Производство кузова легкового автомобиля

Производство кузова легкового автомобиля

Кузов первых моделей ВАЗ, так называемой «классической» компоновки, соответствовал требованиям своего времени и представлял собой конструкцию, которая состояла из нескольких крупногабаритных деталей (крыша, капот, панели пола, щиток передка) и большого числа сварных узлов, включающих относительно простые мелкие детали. Конструкция определяла и требования к материалам, и технологиям штамповки и сварки.

Так, основную массу деталей выполняли из холоднокатаного проката стали 08Ю категорий вытяжки СВ, ОСВ, а наиболее простые детали — из сталей 08кп и 08пс категории вытяжки ВГ. Прокат первой группы отделки поверхности, соответствующий категориям вытяжки ОСВ и ВОСВ для лицевых деталей кузова, закупали главным образом за рубежом.

Комплекс сварки кузовов классических моделей (ВАЗ-2101 — ВАЗ-2107) состоял из поточных линий на базе многоточечных сварочных машин и стендов ручной сварки. То есть оборудования, предназначенного для сварки непокрытых сталей. Оно отличалось высокой производительностью, относительной компактностью, надежностью в эксплуатации, хорошей ремонтопригодностью и в то же время — недостаточной гибкостью, что не способствовало изменению конструкции деталей в процессе модернизации автомобиля или смены модельного ряда, имело ограничения по сварке деталей из оцинкованных сталей. В частности, в последнем случае существенно снижало свою производительность из-за необходимости остановок для проведения периодической ручной зачистки электродов контактных машин.

К моменту постановки на производство семейства автомобилей ВАЗ-2108 требования к кузову изменились. Соответственно другими стали и подходы к его проектированию. Например, кузов ВАЗ-2108, в отличие от кузова ВАЗ-2101, не имеет деталей и узлов, устанавливаемых в процессе доварки черного кузова. Он состоит из каркаса и съемных узлов (двери, капот, крылья), а каркас — из пяти основных узлов: пола, правой и левой боковин, рамы ветрового окна и крыши. В результате конструкция стала более технологичной, в ней снизилось число деталей и узлов. К примеру, если кузов автомобиля ВАЗ-21013 состоял из 536 деталей, то кузов ВАЗ-2108 — из 368. Благодаря этому удалось уменьшить и число сборочно-сварочных операций, и число сварочных точек. (К примеру, последних с 7300 до 4300.) При этом доля сварки в автоматических линиях увеличилась с 45 до 96 %. Итог трудоемкость изготовления кузова снизилась с 9,89 до 6,7 нормо-ч, численность рабочих в цехах сварки — на 350 чел.

Автомобили семейства ВАЗ-2108 были первыми среди отечественных АТС, где для повышения коррозионной стойкости кузова стали применять детали из электрооцинкованного проката. Всего таких деталей 16, а их масса составляет

11 % обшей массы кузова.

Появление нового типа материала серьезно повлияло и на технологию изготовления кузова. Дело в том, что штамповать детали из оцинкованных сталей гораздо сложнее: покрытие существенно влияет на коэффициент трения в зоне контакта заготовки со штампом и, следовательно, на условия течения металла в процессе формовки и вытяжки; поверхностный слой имеет склонность к шелушению и отслоению в условиях пластической деформации металла-основы и контактного воздействия со стороны штампового инструмента, В силу этих особенностей штамповка электрооцинкованного проката требует дополнительных затрат и ужесточения технологической дисциплины. Например, при рубке заготовок, чтобы избежать отслоений покрытия в зоне реза и последующего их переноса с кромок заготовок на зеркало штампа, нужно очень точно выдерживать зазоры в режущем инструменте. Иначе в процессе штамповки, когда контактные давления очень высоки, сдираемые микрочастицы цинка привариваются к поверхности штампа, постепенно коагулируют и накапливаются в виде достаточно крупных металлических наростов, которые травмируют поверхность листа, оставляя на ней дефекты в виде выпуклостей, что совершенно недопустимо для лицевых деталей кузова.

