住友重机械工业的车体成型系统,制造高强度高刚性轻量化的钢车身

2016-08-110阅读0

  住友重机械工业开发出了可大幅减轻汽车钢制车体的STAF(Steel Tube Air Forming)成型系统(图1)。将钢管装入冲压机的模具后,按照通电加热、高压空气注入、成型、淬火的顺序来加工,由此可高精度成型带凸缘的连续异形封闭截面的构件。

  

图1:可制造高强度的带凸缘的成型品。

  (a)为落差凸缘,壁厚为1.2mm。(b)为单凸缘,壁厚为1.2mm。在用于后车顶纵梁等部分时,只需单凸缘即可。

  由铝合金及CFRP(碳纤维增强树脂基复合材料)制造的车体已开始普及。但这种车体价格较高,目前占多数的依然是钢制车体。在钢制车体方面,可提高强度及刚性并实现轻量化的制造方法有热冲压和液压成型,但这两种方法各有利弊。

  热冲压通过将加热的钢板冲压成型后使之急速冷却来实现比普通冷冲压更高的强度(图2)。但这种方法由于是利用板材来制造,因此要想形成封闭截面,必须要将两块板材接合成“馅饼状”。截面形状与冷冲压一样,壁厚相同但刚性不变。

  

图2:各制造方法的定位

  STAF与液压成型相比强度更高,与热冲压相比刚性更高。

  液压成型是在模具内向钢管注入高压水来成型。由于没有相当于“为抹浆糊而留出的部分”,也就是用于在钢板之间接合的凸缘,因此可在相同的空间条件下加粗中空的构件,使刚性得到提高。不过,这种方法因为使用水的缘故,所以仍属于冷冲压的一种,这一点并未改变,因此强度无法得到提高。而且,没有凸缘反而成为了一项弱点,很难与其他部件焊接。有时还需要在后来特意焊接凸缘。

  “热冲压在强度上占优”,“液压成型在刚性上占优”。而STAF工艺兼具这两种工艺的优点。

  直接向钢管通电

  具体操作时首先将钢管装到模具中,固定到位于模具外侧的电极上。其间利用像模具一样分成上下两部分的电极将钢管夹住,向工件的长度方向通过电流(图3(a))。这时工件与模具隔开细微距离进入漂浮状态,因此电流不会进入模具。

  

图3:STAF的工序

  (a)将钢管装入模具,通过电极从上下夹住通过电流,加热至900℃前后。电极在该图中省略,位于前面和里侧。(b)在中途锁紧模具,供给高压空气后,工件材料向外溢出。(c)完全锁闭模具,挤掉溢出的部分。

  电流因工件截面面积及电极间隔而异,就此次试制的工件而言为8500A左右。通电10秒进行加热后达到900℃左右。与以往利用加热炉加热的方式相比,可大幅减少耗电。

  接着在中途锁紧模具,从内侧供给高压空气(图3(b))。由于模具为半开状态,因此材料会向左右空间溢出。不需要凸缘的地方通过改变模具的形状来防止材料溢出。

  然后进一步锁闭模具,供给高压空气实施吹塑成型,使工件与模具内面紧贴。空气由压力为30MPa的气罐供给,加工时的压力达到20~25MPa。材料随着与模具紧贴被急速冷却淬火,最终形成拉伸强度与热冲压相当的1500MPa级的构件(图3(c))。

  从用途来看,预计可用于前柱以及车顶前后左右纵梁、前纵梁及下边梁等车体构件(图4)。由于为中空状态,因此可用作构成车架的梁。与液压成型不同,可制造凸缘,所以可轻松接合周围的众多部件。

  

图4:可用于需要中空构造的多种部位

  除了单厢构造外,应用对象还瞄准空间梁架构造。可用于车顶纵梁、下边梁及车柱等。

  减重30%,材料成品率达到90%

  住友重机械估计,在相同强度下将汽车车体部件换成STAF部件后,与使用热冲压材料的以往构造相比可减轻约30%。另外,无需实施板材冲压加工所需要的冲裁及修边处理,只需在成型后切断端部即可,因此可使成品率提高至90%左右。

  STAF的设备很简单。用钢板热冲压制造封闭截面的部件时,必须要使用冲裁、加热、冲压、修整、焊接组装5台设备。而STAF在贴合模具实施弯曲等预成型处理后,同时进行加热和冲压,然后切断端部,因此只需3台设备即可(图5)。

  

图5:所需设备

  以事先弯曲钢管的预成型冲压机、STAF用伺服冲压机及激光切割机为主要设备来配置搬运用机器人。此外还需要高压气体供给装置等。

  今后,住友重机械工业还将开发可按照各个部位来控制980~1500MPa拉伸强度的局部淬火技术,以及以壁厚不同的钢管为材料的差厚成型技术。该公司已开始瞄准在车体部件上的应用与大厂商展开磋商。同时还开始向汽车部件厂商在内的客户提出解决方案,力争2017年度推出商品。(记者:浜田基彦)

  (全文完)