机械制造基础锻造论文结语(【综述】汽车锻造技术发展情况)

【汽车材料网】近年来，汽车公司一直在寻找减轻各类车辆重量的方法，以提高车辆效率和燃油经济性并减少碳排放。最近，锻造行业对其技术和工艺进行了仔细研究，以了解它如何最好地帮助这项工作。无论是在全球范围内还是在北美，锻造公司都在通过零件重新设计和替代轻质材料（例如铝）来实现轻量化。这带来对新设施、设备和技术的大量投资，例如在北卡罗来纳州桑福德的新BharatForge美国铝厂。

轻量化趋势

属于汽车燃油经济性类别的所有事物都基于一个简单的物理原理：给定大致等效的空气动力学设计，并且无论车辆的能源如何，加速轻型车辆所需的能量比加速重型车辆所需的能量少。这一点对于任何学习牛顿力学的高中生来说都是显而易见的，但近年来，汽车行业与其供应链合作伙伴合作，更密切、更详细地研究如何消除每盎司或每克的超重车辆的效率、燃油经济性和精益制造。

据美国能源部称，“轻质材料为提高车辆效率提供了巨大潜力。车辆重量减轻10%可提高6-8%的燃油经济性。”而且，即使以恒定的速度巡航并且既不踩刹车也不踩油门，车辆仍需在不断加速，以抵抗街道的不平、车内摩擦和空气阻力。

合金冶金技术的进步允许用轻质材料（例如先进的铝和镁合金、高强度钢、碳纤维和复合材料）替代黑色铸件和锻件以及传统的钢部件。这些先进材料已在内燃机(ICE)车辆的传统重量级动力总成和悬架部件以及混合动力、插电式电动和全电动汽车(EV)等新型车辆设计中得到应用。

在传统的ICE汽车和轻型卡车上使用轻型汽车结构构件和部件，可以在不增加车辆重量的情况下集成安全装置、排放控制系统和更多电子设备。而且随着各种混合动力和纯电动汽车设计的日益普及，轻质材料的使用可以抵消电池和电动机的重量，并提高这些车辆的全电动续航里程。

德国锻造、材料、轻量化和CO2工程咨询公司prosimalysGmbH的首席执行官Hans-WilliRaedt博士说：“在汽车应用中，使用锻造部件进行轻量化设计的空间很大。”。Raedt深入参与了德国的轻量化锻造计划，该计划始于2013年，专注于寻找可以重新设计锻造产品以减轻重量的领域和技术。使用这种有条不紊的实践方法，工程师团队研究了占车辆重量不到一半的可锻造动力总成部件。项目二期总结发现，使用替代材料和新的设计理念，锻造产品最多可减轻99公斤的重量。三分之二的减重可以通过使用钢的新设计概念来实现，而使用有色金属可以额外减轻34公斤的重量。

“与铸造或烧结材料相比，锻件更坚固，延展性更高，因此它们最适合轻量化设计，这会导致组件中的应力更高，”Raedt解释说。“但即使已经应用了锻件，通过充分利用现代锻造[合金]和先进的锻造技术，可以实现更多的减重。然而，这需要材料生产商、锻造公司和汽车生产商之间的密切合作。减少部件重量将节省推进能量，这对于传统和新型汽车动力系统是有益的。随后投入材料的减少产生能量，从而在生产中节省二氧化碳排放量，这也是越来越多的需求。目前正在使用的许多组件清楚地表明，通过最小的开发努力，可以进一步减少10-15%的质量、二氧化碳排放和生产成本。”

全球对轻量化的反应

汽车应用中的轻量化并不是什么新鲜事，只是汽车行业现在与其行业的相关供应链合作伙伴更紧密地合作。目标是深入和详细地了解现代车辆的组装过程、设计和零部件材料。将领域缩小到传统锻造零件的轻量化（主要是动力总成、悬架部件和紧固件），这些想法可以采取对零件或总成进行全面重新构想的形式，修改几何形状以减少现有传统锻造零件的材料含量组件，以及使用先进材料和材料替代品（如铝、高强度钢和镁）。

大多数头条报道被更多铝的应用趋势的新闻所占据。

2019年挪威铝生产商Hydro宣布升级其Husnes工厂的铸造业务，采用新技术为不断增长的汽车铝锻造市场生产更先进的产品。Hydro开发的技术能够从传统的挤压锻造坯料转变为铸造锻造坯料，消除了生产过程中昂贵的步骤，同时提高了质量。根据HydroHusnes的说法，新技术将加强工厂提供更先进铝产品的能力。关键是能够根据客户需求以灵活高效的方式铸造挤压锭和锻造材料的灵活性。最近，海德鲁宣布打算在2022年交付其首批商业量的近零碳铝。

锻造商在轻量化方面的大量投资正在以新的或额外的铝锻造线的形式进行。一个典型的例子是OttoFuchsKG于2021年8月宣布他们从舒勒订购的曲柄锻压机用于其在中国沈阳的工厂。这家汽车供应商将使用3,150吨压力机为中国客户生产更多铝制底盘部件。在曲柄锻压机中，多个扭矩电机通过一个减速齿轮单元在主轴上运行。它们既适用于无磨损的单冲程操作，也适用于连续操作的锻造。

2021年9月，中国汽车零部件制造商德西福格汽车零部件（平湖）有限公司与西马克集团签订合同，在该公司位于平湖附近的工厂提供一台全自动闭模锻压机，用于锻造铝底盘件。上海新生产线将是SMS在该站点的第三个此类装置，计划于今年第二季度投产。

这种性质的公告已经变得相对普遍，并且仅代表了锻造行业更广泛的轻量化背景中的几个选定示例。

通过模拟实现轻量化

北美锻造商正面临与世界其他工业化地区相同的轻量化挑战。“汽车行业，尤其是汽车和轻型卡车，是目前美国轻量化计划的推动者，”为工业流程建模的虚拟工程软件平台供应商TransvalorAmericas的销售和技术总监NicolasPoulain说用于金属和其他材料的成型。“情况就是这样，至少在锻造行业是这样，美国需要额外的轻量化相关的活动。”

从传统的内燃机汽车和轻型卡车逐渐转向混合动力和纯电动汽车并不是未来的事情。这种趋势以及随之而来的对动力总成部件需求的减少已经开始。今天的隐喻相当于25年前增材制造(AM)工艺开始出现时金属锻造商面临的挑战。

从Poulain的角度来看，那些模拟流程和为高效零件建模的人可以获得他们所服务的行业内趋势的领先指标（图1）。他指出，“与任何其他轻质金属相比，我们对模拟铝制造过程的要求越来越多，与我们合作的铝锻造商的订单正在迅速增长。”

图1。铝预制件（顶部）和最终锻件（底部）的楔横轧模拟。（