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。

“ 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。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，很是容易泛起切削加工变形，体现在结构对质料应力，切削力和热等因素发生的影响很是敏感。例如，由于薄壁零件自己的刚度较差，由于应力的释放，在每一次的切削加工中，就会泛起零件变形。

又如，因工件较薄切削热会引起工件热变形，从而使工件尺寸难以控制。再好比，在切削力的作用下，容易发生振动和变形，影响工件的尺寸精度，形状、位置精度和外貌粗拙度。其次，结构的庞大性导致许多部门难以触及，因此往往需要设计具有特殊几何形状的刀具。

同时，走刀轨迹也越发庞大（固然，这需要使用五轴联动加工中心），编程时思量的因素也就越多。与中德专家配合探讨轻量化质料加工，点击轻量化质料加工中德研讨会举行挂号。第四，对加工和辅助设备要求更高。

传统的三轴联动加工设备无法满足要求，所以用于轻量化质料的加工中心多数需要五轴联动甚至更高自由度的运动控制。例如通过6轴机械人对庞大曲面举行修边；有的机床厂商在铣头或事情台上增加自由度，以便刀头可以深入，制止主轴或刀具夹持机构碰触到零件。由质料导致的加工特殊性本段中提及的“轻量化质料”是指轻量化零件所使用的新型质料，主要包罗金属和复合质料。金属轻量化质料主要有铝合金，镁合金和钛合金；复合质料主要是纤维增强塑料基复材，主要包罗CFRP，GFRP和Kevlar；铝合金加工难点铝合金质料熔点低，特别在高速切削时一旦温度升高，就容易泛起较大塑性，很容易泛起粘刀的问题。

另外陪同着加工性质的差别，其参数与热处置惩罚状态也会有所差异。由于切削力的影响，铝合金质料在切削之后零件很容易泛起弹性应力变形。再有，由于铝自己的化学性质较为生动，因此容易与氢发生化学反映，零件的力学性能也会发生影响。镁合金加工难点镁合金极易发生电化腐蚀，其自身的防蚀处置惩罚较其它金属难题。

另外，燃点低，切削历程中必须思量温度的影响。同时，与铝合金加工类似，工件易变形。钛合金加工难点钛合金质料是现在较难加工的质料之一，因其热传导系数小、比热低、化学性能生动等特点，给机械加工带来一定的难度。由于质料导热性差，比热低，致使加工时局部升温快，切削温度很高，易损坏刀具；化学活性强，加工时外貌塑性下降，形成难加工的硬化层；此外，钛合金塑性低、硬度高，工件外貌回弹量大。

总之加工钛合金时物理化学反映十分庞大。树脂基的纤维增强复合质料加工难点CFRP，GFRP，Kevlar等典型的纤维增强复材FRP都属于难加工质料，在切削时容易发生大量有害粉尘，因此对设备的防尘要求较高。这类质料通常导热系数低，故切削温度高，基体容易软化或烧焦；由于各项异性，非匀称性，层间联合强度低等特性， 加工时容易发生分层，撕裂，破损，外貌粗拙等缺陷；另外，由于纤维的硬度较高，故对刀具 要求也较高。由于对复合质料的加工工艺研究时间并不长，所以无论是学界还是工业界都没有完整的理论体系来指导加工。

许多特种加工手段也都可以运用于复合质料，可是也并没有结论。汽车轻量化加工的工艺特殊性现在轻量化零件已广泛应用在航空航天，轨道交通，汽车，船舶，风电等多个行业。汽车行业对轻量化加工的技术要求与其它行业相比也具有特殊性。

例如汽车业对产物及工艺稳定性和自动化要求较高，因此对加工设备及辅助工具也提出了新的要求。汽车轻量化质料应用现在应用于汽车轻量化的质料可归纳综合分为：高强钢，轻合金和非金属。高强钢高强钢主要应用在汽车车身、底盘、悬架、转向等汽车零部件，如轿车外板、车门、顶盖，发念头罩，行李箱盖，车身底板等。高强钢属于传统的金加工领域，理论和实践履历富厚，主要思量的就是薄壁问题，主要工艺包罗修编，钻孔，铰孔，功丝，铣台面等。

对于车门这样的大型零件的切割和制孔加工，通常会接纳机械加工或激光切割的方式。轻合金与上一章节叙述相同，轻合金包罗铝合金，镁合金和钛合金。

汽车铝合金主要分为铸造铝合金和形变铝合金（工艺如铸造，挤压，内膨胀等）。当前汽车用铝合金以铸件为主，约占汽车用铝量的80%，主要用在制造发念头零部件、壳体类零件和底盘上的其他零件。现已大批量应用的零件有轿车发念头缸体、缸盖、离合器壳、保险杠、车轮、发念头托架等零部件。变形铝合金在车身零件及结构件的应用方面也生长较快，如应用日益广泛的铝合金车厢盖、发念头罩、提升式后车门、翼子板、保险杠、车厢底板结构件、热交流器、车轮以及车身骨架等。

