高能效與輕結構有效結合 機床輕量化成技術(shù)方向

但近幾年，隨著(zhù)環(huán)保意識的增強以及自然資源的日趨緊缺，生產(chǎn)過(guò)程中對能源、資源的有效利用以及降低污染在機床的設計理念中扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。

輕量化是技術(shù)方向

為了實(shí)現經(jīng)濟性和環(huán)保性的目標，機床輕結構技術(shù)應運而生。輕技術(shù)特別應用于相應加工工藝的符合剛度要求，輕結構技術(shù)起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

或許正是出于這種考慮，美國斯圖加特大學(xué)機床研究所和弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)與自動(dòng)化研究所的新部門(mén)———輕結構技術(shù)部精密合作，將基礎研究與生產(chǎn)應用研究以及教學(xué)活動(dòng)想結合，更好地推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的革新與教學(xué)內容的與時(shí)俱進(jìn)。

在第三屆中德先進(jìn)制造技術(shù)論壇上，與會(huì )專(zhuān)家認為，新型可持續生產(chǎn)方法的施行與新型工廠(chǎng)結構和組織管理結構的應用三者相結合，決定了工業(yè)制造企業(yè)在全球大規模市場(chǎng)的成敗。

而新型可持續生產(chǎn)方法的其中一部分就是開(kāi)發(fā)所謂的輕型材質(zhì)，并將其拓展應用于新領(lǐng)域，繼而開(kāi)發(fā)與產(chǎn)品制造相適應的必要的生產(chǎn)與加工工藝。

以結構鏈為線(xiàn)索，輕結構首先要涉及的就是原材料問(wèn)題，其次是新材料在后續加工過(guò)程中所要面臨的挑戰，比如因為切削加工的不同而引發(fā)的加工質(zhì)量的評估辦法，同事，加工技術(shù)與刀具也是一種新的視角和方向。

輕結構體在加工中的具體荷載特性和磨損特性以及由此引申出來(lái)的刀具設計理念也備受關(guān)注。

而最后，輕質(zhì)材料來(lái)構造結構材料所必須的連接工藝也是一道難關(guān)，因為除了使用相匹配緊固件的方式以外，還存在使用粘合劑和粒子束的可能性。

業(yè)內人士表示，從能量角度出發(fā)，輕質(zhì)材料的質(zhì)量—強度比有著(zhù)明顯的優(yōu)勢，這也使它的應用領(lǐng)域被不斷拓展。

長(cháng)期以來(lái)，纖維復合材料在航空航天技術(shù)與風(fēng)電設備等領(lǐng)域已經(jīng)得到了充分的使用，未來(lái)可以預見(jiàn)的是，纖維復合材料必將在汽車(chē)制造行業(yè)大放異彩。

這就意味著(zhù)，目前市場(chǎng)上的單件或者小規模的生產(chǎn)模式(大多為手工生產(chǎn))必將通過(guò)自動(dòng)化材料生產(chǎn)及加工工藝而改變，來(lái)實(shí)現大規模量產(chǎn)的目標。

汽車(chē)輕量化已成批應用

“不節能，產(chǎn)品就賣(mài)不動(dòng)。”這一情況在2012年更為突出。特別是在日本，2011年日本大地震后，與能源緊缺相關(guān)的話(huà)題持續升溫，消費者的節能意識不斷提高。在這一背景下，能夠實(shí)現輕量化的加工技術(shù)獲得了比以往更高的關(guān)注。其中，推動(dòng)相關(guān)開(kāi)發(fā)的是汽車(chē)業(yè)。

目前汽車(chē)輕量化主要內容包括材料輕量化、設計輕量化、結構輕量化相結合的方式。

材料輕量化即通過(guò)鋼板的替代材料或者輕金屬材料來(lái)使車(chē)身輕量化，替代材料是以高強度鋼板替代普通低碳冷軋鋼板，提高零部件的強度和剛度，降低鋼板厚度或者截面尺寸來(lái)減輕重量。

