Пытаясь сохранить ведущую роль черных металлов в конструкции автомобилей, мировая сталелитейная промышленность делает упор на гидроформовые трубки. Пол Миллбэнк рассказывает, как это происходит и зачем.

    После обнародования этой весной концепции "Ulsab-AVC" мировая сталелитейная промышленность консолидирует усилия, чтобы сохранить за сталью функцию основного конструкционного материала в производстве автомобилей. Только что опубликованные новые технические данные показывают, какое решающее значение, по всей вероятности, будут иметь стальные детали, изготовленные методом гидравлической формовки, в будущих работах автомобильных конструкторов.
    Концепция "Ulsab-AVC" представляет собой развитие возникшей в середине 90-х годов идеи создания сверхлегкого стального автомобильного кузова (Ultralight Steel Auto Body – Ulsab), которая сошла на нет в 1998 году. Тем не менее тогда был дан толчок новым разработкам отдельных элементов автомобиля, таких, как двери, задние дверцы пикапов, системы подвески. Сравнительно недавно появилась и концепция "продвинутого" автомобиля (AVC).
    Эта программа стартовала в 1999 году при поддержке 33 сталелитейных компаний. Ее осуществление доверили американскому филиалу Porsche Engineering Services. Фирма разработала проект трех- и пятидверного автомобиля среднего класса (класс С), который, как утверждают, основываясь на результатах обширного компьютерного моделирования, будет отвечать новым европейским требованиям безопасности при авариях и экологическим стандартам по выбросу CO2. Этот автомобиль отличается исключительной экономичностью расхода топлива, и для его производства требуется меньше материалов. Общий (с пассажирами) вес, по расчетам, составит менее 950 кг или примерно на 200 кг меньше, чем весит сегодня типичный автомобиль С класса. И вот, что особенно важно: такая машина будет легче Ауди-А2, кузов которой целиком выполнен из алюминия.

Боковые направляющие крыши из гидроформовой, двухфазной трубчатой стали играют ключевую роль в обеспечении ударостойкости корпуса

    Для того, чтобы всего этого добиться, авторы концептуальных разработок делают основной упор на использование высокопрочной стали (низколегированной конструкционной стали с повышенным сопротивлением атмосферной коррозии), фасонных сварных заготовок, гидравлической формовки и фасонных трубок. На долю фасонных заготовок приходится почти 40 % веса кузова, на долю съемных частей и частей из стали гидравлической формовки – более 20 % и на долю фасонных трубок – примерно 6 %. Нашлось значительное применение и лазерной сварке – общая длина таких швов составляет 114 метров.

Стальные детали
    Как уже сообщалось в "Metal Bulletin Monthly" (март, стр.77), детали из многофазной высокопрочной стали, обладая хорошей формуемостью, составляют 83 % структуры кузова (примерно в 10 раз больше, чем в настоящее время). Детали этой группы сделаны из стали двухфазных сортов (на их долю приходится примерно две трети всей стали, потребной для производства кузова и съемных частей "Ulsab-AVC"), а остальные – из стали пластицированных, сложнофазных и мартенситных сортов. Другим важным сортом является закалення сталь, доля деталей из нее составляет 10 % от общего числа.

Концепция Ulsab-AVC претендует на повышение безопасности, соблюдение экологических норм, удешевление производства

    Фасонные стальные заготовки все шире используются в автомобилестроении и сейчас занимают прочное место в "дизайнерской палитре" автоконструкторов. Спрос на них в Европе превышает 600 тыс. т в год и, по прогнозам, возрастет более чем вдвое к 2005 году.
    Гидравлическая формовка применяется уже более десяти лет, но менее распространена. Потребует ли она для производства фасонных заготовок те объемы стали, которые фигурируют в расчетах, пока неясно, но представляется, что именно ей уготована ключевая роль. Что особенно важно для производителей стали – гидравлическая формовка станет тем направлением, куда будет выгодно вкладывать средства. Согласно независимому прогнозу, ежегодный прирост рынка гидравлической формовки составит примерно 16 %. При гидравлической формовке используется вода под очень высоким давлением – с тем, чтобы придать трубчатой стальной детали требуемую форму. Говорят, этот метод обеспечивает высокую структурную эффективность и позволяет оптимизировать текучесть, а также обладает хорошим потенциалом для снижения стоимости. Он может применяться для формовки крупных комплексных компонентов, помогая снизить их вес, расход материалов и объем исходных частей, требуемых для создаваемой структуры. Если этого недостаточно для обоснования выгодности данного метода, его энтузиасты приводят и такой довод: гидравлическая формовка еще больше улучшает качества стали.

