倪斌慶，曾 智，馬秋成，張亞新，張志廣

(1.湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411105;2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

履帶車輛因?yàn)榫哂辛己玫脑揭靶阅芎蜋C(jī)動(dòng)性能而受到各國(guó)武裝部隊(duì)的青睞，其輕量化研究也備受重視。負(fù)重輪是履帶車輛用于支持車體并保持車體在履帶上滾動(dòng)的車輪，在整車中數(shù)量多，占車重比例達(dá)到4%[1]；所以，減輕其負(fù)重輪的質(zhì)量是履帶車輛研制中非常重要的課題之一，對(duì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝備的輕量化具有重要意義[2]。負(fù)重輪輕量化不僅能有效降低車輛的整體質(zhì)量，提高車輛機(jī)動(dòng)性能；還能提升車輛的舒適性，改善駕駛性能；以及提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。在汽車技術(shù)發(fā)展歷史中，簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量的分離對(duì)懸架技術(shù)的發(fā)展起到巨大推動(dòng)作用[3]。研究中常采用車體的加速度來(lái)表征乘坐的舒適性。岳杰等[4]對(duì)二自由度車輛振動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)方程分析，得出簧下質(zhì)量對(duì)車身加速度的影響曲線如圖1所示。

圖1 簧下質(zhì)量對(duì)車身加速度的影響曲線

由圖1可知，減小簧下質(zhì)量將提高高頻共振頻率，避免車身振動(dòng)頻率接近人體敏感振動(dòng)頻率(垂直振動(dòng)頻率敏感為4～12.5 Hz，水平振動(dòng)敏感頻率為0.5～2 Hz[5])。而底盤更容易隔絕高頻振動(dòng)，進(jìn)而減少人體振動(dòng)輸入，因此，減小簧下質(zhì)量可提升車輛的舒適性。

Ulrich Seiffe[6]以Volkswagen Golf轎車為實(shí)例，認(rèn)為一輛轎車的質(zhì)量若能減少10%，則可節(jié)油3%～4%，從而提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性。

研發(fā)低密度、高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料及發(fā)展先進(jìn)的成型加工工藝是負(fù)重輪輕量化的主要方向之一。有效比強(qiáng)度可作為優(yōu)化材料選擇的準(zhǔn)則[7]，基于有效比強(qiáng)度公式σ2/3/ρ可知，降低材料密度比提高材料強(qiáng)度更有利于減輕負(fù)重輪質(zhì)量。在滿足強(qiáng)度要求的前提下，密度越小，產(chǎn)品輕量化程度越高。某履帶輪系產(chǎn)品材料拉伸強(qiáng)度性能要求為不小于30 MPa，4種輕質(zhì)材料分別取實(shí)際工程常用牌號(hào)作為強(qiáng)度及密度，如表1所示。

表1 不同負(fù)重輪原料強(qiáng)度、密度

由表1結(jié)合有效比強(qiáng)度公式可知，利用鋁合金、鎂合金、玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂及超高分子量聚乙烯等輕質(zhì)材料代替鋼質(zhì)材料制備負(fù)重輪時(shí)，其質(zhì)量均會(huì)得到不同程度的降低。本研究將分別對(duì)以上4種輕質(zhì)材料的性能、工藝制備方法等方向介紹負(fù)重輪輕質(zhì)材料的研究與應(yīng)用進(jìn)展。

1 金屬合金負(fù)重輪研究進(jìn)展

1.1 鋁合金負(fù)重輪研究進(jìn)展

鋁及鋁合金是應(yīng)用最廣泛的一種有色金屬，其產(chǎn)量?jī)H次于鋼鐵[8]。根據(jù)鋁合金的成分和生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，可分為鑄造鋁合金和變形鋁合金。由于鑄造鋁合金中含有較多的共晶體，導(dǎo)致其塑性低，不適于壓力加工[9]。制備鋁合金負(fù)重輪多使用強(qiáng)度高、塑性加工優(yōu)良的超硬鋁合金，其屬于變形鋁合金，主要是Al-Zn-Mg-Cu系合金，國(guó)內(nèi)典型牌號(hào)有7A04(LC4)，具體材料成分見(jiàn)表2所示。

