Ну что, поговорим о серьёзных, а потому, возможно, не всем понятных вещах? Например, о том, почему металл, активно используемый в авиастроении, при производстве автомобилей применяется с определёнными ограничениями. А действительно, почему? Постараюсь объяснить.
Возьмём, к примеру, автомобильные кузова. На первый взгляд, химический элемент, занимающий позицию №13 в таблице Менделеева, выглядит очень перспективно, и у него есть всё необходимое для того, чтобы потеснить привычную всем сталь. Судите сами:
- В Земной коре его содержится почти в два раза больше, чем железа – 8,6% против 4,7%.
- Удельный вес без малого в три раза меньше – 2,696 против 7,8 г/куб. см.
- Перерабатываемость вторичного алюминия, без потери материалом физических свойств, составляет почти 100%.
Если добавить к этому устойчивость к коррозии, то, казалось бы, вот он – идеальный металл, оптимально подходящий для нужд кузовостроения. Так почему же далеко не все автомобильные фирмы внедряют его в производство?
Нет, привлечённые полезными свойствами серебристого металла инженеры и технологи уже давно предпринимают попытки наладить выпуск кузовов из алюминия. В 1936 году, к примеру, публике была представлена модель спортивного авто Morgan 4/4.
Машина производилась с 1936 по 2019 год, а её кузовные панели были выполнены из алюминия. Знаменитая фирма Aston-Martin, прославившаяся своими спорткарами, тоже изготавливает автомобили с алюминиевыми кузовами.
Наконец, в модельном ряду компании Audi есть модель A8, кузов которой состоит из алюминия более чем на 60%.
Обратите внимание, что всё это – довольно дорогие автомобили. И существенный вклад в увеличение их стоимости приносит именно алюминий.
Стоимость 1 кг этого материала приблизительно в 4 раза выше, чем стоимость 1 кг стали. Да, он распространён, и добыть его относительно несложно. Но вот переработка… В настоящее время, для того чтобы изготовить 1 тонну стали, приходится, в зависимости технологии производства, тратить от 17 до 30 ГДж энергии. При получении такого же количества алюминия энергии расходуется значительно больше – 174 ГДж. А это деньги, и большие.
Но дело не только в цене. Есть ещё одна, причём весьма существенная проблема. Крылатый металл плохо обрабатывается гибкой и штамповкой. Если предел текучести самой плохонькой стали составляет 190 МПа, то алюминия – всего 30 МПа. И это значит, что при гибке и штамповке он трескается, лопается и рвётся.
А ещё при удаче штампа на поверхности алюминиевого листа образуются так называемые линии Чернова-Людерса. При упоминании в иностранных источниках имя и фамилия русского изобретателя и металлурга Дмитрия Константиновича Чернова, одним из первых описавшего это явление, чаще всего опускается. Зато немецкого физика и инженера Людерса вспомнить не забывают.
Строго говоря, линии Чернова-Людерса, при определённых условиях, образуются на всех обрабатываемых штамповкой металлах. Но чем ниже предел текучести материала, тем выше вероятность их появления.
Подобные дефекты существенно ухудшают декоративные качества готовых деталей. Если при штамповке кузовных деталей удаётся получить видовые поверхности класса B, то при использовании алюминия – только класса C. Чтобы замаскировать повреждения, приходится наносить толстый слой шпаклёвки.
Возможно, что некоторые читатели скажут: постойте, а как же алюминиевые кастрюли и сковородки? Ведь на них никаких линий нет!
И будут отчасти правы. Всё дело в том, что кастрюли и сковородки изготавливают, используя не штампы, а технологию центробежного литья. Для создания кузовных деталей сложной формы эта методика не подходит.
Обрабатывая капризный материал вручную, этих проблем, хотя бы частично, можно избежать. Однако для этого приходится привлекать к работе опытных мастеров, знакомых со всеми тонкостями доверенного им дела. Это приводит к существенному снижению темпов производства и увеличению себестоимости конечного продукта. Не случайно цены на модели Астон-Мартин начинаются с 250 тыс. долларов.
Однако инженерная мысль не стоит на месте. И сегодня на предприятиях всё активнее используется технология гидроформования. Что это такое, постараюсь объяснить на примере показанной на рисунке №1 детали, изготовленной таким способом из металлической трубы.
Упрощённая схема простейшего штампа для изготовления деталей из стального листа показана на рисунке №2.
Устройство состоит из двух частей:
- Матрицы. Это изготовленное из прочного материала и, чаще всего, неподвижное основание, в котором выполнены полости, повторяющие форму будущей детали.
- Пуансона. Это ответная часть штампа, выпуклости которого повторяют форму полости.
Между этими частями помещают металлический лист 3, после чего перемещают пуансон в направлении матрицы, создавая давление, и заставляя обрабатываемый материал принимать необходимую форму.
При гидроформовании привычная матрица остаётся, но роль пуансона играет подаваемая под давлением жидкость. Выступающая в качестве рабочего тела, она может непосредственно контактировать с материалом или помещаться внутрь герметичной и пластичной оболочки. В случае с показанной на рисунке №1 деталью, в заранее подготовленную форму помещается трубчатая заготовка. Подобная методика позволяет плавно увеличивать усилие, распределяя нагрузку одновременно по всей площади листа, и линии Чернова-Людерса не образуются.
Такая технология применяется не только в автомобилестроении. Её с успехом используют при производстве велосипедных рам, сокращая количество точек сварки, и получая лёгкие и прочные трубчатые конструкции переменного сечения (рисунок №3).
Однако у гидроформования есть определённые ограничения. Нельзя допускать образования слишком малых радиусов штамповки и гибки. Следует стараться, чтобы сопряжения элементов были плавными. Это приходится учитывать при разработке создаваемых изделий, в том числе и автомобилей.
Некоторые изменения в дизайне кузовов произошли именно под влиянием новой технологии.
Избавившись от линий Чернова-Людерса, технологи получили возможность изготавливать видовые поверхности класса B, но высокая стоимость крылатого металла так никуда и не делась. Поэтому в больших количествах – по крайней мере, пока – его используют лишь для производства кузовов дорогих машин. Вот такая она, алюминиевая реальность современного автомобилестроения. На сегодня всё. Надеюсь, ознакомившись с материалом статьи, одни читатели узнали для себя что-то новое, а другие восполнили имеющиеся информационные пробелы.