Гидроформовая подвижная балка и гидроформовые/фасонные трубчатые кронштейны задней подвески

    Концепция "Ulsab-AVC" впервые предусматривает активное применение гидравлической формовки в кузове автомобиля с компонентами из прямых и предварительно изогнутых трубчатых стальных заготовок. Гидроформовые части можно найти в конструкции кузова, подвеске, дверях и задних дверцах пикапов.

Лонжероны направляющие из гидроформовой фасонно сваренной трубки могут быть различной толщины, но внешние параметры остаются неизменными

Применение
    Особенно впечатляют две полые профильные направляющие крыши, выполненные как единый компонент. Впереди (в передней части салона) они принимают конфигурацию в виде буквы A, а в задней части салона – незаконченной буквы C. Во время процесса гидравлической формовки диаметр профиля увеличивается. Исходный материал подается так, чтобы создать большую сварную поверхность в месте А-образного соединения.
    В отношении дверей концептуального автомобиля применен безрамочный принцип с использованием трубчатых гидроформовых компонентов, устанавливаемых вертикально спереди и сзади. Функционировать они будут на шарнирах, соединяемых прямыми продольными трубками в верхней и нижней частях. В верхней части задней дверцы пикапов устанавливается гидроформовая трубка, закрытая с внутренней и внешней сторон штампованными панелями.
    Сталь гидравлической формовки присутствует и в нижней части автомобиля. Из нее сделаны несколько компонентов, в том числе подвижная балка задней подвески. Гидравлическая формовка используется там для того, чтобы расширить концы трубки штанги подвески, сохраняя почти постоянную толщину стенки. Это увеличивает сварной шов в длину, до (гидроформовых) кронштейнов и, как говорят, повышает эффективность подвижной балки перекладины. Этот же метод применяется и на подрамнике для двигателя и передней подвески.
    Потенциал гидравлической формовки был повышен путем ее сочетания с фасонированием сварной трубки, изготовленной из фасонного сварного листа и позволяющей использовать профиль со стенками разной толщины. То же делается и в отношении кронштейнов задней подвески, которые изготавливаются путем гидравлической формовки из фасонных трубок различной толщины, и в отношении лонжеронов автомобиля, которые имеют постоянные внешние размеры, но различную толщину для повышения ударостойкости.

Будущее
    Нет никаких сомнений в том, что методы и предсказываемые результаты, иллюстрируемые детальными конструкторскими изысканиями вроде концепции "Ulsab-AVC", в какой-то момент найдут путь в автомобилестроение. Вопрос в том, как скоро и в какой мере?
    Гидроформовая трубка, несомненно, этот путь уже проделала. Доказательством служит тот факт, что некоторые производители стали и ведущие автомобильные субподрядчики уже подключились к цепи ее поставок (см. "Metal Bulletin Monthly", апрель, стр. 25). Так, "General Motors" и "Ford Motor" установили у себя оборудование для гидравлического форматирования. Остается только подождать и посмотреть, как быстро это направление станет развиваться и сколько стали будет потреблять это производство.

Спецификация запчастей гидравлической формовки в соответствии с концепцией Ulsab-AVC Направляющие крыши: 85 мм в диаметре, точка росы 500/800 толщиной в 1 мм, (двухфазные; предел текучести 500 MПа в минуту; предел прочности на растяжение или разрыв 800 МПа в минуту). Развальцованные на переднем конце для увеличения длины сварного шва.     Двери: шарнирная трубка, прямоугольный профиль 67 x 114 мм, IF260/410 без междоузельного атома толщиной в 1,2 мм; трубка защелки 73 x 91мм, прямоугольный профиль, IF260/410 без междоузельного атома толщиной в 1 мм     Подвижная банка задней подвески: стальная трубка с марганцевым бором в 2,5 мм толщиной (MnB1200/1600), развальцованная на каждом конце для удлинения сварного шва. После двухступенчатой глубокой вытяжки и процесса гидравлической формовки перекладина должна подвергнуться термической обработке для придания ей требуемой прочности.     Кронштейны задней подвески: фасонные трубки с точкой росы 350/600 толщиной в 2,2 мм и 3 мм.     Лонжероны: фасонная трубка в виде прямоугольных полых профилей с точкой росы 500/800 номинальной толщиной 1,5 мм.