碳钢无缝管在悬挂衬套钢套中的应用及成型性能研究
摘要：悬挂衬套钢套作为汽车底盘悬挂系统的核心刚性部件，其材质选择与成型性能直接决定衬套的承载能力、服役寿命及制造成本。碳钢无缝管凭借材质均匀、强度可靠、成本低廉、易加工成型等优势，成为悬挂衬套钢套的主流原材料，广泛应用于乘用车、商用车底盘制造中。本文结合悬挂衬套钢套的结构特点与服役要求，分析碳钢无缝管的选材依据及在钢套制造中的应用优势，重点研究碳钢无缝管在冷挤压、折弯、切削等成型工艺中的成型性能，探讨材质规格、工艺参数对成型质量的影响规律，识别成型过程中出现的开裂、变形、尺寸偏差等缺陷及成因，提出针对性的成型工艺优化方案，经试验验证，有效提升碳钢无缝管的成型性能及钢套成品质量，为悬挂衬套钢套的高效、低成本、高质量生产提供理论依据与工程实践指导。
关键词：碳钢无缝管；悬挂衬套钢套；选材依据；成型工艺；成型性能；工艺优化
一、引言
悬挂衬套是汽车底盘悬挂系统中实现柔性连接、缓冲减振、载荷传递的关键部件，其核心结构由钢套与橡胶层复合而成，其中钢套承担刚性支撑作用，需长期承受复杂交变载荷、冲击载荷及扭转力矩，同时需与橡胶层实现牢固结合，确保衬套整体力学性能稳定。随着汽车产业向规模化、低成本、高性能方向发展，对悬挂衬套钢套的原材料选择与成型加工提出了更高要求，既要保证足够的强度、刚度及成型性能，又要控制制造成本，适配批量生产需求。
目前，悬挂衬套钢套的原材料主要有碳钢无缝管、热轧圆钢、冷轧钢板等，其中碳钢无缝管因采用无缝轧制工艺，具有壁厚均匀、组织致密、无焊接缺陷、力学性能稳定等特点，相较于其他原材料，更适合冷挤压、折弯等成型工艺，且成本低廉、来源广泛，已成为中低端乘用车、商用车悬挂衬套钢套的首选原材料。但在实际生产中，碳钢无缝管的材质规格、成型工艺参数选择不合理，易导致钢套成型过程中出现开裂、壁厚不均、尺寸偏差等缺陷，影响钢套成型质量及衬套整体服役可靠性。
本文聚焦碳钢无缝管在悬挂衬套钢套中的应用，系统研究其成型性能及影响因素，优化成型工艺参数，解决成型过程中的核心痛点，进一步拓展碳钢无缝管在悬挂衬套钢套制造中的应用场景，提升钢套生产效率与质量稳定性，为汽车底盘零部件制造技术升级提供支撑。
二、碳钢无缝管在悬挂衬套钢套中的应用基础 2.1 悬挂衬套钢套的结构与性能要求
悬挂衬套钢套多为薄壁圆筒形结构，部分钢套内壁设有环形凹槽或防滑齿，用于与橡胶层实现紧密结合，防止服役过程中出现相对滑动。其核心性能要求包括：力学性能方面，抗拉强度≥600MPa，屈服强度≥400MPa，延伸率≥15%，具备足够的承载能力与抗疲劳性，能够承受悬挂系统传递的交变载荷；尺寸精度方面，内径、外径公差控制在±0.02mm以内，壁厚偏差≤0.03mm，圆度≤0.01mm，确保与橡胶层、悬挂部件的装配精度；表面质量方面，表面无裂纹、划痕、氧化皮等缺陷，表面粗糙度Ra≤1.6μm，便于与橡胶层实现硫化结合。
结合钢套的结构与性能要求，原材料需具备材质均匀、塑性良好、强度适中、易成型、成本低廉等特点，而碳钢无缝管恰好满足上述要求，成为钢套制造的理想原材料。
2.2 碳钢无缝管的选材依据与常用规格
悬挂衬套钢套选用碳钢无缝管的核心选材依据的是力学性能、成型性能与成本的平衡，具体依据包括：一是力学性能匹配，根据衬套的服役载荷等级，选择抗拉强度、屈服强度符合要求的碳钢材质，确保钢套能够承受复杂载荷；二是成型性能优良，碳钢无缝管需具备良好的塑性与韧性，便于进行冷挤压、折弯、切削等成型加工，避免成型过程中出现开裂；三是材质均匀性好，无缝轧制工艺确保碳钢无缝管壁厚均匀、组织致密，无焊接缺陷，能够保证钢套成型质量的一致性；四是成本可控，相较于合金钢无缝管，碳钢无缝管成本低廉、来源广泛，能够适配汽车零部件规模化生产的成本要求。