表2 7A04鋁合金的化學(xué)成分(wt%)

注：執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3190—2008。

鋁合金負(fù)重輪的研究與應(yīng)用在國(guó)外開(kāi)展較早。美國(guó)1967年裝備的M551輕型偵察坦克由于車體、負(fù)重輪等部件廣泛采用鋁合金制件，整車質(zhì)量?jī)H16 t，使該車滿足空投要求，大大提升了坦克的機(jī)動(dòng)性能與作戰(zhàn)性能[10]；美國(guó)M60A2主戰(zhàn)坦克的負(fù)重輪等使用鋁合金材料，在增大坦克火炮口徑的情況下，整車質(zhì)量仍然比M60車整體質(zhì)量有較大的降低，提高了M60A2坦克的火力打擊能力[11]；1969年英國(guó)“蝎式”輕型坦克研制成功，該坦克號(hào)稱“全鋁坦克”，負(fù)重輪采用鋁合金鍛件，整車質(zhì)量?jī)H為8 t，最大時(shí)速達(dá)79 km/h；日本在20世紀(jì)研發(fā)的74式坦克上也應(yīng)用了鋁合金負(fù)重輪，有效降低了坦克戰(zhàn)斗全重[12]。負(fù)重輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化往往貫穿與負(fù)重輪輕量化設(shè)計(jì)當(dāng)中，俄羅斯主戰(zhàn)坦克T-90的負(fù)重輪采用輕質(zhì)材料鋁合金，同時(shí)為空心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低整車質(zhì)量；美國(guó)先進(jìn)的兩棲攻擊車(AAAV)使用的負(fù)重輪結(jié)構(gòu)是由格倫·西穆拉等[13]發(fā)明的一種空心殼負(fù)重輪結(jié)構(gòu)，如圖2所示，該負(fù)重輪采用三角形空腔設(shè)計(jì)，不僅減輕了負(fù)重輪質(zhì)量，加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)增加了其橫向和徑向強(qiáng)度。

1-耐磨環(huán) 2-金屬輪轂 3-彈性支撐面

國(guó)內(nèi)對(duì)鋁合金負(fù)重輪也做了大量研究。潘玉田等[14]利用ANSYS軟件在同等建模方法、載荷計(jì)算、邊界約束的條件下，對(duì)鋼質(zhì)(38CrSi)負(fù)重輪和鋁合金(LC4)負(fù)重輪的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 鋼質(zhì)、鋁合金負(fù)重輪剛度和強(qiáng)度分析結(jié)果

結(jié)合兩種材料的強(qiáng)度極限(見(jiàn)表4)分別計(jì)算出安全系數(shù)為n(38CrSi)=4.36，n(LC4)=3.57，均滿足3

李科鋒等[15]通過(guò)鍛造工藝獲得超硬鋁合金(LC4)負(fù)重輪輪輻毛胚，并對(duì)輪輻毛胚進(jìn)行機(jī)械精加工以達(dá)到其尺寸精度要求，最后采用掛膠工藝完成整個(gè)負(fù)重輪產(chǎn)品的加工。通過(guò)負(fù)重輪的8 000 km行駛模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，橡膠的使用情況仍正常，達(dá)到負(fù)重輪壽命6 000 km的戰(zhàn)地指標(biāo)。鍛造工藝制備輪輻可消除鑄態(tài)疏松的缺陷，優(yōu)化金屬組織結(jié)構(gòu)，從而獲得優(yōu)良的力學(xué)性能。該工藝過(guò)程中包含鍛造、二次機(jī)加工、掛膠等多道工序，產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(zhǎng)；且鍛造和掛膠工藝均需要配備特定的生產(chǎn)模具，生產(chǎn)成本較高。

