高能效與輕結(jié)構(gòu)有效結(jié)合 機(jī)床輕量化成技術(shù)方向

但近幾年，隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)以及自然資源的日趨緊缺，生產(chǎn)過程中對能源、資源的有效利用以及降低污染在機(jī)床的設(shè)計(jì)理念中扮演著越來越重要的角色。

輕量化是技術(shù)方向

為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的目標(biāo)，機(jī)床輕結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。輕技術(shù)特別應(yīng)用于相應(yīng)加工工藝的符合剛度要求，輕結(jié)構(gòu)技術(shù)起著至關(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(jī)床研究所和弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)與自動化研究所的新部門———輕結(jié)構(gòu)技術(shù)部精密合作，將基礎(chǔ)研究與生產(chǎn)應(yīng)用研究以及教學(xué)活動想結(jié)合，更好地推動工業(yè)生產(chǎn)的革新與教學(xué)內(nèi)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，與會專家認(rèn)為，新型可持續(xù)生產(chǎn)方法的施行與新型工廠結(jié)構(gòu)和組織管理結(jié)構(gòu)的應(yīng)用三者相結(jié)合，決定了工業(yè)制造企業(yè)在全球大規(guī)模市場的成敗。

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

以結(jié)構(gòu)鏈為線索，輕結(jié)構(gòu)首先要涉及的就是原材料問題，其次是新材料在后續(xù)加工過程中所要面臨的挑戰(zhàn)，比如因?yàn)榍邢骷庸さ牟煌l(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(jié)構(gòu)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的刀具設(shè)計(jì)理念也備受關(guān)注。

而最后，輕質(zhì)材料來構(gòu)造結(jié)構(gòu)材料所必須的連接工藝也是一道難關(guān)，因?yàn)槌耸褂孟嗥ヅ渚o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(nèi)人士表示，從能量角度出發(fā)，輕質(zhì)材料的質(zhì)量—強(qiáng)度比有著明顯的優(yōu)勢，這也使它的應(yīng)用領(lǐng)域被不斷拓展。

長期以來，纖維復(fù)合材料在航空航天技術(shù)與風(fēng)電設(shè)備等領(lǐng)域已經(jīng)得到了充分的使用，未來可以預(yù)見的是，纖維復(fù)合材料必將在汽車制造行業(yè)大放異彩。

這就意味著，目前市場上的單件或者小規(guī)模的生產(chǎn)模式(大多為手工生產(chǎn))必將通過自動化材料生產(chǎn)及加工工藝而改變，來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的目標(biāo)。

汽車輕量化已成批應(yīng)用

“不節(jié)能，產(chǎn)品就賣不動。”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)的話題持續(xù)升溫，消費(fèi)者的節(jié)能意識不斷提高。在這一背景下，能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化的加工技術(shù)獲得了比以往更高的關(guān)注。其中，推動相關(guān)開發(fā)的是汽車業(yè)。

目前汽車輕量化主要內(nèi)容包括材料輕量化、設(shè)計(jì)輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化相結(jié)合的方式。

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

近年來，國內(nèi)的汽車廠家也逐漸采用高強(qiáng)鋼，例如奇瑞公司在其新開發(fā)的車型上使用的DP340高強(qiáng)鋼的應(yīng)用比例已達(dá)45%，部分車型達(dá)50%。東風(fēng)汽車公司在商用車車架上采用了屈服強(qiáng)度700MPa級高強(qiáng)鋼替代抗拉強(qiáng)度為510MPa級材料，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)主梁減重38kg，加強(qiáng)梁減重170kg，合計(jì)減重208kg，并且在車箱輕量化方面采用了700MPa級高強(qiáng)度鋼板替代Q235生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)車箱，實(shí)現(xiàn)減重20%~37%。

由于輕量化對提高燃效的貢獻(xiàn)度較高，因此越來越多的汽車廠商對部件廠商提出了數(shù)值化目標(biāo)，比如減輕10%重量等。在這種情況下，出現(xiàn)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(xiàn)行產(chǎn)品減輕45%的汽車鋁合金副車架，以及減輕40%的摩托車油箱架，獲得了汽車廠商等的極大關(guān)注。

據(jù)悉，其通過用快速成型(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(gòu)造的副車架。

中國工程學(xué)會輕量化技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟委員會成員認(rèn)為，汽車輕量化技術(shù)并非僅僅依靠材料，汽車輕量化是設(shè)計(jì)、制造、材料技術(shù)集成的工程。例如，東風(fēng)牽引車減重1400公斤，其中結(jié)構(gòu)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(yīng)問題，會阻礙我國輕量化水平提高的主要技術(shù)瓶頸之一。

據(jù)悉，國產(chǎn)汽車輕量化目標(biāo)是2013年目標(biāo)車型中的燃油轎車減重5%~8%、混合動力客車減重10%;同時(shí)，要攻克7項(xiàng)技術(shù)，建立設(shè)計(jì)和評價(jià)方法，包括高強(qiáng)度鋼零件的先進(jìn)成型技術(shù)、纖維增強(qiáng)塑料的模塊設(shè)計(jì)和應(yīng)用技術(shù)、形變鋁合金的開發(fā)和制造、多目標(biāo)輕量化技術(shù)的集成應(yīng)用和共性技術(shù)平臺建設(shè)等。

而國內(nèi)學(xué)術(shù)界，也在多方探討，比如國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)就利用內(nèi)高壓成形理論取代傳統(tǒng)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)，因此在汽車輕量化制造領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

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

但是壓力越高，所需設(shè)備噸位越大，對模具承壓能力、密封件結(jié)構(gòu)可靠性、高壓源壓力的要求越高，導(dǎo)致產(chǎn)品成本增加。例如直徑100mm的管材，在200兆帕成形，如果總長度達(dá)到2000mm，需合模力4000t。因此，通過改進(jìn)工藝，降低內(nèi)高壓成形壓力，是降低內(nèi)高壓成形技術(shù)門檻，減少設(shè)備投資、提高產(chǎn)品競爭力的重要途徑。

回過頭來繼續(xù)談機(jī)床，正是因?yàn)橛辛似?、航空航天等新材料、新結(jié)構(gòu)件的出現(xiàn)，需要機(jī)床這工作母機(jī)盡快做出調(diào)整，比如目前除了塑料材料外，美國外汽車行業(yè)都在嘗試進(jìn)行鈦鎂合金的應(yīng)用，這對于機(jī)床而言，是一種新的挑戰(zhàn)和嘗試。

但值得注意的是，用戶行業(yè)的需求不僅僅是為了滿足其加工要求，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(jì)效益，并能進(jìn)一步降低成本。

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