碳鋼無(wú)縫管在懸掛襯套鋼套中的應(yīng)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(tǒng)的核心剛性部件，其材質(zhì)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(wú)縫管憑借材質(zhì)均勻、強(qiáng)度可靠、成本低廉、易加工成型等優(yōu)勢(shì)，成為懸掛襯套鋼套的主流原材料，廣泛應(yīng)用于乘用車、商用車底盤制造中。本文結(jié)合懸掛襯套鋼套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與服役要求，分析碳鋼無(wú)縫管的選材依據(jù)及在鋼套制造中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)研究碳鋼無(wú)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(zhì)規(guī)格、工藝參數(shù)對(duì)成型質(zhì)量的影響規(guī)律，識(shí)別成型過(guò)程中出現(xiàn)的開(kāi)裂、變形、尺寸偏差等缺陷及成因，提出針對(duì)性的成型工藝優(yōu)化方案，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，有效提升碳鋼無(wú)縫管的成型性能及鋼套成品質(zhì)量，為懸掛襯套鋼套的高效、低成本、高質(zhì)量生產(chǎn)提供理論依據(jù)與工程實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：碳鋼無(wú)縫管；懸掛襯套鋼套；選材依據(jù)；成型工藝；成型性能；工藝優(yōu)化

一、引言

懸掛襯套是汽車底盤懸掛系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)柔性連接、緩沖減振、載荷傳遞的關(guān)鍵部件，其核心結(jié)構(gòu)由鋼套與橡膠層復(fù)合而成，其中鋼套承擔(dān)剛性支撐作用，需長(zhǎng)期承受復(fù)雜交變載荷、沖擊載荷及扭轉(zhuǎn)力矩，同時(shí)需與橡膠層實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合，確保襯套整體力學(xué)性能穩(wěn)定。隨著汽車產(chǎn)業(yè)向規(guī)模化、低成本、高性能方向發(fā)展，對(duì)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(qiáng)度、剛度及成型性能，又要控制制造成本，適配批量生產(chǎn)需求。

目前，懸掛襯套鋼套的原材料主要有碳鋼無(wú)縫管、熱軋圓鋼、冷軋鋼板等，其中碳鋼無(wú)縫管因采用無(wú)縫軋制工藝，具有壁厚均勻、組織致密、無(wú)焊接缺陷、力學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，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(lái)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(shí)際生產(chǎn)中，碳鋼無(wú)縫管的材質(zhì)規(guī)格、成型工藝參數(shù)選擇不合理，易導(dǎo)致鋼套成型過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂、壁厚不均、尺寸偏差等缺陷，影響鋼套成型質(zhì)量及襯套整體服役可靠性。

本文聚焦碳鋼無(wú)縫管在懸掛襯套鋼套中的應(yīng)用，系統(tǒng)研究其成型性能及影響因素，優(yōu)化成型工藝參數(shù)，解決成型過(guò)程中的核心痛點(diǎn)，進(jìn)一步拓展碳鋼無(wú)縫管在懸掛襯套鋼套制造中的應(yīng)用場(chǎng)景，提升鋼套生產(chǎn)效率與質(zhì)量穩(wěn)定性，為汽車底盤零部件制造技術(shù)升級(jí)提供支撐。

二、碳鋼無(wú)縫管在懸掛襯套鋼套中的應(yīng)用基礎(chǔ) 2.1 懸掛襯套鋼套的結(jié)構(gòu)與性能要求

懸掛襯套鋼套多為薄壁圓筒形結(jié)構(gòu)，部分鋼套內(nèi)壁設(shè)有環(huán)形凹槽或防滑齒，用于與橡膠層實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合，防止服役過(guò)程中出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)。其核心性能要求包括：力學(xué)性能方面，抗拉強(qiáng)度≥600MPa，屈服強(qiáng)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(tǒng)傳遞的交變載荷；尺寸精度方面，內(nèi)徑、外徑公差控制在±0.02mm以內(nèi)，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(zhì)量方面，表面無(wú)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(shí)現(xiàn)硫化結(jié)合。