表4 38CrSi和LC4材料力學(xué)性能

為了解決負(fù)重輪鍛造工藝中加工工藝繁瑣的問(wèn)題。王長(zhǎng)順等[16]采用液態(tài)模鍛工藝，以YD12Al-Cu高強(qiáng)韌鋁合金為原材料制得負(fù)重輪樣品，將試驗(yàn)樣品進(jìn)行不同熱處理，然后采用本體解剖取樣的方法進(jìn)行試驗(yàn)樣品力學(xué)性能測(cè)試，得出負(fù)重輪本體力學(xué)性能如表5所示。

表5 不同熱處理制度下負(fù)重輪本體力學(xué)性能

數(shù)據(jù)顯示，T5熱處理制度下獲得的負(fù)重輪力學(xué)性能最佳，其各項(xiàng)性能的平均值為Rm=416 MPa，σs=284 MPa，A=10.17%，硬度為126HBW，且滿足技術(shù)要求規(guī)定。液態(tài)模鍛(擠壓鑄造)[17-18]成形工藝是建立在壓力下金屬凝固原理基礎(chǔ)上，將熔融金屬液澆入模腔內(nèi)，金屬液在壓力作用下產(chǎn)生流動(dòng)，并凝固成近凈成型的產(chǎn)品。液態(tài)模鍛工藝具有優(yōu)質(zhì)、高效、低消耗、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)[19]。

1) 產(chǎn)品質(zhì)量高，性能優(yōu)良

液態(tài)模鍛產(chǎn)品一般無(wú)鑄件中常見(jiàn)的氣孔、縮松等缺陷，其內(nèi)部組織緊密、均勻、晶粒細(xì)小，熱處理后，力學(xué)性能可進(jìn)一步提高。由表6可知，經(jīng)液態(tài)模鍛工藝制備的產(chǎn)品具有與鍛造工藝相媲美的機(jī)械性能。

2) 工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高

普通模鍛制備輪轂的過(guò)程包含坯料制備、一次加熱、旋轉(zhuǎn)鍛、初鍛、二次加熱、終鍛、去飛邊、旋壓成形等7道工序；而液態(tài)模鍛工藝僅需4道工序(如圖3)，大幅減縮工藝步驟，提高生產(chǎn)效率。

3) 省料

液態(tài)模鍛產(chǎn)品無(wú)澆注系統(tǒng)的消耗，可節(jié)省10%以上的原材料。

表6 幾種加工工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品力學(xué)性能比較

圖3 液態(tài)模鍛工藝流程示意圖

高文林等[20]以AlCuMn系鋁合金為基礎(chǔ)，采用擠壓鑄造工藝，制備了抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率顯著優(yōu)于鑄造工藝性能的負(fù)重輪輪轂；李俊萍[21]利用數(shù)值模擬仿真技術(shù)，探究了鋁合金負(fù)重輪擠壓鑄造工藝的最優(yōu)參數(shù)，為鋁合金負(fù)重輪的液態(tài)模鍛工藝研究提供了參考。液態(tài)模鍛技術(shù)雖具有省時(shí)、省料、少切削甚至無(wú)切削等優(yōu)點(diǎn)，但由于液態(tài)模鍛成形主要伴隨著凝固過(guò)程，該過(guò)程容易因應(yīng)力場(chǎng)不均勻而產(chǎn)生熱裂紋。

杜之明等[22]研究了加載方式對(duì)液態(tài)模鍛2A50鋁合金的組織和力學(xué)性能影響。其結(jié)果顯示，直接鍛造試樣的組織和力學(xué)性能不均勻，壁面組織較基體粗糙，力學(xué)性能較低，且車輪轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)縮孔、縮松、裂紋等缺陷；復(fù)合加載可使液態(tài)鍛件組織均勻化，能明顯改善鋁合金組織及其力學(xué)性能。

