UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRASOV FACULATATEA DE INGINERIE MECANICA AUTOVEHICULUL ŞI MEDIUL
- REFERAT-
Disciplina: TEHNOLOGII NOI PENTRU FABRICAREA AUTOVEHICULELOR Tema:
TEHNOLOGII DE ASAMBLARE A CAROSERIILOR AUTOVEHICULELOR
Îndrumător: Prof.dr.ing. Anghel CHIRU
Student: MÎRZEA VASILE Grupa MR562
-1-
-2-
Cuprins: I.
INTRODUCERE ........................................................................................................... 5
II.
DESCRIEREA PROCESELOR TEHNOLOGICE ......................................................... 5 1.
Sudarea prin puncte.................................................................................................. 6
2.
Sudarea în mediu protector .................................................................................... 11
3.
Sudarea cu laser..................................................................................................... 14
4.
Asamblarea cu îmbinare prin întrepătrundere......................................................... 18
III.
PARTICULARITĂŢI ALE ASAMBLĂRII CAROSERIILOR ...................................... 20
IV.
BIBLIOGRAFIE....................................................................................................... 22
-3-
-4-
I.
INTRODUCERE Caroseria reprezintă o structură din tablă, armată prin incorporarea unui schelet
metalic, a cărei rigiditate depinde de rigiditatea infrastructurii. Indiferent de structura adoptată, scopul dorit este acelasi: obţinerea unui ansamblu sasiu – caroserie cu rigiditate cat mai mare la încovoiere si torsiune, la o greutate cat mai mică. De cele mai multe ori, caroseria, chiar dacă este distinctă de sasiu, contribuie la mărirea rigidităţii acestuia. In unele cazuri, pentru a se micşora masa autovehiculului, tabla de oţel este inlocuită cu tabla de aluminiu, dar fabricarea este mai complicată. Ambutisarea cere condiţii particulare, sudarea pune probleme deosebite in ceea ce priveşte decaparea, asamblarea celor două piese si a montajelor mult mai complicate. De asemenea, unele suduri nu se pot executa decat in atmosferă protectoare de argon. Se utilizează, de asemenea si materialele plastice, pe bază de răşini sintetice din grupa poliesterului (vibrin), care sunt impregnate pe fire de cânepă, de nailon sau fibre de sticlă. Se obţin astfel un fel de plăci numite fiberglass, texiglass, plastic stratificat, realizate din straturi succesive pe un tipar. Aceste materiale nu se pretează la producţia de serie, datorită tehnologiei necesare. Caroseriile astfel obţinute sunt foarte uşoare, inoxidabile si insonore, dar au o rezistenţă mai mică la soc, necesitând o infrastructură distinctă, care să preia toate eforturile de torsiune si încovoiere. Modulul de elasticitate scăzut al materialelor plastice, precum si dificultăţile de asamblare cu piesele metalice fac ca acestea să nu fie foarte utilizate la realizarea caroseriilor autoportante ale autovehiculelor. Pentru a se obţine o rezistenţă egală, de obicei masa de materiale plastice trebuie să fie de trei ori mai mare in raport cu cea a tablei de oţel, ceea ce reduce pierderea in greutate, dacă nu se renunţă la criteriul rezistenţei structurii.
II.
DESCRIEREA PROCESELOR TEHNOLOGICE Asamblarea elementelor caroseriilor automobilelor se realizează prin: -
sudură prin puncte, cu proeminenţe;
-
sudură in mediu protector [MIG, MAG, WIG);
-
sudură cu laser;
-
bolţuri sudate;
-
nituire;
-
nituire prin stanţare;
-
îmbinare prin întrepătrundere;
-
lipire; -5-
-
îmbinări cu şuruburi;
-
îmbinări combinate
Figura 1 Procedee de îmbinare a caroseriilor 1 – sudură prin puncte; 2 – sudură în mediu protector (MIG, MAG, WIG); 3 –îmbinări cu bolţuri sudate; 4 – îmbinări cu nituri; 5 – îmbinări cu suruburi; 6 – sudură cu laser; 7 – îmbinări prin lipire; 8 – nituire prin stanţare; 9 – îmbinări prin întrepătrundere; 10 – îmbinări combinate.
