Когда мы задумываемся о пассивной безопасности пассажиров в современном автомобиле, мы представляем ремень с преднатяжителем, подушки и шторки безопасности, мало кто назовёт кузов автомобиля, а точнее его конструкцию. Именно кузов автомобиля должен обеспечить защиту пассажиров при аварии, принять на себя весь удар и оставить цельным жизненное пространство экипажа.
До 40-х годов кузов (рама) в первую очередь считался только носителем агрегатов и узлов, а жёсткость кузова способствовала сохранению автомобиля и только позже 50-х годов прошлого века, когда скорость автомобилей значительно выросла, конструкторы задумались о безопасности пассажиров. Исследователи предложили новую концепцию построения автомобиля, где кузов разделили на несколько зон, сминаемые передняя и задняя части и капсула безопасности центральная, салон пассажиров. При аварии первые деформировались, поглощая энергию удара, что позволяет снижать перегрузки, которые могут испытать пассажиры, а заодно и избежать травмы связанные с деформацией салона.
Со временем, опираясь на анализ многочисленных краш-тестов, конструкторы серьёзно изменили конструкции зон безопасности и сминаемые участки, начали исследовать и применять новые материалы, комбинировать различные свойства стали в одной детали. Широкое применение нашли сверхвысокопрочные, высокопрочные и обычные стали, алюминий и композитные материалы.
Всё чаще конструкторы автомобилей применяют высокопрочные стали, которые в несколько раз прочнее обычного проката, их доля
доходит до 20-35 %.
СТАЛЬ
Рассматривая кузова современных автомобилей можно изучать металловедение. В новых автомобилях всё больше деталей из высокопрочной, ультравысокопрочной стали горячей штамповки, специального проката, алюминия с различным содержанием кремния или магния. Комбинации свойств металлов позволяют увеличивать прочность одних элементов или придавать запрограммированную сминаемость других.
Очень редко, технологии производства, возможно, применить в условиях ремонта
Улучшая структуру кузова, и увеличивая безопасность пассажиров, конструкторы задают новые задачи не только производителям автомобилей, но и многочисленным кузовным мастерским, в которые автомобили стремятся попасть после различных ДТП, для приобретения первозданной формы и внешности. В первую очередь, высокопрочные стали очень трудно править, резать и варить, порой для этого требуется специальный инструмент, имеющий не менее высокопрочные свойства, не отстающие от новых реалий. Со сваркой всё сложнее, технология производства специальных сталей не допускают перегрева деталей, что провоцирует перекос изделия или полное исчезновения первоначальных свойств. Производители автомобилей пошли разными путями, рекомендуя в ремонте использовать технологии и методы, используемые при производстве.
Сварка - пайка
Так большинство японских концернов используют метод полуавтоматической сварки пайки высокопрочной стали при низких темперах плавления проволоки медно-цинкового сплава. Для примера, сварка стальной проволокой в среде защитного газа СО2 проходит при температуре 1500-1600 градусов Цельсия, что полностью уничтожает все свойства особой стали. Сварка пайка производится при температурах ниже 900 градусов Цельсия, находясь в пределах от 860 до 890 градусов, при этом сварной шов такой находится в пределах прочности обычной сварки, а цинк, входящий в состав проволоки, соединяется с оцинковкой кузова, защищая сталь и сварной шов, от коррозии.
Контактная сварка клещами
Стандартом соединения деталей кузова автомобиля всегда считалась контактная сварка, по точкам которой, знающие автолюбители могли объявить, был ли автомобиль в аварии и какие детали были заменены. Но с применением новых сталей и способы контактной сварки изменились. Если совсем недавно, для сварки деталей хватало обычного трансформаторного аппарата контактной сварки до 5-6 тыс. ампер, то теперь условия диктуют новые правила. Аппарат контактной сварки обязан иметь клещи с пневматическим приводом, развивающие определённое усилие, ток сварки не менее 11-13 тысяч, специальный, определённого сечения кабель, с минимальным сопротивлением и с принудительным охлаждением жидкостью. Только в этом случае возможно соединение деталей современных кузовов из высокопрочной стали.
АЛЮМИНИЙ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Весной 1991 г. фирма Honda поставила на немецкий рынок партию легковых автомобилей Honda NSX с цельно алюминиевыми кузовами. Впрочем, тогда раскупили не так уж много машин, поскольку речь шла о спортивных моделях с кузовом купе. Тем не менее, появление серийных легковых автомобилей с алюминиевым кузовом свидетельствовало о наступлении новой эры в автомобилестроении.
В качестве примеров цельноалюминиевых автомобилей приведем Audi A8 и Jaguar XK. Заманчиво получить, как в случае с A8, автомобиль представительского класса весом, равным весу Audi A6 - седану классом ниже. Но создание кузова из алюминия сродни постройке самолета. Проблем тут гораздо больше, чем может показаться на первый взгляд. Алюминиевые сплавы плохо штампуются, свариваются только в среде инертного газа и гораздо лучше стальных аналогов передают вибрации. Для их скрепления в одном и том же автомобиле могут быть применены аргоновая сварка, клепка, склейка и даже болтовые соединения. Помимо этого помятое в результате ДТП алюминиевое крыло, часто, невозможно отрихтовать, а покраска легкосплавных деталей имеет массу технологических нюансов. В отличие от стальных конструкций в алюминиевых кузовах применяются не только листы, но и всевозможные профили (прямоугольные трубы, уголки), а также широкий ассортимент специальных литых деталей.
