Exploring Automotive Metal Fabrication: Процессы, материалы и руководство по проектированию

Введение

Современные автомобили представляют собой совокупность подсистем и компонентов, включая важнейшие узлы двигателя, и каждый из них призван быть эффективным, безопасным и долговечным. В центре всего этого - автомобильная обработка металлов: гигантская отрасль машиностроения, которая занимается формовкой, резкой, сваркой, полировкой и т. д. металлов для создания кузова, силового агрегата и других компонентов автомобиля.

В этой статье я предлагаю обсудить особенности производства автомобильных металлов и его процессы, материалы, факторы дизайна и тенденции, которые повлияли на автомобильные компоненты в отрасли. Эти факторы важны для каждого специалиста, занимающегося проектированием, конструированием, производством или поставкой автомобилей.

Что такое изготовление автомобильных деталей из металла?

Производство автомобильного металла - это процесс преобразования металла в его первичной или полуфабрикатной форме, такой как листы, трубы, прутки или заготовки, и превращения его в деталь, которая будет использоваться в автомобилях. Он включает в себя такие операции, как резка, формовка, сборка и даже полировка конечного продукта. В основном речь идет о контролируемом удалении материала из металлов для достижения заданных геометрических размеров, формы, механических свойств, точности и чистоты поверхности.

Невозможно переоценить роль изготовления металлоконструкций в автомобильной промышленности. Металлы являются наиболее подходящими материалами для изготовления шасси и каркасов кузова, поскольку они прочные и жесткие, что обеспечивает безопасность пассажиров и устойчивость автомобиля. Металлы также обеспечивают необходимую долговечность и термостойкость для силовых агрегатов и выхлопных систем. Кроме того, возможность придания металлу формы позволяет создавать аэродинамический дизайн и компактность внутренних структур. Тем не менее металлы остаются основными материалами для изготовления важнейших компонентов автомобиля, а значит, владение навыками металлообработки необходимо в автомобильной промышленности.

Распространенные материалы для изготовления автомобилей

Примечание: приведенные цифры являются средними и могут зависеть от точного состава сплава, метода производства и обработки. Оценка стоимости является относительной и зависит от рыночных условий.

Основные процессы изготовления металлов для автомобильной промышленности

Для превращения этих материалов в готовые автомобильные детали используется целый ряд технологических процессов. Выбор зависит от таких факторов, как тип материала, сложность детали, требуемая точность, объем производства и стоимость.

Резка

Резка обычно является первой операцией, на которой материал доводится до почти чистой формы или размера, необходимого для следующей операции. Основные методы включают:

Лазерная резка: Это процесс, в котором используется лазерный луч высокой энергии для резки материала путем нагрева и сжигания или испарения. Он характеризуется высокой точностью, гладкими режущими кромками, способностью вырезать формы и кривые, а также совместимостью с различными металлами и толщинами. В основном она применяется при создании прототипов, в среднесерийном производстве и в тех случаях, когда требуется вырезать сложные формы в тонких металлах, включая AHSS.

Плазменная резка: В нем используется поток ионизированного газа высокой температуры для расплавления материала и последующего его удаления путем выдувания. Быстрее, чем лазерная резка, для более толстых материалов, таких как сталь и алюминий, но менее точен и имеет большую зону термического влияния (HAZ). Часто используется при резке толстых листов для изготовления конструкций.

Гидроабразивная резка: Это метод резки с использованием струи воды под высоким давлением, которая может быть смешана с абразивным гранатом. Это холодный процесс резки, поэтому при нем не образуется зона термического влияния, что подходит для термочувствительных материалов или толстых участков. Этот метод очень универсален и подходит практически для всех материалов, но обычно работает медленнее, чем лазерная или плазменная резка.

Стрижка: Процесс резки листового или листового металла с помощью ножей, особенно для прямолинейной резки. Подходит для заготовительных процессов с большим объемом производства благодаря своей быстроте и экономичности.

Штамповка/печать

Штамповка - это высокопроизводительный процесс, который широко используется при производстве автомобильных деталей, особенно кузовных и структурных, из листового металла. Он подразумевает размещение тонкого металлического листа между двумя инструментами из инструментальной стали, известными как штампы, в механическом или гидравлическом прессе. Пресс оказывает сильное давление, чтобы вырезать, придать форму или сформировать металл, о котором идет речь.

Заглушка/прокалывание: Это процесс вырезания нужных форм или отверстий в листовом металле.

Сгибание/отбортовка: Создание углов или краев.

Глубокий рисунок: Процесс преобразования листового металла в детали чашеобразной или коробчатой формы, такие как масляные поддоны, топливные баки, сложные кузовные панели и т.д., путем вдавливания металла в штамп с помощью пуансона.

