成型是一種在室溫或低于金屬再結晶溫度下，通過凸模對坯料施加壓力，使坯料在凹模內發生塑性變形，從而獲得所需形狀、尺寸及性能制品的塑性加工工藝。該技術可使金屬材料在塑性變形過程中產生加工硬化，顯著提升制品的力學性能，同時材料利用率可達85%以上，生產效率較切削加工提高幾十倍甚至上百倍，能夠有效解決傳統制造工藝的痛點，已廣泛應用于汽車零部件制造領域。本文聚焦冷擠壓成型在懸掛襯套鋼套制造中的應用，深入研究關鍵工藝參數對成型質量的影響，實現工藝優化，推動懸掛襯套鋼套制造技術的升級。

二、冷擠壓成型在懸掛襯套鋼套制造中的應用基礎 2.1 懸掛襯套鋼套的結構與性能要求

懸掛襯套鋼套多為薄壁圓筒形結構，內徑通常為20-50mm，壁厚2-5mm，長度30-80mm，部分鋼套內壁設有環形凹槽或防滑齒，用于與襯套橡膠層實現緊密結合，防止相對滑動。性能方面，鋼套需滿足：抗拉強度≥600MPa，屈服強度≥400MPa，延伸率≥15%，表面無裂紋、劃痕、凹陷等缺陷，內徑、外徑及壁厚的尺寸偏差控制在±0.02mm以內，表面粗糙度Ra≤1.6μm，以確保與橡膠層的貼合精度及長期服役穩定性。

結合冷擠壓成型工藝特點，懸掛襯套鋼套的結構設計需遵循軸對稱原則，避免尖銳棱角、深孔等復雜結構，減少冷擠壓過程中的應力集中，降低開裂風險。對于內壁有凹槽或防滑齒的鋼套，可通過復合擠壓工藝一次性成型，無需后續切削加工，進一步提升生產效率。

2.2 冷擠壓成型的應用優勢

與傳統切削加工工藝相比，冷擠壓成型在懸掛襯套鋼套制造中的應用優勢主要體現在以下四個方面：一是材料利用率高，冷擠壓成型為無切削或少切削加工，坯料經塑性變形直接成型為成品，材料損耗僅為5%-15%，遠低于切削加工的50%-60%，大幅降低原材料成本；二是力學性能優異，冷擠壓過程中，金屬材料發生劇烈塑性變形，晶粒被細化，同時產生加工硬化效應，使鋼套的抗拉強度、屈服強度及硬度較切削加工制品提升20%-30%，疲勞壽命顯著延長，能夠更好地承受懸掛系統的交變載荷；三是成型精度高，冷擠壓模具的精度可達到IT6級以上，成型后的鋼套尺寸公差可穩定控制在IT7-IT8級，表面粗糙度Ra可達0.8-1.6μm，無需后續磨削加工，可直接與橡膠層復合裝配；四是生產效率高，冷擠壓成型可實現自動化批量生產，單件成型時間僅為10-30s，較切削加工（單件耗時1-2min）效率提升3-6倍，能夠適應汽車零部件規模化生產的需求。

此外，冷擠壓成型過程無需加熱，避免了金屬材料在高溫下的氧化、脫碳現象，保證了鋼套的化學成分均勻性及表面質量，同時無切削粉塵、噪音污染，符合綠色制造的發展理念。

三、懸掛襯套鋼套冷擠壓成型工藝流程

懸掛襯套鋼套的冷擠壓成型工藝需結合鋼套結構、材料特性及性能要求，制定合理的工藝流程，核心步驟包括坯料選擇與預處理、模具設計與安裝、冷擠壓成型、后續處理四個階段，具體如下：

第一，坯料選擇與預處理。坯料選用低碳鋼或低合金鋼（如10鋼、20鋼、20CrMnTi），此類材料塑性好、變形抗力小，適合冷擠壓成型。預處理工序包括：一是球化退火，將坯料加熱至700-750℃，保溫3-4h，緩慢冷卻至室溫，目的是降低材料硬度、提高塑性，消除內應力，減少冷擠壓過程中的變形抗力，防止坯料開裂；二是表面處理，先通過酸洗去除坯料表面的氧化皮，再進行磷化處理，在坯料表面形成一層致密的磷化膜，增強潤滑效果，減少坯料與模具之間的摩擦，避免表面劃傷；三是潤滑處理，在磷化后的坯料表面涂抹專用冷擠壓潤滑劑（如石墨基潤滑劑、皂化液），進一步降低摩擦系數，保護模具，提升鋼套表面質量。

