铝合金分体式I型推力杆及其铸造成型与搅拌摩擦焊装配方法与流程

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构成。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加工工艺及装配工艺，从而得到本发明的新型轻量化推力杆。对球头采用铸造成型、套管采用挤压成型制备，对制得的球头及套管应用摩擦焊或搅拌摩擦焊装配，所得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，其材质为铝合金，优选成分是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为一体成型结构件；a球头2a的ba球铰安装座球头安装座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球铰安装座连接段2a3与套管1一端通过摩擦焊连接；的结合部位顺次是a球头2a的颈部设有a椭圆形段2a5和a圆弧段2a6；b球头2b的bb球铰安装座球头安装座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bb连接段2b3与套管1另一端通过摩擦焊连接；的结合部位顺次是b球头2b的颈部设有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。本发明的铝合金分体式i型推力杆球头可采用铸造工艺制备，其工艺为：铸造步骤一，按照一定的配比配制铝合金，在铸造机保温炉内将所配铝合金加热到一定温度，并进行精炼除气；铸造步骤二，将球头模具及浇口套进行预热；对升液管的浇口进行清渣，放入陶瓷过滤网及型芯，所用型芯可以是金属材质型芯，可以是砂型型芯；合模。铸造步骤三，将保温炉内的铝合金液在一定压力下，以一定速率进行升液；铸造步骤四，将铝合金在一定压力下，以一定速度充型到球头型腔中，直至将型腔全部充满；铸造步骤五，待铝液完全充满球头型腔后，快速增加压力至结晶压力，并继续保压；铸造步骤六，待铝合金球头凝固完毕，卸除保温炉内的气体压力，冷却后并取出球头铸件。本发明的铝合金分体式i型推力杆采用摩擦焊方法进行装配，其包括有下列步骤：装配步骤一，将球头与套管连接部位加工成比套管稍厚的管结构；装配步骤二，将球头固定在摩擦焊机左右动力主轴上，采用专用夹具加紧套管；装配步骤三，编制摩擦焊设备的plc控制程序，设定焊接1级摩擦压力、摩擦时间、2级摩擦压力、摩擦时间、摩擦焊机转速等工艺参数；装配步骤四，启动摩擦焊机，使球头在动力头上高速旋转并沿滑板移动接近套管，利用球头高速旋转接触套管时的摩擦生热，使铝合金软化，同时在动力主轴头上施加一定的顶锻压力，控制顶锻时间，使球头和套管实现固相连接；装配步骤五，推力杆焊接成功后松开夹具，取出推力杆，对其进行尺寸、裂纹缺陷检测。本发明的铝合金分体式i型推力杆可采用搅拌摩擦焊方法进行装配，其包括有下列步骤：装配步骤a，根据设计尺寸将球头与套管连接部位加工成与套管同壁厚的管结构；装配步骤b，将球头及套管固定在数控搅拌摩擦焊机专用焊接夹具上；装配步骤c，设定搅拌摩擦焊机搅拌针转速及焊速；装配步骤d，启动搅拌摩擦焊机，搅拌针在旋转的同时伸入球头及套管的接缝中，搅拌针轴肩与球头及套管表面摩擦搅拌生热使待焊铝合金热塑化，并在搅拌头旋转牵引作用下，围绕搅拌头由前向后转移，实现球头和套管的固相连接；装配步骤e，推力杆焊接成功后松开夹具，取出推力杆，对其进行尺寸、裂纹缺陷检测。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，球头可采用铸造成型方法制备，工艺简单，可控程度高，成品率高所得推力杆性能高。④铝合金球头与套管通过摩擦焊或者搅拌摩擦焊连接，可以快速完成推力杆的球头与套管的精密铆接，既保证了铆接质量又提高了工作效率。附图说明图1是本发明经摩擦焊装配后的i型推力杆的结构图。图1a是本发明i型推力杆的正视结构图。图1b是图1的后视图。图1c是图1的俯视图。图1d是图1的仰视图。图1e是图1的左视图。图1f是图1的右视图。图2是采用锻造工艺制得的本发明球头的正视图。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是本发明球头的结构图。图2e是本发明球头的另一视角结构图。图2f是本发明球头的结构设计图。图3是本发明中套管的正视图。图3a是图3的右视图。图3b是本发明中套管的右视角结构图。图3c是本发明中套管的左视角结构图。图3d是本发明中另一结构套管结构图。图3e是本发明中另一结构套管另一视角结构图。图4是采用锻造工艺制得的本发明另一种球头的结构图。图4a是采用锻造工艺制得的本发明另一种球头的另一视角结构图。图4b是本发明另一种球头的结构设计图。图5是实施例1制得推力杆的力学性能图。1.套管1a.a通孔2a.a球头2a2.ba通孔2a3.ba连接段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2b2.bb通孔2b3.bb连接段2b3a.b锥形面板2b3b.b圆形面板2b5.b椭圆形段2b6.b圆弧段3.c球头31.