机床轻量化：高能效与轻结构有效结合

 　　机床制造技术的主要长期目标一直是着眼于提高生产率和加工质量。

　　但近几年，随着环保意识的增强以及自然资源的日趋紧缺，生产过程中对能源、资源的有效利用以及降低污染在机床的设计理念中扮演着越来越重要的角色。

　　轻量化是技术方向

　　为了实现经济性和环保性的目标，机床轻结构技术应运而生。轻技术特别应用于相应加工工艺的符合刚度要求，轻结构技术起着至关重要的作用。

　　或许正是出于这种考虑，美国斯图加特大学机床研究所和弗劳恩霍夫生产技术与自动化研究所的新部门———轻结构技术部精密合作，将基础研究与生产应用研究以及教学活动想结合，更好地推动工业生产的革新与教学内容的与时俱进。

　　在第三届中德先进制造技术论坛上，与会专家认为，新型可持续生产方法的施行与新型工厂结构和组织管理结构的应用三者相结合，决定了工业制造企业在全球大规模市场的成败。

　　而新型可持续生产方法的其中一部分就是开发所谓的轻型材质，并将其拓展应用于新领域，继而开发与产品制造相适应的必要的生产与加工工艺。

　　以结构链为线索，轻结构首先要涉及的就是原材料问题，其次是新材料在后续加工过程中所要面临的挑战，比如因为切削加工的不同而引发的加工质量的评估办法，同事，加工技术与刀具也是一种新的视角和方向。

　　轻结构体在加工中的具体荷载特性和磨损特性以及由此引申出来的刀具设计理念也备受关注。

　　而最后，轻质材料来构造结构材料所必须的连接工艺也是一道难关，因为除了使用相匹配紧固件的方式以外，还存在使用粘合剂和粒子束的可能性。

　　业内人士表示，从能量角度出发，轻质材料的质量—强度比有着明显的优势，这也使它的应用领域被不断拓展。

　　长期以来，纤维复合材料在航空航天技术与风电设备等领域已经得到了充分的使用，未来可以预见的是，纤维复合材料必将在汽车制造行业大放异彩。

　　这就意味着，目前市场上的单件或者小规模的生产模式（大多为手工生产）必将通过自动化材料生产及加工工艺而改变，来实现大规模量产的目标。

　　汽车轻量化已成批应用

　　“不节能，产品就卖不动。”这一情况在2012年更为突出。特别是在日本，2011年日本大地震后，与能源紧缺相关的话题持续升温，消费者的节能意识不断提高。在这一背景下，能够实现轻量化的加工技术获得了比以往更高的关注。其中，推动相关开发的是汽车业。

　　目前汽车轻量化主要内容包括材料轻量化、设计轻量化、结构轻量化相结合的方式。

　　材料轻量化即通过钢板的替代材料或者轻金属材料来使车身轻量化，替代材料是以高强度钢板替代普通低碳冷轧钢板，提高零部件的强度和刚度，降低钢板厚度或者截面尺寸来减轻重量。

　　近年来，国内的汽车厂家也逐渐采用高强钢，例如奇瑞公司在其新开发的车型上使用的DP340高强钢的应用比例已达45%，部分车型达50%。东风汽车公司在商用车车架上采用了屈服强度700MPa级高强钢替代抗拉强度为510MPa级材料，通过结构优化实现主梁减重38kg，加强梁减重170kg，合计减重208kg，并且在车箱轻量化方面采用了700MPa级高强度钢板替代Q235生产标准车箱，实现减重20%~37%。

　　由于轻量化对提高燃效的贡献度较高，因此越来越多的汽车厂商对部件厂商提出了数值化目标，比如减轻10％重量等。在这种情况下，出现了大幅轻量化的实例。比如，日本KOIWAI公司以积层模具铸造技术“KOIWAI法”为武器，不断获得了订单。该公司制造出了比钢制现行产品减轻45％的汽车铝合金副车架，以及减轻40％的摩托车油箱架，获得了汽车厂商等的极大关注。

　　据悉，其通过用快速成型（RP）技术制造芯子后与低温模具组合，铸造出了壁薄且中空一体构造的副车架。

　　实际上材料技术，设计水平不高也影响着产品轻量化的发展。

　　中国工程学会轻量化技术创新战略联盟委员会成员认为，汽车轻量化技术并非仅仅依靠材料，汽车轻量化是设计、制造、材料技术集成的工程。例如，东风牵引车减重1400公斤，其中结构优化占19%，功能配置优化占40%，两者共占59%，真正新材料新技术只占41%。

　　如果仅把轻量化看成材料供应问题，会阻碍我国轻量化水平提高的主要技术瓶颈之一。

　　据悉，国产汽车轻量化目标是2013年目标车型中的燃油轿车减重5%~8%、混合动力客车减重10%；同时，要攻克7项技术，建立设计和评价方法，包括高强度钢零件的先进成型技术、纤维增强塑料的模块设计和应用技术、形变铝合金的开发和制造、多目标轻量化技术的集成应用和共性技术平台建设等。

　　而国内学术界，也在多方探讨，比如国内哈尔滨工业大学就利用内高压成形理论取代传统的冲压对焊零件，该方法具有重量轻、刚度和疲劳轻度好的优点，因此在汽车轻量化制造领域发挥了重要作用。

　　据介绍，内高压成形通过高压液体作用使管材发生塑性变形，所需压力往往高达200~400兆帕，因而得名。

　　但是压力越高，所需设备吨位越大，对模具承压能力、密封件结构可靠性、高压源压力的要求越高，导致产品成本增加。例如直径100mm的管材，在200兆帕成形，如果总长度达到2000mm，需合模力4000t。因此，通过改进工艺，降低内高压成形压力，是降低内高压成形技术门槛，减少设备投资、提高产品竞争力的重要途径。

　　回过头来继续谈机床，正是因为有了汽车、航空航天等新材料、新结构件的出现，需要机床这工作母机尽快做出调整，比如目前除了塑料材料外，美国外汽车行业都在尝试进行钛镁合金的应用，这对于机床而言，是一种新的挑战和尝试。

　　但值得注意的是，用户行业的需求不仅仅是为了满足其加工要求，还附加要求能在保证加工质量的同时，能够提高生产率和经济效益，并能进一步降低成本。

　　这些都需要机床企业做出创新变革，以适应用户行业不断提出的新要求。毕竟随需而变是机床制造行业的生存之本。

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