碳鋼無縫管在懸掛襯套鋼套中的應用及成型性能研究

碳鋼無縫管在懸掛襯套鋼套中的應用及成型性能研究

摘要：懸掛襯套鋼套作為汽車底盤懸掛系統的核心剛性部件，其材質選擇與成型性能直接決定襯套的承載能力、服役壽命及制造成本。碳鋼無縫管憑借材質均勻、強度可靠、成本低廉、易加工成型等優勢，成為懸掛襯套鋼套的主流原材料，廣泛應用于乘用車、商用車底盤制造中。本文結合懸掛襯套鋼套的結構特點與服役要求，分析碳鋼無縫管的選材依據及在鋼套制造中的應用優勢，重點研究碳鋼無縫管在冷擠壓、折彎、切削等成型工藝中的成型性能，探討材質規格、工藝參數對成型質量的影響規律，識別成型過程中出現的開裂、變形、尺寸偏差等缺陷及成因，提出針對性的成型工藝優化方案，經試驗驗證，有效提升碳鋼無縫管的成型性能及鋼套成品質量，為懸掛襯套鋼套的高效、低成本、高質量生產提供理論依據與工程實踐指導。

關鍵詞：碳鋼無縫管；懸掛襯套鋼套；選材依據；成型工藝；成型性能；工藝優化

一、引言

懸掛襯套是汽車底盤懸掛系統中實現柔性連接、緩沖減振、載荷傳遞的關鍵部件，其核心結構由鋼套與橡膠層復合而成，其中鋼套承擔剛性支撐作用，需長期承受復雜交變載荷、沖擊載荷及扭轉力矩，同時需與橡膠層實現牢固結合，確保襯套整體力學性能穩定。隨著汽車產業向規模化、低成本、高性能方向發展，對懸掛襯套鋼套的原材料選擇與成型加工提出了更高要求，既要保證足夠的強度、剛度及成型性能，又要控制制造成本，適配批量生產需求。

目前，懸掛襯套鋼套的原材料主要有碳鋼無縫管、熱軋圓鋼、冷軋鋼板等，其中碳鋼無縫管因采用無縫軋制工藝，具有壁厚均勻、組織致密、無焊接缺陷、力學性能穩定等特點，相較于其他原材料，更適合冷擠壓、折彎等成型工藝，且成本低廉、來源廣泛，已成為中低端乘用車、商用車懸掛襯套鋼套的首選原材料。但在實際生產中，碳鋼無縫管的材質規格、成型工藝參數選擇不合理，易導致鋼套成型過程中出現開裂、壁厚不均、尺寸偏差等缺陷，影響鋼套成型質量及襯套整體服役可靠性。

本文聚焦碳鋼無縫管在懸掛襯套鋼套中的應用，系統研究其成型性能及影響因素，優化成型工藝參數，解決成型過程中的核心痛點，進一步拓展碳鋼無縫管在懸掛襯套鋼套制造中的應用場景，提升鋼套生產效率與質量穩定性，為汽車底盤零部件制造技術升級提供支撐。

二、碳鋼無縫管在懸掛襯套鋼套中的應用基礎 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，部分鋼套內壁設有環形凹槽或防滑齒，用于與橡膠層實現緊密結合，防止服役過程中出現相對滑動。其核心性能要求包括：力學性能方面，抗拉強度≥600MPa，屈服強度≥400MPa，延伸率≥15%，具備足夠的承載能力與抗疲勞性，能夠承受懸掛系統傳遞的交變載荷；尺寸精度方面，內徑、外徑公差控制在±0.02mm以內，壁厚偏差≤0.03mm，圓度≤0.01mm，確保與橡膠層、懸掛部件的裝配精度；表面質量方面，表面無裂紋、劃痕、氧化皮等缺陷，表面粗糙度Ra≤1.6μm，便于與橡膠層實現硫化結合。

結合鋼套的結構與性能要求，原材料需具備材質均勻、塑性良好、強度適中、易成型、成本低廉等特點，而碳鋼無縫管恰好滿足上述要求，成為鋼套制造的理想原材料。

2.2 碳鋼無縫管的選材依據與常用規格

懸掛襯套鋼套選用碳鋼無縫管的核心選材依據的是力學性能、成型性能與成本的平衡，具體依據包括：一是力學性能匹配，根據襯套的服役載荷等級，選擇抗拉強度、屈服強度符合要求的碳鋼材質，確保鋼套能夠承受復雜載荷；二是成型性能優良，碳鋼無縫管需具備良好的塑性與韌性，便于進行冷擠壓、折彎、切削等成型加工，避免成型過程中出現開裂；三是材質均勻性好，無縫軋制工藝確保碳鋼無縫管壁厚均勻、組織致密，無焊接缺陷，能夠保證鋼套成型質量的一致性；四是成本可控，相較于合金鋼無縫管，碳鋼無縫管成本低廉、來源廣泛，能夠適配汽車零部件規模化生產的成本要求。