Первым в серийном производстве кузова стал применять алюминий концерн Audi>. Кузова его моделей A8, а затем и A2 сделаны полностью из алюминиевых сплавов
Алюминиевый кузов AUDIA8, созданный по технологии Audi Space Frame (ASF), весит всего 231 кг. Детали соединяют 1847 заклепок, 632 винта, 202 точки сварки, 25 метров швов газовой и 6 метров лазерной сварки, а также 44 метра клееных соединений.
Клепальные системы
В производстве автомобилей всё больше применяются высокопрочные стали, алюминий, магний, композиционные материалы.
Чтобы добиться определенных параметров, многие конструкторы проектируют кузова, сочетающие детали из разных материалов. Это позволяет использовать их положительные качества и обходить присущие им недостатки. Примером такой гибридной конструкции может быть кузов автомобиля Mercedes-Benz CL, при изготовлении которого применяется сталь, алюминий, магний и пластик. Сталь идет на каркас моторного отсека и днище багажного отделения, а также на отдельные элементы каркаса. Из алюминия изготавливают ряд наружных панелей и деталей каркаса. Из магниевого сплава делают каркас дверей. Передние крылья, крышка багажника выполняются из пластика. Как вариант возможна конструкция кузова, в которой каркас изготовлен из стали и алюминия.
Технологии сварки металлов с различными электрохимическими свойствами, в данном случае - стали и алюминия. Компания Honda Motor утверждает, что ей удалось добиться прочного соединения этих двух металлов, благодаря особому механизму сварки. Он подразумевает своеобразное «вкручивание» стальной части детали в алюминиевую часть под давлением. Это лишь общее описание принципа - исчерпывающих деталей компания не приводит. Итак, сталь и алюминий не свариваются между собой, тем более в условиях ремонта, мало того, металлы соединяют между собой только при наличии специальной изоляции, преимущественно при помощи заклёпок и резьбовых соединений. Если в непосредственный контакт с алюминием входит какой-либо другой металл, вследствие разных электрических потенциалов, между ними возникает гальваническая пара, что приводит к коррозии алюминия. Для соединения стали и алюминия используются специальные клеи, предотвращающие химическое разрушение материала.
XPress 800 - клепальное пневмогидравлическое устройство, с мощностью до 50кН, для заклепывания и расклепывания: самопроникающих заклепок, заклёпок FFR, вытяжных заклёпок, вытяжных заклепочных гаек и штамповки
Если бы не глобальное оледенение, по Земле до сих пор бы бродили динозавры. А если бы не проигрыш армий Сирии, Египта, Ирака и Иордании в так называемой войне Судного дня с Израилем в октябре 1973 года, то не было бы последующего нефтяного кризиса, то есть топливного бойкота арабскими странами Америки и Европы. И кто знает, как бы пошла тогда эволюция основного кузовного материала — стали?
В плоть до семидесятых годов прош-лого века кузова по-прежнему производили преимущественно из дешевой низкоуглеродистой стали с высоким содержанием кремния и кислорода — ее еще называют кипящей. Разве что к пятидесятым годам миллиметровые внешние панели для снижения себестои-мости и массы сделали тоньше — толщиной 0,8 мм. А из более качественной спокойной стали, пластичность которой выше благодаря пониженной концентрации кремния и кислорода, штамповали лишь некоторые сложные детали.
Но тут грянула война Судного дня, а за ней — и нефтяной кризис. Очереди на заправках, снижение популярности исконно американских больших, тяжелых и мощных машин... В 1978 году в США ввели средние корпоративные нормы по расходу топлива, известные как CAFE (Corporate Average Fuel Economy). А еще как раз в те времена в Америке всерьез озаботились пассивной безопасностью. И автопроизводители оказались в тисках. С одной стороны, машины должны были стать безопаснее, но с другой — экономичнее. Может, вообще отказаться от стали?
Прогресс металлургии, конечно, не стоял на месте. Сталелитейные компании в те времена уже выпускали автомобильный прокат повышенного качества IF (Interstitial Free, без фаз внедрения) с очень низким содержанием углерода (около 0,002%) и азота и с микролегированием титаном и ниобием. Но в 1975 году, согласно данным аналитического агентства Ducker, на сталь повышенной прочности, в том числе на IF, в конструкции кузова в среднем приходилось менее 5%.
В конце 70-х к интенсивным разработкам в области несущих алюминиевых кузовов приступили Porsche и Audi, а в 1984 году Pontiac Fiero и Renault Espace обзавелись пластиковыми наружными панелями. И вот тут крупнейшие поставщики стального проката задумались. Ведь переход автоконцернов на альтернативные материалы грозил потерей многомиллиардных прибылей!