Вторая группа особенностей оцинкованных сталей — их худшая, по сравнению с непокрытым металлом, свариваемость и повышенный износ сварочных электродов. Потому, что цинковое покрытие увеличивает контактные электросопротивления в парах «электрод — деталь» и «деталь — деталь». Следовательно, уменьшает сварочный ток и количество теплоты в зоне свариваемого соединения. Чтобы компенсировать это явление, сварочный ток приходится увеличивать, в зависимости от типа покрытия, на 5—15 %. Но в условиях высоких токов, температур и давления материал электрода начинает активно взаимодействовать с цинком, образуя легкоплавкие эвтектики (латуни). В итоге электрод по микронеровностям очень «охотно» приваривается к поверхности листа, а при размыкании контакта вызывает повышенную эрозию контактной поверхности. При этом масса данного участка поверхности возрастает, значит, снижаются плотность тока в контакте и диаметр ядра сварочной точки. Кроме того, постепенно образующийся слой латуни на контактной поверхности электрода повышает его электрическое сопротивление и соответственно снижает количество теплоты, выделяющейся в сварном соединении, что также уменьшает диаметр ядра сварной точки.

Было очевидно, что решить перечисленные проблемы можно только одним способом — перейти на оборудование, способное автоматически регулировать величины сварочного тока и периодически зачищать рабочую поверхность электродов. Что и сделали: ВАЗ перешел на автоматические линии и посты, оснащенные робототехническими комплексами, созданными в сотрудничестве с фирмами «Сиаки» и «Кука».

Следующим этапом эволюции кузова стали разработка и постановка на производство автомобилей семейства ВАЗ-2110. Данный этап во многом перенял лучшие технические решения, опробованные на семействе ВАЗ-2108. Например, общее число деталей кузова, несмотря на более сложную конструкцию, снизилось, по сравнению с ВАЗ-2108, на 20 шт., а число сварочных точек возросло лишь на 478 (10 %). Однако необходимость обеспечения современных требований экономики заставила улучшать аэродинамику автомобиля и, как следствие, усложнять форму деталей. Что повлекло за собой увеличение объемов применения высокотехнологичных штампуемых сталей, еще большее ужесточение требований к оборудованию и штамповой оснастке. Поэтому под проект пришлось закупить и смонтировать пять новых автоматических вырубных и штамповочных линий, в том числе уникальный для России шестипозиционный пресс-автомат усилием 32 тыс. кН с гидравлической маркетной подушкой на первой позиции, выпускаемый немецкой фирмой «Эрфурт» и предназначенный для штамповки крупногабаритных деталей. Кроме того, под техническим руководством ВАЗа отечественными металлургическими комбинатами ОАО «НЛМК» (Липецк), «Северсталь» (Череповец), «ММК» (Магнитогорск), «АО ЛМЗ» (Лысьва) совместно с ЦНИИЧМ имени Бардина (Москва) было освоено производство современных автолистовых сталей, в том числе с цинковыми покрытиями, что позволило полностью обеспечить нынешнюю потребность отечественной автомобильной промышленности в качественном металлопрокате. В том числе практически всю потребность ВАЗа в холоднокатаном листе первой группы отделки поверхности (-155 тыс. т в год, из них 41 тыс. т — оцинкованный прокат), в горячеоцинкованной (-9 тыс. т в год) и электрооцинкованной (-76 тыс. т в год) сталях.

В настоящее время с целью повышения качества штампуемых деталей проводятся работы с металлургическими комбинатами по использованию нового поколения консервационно-технологических смазок для листового проката, внедрению специальных моечных машин для особо ответственных лицевых деталей кузова. Нарабатываются мероприятия по исключению попадания дополнительных загрязнений на поверхность проката в процессах переработки (резка заготовок, хранение, транспортировка и штамповка).