1. Sudarea prin puncte a) Prezentare generala a procedeului de sudare
-6-
Acest procedeu de sudura este folosit într-o gamă largă de industrii, dar în special pentru asamblarea tablelor de otel de la caroseriile vehiculelor. La inceput sudura in puncte s-a folosit pentru imbinarea pieselor cu grosimi de pana la 3mm. Grosimea pieselor care urmează să fie sudate trebuie să fie egală. Rezistenta depinde de numărul punctelor de sudura şi de dimensiunea acestora. Sudarea in puncte este un procedeu de imbinare de rezistenta, a doua sau mai multe table de metal, fara sa se foloseasca material de adaos, ci doar aplicarea de forta si degajare de caldura in zona de sudat. Procedeul este utilizat pentru imbinarea tablelor de otel şi se folosesc electrozi din aliaje de cupru pentru aplicarea de forta si transmiterea curentului electric. La toate procedeele de sudura de rezistenta, piesele sunt încălzite la nivel local. Materialul dintre electrozi se topeste si are loc imbinarea. Dupa intreruperea curentului de sudura materialele se solidifica realizandu-se punctul de sudura.
Figura 2: Schema de principiu a procedeului de sudare prin rezistenta electrica in puncte: 1 – componente de sudat; 2 – electrozi de contact; 3 – sursa de sudare; 4 – punct de sudura; 5 – zona de influenta termica (ZIT)
Pentru a se crea căldură, prin electrozii de cupru trece un curent electric spre piesele de sudat. Căldura generată depinde de rezistenţa electrică şi conductivitatea termică a metalului, precum şi de intervalul de timp in care este aplicat curentul. Se foloseste cuprul pentru realizarea electrozilor, deoarece are o rezistenţă scăzută şi conductivitate termică ridicată în comparaţie cu majoritatea metalelor. Acest lucru permite dezvoltarea caldurii intre tablele ce urmeaza a fi sudate, situate intre cei doi electrozi. Materiale ce pot fi sudate in puncte: oteluri cu continut scazut de carbon, aluminiu. Otelurile galvanizate(oteluri tratate la suprafata cu un strat de zinc pentru prevenirea
-7-
coroziunii) necesita o atentie deosebita. Stratul de zinc trebuie topit inainte de imbinarea straturilor de otel. Zincul are punctul de topire mai scazut decat al otelului.
Figura 3: Formarea sudării: A – zona nucleului topit, B,C-zone puternic incalzite
Indiferent de modul de prelucrare, suprafetele metalice ale componentelor nu sunt perfect plane, ci prezinta o anumita rugozitate, aspectul a doua suprafete metalice in contact la o scara marita fiind prezentat in fig. 4.a. Pe langa micro-neregularitati, suprafata metalica poate fi acoperita cu straturi de oxizi, impuritati, grasimi, care ingreuneaza procesul de sudare (fig. 4.b), indepartarea totala a acestora fiind dificil de realizat practic.
a.
b. Fig.4. Zona de contact intre componente:
a) aspectul celor doua suprafete aflate in contact; b) structura stratului metalic in zona suprafetei.
Ca urmare, rezistenta de contact intre componentele de sudat este mult mai mare decat cea intre componente si electrozii de cupru, ceea ce favorizeaza concentrarea liniilor de curent in interfata dintre componente si permite sudarea. Ca urmare a efectului Joule Lenz, masa de metal dintre electrozii de contact se comporta ca o rezistenta electrica si se incalzeste. In prima faza, incalzirea se va produce in zona de contact dintre componente, unde rezistenta opusa la trecerea curentului este mai mare (fig. 5). Sub actiunea fortei de -8-
strangere, piesele vin in contact tot mai apropiat si se produce incalzirea intregii coloane de metal.
Fig. 5. Rezistentele de contact intre elementele sistemului de sudare (R’c - Rezistenta de contact electrod - piesa; Rc - Rezistenta de contact dintre piese; Rp - Rezistenta proprie a componentelor (coloanei de metal strabatuta de curentul electric de sudare Is); a) distribuita ideala a liniilor de curent, b) distributia reala a liniilor de curent.
b) Parametrii regimului de sudare Fazele procesului de sudare prin rezistenta electrica in puncte sunt prezentate in fig. 6.