Несущий кузов проекта ULSAB, спроектированный почти двадцать лет назад, был невероятно передовым. Доля мягких сталей в нем составляла менее 8%, все остальное — обычная «высокопрочка» плюс несколько усилителей из сверхвысокопрочной стали. Масса — около 200 кг. Многие технические решения с успехом применяются и в современных кузовах: так называемые Tailored Blanks, то есть детали из заготовок переменной толщины и прочности, гидроформинг, а также соединения лазерной сваркой и клеем
В начале 1990-х свыше тридцати крупнейших производителей стали и металлопроката, в том числе Nippon, Posco, Tata, Krupp и U.S. Steel, объединились в консорциум под названием ULSAB (Ultralight Steel Auto Body) для разработки облегченного стального кузова. Проект, к которому привлекли компанию Porsche Engineering, стартовал в 1994 году. В качестве точки отсчета инженеры усреднили характеристики нескольких серийных автомобилей того времени, включая BMW пятой серии, Mercedes Е-класса, Хонду Accord и Lexus LS. В итоге масса референсного кузова оказалась 271 кг, а жесткость на кручение — 11500 Нм/градус. Спустя четыре года был сделан опытный образец кузова, в котором суммарная доля высокопрочных (предел текучести 210—550 МПа) и сверхвысокопрочных сталей (свыше 550 МПа) составила 90% при толщине деталей от 0,65 до 2 мм. Массу удалось снизить на 70 кг, а жесткость на кручение выросла в два раза!
А экономический расчет специалистов Porsche Engineering показал, что всего через два года массового выпуска себестоимость таких кузовов будет не выше, чем у тогдашних серийных.
Как мы знаем, это не помешало расширять применение алюминия таким компаниям, как Audi, Jaguar, BMW или Mercedes-Benz. Но самым востребованным кузовным материалом до сих пор остается сталь: консорциум ULSAB собирался не зря.
Впрочем, концерн BMW и без того постоянно увеличивал долю высокопрочных сталей. Если в 1981 году в кузове пятой серии поколения E28 было всего четыре процента «высокопрочки», то через семь лет в Е34 — двенадцать, а в E39, дебютировавшей в 1995-м, — уже сорок.
Сталь получают из чугуна, снижая в нем концентрацию углерода. В первой половине ХХ века производство стали осуществлялось в мартеновских печах. Туда загружали чугун, стальной лом, железную руду и известняк — и плавили шихту, используя коксовый или природный газ. Плавка длилась до десяти часов и требовала большого количества топлива, а качество готового продукта оставляло желать лучшего. Сейчас сталь получают кислородно-конвертерным способом: в огромный сосуд (на фото) заливают жидкий чугун и продувают его технически чистым кислородом. Этот процесс гораздо эффективнее, длится меньше часа и не требует внешнего источника тепла
Сейчас в каталоге крупнейшего в мире производителя стали ArcelorMittal значится больше семидесяти разновидностей проката для автомобильной промышленности. А что в России? Увы, наши металлурги долгое время вообще не могли производить подобный качественный прокат — и лишь в 2011 году окончательно прекратили выплавлять сталь старым и неэффективным способом в мартеновских печах. Хотя в Германии, США и Японии их «потушили» еще в начале 90-х, перейдя на современный кислородно-конвертерный процесс. У нас же тогда только-только освоили выпуск -IF-проката. А история помнит времена, когда вазовские машины на треть состояли из импортной стали.
05.02.2014 - 12:17
WorldAutoSteel – автомобильное подразделение Международной ассоциации производителей стали (World Steel Association) – обнародовало результаты реализации программы "FutureSteelVehicle" (FSV) в рамках проекта "Steel Solutions in the Green Economy" ("технологии стали в "зеленой" экономике"). Эта программа нацелена на разработку облегченных элементов стального кузова автомобиля, что дает возможность снизить вес машины почти на 40% и сократить выбросы углекислого газа в течение всего срока службы автомобиля на 70%.
"Зеленый" автомобиль для "зеленой" экономики
Проект WorldAutoSteel под названием FutureSteelVehicle ("автомобиль из сортов стали будущего") стартовал в 2007 году, однако наиболее интенсивно работы по нему начались только в последние годы. В его реализации принимают все члены WorldAutoSteel – 17 крупных металлургических компаний, в том числе, Anshan Steel, Arcelor Mittal, Baosteel, Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation, ThyssenKrupp, U.S. Steel, Severstal, POSCO и другие.
Главная цель программы – разработка специальных сортов стали, в результате применения которых массу кузова автомобиля можно будет сократить на 35-40% по сравнению с современными машинами. Это позволит уменьшить общий объем выбросов загрязняющих веществ в течение всего срока службы автомобиля на 70%. При этом, в полном объеме должны выполняются все требования к аварийной ударобезопасности машин (пять звезд по результатам краш-тестов) и долговечности корпуса, а снижение массы корпуса не должно повлечь за собой существенных финансовых и иных расходов.
Основными причинами, стимулирующими производителей снижать массу автомобиля, является американское и европейское законодательство, требующее выпускать машины, потребляющие меньше топлива, что можно сделать именно за счет уменьшения веса. Впервые потребление топлива было ограничено американским стандартом Corporate Average Fuel Economy (CAFE), принятым в 1975 году из-за нефтяного кризиса. С тех пор стандарты постоянно ужесточались, а другие регионы, в первую очередь ЕС, тоже стали вводить в действие аналогичные законодательные акты.