Объем применения оцинкованных сталей в кузове ВАЗ-2110 достиг 52 %его массы. Что в сочетании с дополнительной обработкой опасных зон специальными защитными составами и высококачественным лакокрасочным покрытием гарантирует защиту его деталей от сквозной коррозии на срок до шести лет. Однако рост числа деталей, выполняемых из оцинкованных сталей, еще более обострил проблему обеспечения качества штамповки. В частности, чтобы уменьшить налипание цинка, необходима дополнительная операция ручной периодической очистки зеркала штампа. Что, безусловно, сказывается на трудоемкости изготовления деталей и производительности оборудования. Поэтому ВАЗ проводит подготовительные работы по закупке лицензии и освоению технологии хромирования формообразующих поверхностей штампов, которое, как известно, позволяет решить проблему на современном уровне.

Широкое применение оцинкованных сталей потребовало принятия новых решений и в отношении всего сварочного комплекса, в том числе значительного усложнения, как механики, так и систем управления сварочных линий: теперь общее число используемых сварочных роботов достигло 220 шт. В состав автоматических линий, кроме традиционных постов сварки, вошли посты промазки кузова мастиками перед сваркой и нанесения высокопрочного клея на стыке капота перед его зафланцовкой. В линиях сварки впервые в нашей стране в больших (

50 шт./кузов) объемах применена полуавтоматическая и автоматическая дугоконтактная приварка болтов, заменившая собой традиционную рельефную сварку, требующую пробивки отверстий в листовой детали.

Автомобиль ВАЗ-1118 — очередной шаг на пути повышения безопасности и коррозионной стойкости кузова. И хотя объем применения оцинкованных сталей здесь остался на уровне кузова автомобиля ВАЗ-2110, существенно изменилась структура этого объема: значительно увеличилась доля горячеоцинкованного проката, а доля электрооцинкованного, наоборот, снизилась, что позволило существенно увеличить поверхность деталей, защищенных цинковым покрытием. Так, если у кузова ВАЗ-2110 оцинкованная поверхность составляла 29 %, то у ВАЗ-2118 — уже 52 %.

Переход на горячеоцинкованный прокат выгоден и в экономическом отношении: технологическая себестоимость изготовления данного проката на 10—15 % ниже, чем проката электрооцинкованного. Кроме того, он более технологичен с точки зрения штамповки. Во-первых, в качестве его основы используются высокопластичные стали со сверхнизким содержанием углерода (IF-стали); во-вторых, покрытие из более мягкого металла оказывает то же влияние, что и твердая смазка, т. е. в определенной степени облегчает процесс штамповки, улучшая условия течения металла.

Проблема обеспечения свариваемости горячеоцинкованного проката решается за счет использования сварочных роботов с современными системами управления циклом сварки и автоматической зачисткой электродов. Для снижения затрат на электродные материалы применяются электроды колпачкового типа с внутренним посадочным конусом.

Вторая особенность кузова ВАЗ-1118 — более широкое, чем на ВАЗ-2110, применение низколегированных и двухфазных (ферритно-мартенситных) сталей повышенной прочности, освоенных отечественной металлургической промышленностью (НЛМК и ЧерМК). Такой переход, во-первых, увеличивает прочность и уровень пассивной безопасности кузова, во-вторых, снижает его материалоемкость (собственную массу) и положительно сказывается на динамических характеристиках, топливной экономичности и других потребительских свойствах автомобиля.

Источник статьи: http://www.avtomash.ru/guravto/2004/20041228.htm

Применяемые при изготовлении кузова материалы

Листовая сталь

Большинство кузовов в силу множества причин изготовляют из листовой стали. Важнейшими из этих причин являются:

• высокая прочность;
• деформируемость (возможность вытяжки);
• свариваемость (а также пригодность для опайки);
• окрашиваемость;
• достаточный срок службы при надлежащей противокоррозионной обработке;
• удовлетворительная стоимость.