目前，懸掛襯套鋼套常用的碳鋼無縫管材質為10鋼、20鋼、35鋼，其中10鋼、20鋼為低碳鋼無縫管，塑性優良、易冷擠壓成型，適合制造薄壁、高精度鋼套；35鋼為中碳鋼無縫管，強度適中、韌性良好，適合制造承載載荷較大的商用車懸掛襯套鋼套。常用規格范圍為：內徑20-50mm，外徑24-58mm，壁厚2-5mm，長度30-80mm，可根據不同型號襯套的結構要求，裁剪、加工為所需尺寸。

2.3 碳鋼無縫管在鋼套制造中的應用優勢

與熱軋圓鋼、冷軋鋼板等原材料相比，碳鋼無縫管在懸掛襯套鋼套制造中的應用優勢主要體現在四個方面：一是成型效率高，碳鋼無縫管本身為圓筒形結構，無需經過多道軋制工序即可加工為鋼套雛形，相較于熱軋圓鋼的切削加工，可大幅減少加工工序，提升生產效率；二是成型質量好，壁厚均勻、組織致密，無焊接缺陷，成型后的鋼套尺寸精度高、表面質量好，能夠保證與橡膠層的貼合精度，提升襯套整體力學性能；三是材料利用率高，碳鋼無縫管裁剪后，可通過冷擠壓等無切削加工工藝成型，材料損耗僅為5%-15%，遠低于熱軋圓鋼切削加工的50%-60%，大幅降低原材料成本；四是成本優勢顯著，碳鋼無縫管價格低廉，相較于合金鋼、不銹鋼無縫管，成本降低30%-50%，同時加工難度低，可進一步降低加工成本，適配汽車零部件規模化生產需求。

三、碳鋼無縫管在懸掛襯套鋼套中的成型工藝及成型性能

懸掛襯套鋼套的成型工藝主要以冷擠壓成型為主，輔以裁剪、倒角、切削、表面處理等工序，碳鋼無縫管的成型性能主要體現在冷擠壓成型過程中的塑性變形能力、成型精度及表面質量，核心影響因素包括材質規格、工藝參數、預處理質量等。本文選取20鋼碳鋼無縫管（內徑30mm，外徑36mm，壁厚3mm）為研究對象，重點研究冷擠壓成型工藝中的成型性能及影響規律。

3.1 核心成型工藝流程

碳鋼無縫管制造懸掛襯套鋼套的核心成型工藝流程為：原材料裁剪→坯料預處理→冷擠壓成型→后續精加工→表面處理。具體如下：一是原材料裁剪，根據鋼套長度要求，將碳鋼無縫管裁剪為所需長度的坯料，裁剪過程中確保切口平整、無毛刺、無變形；二是坯料預處理，依次進行球化退火、酸洗、磷化、潤滑處理，球化退火降低坯料硬度、提高塑性，酸洗去除表面氧化皮，磷化增強潤滑效果，潤滑處理減少冷擠壓過程中的摩擦阻力；三是冷擠壓成型，將預處理后的坯料放入冷擠壓模具，通過壓裝設備施加軸向壓力，使坯料發生塑性變形，貼合模具型腔，形成鋼套雛形，對于內壁有凹槽的鋼套，可通過復合擠壓工藝一次性成型；四是后續精加工，對冷擠壓成型后的鋼套進行倒角、修邊，必要時進行少量切削加工，修正尺寸偏差，確保尺寸精度符合要求；五是表面處理，去除鋼套表面殘留的潤滑劑、磷化膜，提升表面光潔度，為后續與橡膠層硫化結合做好準備。

3.2 成型性能評價指標

碳鋼無縫管在懸掛襯套鋼套成型過程中的成型性能，主要通過三個核心指標評價：一是塑性變形能力，即坯料在冷擠壓過程中承受塑性變形而不發生開裂的能力，通常用延伸率、斷面收縮率衡量，延伸率越高、斷面收縮率越大，塑性變形能力越好；二是成型精度，即成型后鋼套的尺寸偏差、圓度、壁厚均勻性，需符合設計要求，確保裝配精度；三是表面質量，即成型后鋼套表面無裂紋、劃痕、凹陷、氧化皮等缺陷，表面粗糙度符合要求，便于與橡膠層硫化結合。