第二，模具設計與安裝。冷擠壓模具分為凸模、凹模、導向機構、頂出機構四部分，模具材料選用Cr12MoV、SKD11等高強度合金工具鋼，經淬火、回火處理后，硬度達到HRC60-64，確保模具具備足夠的強度、剛度及耐磨性。凸模設計為圓柱形，表面需拋光處理（Ra≤0.2μm），避免劃傷坯料；凹模內壁設有成型腔，尺寸與鋼套成品一致，內壁需進行氮化處理，增強耐磨性；導向機構采用導柱、導套配合，保證凸模與凹模的同軸度，避免偏心擠壓導致鋼套尺寸偏差；頂出機構用于成型后將鋼套從凹模內頂出，避免鋼套卡在凹模內造成表面損傷。模具安裝時，需調整凸模與凹模的同軸度，確保間隙均勻，安裝牢固后進行空載試運轉，檢查模具運行穩定性。

第三，冷擠壓成型。將預處理后的坯料放入凹模內，啟動冷擠壓設備（如四柱液壓機、曲柄壓力機），凸模在壓力作用下向下運動，對坯料施加軸向壓力，使坯料在凹模內發生塑性變形，逐步貼合凹模內壁，形成所需的鋼套形狀。成型過程中，需嚴格控制擠壓壓力、擠壓速度、擠壓溫度等工藝參數，避免出現開裂、尺寸偏差等缺陷。成型完成后，通過頂出機構將鋼套從凹模內頂出，進入后續處理工序。

第四，后續處理。對于成型后的鋼套，需進行表面清理，去除表面殘留的潤滑劑及磷化膜；對于尺寸精度要求較高的鋼套，可進行少量磨削加工，修正尺寸偏差；部分鋼套需進行熱處理（如調質處理），進一步提升力學性能；最后進行檢驗，篩選出尺寸偏差、表面缺陷、力學性能不合格的制品，合格制品進入裝配工序。

四、冷擠壓工藝參數對懸掛襯套鋼套成型質量的影響研究

冷擠壓成型過程中，坯料預處理、擠壓溫度、擠壓速度、凸凹模間隙、潤滑條件等工藝參數，直接影響鋼套的成型質量（尺寸精度、表面質量）及力學性能，其中擠壓溫度、擠壓速度、凸凹模間隙是最關鍵的影響因素，本文通過單因素試驗法，研究各參數的影響規律。

4.1 擠壓溫度的影響

冷擠壓成型的溫度通常控制在室溫至200℃之間，溫度過高會導致材料氧化、脫碳，降低表面質量及力學性能；溫度過低會增加材料的變形抗力，導致坯料開裂，同時增加模具磨損。試驗選用20鋼坯料，擠壓速度10mm/s，凸凹模間隙0.03mm，潤滑條件為石墨基潤滑劑，分別在室溫（25℃）、80℃、120℃、160℃、200℃條件下進行冷擠壓成型，檢測鋼套的表面質量、尺寸偏差及抗拉強度。

試驗結果表明：當擠壓溫度為室溫（25℃）時，材料變形抗力大，部分鋼套出現表面劃痕、端部開裂現象，尺寸偏差較大（±0.03mm以上），抗拉強度為620MPa；隨著擠壓溫度升高至120℃，材料變形抗力降低，塑性提升，鋼套表面光滑無缺陷，尺寸偏差控制在±0.02mm以內，抗拉強度達到680MPa；當溫度繼續升高至160℃、200℃時，鋼套表面出現輕微氧化色，表面粗糙度增大（Ra≥1.8μm），抗拉強度略有下降（650MPa、630MPa），同時模具磨損加劇。因此，懸掛襯套鋼套冷擠壓成型的最佳溫度范圍為80-120℃，此時成型質量及力學性能最優。

4.2 擠壓速度的影響

擠壓速度直接影響坯料的塑性變形均勻性、模具受力及成型質量，擠壓速度過快，坯料塑性變形不均勻，易產生應力集中，導致鋼套開裂、表面波紋；擠壓速度過慢，生產效率低，且坯料與模具接觸時間過長，易出現粘連現象，影響表面質量。試驗選用20鋼坯料，擠壓溫度120℃，凸凹模間隙0.03mm，潤滑條件為石墨基潤滑劑，分別在5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s的擠壓速度下進行試驗，檢測鋼套的成型質量及力學性能。

試驗結果顯示：擠壓速度為5mm/s時，坯料變形均勻，鋼套表面質量好、尺寸精度高，但生產效率低，單件成型時間達到30s；擠壓速度為10-15mm/s時，坯料變形均勻，鋼套表面光滑無缺陷，尺寸偏差控制在±0.02mm以內，抗拉強度穩定在670-680MPa，單件成型時間為15-20s，兼顧成型質量與生產效率；當擠壓速度超過20mm/s時，坯料變形不均勻，部分鋼套出現端部開裂、表面波紋等缺陷，尺寸偏差增大，同時模具受到的沖擊載荷增大，磨損加快。因此，最佳擠壓速度范圍為10-15mm/s。

4.3 凸凹模間隙的影響

凸凹模間隙是冷擠壓成型的關鍵參數之一，直接影響鋼套的尺寸精度、表面質量及模具壽命，間隙過大，坯料塑性變形過程中會出現回彈現象，導致鋼套尺寸偏大、圓度超差；間隙過小，坯料與模具之間的摩擦阻力增大，易出現表面劃傷、模具卡死現象，同時鋼套內壁尺寸偏差較大。

