журналы подразделения новости подписка контакты home

архив
2001 год
2002 год
2003 год
2004 год
рубрики
ТЕМА НОМЕРА

КОМПАНИИ И РЫНКИ

КРИЗИС ПЕРЕПРОИЗВОДСТВА

ИТОГИ И ТЕНДЕНЦИИ

РЫНОК ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

РЫНОК ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

гостям
Агентство "Стандарт" предлагает вам подписаться на экномические журналы – лидеры в своей области.
























"Металлы мира" – №8, 2002

ИТОГИ И ТЕНДЕНЦИИ

Проблема выбора

Производители алюминия, стали и пластиков ведут ожесточенную конкуренцию на автомобильном рынке, предлагая компаниям отрасли все более совершенные материалы

Конкуренция между альтернативными материалами на автомобильном рынке приобретает новый характер. Если прежде речь шла только о разработке материалов, наиболее подходящих для изготовления тех или иных деталей, а также об их ценовой конкурентоспособности, то теперь поставщики металлов и пластмасс предлагают автомобильной промышленности оптимальные технологические решения и сами наращивают производство деталей и узлов. Более того, совместными усилиями производителей материалов и автоконструкторов уже разработаны альтернативные модели "полностью алюминиевых", "полностью пластмассовых" и "полностью стальных" автомобилей, каждая из которых отличается своими преимуществами.

Тройственная конкуренция

Как и в любой сфере деятельности, у инженеров в автомобильной промышленности множество проблем. Наиболее важные из них – снижение веса автомобиля, правильный выбор подходящих материалов, производство огромного количества деталей, способы соединения их в общие узлы, повышение качества. Кроме того, регулярно ужесточаются экологические требования относительно уровня эмиссии окислов азота и углерода, а топливная экономичность автомобиля становится важной для потребителей. Однако в последние годы к решению этих проблем все более активно подключаются поставщики материалов, остро заинтересованные в автомобильном рынке, так как его огромный потенциал естественным образом привлекает производителей металлов и пластмасс.

Сталелитейные и алюминиевые компании конкурируют в этой сфере уже около ста лет, а в 70-х годах к борьбе за передел автомобильного рынка подключились и производители пластмасс. Во многих сферах применения пластиковые детали уже заметно потеснили алюминиевые и стальные аналоги. Обострение конкуренции между альтернативными материалами создает их производителям мощную мотивацию для интенсивной исследовательской деятельности, уже охватившей разработку новых конструкций деталей, узлов и даже автомобилей в целом. Совместными усилиями поставщиков материалов и автомобильных компаний разрабатываются оптимальные сборочные технологии и способы соединения различных материалов в общие узлы. Производители пластмасс и композитов предлагают проектировщикам материалы, дающие возможность создавать принципиально новые конструкции узлов двигателя и элементов кузова, а поставщики металлов принимают на вооружение новейшие технологии изготовления деталей, что сводит к минимуму число трудоемких операций в сборочном процессе при одновременном уменьшении веса и улучшении функциональности.

В принципе, широчайшие возможности для уменьшения веса автомобилей обеспечивают экструзионные технологии производства алюминиевых деталей. Экструдированные профили все шире используются в конструкционных решениях, что определяет новые направления исследовательской деятельности: следует обеспечить необходимую функциональность деталей и строгий контроль микроструктуры применяемых для их изготовления сплавов. Кроме того, огромное значение имеет воспроизводимость формы и физико-механических характеристик экструзий. Производители таких деталей уже предложили конструкторам многие технические решения, а теперь сотрудничают с автомобильными компаниями в рамках реализации совместной программы SALVO по разработке автомобилей нового поколения.

В свою очередь, сталелитейные компании объединили усилия для реализации программы Ulsab-AVC, которая решает задачу обеспечения для стали долгосрочных позиций как основного материала в производстве автомобилей. Центральное место в ней отведено гидроформингу конструкционных деталей для автомобилей будущих поколений. План Ulsab-AVC представляет собой дальнейшее развитие исходной программы Ultralight Steel Auto Body (Ulsab), которая была завершена в 1998 году. Реализация Ulsab породила новые инициативы, направленные конкретно на разработку конструкций затворов (дверцы, откидные борта и т.д.), задней подвески и практического воплощения новейших идей в русле "Прогрессивной концепции автомобиля" (AVC).

