利用成形技术实现汽车零部件轻量化——之结构轻量化设计
介绍
轻量化设计是交通运输和汽车行业减少二氧化碳排放的关键驱动因素。对电动和混合动力汽车日益增长的需求需要新的概念和轻量化技术和工艺的发展，以生产轻量化零件和汽车零件。轻量化是一种结构理念，旨在最大限度地节省零件和模块的重量。本文采用了三种不同的轻量化设计策略。
（1）材料轻量化设计
这种设计策略利用了材料本身的优点。根据密度和材料特性，不同的材料达到不同的强度和/或刚度水平。材料轻量化设计可以通过使用具有高特性的单一材料来实现，也可以通过材料的组合，利用不同材料的最佳组合成复合材料或混合材料。材料轻量化设计是结构轻量化设计的一个子集。
（2）结构轻量化设计
通过拓扑优化、形状优化和参数优化对零件进行开发和设计。目的是改变形状和形式，以减少重量，同时刚度和/或强度增加或保持不变。将结构组合成一个组件可以形成一个轻量化系统;因此，结构轻量化设计是系统轻量化设计的一个子集。
（3）系统轻量化
这意味着将各个部件组合成一个比参考系统更轻的系统。系统总是由组合到一个总成的组件组成，例如一辆汽车或一辆汽车的模块，就像结构笼。为了产生一个轻量化系统，系统的组成部分需要自己也轻量化。通过将功能集成到一个新组件中来减少部分，这也是系统轻量化设计。为了实现零件轻量化的目标，下一层次的轻量化设计是系统轻量化设计的子集。
所有上述轻量化策略的目标都是最大限度地减少重量。一个关键的方面是选择用于减重计算的参考系统。Hahn等人[1]提出了一种评价设计和轻量化水平的新概念——真正的轻量化程度。这个新参数克服了当前的工业实践，即如果一个新组件比之前的版本更轻，那么它通常与轻量化设计相关联。真正的轻量化程度确保了沿着开发链的可加性，并且能够预测面向刚度的组件[1]的质量最小化材料选择。
生产轻量化零件需要创新的工艺和材料概念。大多数汽车部件是使用成形技术制造的。图1展示了可以使用创新成型工艺制造的各种汽车部件。也指出了采用后一种工艺可以制造的相应零件。
可用于制造轻量化汽车零件的工艺
电动汽车近年来发展迅速，在未来的制造设施中扮演着越来越重要的角色;图2显示了在这种相对较新的车型中成形应用的潜在用例。对比图1和图2所示的内燃机车和电动汽车，可以明显看出两者的区别。几乎整个传动系统总成都被电池总成和电动机等电气元件所取代。特别是，电池外壳在碰撞安全[2]中起着关键作用，在发生事故时需要加以保护。
可用于制造电动汽车轻量化零件的工艺
在理论上高于所有制造过程和材料概念的零件属性是制造过程中的损伤演化，这在3.4节中进行了讨论。在进行轻量化设计时，损伤是一个重要的特性，它被定义为在成形过程中或之后零件内部的空穴演化。它使人们能够了解工艺诱导的空洞生长，而空洞生长会削弱零件的性能。对这一影响的深入理解有助于正确地评估和设计一个特定的负载情况下的零件，而不会有过度设计和使用更多的材料的危险。
本文着重介绍了利用成形技术生产汽车工业轻量化零件的工艺和材料概念。今天与大家一起分享基于成形技术的结构轻量化设计。
增量板块金属成形
增量板块金属成形提供了多种轻量化设计可能性。可以生产具有定制性能的复杂形状部件和功能部件。从钣金生产高强度钢零件是这一工艺的关键好处之一。在两轴和三轴应力应变条件下，通过形状的塑性变化，将大块成形工艺应用于板料生产近净成形零件。这意味着，通过成形操作和/或功能元素(如齿轮、附着点或厚度变化)，平板在平面外方向增厚，这些元素集成在平板的圆周上，如图10所示。图10中，F为工具力;Fclamp是夹紧力。零件边缘可以加厚，齿轮齿等功能可以集成。
板料成形加工工艺原理;采用渐进式板块金属成形法进行边缘加厚和齿轮成形的工艺原理
增量式板块成形工艺(iSBMF)是板块成形工艺的一种改进。生产非旋转对称零件的可能性是这种工艺的特点。iSBMF工艺使负载适应和功能组件[24]的高效制造成为可能。可能的应用这个工艺的零件有,目前由传统工艺（例如,铣削）生产的座椅调节器或起动齿轮,但是可能部分iSBMF可以应用于减轻部件重量没有减少零件的性能,尤其是当使用高强度钢,如图11所示。
常规制造的功能部件:a启动齿轮(温克尔曼);b座椅调整器(佛吉亚)[24]
iSBMF工艺可以应用于生产零件，以满足特定用例的特定尺寸和设计要求，如图11b所示。为此，Sieczkarek等人[23]开发了一种新型五轴成形压力机，以满足这种工艺的特殊需要，如图12所示。