Fig. 6. Fazele procesului de sudare in puncte: a) introducerea componentelor; b) coborarea electrodului superior; c) sudare; d) mentinerea fortei de apasare; e) ridicarea electrodului.
-9-
Se observa faptul ca valoarea fortei de strangere se pastreaza pe perioada sudarii si dupa incheierea timpului de trecere a curentului, astfel incat sa se produca deformarea plastica la cald (forjarea) a nucleului de metal topit. Fazele procesului de sudare prin rezistenŢă, pentru crearea unui punct, sunt următoarele: -
presarea iniţială a electrozilor, pe tablele ce trebuie imbinate, cu o presiune
de 5,5 ... 7,0 MPa; -
sudarea propriu-zisă;
-
răcirea pieselor si solidificarea zonei topite;
-
deschiderea electrozilor;
-
revenirea sculei in poziţia iniţială;
-
răcirea electrozilor.
Executarea unui punct de sudură durează 0,3 ... 0,4 secunde. Clestele de sudare trebuie să parcurgă, pentru a realiza imbinarea prin puncte a tablelor, următoarele etape: poziţionarea capetelor active ale electrozilor in dreptul punctului de sudură, cu axa pe direcţia normală la suprafaŢa pieselor care urmează să fie imbinate; -
efectuarea sudurii;
-
deplasarea in punctul de sudură următor;
-
procesul continuă pană se execută toate punctele de sudură din grupul
curent. Clestii pentru sudura prin puncte au puterea nominala de 6 - 65 kVA, curentul in secundar la scurtcircuit de 8 - 35 kA, asigură o forţă de strangere intre electrozi de 20 730 daN si permit sudarea tablelor cu grosimea cuprinsă intre 0,5 si 4 mm. În funcţie de tipul producţiei si de nivelul de dotare tehnică, manipularea clestilor de sudură se poate face manual sau cu ajutorul roboţilor In general exista doua tipuri de regimuri de sudare: regimuri dure, care se aplica pentru aliaje de aluminiu, oteluri inoxidabile, aliaje neferoase (valori mari ale curentului de sudare, timpi de mentinere mari, forte de apasare mici) si regimuri moi care se aplica pentru oteluri nealiate sau slab aliate (curenti de sudare scazuti, timpi mari si forte de apasare mari). Pentru piesele de capotaj, precum si pentru cele cu gabarite mari, se folosesc masini de sudură prin puncte multiple (figura 7). Electrozii de sudură, realizaţi din cupru (CuTeP; CuCd1; CuAg6; CuCr; CuCrZr), au diferite forme si dimensiuni in funcţie de piesele ce urmează a fi asamblate, de materialul din care acestea sunt executate si de mărimea efortului de strangere. Duritatea materialului din care sunt realizaţi electrozii este - 10 -
de 80-160 HB. Circuitul de apă asigură răcirea electrozilor astfel incat temperatura maximă a acestora să nu depăsească 200 - 475 °C.
Figura 6- Masină de sudură prin puncte multiple: 1 – pârghie de comandă; 2 – timonerie de acţionare a electrodului mobil; 3 – ecartamentul electrozilor; 4 – transformator de sudură; 5 – circuitul de răcire; 6 – racorduri pentru instalaţa de răcire; 7 – carcasa masinii.
Sudura prin puncte este proprie asamblării elementelor de capotaj si caroseriei. Caracteristica ei esenţială este aceea că se realizează fără material de aport cu o cadenţă de 30 - 90 puncte de sudură pe minut.
