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      金屬成形輕量化技術(shù)研究進(jìn)展

      2016-05-14 14:40:43莫非張志明曹紅錦
      中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2016年6期
      關(guān)鍵詞:輕量化成形工藝

      莫非 張志明 曹紅錦

      摘 要:在金屬成形的輕量化設(shè)計(jì)中,材料選用、組件功能整合以及成形方法的選用都會(huì)起到至關(guān)重要的作用,主要目標(biāo)是降低組件的重量并節(jié)省資源。本文介紹了常用的傳統(tǒng)工藝,如用于加工混合輕量化材料的擠壓工藝,同時(shí)也介紹了新的成形技術(shù),以更好地滿足輕量化的要求。最后對(duì)輕量化成形工藝的發(fā)展前景進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

      關(guān)鍵詞:輕量化;成形;材料;工藝

      中圖分類號(hào):TG306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

      1 引言

      由于氣候變化、資源短缺、全球化進(jìn)程和市場(chǎng)力量,人們希望在更短的時(shí)間內(nèi)用更低的成本、節(jié)省更多能源和材料,生產(chǎn)出有明確性能的產(chǎn)品。輕量化技術(shù)為各個(gè)領(lǐng)域的低能耗、環(huán)境友好型產(chǎn)品做出了貢獻(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)有的研究可以看出,輕量化技術(shù)基本是通過材料選用,組件功能整合以及成形工藝選擇來實(shí)現(xiàn)的。

      從材料的選用來看,用一種重量更輕的材料取代原有材料,如高強(qiáng)度鋼材、輕金屬(如鎂或鋁)和復(fù)合材料可以達(dá)到輕量化效果。組件功能整合指的不只是一個(gè)單獨(dú)的部分,而是整個(gè)系統(tǒng)。通過功能整合,可以對(duì)某一單獨(dú)組件進(jìn)行增重,但是功能整合后,整個(gè)系統(tǒng)的重量會(huì)減輕。為了實(shí)現(xiàn)輕量化的要求,成形工藝和輕型結(jié)構(gòu)學(xué)院已經(jīng)研發(fā)了新的創(chuàng)新方法,可以探索材料的已知屬性并擴(kuò)展機(jī)械的可能性,加工并生產(chǎn)輕量化金屬組件。

      2 材料輕量化

      2.1 混合組件

      生產(chǎn)輕量化組件的第一步是選擇合適的材料。從生產(chǎn)輕量化組件的材料方法來講,假設(shè)工件幾何類型相同,使用輕金屬可以降低組件的重量。由于一些材料(如鋁)的密度很低,所以其輕量化潛力很大。但是,鋁的強(qiáng)度和彈性模量只有鋼材的三分之一。由于使用的輕金屬一定不能降低產(chǎn)品的性能,所以通過多種材料的組合使用,可以根據(jù)各種材料的特殊屬性進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),更具優(yōu)勢(shì)。

      連續(xù)強(qiáng)化工藝可以通過特殊的分流擠壓模將傳統(tǒng)的鋁坯與高強(qiáng)度材料結(jié)合起來。在模具的焊接室中,兩種材料結(jié)合成為一種復(fù)合材料。目前,研究出了生產(chǎn)強(qiáng)化材料的工藝,這種強(qiáng)化材料含有十一種元素,強(qiáng)化容量達(dá)到13.5%,元件上面的材料厚度為0.75mm。在嘗試過程中,可達(dá)到厚度值0.45mm。

      間斷強(qiáng)化工藝基于傳統(tǒng)擠壓模具,將傳統(tǒng)的鋁坯和高強(qiáng)度材料結(jié)合起來。這樣可以將間斷強(qiáng)化材料嵌入到擠壓物中,獲得定制的材料或產(chǎn)品。這一工藝中的主要難度在于計(jì)算強(qiáng)化元件在擠壓物中的位置,使其發(fā)揮工藝參數(shù)和材料流動(dòng)的作用。目前研發(fā)了一種適用于生產(chǎn)間斷強(qiáng)化材料的工藝,考慮到與材料外徑相關(guān)的強(qiáng)化元件的可行尺寸,這樣可以讓內(nèi)嵌在鋁基體中的鋼材元件實(shí)現(xiàn)良好的嵌入質(zhì)量。大部分嵌入材料都是半成品,需要進(jìn)一步加工,如鍛造。