試驗選用20鋼坯料，擠壓溫度120℃，擠壓速度12mm/s，潤滑條件為石墨基潤滑劑，分別設置凸凹模間隙為0.01mm、0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm，進行冷擠壓成型試驗。試驗結果表明：間隙為0.01mm時，摩擦阻力過大，鋼套表面出現明顯劃痕，模具磨損嚴重，甚至出現卡死現象；間隙為0.02-0.03mm時，摩擦阻力適中，坯料變形均勻，鋼套尺寸精度高（圓度≤0.01mm），表面光滑，回彈量小；間隙為0.04-0.05mm時，回彈現象明顯，鋼套尺寸偏大，圓度超差，內壁出現臺階狀缺陷。因此，最佳凸凹模間隙范圍為0.02-0.03mm。

4.4 其他工藝參數的影響

坯料預處理質量對成型質量影響顯著，球化退火不充分，坯料硬度偏高、塑性較差，易導致冷擠壓過程中開裂；表面磷化處理不徹底，坯料表面存在氧化皮，會增加摩擦阻力，導致鋼套表面劃傷；潤滑效果不佳，會加劇模具磨損，同時影響鋼套表面質量。因此，坯料需經過充分的球化退火（700-750℃，保溫3-4h）、徹底的磷化處理及均勻的潤滑處理。

擠壓壓力需根據坯料尺寸、材料特性及成型難度合理調整，壓力不足會導致坯料成型不充分，出現欠壓、壁厚不均等缺陷；壓力過高會增加模具磨損，甚至導致模具損壞，同時可能導致鋼套開裂。對于20鋼薄壁懸掛襯套鋼套（壁厚3mm，內徑30mm），最佳擠壓壓力范圍為80-100MPa。

五、工藝參數優化與實踐應用

結合上述試驗研究，針對某型號懸掛襯套鋼套（材料20鋼，內徑30mm，外徑36mm，長度50mm，內壁設有環形凹槽），進行工藝參數優化，確定最優工藝參數組合為：坯料球化退火溫度720℃，保溫3.5h；表面酸洗+磷化處理，涂抹石墨基潤滑劑；擠壓溫度100℃；擠壓速度12mm/s；凸凹模間隙0.025mm；擠壓壓力90MPa。

采用優化后的工藝參數進行批量生產試驗，生產1000件懸掛襯套鋼套，經檢驗：成品合格率達到99.2%，較優化前（95.5%）提升3.7%；鋼套尺寸公差控制在±0.015mm以內，表面粗糙度Ra≤1.2μm，圓度≤0.01mm，滿足設計要求；抗拉強度平均為678MPa，屈服強度平均為425MPa，延伸率平均為16.5%，力學性能較優化前提升8%-10%；材料利用率達到88%，單件成型時間18s，生產效率較傳統切削加工提升4倍，原材料成本降低40%，模具壽命延長30%。

實踐應用表明，優化后的冷擠壓工藝參數能夠有效解決懸掛襯套鋼套冷擠壓過程中出現的開裂、尺寸偏差、表面缺陷等問題，實現鋼套的高效、高精度、低成本制造，滿足汽車懸掛系統的使用要求，具有較高的工程應用價值。

六、結論與展望

本文通過對冷擠壓成型在懸掛襯套鋼套制造中的應用及工藝參數研究，得出以下結論：一是冷擠壓成型技術相較于傳統切削加工，具有材料利用率高、生產效率優、制品力學性能優異、成型精度高、綠色環保等優勢，能夠有效滿足懸掛襯套鋼套的制造需求，是懸掛襯套鋼套制造的最優工藝選擇；二是擠壓溫度、擠壓速度、凸凹模間隙是影響鋼套成型質量及力學性能的關鍵工藝參數，其最佳范圍分別為80-120℃、10-15mm/s、0.02-0.03mm；三是通過優化坯料預處理、擠壓壓力、潤滑條件等工藝參數，能夠進一步提升鋼套成型質量，降低生產成本，延長模具壽命。

展望未來，隨著汽車產業向輕量化、高性能、智能化方向發展，懸掛襯套鋼套將向薄壁化、復雜結構化、高強度化方向發展，冷擠壓成型技術需進一步優化升級：一是研發新型高強度、高塑性的冷擠壓材料，滿足復雜結構鋼套的成型需求；二是結合有限元仿真技術，精準模擬冷擠壓成型過程，優化模具結構及工藝參數，減少試驗成本，提高工藝優化效率；三是推動冷擠壓成型自動化、智能化發展，整合機器人上下料、在線檢測等技術，實現懸掛襯套鋼套的全流程自動化生產，進一步提升生產效率及產品一致性；四是研究復合冷擠壓、精密冷擠壓等先進工藝，拓展冷擠壓成型技術在復雜結構懸掛襯套鋼套制造中的應用范圍，為汽車底盤零部件制造技術的升級提供支撐。