2. Sudarea în mediu protector Sudarea prin topire in mediu de gaz protector se realizează prin protejarea arcului electric cu un gaz inert (Ar sau He) sau activ (CO2, CO2 si Ar, Ar si O2, H2, H2 si Ar), care impiedică accesul in baia de metal topit a oxigenului si a azotului din aer. In construcţia caroseriilor si cabinelor se utilizează sudarea MAG. Materialul de adaos pentru procedeele MIG/MAG se prezintă sub formă de sarmă, in bobine, cuprată la exterior. Productivitatea procedeului MAG este de 3 - 4 ori mai mare ca a sudurii cu electrozi clasici, pentru un cost cu 35 - 65% mai redus si o calitate superioară a cordonului - 11 -
de sudură. Sudarea in mediu protector se aplică la imbinările lonjeroanelor, traverselor si altor elemente de caroserie. Traiectoria realizată de electrodul de sudură rezultă din compunerea miscării de translaţie, in lungul rostului de sudare, cu una oscilatorie, intr-un plan perpendicular pe primul, figura 7
Figura 7 Traiectoria arcului de sudură: a – start; b – punctul programat; c – axa cusăturii; d – direcţie intermediară; e – cordon de sudură; f – rădăcina sudurii; h – traseul cursei paralele; i – straturi de material depuse prin oscilarea electrodului; k – trasee paralele ale electrodului.
Incepand cu anul 1969 pe liniile de montaj a caroseriilor au fost introdusi roboţi industriali de sudură, figura 8. Ei au permis realizarea rapidă a celulelor si sistemelor flexibile de fabricaţie. Extinderea sistemelor flexibile de fabricaţie a cabinelor si caroseriilor este determinată de necesitatea: -
reducerii costurilor de fabricaţie;
-
cresterii productivităţii liniilor de montaj;
-
asigurării rapide a integrării noilor tehnologii;
-
păstrării stabilităŢii procesului tehnologic de fabricare.
- 12 -
Figura 8 Robot industrial pentru sudură MIG (MAG); 1 – manipulator; 2 – aparat de comandă si control; 3 – pupitru tehnic; 4 – pupitru comandă pornit/oprit; 5 –cablu; 6 –interfaţă; 7 – generator sudură; 8 – cablu; 9 – rolă cu sârma de sudură; 10 – sistem de conducere a sârmei; 11 – cablu coaxial; 12 – aparat de sudură cu O2 si senzor; 13 – dispozitiv de prindere a capului sudură; 14 – manometre; 15 – furtunuri pentru gaze si conductori electrici; 16 – suport pupitru.
- 13 -
3. Sudarea cu laser Tehnologiile de prelucrare cu laser oferă soluţii avantajoase la execuţia pieselor de precizie ridicată, cu rezistenţe mecanice superioare, in condiţiile diminuării timpului de lucru, eliminării deformaţiilor si tensiunilor termice care ar putea apare in urma uzinării. Ele asigură realizarea reperelor de configuraţie complexă, in spaţii care nu necesită atmosfere controlate (se pot fabrica si piese aflate in incinte transparente), pe instalaţii automatizate sau robotizate comandate de computere. Laserii de mare putere si-au găsit utilizări in domeniile tratamentelor termice, alierilor de suprafaţă, sudurii, debitării si găuririi. Sudarea prin topire este un domeniu in care laserul si-a găsit aplicaţii multiple. Posibilitatea concentrării fasciculului laser pe suprafeţe reduse asigură realizarea unor densităţi de putere, de peste 1000 de ori, mai mari ca la procedeele convenţionale, (figura 9). Datorită progreselor tehnologice inregistrate in tehnica laserilor, mai mult de 100 de echipamente sunt folosite la tratamente termice, sudări, găuriri, debitări si control in uzinele de producţie ale firmei General Motors.
Figura 9 Densitatea de putere la sudarea cu diverse procedee
- 14 -
Pentru realizarea asamblărilor sudate, durata de acţiune a radiaţiei laser se alege astfel incat penetrarea frontului de topire in material să se producă inaintea evaporării statului superficial al acestuia. Prin acest procedeu se pot asambla piese din materiale cu puncte de fuziune diferite (oţel - aluminiu, oţel - cupru, oţel - bronz, aluminiu - aluminiu), cu viteze de sudare foarte mari (120...140 m/min) si penetrare profundă (raportul adancime/lăţime cordon = 10...15/1), obţinandu-se imbinări cu rezistenţe mecanice superioare celor executate prin metode clasice. Deoarece durata de execuţie a sudurii este foarte mică, zona de influenţă termică este minimă. Sudarea cu laser poate profita de avantajele ordinatoarelor, care permit efectuarea unui control automat al tuturor parametrilor de lucru, la intervale mai mici de 20 ms, inregistrarea lor si semnalizarea abaterilor faţă de situaţia normală, precum si verificarea vitezei de deplasare a piesei si sculei, figura 10. Posibilitatea de deplasare, cu viteza luminii, a fasciculului de laser de la un punct la altul, situate la distanţe apreciabile, conferă acestui procedeu de sudare o mare flexibilitate la producţia de serie.