      2.2 高強(qiáng)度鋼材組件

      對(duì)于材料輕量化設(shè)計(jì),除混合組件外,另一方案是應(yīng)用高強(qiáng)度鋼材。鋼材材料的主要優(yōu)勢(shì)是高強(qiáng)度重量比,這一點(diǎn)對(duì)于結(jié)構(gòu)件來講非常有用。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)件的壁厚可以更薄,部件的整體重量下降,那么這樣一來,會(huì)增加燃油效率。由于高強(qiáng)度鋼材具有相對(duì)較高的屈服應(yīng)力,成形過程中需要更高的成形力。進(jìn)一步來講,由于屈服應(yīng)力較高,回彈量也會(huì)更大。為了解決這些工藝問題,需要對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行改進(jìn),或者需要研發(fā)出新的成形工藝。

      在生產(chǎn)管型材料時(shí),管材增量成形工藝可以在降低彎曲力和回彈的情況下,允許高強(qiáng)度鋼管的彎曲。這一新工藝結(jié)合了管材旋壓和管材彎曲工藝,生產(chǎn)出彎管材料。通過旋轉(zhuǎn)設(shè)備傳輸管材,該設(shè)備圍繞管材旋轉(zhuǎn),降低管材的外徑。這一旋轉(zhuǎn)工藝由彎曲工藝疊加而成,會(huì)使管材發(fā)生偏轉(zhuǎn)。由于壓縮(旋轉(zhuǎn))和彎曲壓力(彎曲)的疊加,回彈和受力會(huì)降低。這一工藝原則已經(jīng)應(yīng)用于處理口徑最大達(dá)90mm管材的機(jī)械設(shè)置。除了將高強(qiáng)度鋼材制成管材外,增量管材成形工藝同樣適用于組件輕量化設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

      3 組件功能輕量化設(shè)計(jì)

      為了實(shí)現(xiàn)金屬組件的輕量化設(shè)計(jì),采用輕量化結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵。組件輕量化設(shè)計(jì)的基本原則是基于僅在必要區(qū)域進(jìn)行材料配置。為了實(shí)現(xiàn)這一目的,要通過附加材料加強(qiáng)高度重負(fù)荷部件區(qū)域,并移除輕負(fù)荷區(qū)域的材料。因此,在假定材料用途不變的情況下,零部件幾何圖形的變化可以減輕重量。在金屬體積成形和擠壓領(lǐng)域,對(duì)變截面材料擠壓和電磁成形工藝進(jìn)行了分析。

      變截面材料擠壓的目的在于,在熱擠壓工藝過程中,通過改變長(zhǎng)度來改變擠壓材料的橫截面。其優(yōu)勢(shì)是在模具中會(huì)產(chǎn)生輪廓,而這時(shí)材料處于塑料狀態(tài),這樣一來,當(dāng)材料處于模具中時(shí),整個(gè)成形過程就結(jié)束了。通過這種方法,材料在具備全部成形能力和無任何限制的狀態(tài)下完成生產(chǎn)??梢栽陂L(zhǎng)度小于400mm的材料上制作出矩形橫截面(30×30×4mm)的空心產(chǎn)品,其橫截面的變化約為0.72mm。

      為了將電磁成形技術(shù)整合到擠壓工藝中,可在模具出口和擠壓物同軸方向放置一個(gè)用于壓縮的工具線圈,以局部降低工件的橫截面。在分流擠壓模具的芯軸處安裝一個(gè)相同形狀的底模,延伸到工具線圈處。與自由成形工藝相比,除了可以獲得更加精確的幾何形狀以外,這一工藝可以增加局部擠壓區(qū)域的幾何復(fù)雜性。