程遠(yuǎn)勝等[23]提出了金屬基復(fù)合材料壓力下浸滲-擠壓鑄造致密法制備新工藝。利用該工藝制備出Al2O3sf·SiCp/鋁基復(fù)合材料負(fù)重輪，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料耐磨圈與本體擠壓鑄造的一體化成形。對(duì)制件觀察和性能測(cè)試表明，該工藝制備的復(fù)合材料界面結(jié)合良好、組織致密、性能優(yōu)異。

液態(tài)模鍛技術(shù)集鑄造與鍛造特點(diǎn)于一體，是鋁合金負(fù)重輪制備較好的工藝方法。當(dāng)前學(xué)者對(duì)液態(tài)模鍛的工藝參數(shù)、加載方式、缺陷分析等問(wèn)題進(jìn)行了比較全面的研究。探究金屬凝固過(guò)程、成形載荷分布以及液態(tài)模鍛設(shè)備的改進(jìn)與發(fā)明，可進(jìn)一步發(fā)展液態(tài)模鍛技術(shù)在鋁合金負(fù)重輪中的生產(chǎn)應(yīng)用。鋁合金負(fù)重輪制備技術(shù)相對(duì)成熟，未來(lái)鋁合金負(fù)重輪的發(fā)展將根據(jù)其工況環(huán)境及性能要求,設(shè)計(jì)合適的新工藝方法,提高負(fù)重輪的力學(xué)性能、縮短生產(chǎn)周期。

1.2 鎂合金負(fù)重輪研究進(jìn)展

鎂合金材料是目前工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”，在汽車、航空航天和國(guó)防工業(yè)等應(yīng)用中極具吸引力[24-25]。鎂合金的分類與鋁合金相似，可分為鑄造鎂合金和變形鎂合金。與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金具有低成本、高強(qiáng)度及良好的延展性等優(yōu)異性能。工程實(shí)例中常用AZ80鎂合金研究制備車輪，其化學(xué)成分如表7所示。

鎂合金具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、抗沖擊性能以及優(yōu)異的高應(yīng)變率吸能等特性[26]。同尺寸鎂合金車輪相比于鋁合金車輪可減重30%左右，即使鎂合金力學(xué)性能低于鋁合金，同等工作條件下的鎂合金車輪需要更大的體積，但仍可以達(dá)到20%～25%的減重效果[27]。然而，鎂合金的晶粒粗大，且晶格呈六角方形排列，使鎂合金在室溫下塑性低，變形加工能力差；化學(xué)活性高，易于氧化燃燒等特點(diǎn)，增加了熔煉加工的難度[28]。所以，發(fā)展探究滿足鎂合金負(fù)重輪使用性能要求的新工藝勢(shì)在必行。

大多數(shù)鎂合金零件是通過(guò)高壓壓鑄(HPDC)生產(chǎn)[29]。HPDC是一種侵蝕性的金屬填充過(guò)程，由于大范圍的湍流和不受控制的凝固收縮，零件可能會(huì)出現(xiàn)孔隙率和裂紋缺陷。劉艷改等[30]在提高鎂合金壓鑄件的力學(xué)性能的研究中，采用四因素三水平(Lq，34)正交實(shí)驗(yàn)得出某鎂合金缸蓋罩的最佳壓鑄工藝參數(shù)。為探究壓鑄工藝制備薄壁零件過(guò)程中的最佳工藝參數(shù)提供了一定的參考價(jià)值。

鑄造工藝制備的鎂合金負(fù)重輪，缺陷多、晶粒粗、力學(xué)性能差。與鑄造工藝相比，塑性成形工藝獲得的鎂合金負(fù)重輪具有更好的力學(xué)性能，可滿足更多結(jié)構(gòu)件的需求。吳耀金[31]在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析與模糊推理方法對(duì)塑性成形參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，得到了最優(yōu)化的鎂合金負(fù)重輪塑性成形參數(shù)組合，并通過(guò)試制實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