Прогрессивная штамповка: Это процесс, при котором полоса металла проходит через один штамп, содержащий несколько станций, на которых непрерывно выполняются различные операции. Высокоэффективен для сложных, крупносерийных деталей малого и среднего размера.

Трансферная штамповка: Отдельные детали передаются механическим способом от одного штампа к другому. Применяется для больших деталей или операций, которые не могут быть сгруппированы в прогрессивном штампе.

Гибка и формовка

Эти процессы воздействуют на металл, в основном листовой или трубный, включая гибку листового металла, для изменения его формы, но не предполагают удаления материала.

Торможение нажатием: Используется гидравлический или механический пресс с пуансоном и матрицей для формирования определенного изгиба на листовом металле. Подходит для изготовления углов и каналов в кронштейнах, корпусах и конструктивных элементах для малосерийного или опытного производства.

Формовка рулонов: Пропускает рулон металла через набор валков, которые последовательно придают металлу окончательную форму поперечного сечения. Идеально подходит для создания длинных деталей с равномерной толщиной, например, автомобильных рам, дверных порогов или формовочных планок.

Гибка труб: С помощью такого оборудования, как дорновый трубогиб, можно сгибать трубы под нужными углами и радиусами, не сплющивая их, что полезно для выхлопных систем, транспортировки жидкостей и элементов конструкций.

Литье и ковка

Хотя литье и ковка обычно считаются отличными от производства, основанного на использовании листового металла или пластин, они являются важными процессами металлообработки для конкретных автомобильных деталей, которым требуется объемная форма, и имеют решающее значение для любого проекта по производству металла или высокой прочности.

Кастинг: Это процесс, при котором расплавленный металл заливают в форму, дают ему остыть и затвердеть, придавая требуемую форму. Такие методы, как литье под давлением (под высоким давлением и в многоразовых формах), используются для изготовления сложных алюминиевых или магниевых деталей, включая блоки двигателей, корпуса коробок передач и кожухи. Литье в песчаные формы используется для крупных и относительно менее точных деталей.

Ковка: Процесс придания формы металлу путем давления на него с помощью штампов. Горячая ковка повышает пластичность материала, в то время как холодная ковка увеличивает прочность материала и улучшает качество поверхности. Ковка используется для создания деталей с высокими пределами прочности и усталости, что делает ее подходящей для таких применений, как коленчатые валы, шатуны, рычаги подвески, шестерни и т. д.

Обработка

Операции механической обработки - это операции, при которых материал срезается режущим инструментом для придания требуемой формы, размера и чистоты поверхности. Обработка с ЧПУ автоматизирует эти процессы, обеспечивая высокую точность и повторяемость процессов, связанных с производством деталей.

Фрезерование: Это процесс, в котором используется вращающаяся многозубая фреза для удаления материала с заготовки. Он используется для создания плоских поверхностей, пазов, карманов и других сложных форм.

Поворот: Вращение заготовки относительно неподвижного режущего инструмента. Используется при производстве цилиндрических изделий, конусов и резьбы, например, валов, осей и деталей клапанов.

Сверление/расточка/развертывание: Этот процесс используется для создания отверстий или доработки их до требуемого размера. Механическая обработка крайне важна для любой детали, которая будет использоваться в двигателе, трансмиссии, тормозной системе или любой детали, которая должна вставляться в другую деталь. Она также применяется для доводки деталей на отливках, поковках или штампованных деталях.

Сварка и соединение

Эти процессы предполагают соединение нескольких изготовленных деталей для формирования более крупных узлов или собственно конструкции автомобиля.

Точечная сварка сопротивлением (RSW): Наиболее широко используемый процесс соединения панелей из листового металла при производстве автомобильных кузовов. В нем используется электрическое сопротивление между электродами для нагрева и расплавления определенных участков для создания плавок. Быстрый и пригодный для автоматизации.

MIG-сварка (газовая дуговая сварка металлов - GMAW): Электрод представляет собой непрерывно подаваемую проволоку, а процесс защищен защитным газом. Универсальный, относительно быстрый и подходящий для различных металлов и толщин. Обычно используется для шасси, рам и выхлопных систем.

Сварка TIG (газовая дуговая сварка вольфрамовым электродом - GTAW): Это сварочный процесс, в котором используется нерасходуемый электрод, представляющий собой вольфрамовый электрод, и защитный газ. Создает очень чистые и точные сварные швы, обычно используется для тонких металлов, таких как алюминий, нержавеющая сталь, или соединений, которые должны быть эстетически привлекательными или структурно прочными, но медленнее, чем MIG.