После принятия Киотского протокола уменьшение расхода топлива приобрело и экологическое значение. На транспорт сегодня приходится около 20% выбросов парниковых газов, а если учитывать и выбросы, связанные с производством топлива и электричества, потребляемого автомобилестроением, то эта доля еще выше. В то же время, уменьшение массы автомобиля сокращает потребление топлива и, следовательно, любых затрат ресурсов, связанных с его производством и использованием.
В ходе реализации программы FSV были разработаны оптимизированные элементы автомобильного кузова из особо высокопрочной стали (Advanced High-Strength Steel – AHSS) для четырех моделей автомобилей, коммерциализация которых намечена на период с 2015 по 2020 годы. Это, в частности, аккумуляторные электромобили (Battery Electric Vehicle – BEV) и гибридные автомобили с подзарядкой от электросети (Plug-in Hybrid Electric Vehicle – PHEV) классов А и В, а также автомашины типа PHEV и электромобили с топливными элементами (Fuel Cell Electric Vehicle – FCEV) классов C и D.
За счет использования стали AHSS предусматривается снижение веса при одновременном увеличении прочности таких основных узлов кузова автомобиля, как пороги, средние стойки, боковые и передние продольные элементы крыши, задние лонжероны и лонжероны переднего отсека, ребра жесткости колесных арок, а также элементы аккумуляторного отсека (электромобилей и гибридных машин), поглощающие энергию при лобовом столкновении. Высокопрочные стальные компоненты кузова играют важную роль в т.н. "управлении аварией", определяя, как автомобиль должен вести себя при аварии.
Для прочности важна и технология соединения отдельных частей автомобильного кузова. Замена точечной сварки современными технологиями соединения, в том числе лазерной сваркой и адгезионным связыванием (а также комбинацией адгезионного связывания и точечной сварки) позволяют создавать одновременно и более жесткие, и более легкие конструкции. По словам одного из авторов проекта FutureSteelVehicle Рона Крупитцера из American Iron and Steel Institute (AISI), все больше автомобильных компаний изучают возможность использования этих технологий для соединения высокопрочных сталей.
"При выполнении программы FutureSteelVehicle мы стремились эффективно использовать все преимущества стали в целом и Advanced High-Strength Steel в частности. Это, прежде всего, свобода выбора конструкционных и дизайнерских решений, прочность, пластичность и пригодность к формованию, относительно небольшая стоимость и невысокие промышленные выбросы. Хотя технологии и разработки в рамках FSV сфокусированы, главным образом, на электромобилях, сегодня у нас имеется широкий спектр сортов стали, которые могут быть использованы для уменьшения массы кузова и сокращения выбросов загрязняющих веществ для любого типа автомобиля", – говорит Джоди Шоу, директор подразделения технического маркетинга и исследований корпорации U.S. Steel, который осуществляет общее руководство проектом FutureSteelVehicle.
Главные преимущества
По его словам, можно выделить следующие семь ключевых результатов, которых удалось достичь в ходе реализации проекта FSV:
Автомобили, выполненные по технологии FSV, легки и очень эффективны в плане расхода топлива и снижения выбросов. Этого удалось достичь благодаря оптимизации форм и размеров деталей кузова за счет применения новых сортов стали.
Вес кузова аккумуляторного электромобиля (BEV), выполненного по технологии FSV, не превышает 188 кг, в то время как вес кузова современного легкового автомобиля составляет не менее 290 кг, то есть, он на 35% тяжелее, чем перспективная новинка.
Проект FutureSteelVehicle предусматривает использование более 20 новых сортов стали типа Advanced High-Strength Steel (особо высокопрочная сталь), которые будут производиться серийно и станут коммерчески доступными на рынке к 2015-2020 годам.
Портфель новых материалов проекта FSV включает такие новейшие сорта стали, как двухфазная сталь (Dual Phase Steel), ТРИП-сталь с пластичностью, обусловленной мартенситным превращением (TRIP), ТВИП-сталь с двойниковой индуцированной пластичностью, сталь со сложной микроструктурой (Complex Phase Steel), сталь горячего формования (Hot Formed Steel) и другие. Они по сравнению с обычными (конструкционными низколегированными) сталями обладают повышенной прочностью и одновременно пластичностью, что обеспечивают им преимущества в процессе штамповки и формования. В наибольшей степени данные свойства востребованы в современной автомобильной промышленности, поскольку обеспечивают большую свободу инженерам при выборе дизайна, оптимизации (снижении) веса и общей технологии производства автомобиля.
Кузова автомашин, выполненных по технологии FSV, отвечают самым строгим требованиям к ударопрочности автомобиля, принятым в мире, а в некоторых случаях даже превосходят их. Поэтому нет ничего удивительного в том, что по результатам краш-тестов автомобили FSV получают самый высокий рейтинг – пять звезд.
Изготовление компонентов кузова электромобилей из сортов стали типа AHSS дает возможность сократить общий объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в течение всего жизненного цикла автомобиля в соответствии со стандартами энергетической системы США на 56%. В Европе, где эта система и ее источники более эффективны, данный показатель может достигать 70%.