В общем случае применяются следующие листовые стали:

• тонколистовая, холоднокатаная спокойная сталь марки RRST 1405 по DIN 1623 (стандарт на качество), DIN 1541 (стандарт на размеры) с пределом прочности 270—350 МПа, относительным удлинением более 36%, с матовой, чистой поверхностью, толщиной 0,6—0.9 мм (поставляется с интервалом толщины 0,1 мм), используется для видовых (опрашиваемых) наружных панелей (крыша, капот, двери, боковины и т. д.);
• те же сорта стали, которые указаны выше, иногда тонколистовая кипящая сталь марки UST 1203 или UST 1303, т. е. худшего качества, с пределом прочности 270—410 МПа, относительным удлинением 28—32%, той же толщины, что указана выше, используется для невидовых (окрашиваемых), наружных панелей, а также деталей пола (внутренний каркас, усилители, панели пола, поперечины и т.д.);
• горячекатаная стальная лента по DIN 1624 (стандарт на качество), DIN 1606 (стандарт на размеры) марки ST 4 с пределом прочности 280—380 МПа, относительным удлинением более 38%, толщиной 1,5—2,5 мм и больше, используется для деталей, расположенных внизу кузова (усилители, опоры, фланцы и т. д.), особенно большой толщины.

Конструкция и технология изготовления деталей должны ориентироваться на максимальную ширину поставляемой листовой стали (в настоящее время 2000 мм). Для деталей, работающих в коppoзионно агрессивной сpeдe, следует применять оцинкованную листовую сталь, учитывая, что при изготовлении деталей такая сталь не допускает больших дeформaций (изгиб, небольшая вытяжка). В особых случаях можно применять алюминированную листовую сталь. Обе поверхности стальных листов можно подвергнуть специальной обработке.

Легкие металлы

До сегодняшнего дня продолжаются дискуссии о целесообразности применения легких металлов в кузовостроении, так как используя их, можно существенно уменьшить вес конструкции. Как ни интересны алюминиевые кузова специальных (гоночных и спортивных) автомобилей и автобусов, тем не менее вероятность применения алюминиевого листа для массового производства легковых автомобилей мала по следующим причинам:

• Стоимость алюминия (как материала) почти в 3 раза больше, чем стали. Затраты на изготовление листа вследствие лучшей пластичности алюминия несколько меньше, в то же время масса листа меньше только на 30%, так как алюминий обладает меньшей прочностью, и в связи с этим приходится применять лист большей толщины. Однако автомобили продают не по весу, а увеличение стоимости материалов слишком заметно, поскольку снижение стоимости других элементов вследствие уменьшения общего веса, например, тормозов, шин и т.д., ничтожно мало, а снижение расхода топлива не сказывается на продажной цене автомобиля. Следовательно, автомобили с большим количеством алюминиевых деталей становятся существенно дороже.
• Вследствие меньшей прочности алюминия большинство деталей кузова, особенно элементы каркаса, должны иметь увеличенную толщину. Из-за меньшего модуля упругости жесткость, обусловливаемая формой кузова, а также его срок службы относительно малы, поэтому поглощение энергии при ударе тоже мало. Все это нежелательно с точки зрения безопасности.
• Чистые алюминиевые сплавы обладают достаточной коррозионной стойкостью. Однако не все детали и соединительные элементы кузова могут изготовляться из легкого металла, по меньшей мере в местах соединения алюминиевых и стальных деталей существует повышенная опасность возникновения коррозии. Последнюю можно уменьшить путем применения анодированного стального листа, но в этом случае резко возрастают затраты.
• Возникают трудности со сваркой и пайкой, которые становятся осуществимыми только при определенных условиях (защита от окисления).

По перечисленным выше причинам применение легкого металла в кузовах легковых автомобилей ограничивается внутренними деталями, изготовляемыми из листа, отливок или деформируемых сплавов, а также молдингами, возможно, бамперами. Досадно, что стоимость алюминия на мировом рынке постоянно сильно колеблется. В конечном итоге масса алюминиевых деталей, включая детали шасси, в европейских легковых автомобилях составляет около 2,2% общей массы.

Между тем некоторые модели серийного производства оснащаются капотом из алюминия.

