Témata
Reklama

Lehké konstrukce automobilů – využití hořčíku

Využití hořčíku a jeho slitin v automobilovém průmyslu má poměrně dlouhou tradici, sahající až do roku 1920, kdy byl tento materiál prvně použit v konstrukci sportovních vozů. O několik desetiletí později se objevil i v komerčních vozech, například u typu Volkswagen Beetle, kde jeho obsah činil téměř 20 kilogramů. Nicméně do popředí zájmu se tento specifický materiál dostává v posledních letech v souvislosti s nárůstem ekologických a legislativních požadavků na provoz vozidel.

Použití hořčíkových slitin v konstrukci vozidla umožňuje výrazně snížit váhu celkové konstrukce. Ostatně s hořčíkem se dnes setkáváme u produktů velkých automobilek, jako jsou Audi, DaimlerChrysler, Ford, Jaguar, Fiat nebo například Kia Motors Corporation.

Reklama
Reklama
Obr. 1. TeMak dveře a opěradlo vyvinuté pro BMW-M GmbH. (Foto: KWD)

Snižuje více než jen hmotnost

Hořčík neposkytuje pouze primární snížení hmotnosti a spotřeby paliva. Ovlivňuje i pozici těžiště, respektive posouvá ho směrem do zadní části vozu, čímž ovlivňuje ovladatelnost vozu a jeho točivost. Dále redukuje vibrace i celkový hluk generovaný provozem vozidla.

Kromě odlitků se vyvíjejí i technologie zpracování plošným tvářením. Lisovny automobilového průmyslu zpravidla zpracovávají materiál ze svitků nebo již nastříhaných tabulí. Technologie výroby hořčíkových plechů byla vyvinuta u našich západních sousedů komplexně od metalurgie až po samotné válcování za studena i za tepla. Technická univerzita Bergakademie Freiberg a společnost Magnesium Flachprodukte MGF představily válcovnu hořčíkových plechů. Licí a válcovací linka odlévá pásy o tloušťce 4–7 mm s následným úběrem válcování na 1 mm. Výkon linky se pohybuje okolo 2 tun za hodinu při rychlosti 80 m.min-1. Výzkum, který na univerzitě ve Freibergu probíhá v rámci Institutu pro tváření kovů, je podporován saskou vládou a významně se na něm podílí i ocelářská společnost Thyssenkrupp Steel Europe AG. Hlavním odběratelem výsledků je právě automobilový průmysl.

Technologie zpracování hořčíkových dílů

Hořčíkové slitiny jsou o 35 % lehčí než obdobné díly z hliníku. Specifické vlastnosti hořčíku jsou dány šesterečnou krystalovou mřížkou, díky čemuž je jeho tvářitelnost značně omezená a vyžaduje režim tváření za ohřevu. Díky vyšší teplotě dochází ke změně krystalografické struktury a okolo teplot 220 °C tak lze hořčík tvářet podobně jako hliníkovou slitinu za studena. Zpracování hořčíku zatím čeká na adaptaci pro podmínky velkosériové výroby, byť byly ověřeny dostupné výrobní tvářecí a spojovací technologie i možnosti povrchových úprav. Mezi ověřené technologie patří kování, lisování, kovotlačení, řezání laserem, mechanické způsoby spojování apod.

Kromě technologických podmínek se v rámci výzkumu zpracovatelnosti hořčíku posuzuje také možnost sériové výroby a jeho hospodárnost. Pro lisování lze využít transferových lisů s postupovými nástroji. Konstrukčně se hořčík využívá například na díly dveří a sedadel, případně zástrček (obr. 1 a obr. 2).

Nové linky se servopohony od firmy Schuler umožňují tvářet materiál za poloohřevu ve speciálních nástrojích od firmy Aweba. Ohřev je realizován před dolní úvratí v tzv. in-procesu kontaktním ohřevem. Pomocí vyhřívacích patron se ohřívají všechny funkční části lisovacího nástroje a umožňují regulaci intenzity ohřevu. Samotný polotovar je předehříván na tvářecí teplotu indukčním ohřevem. Výkon transferových linek s hořčíkovými plechy se může pohybovat až do deseti zdvihů za minutu a pro postupový nástroj do rychlosti 30 zdvihů za minutu. Hořčíkové plechy zpracovatelné touto technologií mají tloušťku až 3 mm a svitky šíře 520 až 650 mm. Schéma postupového nástroje je patrné z obr. 2.

Obr. 2. Těleso zástrčky v CAD a reálný výlisek. (Foto: KWD)

Dalším z příkladů použití hořčíkových plechů v automobilovém průmyslu jsou opěradla sedaček. Hořčíková opěradla využívá automobilka BMW v novém vozu třetí série. Opěradlo je konstrukčně rozděleno na dva díly, čímž je zabezpečena možnost polohování. Hmotnost dílu činí 5,45 kg, čímž došlo k úspoře hmotnosti o 50 % v porovnání s ocelovou koncepcí dílu. Tloušťka hořčíkového plechu se pohybuje od 2 do 2,5 mm a výrobcem je společnost Thyssenkrupp MgF Magnesium Flachprodukte GmbH. Opěradlo splňuje crashové požadavky podle příslušných směrnic.