結(jié)合鋼套的結(jié)構(gòu)與性能要求，原材料需具備材質(zhì)均勻、塑性良好、強(qiáng)度適中、易成型、成本低廉等特點(diǎn)，而碳鋼無(wú)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(wú)縫管的選材依據(jù)與常用規(guī)格

懸掛襯套鋼套選用碳鋼無(wú)縫管的核心選材依據(jù)的是力學(xué)性能、成型性能與成本的平衡，具體依據(jù)包括：一是力學(xué)性能匹配，根據(jù)襯套的服役載荷等級(jí)，選擇抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度符合要求的碳鋼材質(zhì)，確保鋼套能夠承受復(fù)雜載荷；二是成型性能優(yōu)良，碳鋼無(wú)縫管需具備良好的塑性與韌性，便于進(jìn)行冷擠壓、折彎、切削等成型加工，避免成型過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂；三是材質(zhì)均勻性好，無(wú)縫軋制工藝確保碳鋼無(wú)縫管壁厚均勻、組織致密，無(wú)焊接缺陷，能夠保證鋼套成型質(zhì)量的一致性；四是成本可控，相較于合金鋼無(wú)縫管，碳鋼無(wú)縫管成本低廉、來(lái)源廣泛，能夠適配汽車零部件規(guī)?；a(chǎn)的成本要求。

目前，懸掛襯套鋼套常用的碳鋼無(wú)縫管材質(zhì)為10鋼、20鋼、35鋼，其中10鋼、20鋼為低碳鋼無(wú)縫管，塑性優(yōu)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(wú)縫管，強(qiáng)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(guī)格范圍為：內(nèi)徑20-50mm，外徑24-58mm，壁厚2-5mm，長(zhǎng)度30-80mm，可根據(jù)不同型號(hào)襯套的結(jié)構(gòu)要求，裁剪、加工為所需尺寸。

2.3 碳鋼無(wú)縫管在鋼套制造中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

與熱軋圓鋼、冷軋鋼板等原材料相比，碳鋼無(wú)縫管在懸掛襯套鋼套制造中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：一是成型效率高，碳鋼無(wú)縫管本身為圓筒形結(jié)構(gòu)，無(wú)需經(jīng)過(guò)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(chǎn)效率；二是成型質(zhì)量好，壁厚均勻、組織致密，無(wú)焊接缺陷，成型后的鋼套尺寸精度高、表面質(zhì)量好，能夠保證與橡膠層的貼合精度，提升襯套整體力學(xué)性能；三是材料利用率高，碳鋼無(wú)縫管裁剪后，可通過(guò)冷擠壓等無(wú)切削加工工藝成型，材料損耗僅為5%-15%，遠(yuǎn)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(yōu)勢(shì)顯著，碳鋼無(wú)縫管價(jià)格低廉，相較于合金鋼、不銹鋼無(wú)縫管，成本降低30%-50%，同時(shí)加工難度低，可進(jìn)一步降低加工成本，適配汽車零部件規(guī)?；a(chǎn)需求。

三、碳鋼無(wú)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(wú)縫管的成型性能主要體現(xiàn)在冷擠壓成型過(guò)程中的塑性變形能力、成型精度及表面質(zhì)量，核心影響因素包括材質(zhì)規(guī)格、工藝參數(shù)、預(yù)處理質(zhì)量等。本文選取20鋼碳鋼無(wú)縫管（內(nèi)徑30mm，外徑36mm，壁厚3mm）為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究冷擠壓成型工藝中的成型性能及影響規(guī)律。

