журналы подразделения новости подписка контакты home

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

ИТОГИ И ТЕНДЕНЦИИ

КОМПАНИИ И РЫНКИ

РЫНОК ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

РЫНОК ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

ЦЕНОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ

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
























"Металлы мира" – №5, 2003

ТЕМА НОМЕРА

Нужный материал в нужном месте автомобиля

Новейшие технологии сборки автомобильных кузовов из штампованных деталей, выполненных из специализированных сварных заготовок, обеспечивают использование в каждом конкретном месте машины металла с заданными свойствами

За последние десять лет революционная концепция производства автомобильных деталей из "индивидуальных" специализированных сварных заготовок приобрела огромную популярность в автомобилестроении. Использование таких заготовок открывает уникальные возможности для снижения веса автомобилей при полном соблюдении стандартов безопасности, топливной эффективности и уровня эмиссии поллютантов. Кроме того, эта технология обеспечивает уменьшение себестоимости производства автомобилей, улучшение их эксплуатационных характеристик и повышение уровня комфортности. Исходно она была разработана применительно к листовой стали, но позднее была адаптирована для производства алюминиевых деталей, и теперь производители обоих металлов всецело заняты усовершенствованием перспективного процесса.

Два сорта стали – в одной детали

Специализированные сварные заготовки (tailor welded blanks – TWB) представляют собой два или более листов металла различных категорий, разной толщины и/или с различными типами покрытий, соединенных сваркой в единую заготовку плоской конфигурации перед процессом формовки трехмерного изделия. Таким образом, конструкторы получают возможность "заказывать" желаемую локализацию лучших характеристик различных категорий стали (а теперь – и алюминия) именно в тех частях детали, где они необходимы.

Использование таких заготовок конструкционно исключает традиционные элементы жесткости при одновременном улучшении структурных и габаритных параметров. Кроме того, это резко сокращает затраты за счет оптимизации расхода материалов. В настоящее время TWB используют для производства боковых рам кузова, внутренних панелей дверей, горизонтальной обвязки моторного отсека, внутренних панелей стойки кузова и прочих деталей.

Изготовление боковой панели кузова по традиционной технологии требует использования пяти различных наборов пресс-форм, необходимых для обеспечения элементов усиления в критических точках детали. Вместо этого можно использовать одну TWB с сосредоточением в заданных местах будущей детали наибольшей прочности материала заготовки. В этом случае требуется единственный комплект штампов. Возможность оптимального размещения разных категорий металла с различными механическими характеристиками и покрытиями именно в тех местах детали, где они нужнее всего, произвела революцию в концепциях конструирования автомобилей, когда стало ясно, что у TWB масса потенциальных преимуществ. Как правило, имеет место системный эффект: одновременно снижен вес, уменьшен расход материалов и затрат на конструирование и производство, а также улучшены эксплуатационные характеристики.

Очевидно, перед технологией TWB открываются блестящие перспективы в автомобильной промышленности. Тем не менее, многие возможности в этой сфере еще далеки от практического осуществления. До 1993 года технологию TWB, разработанную в середине 80-х годов, интенсивно использовали только в Японии и Европе, но позднее она заинтересовала автомобильные компании в Северной Америке, которые раньше просто мало знали о ее предназначении и способе применения. Группа Manufacturing Systems Group при поддержке American Iron and Steel Institute начала проводить исследования, направленные на изучение преимуществ TWB и определение причин, препятствующих широкому внедрению этого эффективного процесса.

Практически во всех случаях преимущества использования TWB просто очевидны, но затраты на их изготовление часто оказываются непомерно высокими. Кроме того, в некоторых применениях возникают проблемы влияния сварного шва на процесс формовки (возможно растрескивание). Кроме того, возникают проблемы при самой формовке, когда различие сортности исходных компонентов TWB слишком велико.

Однако главное препятствие к более широкому использованию специализированных сварных заготовок в Северной Америке – это, все-таки, их высокая стоимость. В других регионах мира наиболее интенсивно используют TWB компании Toyota и Volvo, производящие эти заготовки на своих заводах, что способствует снижению затрат. Однако в Северной Америке у автомобильных компаний слишком мало собственных сварочных мощностей, ибо здесь развитие шло по пути аутсорсинга и расширения сектора внешних поставщиков сварочных услуг.

Аутсорсинг производства специализированных сварных заготовок обусловил бум в этом секторе, но также повлек за собой рост расходов на транспортировку полуфабрикатов между заводами, выпускающими исходные заготовки, сварочными предприятиями и формовочными мощностями, которые часто расположены в сотнях километров друг от друга. Уже становится очевидным, что специализированные производители TWB не будут иметь возможности полностью реализовать свой потенциал прежде, чем организуют новые формы сотрудничества. Если они не сумеют быстро наладить тесные взаимосвязи в собственном секторе, то утратят темп в конкуренции с компаниями, совмещающими на своих заводах производство TWB и формовку деталей.

Еще один фактор, препятствующий широкому внедрению технологии специализированных сварных заготовок, – неадекватная оценка ее преимуществ. Традиционный анализ экономической целесообразности учитывает только прямые затраты – оплату труда, расходы на материалы и инвестиции в оборудование для механической обработки. Однако необходимо включать также непрямую экономию, в частности, от уменьшения общего количества деталей, улучшения их габаритных и эксплуатационных характеристик, снижения их веса, а также возможности обойтись меньшим объемом необходимых запасов полуфабрикатов при сокращении затрат на логистику (транспортировка материалов и деталей, погрузочно-разгрузочные работы и т.п.).

Тем не менее, ситуация в этой сфере начинает меняться и в Северной Америке. Преимущества TWB превосходят проблемы, связанные с внедрением этой технологии. Chrysler, Ford и General Motors уже интенсивно используют специализированные сварные заготовки, а ряд других компаний планируют через год-два последовать их примеру.

Технологические прорывы

Исходно применение специализированных заготовок начинается с простейших TWB с коротким сварочным швом и легкими для штамповки формами. Вероятно, переход к более сложным деталям займет несколько лет, но по мере накопления опыта в производстве автомобильных кузовов начнут использовать по 10-20 таких заготовок. Кроме того, сама технология непрерывно развивается, расширяется и круг формовочных процессов, где можно использовать специализированные сварные заготовки.

Основные преимущества использования TWB в автомобильной промышленности:

lуменьшение общего количества деталей в автомобиле;

lуменьшение количества пресс-форм;

lсокращение числа точек сварки;

lснижение затрат времени на этапе конструирования;

lсокращение расходов на механическую обработку;

lуменьшение расхода материалов;

lоптимизация использования характеристик материалов;

lснижение веса;

lповышение габаритной точности;

lулучшение конструкционной целостности;

lрост уровня безопасности;

lсокращение отходов.

Наряду с высокой стоимостью широкому внедрению специализированных сварных заготовок в автомобильную промышленность препятствует то, что несмотря на сравнительно простую технологию производства TWB из стали для использования в этих назначениях требуются исходные материалы повышенного качества и с точно воспроизводимыми характеристиками. При использовании лазерной сварки сталь должна быть более плоской, чем это необходимо при обычных сварочных технологиях и процессах формовки. Более строгие требования предъявляются и к качеству краев – не только в том отношении, что они должны быть более ровными, но и в плане равномерной толщины.

В настоящее время используются, главным образом, заготовки с одномерным прямолинейным сварным швом, т.е. состоящие из двух листов стали, примерно, одинаковых размеров и различной толщины. Однако уже активизируется спрос на более сложные заготовки с двухмерными швами, когда исходные части сваривают по двум осям. Такие полуфабрикаты дают возможность штамповать детали более сложной конфигурации. Разумеется, процесс их изготовления значительно усложнен, требует большей точности в "раскрое" исходных материалов, но его преимущества трудно переоценить. Например, при формовке внутренней части дверцы из "двухмерной" заготовки вес этой детали оказывается на 10% меньше, чем при использовании "одномерной" TWB. Эволюция "двухмерных" заготовок продолжается: уже разработана технология "криволинейной" лазерной сварки, что значительно улучшает технологичность полуфабрикатов, а также резко сокращает расход материалов и продолжительность процесса.

Более того, General Motors уже разработала гибридный процесс, объединив использование TWB с гидроформингом и получив патент на технологию производства специализированных сварных труб. Это – великолепный технологический прорыв, поскольку способ производства труб радикально отличается от прокатки листовой стали. Правда, в нем обостряется проблема обеспечения качества краев исходных материалов (соединяемые кромки должны быть абсолютно ровными, поскольку сварной шов требуется выполнять точно встык, без малейшего нахлеста или ступенек как снаружи, так и внутри трубы).

Основные преимущества технологии гидроформинга связаны с тем, что деформация заготовки в процессе создания детали осуществляется благодаря давлению жидкости. Это снижает расходы на оборудование (необходима только одна пресс-форма) и повышает качество поверхности готовой детали (отсутствует механический контакт между штампом и заготовкой). Тем не менее, практически это сопряжено с серьезными трудностями. Требуется точнейший расчет важнейших параметров процесса – давления жидкости и силы, удерживающей заготовку. Кроме того, стратегически важное значение имеют геометрия полости пресс-формы, которую должна заполнить заготовка в ходе гидроформинга, а также строго радиальное расположение сварного шва во избежание разрушения заготовки.

Тем не менее, уже разработана и проходит промышленные испытания новая прогрессивная технология формовки TWB, отличающаяся значительными экономическими и экологическими преимуществами. В этом новом способе формовки деталей из специализированных сварных заготовок используются два гидравлических цилиндра, расположенные сверху и снизу от заготовки, которые в процессе формовки сходятся вблизи сварного шва. Это уменьшает концентрацию напряжений в более слабых частях тонкого материала и обеспечивает минимальное смещение сварного шва. По сути, такой механизм сжатия действует как дополнительная сила, фиксирующая центр формуемой поверхности.

Эта технология расширит возможности внедрения в промышленность специализированных сварных заготовок, поскольку ограничения их использования связаны, в большой степени, именно с несовершенством процессов формовки. По прогнозу Стэнли Рима, руководителя исследовательского подразделения Worthington Industries, спрос на специализированные стальные заготовки увеличится от 20 млн. шт. в 1999 году до 90 млн. шт. в 2005-м.

То же, но для алюминия

Технологический прорыв в сферу TWB дал возможность сталелитейной промышленности на шаг опередить алюминиевый сектор в конкуренции на автомобильном рынке. В ответ производители легкого металла предприняли серьезные попытки адаптировать эту концепцию применительно к производству алюминиевых деталей. Начались интенсивные исследования с целью демонстрации для автомобильных компаний технологичности и высоких прочностных характеристик алюминиевых TWB, а также их пригодности к крупносерийной низкозатратной штамповке панелей и прочих автомобильных деталей.

Они обеспечили определенный успех, но отставание еще сохраняется: в настоящее время стальные TWB имеют значительно более широкое применение. Причины – те же, что и при использовании традиционных металлообрабатывающих технологий: преимущества алюминия перед сталью в плане снижения веса автомобиля перевешиваются его высокой стоимостью и меньшей прочностью. Поэтому использование алюминиевых TWB пока ограничивается производством крышек багажников и капотов. Тем не менее, производители металла стремятся расширить их применение; уже разработаны способы производства алюминиевых специализированных сварных заготовок для штамповки внутренних панелей дверцы и пола, которые могут вызвать серьезный интерес у автомобильных компаний.

Исследования продвигаются одновременно в различных направлениях. Многие работы посвящены количественной оценке воздействия процесса сварки на формуемость TWB. Традиционные проблемы, возникающие при сварке алюминиевых сплавов, связаны с повышением пористости и удалением легирующих элементов из зоны плавления, непрочностью соединения, обусловленной высокой отражательной способностью металла, и ухудшением характеристик материала в зоне нагрева. Как и в случае со сталью, серьезную проблему представляет то, что в зоне, подвергавшейся нагреванию, металл прочнее и меньше подвержен деформации, чем основная часть заготовки; это обусловливает смещение сварного шва при формовке. Соответственно, исследуются возможности минимизации негативного воздействия сварочного процесса на формуемость.

Основные направления работ – усовершенствование обеих технологий; в частности, подбираются оптимальные режимы лазерной сварки, а в плане последующей формовки открываются неплохие перспективы в связи с разработкой прогрессивной технологии с использованием сегментированной пресс-формы. Кроме того, уже определены оптимальные категории алюминиевых сплавов; например, установлено, что 5754-О и 6111-Т4 отличаются подходящей комбинацией свариваемости и формуемости, а сплав АА5182-Н00 лучше других подходит для изготовления TWB, предназначенных для штамповки внутренних панелей дверцы и пола.

Таким образом, алюминиевые компании делают все возможное для внедрения своей продукции в автомобили будущего. С другой стороны, для использования алюминиевых TWB у автомобильных компаний имеется мощная мотивация: внедрение этой технологии применительно к более легкому металлу обеспечит еще большее, чем в случае стали, снижение веса и повышение топливной эффективности. Кроме того, изготовление алюминиевых TWB способствует сокращению отходов на этапе механической обработки и уменьшению расхода материалов, что повышает экономическую целесообразность замены стали алюминием в ряде применений. Хотя при производстве алюминиевых TWB возникает больше трудностей на этапах как сварки, так и формовки, эта разница становится менее значимой при переходе к крупномасштабному производству.

Виктор Рычик, по материалам
Metal Bulletin, Society of Automotive Engineers

 
© агенство "Стандарт"