藤田真本等[32]以AZ80鎂合金為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)添加晶粒細(xì)化劑(CaCN或Sr)，細(xì)化晶粒尺寸以改善鎂合金的鍛造性能；同時(shí)，進(jìn)行鎂合金化學(xué)成分優(yōu)化研究，結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚碇贫鹊确椒ǎ脭D壓鍛造工藝制備了比同尺寸鋁合金車輪輕30%的鎂合金車輪。

王強(qiáng)等[33]分別介紹了鍛造和流動(dòng)成形組合工藝、鍛造和旋壓組合工藝以及擠壓工藝等3種工藝制備車輪。在鍛造和流動(dòng)成形工藝制備ZK30合金原型車輪的研究中，采用軟件模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，在滿足性能使用要求的前提下，優(yōu)化車輪結(jié)構(gòu)，最終獲得比鍛造鋁合金車輪減重10%～15%的合格產(chǎn)品；采用旋轉(zhuǎn)模鍛技術(shù)的車輪，由于晶粒的協(xié)同作用和T6處理，其物理性能得到了很大的改善，特別是輪緣部分的強(qiáng)度得到了提高；采用改進(jìn)的擠壓工藝，成功地?cái)D壓了AZ80合金整體車輪，實(shí)現(xiàn)了近凈成形。

上述3種工藝方法中，前2種方法工藝都相對(duì)比較復(fù)雜，加工時(shí)間長(zhǎng)，提高了生產(chǎn)成本；擠壓工藝制備的車輪為近凈零件產(chǎn)品(如圖4所示)，簡(jiǎn)化了車輪制備的工藝過(guò)程，更符合零件生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用。

圖4 擠壓工藝生產(chǎn)的鎂合金輪轂實(shí)物圖

李建等[34]利用熱旋壓工藝制備AZ80鎂合金車輪時(shí)發(fā)現(xiàn)，在輪輞內(nèi)表面圓周方向出現(xiàn)裂紋，對(duì)裂紋處進(jìn)行取樣，并用LWD300LCS顯微鏡進(jìn)行金相分析，得出應(yīng)變速率、旋壓胚料應(yīng)力及變形程度對(duì)毛胚裂紋均有不同程度的影響。建議可利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)一步探究應(yīng)變速率、旋壓胚料應(yīng)力、變形程度等其他最優(yōu)熱旋壓工藝參數(shù)組合。

鎂合金負(fù)重輪制備工藝除了鑄造與塑性變形工藝外，利用液態(tài)模鍛工藝制備鎂合金負(fù)重輪逐步引起人們的研究興趣。但傳統(tǒng)液態(tài)模鍛工藝(見(jiàn)圖3)的澆注過(guò)程是在空氣中進(jìn)行，鎂合金極易被氧化。Xu S Y等[35]研發(fā)的一種新型液態(tài)模鍛工藝(見(jiàn)圖5)，熔爐內(nèi)的澆注系統(tǒng)與澆注管直接相連，整個(gè)過(guò)程均在密閉環(huán)境中進(jìn)行，可有效防止鎂合金的氧化，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖5 鎂合金車輪新型擠壓鑄造原理及主要工藝簡(jiǎn)圖

鎂合金負(fù)重輪雖然具備密度低、高比強(qiáng)度、吸震效果好等優(yōu)點(diǎn)，但是其耐磨性、耐腐蝕性能較差，無(wú)法承受來(lái)自鋼質(zhì)誘導(dǎo)輪齒、砂石顆粒等外界環(huán)境的沖擊磨損以及外界潮濕介質(zhì)的腐蝕作用。為增強(qiáng)鎂合金負(fù)重輪的耐磨性，崔財(cái)威等[36]在其外邊緣加一層耐磨鋼圈，并用MSC/SuperForm軟件模擬分析耐磨鋼圈處金屬坯料的變形規(guī)律和工藝參數(shù)，為帶鋼圈鎂合金負(fù)重輪成形提供了參考方向。舒文波等[37]綜合負(fù)重輪使用性能要求，通過(guò)結(jié)構(gòu)分析、計(jì)算及優(yōu)化發(fā)明了一種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量超輕并設(shè)有耐磨鋼環(huán)的鎂合金負(fù)重輪，最大限度地減輕了負(fù)重輪的質(zhì)量。