3.1 核心成型工藝流程

碳鋼無(wú)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(yù)處理→冷擠壓成型→后續(xù)精加工→表面處理。具體如下：一是原材料裁剪，根據(jù)鋼套長(zhǎng)度要求，將碳鋼無(wú)縫管裁剪為所需長(zhǎng)度的坯料，裁剪過(guò)程中確保切口平整、無(wú)毛刺、無(wú)變形；二是坯料預(yù)處理，依次進(jìn)行球化退火、酸洗、磷化、潤(rùn)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(qiáng)潤(rùn)滑效果，潤(rùn)滑處理減少冷擠壓過(guò)程中的摩擦阻力；三是冷擠壓成型，將預(yù)處理后的坯料放入冷擠壓模具，通過(guò)壓裝設(shè)備施加軸向壓力，使坯料發(fā)生塑性變形，貼合模具型腔，形成鋼套雛形，對(duì)于內(nèi)壁有凹槽的鋼套，可通過(guò)復(fù)合擠壓工藝一次性成型；四是后續(xù)精加工，對(duì)冷擠壓成型后的鋼套進(jìn)行倒角、修邊，必要時(shí)進(jìn)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(rùn)滑劑、磷化膜，提升表面光潔度，為后續(xù)與橡膠層硫化結(jié)合做好準(zhǔn)備。

3.2 成型性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

碳鋼無(wú)縫管在懸掛襯套鋼套成型過(guò)程中的成型性能，主要通過(guò)三個(gè)核心指標(biāo)評(píng)價(jià)：一是塑性變形能力，即坯料在冷擠壓過(guò)程中承受塑性變形而不發(fā)生開(kāi)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(shè)計(jì)要求，確保裝配精度；三是表面質(zhì)量，即成型后鋼套表面無(wú)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(jié)合。

3.3 影響成型性能的關(guān)鍵因素

通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，影響碳鋼無(wú)縫管成型性能的關(guān)鍵因素主要包括材質(zhì)規(guī)格、預(yù)處理工藝、冷擠壓工藝參數(shù)三個(gè)方面，具體影響規(guī)律如下：

一是材質(zhì)規(guī)格的影響，碳鋼無(wú)縫管的材質(zhì)、壁厚、管徑直接影響成型性能。材質(zhì)方面，10鋼、20鋼等低碳鋼無(wú)縫管塑性優(yōu)良，延伸率≥20%，斷面收縮率≥45%，塑性變形能力好，不易開(kāi)裂；35鋼等中碳鋼無(wú)縫管強(qiáng)度較高，但塑性略差，延伸率≥15%，斷面收縮率≥35%，冷擠壓過(guò)程中易出現(xiàn)開(kāi)裂，需優(yōu)化預(yù)處理工藝。壁厚方面，壁厚過(guò)厚會(huì)增加冷擠壓變形抗力，降低塑性變形能力，易導(dǎo)致鋼套開(kāi)裂、模具磨損；壁厚過(guò)薄則會(huì)導(dǎo)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(guò)大易導(dǎo)致冷擠壓過(guò)程中坯料失穩(wěn)、變形不均；比值過(guò)小則會(huì)增加變形抗力，影響成型效率。

二是預(yù)處理工藝的影響，預(yù)處理工藝直接影響碳鋼無(wú)縫管的塑性與表面狀態(tài)，進(jìn)而影響成型性能。球化退火工藝不合理，坯料硬度過(guò)高、塑性較差，冷擠壓過(guò)程中易開(kāi)裂；退火溫度過(guò)低、保溫時(shí)間不足，無(wú)法徹底消除坯料內(nèi)應(yīng)力，塑性提升不明顯；退火溫度過(guò)高、保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致坯料晶粒粗大，表面氧化嚴(yán)重，影響表面質(zhì)量。酸洗、磷化工藝不徹底，坯料表面殘留氧化皮、油污，會(huì)增加冷擠壓過(guò)程中的摩擦阻力，導(dǎo)致鋼套表面劃傷、開(kāi)裂，同時(shí)影響潤(rùn)滑效果。潤(rùn)滑處理不到位，潤(rùn)滑劑涂抹不均勻、潤(rùn)滑劑選型不當(dāng)，會(huì)加劇坯料與模具之間的摩擦，導(dǎo)致鋼套表面缺陷、模具卡死。