Не теряют времени зря и производители пластмасс. Например, германская компания BASF интенсивно разрабатывает новые варианты пластиков и металлопластиковых композитов, пригодных для производства как кузовов, так и деталей двигателя. Исследования ведутся одновременно во многих направлениях, в частности, в области разработки прочных и термостойких материалов. Снижение веса автомобиля – это только один из способов повышения топливной экономичности. Другие возможности связаны с улучшением топливной эффективности двигателей, что достигается благодаря прямой инжекции топлива и более высоким рабочим температурам. Уже появились активные впускные системы с интегрированным переключением клапанов, автоматическим изменением длины цилиндров и сечения трубопроводов. Еще одно направление – разработка систем рециркуляции выхлопных газов, позволяющих снизить уровень эмиссии поллютантов.

Если объединить эти разработки с другими изменениями конструкции (например, более высокая плотностью упаковки различных функциональных деталей и оснастки двигателя), то результатом окажется значительное повышение температуры в моторном отсеке и, соответственно, тепловой нагрузки на материалы, используемые для производства впускных систем. Применение термопластиков в этой сфере началось в 1972 году, когда на рынке появились модели Porsche с использованием материала Ultramid® A3XG7 – разработанный BASF пламезамедляющий нейлон-6,6, упрочненный стекловолокном (35%). С тех пор применение этих материалов значительно возросло, и в 2001 году мировое производство впускных коллекторов из полиамида достигло 18 млн. шт. По мнению аналитиков, к 2005 году впускным системам из подобных материалов будет принадлежать 85% европейского рынка, 70% – североамериканского, 60% – японского.

Алюминий: не весом единым

В этой ситуации производителям алюминиевых экструзий приходится решать весьма специфические задачи. С точки зрения специалистов Hydro Aluminium, наиболее важные из этих них – налаживание в больших объемах рассчитанного на многие годы производства каждой из категорий автомобильных деталей с минимальными изменениями элементов и при использовании меньшего количества головок экструдеров при достижении более длительного срока службы. Кроме того, требуется создавать товары для более отдаленных этапов технологической цепочки – формовки, сварки и сборки. Необходимо также ввести жесточайший контроль структуры и механических характеристик на этапе производства материалов.

Способность поглощать энергию у алюминия выше, чем у стали, что делает его незаменимым для буферных элементов. В результате специальной термообработки стандартных сплавов получают материалы с заданными свойствами для производства сминаемых балок, способных поглощать энергию при ударе. Оптимальная комбинация конструкции балок и физических свойств материала позволяет обеспечивать максимальную безопасность для пассажиров. Кроме того, полые экструдированные детали из алюминия позволяют существенно снизить общий вес, и такого типа защитные боковые балки уже вошли в стандарты.

Поскольку производители комплектного оборудования предпочитают покупать не отдельные детали и материалы, а максимально собранные узлы, экструзионные компании выпускают защитные балки в собранном виде, в результате чего их можно сразу вставлять в дверцу автомобиля. За счет оптимальной комбинации конструкции экструдированной детали, состава сплава, режима термообработки и контролируемых условий процесса экструзии компании получили возможность производить балки в одностадийном процессе, что не только снижает вес конструкции в целом, но также увеличивает ее прочность и упругость. Все детали таких узлов должны точно удовлетворять технические условия, обеспечивая воспроизводимость деформации дверцы при ударе, максимальное поглощение энергии, а, следовательно, и безопасность пассажиров.

Кроме того, экструзии из микропористого алюминия дают возможность изготовлять легкие и эффективные теплообменники типа радиаторов и кондиционеров. Наряду с низкой плотностью алюминий характеризуется значительной упругостью и высокой теплопроводностью, что делает его оптимальным материалом для конденсаторных труб. Жесткие требования к целостности деталей и формуемости материала могут быть соблюдены за счет разработки специальных сплавов с заданными характеристиками. При этом, для производства сложных полых многокамерных профилей, используемых в конденсаторах, уже разработаны новые технологии точного литья. Эти процессы появились в результате совместных усилий поставщиков экструзий и производителей комплектного оборудования; они позволяют значительно сократить затраты на износ обрабатывающих инструментов.