Obr. 3. Pohled do tvářecího nástroje. (Foto: KWD)

Použití temperovaného válcování plechů z lehkých slitin

Automobilový průmysl vyžaduje lehké, pevné a tuhé díly s komplexní charakteristikou. Toho lze v dnešní době využít novými materiály a specifickými výrobními postupy, například temperovaným válcováním materiálu. Správná regulace teplot může podle Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik rozšířit hranice válcování profilů. Pro tváření plechů z bormanganových ocelí a hořčíkových slitin je nutné materiál předehřívat. Ohřev materiálu umožňuje v kombinaci s tvářením ovlivnit výslednou strukturu, tvar zrna a tím i rozšířit možnosti použití. Předehřev se dá realizovat u každého páru válců s minimálním odvodem tepla. Ohřev probíhá pomocí vysokofrekvenčního indukčního zařízení o výkonu 50 kW.

Trendy ve stavbě lehkých Mg konstrukcí

Osmé sympozium s názvem Nano und Material se loni na konci roku věnovalo použití hořčíkových slitin v dopravních zařízeních. Probírány byly materiály vyztužené hořčíkovými vlákny. Většina přednášek byla zaměřena na substituci ocelových dílů díly s vláknovými kompozity vyztuženými hořčíkovými prvky.

Tento článek byl vytvořen za použití podkladů ve sborníku EFB–Tagungsband Nr.40 Intermezzo der Werkstofflösungen: Hat Blech eine Zukunft? ISBN: 978-3-86776-452-0 a článků publikovaných v posledních pěti letech v časopise Blech Rohre Profile. Dále je využito informací z Mezinárodní hořčíkové asociace (//www.intlmag.org).

FS ČVUT v Praze
Škoda Auto

Ing. Tomáš Pilvousek, IWE
doc. Ing. Jan Šanovec, CSc.

jan.sanovec@fs.cvut.cz

www.fs.cvut.cz

Reklama
Vydání #9
Kód článku: 160924
Datum: 07. 09. 2016
Rubrika: Výroba / Tváření
Autor:
Firmy
Související články
Trendy ve výrobě plochých polotovarů tvářených za tepla

Využití plechových dílů tvářených za tepla patří dnes již běžně k produkci karoserií osobních automobilů a od jejich prvního nasazení nás dělí bezmála dvacet let. Tento trvalý trend souvisí s požadavkem na maximální zužitkování pohonných hmot a s tím spojené i redukce samotné hmotnosti karoserie. Dalším aspektem jsou limity snižující objemy škodlivých exhalací při spalování paliva, které nutí dlouhodobě producenty osobních i užitkových vozidel hledat alternativní konstrukční řešení. Emisní limity nastavené Evropskou unií, platné od roku 2020, stanovují průměrnou emisi všech modelů v nabídce na 95 g CO2.km-1. To odpovídá spotřebě 3,54 litru nafty či 4,06 litru benzinu na sto kilometrů.

Lehké konstrukce automobilů - použití lisů ve výrobě hybridních dílů

V předchozích článcích ze seriálu Lehké konstrukce automobilů o možném použití nových materiálů pro stavbu lehkých konstrukcí a jejich aplikacích na karoseriích osobních automobilů nebyly zpravidla detailně rozebrány možnosti výroby těchto specifických materiálů. Uvedeme je v tomto článku.

Lehké konstrukce automobilů - sendvičové materiály

O prodejnosti a úspěšnosti vozidla v silném konkurenčním prostředí dnes rozhoduje z velké míry tvar a funkčnost karoserie. Mezi technickým vybavením jednotlivých výrobců dnes není propastný rozdíl a proto první, čím automobil promlouvá k zákazníkovi, jsou právě silueta vozu, linie hran, elegance i vizuální dynamika. Na karoserii jsou proto kladeny náročné požadavky v řadě případů z hlediska technologie výroby protichůdné.

Související články
Lehké konstrukce automobilů - hybridní materiály

Automobilový průmysl je specifické odvětví, které je významně poháněno společenskými tlaky na ekologický provoz vozidel, tedy na snižování emisní zátěže i obecné spotřeby pohonných hmot a kontinuální vývoj elektromobility. Tyto trendy se dotýkají jak konstrukce vozu, tak i technologické zpracovatelnosti jednotlivých komponentů. Jenom v horizontu 10 let se předpokládá redukce dílů z oceli o 20 % a jejich nahrazení speciálními materiály na bázi kompozitu.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Lehké konstrukce osobních automobilu - použití hliníku

Kontinuální trend v oblasti snižování hmotností karoserií osobních vozů je důsledkem tlaku na eliminaci CO2 do roku 2020 až na 95 g.km-1. Konstrukční úpravy v oblasti hnacích agregátů nebo náprav vozů jsou do určité míry také možné, nicméně stále častěji obtížně realizovatelné. Již od 80. a 90. let se v konstrukci vozu využíval hliník a plastové hmoty, nicméně dominantním materiálem je i nadále ocel.