三是冷擠壓工藝參數(shù)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(shù)。擠壓溫度方面，冷擠壓成型溫度通?？刂圃谑覝刂?20℃，溫度過(guò)低會(huì)增加變形抗力，降低塑性變形能力，易開(kāi)裂；溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致坯料表面氧化，影響表面質(zhì)量，同時(shí)降低加工硬化效應(yīng)，影響鋼套力學(xué)性能。擠壓速度方面，速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致坯料塑性變形不均勻，產(chǎn)生應(yīng)力集中，易開(kāi)裂、表面波紋；速度過(guò)慢會(huì)延長(zhǎng)生產(chǎn)效率，且坯料與模具接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易出現(xiàn)粘連，影響表面質(zhì)量，最佳擠壓速度范圍為10-15mm/s。凸凹模間隙方面，間隙過(guò)大易導(dǎo)致鋼套回彈、尺寸偏差、圓度超差；間隙過(guò)小會(huì)增加摩擦阻力，導(dǎo)致鋼套表面劃傷、開(kāi)裂，最佳間隙范圍為0.02-0.03mm。

四、成型過(guò)程中常見(jiàn)缺陷及成因

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，碳鋼無(wú)縫管在懸掛襯套鋼套成型過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷主要有三類，具體成因如下：

一是開(kāi)裂缺陷，這是最常見(jiàn)的缺陷，主要表現(xiàn)為鋼套端部、內(nèi)壁出現(xiàn)縱向或橫向裂紋，成因包括：碳鋼無(wú)縫管材質(zhì)塑性不足（如35鋼未充分退火）、壁厚不均、冷擠壓速度過(guò)快、擠壓溫度過(guò)低、預(yù)處理工藝不徹底，導(dǎo)致冷擠壓過(guò)程中應(yīng)力集中，超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度，引發(fā)開(kāi)裂。

二是尺寸偏差缺陷，表現(xiàn)為鋼套內(nèi)徑、外徑、壁厚偏差超標(biāo)，圓度超差，成因包括：碳鋼無(wú)縫管管徑、壁厚偏差過(guò)大，冷擠壓工藝參數(shù)不合理（擠壓速度、間隙不當(dāng)），模具尺寸精度不足，后續(xù)精加工不到位，導(dǎo)致成型后鋼套尺寸不符合要求。

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

四、成型工藝優(yōu)化方案與驗(yàn)證 4.1 工藝優(yōu)化方案

針對(duì)碳鋼無(wú)縫管成型過(guò)程中存在的缺陷及影響因素，結(jié)合試驗(yàn)研究，從材質(zhì)選型、預(yù)處理工藝、冷擠壓工藝參數(shù)、模具優(yōu)化四個(gè)方面提出成型工藝優(yōu)化方案：

一是優(yōu)化材質(zhì)選型，根據(jù)鋼套服役載荷等級(jí)，合理選擇碳鋼無(wú)縫管材質(zhì)與規(guī)格，乘用車懸掛襯套鋼套選用10鋼、20鋼低碳鋼無(wú)縫管，確保塑性優(yōu)良；商用車承載較大的鋼套選用35鋼，并優(yōu)化預(yù)處理工藝，提升塑性。同時(shí)，嚴(yán)格控制碳鋼無(wú)縫管的管徑、壁厚偏差，確保壁厚均勻、管徑一致。

二是優(yōu)化預(yù)處理工藝，球化退火工藝優(yōu)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(nèi)應(yīng)力，提升塑性。酸洗、磷化工藝優(yōu)化為：先采用專用清洗劑脫脂，再進(jìn)行酸洗去除氧化皮，中和后進(jìn)行磷化處理，磷化溫度50-60℃，磷化時(shí)間10-15min，確保磷化膜均勻、致密。潤(rùn)滑處理選用石墨基專用冷擠壓潤(rùn)滑劑，均勻涂抹在坯料表面，確保潤(rùn)滑效果。