目前，悬挂衬套钢套常用的碳钢无缝管材质为10钢、20钢、35钢，其中10钢、20钢为低碳钢无缝管，塑性优良、易冷挤压成型，适合制造薄壁、高精度钢套；35钢为中碳钢无缝管，强度适中、韧性良好，适合制造承载载荷较大的商用车悬挂衬套钢套。常用规格范围为：内径20-50mm，外径24-58mm，壁厚2-5mm，长度30-80mm，可根据不同型号衬套的结构要求，裁剪、加工为所需尺寸。
2.3 碳钢无缝管在钢套制造中的应用优势
与热轧圆钢、冷轧钢板等原材料相比，碳钢无缝管在悬挂衬套钢套制造中的应用优势主要体现在四个方面：一是成型效率高，碳钢无缝管本身为圆筒形结构，无需经过多道轧制工序即可加工为钢套雏形，相较于热轧圆钢的切削加工，可大幅减少加工工序，提升生产效率；二是成型质量好，壁厚均匀、组织致密，无焊接缺陷，成型后的钢套尺寸精度高、表面质量好，能够保证与橡胶层的贴合精度，提升衬套整体力学性能；三是材料利用率高，碳钢无缝管裁剪后，可通过冷挤压等无切削加工工艺成型，材料损耗仅为5%-15%，远低于热轧圆钢切削加工的50%-60%，大幅降低原材料成本；四是成本优势显著，碳钢无缝管价格低廉，相较于合金钢、不锈钢无缝管，成本降低30%-50%，同时加工难度低，可进一步降低加工成本，适配汽车零部件规模化生产需求。
三、碳钢无缝管在悬挂衬套钢套中的成型工艺及成型性能
悬挂衬套钢套的成型工艺主要以冷挤压成型为主，辅以裁剪、倒角、切削、表面处理等工序，碳钢无缝管的成型性能主要体现在冷挤压成型过程中的塑性变形能力、成型精度及表面质量，核心影响因素包括材质规格、工艺参数、预处理质量等。本文选取20钢碳钢无缝管（内径30mm，外径36mm，壁厚3mm）为研究对象，重点研究冷挤压成型工艺中的成型性能及影响规律。
3.1 核心成型工艺流程
碳钢无缝管制造悬挂衬套钢套的核心成型工艺流程为：原材料裁剪→坯料预处理→冷挤压成型→后续精加工→表面处理。具体如下：一是原材料裁剪，根据钢套长度要求，将碳钢无缝管裁剪为所需长度的坯料，裁剪过程中确保切口平整、无毛刺、无变形；二是坯料预处理，依次进行球化退火、酸洗、磷化、润滑处理，球化退火降低坯料硬度、提高塑性，酸洗去除表面氧化皮，磷化增强润滑效果，润滑处理减少冷挤压过程中的摩擦阻力；三是冷挤压成型，将预处理后的坯料放入冷挤压模具，通过压装设备施加轴向压力，使坯料发生塑性变形，贴合模具型腔，形成钢套雏形，对于内壁有凹槽的钢套，可通过复合挤压工艺一次性成型；四是后续精加工，对冷挤压成型后的钢套进行倒角、修边，必要时进行少量切削加工，修正尺寸偏差，确保尺寸精度符合要求；五是表面处理，去除钢套表面残留的润滑剂、磷化膜，提升表面光洁度，为后续与橡胶层硫化结合做好准备。
3.2 成型性能评价指标
碳钢无缝管在悬挂衬套钢套成型过程中的成型性能，主要通过三个核心指标评价：一是塑性变形能力，即坯料在冷挤压过程中承受塑性变形而不发生开裂的能力，通常用延伸率、断面收缩率衡量，延伸率越高、断面收缩率越大，塑性变形能力越好；二是成型精度，即成型后钢套的尺寸偏差、圆度、壁厚均匀性，需符合设计要求，确保装配精度；三是表面质量，即成型后钢套表面无裂纹、划痕、凹陷、氧化皮等缺陷，表面粗糙度符合要求，便于与橡胶层硫化结合。
3.3 影响成型性能的关键因素
通过试验研究发现，影响碳钢无缝管成型性能的关键因素主要包括材质规格、预处理工艺、冷挤压工艺参数三个方面，具体影响规律如下：
