金属成形轻量化技术研究进展

莫非　张志明　曹红锦

摘 要：在金属成形的轻量化设计中，材料选用、组件功能整合以及成形方法的选用都会起到至关重要的作用，主要目标是降低组件的重量并节省资源。本文介绍了常用的传统工艺，如用于加工混合轻量化材料的挤压工艺，同时也介绍了新的成形技术，以更好地满足轻量化的要求。最后对轻量化成形工艺的发展前景进行了简要分析。

關键词：轻量化；成形；材料；工艺

中图分类号：TG306 文献标识码：A

1 引言

由于气候变化、资源短缺、全球化进程和市场力量，人们希望在更短的时间内用更低的成本、节省更多能源和材料，生产出有明确性能的产品。轻量化技术为各个领域的低能耗、环境友好型产品做出了贡献。根据现有的研究可以看出，轻量化技术基本是通过材料选用，组件功能整合以及成形工艺选择来实现的。

从材料的选用来看，用一种重量更轻的材料取代原有材料，如高强度钢材、轻金属（如镁或铝）和复合材料可以达到轻量化效果。组件功能整合指的不只是一个单独的部分，而是整个系统。通过功能整合，可以对某一单独组件进行增重，但是功能整合后，整个系统的重量会减轻。为了实现轻量化的要求，成形工艺和轻型结构学院已经研发了新的创新方法，可以探索材料的已知属性并扩展机械的可能性，加工并生产轻量化金属组件。

2 材料轻量化

2.1 混合组件

生产轻量化组件的第一步是选择合适的材料。从生产轻量化组件的材料方法来讲，假设工件几何类型相同，使用轻金属可以降低组件的重量。由于一些材料（如铝）的密度很低，所以其轻量化潜力很大。但是，铝的强度和弹性模量只有钢材的三分之一。由于使用的轻金属一定不能降低产品的性能，所以通过多种材料的组合使用，可以根据各种材料的特殊属性进行轻量化设计，更具优势。

连续强化工艺可以通过特殊的分流挤压模将传统的铝坯与高强度材料结合起来。在模具的焊接室中，两种材料结合成为一种复合材料。目前，研究出了生产强化材料的工艺，这种强化材料含有十一种元素，强化容量达到13.5%，元件上面的材料厚度为0.75mm。在尝试过程中，可达到厚度值0.45mm。

间断强化工艺基于传统挤压模具，将传统的铝坯和高强度材料结合起来。这样可以将间断强化材料嵌入到挤压物中，获得定制的材料或产品。这一工艺中的主要难度在于计算强化元件在挤压物中的位置，使其发挥工艺参数和材料流动的作用。目前研发了一种适用于生产间断强化材料的工艺，考虑到与材料外径相关的强化元件的可行尺寸，这样可以让内嵌在铝基体中的钢材元件实现良好的嵌入质量。大部分嵌入材料都是半成品，需要进一步加工，如锻造。

2.2 高强度钢材组件

对于材料轻量化设计，除混合组件外，另一方案是应用高强度钢材。钢材材料的主要优势是高强度重量比，这一点对于结构件来讲非常有用。因为结构件的壁厚可以更薄，部件的整体重量下降，那么这样一来，会增加燃油效率。由于高强度钢材具有相对较高的屈服应力，成形过程中需要更高的成形力。进一步来讲，由于屈服应力较高，回弹量也会更大。为了解决这些工艺问题，需要对现有工艺进行改进，或者需要研发出新的成形工艺。

在生产管型材料时，管材增量成形工艺可以在降低弯曲力和回弹的情况下，允许高强度钢管的弯曲。这一新工艺结合了管材旋压和管材弯曲工艺，生产出弯管材料。通过旋转设备传输管材，该设备围绕管材旋转，降低管材的外径。这一旋转工艺由弯曲工艺叠加而成，会使管材发生偏转。由于压缩（旋转）和弯曲压力（弯曲）的叠加，回弹和受力会降低。这一工艺原则已经应用于处理口径最大达90mm管材的机械设置。除了将高强度钢材制成管材外，增量管材成形工艺同样适用于组件轻量化设计领域。