3.3 影響成型性能的關鍵因素

通過試驗研究發現，影響碳鋼無縫管成型性能的關鍵因素主要包括材質規格、預處理工藝、冷擠壓工藝參數三個方面，具體影響規律如下：

一是材質規格的影響，碳鋼無縫管的材質、壁厚、管徑直接影響成型性能。材質方面，10鋼、20鋼等低碳鋼無縫管塑性優良，延伸率≥20%，斷面收縮率≥45%，塑性變形能力好，不易開裂；35鋼等中碳鋼無縫管強度較高，但塑性略差，延伸率≥15%，斷面收縮率≥35%，冷擠壓過程中易出現開裂，需優化預處理工藝。壁厚方面，壁厚過厚會增加冷擠壓變形抗力，降低塑性變形能力，易導致鋼套開裂、模具磨損；壁厚過薄則會導致成型后鋼套剛度不足，易變形，尺寸精度難以控制，最佳壁厚范圍為2-5mm。管徑方面，管徑與壁厚的比值需合理，比值過大易導致冷擠壓過程中坯料失穩、變形不均；比值過小則會增加變形抗力，影響成型效率。

二是預處理工藝的影響，預處理工藝直接影響碳鋼無縫管的塑性與表面狀態，進而影響成型性能。球化退火工藝不合理，坯料硬度過高、塑性較差，冷擠壓過程中易開裂；退火溫度過低、保溫時間不足，無法徹底消除坯料內應力，塑性提升不明顯；退火溫度過高、保溫時間過長，會導致坯料晶粒粗大，表面氧化嚴重，影響表面質量。酸洗、磷化工藝不徹底，坯料表面殘留氧化皮、油污，會增加冷擠壓過程中的摩擦阻力，導致鋼套表面劃傷、開裂，同時影響潤滑效果。潤滑處理不到位，潤滑劑涂抹不均勻、潤滑劑選型不當，會加劇坯料與模具之間的摩擦，導致鋼套表面缺陷、模具卡死。

三是冷擠壓工藝參數的影響，冷擠壓溫度、擠壓速度、凸凹模間隙是影響成型性能的核心參數。擠壓溫度方面，冷擠壓成型溫度通常控制在室溫至120℃，溫度過低會增加變形抗力，降低塑性變形能力，易開裂；溫度過高會導致坯料表面氧化，影響表面質量，同時降低加工硬化效應，影響鋼套力學性能。擠壓速度方面，速度過快會導致坯料塑性變形不均勻，產生應力集中，易開裂、表面波紋；速度過慢會延長生產效率，且坯料與模具接觸時間過長，易出現粘連，影響表面質量，最佳擠壓速度范圍為10-15mm/s。凸凹模間隙方面，間隙過大易導致鋼套回彈、尺寸偏差、圓度超差；間隙過小會增加摩擦阻力，導致鋼套表面劃傷、開裂，最佳間隙范圍為0.02-0.03mm。

四、成型過程中常見缺陷及成因

結合生產實際，碳鋼無縫管在懸掛襯套鋼套成型過程中常見的缺陷主要有三類，具體成因如下：

一是開裂缺陷，這是最常見的缺陷，主要表現為鋼套端部、內壁出現縱向或橫向裂紋，成因包括：碳鋼無縫管材質塑性不足（如35鋼未充分退火）、壁厚不均、冷擠壓速度過快、擠壓溫度過低、預處理工藝不徹底，導致冷擠壓過程中應力集中，超過材料的抗拉強度，引發開裂。

二是尺寸偏差缺陷，表現為鋼套內徑、外徑、壁厚偏差超標，圓度超差，成因包括：碳鋼無縫管管徑、壁厚偏差過大，冷擠壓工藝參數不合理（擠壓速度、間隙不當），模具尺寸精度不足，后續精加工不到位，導致成型后鋼套尺寸不符合要求。

三是表面缺陷，表現為鋼套表面劃痕、凹陷、氧化皮殘留，成因包括：坯料預處理不徹底，表面殘留氧化皮、油污；潤滑劑涂抹不均勻、選型不當；模具表面粗糙、有劃痕，冷擠壓過程中劃傷坯料表面；裁剪過程中切口毛刺未清理干凈，成型過程中劃傷表面。

四、成型工藝優化方案與驗證 4.1 工藝優化方案

針對碳鋼無縫管成型過程中存在的缺陷及影響因素，結合試驗研究，從材質選型、預處理工藝、冷擠壓工藝參數、模具優化四個方面提出成型工藝優化方案：

一是優化材質選型，根據鋼套服役載荷等級，合理選擇碳鋼無縫管材質與規格，乘用車懸掛襯套鋼套選用10鋼、20鋼低碳鋼無縫管，確保塑性優良；商用車承載較大的鋼套選用35鋼，并優化預處理工藝，提升塑性。同時，嚴格控制碳鋼無縫管的管徑、壁厚偏差，確保壁厚均勻、管徑一致。