Figura 10- Sistem de sudare cu Laser cu comandă electronică; 1 – circuit de apă de răcire; 2 – laser; 3 – fascicul laser; 4 – robot; 5 – rezervor de CO2; 6 – butelie cu gaz de protecţie a cordonului de sudură; 7 – piesa de prelucrat; 8 – modulul electronic de comandă; 9 – sursa de alimentare cu energie electrică; 10 – instalaţie de condiţionare a aerului.
De-a lungul anilor, Grupul BMW şi-a bazat activitatea de sudare pe aplicaţiile dezvoltate de producătorul german de sisteme de sudare DINSE GmbH, iar acum, utilizând sistemul PUSH-PUSH realizat de către Dinse, BMW obţine cordoane de sudură - 15 -
de cea mai bună calitate şi reproductibilitate, concomitent cu o excelentă fiabilitate a sistemului (figura 11).
Figura 11 Ansamblu sudare laser cu material de adaos compus din: cap sudare laser şi sistem PUSH-PUSH pentru avansul sârmei.
În fabrica BMW Dingolfing, circa 1.500 de vehicule ies zilnic de pe linia de producţie. Nu mai puţin de 6.000 de componente, cum ar fi uşile şi haioanele din aluminiu, sunt realizate pentru aceste vehicule, în fiecare zi, pe parcursul a trei schimburi. În cazul fiecărui vehicul, sunt realizate până la 55 de cordoane de sudură doar pentru uşi şi haioane/trape. În funcţie de linia de fabricaţie, producătorul de autoturisme se aşteaptă, în general la o lungime totală a cordoanelor de sudură între 6,6 şi 16,2 metri pentru fiecare vehicul (figura 12).
Figura 12: Secţiunea interioară a unei uşi laterale de BMW. Uşa este realizată în totalitate din aluminiu.
- 16 -
Designul de bază al acestui sistem de alimentare cu sârmă de adaos este unul modular, care permite alimentarea cu sârmă de adaos folosind una sau mai multe unităţi de antrenare, în funcţie de aplicaţie. Materialul de adaos este furnizat din butoaie sau containere de sârmă, care, din cauza dimensiunilor şi greutăţii, nu pot fi amplasate în imediata vecinătate a sistemului optic de transmisie a radiaţiei laser. Din acest motiv este necesar un sistem special de transport pentru sârma de aluminiu, pe distanţe lungi, până la zonele de îmbinare şi cu o precizie perfectă. Pentru a satisface aceste condiţii, DINSE a realizat un sistem de avans sârmă ce constă din două unităţi de antrenare care lucrează total independent, având liniile de control complet separate. Unitatea de acţionare de la partea frontală – LK 60, din imediata apropiere a sistemului optic de transmisie, controlează viteza selectată de avans a sârmei şi este responsabilă de controlul procesului, operând drept MASTER. Unitatea de acţionare de la partea din spate, instalată în interiorul derulatorului de sârmă – WD 300, operează drept SLAVE având cuplul controlat în scopul limitării forţei de avans şi are rolul de a împinge sârma cu forţa setată, către unitatea frontală, umplând tubul de ghidare. Sârma va forma un buffer în interiorul tubului de ghidare, iar unitatea frontală LK 60 o va împinge înainte, aproape fără niciun fel de rezistenţă (figura 13).
Figura 13: Sistemul de avans al sârmei produs de către DINSE GmbH, constând din: unitatea de control, derulatorul de sârmă WD 300, unitatea frontală de antrenare LK60, senzorul DLS 200 pentru alimentarea cu sârmă şi componentele de ghidare a sârmei.