Существенное снижение массы кузова достигается без каких-либо существенных увеличений расходов на производство машин по сравнению с современными автомобилями.
"Все эти достижения, особенно в части существенного снижения массы автомобиля и оптимизации конструкторских решений, устанавливают новый стандарт проектирования автомобилей будущего. Кроме того, реализация проекта FutureSteelVehicle дает возможность значительно снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, что особенно важно с учетом разработки и ввода в действие в ближайшее время новых экологических стандартов в большинстве развитых стран мира", – говорит директор подразделения WorldAutoSteel Сиз тен Брок.
По его словам, в последние годы основной упор на снижении массы автомобиля был сфокусирован на использовании алюминиевых компонентов. Однако применение особо высокопрочной стали (Advanced High-Strength Steel) ни в чем не уступает алюминию, поскольку этот сорт металла можно производить в очень и очень тонких толщинах, сохраняя при этом прочность как у мягкой малоуглеродистой стали, которая существенно выше, чем у обычной стали, используемой для выпуска автомобилей в последние два десятилетия. Все это дает возможность конструкторам легковых автомашин заменить обычный автолист сталью AHSS, существенно снижая при этом количество материала и вес кузова.
"Применение AHSS дает возможность уменьшить массу автомобиля по сравнению с современными машинами в целом на 39%, в то время как применение алюминия – лишь на 11%, хотя многие говорят, что эта цифра существенно выше и достигает 50%. Однако наши расчеты и практические исследования показали полное преимущество AHSS над алюминием, даже когда из последнего изготавливались отдельные элементы кузова в интересах снижения его массы. К тому же, алюминий существенно дороже стали, поэтому его использование значительно повышает стоимость автомобиля, от чего страдает, в первую очередь, конечный потребитель", – поясняет Брок.
По его словам, широкое применение Advanced High-Strength Steel, как показывают исследования и эксперименты, проведенные в рамках проекта FutureSteelVehicle, дает возможность существенно уменьшить общие выбросы парниковых газов на протяжении всего жизненного цикла автомобиля. Кроме того, проект FutureSteelVehicle – это весомый шаг на пути к "зеленой экономике" (Green Economy), которая представляет собой новую экономическую политику, основанную на неукоснительном соблюдении принципов экологической безопасности.
С точки зрения директора WorldAutoSteel Сиза тен Брока, значительное уменьшение выбросов углекислого газа автомобилями, построенными по технологии FSV с применением Advanced High-Strength Steel, позволяет в обозримой перспективе создать глобальный парк "зеленого транспорта", приоритетной чертой которого является радикальное повышение энергоэффективности. -- Русмет
Расскажем из чего делают кузова автомобилей и какие технологии появились? Рассмотрим недостатки и преимущества основных материалов, используемых при изготовлении машины.
Для изготовления кузова необходимо сотни отдельных частей, которые затем нужно соединить в одну конструкцию, соединяющую все части современного автомобиля. Для легкости, прочности, безопасности и минимальной стоимости кузова конструкторам необходимо идти на компромиссы, искать новые технологии, новые материалы.
Сталь
Основные детали кузова изготовляют из стали, алюминиевых сплавов, пластмасс и стекла . Причем предпочтение отдается низкоуглеродистой листовой стали толщиной 0,65...2 мм. Благодаря применению последней удалось снизить общую массу машины и повысить жесткость кузова. Это вызвано ее высокой механической прочностью, недефицитностью, способностью к глубокой вытяжке (можно получать детали сложной формы), технологичностью соединения деталей сваркой. Недостатками этого материала являются высокая плотность и низкая коррозионная стойкость, требующая сложных мероприятий по защите от коррозии .Конструкторам нужно, чтобы сталь была прочной и обеспечивала высокий уровень пассивной безопасности, а технологам нужна хорошая штампуемость. И главная задача металлургов - угодить и тем и другим. Поэтому разработан новый сорт стали, позволяющий упростить производство и в дальнейшем получить заданные свойства кузова.
Изготавливается кузов в несколько этапов. С самого начала изготовления из стальных листов, имеющих разную толщину, штампуются отдельные детали. После эти детали свариваются в крупные узлы и с помощью сварки собираются в одно целое. Сварку на современных заводах ведут роботы.
Преимущества:
- низкая стоимость;
- высокая ремонтопригодность кузова;
- отработанная технология производства и утилизации.
- самая большая масса;
- требуется антикоррозийная защита от коррозии;
- потребность в большом количестве штампов;
- ограниченный срок службы.
Алюминий
Алюминиевые сплавы для изготовления автомобильных кузовов начали использовать относительно недавно. Используют алюминий при изготовлении всего кузова или его отдельных деталей – капот, двери, крышка багажника.
Алюминиевые сплавы применяются в ограниченном количестве. Поскольку прочность и жесткость этих сплавов ниже, чем у стали, поэтому толщину деталей приходится увеличивать и существенного снижения массы кузова получить не удается. Кроме того, шумоизолирующая способность алюминиевых деталей ниже, чем стальных, и требуются более сложные мероприятия для достижения акустической характеристики кузова.