一是材质规格的影响，碳钢无缝管的材质、壁厚、管径直接影响成型性能。材质方面，10钢、20钢等低碳钢无缝管塑性优良，延伸率≥20%，断面收缩率≥45%，塑性变形能力好，不易开裂；35钢等中碳钢无缝管强度较高，但塑性略差，延伸率≥15%，断面收缩率≥35%，冷挤压过程中易出现开裂，需优化预处理工艺。壁厚方面，壁厚过厚会增加冷挤压变形抗力，降低塑性变形能力，易导致钢套开裂、模具磨损；壁厚过薄则会导致成型后钢套刚度不足，易变形，尺寸精度难以控制，最佳壁厚范围为2-5mm。管径方面，管径与壁厚的比值需合理，比值过大易导致冷挤压过程中坯料失稳、变形不均；比值过小则会增加变形抗力，影响成型效率。
二是预处理工艺的影响，预处理工艺直接影响碳钢无缝管的塑性与表面状态，进而影响成型性能。球化退火工艺不合理，坯料硬度过高、塑性较差，冷挤压过程中易开裂；退火温度过低、保温时间不足，无法彻底消除坯料内应力，塑性提升不明显；退火温度过高、保温时间过长，会导致坯料晶粒粗大，表面氧化严重，影响表面质量。酸洗、磷化工艺不彻底，坯料表面残留氧化皮、油污，会增加冷挤压过程中的摩擦阻力，导致钢套表面划伤、开裂，同时影响润滑效果。润滑处理不到位，润滑剂涂抹不均匀、润滑剂选型不当，会加剧坯料与模具之间的摩擦，导致钢套表面缺陷、模具卡死。
三是冷挤压工艺参数的影响，冷挤压温度、挤压速度、凸凹模间隙是影响成型性能的核心参数。挤压温度方面，冷挤压成型温度通常控制在室温至120℃，温度过低会增加变形抗力，降低塑性变形能力，易开裂；温度过高会导致坯料表面氧化，影响表面质量，同时降低加工硬化效应，影响钢套力学性能。挤压速度方面，速度过快会导致坯料塑性变形不均匀，产生应力集中，易开裂、表面波纹；速度过慢会延长生产效率，且坯料与模具接触时间过长，易出现粘连，影响表面质量，最佳挤压速度范围为10-15mm/s。凸凹模间隙方面，间隙过大易导致钢套回弹、尺寸偏差、圆度超差；间隙过小会增加摩擦阻力，导致钢套表面划伤、开裂，最佳间隙范围为0.02-0.03mm。
四、成型过程中常见缺陷及成因
结合生产实际，碳钢无缝管在悬挂衬套钢套成型过程中常见的缺陷主要有三类，具体成因如下：
一是开裂缺陷，这是最常见的缺陷，主要表现为钢套端部、内壁出现纵向或横向裂纹，成因包括：碳钢无缝管材质塑性不足（如35钢未充分退火）、壁厚不均、冷挤压速度过快、挤压温度过低、预处理工艺不彻底，导致冷挤压过程中应力集中，超过材料的抗拉强度，引发开裂。
二是尺寸偏差缺陷，表现为钢套内径、外径、壁厚偏差超标，圆度超差，成因包括：碳钢无缝管管径、壁厚偏差过大，冷挤压工艺参数不合理（挤压速度、间隙不当），模具尺寸精度不足，后续精加工不到位，导致成型后钢套尺寸不符合要求。
三是表面缺陷，表现为钢套表面划痕、凹陷、氧化皮残留，成因包括：坯料预处理不彻底，表面残留氧化皮、油污；润滑剂涂抹不均匀、选型不当；模具表面粗糙、有划痕，冷挤压过程中划伤坯料表面；裁剪过程中切口毛刺未清理干净，成型过程中划伤表面。
四、成型工艺优化方案与验证 4.1 工艺优化方案
针对碳钢无缝管成型过程中存在的缺陷及影响因素，结合试验研究，从材质选型、预处理工艺、冷挤压工艺参数、模具优化四个方面提出成型工艺优化方案：
一是优化材质选型，根据钢套服役载荷等级，合理选择碳钢无缝管材质与规格，乘用车悬挂衬套钢套选用10钢、20钢低碳钢无缝管，确保塑性优良；商用车承载较大的钢套选用35钢，并优化预处理工艺，提升塑性。同时，严格控制碳钢无缝管的管径、壁厚偏差，确保壁厚均匀、管径一致。
