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.