延长杆32.c通孔33.c球铰安装座33-1.上轮廓边线33-2.下轮廓边线33-3.左轮廓边线33-4.右轮廓边线33a.c锥形面板33b.c圆形面板34.c内凸台35.c椭圆形段36.c圆弧段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、图1a-图1f所示，本发明设计的铝合金推力杆本体包括有一套管1、a两个球头2a和b球头2b；套管1的一端两端是a球头2a，套管1的另一端b球头2b。a球头2a上的ba通孔2a2用于安装一球铰。b球头2b上的bb通孔2b2用于安装另一球铰。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。在本发明中，套管1可以是空心结构体(图3b、图3c)，也可以是实心结构体(图3d、图3e)。球头2a、2b参见图1、图1a、图1b、图1c、图1d、图1e、图2、图2a-图2e、图4、图4a、图4b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均为一体成型结构件。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1e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1b、图1e、图1f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通孔2a2，a球头2a的端部是ba连接段2a3，所述ba连接段2a3通过摩擦焊与套管1的一端连接，同理，参见图2所示，b球头2b上设有bb通孔2b2，b球头2b的端部是bb连接段2b3，所述bb连接段2b3通过摩擦焊与套管1的另一端连接。a球头2a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一球铰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小于所述a圆形面板2a3b端的ba通孔2a2，球铰从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。a球头2a的颈部设有a椭圆形段2a5和a圆弧段2a6。同理，b球头2b的颈部设有椭圆形段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a球头2a颈部结构特征满足图2f所示。在图2f中，a圆弧段2a6底部的圆心记为o4(也是椭圆圆心记为o4)，a圆弧段2a6的半径记为r2a1；a椭圆形段2a5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a球头2a3的上轮廓边线2a3-1，以下距离cd切除得到a球头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，o3b3＝o4b4，形成胖圆形与椭圆组合的结合部的a球头2a。本发明设计的另一种球头(c球头3)结构如图4、图4a、图4b所示，c球头3除了在连接段上增加了延长杆31以外，其余结构与a球头2a是相同的。在c球头3的结构上，除延长杆31外，称为c球头3的c球铰安装座33，即c球头3包括有上设有延长杆31和c球铰安装座33。所述c球铰安装座33上设有用于安装一球铰的c通孔32。延长杆31的端面与套管的一端采用摩擦焊连接，c球头3的颈部设有c圆弧段36和c椭圆形段35。为了实现铝合金材质推力杆高的承载强度，本发明设计的c球头3的颈部以满足图4b所示。延长杆31底部的圆心记为o0，延长杆31底部的半径记为r2a1，以等距离下移画圆作为延长杆31倾斜至圆心o3点，增强轨迹圆的半径为o3a3，椭圆圆心记为o4；第一方面，c球铰安装座33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c球铰安装座33的上轮廓边线33-1，以下距离cd切除得到c球铰安装座33的下轮廓边线33-2；辅助画出左轮廓边线33-3和右轮廓边线33-4；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35靠近圆形面板33b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35靠近锥形面板33a的轮廓止线)，交于上轮廓边线33-1上两b5点、b6点，o3b3＝o4b4，形成圆形与椭圆组合的结合部的c球头3。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在本发明中，球头采用铸造成型工艺制作，具体步骤为：铸造步骤一，按照一定的配比配制铝合金，在铸造机保温炉内将所配铝合金加热到700～740℃，精炼除气30～45min；铸造步骤二，将球头模具预热到350～400℃，浇口套温度预热至300～350℃；对升液管的浇口进行清渣，放入陶瓷过滤网及型芯，所用型芯可以是金属材质型芯，可以是砂型型芯；合模。