Экструзии можно использовать также для производства алюминиевых шасси. Это создает потенциал для разработки высокоинтегрированной конструкции с уменьшенным количеством деталей и, соответственно, снижает затраты, сопряженные со сборочным процессом. Помимо выигрыша в весе, применение алюминиевых экструзий обеспечивает и другие преимущества: многофункциональные детали шасси можно экструдировать с внедрением дополнительных элементов, например, пазов для электропроводки или профилей для присоединения к кузовным панелям. Эти элементы можно выполнять таким образом, что можно будет даже увеличить конструкционную прочность собранного узла. Такие автомобили как Audi A8 подтверждают, что при сохранении той же конструктивной целостности это позволяет достичь снижения веса на 30% по сравнению со стальными аналогами.

С целью повышения ценовой конкурентоспособности алюминиевых экструзий разрабатываются новые способы механической обработки, позволяющие сделать применение таких деталей достаточно низкозатратным. Например, British Aluminium Extrusion совместно с Centre for Advanced Joining при Coventry University созданы прогрессивные технологии лазерной резки и сварки. Эти процессы – важная составляющая гибкого и относительно недорогого способа механической обработки. Кроме того, British Aluminium Extrusion разрабатывает методы оптимизации присоединения к экструдированным алюминиевым конструкциям легких полимерных и композитных деталей. Такие новинки пользуются спросом на многих автомобильных рынках.

Прогресс в сфере крупнотоннажных формовочных технологий – стретчформинг (вытяжка методом растяжения) и гидроформинг – решает проблему преобразования экструдированных заготовок в точно сформованные детали. В процессе гидроформинга полую экструзионную деталь изгибают и помещают в пресс-форму, затем жидкость под высоким давлением придает ей форму матрицы с большей точностью, чем при использовании любой иной технологии. Разрабатываются также способы объединения формовки в единый процесс с другими последующими операциями (сверловка, вальцовка и просечка отверстий). Оптимизация конструкций деталей в результате непрерывного усовершенствования процесса обработки обеспечит, в конечном итоге, наилучшие технические решения для конкретных применений.

В рамках программы SALVO технологические исследования проводятся в четырех ключевых сферах:

создания сплавов и способов контроля их микроструктуры для выпуска материалов со строго воспроизводимыми механическими и физическими характеристиками, преимущественно на основе композиций 1ххх, 6ххх и 7ххх;

разработки экструзионных процессов по производству деталей, форма которых максимально приближена к финишной, а также технологий финишной обработки и сборки;

поиска новых систем механической обработки и внедрения оборудования контроля качества типа QS9000;

подготовки новых инженерных решений для фрагментов деталей и процесса сборки конструкций, включая соединение деталей и способы сборки.

Таким образом, экструзионная промышленность в целом уже ориентируется не на валовой выпуск продукции, а на учет требований потребителей при участии в процессе создания автомобиля, начиная от этапа его проектирования и завершая сборкой. Таким образом, возможности экструзионной технологии будут играть важную роль в интегрированных инженерных решениях конструкций автомобилей и узлов. Об этом свидетельствует, в частности, появление демонстрационной модели автомобиля Jaguar XJ220, в которой алюминиевые конструкции представлены достаточно широко.

Сталь может быть легче алюминия

В свою очередь, чтобы сохранить свои позиции на высококонкурентном рынке в автомобильном секторе, сталелитейные компании запустили программу Ulsab-AVC. Этот проект в 1999 году учредили 33 сталелитейные компании, а контроль его выполнения возложен на Porsche Engineering Services (США).

Реализацию Ulsab-AVC начали с разработки конструкции автомобиля среднего класса (класс C) с тремя и пятью дверцами. Судя по результатам всестороннего компьютерного моделирования, такое конструкционное решение должно соответствовать европейским стандартам в плане обеспечения безопасности пассажиров при дорожных происшествиях, обеспечивать значительное повышение топливной экономичности автомобиля, удовлетворять принятые в ЕС экологические требования в отношении эмиссии CO2 и быть низкозатратным в условиях крупномасштабного производства. Вес такого автомобиля в снаряженном состоянии будет менее 950 кг, т.е. на 200 кг меньше, чем современного автомобиля класса C. Что особенно важно, – такая модель будет значительно легче Audi A2, изготовленной полностью из алюминия.