舒文波[38]在鎂合金負(fù)重輪輪緣表面分別制備FeCrBSi/WC-12Co和316L/WC-2Co兩種耐磨涂層，以提高鎂合金負(fù)重輪的耐磨性及使用壽命。跑車試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)eCrBSi/WC-12Co耐磨涂層具有更高的硬度和耐沖擊磨損性能，而316L/WC-12Cr具有更好的抗局部剝落性能。

實(shí)際生產(chǎn)工藝中常采用電鍍、激光熔覆等表面處理提升鎂合金的耐腐蝕性。但是，如果鎂合金輪轂表面一旦被破壞，輪轂基體極易被腐蝕。所以，提升鎂合金自身的防腐蝕性能也是至關(guān)重要的。宋飛等[39]以50～1.8%Ca鎂合金為實(shí)驗(yàn)材料，采用擠壓工藝，在不同擠壓溫度(325、375和425 ℃)下將鎂合金鑄錠加工為板材，然后進(jìn)行浸泡腐蝕試驗(yàn)。結(jié)果表明，375 ℃下擠壓成型的鎂合金耐腐蝕性能最優(yōu)。李路等[40]以ZK60鎂合金為材料，基于稀土Yb合金化與普通熱擠壓技術(shù)綜合作用，經(jīng)過(guò)合金熔煉、固溶和熱擠壓工藝等工序得到了更細(xì)化，更均勻的鎂合金組織，最終獲得一種兼具高強(qiáng)度、大塑性和優(yōu)異耐腐蝕性的高性能變形鎂合金(抗拉強(qiáng)度：400～450 MPa，延伸率：10%～20%，腐蝕速率：與商業(yè)化的ZK60合金相比腐蝕電流密度可降低1～2數(shù)量級(jí))。上述2種方法分別從改進(jìn)現(xiàn)有鎂合金負(fù)重輪制造工藝與優(yōu)化現(xiàn)有鎂合金性能的方向出發(fā)，改善鎂合金的耐腐蝕性能。

鎂合金負(fù)重輪的輕量化研究可分為3個(gè)階段[41]，短期階段是升級(jí)優(yōu)化現(xiàn)有鎂合金和鎂合金負(fù)重輪制造工藝；中期階段是發(fā)展特種工藝制造技術(shù)，如液態(tài)模鍛等；長(zhǎng)期階段是發(fā)展新型鎂合金涂層材料及開(kāi)發(fā)新的鎂合金牌號(hào)，以提升鎂合金耐磨性、耐腐蝕性等短板性能。

2 非金屬?gòu)?fù)合材料負(fù)重輪研究進(jìn)展

2.1 玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂負(fù)重輪研究進(jìn)展

1983年，美國(guó)陸軍坦克汽車公司[42]與Kelsey Hayes公司子公司Compostek Engineering Corporation簽訂了關(guān)于M1艾布拉姆斯主戰(zhàn)坦克纖維增強(qiáng)塑料(FRP)復(fù)合材料車輪的設(shè)計(jì)和自動(dòng)化工藝開(kāi)發(fā)的合同。并成功使用E-型玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制備一種與鋁合金負(fù)重輪強(qiáng)度相當(dāng)?shù)膹?fù)合材料負(fù)重輪。該負(fù)重輪輪轂是在樹(shù)脂基體中使用連續(xù)纖維，采用高速纖維纏繞的方法獲得纖維方向與主載荷方向一致的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，而后使用模壓工藝使基體凝固。因?yàn)閺?fù)合材料通常表現(xiàn)出長(zhǎng)期蠕變行為，所以采用鋁嵌件避免螺栓連接的扭矩?fù)p失。