二是優化預處理工藝，球化退火工藝優化為：10鋼、20鋼退火溫度700-750℃，保溫3-4h，緩慢冷卻至室溫；35鋼退火溫度720-780℃，保溫4-5h，確保充分消除內應力，提升塑性。酸洗、磷化工藝優化為：先采用專用清洗劑脫脂，再進行酸洗去除氧化皮，中和后進行磷化處理，磷化溫度50-60℃，磷化時間10-15min，確保磷化膜均勻、致密。潤滑處理選用石墨基專用冷擠壓潤滑劑，均勻涂抹在坯料表面，確保潤滑效果。

三是優化冷擠壓工藝參數，確定最優參數組合：擠壓溫度80-120℃，擠壓速度10-15mm/s，凸凹模間隙0.02-0.03mm，擠壓壓力根據坯料尺寸、材質合理調整，20鋼薄壁鋼套擠壓壓力控制在80-100MPa，確保塑性變形均勻，避免開裂、尺寸偏差。

四是優化模具結構，選用Cr12MoV高強度合金工具鋼制造模具，經淬火、回火處理，提升模具硬度與耐磨性；對模具型腔、凸模表面進行拋光處理，確保表面粗糙度Ra≤0.2μm，避免劃傷坯料；優化模具導向機構，確保凸模與凹模同軸度，避免擠壓偏心，提升成型精度。

4.2 優化效果驗證

采用優化后的成型工藝，以20鋼碳鋼無縫管（內徑30mm，外徑36mm，壁厚3mm）為原材料，批量生產某型號乘用車懸掛襯套鋼套1000件，與優化前工藝生產的產品進行成型性能對比，驗證優化效果，試驗結果如下：

優化后，碳鋼無縫管的塑性變形能力顯著提升，延伸率從20%提升至23%，斷面收縮率從45%提升至50%，冷擠壓過程中開裂缺陷發生率從8.2%降至0.3%；鋼套成型精度大幅提升，尺寸偏差控制在±0.015mm以內，圓度≤0.01mm，壁厚均勻性偏差≤0.02mm，尺寸合格率從92.5%提升至99.4%；表面質量明顯改善，表面粗糙度Ra≤1.2μm，無劃痕、凹陷、氧化皮等缺陷，表面合格率從93.1%提升至99.7%。

同時，優化后的工藝降低了變形抗力，模具壽命延長30%，生產效率提升25%，單件成型時間縮短至15s，原材料利用率提升至88%，制造成本降低12%，完全滿足懸掛襯套鋼套的生產要求與服役需求，驗證了優化方案的可行性與有效性。

五、結論與展望

本文通過對碳鋼無縫管在懸掛襯套鋼套中的應用及成型性能研究，得出以下結論：一是碳鋼無縫管憑借材質均勻、塑性良好、成本低廉、易成型等優勢，是懸掛襯套鋼套的理想原材料，10鋼、20鋼適合乘用車薄壁鋼套，35鋼適合商用車承載鋼套，常用規格為內徑20-50mm、壁厚2-5mm；二是碳鋼無縫管的成型性能主要受材質規格、預處理工藝、冷擠壓工藝參數影響，低碳鋼無縫管塑性優于中碳鋼，合理的預處理工藝與冷擠壓參數可顯著提升成型性能；三是成型過程中常見的開裂、尺寸偏差、表面缺陷，可通過優化材質選型、預處理工藝、冷擠壓參數及模具結構有效解決；四是優化后的成型工藝，可顯著提升碳鋼無縫管的成型性能、鋼套成品質量及生產效率，降低制造成本，具有較高的工程應用價值。

展望未來，隨著汽車產業向輕量化、高性能方向發展，懸掛襯套鋼套將向薄壁化、高精度、高強度方向升級，后續可從三個方面開展深入研究：一是研發新型低碳高強度碳鋼無縫管，提升材質的強度與塑性，適配薄壁化、高性能鋼套的需求；二是結合有限元仿真技術，精準模擬冷擠壓成型過程中的應力分布，進一步優化工藝參數與模具結構，減少試驗成本，提升成型精度；三是推動成型工藝自動化、智能化發展，整合機器人上下料、在線檢測、自動控溫等技術，實現碳鋼無縫管成型全流程自動化生產，提升產品一致性，推動懸掛襯套鋼套制造技術的持續升級。