Lehké konstrukce karoserií osobních automobilů

Rostoucí požadavky na snižování spotřeby pohonných hmot a emisní limity vytvářejí soustavný tlak na snižování hmotnosti karoserií. Druhou alternativou, která se nadále rozvíjí, je rozšířené nasazení alternativních hybridních pohonů automobilů, zejména kombinace spalovacích motorů s elektropohony. Nedodržení emisních limitů osobních automobilů 95 g/100 km by mělo být od roku 2020 navíc finančně postihováno. Jak ukazují aktuální problémy koncernů Volkswagen Group a Citroen, je tato problematika rozšířena ještě o NOx. Je však zřejmé, že se to týká prakticky všech výrobců osobních i nákladních vozů. Tato problematika je zásadní s ohledem na vyráběné množství. V konstrukci letadel, raket a vesmírné techniky je řada nových výrobních technologií již delší dobu používána. Je to nejenom otázka vhodných materiálů, jejich dostupnosti a možností použitých výrobních technologií. V souvislosti s lehkými konstrukcemi všechny tyto oblasti stojí před dlouhodobým a zásadním rozvojem.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Vždy se snažíme konkurenci předběhnout

Špičkový výzkum a transfer high-tech technologií do medicínské, průmyslové a environmentální praxe s důrazem na mezinárodní spolupráci je hlavním cílem Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM), vědecko-výzkumného pracoviště Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci.

Požadavky na lisy a nástroje při výrobě převodovek

Stoupající požadavky na redukci CO2 ve výfukových plynech automobilů vedly k jejich narůstající hybridizaci a elektrifikaci. Z těchto důvodů se výrazně zvyšují nároky na plechové díly nejenom v konstrukci karoserií osobních automobilů, ale také v jejich pohonech. Jsou to především požadavky na kvalitu a rozměrovou přesnost. Zvyšuje se komplexnost těchto dílů, a proto také nabývají na významu nároky na tvářecí stroje a nástroje.

Aditivní výroba ve tváření plechů

Trojrozměrný (3D) tisk, označovaný také jako aditivní výroba (additive manufacturing - AM), zaznamenal v poslední době značný rozvoj. Touto technologií je umožněna výroba i velmi tvarově komplikovaných trojrozměrných produktů. Objekty nebo výrobky jsou vytvářeny z podkladu digitálních 3D modelů nebo jiných elektronických datových zdrojů. Aplikační možnosti 3D tisku se s ohledem na progresivní vývoj této technologie jeví jako neomezené.

Lehčí a čistější řezání vysoce pevných dílů

Automobilový průmysl řeší u karoserií především nízkou hmotnost a bezpečnost při nárazu. Proto se na vybrané části karoserie používají vysoce pevné ocele schopné tváření za tepla. Typickým příkladem je nový VW Golf VII. Při řezání vysoce pevných ocelí se s výhodou používá laser.

Tváření titanových trubek vnitřním přetlakem za tepla

Titan jako konstrukční materiál sice nabízí skvělé vlastnosti, je však drahý a jeho zpracování tvářením je technologicky a časově náročné, a nákladné. Novou ekonomickou technologii tváření titanových trubek pro automobilové výfukové systémy představil společný výzkumu dvou Fraunhoferových ústavů na říjnovém veletrhu EuroBLECH 2012 v Hannoveru.

Moderní způsoby ochrany vysokopevných ocelí

V posledních letech je v automobilovém průmyslu kladen stále větší důraz na snižování hmotnosti vozu, potažmo spotřeby a z ní plynoucích emisí, za současného zvýšení bezpečnosti posádky. Jednou z možností, jak splnit tyto požadavky, je nahrazení starých materiálů používaných pro výrobu určitých komponentů za nové, pevnější. Díl z pevnějšího materiálu může být tenčí a potažmo i lehčí oproti dílu původnímu, ale současně je schopen vydržet stejné, nebo i větší namáhání.

Nekonvenční zpracování nové generace vysokopevných výkovků

Vysokopevnostní zušlechtěné výkovky se strukturou popuštěného martenzitu v současné době představují high-end skupinu kovárenských produktů. Díky nejnovějším poznatkům z oblasti fyzikálně-metalurgických dějů probíhajících v materiálu výkovků by skupina vysokopevnostních výkovků mohla být doplněna novou generací výkovků, jejichž struktura je tvořena nekonvenčním CFB (Carbide-Free bainitem) a QP martenzitem.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit