Témata
Reklama

Tvářecí a výrobní procesy ve stavbě lehkých karoserií

Stále rostoucí nároky na zmenšování hmotnosti karoserií osobních automobilů a užitkových vozidel vytvářejí tlak na jejich konstruktéry a na výrobní technologie.

Příčinou jsou mezní hodnoty CO2 ve spalinách. Od roku 2012 platí nové EU normy pro osobní automobily udávající mezní hodnotu CO2 ve spalinách. Tou je maximální hodnota 139 g CO2/km. Pro lehká užitková vozidla to bude od roku 2014 max. 175 g CO2 na km. Při jejich nedodržení jsou plánovány pokuty. Dlouhodobě od r. 2020 je stanoveno jako mezní hodnota 95 g CO2/km. To bude možné splnit jedině na základě nových konceptů karoserií a alternativních pohonných systémů.

Reklama
Reklama
Obr. 1a, 1b. Příklad dnešního mixu materiálů ve stavbě lehkých karoserií

Nové materiály ve tváření

Výrobci automobilů řeší tuto problematiku různými způsoby. Pro automobilový průmysl zůstává i nadále zajímavé tváření a s ním spojené nové materiály a komplexní materiálové mixy, jaké se v dnešní době používají pro karoserie osobních automobilů (obr. 1). Situace je o to složitější, že z důvodů větší bezpečnosti a stále rostoucích požadavků na vybavení, hmotnosti karoserií dosud narůstaly. Trendy posledních let ukázaly, že růst hmotnosti karoserií byl zastaven. Do budoucna bude nutné v tomto trendu pokračovat z důvodů elektromobility. Požadavky na snižování hmotnosti stále porostou. Z hlediska jakostí materiálů to budou i nadále vysokopevnostní oceli, tvářené za studena či za tepla (a s tím spojené vytvrzování na lisech), rozšířené použití lze očekávat pro tváření vnitřním přetlakem. Hliník a jeho slitiny budou tvářené za studena či polotepla, nebo vnitřním přetlakem. Polotovary budou plechy – svitky, nověji trubky či profily. K tomu se stále více připojuje skupina umělých hmot (CFK Kohlenfaser Kunststoff) a uhlíkovými vlákny vyztužené výlisky, lisované na speciálních lisech. Těmto materiálům a polotovarům musí odpovídat konstrukce karoserií, mluví se tedy o změnách v technologičnosti konstrukce. Ta nebývá všeobecně často konstruktéry respektována. Problémem jsou dále ceny karoserií za kg. Pro ocel to je při současných cenách 3 až 5 eur, pro hliník 15 až 20 eur a pro karbon 90 eur za kg. Oproti ocelové karoserii lze snížit hmotnost až na 70 % pro Al a 50 % pro karbon.

Obr. 2. Schematické znázornění nízkotlakého tváření kapalinou

Tváření vysokopevnostních ocelí

Problémem je narůstající pevnost materiálu. To vedlo k používání silně dimenzovaných tvářecích lisů, v sériové výrobě k transferovým lisům, hydraulickým linkám, mechanickým linkám a v dnešní době k servolinkám. Tvářené jakosti jsou DP 600, DP 800, až k MSW 1 200. Specifickým problémem je odpružování po tváření rostoucí s pevností. To nelze spolehlivě řešit, protože mechanické vlastnosti svitků se mění v povolených tolerancích svitek od svitku. Kompenzace odpružení zvětšuje časy zapracování nástrojů. Použití těchto vysokopevnostních materiálů je velmi časté. Tvářením kapalinou z nich lze vyrábět i duté díly.

Tváření hliníku a jeho slitin

Použití hliníku je ve stavbě karoserií již zavedeno. Řada výrobců používá tento materiál zejména ke konstrukci pohyblivých dílů, jako například dveří a kapot. Další použití je v oblasti manipulace s materiálem a odpadem. Dále se hliník hodí pro technologii tváření kapalinou – hydroforming.

Obr. 3. Vyndávání výlisku z lisu

Vytvrzování na lisech – tváření za tepla

Tato technologie je rovněž běžně používána. Její použití je vázáno na nízkou tvářitelnost vysokopevnostních ocelí za studena. Je to nejjistější a cenově nejpřijatelnější tváření vysokopevnostních ocelí s pevností nad 1 200 MPa. Metoda je vhodná pouze pro hromadnou výrobu a bylo o ní v MM Průmyslovém spektru již v minulosti psáno. Řízeným ochlazováním lze v jednotlivých místech výlisků docílit různé struktury materiálu a tím i různých mechanických vlastností. Tato technologie byla propracována současně s automatizací a lze takto vyrobit výlisky v taktu až 24 výlisků za minutu. S tím souvisí rychlý ekonomický ohřev buď v průchozí, komorové, indukční či karuselové peci nebo kontaktní ohřev. Na toto téma dostala firma Schuler v roce 2012 grant pro řešení efektivity této technologie a s tím související řešení i jiných dílčích problémů.

Tváření vnitřním přetlakem pro díly karoserií

Jedná se o technologii nazývanou Low-Pressure-Verfahrens, která v technologii tváření kapalinou – hydroformingu – představuje nové možnosti a potenciály. Může být použita pro materiály s vyšší pevností, např. pro osobní automobily, prostory pro cestující, pro užitkové vozy – kabiny. Jedná se o veliké strukturní díly, které jsou vhodné pro rámové hospodárné modulární konstrukce. V USA má tato technologie až 30% podíl z celkového tváření kapalinou (IHU). Jedná se zejména o vozidla Pick-up a Light-Truck. Také v oblasti osobních vozů tato technologie způsobila oživení trhu s novými stroji. Na obr. 2 je vysvětlen princip nízkotlakého hydroformingu (pravá část obr.) a porovnání se zavíráním bez tlaku. Tvářecí síla se vyvozuje lisem a nikoliv vysokým tlakem kapaliny. Vysoký tlak na konci tváření slouží k vyhlazení povrchu výlisku a k podpoře otvorů. Maximální tlak je 600 až 700 (1 000) barů. Při klasickém tváření vnitřním přetlakem je tlak větší, až 3 000 barů. Tak se sníží síla potřebná pro přidržovač a tím i celková lisovací síla. Lze takto zpracovat materiály o vysoké pevnosti s nízkými hodnotami tažnosti, což umožňuje konstantní tloušťku stěny. Malé rádiusy jsou taktéž vyrobitelné, nástroje jsou méně zatěžované a mohou být jednodušší. Počet a průměry otvorů mohou být zvýšeny oproti technologii tváření tlakem. Je také možné předtvarování a vylisování v jednom nástroji. Pro tento jednoduchý tvářecí proces se dají používat jednoduché lisy s krátkým taktem a provozním cyklem. Tváření hydroforming vysokopevnostních ocelí se tak vyvíjí jako konkurence k vytvrzování na lisech. Zejména pro díly ve tvaru dutých těles.

Obr. č. 4 Linka vybavená servolisy o výkonu až 17 zdvihů/min vyrobí 4 výlisky na jeden zdvih.

Tváření plastů ‒ materiál pro budoucnost

U elektricky poháněných automobilů jsou potřebné další úspory na hmotnosti. Těžké baterie musejí najít své místo při zachování rozsahu použití a velikosti nákladu. Pro snižování hmotnosti potom zbývá převážně karoserie. Každodenní požadavky splňované při stavbě letadel, sportovních zařízení a lodí se nyní přenášejí na stavbu automobilů. Tím získala veliký význam uhlíkovými vlákny vyztužená umělá hmota CFK – Kohlenstofffaserverstärker Kunststoff. Ta má o 50 % nižší hmotnost než ocel a při srovnatelné stabilitě, s hliníkem je ještě o 30 % lehčí. V současné době jsou vkládány veliké investice do hospodárnější výroby uhlíkových vláken. Jedná se např. u jednoho výrobce o investice až 400 milionů eur. Tento nový materiál bude používán i v konstrukci strukturních dílů při e-mobilitě. Současné použití je v sériové výrobě ojedinělé. Příklady jsou v kusové nebo malosériové výrobě vnějších dílů karoserií nebo u sportovních či závodních vozů F1.

Vysokotlaké lisování RTM (Resin Transfer Molding)

Podle tvaru, funkce a namáhání karoseriového dílu je stanoveno vhodné uhlíkové vlákno a jeho tkaní. Od role se odvine a odstřihne a podle potřeby dílu je více vrstev nakladeno jako rohož. Fixace probíhá v peci natavením polyetylenové tkaniny, vkládané jako mezivrstva. Takto ohřátá rohož se následně předtvaruje v chlazeném nástroji. Tyto ohebné předtvarky jsou přistřiženy a vloženy do vlastního RTM nástroje. Na vysokotlakém lisu se nástroj vyhřívá, uzavře, vakuuje a konečně se tam vstříkne přesné množství předehřáté směsi pryskyřice a tvrdidla. Během vstřikování lis sám udržuje vzdálenost mezi horní a dolní částí nástroje v tolerancích ±0,05 mm. Tím se udržuje patřičné množství pryskyřice i tloušťka stěn výlisku. Po 3 až 6 minutách vytvrzování se nachází lis ve fázi regulace síly a rovnoběžnosti. Lisovací síla se zvýší a to podporuje chemické reakce v nástroji. Jedině tak lze udržet úzké tolerance tlouštěk a požadovanou jakost povrchu. Statika lisu musí dovolit absolutní odchylky 0,1 mm a rovnoběžnost stolu a smykadla i při vysokých tlacích. Poloha smykadla při vstřikování a při narůstajícím tlaku v nástroji musí být zachována. Pro snížení celkových výrobních časů jsou požadovány minimální časy pro manipulaci a čistění nástroje. Na obr. 3 je znázorněno vyjímání výlisku z lisu. Pro sériovou výrobu stojí před tvářecí technikou řada nových úkolů. Je nutné řešit v první řadě dlouhé časy v dolní úvrati a regulaci os a tlaků v nástroji. To umožní jedině použití inteligentních hydraulických lisovacích systémů. Ty se ukazují jako nejvhodnější z důvodů vysoké možné flexibility a regulačních možností. Stejné požadavky jsou kladeny na procesy pro tváření hořčíku a superplastické tváření hliníku. Pro hospodárnou výrobu výlisků z ocelí s vyšší pevností a z hliníku se jeví jako nejvhodnější výhody při vysokých rychlostech tváření na servolisech. Budoucnost je možná pro výkon lisování až 68 výlisků/min. Dnešní servolinky mají až 17 zdvihů/min s možností lisování až čtyř výlisků na jeden zdvih. Taková linka je na obr. 4.