3 组件功能轻量化设计

为了实现金属组件的轻量化设计，采用轻量化结构是关键。组件轻量化设计的基本原则是基于仅在必要区域进行材料配置。为了实现这一目的，要通过附加材料加强高度重负荷部件区域，并移除轻负荷区域的材料。因此，在假定材料用途不变的情况下，零部件几何图形的变化可以减轻重量。在金属体积成形和挤压领域，对变截面材料挤压和电磁成形工艺进行了分析。

变截面材料挤压的目的在于，在热挤压工艺过程中，通过改变长度来改变挤压材料的横截面。其优势是在模具中会产生轮廓，而这时材料处于塑料状态，这样一来，当材料处于模具中时，整个成形过程就结束了。通过这种方法，材料在具备全部成形能力和无任何限制的状态下完成生产。可以在长度小于400mm的材料上制作出矩形横截面（30×30×4mm）的空心产品，其横截面的变化约为0.72mm。

为了将电磁成形技术整合到挤压工艺中，可在模具出口和挤压物同轴方向放置一个用于压缩的工具线圈，以局部降低工件的横截面。在分流挤压模具的芯轴处安装一个相同形状的底模，延伸到工具线圈处。与自由成形工艺相比，除了可以获得更加精确的几何形状以外，这一工艺可以增加局部挤压区域的几何复杂性。

在组件功能轻量化设计中，另一个主要的目标在于功能整合。即便是为了实现减重的效果，也没有必要降低每一个部件的重量。事实上，应该是对包括每一个单一零部件在内的整体系统进行修改，以达到减重的目的。生产材料的过程（如挤压材料）具有功能整合的潜力。嵌入功能性元件，如导电体或数据线，可以实现材料内部的信号或数据传输。

4 轻量化成形发展前景

关于轻量化设计，预测和控制产品属性的重要性正在增加。传统设计工艺的主要特点是尺寸过大，因为设计工程师关注的焦点是公称属性，而未来的研究方向是预测和控制力学性能。可以利用微观结构模型预测材料的物相、材质或材料的损伤行为。

考虑到材料的延性损伤行为，可以控制损伤到巨形裂缝之间的变化。工件中的损伤变化会限制产品在负重情况下的使用寿命。因此，工件的模型损伤变化提供了一个观察材料非均匀性的机会，如密集的巨形裂缝导致的材料退化和设计过程中的孔隙率。

在资源短缺时期，人们对替代材料或材料组合的需求也在增加。纤维增强聚合物（碳、玻璃或聚芳基酰胺纤维）的重要性也在增加。由于缺乏成形性能和成形行为方面的相关知识，越来越多的研究聚焦于这一主题。此外，可持续材料，如硫化纤维，可以对材料轻量化设计做出贡献。在密度为1.2g/cm3时平均抗拉强度为90MPa，其特定强度是钢材（S355JR）特定强度的90%，基于这样的性能，硫化纤维已经在相关应用领域成为有用的备选材料。

铝和碳素纤维这样的轻量材料已经应用到一些领域中，但仍未对大批量生产的材料进行探索。密度为1.74kg/dm3的镁（大约比铝轻35%）提供了一种减轻重量的选择。然而，在加工过程中仍存在很多挑战。基于室温下的密排六方晶格结构，镁在冷成形工艺中的塑形很低。在高温状态下（225℃以上），一方面，激活了额外的滑动面，增强了塑形、降低了屈服压力，有助于更好地成形。另一方面，高温可以促进低熔共晶体的产生，这可能会导致热学问题，如挤压过程中的过热裂缝。同时，高腐蚀性是这种材料的一大弊端。因为存在这些挑战，所以应用无铝镁合金越来越成为热点。由于材料中不含铝，固相线温度（Tsol）会大量增加（AZ31（MgAl3Zn1）Tsol～435℃，ME21（MgMn2Ce1）Tsol～570℃），材料更易加工，尤其是在高温状态下。

参考文献

[1]陶杰，刘红兵.金属管件冷成形技术研究进展[J].机械制造与自动化，2009，38（04）：1-5.