1991年，美國(guó)陸軍坦克汽車司令部[43]與通用動(dòng)力陸地系統(tǒng)部(GDLS)以減輕M1A1型主戰(zhàn)坦克的質(zhì)量為目的，采用與1983年幾乎相同的制備材料與工藝，試制了40件復(fù)合材料負(fù)重輪。由于該材料屬于脆性材料，沒(méi)有明顯拉伸屈服點(diǎn)，破壞征兆不明顯， M1A1主戰(zhàn)坦克并未使用該復(fù)合材料負(fù)重輪；但是該負(fù)重輪的成功試制打開(kāi)了非金屬材料負(fù)重輪輕量化的研究大門，為非金屬材料負(fù)重輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)提供了重要參考價(jià)值。

2.2 超高分子量聚乙烯負(fù)重輪研究進(jìn)展

超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)具有超高模量、超輕(密度小于水)、高抗(抗腐蝕、抗紫外線、抗疲勞)以及吸水率低等優(yōu)異性能[44]，是負(fù)重輪輕量化的極佳制備材料，某UHMW-PE的性能檢測(cè)結(jié)果如表8所示。

表8 某UHMW-PE復(fù)合材料負(fù)重輪原料取樣檢測(cè)結(jié)果

雖然UHMW-PE的綜合性能優(yōu)良，但其熔融指數(shù)(接近于零)極低，熔點(diǎn)高(190～210 ℃)，黏度大，流動(dòng)性差而導(dǎo)致極難加工成型[45]；其次，UHMW-PE大分子由非極性亞甲基基團(tuán)組成，使得其表面沒(méi)有任何反應(yīng)活性點(diǎn)，難以與其他材料結(jié)合。這兩大缺點(diǎn)限制UHMW-PE在工程上的應(yīng)用，利用UHMW-PE制備負(fù)重輪同樣存在這兩大難點(diǎn)。所以要將UHMW-PE復(fù)合材料負(fù)重輪產(chǎn)業(yè)化必須解決負(fù)重輪輪轂加工成型難以及輪轂與橡膠圈的粘接問(wèn)題。

加拿大Soucy公司率先研發(fā)了橡膠帶式履帶行走系統(tǒng)，并成功裝配在M113裝甲運(yùn)兵車、CV90步兵戰(zhàn)車以及BVS10裝甲全地形車上[46]。在國(guó)內(nèi)，由貴州詹陽(yáng)動(dòng)力重工有限公司(以下簡(jiǎn)稱：詹陽(yáng)動(dòng)力)自主生產(chǎn)的某型全地形多功能車(見(jiàn)圖6)的履帶行走系統(tǒng)中的輪系產(chǎn)品采用了超高分子量聚乙烯為基體的復(fù)合材料制備，使得整車的輕量化程度大大提高，同時(shí)兼?zhèn)錅p振降噪、易于維修、耐腐蝕性高等優(yōu)勢(shì)。雖然Soucy公司已經(jīng)具備生產(chǎn)UHMW-PE復(fù)合材料負(fù)重輪的成型技術(shù)，但出于商業(yè)保密，只在其官網(wǎng)中指出，該工藝為一種獨(dú)特的“DCM”成型工藝[47]，并未見(jiàn)其他相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

為解決UHMW-PE復(fù)合材料與橡膠粘接差，覆膠率低等問(wèn)題。侯明等[48]發(fā)明了一種能實(shí)現(xiàn)超高分子量聚乙烯骨架與橡膠有效粘接的工藝方法。其通過(guò)對(duì)超高分子量聚乙烯骨架進(jìn)行等離子體表面活性處理、涂硅烷偶聯(lián)劑、烘烤、涂膠粘劑和干燥，并在應(yīng)用中通過(guò)熱硫化的方式實(shí)現(xiàn)超高分子量聚乙烯與橡膠的有效粘接。試驗(yàn)結(jié)果顯示，橡膠粘接良好，粘接強(qiáng)度可達(dá)30N/mm，覆膠率達(dá)90%以上。該粘接工藝為超高分子量聚乙烯負(fù)重輪一體化成型工藝提供了一條工藝方法。