Начальный этап изготовления алюминиевого кузова схожий с изготовлением стального. Детали вначале штампуются из листа алюминия, потом собираются в целую конструкцию. Сварка используется в среде аргона, соединения на заклепках и/или с использованием специального клея, лазерная сварка. Также к стальному каркасу, который изготовлен из труб разного сечения, крепятся кузовные панели.
Достоинства:
- возможность изготовить детали любой формы;
- кузов легче стального, при этом прочность равная;
- легкость в обработке, вторичная переработка не составляет труда;
- устойчивость к коррозии, а также низкая цена технологических процессов.
- низкая ремонтопригодность;
- необходимость в дорогостоящих способах соединения деталей;
- необходимость специального оборудования;
- значительно дороже стали, так как энергозатраты намного выше.
Стеклопластик и пластмассы
Под названием стеклопластик имеется в виду любой волокнистый наполнитель, который пропитан полимерными смолами. Наиболее известными наполнителями считаются – карбон , стеклоткань и кевлар.Около 80% пластмасс, применяемых в автомобилях, приходится на пять типов материалов: полиуретаны, поливинилхлориды, полипропилены, АБС-пластики, стеклопластики. Остальные 20% составляют полиэтилены, полиамиды, полиакрилаты, поликарбонаты.
Из стеклопластиков изготовляют наружные панели кузовов, что обеспечивает существенное уменьшение массы автомобиля. Из полиуретана делают подушки и спинки сидений, противоударные накладки. Сравнительно новым направлением является применение этого материала для изготовления крыльев, капотов, крышек багажника.
Поливинилхлориды применяют для изготовления многих фасонных деталей (щиты приборов, рукоятки) и обивочных материалов (ткани, маты). Из полипропилена делают корпуса фар, рулевые колеса, перегородки и многое другое. АБС-пластики используют для различных облицовочных деталей.
Достоинства стеклопластика:
- при высокой прочности маленький вес;
- поверхность деталей обладает хорошими декоративными качествами;
- простота в изготовлении деталей, имеющих сложную форму;
- большие размеры кузовных деталей.
- высокая стоимость наполнителей;
- высокое требование к точности форм и к чистоте;
- время изготовления деталей достаточно продолжительное;
- при повреждениях сложность в ремонте.
Автомобильная промышленность не стоит на месте и развивается в угоду потребителю, который хочет быстрый и безопасный автомобиль. Это приведет к тому, что в производстве авто используются новые, отвечающие современным требованиям материалы.
Самый большой, самый дорогой и самый ответственный узел легкового автомобиля - его кузов. Он определяет не только основные потребительские свойства (скорость, комфорт, эстетическое восприятие автомобиля в целом и т. д.), но и безопасность водителя и пассажиров. Поэтому требования к кузову неуклонно повышаются.
Кузов первых моделей ВАЗ, так называемой "классической" компоновки, соответствовал требованиям своего времени и представлял собой конструкцию, которая состояла из нескольких крупногабаритных деталей (крыша, капот, панели пола, щиток передка) и большого числа сварных узлов, включающих относительно простые мелкие детали. Конструкция определяла и требования к материалам, и технологиям штамповки и сварки.
Так, основную массу деталей выполняли из холоднокатаного проката стали 08Ю категорий вытяжки СВ, ОСВ, а наиболее простые детали - из сталей 08кп и 08пс категории вытяжки ВГ. Прокат первой группы отделки поверхности, соответствующий категориям вытяжки ОСВ и ВОСВ для лицевых деталей кузова, закупали главным образом за рубежом.
Комплекс сварки кузовов классических моделей (ВАЗ-2101 - ВАЗ-2107) состоял из поточных линий на базе многоточечных сварочных машин и стендов ручной сварки. То есть оборудования, предназначенного для сварки непокрытых сталей. Оно отличалось высокой производительностью, относительной компактностью, надежностью в эксплуатации, хорошей ремонтопригодностью и в то же время - недостаточной гибкостью, что не способствовало изменению конструкции деталей в процессе модернизации автомобиля или смены модельного ряда, имело ограничения по сварке деталей из оцинкованных сталей. В частности, в последнем случае существенно снижало свою производительность из-за необходимости остановок для проведения периодической ручной зачистки электродов контактных машин.
К моменту постановки на производство семейства автомобилей ВАЗ-2108 требования к кузову изменились. Соответственно другими стали и подходы к его проектированию. Например, кузов ВАЗ-2108, в отличие от кузова ВАЗ-2101, не имеет деталей и узлов, устанавливаемых в процессе доварки черного кузова. Он состоит из каркаса и съемных узлов (двери, капот, крылья), а каркас - из пяти основных узлов: пола, правой и левой боковин, рамы ветрового окна и крыши. В результате конструкция стала более технологичной, в ней снизилось число деталей и узлов. К примеру, если кузов автомобиля ВАЗ-21013 состоял из 536 деталей, то кузов ВАЗ-2108 - из 368. Благодаря этому удалось уменьшить и число сборочно-сварочных операций, и число сварочных точек. (К примеру, последних с 7300 до 4300.) При этом доля сварки в автоматических линиях увеличилась с 45 до 96 %. Итог трудоемкость изготовления кузова снизилась с 9,89 до 6,7 нормо-ч, численность рабочих в цехах сварки - на 350 чел.
Автомобили семейства ВАЗ-2108 были первыми среди отечественных АТС, где для повышения коррозионной стойкости кузова стали применять детали из электрооцинкованного проката. Всего таких деталей 16, а их масса составляет ~11 % обшей массы кузова.
Появление нового типа материала серьезно повлияло и на технологию изготовления кузова. Дело в том, что штамповать детали из оцинкованных сталей гораздо сложнее: покрытие существенно влияет на коэффициент трения в зоне контакта заготовки со штампом и, следовательно, на условия течения металла в процессе формовки и вытяжки; поверхностный слой имеет склонность к шелушению и отслоению в условиях пластической деформации металла-основы и контактного воздействия со стороны штампового инструмента, В силу этих особенностей штамповка электрооцинкованного проката требует дополнительных затрат и ужесточения технологической дисциплины. Например, при рубке заготовок, чтобы избежать отслоений покрытия в зоне реза и последующего их переноса с кромок заготовок на зеркало штампа, нужно очень точно выдерживать зазоры в режущем инструменте. Иначе в процессе штамповки, когда контактные давления очень высоки, сдираемые микрочастицы цинка привариваются к поверхности штампа, постепенно коагулируют и накапливаются в виде достаточно крупных металлических наростов, которые травмируют поверхность листа, оставляя на ней дефекты в виде выпуклостей, что совершенно недопустимо для лицевых деталей кузова.
Вторая группа особенностей оцинкованных сталей - их худшая, по сравнению с непокрытым металлом, свариваемость и повышенный износ сварочных электродов. Потому, что цинковое покрытие увеличивает контактные электросопротивления в парах "электрод - деталь" и "деталь - деталь". Следовательно, уменьшает сварочный ток и количество теплоты в зоне свариваемого соединения. Чтобы компенсировать это явление, сварочный ток приходится увеличивать, в зависимости от типа покрытия, на 5-15 %. Но в условиях высоких токов, температур и давления материал электрода начинает активно взаимодействовать с цинком, образуя легкоплавкие эвтектики (латуни). В итоге электрод по микронеровностям очень "охотно" приваривается к поверхности листа, а при размыкании контакта вызывает повышенную эрозию контактной поверхности. При этом масса данного участка поверхности возрастает, значит, снижаются плотность тока в контакте и диаметр ядра сварочной точки. Кроме того, постепенно образующийся слой латуни на контактной поверхности электрода повышает его электрическое сопротивление и соответственно снижает количество теплоты, выделяющейся в сварном соединении, что также уменьшает диаметр ядра сварной точки.
Было очевидно, что решить перечисленные проблемы можно только одним способом - перейти на оборудование, способное автоматически регулировать величины сварочного тока и периодически зачищать рабочую поверхность электродов. Что и сделали: ВАЗ перешел на автоматические линии и посты, оснащенные робототехническими комплексами, созданными в сотрудничестве с фирмами "Сиаки" и "Кука".
Следующим этапом эволюции кузова стали разработка и постановка на производство автомобилей семейства ВАЗ-2110. Данный этап во многом перенял лучшие технические решения, опробованные на семействе ВАЗ-2108. Например, общее число деталей кузова, несмотря на более сложную конструкцию, снизилось, по сравнению с ВАЗ-2108, на 20 шт., а число сварочных точек возросло лишь на 478 (10 %). Однако необходимость обеспечения современных требований экономики заставила улучшать аэродинамику автомобиля и, как следствие, усложнять форму деталей. Что повлекло за собой увеличение объемов применения высокотехнологичных штампуемых сталей, еще большее ужесточение требований к оборудованию и штамповой оснастке. Поэтому под проект пришлось закупить и смонтировать пять новых автоматических вырубных и штамповочных линий, в том числе уникальный для России шестипозиционный пресс-автомат усилием 32 тыс. кН с гидравлической маркетной подушкой на первой позиции, выпускаемый немецкой фирмой "Эрфурт" и предназначенный для штамповки крупногабаритных деталей. Кроме того, под техническим руководством ВАЗа отечественными металлургическими комбинатами ОАО "НЛМК" (Липецк), "Северсталь" (Череповец), "ММК" (Магнитогорск), "АО ЛМЗ" (Лысьва) совместно с ЦНИИЧМ имени Бардина (Москва) было освоено производство современных автолистовых сталей, в том числе с цинковыми покрытиями, что позволило полностью обеспечить нынешнюю потребность отечественной автомобильной промышленности в качественном металлопрокате. В том числе практически всю потребность ВАЗа в холоднокатаном листе первой группы отделки поверхности (-155 тыс. т в год, из них 41 тыс. т - оцинкованный прокат), в горячеоцинкованной (-9 тыс. т в год) и электрооцинкованной (-76 тыс. т в год) сталях.
В настоящее время с целью повышения качества штампуемых деталей проводятся работы с металлургическими комбинатами по использованию нового поколения консервационно-технологических смазок для листового проката, внедрению специальных моечных машин для особо ответственных лицевых деталей кузова. Нарабатываются мероприятия по исключению попадания дополнительных загрязнений на поверхность проката в процессах переработки (резка заготовок, хранение, транспортировка и штамповка).