这一领域的未来研究将集中在混合零件和元件的成形行为研究上。iSBMF工艺的轻量化应用是传动系齿轮和座椅调整齿轮的制造。
成形连接
成形连接是一种工艺概念，它通过至少一个连接伙伴的塑性变形来连接两种材料。这一过程在轻量化设计中尤其有趣，因为它通过形式、力或材料的配合取代了螺钉、铆钉或其他部件的连接操作。通过塑性变形连接提供了提高精度、可靠性和环境安全性的潜力，并有机会通过连接不同材料[25]来设计新产品。
电磁脉冲焊接
不同的材料，如混合动力传动轴，可以在减轻重量的同时满足机械要求。对于传统的熔焊工艺来说，异种金属管与混合元件的连接是一个挑战。因此，磁脉冲焊接(MPW)可以用来连接这些部件，因为它是基于连接伙伴之间的高速碰撞，而不需要额外的热源[26]。MPW工艺和放电引起的飞片加速度如图13所示，其中C为电容器;Ri是电阻器。该工艺允许材料粘合接头，其工艺原理如下:电容器组提供电能，可在几微秒内放电，并通过导电片中的磁场诱导二次电流。在线圈和飞片之间的洛伦兹力的作用下，飞片在径向上加速。飞片与固定内件高速碰撞，并在接合件界面处产生高压。结果形成了一个所谓的射流，它由两个连接伙伴[26]的表面粒子组成，并伴随着一个特征的光发射来监测和控制MPW过程[27]。
电磁压缩MPW工艺:a飞片的电磁加速度;b飞轮与基体之间的碰撞;
b过程在碰撞区;d一个铝-钢接头的例子[26]
Lueg-Althoff etal .[26]等人利用MPW工艺进行了成功的实验研究，以降低壁厚的方式连接不同的金属管(铝管连接钢管，铝管连接铜管)。一个可能的应用是生产由不同材料[28]组成的传动轴。通过这种方法，双金属短轴被生产到铝钢驱动轴上，如图14所示。
Spicer双金属短轴采用铝和钢[28]磁脉冲焊接而成
无模液压成形连接
为了在不需要外部热源的情况下生产接头，可以使用无模液压成形(DHF)。Müller等人[29]提出了一种通过水力膨胀产生搭接接头的连接工艺。其原理在于两个连接伙伴由于变形而产生的弹性恢复的差异，因此在他们的接触区域内存在剩余的径向接触压力。这为在轻量化应用中连接部件提供了巨大的潜力。可以加入旋转对称和非旋转对称[29]型线。可以生产过盈配合接头和形式配合接头。过盈配合依赖于连接伙伴重叠之间的摩擦。如图15所示，模板配合接头在内部和外部连接伙伴之间产生凹边。成形配合接头在扭矩载荷作用下产生的咬边具有很大的优点。可承受的负荷已经显著增加，最小的重叠仅为0.1毫米[30]。
无模液压成形连接的工序[29]
对于轻量化结构的制造，DHF是热基连接工艺的一个很好的选择。Next 除了生产传动轴，另一个应用是生产轻型框架结构。Marré等人[31]研究了多个管状部件通过一个节点连接，以宝马C1E摩托车轻量化车架结构为灵感，创建了一个总成，如图16所示。
轻型框架结构的灵感来自宝马C1E摩托车[31]
可变截面型材/管
通过调整管的直径和弯曲曲率，可以产生可变管的拓扑结构和形成高强度材料的可能性，这是当前轻量化设计的趋势。由于回弹的增加趋势，高强度材料弯曲[33]具有挑战性。
增量管形成
为了克服和减少高强度材料的回弹问题，发明了[34]增量管成形(ITF)工艺。ITF结合了增量管旋压和连续管弯曲技术，这两种工艺同时进行。该工艺为生产具有可变直径和可自由定义弯曲曲率的管材提供了可能性，如图17所示，其中RL是弯曲半径。
增量管成形(ITF):a一种工艺原理b应用[35]
初始管通过旋转辊进料，以设定所需的管径和应力叠加的大小。同时，弯曲工具叠加一个额外的弯矩，以使管材达到所需的形状，如图17a所示。如图17b所示，分别用DP 800和DP 1000两种高强度钢进行管材弯曲。与传统弯管工艺[36]相比，应力叠加导致弯矩显著降低。几乎自由形成高强度材料的可能性可以用于生产汽车应用的防撞杆等部件。
ITF工艺的另一个应用是制造在高温[37]下运行的钛管。钛管提供高强度重量比和耐腐蚀性能，使其成为轻质应用的理想选择，特别是在腐蚀性环境中。不幸的是，钛的低成形性与高强度结合在一起，因此在确定的弯曲操作中成形具有挑战性。适应的ITF工艺与一个额外的电感可以用来加热钛管更高的延展性。结合通过应力叠加减少的弯曲力，该设备具有将钛管弯曲成复杂形状并具有良好尺寸稳定性[37]的潜力。
增量型材成形工艺
