汽车轻量化质料最新加工技术概述(一)

本文摘要:“ 现在,汽车轻量化已成为行业局势所趋,本文旨在对轻量化质料的机械加工及相关技术举行梳理。”我们现在常说的“轻量化质料”主要指铝合金,镁合金,塑料,复合质料等。与传统的金属加工(这里主要指高温合金加工)差别,对于这类“有色金属及非金属质料” 的加工,海内外都没有特别完善的理论体系。 应该说,轻量化质料加工技术尚处在履历探索阶段,而市面上险些见不到关于非金属切削理论的书籍。

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“ 现在,汽车轻量化已成为行业局势所趋,本文旨在对轻量化质料的机械加工及相关技术举行梳理。”我们现在常说的“轻量化质料”主要指铝合金,镁合金,塑料,复合质料等。与传统的金属加工(这里主要指高温合金加工)差别,对于这类“有色金属及非金属质料” 的加工,海内外都没有特别完善的理论体系。

应该说,轻量化质料加工技术尚处在履历探索阶段,而市面上险些见不到关于非金属切削理论的书籍。而轻量化质料的切削工艺履历实际上更多是为加工企业以及工具设备供应商所掌握,因此本文将更多的从应用于轻量化质料机械加工的主流工具,设备和相关工业产物的技术先容出发,分析并梳理当下轻量化质料的主要加工技术。奥迪A8是最早接纳全铝车身结构的车型,而当初市面上并不存在适合铝合金结构件加工的机床,因此奥迪公司特别开发了用于铝合金结构件加工的CNC。

轻量化加工的界定当前无论是学术界还是工业界,都不存在明确的“轻量化加工”的界说。因此本文需要对讨论的工具首先做以界定。轻量化加工是指对轻量化零件举行加工,而实现零件轻量化手段主要有两种:一是通过合理的结构设计减轻重量,二是接纳新质料或改变特性的质料减轻零部件的重量。

在轻量化零件设计历程中,第一步往往是优化零件结构,与传统结构相比,新结构会减轻约莫30%的重量。第二步是接纳更换质料,如铝合金,镁合金,钛合金等有色金属,以及碳纤维,玻璃钢,塑料等非金属,另有种种复合质料。更换质料会使零件重量大幅减轻,但成本也会相应提高。因此,通过轻量化设计的零件往往具有结构庞大和质料特殊的特点,给加工带来难度。

“加工(machining)”这个词在机械制造领域里通常是指成型工艺(如铸造,冲压,铸造,模压等)之后,通已往除的方法,实现零件的精准外形,也就是现在常说的“减式制造”。加工的方式有许多,比力常见的如机械切削,电切削(电火花,电腐蚀),水切割,激光切割等。

本文所叙述的“轻量化加工”就是指在“轻量化零件”成型以后,对其不须要部门举行去除,进而实现设计所需精度的零件几何外形的工艺历程。值得提出的是,许多特殊功效要求的几何外貌需要通过高速铣,喷丸,打磨,热处置惩罚,酸洗,桁磨,镀层,抛光等工艺实现,而这些工艺中有些属于加工的领域,而有些属于外貌处置惩罚,本文会具有针对性的对加工相关的技术举行叙述,也会涉及到外貌处置惩罚技术领域。本文将主要叙述的“轻量化加工”是限定在汽车行业内,针对汽车的轻量化零件加工的最新技术和生长趋势向读者举行简要先容,同时也会参考其它行业如航空航天和铁路船舶的轻量化零件加工技术,使读者更全面地相识整个轻量化加工领域的最新动态。

轻量化零件的工艺要求由于轻量化设计包罗结构和质料两个步骤,所以轻量化零件具有结构庞大,质料多样的特性。因此加工轻量化零件主要也面临两个问题:一是零件形状庞大给装夹和加工带来贫苦;二是新质料特别是非金属质料的性能与金加工完全差别,缺乏加工履历,加工难度大。轻量化加工的特殊性零件设计的特殊性导致加工工艺的特殊性。与传统机械零件差别,轻量化零件通过结构设计和替换质料实现减重目的,因此轻量化零件的特殊结构和质料都导致了与传统加工相比具有显着的特殊性。

本章节根据以下逻辑思路展开:先叙述结构对加工工艺和设备的影响(纵向),再叙述差别轻量化质料的加工特性(横向)。由结构导致的加工特殊性结构设计是轻量化设计的第一步。通过优化结构减轻零件重量的价格是结构的庞大化,进而给加工工艺带来难度,使工装夹具的设计越发庞大,对加工设备的要求也越发苛刻。

例如通过使用有限元分析软件对现有零件举行“自适性拓扑优化(Adaptive topology optimization)”可以获得具有类似仿生结构的零件几何形状。大致历程是先设计出零件的基本几何形状,再划定出零件的牢固位置,受力部位和受力状态,然后使用有限元算法对零件的受力状态举行模拟,去除掉非关键部门的质料,或将非关键受力部门的质料增补到关键部门。通过若干次迭代获得最终的优化结构,再在优化后的有限元结构模型的基础上举行零件设计,获得最终的CAD数模。

显而易见,整个有限元盘算历程中发生的效果的庞大性是传统机械设计方法基础无法相比的。所以即便在人工设计的历程中对效果举行合理简化使其更适合加工(DFM),也无法制止加工庞大化的价格。图1 使用自适性拓扑优化方法举行轻量化设计流程下图是对某支架和法兰类零件的优化前后的比对。

可以看出优化后的零件具有十分庞大甚至仿生的拓扑结构。图2.优化前后零件结构对比这首先给成型工艺造成难度,需要设计制作极其庞大的模具或熔模。

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如果通过加工的方式,那么毛坯的去除量也会很大。Reichenbacher Hamuel 开发的激光熔覆-五轴加工一体CNC可以实现对这种庞大轻量化结构件的成型和功效外貌的高细密加工。

但现在主要应用于高附加值金属零件的修复和外貌镀层工艺。其次,庞大的零件结构给加工的装夹系统提出更高的要求。通过有限元优化后的零件多为薄壁零件,具有许多肋板结构,截面变化大,许多部位牢固时易变形,加工时易震动,因此零件的装夹设计比力难题。

而汽车零部件多为规模化量产,对生产效率要求很高,对夹具和零件装卸的自动化要求也高,所有这些因素都决议了轻量化切削中工装夹具等辅助系统的庞大性。下图为德国某机床公司设计的针对变截面薄壁零件的自动化真空吸附及气动装夹系统,部门气缸带有力反馈传感器。

图3. 轻量化零件的自动夹具第三,庞大的结构给加工工艺带来难题。首先,薄壁零件加工恒久以来一直是个工程难题,很是。


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