三是優(yōu)化冷擠壓工藝參數(shù)，確定最優(yōu)參數(shù)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(jù)坯料尺寸、材質(zhì)合理調(diào)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(kāi)裂、尺寸偏差。

四是優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，選用Cr12MoV高強(qiáng)度合金工具鋼制造模具，經(jīng)淬火、回火處理，提升模具硬度與耐磨性；對(duì)模具型腔、凸模表面進(jìn)行拋光處理，確保表面粗糙度Ra≤0.2μm，避免劃傷坯料；優(yōu)化模具導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，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(yōu)化效果驗(yàn)證

采用優(yōu)化后的成型工藝，以20鋼碳鋼無(wú)縫管（內(nèi)徑30mm，外徑36mm，壁厚3mm）為原材料，批量生產(chǎn)某型號(hào)乘用車懸掛襯套鋼套1000件，與優(yōu)化前工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行成型性能對(duì)比，驗(yàn)證優(yōu)化效果，試驗(yàn)結(jié)果如下：

優(yōu)化后，碳鋼無(wú)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(guò)程中開(kāi)裂缺陷發(fā)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(nèi)，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(zhì)量明顯改善，表面粗糙度Ra≤1.2μm，無(wú)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(shí)，優(yōu)化后的工藝降低了變形抗力，模具壽命延長(zhǎng)30%，生產(chǎn)效率提升25%，單件成型時(shí)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(chǎn)要求與服役需求，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性與有效性。

五、結(jié)論與展望

本文通過(guò)對(duì)碳鋼無(wú)縫管在懸掛襯套鋼套中的應(yīng)用及成型性能研究，得出以下結(jié)論：一是碳鋼無(wú)縫管憑借材質(zhì)均勻、塑性良好、成本低廉、易成型等優(yōu)勢(shì)，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(guī)格為內(nèi)徑20-50mm、壁厚2-5mm；二是碳鋼無(wú)縫管的成型性能主要受材質(zhì)規(guī)格、預(yù)處理工藝、冷擠壓工藝參數(shù)影響，低碳鋼無(wú)縫管塑性優(yōu)于中碳鋼，合理的預(yù)處理工藝與冷擠壓參數(shù)可顯著提升成型性能；三是成型過(guò)程中常見(jiàn)的開(kāi)裂、尺寸偏差、表面缺陷，可通過(guò)優(yōu)化材質(zhì)選型、預(yù)處理工藝、冷擠壓參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)有效解決；四是優(yōu)化后的成型工藝，可顯著提升碳鋼無(wú)縫管的成型性能、鋼套成品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降低制造成本，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

展望未來(lái)，隨著汽車產(chǎn)業(yè)向輕量化、高性能方向發(fā)展，懸掛襯套鋼套將向薄壁化、高精度、高強(qiáng)度方向升級(jí)，后續(xù)可從三個(gè)方面開(kāi)展深入研究：一是研發(fā)新型低碳高強(qiáng)度碳鋼無(wú)縫管，提升材質(zhì)的強(qiáng)度與塑性，適配薄壁化、高性能鋼套的需求；二是結(jié)合有限元仿真技術(shù)，精準(zhǔn)模擬冷擠壓成型過(guò)程中的應(yīng)力分布，進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)與模具結(jié)構(gòu)，減少試驗(yàn)成本，提升成型精度；三是推動(dòng)成型工藝自動(dòng)化、智能化發(fā)展，整合機(jī)器人上下料、在線檢測(cè)、自動(dòng)控溫等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)碳鋼無(wú)縫管成型全流程自動(dòng)化生產(chǎn)，提升產(chǎn)品一致性，推動(dòng)懸掛襯套鋼套制造技術(shù)的持續(xù)升級(jí)。