开发了变截面型材的生产——增量型材成形(IPF)工艺。该工艺允许沿管或型材[38]的中心线生产具有可变截面设计的管和型材。该工艺结合了高工艺灵活性和高工件复杂性。Grzancic等人开发了一种新的机器概念和原型，可以加工直径高达80毫米的薄壁管和型材，如图18所示。高度柔性成形过程可以看作是渐进的，因为它要经过几个步骤。
增量型面成形(IPF)：a工艺运动学问题;b机器可能的设置;c来自不同机器设备的样品工件[38,39]
图18a显示了Staupendahl等人[39]首次描述的一般工艺原理，其中zp是剖面进料;Rst,1和Rst,2是激光探头;α是旋转角度。不同数量的激光探头围绕轮廓轴呈圆形排列，它们可以彼此独立地移动到轮廓线中。初始截面可以是不同的，如二次截面、圆形截面、矩形截面等。管材的成形是在型材在轴向进给和触针在径向穿透工件的过程中进行的。为了增加灵活性，工件或触控笔都可以旋转——这两个概念对成形操作有相同的影响。该工艺可以对工件施加对称或不对称形状，这取决于工装设置，如图18b所示。通过这种工艺的灵活性，可以实现多种刀具、刀具几何形状、工艺设置和轮廓形状的组合，包括大量的最终工件形状，如图18c所示。利用特殊的刀具运动学，也可以从内部成形型材。这种型材可用于轻量化应用，以满足特定的设计要求，或通过改变型材拓扑结构在多个方向上增加刚度。
成形损伤控制
金属成型零件的损坏不是失效，而是降低零件性能的产品性能，需要在产品尺寸上考虑。由于空洞的出现和演变，在特定的成形操作过程中，某一零件的损伤不断演变，使其承载能力[40]降低。在处理延性损伤、失效和产品性能时，特别是在处理金属成形零件的轻量化时，了解这一点很重要。作为部件内部已知损坏状态的结果，有可能为其特定的用例适当地评估构造。合作研究中心TR188“损伤控制成型工艺”的目的是在成型工业中引入一种范式转变。TR188研究中心不应只考虑可制造性，而应在过程和产品设计周期中考虑由成形引起的产品性能，例如损伤——从成形性向可用性的重新定位是由TR188研究中心发起的。
冷锻损伤
产品的性能取决于由成型操作引入的损伤演化。减少和了解损害的数量有助于进一步提高轻量化的潜力。Tekkaya等人对冷锻件和空气弯曲件的损伤演变和疲劳强度进行了实验研究。挤压比的增加会导致更低的损伤和更高的疲劳强度，而在空气弯曲操作中，损伤会受到工艺变化(如应力叠加)的影响。不同轴向应力值的冷锻件在挤压过程中呈现出不同的损伤演化，如图19a所示。建模参数为:锥角2α = 90°;摩擦系数m = 0.08(库仑);弹性模(55 nicrmov6);弹塑性工件(16 mncr5);初始棒直径d0。
杆件正向挤压损伤演化:a杆件正向挤压损伤及面积缩小对轴向拉应力的影响;b非热处理试样冷锻后，应变对疲劳强度的影响[41]
在此过程中，应变越高，损伤越小(图19b)，而应变越低的试样，轴向拉应力越大(图19a)。因此，当拉伸至较低值(ε = 0.5)时，试件的疲劳强度较低(图19b)。因此，较大的挤压应变导致较小的损伤和提高疲劳强度[41]。
弯曲损伤
进行了有弹性体缓冲和没有弹性体缓冲的空气弯曲实验，如图20a, b所示。模拟参数为:摩擦系数m = 0.3;假定模具和刀具为刚体;采用各向同性硬化的弹塑性材料模型(DP1180);弹性体缓冲采用Mooney-Rivlin模型。随着弹性体垫层压应力的叠加，弹性垫层的弯曲使应力三轴性η = σh/σV(静压应力除以von Mises应力)降低18%，如图20c, d所示。三轴性通常定义在−1和1之间。负三轴性导致孔洞减少和收缩，而正三轴性导致孔洞增长，因此增加损伤值。因此，弹性体垫层引入的损伤应该更低，这可以通过弯曲后的弯曲试样的显微照片来证明。因此，形成弹性体缓冲层的试件的疲劳寿命提高了约10%。
空气弯曲工艺:a简单的空气弯曲;b弯曲成弹性体缓冲。c三轴性弯曲和d弯曲成弹性体缓冲[41]
Meya等人开发了一种新的工艺。开发了一种新型的板料弯曲工艺，通过弯曲过程中径向应力的叠加(即径向应力叠加(RSS))来调节载荷路径以控制损伤演化，如图21[43]所示。通过改变新工艺的应力状态，可以降低三轴度，抑制孔洞的萌生和生长。通过控制弯曲过程中的损伤演化，可以获得更好的产品性能，例如在冲击方面。
RSS弯曲原理:a初始状态(上图)和弯曲过程(下图)，b技术实现[43]
结构轻量化设计使用优化的形状或拓扑，以受益于更高的刚度和结构优势。
来源：Automotive Innovation 汽车材料网编译