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

放大字體??縮小字體 發(fā)布日期:2013-01-11
核心提示:機床制造技術(shù)的主要長期目標(biāo)一直是著眼于提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。
    機床制造技術(shù)的主要長期目標(biāo)一直是著眼于提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。

但近幾年,隨著環(huán)保意識的增強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床的設(shè)計理念中扮演著越來越重要的角色。

輕量化是技術(shù)方向

為了實現(xiàn)經(jīng)濟性和環(huán)保性的目標(biāo),機床輕結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)運而生。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)容的與時俱進。

在第三屆中德先進制造技術(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(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(nèi)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減輕重量。

近年來,國內(nèi)的汽車廠家也逐漸采用高強鋼,例如奇瑞公司在其新開發(fā)的車型上使用的DP340高強鋼的應(yīng)用比例已達45%,部分車型達50%。東風(fēng)汽車公司在商用車車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,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)主梁減重38kg,加強梁減重170kg,合計減重208kg,并且在車箱輕量化方面采用了700MPa級高強度鋼板替代Q235生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)車箱,實現(xiàn)減重20%~37%。

由于輕量化對提高燃效的貢獻度較高,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、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,要攻克7項技術(shù),建立設(shè)計和評價方法,包括高強度鋼零件的先進成型技術(shù)、纖維增強塑料的模塊設(shè)計和應(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,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,如果總長度達到2000mm,需合模力4000t。因此,通過改進工藝,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)談機床,正是因為有了汽車、航空航天等新材料、新結(jié)構(gòu)件的出現(xiàn),需要機床這工作母機盡快做出調(diào)整,比如目前除了塑料材料外,美國外汽車行業(yè)都在嘗試進行鈦鎂合金的應(yīng)用,這對于機床而言,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,能夠提高生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益,并能進一步降低成本。

這些都需要機床企業(yè)做出創(chuàng)新變革,以適應(yīng)用戶行業(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。

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