圖6 某型全地形多功能車

曾智等[49]發(fā)明了一種復(fù)合耐磨減振材料及其制備方法。其利用簡(jiǎn)單的熱粘合工藝將耐磨層與橡膠承載層復(fù)合一體化，該復(fù)式特種材料同時(shí)具備優(yōu)異的耐磨性能和良好的力學(xué)性能。該復(fù)合耐磨減振材料的應(yīng)用將大大提高負(fù)重輪橡膠圈的使用壽命。

Zuchoski J等[50]發(fā)明了一種組合負(fù)重輪，其發(fā)明實(shí)例中以UHMW-PE制備輪體，減振外圈與輪體采用機(jī)械連接。張志廣等[51]發(fā)明了一種全地形履帶式多功能車行走系統(tǒng)負(fù)重輪及其制備方法。負(fù)重輪結(jié)構(gòu)如圖7所示。其將金屬芯軸與橡膠外層預(yù)成型后固定在模具內(nèi)，添加改性后的UHMW-PE原料，加熱使塑料與橡膠實(shí)現(xiàn)界面融合，冷卻后形成一體化的負(fù)重輪。單個(gè)該負(fù)重輪質(zhì)量?jī)H為7.8kg，大幅降低整車質(zhì)量。時(shí)代新材料科技股份有限公司已將該工藝成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，并利用該工藝為詹陽(yáng)動(dòng)力提供了某型號(hào)整體式橡膠履帶所需的負(fù)重輪產(chǎn)品。

圖7 負(fù)重輪結(jié)構(gòu)示意圖

UHMW-PE是未來(lái)負(fù)重輪輕量化研究的優(yōu)選材料。解決UHMW-PE負(fù)重輪輪轂加工成型難、輪轂與橡膠圈的粘接難等問(wèn)題，可以從三個(gè)方向繼續(xù)研究。第一，研發(fā)性能優(yōu)越的粘接劑，利用物理方法將UHMW-PE輪轂與橡膠外圈粘合；第二，探索UHMW-PE的改性方案，在保證UHMW-PE機(jī)械性能的同時(shí)，提高UHMW-PE的加工性能；第三，設(shè)計(jì)合理的負(fù)重輪一體成型加工工藝，優(yōu)化模具生產(chǎn)設(shè)備，進(jìn)而提高負(fù)重輪生產(chǎn)質(zhì)量。

3 結(jié)論

1) 液態(tài)模鍛技術(shù)是制備鋁、鎂金屬合金負(fù)重輪較為合適的工藝方法。金屬凝固過(guò)程的均勻性、成形載荷分布以及優(yōu)化工藝設(shè)備等研究是未來(lái)液態(tài)模鍛技術(shù)在負(fù)重輪制備領(lǐng)域的主要研究方向。

2) 鋁、鎂金屬合金負(fù)重輪的制備處于較為成熟的應(yīng)用階段。其中，鋁合金負(fù)重輪制備技術(shù)發(fā)展最為成熟，但其減重效果相比于另外兩種材料仍有一定差距；鎂合金是負(fù)重輪輕量化的重要扮演角色，解決鎂合金塑性加工差，易氧化，易磨損等技術(shù)難點(diǎn)，將會(huì)進(jìn)一步提升鎂合金在裝備輕量化中的競(jìng)爭(zhēng)力。

3) UHMW-PE不僅具有優(yōu)異的減重效果，更具備較高的耐腐蝕性、較好的抗減振性等優(yōu)良性能，是未來(lái)負(fù)重輪輕量化的重點(diǎn)研究方向。

4) 一體成型加工工藝具備工藝步驟簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高，同時(shí)可降低零件因多次裝夾而產(chǎn)生的制造誤差，進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)。負(fù)重輪一體成型加工工藝將在負(fù)重輪研究及制備領(lǐng)域占據(jù)重要地位。