Для достижения этих целей в концептуальный проект было заложено масштабное применение современных высокопрочных сталей и прогрессивных производственных технологий. Кроме того, предусмотрено широкое использование многофазных высокопрочных сталей, характеризующихся хорошей формуемостью. На долю таких материалов приходится около 83% веса кузова, что в десять раз больше, чем в современном автомобиле.

В эту группу сталей входят двухфазные категории; их вес составит, примерно, 60% от веса кузова и затворов, а остальное будет представлено материалом, которому свойственно повышение пластичности при фазовом переходе, а также многофазными и мартенситными категориями. Предполагается также использовать упрочненные отжигом материалы (на их долю приходится около 10% от общего веса).

Особое значение имеет применение специализированных сварных заготовок "по выкройке" (кузов словно "сшивается" из них), гидроформинга и специальных труб. На долю заготовок с заданными свойствами приходится около 40% от общего веса кузовных и затворных конструкций, причем, вес гидроформированных деталей равен более 20%, а специализированных труб – около 6%. Кроме того, в проекте предусмотрено применение лазерной сварки, суммарная длина таких швов составит около 114 м.

Специализированные стальные заготовки в последние годы приобрели популярность в автомобильной промышленности и теперь становятся привычной основой инженерных решений. Только в Европе спрос на такие детали превышает 600 тыс. т в год, и ожидается, что их потребление к 2005 году почти удвоится.

С другой стороны, хотя о гидроформинге разговоры идут уже более десяти лет, эта технология еще не нашла широкого применения. Пока еще не ясно, пригоден ли этот процесс для крупномасштабного производства специализированных заготовок. Тем не менее, похоже, он создаст почву для многих конструкторских решений, обеспечив емкий рынок в этом секторе продукции высокого передела, что особенно важно для производителей стали. Ожидается, что потребление стали в этой сфере будет расти со скоростью около 16% в год.

Гидроформинг открывает широчайшие возможности для сокращения производственных затрат. Эту технологию можно использовать для изготовления крупногабаритных элементов сложного профиля. Такие детали весят менее традиционных; кроме того, при гидроформинге образуется значительно меньше отходов. Далее, использование этого процесса позволяет производить детали более сложной формы и соответствующим образом уменьшать количество элементов в конструкционных узлах. Кроме того, гидроформинг способствует улучшению характеристик стальных деталей. Концепция Ulsab-AVC представляет собой первое интенсивное применение этой технологии для производства деталей несущей конструкции автомобильного кузова со специальными элементами, которые планируется изготовлять из прямых и предварительно изогнутых стальных труб.

В соответствии с проектом гидроформированные детали появятся в конструкциях кузова, подвесок, дверей и задних откидных бортов. В частности, боковая направляющая крыши будет состоять из двух полых профилей, выполненных в виде одной детали. Эти направляющие образуют в передней части автомобиля А-образную опору (передняя часть салона), а в более высокой задней части салона сходятся в опору, имеющую форму дуги. В процессе гидроформинга увеличивают диаметр профилей, а в А-образной части детали обеспечивают увеличенную кромку для сварки. Концепция автомобильной дверцы предусматривает отсутствие рамы, ее передняя часть и вертикальные детали задней части будут изготовлены гидроформингом из труб-заготовок. Они должны быть связаны прямыми верхними и нижними продольными трубами, что обеспечивает простоту прикрепления петель и защелок. В откидных бортах предполагается использовать верхнюю гидроформированную трубу, заключенную в штампованные внутреннюю и наружную нижние панели.

Гидроформированные детали предусмотрены и в нижней части автомобиля. Например, по этой технологии предполагается изготовлять балки задней подвески. Применение гидроформинга дает возможность расширять торцовые участки трубы подвески при сохранении почти постоянной толщины стенки. Это приведет к увеличению длины сварного шва до гидроформированных продольных рычагов и улучшению эффективности функционирования балки. Та же технология предусмотрена и для производства подрамника двигателя и деталей передней подвески.