Лазерная сварка: В нем используется лазерный луч для получения глубоких узких сварных швов с низким тепловым проплавлением. Преимуществами этого метода являются высокая скорость, высокая точность и низкий уровень искажений. Чаще всего используется для соединения разнородных материалов, многоматериальных и легких деталей, а также деталей из AHSS.

Другие методы соединения: Механический крепеж, такой как заклепки, болты и винты, также часто используется, как и структурные клеи, особенно когда сварка выполняется вместе со склеиванием, особенно для разнородных материалов, таких как алюминий и сталь или металлы и композиты.

Отделка поверхности

Поверхностная обработка выполняется на изготовленном компоненте для повышения его прочности, улучшения внешнего вида или для подготовки к дальнейшей обработке, например, покраске.

Электрофоретическое осаждение (E-coating): Процесс нанесения органического покрытия путем погружения объекта в водную ванну и пропускания через него электрического тока. Обеспечивает очень хорошую защиту от коррозии и служит базовым покрытием для всего кузова автомобиля (Body-in-White).

Порошковое покрытие: Распыляет сухой порошок, который заряжается и прилипает к поверхности материала, а затем запекается, образуя твердую кожу. Обычно используется для кузова автомобиля, колес и кронштейнов.

Покрытие: Осаждает тонкий слой другого металла (например, цинка, никеля, хрома) на подложку электрохимическим способом. Для антикоррозионных, противоизносных или декоративных применений (например, болты, литье).

Анодирование: Процесс электролитического окисления поверхности алюминиевого материала для получения твердого, устойчивого к коррозии оксидного слоя, который может быть окрашен.

Живопись: Последний этап процесса нанесения декоративного слоя на видимые панели кузова, который включает в себя грунтовку, нанесение базового цвета и прозрачного покрытия для защиты и придания блеска.

Важные соображения и советы по изготовлению металлических конструкций для автомобилей

Важно отметить, что выбор конкретного процесса - не единственный фактор, определяющий успешный результат при изготовлении автомобильного металла. Решающее значение имеют несколько факторов:

Проектирование для обеспечения технологичности (DFM): Для сокращения затрат и времени важно проектировать детали таким образом, чтобы они наилучшим образом подходили для производственного процесса. Это включает в себя упрощение геометрии, где это возможно, установление правильных допусков, учет формуемости материала (например, минимальные радиусы изгиба для листового металла), обеспечение совместимости элементов с оснасткой и отказ от сложных сборочных операций. Сотрудничество между инженерами-конструкторами и специалистами по изготовлению на начальных этапах может принести значительные преимущества.

Выбор материала заново: Помимо основных свойств, необходимо учитывать и другие факторы: стоимость сырья, доступность материала в цепочке поставок, возможность вторичной переработки материала и совместимость с используемыми процессами соединения и отделки. Важнейшим фактором является взаимосвязь между материалом и процессом, который будет использоваться при разработке изделия.

Инструментарий: Штамповка, литье и ковка, среди прочих процессов, требуют значительных затрат на изготовление специальных инструментов (штампов, пресс-форм). Дизайн инструмента, материал, долговечность и техническое обслуживание - вот некоторые из факторов, определяющих качество детали и стоимость проекта. Для небольших партий и прототипов используются процессы с низкой стоимостью оснастки, такие как лазерная резка, листогибочный пресс и обработка на станках с ЧПУ.

Контроль качества: Автомобильная промышленность не может позволить себе выпускать некачественную продукцию из-за высокой конкуренции. Партнеры по производству должны иметь хорошо развитую СМК (она может быть сертифицирована по IATF 16949). Это включает в себя контроль размеров (КИМы, сканеры), испытания материалов, контроль сварных швов, оценку качества поверхности и контроль процесса, чтобы гарантировать, что детали соответствуют требуемым стандартам.

Факторы, определяющие затраты: Важно понимать факторы стоимости. Это стоимость сырья, стоимость инструментов, которая распределяется на количество единиц продукции, время цикла, стоимость рабочей силы, стоимость энергии, количество брака, стоимость контроля качества и стоимость отделки. Это связано с тем, что стоимость конечной детали очень чувствительна к оптимизации конструкции и процесса.

Создание прототипов: Это процесс создания моделей, которые помогут в проверке дизайна, посадки и производительности до фактического изготовления продукта с использованием дорогостоящих инструментов. Одними из наиболее используемых методов быстрого прототипирования являются обработка на станках с ЧПУ, 3D-печать для проверки формы/пригодности или приспособлений, а также недорогая и мягкая оснастка для штамповки или формовки в цикле разработки автомобилей.

Применение металлических конструкций в автомобилестроении

Металлические компоненты используются практически везде в автомобиле. Основные области применения включают:

Тело в белом (BIW): Конструктивный каркас автомобиля, состоящий в основном из штампованных и сварных стальных и алюминиевых листов. Он состоит из стоек A/B/C, крыши, пола, боковых элементов, крыльев, капота и крышки багажника.