      在組件功能輕量化設(shè)計(jì)中,另一個(gè)主要的目標(biāo)在于功能整合。即便是為了實(shí)現(xiàn)減重的效果,也沒有必要降低每一個(gè)部件的重量。事實(shí)上,應(yīng)該是對(duì)包括每一個(gè)單一零部件在內(nèi)的整體系統(tǒng)進(jìn)行修改,以達(dá)到減重的目的。生產(chǎn)材料的過程(如擠壓材料)具有功能整合的潛力。嵌入功能性元件,如導(dǎo)電體或數(shù)據(jù)線,可以實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部的信號(hào)或數(shù)據(jù)傳輸。

      4 輕量化成形發(fā)展前景

      關(guān)于輕量化設(shè)計(jì),預(yù)測(cè)和控制產(chǎn)品屬性的重要性正在增加。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝的主要特點(diǎn)是尺寸過大,因?yàn)樵O(shè)計(jì)工程師關(guān)注的焦點(diǎn)是公稱屬性,而未來的研究方向是預(yù)測(cè)和控制力學(xué)性能??梢岳梦⒂^結(jié)構(gòu)模型預(yù)測(cè)材料的物相、材質(zhì)或材料的損傷行為。

      考慮到材料的延性損傷行為,可以控制損傷到巨形裂縫之間的變化。工件中的損傷變化會(huì)限制產(chǎn)品在負(fù)重情況下的使用壽命。因此,工件的模型損傷變化提供了一個(gè)觀察材料非均勻性的機(jī)會(huì),如密集的巨形裂縫導(dǎo)致的材料退化和設(shè)計(jì)過程中的孔隙率。

      在資源短缺時(shí)期,人們對(duì)替代材料或材料組合的需求也在增加。纖維增強(qiáng)聚合物(碳、玻璃或聚芳基酰胺纖維)的重要性也在增加。由于缺乏成形性能和成形行為方面的相關(guān)知識(shí),越來越多的研究聚焦于這一主題。此外,可持續(xù)材料,如硫化纖維,可以對(duì)材料輕量化設(shè)計(jì)做出貢獻(xiàn)。在密度為1.2g/cm3時(shí)平均抗拉強(qiáng)度為90MPa,其特定強(qiáng)度是鋼材(S355JR)特定強(qiáng)度的90%,基于這樣的性能,硫化纖維已經(jīng)在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域成為有用的備選材料。

      鋁和碳素纖維這樣的輕量材料已經(jīng)應(yīng)用到一些領(lǐng)域中,但仍未對(duì)大批量生產(chǎn)的材料進(jìn)行探索。密度為1.74kg/dm3的鎂(大約比鋁輕35%)提供了一種減輕重量的選擇。然而,在加工過程中仍存在很多挑戰(zhàn)。基于室溫下的密排六方晶格結(jié)構(gòu),鎂在冷成形工藝中的塑形很低。在高溫狀態(tài)下(225℃以上),一方面,激活了額外的滑動(dòng)面,增強(qiáng)了塑形、降低了屈服壓力,有助于更好地成形。另一方面,高溫可以促進(jìn)低熔共晶體的產(chǎn)生,這可能會(huì)導(dǎo)致熱學(xué)問題,如擠壓過程中的過熱裂縫。同時(shí),高腐蝕性是這種材料的一大弊端。因?yàn)榇嬖谶@些挑戰(zhàn),所以應(yīng)用無鋁鎂合金越來越成為熱點(diǎn)。由于材料中不含鋁,固相線溫度(Tsol)會(huì)大量增加(AZ31(MgAl3Zn1)Tsol~435℃,ME21(MgMn2Ce1)Tsol~570℃),材料更易加工,尤其是在高溫狀態(tài)下。

      參考文獻(xiàn)

      [1]陶杰,劉紅兵.金屬管件冷成形技術(shù)研究進(jìn)展[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2009,38(04):1-5.

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