論汽車輕量化對金屬加工行業(yè)的影響
汽車行業(yè)發(fā)展趨勢
汽車行業(yè)的發(fā)展經(jīng)受著來自各個方面的壓力。過去十年來，為了減輕車輛重量，車輛使用更薄更堅固的材料，這樣汽車就越輕，耗油量也會減少；然而代價就是這些材料，如新型高級合金本身價格會更昂貴，而且它們必須能適應(yīng)更高的工作溫度才能被生產(chǎn)制造出來；與鋼相比，這些金屬和合金在高溫下更易氧化。一些企業(yè)采用多種戰(zhàn)略，將新舊技術(shù)，工序和材料結(jié)合起來使用。美國好富頓國際公司的汽車行業(yè)經(jīng)理大衛(wèi)·布戴說：的確是“眾口難調(diào)”。布戴的主要工作是幫助生產(chǎn)設(shè)備制造商們協(xié)助生產(chǎn)出正在開發(fā)的或預(yù)計在2022年或2023年上市的汽車。
布戴說，為了達到美國公司平均燃油經(jīng)濟性（簡稱CAFE，以燃燒每加侖汽油能跑的英里數(shù)值來衡量）的標準，美國的設(shè)備制造商為減輕汽車重量采用了各種不同的戰(zhàn)略。一些廠商制造更輕型的發(fā)動機，一些則制造更輕的結(jié)構(gòu)件如車身面板，來提高CAFE。
設(shè)備制造商們正在尋找具有延展性和耐磨性好的材料。“我們注意到在特定的發(fā)動機部件中，更多的鋁合金含有鈦，例如動力總成閥，凸輪軸，銷，曲軸以及排氣和進氣閥等部件，”布戴說。他的同事趙一星博士是資深科學(xué)家兼創(chuàng)新團隊負責(zé)人，他補充說，新型鋁合金具有高韌性，更加堅硬。趙博士說，其實航空航天業(yè)對鈦的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，而潤滑介質(zhì)廠商們以前為航空行業(yè)開發(fā)的產(chǎn)品，越來越多地應(yīng)用到了其他行業(yè)上。
加工介質(zhì)的發(fā)展
隨著材料和合金的改變，加工過程也必須隨之改變。配方設(shè)計師們正在尋找使用壽命長的加工介質(zhì)來減少停機時間并提高生產(chǎn)力。他們的客戶希望加工速度可以更快，但液槽希望可以更小以便減少用量。人人都想制造出低泡且不腐蝕工件的加工液，又能在硬水中保持穩(wěn)定，同時其添加劑能有效抑制細菌的滋生（當然是符合法規(guī)允許使用的抗菌劑）。不僅如此，金屬加工液制造商正在開發(fā)能與泄漏到加工液中所有雜油兼容的加工介質(zhì)。
北美和亞洲公司大多使用水基加工介質(zhì)，但是歐洲公司也開始從使用礦物油轉(zhuǎn)向使用水基加工介質(zhì)。趙博士說，水基加工介質(zhì)是比較復(fù)雜的，你必須平衡其中所有的組分。加工高強度材料時會產(chǎn)生更多的熱量，而比起礦物油，水基加工介質(zhì)是更好的冷卻液。新技術(shù)的水溶性加工介質(zhì)具有更好的清凈性能（防止污物顆粒聚集并粘附在金屬表面），分散和潤濕能力強，這些特點都是加工輕金屬所必需的。
高溫與高壓
適合軟金屬高速加工的加工液必須具有良好的冷卻和潤滑性能，以防止摩擦引起的過熱。如果溫度過高，軟金屬會膨脹并失去強度。但是，許多新的高強度合金必須加熱到較高溫度才能制造出來。
麥卡爾說，以前僅用于航空航天工業(yè)的鋁合金現(xiàn)在已經(jīng)開始在汽車工業(yè)獲得使用。6000和7000系列合金通常在260-400℃（500-750°F）的高溫條件下形成。這縮小了用于成形的潤滑劑種類的范圍。麥卡爾說，汽車業(yè)必須在高溫高壓條件下使用潤滑油，同時潤滑油需要與黏合劑、清潔劑、底漆和焊接兼容。
鋁材的氧化
黑色金屬在中性至酸性環(huán)境中容易被腐蝕，但不會發(fā)生在強堿性環(huán)境中，因為它們的表面氧化物層在高pH條件下是穩(wěn)定的。鋁很容易形成一層保護氧化物層，但氧化物在中性點兩側(cè)的一個相當狹窄的pH區(qū)域內(nèi)是穩(wěn)定的。通常，金屬加工介質(zhì)的pH值保持在9以上，用來保護昂貴的鋼制刀具。但在這個高pH值下，鋁零件會腐蝕變色，高堿性液體能迅速地溶解保護性氧化鋁層，所以金屬加工介質(zhì)需要添加腐蝕抑制劑。