铸造步骤三，将保温炉内的铝合金液在20～25kpa的压力下，以2.0～2.6kpa/s的速度进行升液；铸造步骤四，将铝合金在35～40kpa的压力下，以0.5～2.0kpa/s的速度充型到球头型腔中，直至将型腔全部充满；铸造步骤五，待铝液完全充满球头型腔后，在5～7s快速增加压力至50～150kpa，并继续保压10～60s；铸造步骤六，待铝合金球头凝固完毕，卸除保温炉内的气体压力，冷却后并取出球头铸件。在本发明中，套管采用热挤压工艺制作，具体步骤为：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。第四部分，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摩擦焊成型工艺进行连接，具体包括下列步骤：装配步骤一，将球头与套管连接部位加工成比套管厚0.2～0.5mm的管结构；装配步骤二，将球头固定在摩擦焊机左右动力主轴上，采用专用夹具加紧套管；装配步骤三，编制摩擦焊设备的plc控制程序，设定焊接工艺参数，1级摩擦压力为0.5～3mpa，摩擦时间为5～8s，设定2级摩擦压力为1～5mpa，摩擦时间为9～12s，设定摩擦焊机转速为300～1000rpm；装配步骤四，启动摩擦焊机，使球头在动力头上高速旋转并沿滑板移动接近套管，利用球头高速旋转接触套管时的摩擦生热，使铝合金软化，同时在动力主轴头上施加7～15mpa的顶锻压力，顶锻时间为3～15s，使球头和套管实现固相连接；装配步骤五，推力杆焊接成功后松开夹具，取出推力杆，对其进行尺寸、裂纹缺陷检测。在本发明中，铝合金球头与铝合金套管通过搅拌摩擦焊成型工艺进行连接，具体包括下列步骤：装配步骤a，根据设计尺寸将球头与套管连接部位加工成与套管同壁厚的管结构；装配步骤b，将球头及套管固定在数控搅拌摩擦焊机专用焊接夹具上；装配步骤c，设定搅拌摩擦焊机搅拌针转速为800～1600rpm，焊速为100～200mm/min；装配步骤d，启动搅拌摩擦焊机，搅拌针在旋转的同时伸入球头及套管的接缝中，搅拌针轴肩与球头及套管表面摩擦搅拌生热使待焊铝合金热塑化，并在搅拌头旋转牵引作用下，围绕搅拌头由前向后转移，实现球头和套管的固相连接；装配步骤e，推力杆焊接成功后松开夹具，取出推力杆，对其进行尺寸、裂纹缺陷检测。实施例1实施例一中铝合金球头的成分为：元素用量(质量百分比，wt％)si7.2mg0.6fe0.5cu1.5mn0.5cr0.08ni0.008zn0.05ti0.15zr0.05sr0.15ce0.03sc0.05al余量，以及不可避免的杂质。实施例一中铝合金套管的成分为：元素用量(质量百分比，wt％)si0.8mg1.5fe0.8cu5.0mn0.8cr0.1ni0.1zn0.3ti0.2zr0.1sr0.01la0.03ce0.03al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。在实施例1中，球头采用铸造成型工艺制作，具体步骤为：铸造步骤一，按照一定的配比配制铝合金，在铸造机保温炉内将所配铝合金加热到740℃，精炼除气40min；铸造步骤二，将球头模具预热到380℃，浇口套温度预热至350℃；对升液管的浇口进行清渣，放入陶瓷过滤网及型芯，所用型芯可以是金属材质型芯，可以是砂型型芯；合模。铸造步骤三，将保温炉内的铝合金液在25kpa的压力下，以2.6kpa/s的速度进行升液；铸造步骤四，将铝合金在40kpa的压力下，以2.0kpa/s的速度充型到球头型腔中，直至将型腔全部充满；铸造步骤五，待铝液完全充满球头型腔后，在6s快速增加压力至120kpa，并继续保压30s；铸造步骤六，待铝合金球头凝固完毕，卸除保温炉内的气体压力，冷却后并取出球头铸件。在实施例1中，套管采用热挤压成型，具体步骤为：步骤一，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500℃，保温30min；步骤二，将挤压模具温度加热到480℃，并保温30min，将坯料进行热挤压成为的棒材坯料；步骤三，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。铝合金推力杆本体的装配装配步骤一，根据设计尺寸将球头与套管连接部位加工成与套管同壁厚的管结构；装配步骤二，将球头及套管固定在数控搅拌摩擦焊机专用焊接夹具上；装配步骤三，设定搅拌摩擦焊机搅拌针转速为1000rpm，焊速为150mm/min；装配步骤四，启动搅拌摩擦焊机，搅拌针在旋转的同时伸入球头及套管的接缝中，搅拌针轴肩与球头及套管表面摩擦搅拌生热使待焊铝合金热塑化，并在搅拌头旋转牵引作用下，围绕搅拌头由前向后转移，实现球头和套管的固相连接；装配步骤五，推力杆焊接成功后松开夹具，取出推力杆，对其进行尺寸、裂纹缺陷检测。推力杆总成装配完成后，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5，可见所设计推力杆的平均抗拉强度528.2mpa、屈服强度366.5mpa，延伸率16.6％，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150kn的力，加载频率为1hz，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