STRUKTURÁLNÍ ODLITKY
B . B r y k s í St u n o v á
L i t é s t r u k t u r n í d í l y – ko n s t r u kč n í, m e t a l u r g i c ké a t e c h n o l o g i c ké a s p e k t y v ý r o b y
Lité strukturní díly – konstrukční, metalurgické a technologické aspekty výroby Cast structural parts— structural, metallurgical and technological aspects of manufacture 621.74.043.2 : 629.113.002.2 die casting— car manufacture
The pressure to reduce the weight of a car, not only in terms of reducing emissions in cars with internal combustion engines but with the development of hybrid cars and elec tric cars, forces the suppliers and manufac turers to look for innovative ways. Only the development of new foundr y materials and the master y of metallurgical and technological processes of high pressure die casting have allowed the penetration of castings into the field of car struc ture, which was originally the domain of wrought steel par t s.
Ú vo d Struktura automobilů (a podobných konstrukčních celků) byla historicky doménou tvářených dílů, charakteristicky lisovaných profilů z ocelových (nebo v menším měřítku hliníkových) plechů a jejich svařování do sestavy (obr. 1). Jednalo se o oblast materiálově a technologicky velmi vzdálenou slévárenským procesům. Důvody byly zřejmé: – konstrukce: charakter dílů – jejich tenkostěnnost, plošnost a celkové rozměry – neodpovídaly dřívějšímu pojetí a možnostem tlakového lití, resp. díly byly ideově konstruovány jako výlisky; – materiál: nesrovnatelné hodnoty materiálových charakteristik tvářených ocelí nebo tvářených slitin hliníku a slévárenských slitin, zejména z pohledu pevnosti a tažnosti; – technologie: technologie tváření dává dobrou vnitřní kvalitu tvářeného materiálu, zatímco běžně dosažitelná kvalita tlakových odlitků (zejména u charakterově blízkých odlitků) nebyla odpovídající; technologie tváření plně odpovídala požadavkům. Tlak na snižování hmotnosti automobilu nejen v souvislosti se snižováním emisí u automobilů se spalovacími motory, ale i s rozvojem hybridních aut a elektromobilů však nutí výrobce hledat inovativní cesty. Teprve vývoj nových slévárenských materiálů a zvládnutí metalurgických a technologických procesů umožnilo proniknutí odlitků do této oblasti i přesto, že nároky na vlastnosti těchto dílů rostou. Zprvu (cca 10 až 20 let nazpět) se pro tyto aplikace uplatňovaly zejména slitiny hořčíku (obr. 2). Pochopitelně nešlo o díly běžné sériové produkce, jednalo se spíš o speciály, závodní automobily a podobně. Bezpečnostně-hygienické problémy související s výrobou hořčíkových dílů, včetně problematické recyklace, však neumožnily proniknutí hořčíku do výroby sériových řad automobilů (snad až na výjimky, zejména v oblasti bloků motorů – BMW, Audi, VW atd.) a hořčík tak dodnes zůstává doménou spíše drahých či speciálních aut (BMW, GM, Honda, Jaguar, Jeep, Land Rover, Mercedes, Dodge, Ford (obr. 2 a 3), GM (obr. 4, 5 a 6) atd.). Časem nastoupily speciální slitiny hliníku a s nimi revoluce v této oblasti. St r u k t u r n í d í l y
Ing. Barbora Bryksí Stunová, Ph.D. barbora.stunova@fs.cvut.cz ČV U T v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojíren ské technologie, skupina slévání The Czech Te c h n i c a l U n i v e r s i t y i n P r a g u e , Fa c u l t y of Mechanical Engineering, Department o f M a n u f a c t u r i n g Te c h n o l o g y, t h e G r o u p o f F o u n d r y Te c h n o l o g y
218
S l é vá re ns t v í . L X V . č e r v e n e c– s r p e n 2017 . 7– 8
Automobilové strukturní díly (často se také užívá pojem strukturální, který vyplývá z anglického výrazu „structural“, oba jsou možné) jsou díly, které buď/a/nebo: nesou hmotnost automobilu, absorbují rázy od nerovností vozovky, absorbují a přenášejí energii nárazu, jsou součástí ochrany pasažérů při nárazu, určují tvar karoserie, drží motor apod., tzn. mají klíčovou roli v provozu automobilu a bezpečnosti pasažérů (obr. 7). Jedná se zejména o díly karoserie a podvozku, příčníky, držáky motoru, deformační zóny a převodníky energie, platformy montáže jednotek řízení a náprav, závěsy, výztuhy nárazníků, rámy sedadel apod. (obr. 3). Největší rozmach v současnosti zaznamenávají právě lité díly karoserie (obr. 2, 5, 6, 8 a 9). Tyto díly se dělí dle charakteru aplikace na díly deformační, kde je sledována zejména tažnost, díly pevnostní a díly s vysokou pevností, kde je rozhodující mez kluzu a mez pevnosti v tahu. Charakterem se v naprosté většině jedná o díly plošné s malou tloušťkou stěny (cca 2–2,5 mm), výjimečně i větší. Strukturní díly bývají často maximálně odlehčené při maximální tuhosti, tedy žebrované do značných hloubek. Charakteristická plošnost dílů se odráží v procesu výroby už v konstrukci nástroje (specifický přístup, předdeformace),