Потенциал гидроформинга значительно возрос, когда для этого процесса начали выпускать специализированные трубы-заготовки (сварные трубы, сделанные из специальным образом сваренных листов) при создании профилей со стенками разной толщины. Этот способ предусмотрен для производства продольных рычагов задней подвески, которые можно гидроформировать из специальных труб, имеющих две различные толщины стенки. По этой же технологии предполагается производить горизонтальную обвязку передней дверцы – с постоянным наружным размером, но переменной толщиной стенки, что улучшит буферную функциональность этой детали при столкновениях.

В принципе можно не сомневаться, что концепции типа Ulsab-AVC в какой-то момент окажутся в основном русле проектирования автомобилей, не ясно только, когда именно это произойдет и насколько далеко продвинутся подобные идеи. В отношении специализированных сварных заготовок все понятно. Им, очевидно, в автомобилестроении открывается большое будущее. По-видимому, неплохие перспективы есть и у гидроформированных труб. Об этом свидетельствует то, что некоторые производители стали и автомобильные субподрядчики, с которыми они связаны, уже присутствуют в поставочном звене, а также факт, что как General Motors, так и Ford Motor Co уже установили на своих заводах оборудование для гидроформинга. Однако только будущее покажет, как быстро данная технология будет распространяться и сколько стали она будет потреблять.

Когда пластик лучше металла

Пластмассы и композитные материалы уже заменили металлы во многих автомобильных деталях, ибо их малый вес весьма привлекателен для проектировщиков. Дальнейшее развитие технологий приводит к появлению все новых материалов, которые можно использовать даже при больших нагрузках и высоких температурах, причем, в агрессивных коррозионных средах. В Европе пластмассы уже завоевали прочные позиции в автомобильном секторе. Полиамидные (PA), полиоксиметиленовые (POM), полибутилентерефталатные (PBT) и полиэфирсульфоновые (PES) материалы отстают от полиолефиновых и полиуретановых уже только в части объемов их применения.

В автомобилях BMW последних трех серий используется 162 кг пластмасс, из которых на долю полиамидных (нейлоновых) деталей приходится около 22 кг (на 3 кг больше, чем в предыдущих моделях). Одна из основных причин такой популярности связана с их многосторонними возможностями. Похоже, что использование этих материалов будет расти со скоростью более 8% в год. Этот прогноз основан на недавно появившихся новых сферах применения – перспективы, которые подкрепляются многообещающим расширением исследовательских программ BASF.

Основная сфера применения полиамидных пластмасс в отсеке двигателя – впускные коллекторы. Расширение их использования происходит параллельно с непрерывным усовершенствованием материалов нейлон-6 и нейлон-6,6, для которых систематически вводятся новые стандарты в отношении размерной стабильности и трибологических характеристик. В результате себестоимость таких пластмассовых деталей снизилась по сравнению с традиционными алюминиевыми аналогами. Одновременно достигнуто значительное повышение уровня интеграции – теперь уже внедрены технологии производства вибросварных модулей впускных коллекторов, которые включают новые функциональные элементы (детали инжектора бензина, воздушные фильтры, крышки головок цилиндров и т.д.).

Увеличение топливной эффективности двигателя напрямую связано с повышением его рабочих температур, что сопряжено с увеличением тепловых нагрузок на детали, расположенные в моторном отсеке. Для производства таких деталей необходимы материалы с особой термостойкостью и специфическими механическими характеристиками. Именно такими свойствами обладает материал Ultramid B3WG6 black 20560 HP – новый нейлон-6, упрочненный стекловолокном (30%), обладающий высокой технологичностью и прекрасными механическими характеристиками. Его жесткость и ударная вязкость значительно выше, чем у традиционных материалов, и даже после перешлифовки и многократной обработки детали могут функционировать более 5 тыс. часов при температуре 170°C, что превышает эксплуатационные нормы использования современных автомобильных двигателей. Уже первые испытания нового материала в двигателе Ford 4L V6 доказали его перспективность. Наиболее явный практический результат: прочность впускной системы на разрыв под действием внутреннего давления увеличилась на 30%.