镁合金具有重量轻，吸震性强，高强度，可接纳等特性。主要应用在车身，底盘，引擎系统，传动系统和内饰零件。镁合金的应用主要分为壳类和架类两类零件：壳类零件包罗气缸盖、离合器壳、变速器壳、滤油器壳、空气滤清器壳、分动器壳、增压器壳、灯罩等；架类零件包罗偏向盘、仪表盘、风扇架、挡泥板架、踏板托架、转向支架、刹车支架、灯托架、座椅架、车身支架、车门框架、轮毅等。

现在，钛合金主要用于制造汽车悬架弹簧和气门弹簧、发念头气门等高强度和抗氧化部件，由于钛合金由于成本过高，主要应用在跑车，赛车和豪华汽车中，普通量产型轿车并未应用。非金属高强度纤维复合质料也是受到成本限制，尚未获得广泛应用，可是由于原质料产能逐步提升使得质料成本逐渐下降，未来前景看好。

现在除了高端汽车之外，在量产型汽车中主要集中在汽车底盘、车身笼罩件和次结构部件。现在，各大厂家纷纷投入巨资研发碳纤维轻量化零件，例如宝马公司在与Fraunhofer互助开发碳纤维发念头缸体，已取得阶段性希望。

图4. 宝马及福特公司碳纤维发念头缸体测试样机汽车用塑料的主要类型包罗通用工程塑料、塑料合金和增强塑料。塑料在汽车上的应用由来已久，最早是用于仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各种护板等内装件，尔后逐渐向外装件、结构件和功效件扩展，如车身外板、后阻流板、保险杠、车轮罩、前后翼子板、举升门，以及油箱、散热器水室、风扇叶片、发念头进气管、气门室罩盖等。

泡沫在许多复合质料部件中充当芯材，在箱体类零件的铸造中充当消失模，因此对泡沫加工工艺的研究也不容忽视。下图为涡轮箱体部件的细密铸造消失模，有若干块泡沫加工后拼接而成。图5. 泡沫消失模汽车轻量化零件特点首先，对轻量化零件的加工是“产物级”而不是“工具级”。

加工工具以结构件为主，主要工艺是修边，打孔，攻丝，铣槽，切断等。与模具加工相比，加工精度低，切削量小，因此加工时发生切削力和切削热都相对较小，所以通常不接纳“湿切削”而是接纳“最小油雾化”冷却。另外，加工毛坯以型材件和薄壁零件为主，进给速度可以更快，加工时间通常较短。

可是要求更高的加工效率，工装夹具庞大，由于需要频繁更换工件，因此对自动化水平要求更高。汽车铝型材零件加工（PWG和BMW）其次，轻量化切削与传统的金切削有着本质差别，因此轻量化质料在切削历程中要思量的工艺问题也与金切削截然不同。

例如铝合金粘性大，强度相对较低，切削时容易粘刀，工艺类似塑料。而碳纤维复合质料强度大，加工时容易发生振颤，同时发生很大粉末，类似竹子和硬木切削。第三，融化切割和水切割等方式经常不行以用于轻量化质料。

例如铝合金具有高反射率和高导热性不适于激光切割。同时许多型材件要求退火和时效处置惩罚，而切割区域由于受高温作用，会使质料淬火硬化，因此在许多情况下，铝件的切割是不行以接纳这种高温的融化工艺的。而有一些复合质料是具有亲水性的，特别是由木料复合而成的汽车内饰件在切割时是不允许有切削液的，更不行以用水刀。

总之，轻量化质料特别是非金属轻量化的加工工艺可以说别开生面，与金切削并不具有显着的可比性。而我国的从业人员往往借鉴金属（高温合金）加工工艺，因此走了不少弯路。

汽车轻量化零件加工方法未完待续。作者及机构简介Reichenbacher Hamuel GmbH建立于1927年，从事细密机床，专用柔性制造设备和智能生产系统的研发和生产，同时提供全自动无人车间和智慧工厂的解决方案以及生产工艺革新，辅助工具设计，技术平台计划，升级计谋制定等专业咨询服务。其超高精度机床被广泛应用于航空发念头零件加工，为叶片和整体叶盘细密加工领域翘楚。吴昊阳 德国莱兴巴赫－哈缪公司（Reichenbacher Hamuel GmbH）亚太区商务总监，技术咨询照料-专用自动化（智能）制造系统的方案设计与项目实施，包罗工艺设备，自动控制及工业信息化；-针对工业4.0/中国制造2025/中国制造转型升级等观点和课题开展理论研究，并针对实际项目提供咨询服务和技术解决方案；-企业培训课程及专题陈诉：《欧洲中小制造企业转型升级的工业4.0之路》（包罗6大模块），《当现代设计遇到先进制造技术》，《汽车轻量化零件的先进加工技术》。

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