近年來(lái)，國內的汽車(chē)廠(chǎng)家也逐漸采用高強鋼，例如奇瑞公司在其新開(kāi)發(fā)的車(chē)型上使用的DP340高強鋼的應用比例已達45%，部分車(chē)型達50%。東風(fēng)汽車(chē)公司在商用車(chē)車(chē)架上采用了屈服強度700MPa級高強鋼替代抗拉強度為510MPa級材料，通過(guò)結構優(yōu)化實(shí)現主梁減重38kg，加強梁減重170kg，合計減重208kg，并且在車(chē)箱輕量化方面采用了700MPa級高強度鋼板替代Q235生產(chǎn)標準車(chē)箱，實(shí)現減重20%~37%。

由于輕量化對提高燃效的貢獻度較高，因此越來(lái)越多的汽車(chē)廠(chǎng)商對部件廠(chǎng)商提出了數值化目標，比如減輕10%重量等。在這種情況下，出現了大幅輕量化的實(shí)例。比如，日本KOIWAI公司以積層模具鑄造技術(shù)“KOIWAI法”為武器，不斷獲得了訂單。該公司制造出了比鋼制現行產(chǎn)品減輕45%的汽車(chē)鋁合金副車(chē)架，以及減輕40%的摩托車(chē)油箱架，獲得了汽車(chē)廠(chǎng)商等的極大關(guān)注。

據悉，其通過(guò)用快速成型(RP)技術(shù)制造芯子后與低溫模具組合，鑄造出了壁薄且中空一體構造的副車(chē)架。

中國工程學(xué)會(huì )輕量化技術(shù)創(chuàng )新戰略聯(lián)盟委員會(huì )成員認為，汽車(chē)輕量化技術(shù)并非僅僅依靠材料，汽車(chē)輕量化是設計、制造、材料技術(shù)集成的工程。例如，東風(fēng)牽引車(chē)減重1400公斤，其中結構優(yōu)化占19%，功能配置優(yōu)化占40%，兩者共占59%，真正新材料新技術(shù)只占41%。

如果僅把輕量化看成材料供應問(wèn)題，會(huì )阻礙我國輕量化水平提高的主要技術(shù)瓶頸之一。

據悉，國產(chǎn)汽車(chē)輕量化目標是2013年目標車(chē)型中的燃油轎車(chē)減重5%~8%、混合動(dòng)力客車(chē)減重10%;同時(shí)，要攻克7項技術(shù)，建立設計和評價(jià)方法，包括高強度鋼零件的先進(jìn)成型技術(shù)、纖維增強塑料的模塊設計和應用技術(shù)、形變鋁合金的開(kāi)發(fā)和制造、多目標輕量化技術(shù)的集成應用和共性技術(shù)平臺建設等。

而國內學(xué)術(shù)界，也在多方探討，比如國內哈爾濱工業(yè)大學(xué)就利用內高壓成形理論取代傳統的沖壓對焊零件，該方法具有重量輕、剛度和疲勞輕度好的優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車(chē)輕量化制造領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

據介紹，內高壓成形通過(guò)高壓液體作用使管材發(fā)生塑性變形，所需壓力往往高達200~400兆帕，因而得名。

但是壓力越高，所需設備噸位越大，對模具承壓能力、密封件結構可靠性、高壓源壓力的要求越高，導致產(chǎn)品成本增加。例如直徑100mm的管材，在200兆帕成形，如果總長(cháng)度達到2000mm，需合模力4000t。因此，通過(guò)改進(jìn)工藝，降低內高壓成形壓力，是降低內高壓成形技術(shù)門(mén)檻，減少設備投資、提高產(chǎn)品競爭力的重要途徑。

回過(guò)頭來(lái)繼續談機床，正是因為有了汽車(chē)、航空航天等新材料、新結構件的出現，需要機床這工作母機盡快做出調整，比如目前除了塑料材料外，美國外汽車(chē)行業(yè)都在嘗試進(jìn)行鈦鎂合金的應用，這對于機床而言，是一種新的挑戰和嘗試。

但值得注意的是，用戶(hù)行業(yè)的需求不僅僅是為了滿(mǎn)足其加工要求，還附加要求能在保證加工質(zhì)量的同時(shí)，能夠提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益，并能進(jìn)一步降低成本。

這些都需要機床企業(yè)做出創(chuàng )新變革，以適應用戶(hù)行業(yè)不斷提出的新要求。畢竟隨需而變是機床制造行業(yè)的生存之本。