Un proces de îmbinare rapid şi foarte precis, aşa cum este cazul sudării respectiv brazării laser, necesită din partea tuturor partenerilor de sistem, asigurarea unei precizii şi fiabilităti ridicate. Performanţa sistemului de avans al sârmei de adaos este de asemenea, influenţată şi de tehnologia de control utilizată. Un senzor digital pentru avansul sârmei – - 17 -
DLS 200, instalat local, în aval faţă de unitatea frontală de antrenare, capturează datele în scopul realizării unei complexe monitorizări a procesului (figura 14).
Figura 14: Schema unui sistem complet pentru sudare/brazare laser cu material de adaos.
4. Asamblarea cu îmbinare prin întrepătrundere Imbinările prin intrepătrundere se impart in procedee cu unelte cu pregătire prin tăiere parţială locală, care lucrează in una sau mai multe trepte si in procedeu cu unelte cu matriţă, care se poate deschide si inchide, fără pregătire prin tăiere parţială locală, (figura 15).
Figura 15- Tipuri de îmbinări prin întrepătrundere
- 18 -
c) Îmbinări prin întrepătrunderea cu pregătire prin tăiere parţială locală Prin aceste imbinări se realizează, in urma unui proces combinat de tăiere cu forfecare, imbinarea si presarea la rece, o legătură, care nu se poate demonta. Domeniul imbinării este delimitat de intrepătrunderea si tăierea in material. Materialul, care este impins din planul tablei in afară, este astfel presat incat prin lăţire se realizează o legătură cvasiformă. d) Îmbinări prin întrepătrundere fără pregătire prin tăiere parţială La aceste imbinări, elementul de imbinare este realizat ca la imbinările precedente, intr-un proces de lucru neintrerupt. Diferenţa dintre cele două tipuri de imbinări este dată de forma geometrică a poansonului si matriţei. Elementele de imbinare, care sunt realizate la această variantă, sunt rotunde si pot transmite eforturile de strangere in toate direcţiile. Din motive de geometrie, ele au siguranţa la rotire proporţională cu forţa de strangere atinsă. Imbinările prin intrepătrundere fără pregătire prin tăiere parţială se impart in procese cu matriţă inchisă si deschisă. Principiul de imbinare cu matriţa inchisă este o combinaţie a tragerii in adancime cu presarea in timpul curgerii materialului. Normele nu prevăd pentru acest proces un gen proxim propriu si este denumit, din acest motiv, imbinarea "TOX". In prezent se folosesc numai elemente rotunde de imbinare prin intrepătrundere, fără pregătire prin tăiere parţială, după principiul TOX. Imbinarea TOX se realizează in 5 faze caracteristice, (figura 16)
Figura 16- Fazele caracteristice ale procesului TOX
- 19 -
Figura 17- Capota portbagajului, balamaua, întăritura încuietoarei si suportul triunghiului reflectorizant asamblate cu nituri prin întrepătrundere TOX
III.
PARTICULARITĂŢI ALE ASAMBLĂRII CAROSERIILOR Producătorii de automobile consideră in prezent că este necesar să se conteze
mai puţin pe echipamentul specializat de asamblare a caroseriilor si mai mult pe o automatizare flexibilă integrată in sistemul general CAD – CAM - CAO. Incepand cu anul 1969 au fost folosiţi pe liniile de montaj primii roboţi industriali (RI) pentru sudarea si vopsirea caroseriilor de automobile. Figura 18 Robot industrial
- 20 -
Figura 19 Linie robotizată de asamblare a pereŃilor laterali; 1 – alimentare manuală; 2 – post de sudură cu CO2; 3 – post de descărcare automat; 4 – alimentare automată; 5 – post descărcare; 6 – ramă pentru prindere si mutare ; 7 – conveior electric aerian
- 21 -
IV.
BIBLIOGRAFIE 1.
Preda, I., Ingineria asistată pentru autovehicule, Editura Universităţii Transilvania, Brasov, 1998
2.
http://e-sudura.ro/blog/sudura-in-puncte/
3.
http://www.creeaza.com/tehnologie/tehnica-mecanica/PROCEDEUL-DESUDARE-PRIN-REZIS481.php
4.
http://www.ttonline.ro/sectiuni/sudura/articole/1003-tehnologii-de-sudarefoarte-precise-cu-un-grad-ridicat-de-reproductibilitate
- 22 -