Объем применения оцинкованных сталей в кузове ВАЗ-2110 достиг 52 %его массы. Что в сочетании с дополнительной обработкой опасных зон специальными защитными составами и высококачественным лакокрасочным покрытием гарантирует защиту его деталей от сквозной коррозии на срок до шести лет. Однако рост числа деталей, выполняемых из оцинкованных сталей, еще более обострил проблему обеспечения качества штамповки. В частности, чтобы уменьшить налипание цинка, необходима дополнительная операция ручной периодической очистки зеркала штампа. Что, безусловно, сказывается на трудоемкости изготовления деталей и производительности оборудования. Поэтому ВАЗ проводит подготовительные работы по закупке лицензии и освоению технологии хромирования формообразующих поверхностей штампов, которое, как известно, позволяет решить проблему на современном уровне.
Широкое применение оцинкованных сталей потребовало принятия новых решений и в отношении всего сварочного комплекса, в том числе значительного усложнения, как механики, так и систем управления сварочных линий: теперь общее число используемых сварочных роботов достигло 220 шт. В состав автоматических линий, кроме традиционных постов сварки, вошли посты промазки кузова мастиками перед сваркой и нанесения высокопрочного клея на стыке капота перед его зафланцовкой. В линиях сварки впервые в нашей стране в больших (~50 шт./кузов) объемах применена полуавтоматическая и автоматическая дугоконтактная приварка болтов, заменившая собой традиционную рельефную сварку, требующую пробивки отверстий в листовой детали.
Автомобиль ВАЗ-1118 - очередной шаг на пути повышения безопасности и коррозионной стойкости кузова. И хотя объем применения оцинкованных сталей здесь остался на уровне кузова автомобиля ВАЗ-2110, существенно изменилась структура этого объема: значительно увеличилась доля горячеоцинкованного проката, а доля электрооцинкованного, наоборот, снизилась, что позволило существенно увеличить поверхность деталей, защищенных цинковым покрытием. Так, если у кузова ВАЗ-2110 оцинкованная поверхность составляла 29 %, то у ВАЗ-2118 - уже 52 %.
Переход на горячеоцинкованный прокат выгоден и в экономическом отношении: технологическая себестоимость изготовления данного проката на 10-15 % ниже, чем проката электрооцинкованного. Кроме того, он более технологичен с точки зрения штамповки. Во-первых, в качестве его основы используются высокопластичные стали со сверхнизким содержанием углерода (IF-стали); во-вторых, покрытие из более мягкого металла оказывает то же влияние, что и твердая смазка, т. е. в определенной степени облегчает процесс штамповки, улучшая условия течения металла.
Проблема обеспечения свариваемости горячеоцинкованного проката решается за счет использования сварочных роботов с современными системами управления циклом сварки и автоматической зачисткой электродов. Для снижения затрат на электродные материалы применяются электроды колпачкового типа с внутренним посадочным конусом.
Вторая особенность кузова ВАЗ-1118 - более широкое, чем на ВАЗ-2110, применение низколегированных и двухфазных (ферритно-мартенситных) сталей повышенной прочности, освоенных отечественной металлургической промышленностью (НЛМК и ЧерМК). Такой переход, во-первых, увеличивает прочность и уровень пассивной безопасности кузова, во-вторых, снижает его материалоемкость (собственную массу) и положительно сказывается на динамических характеристиках, топливной экономичности и других потребительских свойствах автомобиля.
Правда, данные стали, обладают несколько меньшей, чем традиционные, пластичностью и, как следствие, ограниченными возможностями по вытяжке, повышенным пружинением, развивают большую нагрузку на штамповую оснастку и т. д. Все это учитывалось при разработке как конструкции кузова автомобиля ВАЗ-2118, так и технологии его изготовления. Например, основу технологии составляют робототехнические комплексы, изначально рассчитанные на значительное увеличение объемов применения именно горячеоцинкованной стали. Причем число роботов возросло до 360, т. е., по сравнению с комплексом сварки автомобиля ВАЗ-2110, на 64 %. При этом существенно изменился подход к построению самих автоматических линий. Роботы нового поколения грузоподъемностью 150/200/300 кг позволили перейти к технологической схеме так называемого "сада роботов", где автоматы не только выполняют операции сварки, но и манипулируют узлами в процессе доварки кузова на стационарных клещах, а также передают его с поста на пост. Что дало возможность отказаться от сложных традиционных линейных транспортеров, существенно повысить технологическую гибкость оборудования при последующих модернизациях автомобилей. А главное - применять современные специализированные пакеты компьютерного моделирования для оптимизации пропускной способности линий и емкости накопителей, проектирования, изготовления и аттестации всей технологической оснастки сварочных линий, используя математические модели деталей кузова. В конечном итоге - обеспечить собираемость кузовов и оптимальную геометрию кузова. Причем оптимизация сборочно-сварочных операций, оценка технологичности конструкции кузова на предмет доступа сварочных клещей к месту сварки выполняются еще на этапе проектирования сварочной оснастки, что значительно снижает затраты и сокращает сроки подготовки производства.
