Технологии обработки алюминия в автомобилестроении: горячая штамповка, гидромеханическая глубокая вытяжка, гигакастинг

Горячая штамповка алюминиевых сплавов

Нехватка энергоресурсов и ухудшение состояния окружающей среды становятся движущей силой серьезных изменений в автомобильной промышленности. Исследования показывают, что снижение общей массы автомобиля на 10% позволяет повысить топливную экономичность на 6%–8% и сократить выбросы на 4%. В связи с этим снижение массы автомобилей стало одной из основных тем исследований в США, Германии, Японии и других странах-производителях автомобилей. Три основных подхода включают использование легких высокопрочных материалов, оптимизацию конструкции и применение передовых технологий формования.

Алюминиевые сплавы являются традиционными облегчающими материалами в аэрокосмической отрасли. По мере снижения стоимости этих материалов их преимущества в плане снижения веса сделали их одними из самых быстрорастущих облегчающих материалов в автомобилях со двигателями внутреннего сгорания среднего и высокого класса, а также в электромобилях на новых источниках энергии. Алюминий поддается как холодной, так и горячей формовке. При комнатной температуре он обладает низкой пластичностью и формуемостью, трудноконтролируемым отскоком и неопределённой точностью размеров. При повышенных температурах, как правило, от 200 до 450 °C, формуемость листов улучшается с ростом температуры, что благоприятно сказывается на производстве панелей кузова автомобилей. Поэтому для изготовления сложных, высокопрочных и высокоточных панелей часто используется горячая штамповка.

Горячее штамповка стала одной из основных областей научных и промышленных исследований. Детали из алюминия, изготовленные методом горячей штамповки, заменили некоторые традиционные стальные детали в передних и задних стойках, капотах и других важных участках кузова. Компания Austria Metall AG изготовила защитную балку для BMW i8 из алюминия марки AA7075 методом горячей штамповки. В модели Land Rover L405 был использован алюминий серии 6xxx и технология горячей штамповки для производства самой большой на тот момент (по состоянию на 2015 год) цельной боковой панели кузова. Компания Aston Martin использовала интегрированное решение, включающее термообработку, формовку и закалку в холодной матрице (HFQ), для изготовления сложного усиления передней стойки для модели DB11. Компания Morgan применила технологию HFQ при производстве первого капота, сформированного этим методом, для своей модели Aero 8. Исследователи из Уханьского технологического университета подвергли горячей штамповке заготовки, сварённые методом трения с перемешиванием, для изготовления автомобильной B-стойки с высокой точностью размеров и хорошими механическими свойствами.

Гидромеханическая глубокая вытяжка

Гидромеханическая глубокая вытяжка — это недавно разработанный процесс формовки листового металла, при котором жидкость под высоким давлением заменяет жесткую матрицу. Давление жидкости прижимает лист к пуансону, обеспечивая формовку детали. Этот метод подходит для изготовления сложных деталей и материалов с низкой пластичностью, таких как алюминиевые сплавы, и обеспечивает высокий предел формования, хорошее качество поверхности и высокую точность размеров.

Типичная система включает в себя пуансон, матрицу, прижим, гидравлическую камеру и гидравлический предохранительный клапан. Камера заполняется жидкостью, лист устанавливается на место, а прижим зажимает его у матрицы. Когда пуансон вдавливает лист в камеру, давление, регулируемое предохранительным клапаном, плотно прижимает лист к пуансону. Между листом и пуансоном возникает полезное трение, в то время как жидкостная смазка между листом и матрицей снижает трение, улучшает качество поверхности и расширяет пределы формовки.

На приведенном ниже рисунке представлено сравнение традиционной и гидромеханической глубокой вытяжки.

[МЕСТО ДЛЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ: Сравнение традиционной и гидромеханической глубокой вытяжки]

1. Снижение затрат на изготовление штампов и сокращение производственного цикла. Жидкость под высоким давлением заменяет либо пуансон, либо матрицу, поэтому требуется только один жесткий инструмент.
2. Высокая точность размеров и хорошее качество поверхности. Жидкостная смазка между фланцем и матрицей значительно снижает риск появления царапин в процессе формовки.
3. Верхний предел формования. Удержание за счет трения, смазка переливом и начальное выпячивание в обратном направлении позволяют уменьшить образование трещин в области радиуса пуансона и появление складок в неподдерживаемых участках. Коэффициент вытяжки увеличивается, требуется меньшее количество этапов формовки, а затраты снижаются.
4. Подходит для сложных деталей. Детали сложной конструкции или геометрии можно вырезать за один проход, что позволяет сэкономить время и повысить коэффициент использования материала.
5. Более равномерная толщина. Благотворное сдерживающее трение снижает радиальное растягивающее напряжение, способствует равномерному течению листа, уменьшает истончение и концентрацию напряжений, а также повышает равномерность толщины стенок.
6. Экономия на материалах и технологиях. Данный процесс позволяет сократить расход материала и затраты на механическую обработку.

Комплексное литье под давлением

С 2020 года компания Tesla использует технологию интегрированного литья под давлением, позволяющую объединить более 70 деталей задней части кузова в одно литье, что ставит под сомнение традиционные методы штамповки и сварки и меняет подход к производству кузовов. Литье под давлением обеспечивает высокую производительность, точность размеров, механические характеристики, эффективное использование материала и экономическую выгоду при массовом производстве. Цельное литье позволяет отказаться от сложной последовательности операций штамповки и сварки, снижает требования к инструментам и сокращает количество проверок на каждом этапе производства отдельных деталей, а также предотвращает накопление погрешностей при сборке. Поскольку деталь изготавливается из одного материала, брак можно непосредственно переплавить для производства других изделий.

Model Y стала первым автомобилем Tesla, в котором был применен этот процесс: задняя часть днища кузова изготавливается в виде цельного литого узла. По сравнению с Model 3 в Model Y количество деталей сократилось на 79, количество сварных швов уменьшилось с 700–800 до 50, а время изготовления сократилось с 1–2 часов до 3–5 минут.