Пластмассы

В последнее время повышенный интерес вызывает возможность применения пластмасс в кузовостроении, хотя цельные пластмассовые кузова или даже пластмассовые несущие узлы — дело далекого будущего. Однако известно много предложений по данной теме. Фирма «Джи-эм» с 1953 г. изготовливала в довольно большом количестве автомобиль «Шевроле-корвет» с кузовом, штампуемым из полиэфирного материала, армированного стекловолокном. Кузов имел несущий каркас из стальных труб. Определенный интерес представляет пол многослойной конструкции, экспериментально изготовленный для открытого пластмассового кузова, армированного стекловолокном. В будущем в небольшом количестве можно будет изготовлять легкие открытые кузова из термопласта для специальных автомобилей.

Преимуществами пластмасс являются малый вес, высокая прочность и жесткость, хорошие шумопоглощающие свойства, обусловливаемые высоким внутренним демпфированием, легкая сборка узлов, достигаемая благодаря возможности изготовления крупных деталей, высокая коррозионная стойкость.

Этим несомненным преимуществам пластмасс противостоят существенные недостатки, в частности, высокая стоимость материалов и их изготовления, большая длительность технологического цикла, затрудненные монтаж и ремонт, малое поглощение энергии.

Вследствие обладания этими недостатками пластмассы не подходят для кузовов массового выпуска. Тем не менее высокая технологичность пластмасс, возможность изготовления деталей методом литья или с помощью вакуумной вытяжки позволяют широко использовать пластмассы как для мелких, так и для больших штампованных деталей. При выборе пластмассы в основном руководствуются механическими и термическими свойствами материалов. В кузовостроении применяются следующие важнейшие виды пластмасс:

1. Термореактивные пластмассы (так называемые реактопласты) по стандартам DIN 7708, DIN 16911, DIN 16912 используются для сильно нагруженных деталей (рычаги, ручки); если пластмасса армирована стекловолокном, то ее используют и для больших деталей специальных (спортивных) автомобилей под названием стеклопластик, например, для капотов, крышек багажников, декоративных решеток, крыльев, боковин и т. д.
2. Различные термопласты (ниже приведены только некоторые из возможных материалов, которые предлагаются под различными фирменными наименованиями). Например, акрилонитрил-бутадиенстирол используется для деталей, получаемых вакуумной вытяжкой, таких как облицовки радиатора, панели приборов; акрило-стекло — для прозрачных деталей, окон, рассеивателей, фонарей; полиамид — для быстроизнашивающихся деталей таких, как подвижные элементы замков, корпуса воздуховодов и др.; поливинилхлорид — для эластичных и мягких деталей, искусственной кожи, пленочных покрытий, шлангов, уплотнителей, изоляции; полиуретан— для высокопрочных деталей; пенистый полиуретан — для накладок, изоляционных материалов; полиуретан с твердой поверхностной зоной — для ручек, подлокотников, облицовок, панели приборов, деформируемой облицовки передней части и др.
3. Эластомеры (этилен-пропилеп-резина) с монолитной оболочкой используются, например, для уплотнителей, устойчивых к погодным условиям и старению (двери, окна).

Этот перечень можно рассматривать только как ориентировочный. Промышленность, выпускающая полимеры, в состоянии предложить или разработать материалы, пригодные для определенных условий применения. Пластмассы имеют следующие преимущества:

• малые затраты на изготовление деталей и малый вес;
• удовлетворительная стабильность заданных размеров;
• простая технология обработки и соединения (склеивание);
• возможность получения поверхности различного цвета и тиснения (возможна блестящая и матовая металлизация);
• высокая устойчивость к погодным условиям и коррозии.

Вследствие широких возможностей для применения пластмасс не вызывает удивления тот факт, что доля пластмассовых деталей (по весу) в кузове постоянно увеличивается и в настоящее время у европейских автомобилей составляет примерно 7,8% общего веса. Пластмассы открывают большие возможности для уменьшения веса кузова.

Источник статьи: http://ustroistvo-avtomobilya.ru/kuzov/primenyaemye-pri-izgotovlenii-kuzova-materialy/