Doc. Ing. Jan Šanovec, CSc.

Zdroj: Sborník EFB T33, Produktionssysteme und - metoden für den Leichtbau, 14.–15. 2. 2012 Bad Boll. ISBN 978-3-86776-380-6-

FS ČVUT v Praze, Ústav strojírenské technologie

Jan.Sanovec@fs.cvut.cz

Reklama
Vydání #4
Kód článku: 130426
Datum: 10. 04. 2013
Rubrika: Trendy / Tváření
Autor:
Firmy
Související články
Směry rozvoje technologií tváření při výrobě karoserií

Stálé požadavky na snižování emisí oxidu uhličitého vyžadují soustavné snižování hmotnosti automobilu. U konvenčních pohonů automobilů lze jít jedině cestou lehčích karoserií. Lehké konstrukce vyžadují zachování crashových vlastností jako u ocelových karoserií.

Lisy na lamely elektromotorů

V červnu, nejprve v závodě v Göppingenu a posléze v Berlíně na výstavě Coil Winding Expo, představila skupina Schuler svůj první vysokorychlostní lis řady Smartline SA-S pro vysekávání lamel vysoce energeticky účinných elektromotorů.

Možnosti technologie CNC ohýbání profilů

Technologie CNC ohýbání za studena v sobě skýtá přesně to, co současné požadavky trhu žádají - umožňuje vytvářet poměrně flexibilním způsobem designově zajímavé tvary ve výborné kvalitě za příznivých nákladů.

Související články
Nové tvářecí technologie pro výrobu karoserií

V současné době jsme svědky stálého, ale pochopitelného zvyšování požadavků na konstrukci karoserií osobních automobilů. Jsou to požadavky na konstrukční, ekonomická a ekologická zlepšování.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Formárenský veletrh se blíží

Již třetí ročník formárenského veletrhu Moulding Expo v druhé polovině května bude hostit výrobce forem a nástrojů a dodavatelé potřebných technologií ve Stuttgartu. Pořadatelé sezvali novinářskou obec do slovinské Lublaně, kde prozradili několik detailu o blížícím se veletrhu. Součástí tiskové konference byla také návštěva místních nástrojáren a výzkumného centra pro formárenství.

Spjato s regiónem, otevřeno pro celý svět

Aktuálním tématem současné doby jsou diskuze o lokálních ekonomikách, jejich vlivu na inovační potenciál, vytváření firemní kultury a rozvoj podnikatelského prostředí. Jejím velkým zastáncem a propagátorem je profesor Milan Zelený. Učíme se od Baťů a jejich metody bychom měli s potřebnou modifikací upravovat pro naši dobu. Nedávno jsem měl možnost navštívit německého výrobce obráběcích strojů, společnost Hermle, která mojí optikou pohledu splňuje znaky lokální výroby s globální působností. Na každém kroku to bylo znát.

Češi v říši středu a snů

Česká expozice společné účasti na veletrhu CIMT je stejně jako v předchozích ročnících realizovaná specializovaným úsekem a. s. Veletrhy Brno a organizovaná pod patronací Ministerstva průmyslu a obchodu ČR. Nutno podotknout, že letošní expozice, i když po dlouhé době beze strojů, byla po designové stránce s ohledem na její kompaktnost velmi povedená. Možná právě proto, že ji netříštily volné otevřené plochy kolem stroje.

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.

Motorový surf z Moravy spustil tsunami

Česko nemá moře, a přece patří mezi velmoci surfování. Strůjci paradoxu jsou konstruktéři z Moravy, kteří se před čtrnácti lety zaměřili na vývoj surfu poháněného spalovacím motorem. Dnes je společnost JetSurf o „parník“ před konkurencí, se svými surfy pořádá světové poháry, mezi VIP uživatele prkna se řadí fotbalista Neymar, motozávodník Jakub Kornfeil, zpěvák Justin Timberlake nebo šampion F1 Lewis Hamilton. Navštívili jsme čerstvě otevřenou továrnu JetSurfu, know-how firmy nám poodhalil jeden z otců zakladatelů Zbyněk Bureš.

Problematika vstřikování plastových dílů pro automobily

Příspěvek popisuje podmínky pro výrobu vstřikovaných plastových dílů pro automobily včetně vznikajících problémů a navazuje na článek Snížení rizika vzniku vad při vstřikování plastových dílů, který byl uveřejněn v příloze Plasty časopisu MM Průmyslové spektrum č. 3/2014 (viz též www.mmspektrum.com/140312). Autor vychází z dlouholeté zkušenosti ve firmě Plast Form Service I. M., která se výrobou těchto dílů zabývá již od roku 1998.

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.

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