Шасси и подвеска: Рамы (для автомобилей с кузовом на раме, например, грузовиков), подрамники, рычаги управления, тяги подвески, поворотные кулаки, оси, поперечины.

Силовой агрегат: Блоки и головки цилиндров, коленчатые валы и шатуны, корпуса коробок передач, выхлопные системы, топливные баки.

Интерьер: Каркасы и конструкции сидений, несущие балки приборной панели, педальные узлы, компоненты рулевой колонки.

Системы безопасности: Балки бампера, дверные балки, баллоны подушек безопасности, компоненты механизма ремня безопасности.

Терморегулирование: Радиаторы, конденсаторы, сердечники отопителей.

Электромобили (EV): Корпуса аккумуляторов, корпуса двигателей, корпуса силовой электроники, конструкции зарядных портов.

Сотрудничество с TZR для решения ваших производственных задач

Поиск надежного партнера по изготовлению металлических конструкций для автомобилей очень важен в сфере автомобилестроения. TZR, ваш надежный партнер с более чем 20-летним опытом, специализируется на точном изготовлении листового металла в соответствии с жесткими стандартами автомобильной промышленности. Мы обладаем широкими возможностями, от лазерной и трубной резки до сварки и финишной обработки, что позволяет нам предлагать услуги от создания прототипов до серийного производства.

Мы умело обрабатываем сталь, нержавеющую сталь, алюминий и другие материалы, гарантируя, что вы получите материал, наилучшим образом отвечающий вашим потребностям. Благодаря строгому контролю качества и высокому в отрасли коэффициенту выхода 98% мы превосходим стандарты ISO. Наши специалисты проводят профессиональный анализ DFM, чтобы процессы проходили без сбоев.

Свяжитесь с нами сегодня и позвольте нам доказать, что TZR - это специализированный партнер по производству металла, который нужен вашему автомобильному проекту для компетентных услуг и индивидуальных стратегий.

Тенденции будущего, формирующие производство металлических конструкций для автомобилей

Автомобильная промышленность переживает быструю трансформацию, что приводит к инновациям в области производства металлов:

Облегчение: По мере роста топливной экономичности и дальности хода электромобилей (EV) все большее распространение получают материалы из AHSS, алюминия и магния, а также передовые технологии изготовления, позволяющие соединять и формировать материалы, сохраняя их целостность. Некоторые из методов, поддерживающих эту тенденцию, включают в себя изготовление заготовок на заказ (листы, которые свариваются из разных толщин/составов перед штамповкой) и гидроформовку.

Электрификация: Электромобили создают новые проблемы и возможности. Большие и сложные корпуса батарей имеют проблемы с изготовлением, герметизацией и терморегулированием из-за размера и сложности батареи. Электрические детали автомобилей и корпуса силовой электроники также требуют специальных процессов изготовления, таких как литье алюминия, экструзия и механическая обработка.

Аддитивное производство (3D-печать металлов): Несмотря на то, что массовое производство все еще ограничено из-за скорости и стоимости, AM набирает обороты для быстрого создания прототипов, сложных малосерийных компонентов, индивидуальной оснастки и легких конструкций с оптимизированной топологией, которые трудно или невозможно изготовить обычным способом.

Передовые технологии соединения: Надежное и эффективное соединение разнородных материалов (например, стали с алюминием, металла с композитами) имеет решающее значение. Все большее распространение получают такие технологии, как сварка трением с перемешиванием, лазерная сварка, самопроникающие заклепки и современные конструкционные клеи.

Автоматизация и робототехника: Повышение уровня автоматизации сварки, перемещения материалов, контроля и сборки повышает согласованность, скорость и безопасность в условиях крупносерийного производства.

Цифровизация (Индустрия 4.0): Интеграция цифровых технологий, таких как датчики IoT для мониторинга процессов, программное обеспечение для моделирования для оптимизации конструкций и процессов, а также аналитика данных для контроля качества и предиктивного обслуживания, повышает эффективность и наглядность всего производственного процесса.

Устойчивость: Все большее внимание уделяется снижению воздействия на окружающую среду за счет энергоэффективных процессов, увеличения использования переработанных материалов, минимизации брака и разработки более экологичных технологий нанесения покрытий и отделки.

Производство автомобилей из металла - это динамичная область, которая постоянно развивается в соответствии с технологическим прогрессом и требованиями рынка мировой автомобильной промышленности. От фундаментальной штамповки и сварки до передовых лазерных процессов и интеграции цифровых инструментов - мастерство в этой области остается центральным элементом производства автомобилей сегодняшнего и завтрашнего дня.