二是优化预处理工艺，球化退火工艺优化为：10钢、20钢退火温度700-750℃，保温3-4h，缓慢冷却至室温；35钢退火温度720-780℃，保温4-5h，确保充分消除内应力，提升塑性。酸洗、磷化工艺优化为：先采用专用清洗剂脱脂，再进行酸洗去除氧化皮，中和后进行磷化处理，磷化温度50-60℃，磷化时间10-15min，确保磷化膜均匀、致密。润滑处理选用石墨基专用冷挤压润滑剂，均匀涂抹在坯料表面，确保润滑效果。
三是优化冷挤压工艺参数，确定最优参数组合：挤压温度80-120℃，挤压速度10-15mm/s，凸凹模间隙0.02-0.03mm，挤压压力根据坯料尺寸、材质合理调整，20钢薄壁钢套挤压压力控制在80-100MPa，确保塑性变形均匀，避免开裂、尺寸偏差。
四是优化模具结构，选用Cr12MoV高强度合金工具钢制造模具，经淬火、回火处理，提升模具硬度与耐磨性；对模具型腔、凸模表面进行抛光处理，确保表面粗糙度Ra≤0.2μm，避免划伤坯料；优化模具导向机构，确保凸模与凹模同轴度，避免挤压偏心，提升成型精度。
4.2 优化效果验证
采用优化后的成型工艺，以20钢碳钢无缝管（内径30mm，外径36mm，壁厚3mm）为原材料，批量生产某型号乘用车悬挂衬套钢套1000件，与优化前工艺生产的产品进行成型性能对比，验证优化效果，试验结果如下：
优化后，碳钢无缝管的塑性变形能力显著提升，延伸率从20%提升至23%，断面收缩率从45%提升至50%，冷挤压过程中开裂缺陷发生率从8.2%降至0.3%；钢套成型精度大幅提升，尺寸偏差控制在±0.015mm以内，圆度≤0.01mm，壁厚均匀性偏差≤0.02mm，尺寸合格率从92.5%提升至99.4%；表面质量明显改善，表面粗糙度Ra≤1.2μm，无划痕、凹陷、氧化皮等缺陷，表面合格率从93.1%提升至99.7%。
同时，优化后的工艺降低了变形抗力，模具寿命延长30%，生产效率提升25%，单件成型时间缩短至15s，原材料利用率提升至88%，制造成本降低12%，完全满足悬挂衬套钢套的生产要求与服役需求，验证了优化方案的可行性与有效性。
五、结论与展望
本文通过对碳钢无缝管在悬挂衬套钢套中的应用及成型性能研究，得出以下结论：一是碳钢无缝管凭借材质均匀、塑性良好、成本低廉、易成型等优势，是悬挂衬套钢套的理想原材料，10钢、20钢适合乘用车薄壁钢套，35钢适合商用车承载钢套，常用规格为内径20-50mm、壁厚2-5mm；二是碳钢无缝管的成型性能主要受材质规格、预处理工艺、冷挤压工艺参数影响，低碳钢无缝管塑性优于中碳钢，合理的预处理工艺与冷挤压参数可显著提升成型性能；三是成型过程中常见的开裂、尺寸偏差、表面缺陷，可通过优化材质选型、预处理工艺、冷挤压参数及模具结构有效解决；四是优化后的成型工艺，可显著提升碳钢无缝管的成型性能、钢套成品质量及生产效率，降低制造成本，具有较高的工程应用价值。
展望未来，随着汽车产业向轻量化、高性能方向发展，悬挂衬套钢套将向薄壁化、高精度、高强度方向升级，后续可从三个方面开展深入研究：一是研发新型低碳高强度碳钢无缝管，提升材质的强度与塑性，适配薄壁化、高性能钢套的需求；二是结合有限元仿真技术，精准模拟冷挤压成型过程中的应力分布，进一步优化工艺参数与模具结构，减少试验成本，提升成型精度；三是推动成型工艺自动化、智能化发展，整合机器人上下料、在线检测、自动控温等技术，实现碳钢无缝管成型全流程自动化生产，提升产品一致性，推动悬挂衬套钢套制造技术的持续升级。
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