加工或研磨會去除工件表面氧化層，產(chǎn)生金屬新表面，在這個過程中需要使用加工介質(zhì)來保護金屬新表面免于與刀具或切屑直接接觸而產(chǎn)生積屑瘤。
輕微的腐蝕會導(dǎo)致鋁件有黃色或金色的變色，即使是選擇使用了正確的金屬加工介質(zhì)，但這一般只出現(xiàn)在使用了較長時間的工作液，其中的腐蝕抑制添加劑差不多已消耗殆盡時發(fā)生。如果使用僅適合于黑色金屬的加工介質(zhì)來加工鋁件時往往會導(dǎo)致更嚴重的腐蝕，并產(chǎn)生灰色或黑色的變色現(xiàn)象。即便是使用正確的金屬加工液，如果某些添加劑（例如三嗪殺菌劑）的池邊添加量較多，使加工介質(zhì)的pH值升得過高，也會在加工時導(dǎo)致鋁件腐蝕。
適應(yīng)性問題
一些加工介質(zhì)配方被宣傳為擁有多種用途，適用于廣泛的金屬加工領(lǐng)域。“這是一個追求平衡的做法，”麥卡爾說。您可以針對一種金屬或一種配方進行優(yōu)化操作，但“用戶不愿意在工廠里存儲太多不同的加工介質(zhì)”。因此，這是簡化庫存和優(yōu)化性能之間的折衷做法。麥卡爾說：“如果這項加工很關(guān)鍵，那么你只能在特定類型的操作中使用特定的加工介質(zhì)。”
加工介質(zhì)不僅必須與工件（其可以進行各種表面處理，包括高強度鋼上的鍍鋅涂層）兼容，而且還與它們接觸的各種刀具材料和模具涂層相兼容。
環(huán)境因素
推動輕金屬發(fā)展的主要因素是車用燃料對于經(jīng)濟性需求的提高，有利于環(huán)保。環(huán)境因素也會影響加工介質(zhì)的配方。目前就有“微量潤滑”（MQL）的趨勢，取代“大量潤滑”。這種方法通常需要改變制造設(shè)備以及加工介質(zhì)。
干式加工在許多操作中已被證明是成功的，但是對于需要冷卻和潤滑的操作仍需要金屬加工介質(zhì)，以減少刀具磨損，并通過減少殘余應(yīng)力，尺寸誤差和表面光潔度差異來生產(chǎn)出更高質(zhì)量的零件。加工介質(zhì)還允許機器以更快的速度運行而不會產(chǎn)生過多的熱量。
環(huán)境因素也會影響添加劑的使用。例如，傳統(tǒng)的EP添加劑，包括硫、氯和磷添加劑，可以與鋼反應(yīng)，但不一定能與有色金屬、鍍鋅鋼和刀具涂層發(fā)生反應(yīng)。設(shè)備商工廠已經(jīng)不再使用含氯的加工液，但是在一些重負荷的加工中，比如一些不銹鋼的加工，含氯的加工介質(zhì)很難被替代。
斯林克曼說，監(jiān)管要求因地區(qū)而異。我們必須對我們的產(chǎn)品線進行全面的審查，以確保產(chǎn)品符合標準。為了跟上監(jiān)管變化，同時減少重新調(diào)整配方的工作量，在開發(fā)產(chǎn)品的時候，我們要找到在多個不同區(qū)域都被允許使用的原材料。
卡莫迪指出，好富頓的許多客戶都希望在世界各地的大部分或全部地區(qū)使用這些產(chǎn)品，但是有時需要做專門的區(qū)域配方來適應(yīng)水質(zhì)等各方面的差異。
展望未來
麥克盧爾說，競爭和監(jiān)管共同推動金屬加工介質(zhì)的改革。加工介質(zhì)配方的變化不僅受到零部件制造商新要求的驅(qū)動，也受到化工公司研發(fā)實驗室新產(chǎn)品的推動。
預(yù)計未來五年全球私人汽車和輕型商用車需求將增長5.5％。中小型燃料電池需求將同時增長，部分原因是新材料，如輕量化的鋁和鈦合金，正在試圖減輕重量和提高燃料效率。技術(shù)進步的同時也需要提高金屬加工介質(zhì)的性能，延長刀具壽命，在保證加工質(zhì)量的前提下，降低綜合使用成本。
隨著V8發(fā)動機到V6和I4發(fā)動機的小型化以及渦輪增壓的加入，汽車的減重趨勢仍在繼續(xù)。較小的渦輪增壓汽油發(fā)動機會產(chǎn)生更多的熱量，這提高了發(fā)動機罩下的溫度。幾年前，有廠商用熱塑性塑料代替鋼制發(fā)動機部件，但現(xiàn)在一些常用的熱塑性塑料并不能總是經(jīng)濟地處理這些高散熱性的小發(fā)動機所產(chǎn)生的高熱量。因此，鋁和鎂被認為是性價比更高的替代品。
用各種新材料和新工藝整合成高效可靠的車輛，這是行業(yè)所面臨的復(fù)雜挑戰(zhàn)。不過汽車行業(yè)的金屬加工介質(zhì)的研發(fā)專家們顯然已經(jīng)為此做好了充分的準備。