Еще одно перспективное направление исследований – разработка металлопластиковых композитов с органическим сочетанием преимуществ обоих материалов. При этом, они имеют свойства, отсутствующие у каждого из компонентов. О широчайших возможностях данных материалов свидетельствует успешное применение композитов в подвесках двигателя и шасси. Такие узлы уже весьма популярны в Японии, где их выпускает компания Bridgestone.

Подвеска двигателя обычно состоит из несущих опор и демпфирующих узлов, функционирование которых основано на механических или гидромеханических принципах. До сих пор высокие нагрузки на эти узлы автоматически ограничивали выбор материала только металлом. Две опоры двигателя должны выдерживать вес силового агрегата (около 200 кг) и дополнительные толчки до 50 кг, связанные с инерцией, резкими изменениями скорости, что неизбежно при движении по плохим дорогам. Кроме того, детали, расположенные в непосредственной близости от двигателя, должны надежно функционировать при температурах от -40 до +140°C и не корродировать в агрессивных химических средах (используемые жидкостные системы, моющие агенты и соленая вода). Этим условиям полностью соответствуют недавно разработанные конструкционные пластмассы, которые, к тому же, вполне конкурентоспособны в плане стоимости и качества. Подвеска нового типа впервые была использована в 1995 году на автомобилях компании Toyota. За последующие пять лет эта система убедительно доказала свою состоятельность, и с 2000 года началось ее крупномасштабное применение. Теперь такие подвески устанавливаются на автомобилях Subaru, Suzuki и Nissan.

Основная цель многих исследовательских проектов – разработка технологии производства пластмасс с меньшим количеством стадий. В общем случае этот процесс состоит из семи этапов (с учетом двух стадий вулканизации), а производство новых композитов для подвески двигателя предусматривает только четыре этапа. Успешное функционирование такой подвески привело к быстрому распространению технологии на производство балок и рычагов шасси, где испытываются высокие нагрузки аналогичного типа и требуются хорошие демпфирующие качества. Во всех этих назначениях применяется композитный материал Ultramid A3WG10 – упрочненный стекловолокном (50%) нейлон-6,6.

Кроме того, стабильно расширяется применение пластмасс в кузовных деталях, в первую очередь, в производстве крыш. До недавнего времени наиболее важными в этой сфере пластиковыми деталями были желоба, защитные профили и внутренняя гарнитура. Однако производители пластиков уже разработали полностью комплектную несущую раму для наружного использования. Ее преимущества – малый вес и низкая себестоимость, однако решающее значение при выборе материала имели высокая прочность усиленного стекловолокном (20%) Ultradur® B 4040 G4 и его устойчивость по отношению к выветриванию. На этот материал не требуется наносить дополнительные покрытия, поскольку для него характерно высокое качество видимой поверхности, а его долговечность подтверждена практикой. Такая крыша производства французской компании Webasto будет использована в новой модели Citroen Picasso. Несущая рама длиной 1800 мм и шириной 800 мм весит только 3,5 кг. Вместе с неподвижной стеклянной частью крыши она образует несущий элемент конструкции, а подвижная часть перемещается внутри профиля рамы.

Отсутствие потребности в защитных покрытиях составляет одно из основных преимуществ применения термопластиков в сфере кузовных деталей. Одна из подходящих технологий их производства – формовка с пленкой PFM-System®), которую разработала BASF. Систему PFM можно использовать не только для неармированных пластмасс; эта технология позволяет формовать термопластики, упрочненные длинными волокнами (например, ABS) на слое, состоящем из тонкой поверхностной пленки PMMA, коэкструдированной с пленкой Luran® S (ASA). Для произведенного по этой технологии композита характерна высокая адгезия пленки, этот материал практически не поддается деформации; кроме того, он обладает достаточной жесткостью, а на его поверхности не просматривается волокнистая структура. По мнению экспертов, PFM-System®) может стать основой для разработки полностью пластмассового кузова.

Галина Резник,
по материалам Metal Bulletin Monthly

 
© агенство "Стандарт"