金屬成形輕量化技術研究進展

莫非　張志明　曹紅錦

摘 要：在金屬成形的輕量化設計中，材料選用、組件功能整合以及成形方法的選用都會起到至關重要的作用，主要目標是降低組件的重量并節省資源。本文介紹了常用的傳統工藝，如用于加工混合輕量化材料的擠壓工藝，同時也介紹了新的成形技術，以更好地滿足輕量化的要求。最后對輕量化成形工藝的發展前景進行了簡要分析。

關鍵詞：輕量化；成形；材料；工藝

中圖分類號：TG306 文獻標識碼：A

1 引言

由于氣候變化、資源短缺、全球化進程和市場力量，人們希望在更短的時間內用更低的成本、節省更多能源和材料，生產出有明確性能的產品。輕量化技術為各個領域的低能耗、環境友好型產品做出了貢獻。根據現有的研究可以看出，輕量化技術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現的。

從材料的選用來看，用一種重量更輕的材料取代原有材料，如高強度鋼材、輕金屬（如鎂或鋁）和復合材料可以達到輕量化效果。組件功能整合指的不只是一個單獨的部分，而是整個系統。通過功能整合，可以對某一單獨組件進行增重，但是功能整合后，整個系統的重量會減輕。為了實現輕量化的要求，成形工藝和輕型結構學院已經研發了新的創新方法，可以探索材料的已知屬性并擴展機械的可能性，加工并生產輕量化金屬組件。

2 材料輕量化

2.1 混合組件

生產輕量化組件的第一步是選擇合適的材料。從生產輕量化組件的材料方法來講，假設工件幾何類型相同，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品的性能，所以通過多種材料的組合使用，可以根據各種材料的特殊屬性進行輕量化設計，更具優勢。

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

間斷強化工藝基于傳統擠壓模具，將傳統的鋁坯和高強度材料結合起來。這樣可以將間斷強化材料嵌入到擠壓物中，獲得定制的材料或產品。這一工藝中的主要難度在于計算強化元件在擠壓物中的位置，使其發揮工藝參數和材料流動的作用。目前研發了一種適用于生產間斷強化材料的工藝，考慮到與材料外徑相關的強化元件的可行尺寸，這樣可以讓內嵌在鋁基體中的鋼材元件實現良好的嵌入質量。大部分嵌入材料都是半成品，需要進一步加工，如鍛造。

2.2 高強度鋼材組件

對于材料輕量化設計，除混合組件外，另一方案是應用高強度鋼材。鋼材材料的主要優勢是高強度重量比，這一點對于結構件來講非常有用。因為結構件的壁厚可以更薄，部件的整體重量下降，那么這樣一來，會增加燃油效率。由于高強度鋼材具有相對較高的屈服應力，成形過程中需要更高的成形力。進一步來講，由于屈服應力較高，回彈量也會更大。為了解決這些工藝問題，需要對現有工藝進行改進，或者需要研發出新的成形工藝。

在生產管型材料時，管材增量成形工藝可以在降低彎曲力和回彈的情況下，允許高強度鋼管的彎曲。這一新工藝結合了管材旋壓和管材彎曲工藝，生產出彎管材料。通過旋轉設備傳輸管材，該設備圍繞管材旋轉，降低管材的外徑。這一旋轉工藝由彎曲工藝疊加而成，會使管材發生偏轉。由于壓縮（旋轉）和彎曲壓力（彎曲）的疊加，回彈和受力會降低。這一工藝原則已經應用于處理口徑最大達90mm管材的機械設置。除了將高強度鋼材制成管材外，增量管材成形工藝同樣適用于組件輕量化設計領域。

3 組件功能輕量化設計

為了實現金屬組件的輕量化設計，采用輕量化結構是關鍵。組件輕量化設計的基本原則是基于僅在必要區域進行材料配置。為了實現這一目的，要通過附加材料加強高度重負荷部件區域，并移除輕負荷區域的材料。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域，對變截面材料擠壓和電磁成形工藝進行了分析。

變截面材料擠壓的目的在于，在熱擠壓工藝過程中，通過改變長度來改變擠壓材料的橫截面。其優勢是在模具中會產生輪廓，而這時材料處于塑料狀態，這樣一來，當材料處于模具中時，整個成形過程就結束了。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下完成生產。可以在長度小于400mm的材料上制作出矩形橫截面（30×30×4mm）的空心產品，其橫截面的變化約為0.72mm。

為了將電磁成形技術整合到擠壓工藝中，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域的幾何復雜性。

在組件功能輕量化設計中，另一個主要的目標在于功能整合。即便是為了實現減重的效果，也沒有必要降低每一個部件的重量。事實上，應該是對包括每一個單一零部件在內的整體系統進行修改，以達到減重的目的。生產材料的過程（如擠壓材料）具有功能整合的潛力。嵌入功能性元件，如導電體或數據線，可以實現材料內部的信號或數據傳輸。

4 輕量化成形發展前景

關于輕量化設計，預測和控制產品屬性的重要性正在增加。傳統設計工藝的主要特點是尺寸過大，因為設計工程師關注的焦點是公稱屬性，而未來的研究方向是預測和控制力學性能。可以利用微觀結構模型預測材料的物相、材質或材料的損傷行為。

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限制產品在負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觀察材料非均勻性的機會，如密集的巨形裂縫導致的材料退化和設計過程中的孔隙率。

在資源短缺時期，人們對替代材料或材料組合的需求也在增加。纖維增強聚合物（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知識，越來越多的研究聚焦于這一主題。此外，可持續材料，如硫化纖維，可以對材料輕量化設計做出貢獻。在密度為1.2g/cm3時平均抗拉強度為90MPa，其特定強度是鋼材（S355JR）特定強度的90%，基于這樣的性能，硫化纖維已經在相關應用領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應用到一些領域中，但仍未對大批量生產的材料進行探索。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。基于室溫下的密排六方晶格結構，鎂在冷成形工藝中的塑形很低。在高溫狀態下（225℃以上），一方面，激活了額外的滑動面，增強了塑形、降低了屈服壓力，有助于更好地成形。另一方面，高溫可以促進低熔共晶體的產生，這可能會導致熱學問題，如擠壓過程中的過熱裂縫。同時，高腐蝕性是這種材料的一大弊端。因為存在這些挑戰，所以應用無鋁鎂合金越來越成為熱點。由于材料中不含鋁，固相線溫度（Tsol）會大量增加（AZ31（MgAl3Zn1）Tsol～435℃，ME21（MgMn2Ce1）Tsol～570℃），材料更易加工，尤其是在高溫狀態下。

參考文獻

[1]陶杰，劉紅兵.金屬管件冷成形技術研究進展[J].機械制造與自動化，2009，38（04）：1-5.