ГЛАВА 1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Подавляющее большинство легкосплавных дисков (примерно 95%) изготовляются методом литья. 1.1. Литые диски Главное достоинство этого метода заключается в высоком коэффициенте использования материала, что снижает себестоимость производства и является определяющим фактором при формировании цены. Легкость сплавов является основным их преимуществом, т. к. в этом случае снижается масса неподрессоренных частей автомобиля. Из-за этого при движении по неровностям дороги на кузов воздействуют меньшие ударные нагрузки, а значит, улучшается такое эксплуатационное свойство автомобиля, как плавность хода. При этом также улучшаются условия работы подвески: упругие и демпфирующие элементы воспринимают меньшие нагрузки, тем самым увеличивается срок их службы. Облегченные колеса быстрее восстанавливают контакт с поверхностью дороги при наезде на препятствие, что повышает устойчивость и управляемость автомобиля на больших скоростях. Уменьшение массы колеса положительно сказывается на динамике автомобиля, т. к. для разгона и торможения менее инерционного колеса требуется меньшее усилие, что в конечном итоге приводит к увеличению срока службы двигателя, трансмиссии и тормозной системы, а также к уменьшению расхода топлива. В общем, малый вес - серьезное преимущество литых алюминиевых дисков, но не единственное. Существенным плюсом таких дисков также является их привлекательная внешность и многообразие вариантов исполнения. Некоторые компании представляют сегодня на рынке более 100 дизайнов литых дисков для любого типа автомобилей. Существенным недостатком является получение отливки, металл которой обладает свободной ненаправленной кристаллической структурой, что снижает прочность диска. Поэтому для сохранения прочностных характеристик диска толщину его стенок приходится увеличивать. В связи с высокими требованиями к качеству продукции не все способы литья можно применять при производстве колесных дисков. Основными здесь являются способы литья под низким давлением или с противодавлением. Эти методы обеспечивают повышенные прочностные характеристики при изготовлении объемных тонкостенных деталей. Литой диск имеет зернистую внутреннюю структуру металла, и в этом его основной минус: при долгой езде по колдобинам в металле идет процесс накопления микротрещин (невидимых и потому опасных), которые рано или поздно проявят себя — от сильного удара диск может расколоться. Литой диск требует серьезной защиты поверхности, без этого он быстро покрывается белесой оксидной пленкой и теряет товарный вид.
1.2. Кованые диски При ковке достигается прочность выше, чем при литье, поскольку происходит измельчение зерен, их деформация и вытягивание в нужном направлении - в результате структура металла становиться волокнистой. За счет этого возможно уменьшение толщины стенок кованого диска примерно на 20% по сравнению с литым. Высокая прочность материала дисков обеспечивает им хорошие весовые характеристики: масса кованого диска на 30-50 % меньше массы стального и на 20-30 % аналогичного литого. Благодаря высокой пластичности такой диск не разрушается после сильного удара, а деформируется наподобие стального. Штампованные магниевые диски обладают хорошей коррозионной стойкостью, а алюминиевые и вовсе можно использовать без лакокрасочного покрытия. В общем, кованый диск вобрал в себя все преимущества литого и стального штампованного собратьев, при этом избавившись от их недостатков. Коррозионная стойкость кованого диска значительно выше, чем литого, а значит, ниже требования к защите поверхности. Если бы не высокая стоимость, обусловленная сложностью технологии, кованые диски, наверное, давно бы вытеснили все остальные - по большинству характеристик кованным нет равных.
Минусы кованых дисков:
Существенным недостатком является очень низкий коэффициент использования материала, составляющий 30-40%, что значительно увеличивает стоимость изделия.
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА
2.1. Литые диски
Легкосплавные литые диски и кованые диски изготавливаются целиком из единой заготовки. При этом литые диски вытачиваются непосредственно из отливки (изготавливают до 80% колес), а кованные диски - из предварительно прокованной заготовки (поковки), что обеспечивает им более высокую прочность. Технология изготовления литых дисков включает заливку расплавленного металла в форму, его остывание, последующее обтачивание посадочных поверхностей и сверление отверстий в полученной отливке. К числу недостатков литых колес относятся чрезмерно толстые стенки, как следствие больший вес, возможность наличия скрытых пор и раковин, недостаточную прочность (при ударе они деформируются и даже раскалываются) и сложность (часто невозможность) восстановления. Данная технология хорошо отработана, и, тем не менее, брак по литью составляет до 15%. Технология производства литых дисков Расплавленный сплав заливают в специальные формы, где он остывает, затем полученные заготовки проходят термическую обработку. Она включает нагрев отливки выше температуры фазового превращения (500-550 °С), выдержку при этой температуре с последующим достаточно быстрым охлаждением в водной среде. В результате закалки получают структурно неустойчивое состояние сплава. Для приближения сплава к структурному равновесию отливки проходят искусственный процесс старения, заключающийся в их нагреве ниже температуры фазового превращения (150-220 °С) и выдержке при этой температуре в течение некоторого времени (3-9 часов) с последующим охлаждением на воздухе. На следующем этапе производства отливки проходят механическую обработку, затем нанесение защитных покрытий. Прочность литейных сплавов, также как их пластичность, после такой обработки меньше, чем у обычной конструкционной стали. Причем, если прочность ниже на 30-40 %, то пластичность ниже в 4-5 раз.
Использование алюминия в производстве колесных дисков
В качестве конструкционных материалов при производстве литых дисков широко используются относительно дешевые сплавы на основе алюминия (обычно это легированные сплавы алюминия с кремнием). Алюминий является одним из наиболее легких конструкционных металлов, (его плотность составляет 2,7 г/см3), что в сочетании с высокой удельной прочностью его сплава, способствует снижению веса диска. В сравнении со стальными собратьями алюминиевые диски легче на 10 - 20%. Кроме того, диски из алюминиевых сплавов обеспечивают лучшее охлаждение тормозных механизмов за счет лучшего обдува и высокой теплопроводности материала, а способность алюминия образовывать на своей поверхности прочную оксидную пленку Al2O3 здорово защищает конструкционный сплав от возникновения коррозионных процессов и его разрушения. Но и это еще не все: высокая точность изготовления литых дисков позволяет лучше произвести балансировку колеса, что улучшает виброакустические характеристики автомобиля, а также способствует уменьшению износа подшипников ступиц, шарниров деталей подвески, рулевого привода и шин. Главным их недостатком является низкая пластичность, из-за чего при сильных ударных нагрузках на диск, последний трескается, в худшем случае может даже разрушиться. Отремонтировать же его с сохранением всех исходных характеристик не в заводских условиях практически невозможно.
Использование магния в производстве колесных дисков
Литые диски изготавливают и из магниевых сплавов (как правило, это легированные сплавы магния с алюминием). Магний является наиболее легким конструкционным металлом (его плотность составляет 1,7 г/см3). Сплавы на его основе обладают более высокой удельной прочностью, чем алюминиевые, что способствует дополнительному снижению веса диска. Поэтому для литых дисков, изготовленных из магниевых сплавов, характерны все преимущества алюминиевых собратьев, причем в большей степени. Однако литой магниевый диск, помимо низкой пластичности, имеет еще один серьезный недостаток - чрезвычайно низкую коррозионную стойкость, что вынуждает производителей использовать для защиты поверхности прочные многослойные покрытия. Во многом "благодаря" этому литые магниевые диски не получили широкого распространения и изготавливаются на сегодняшний день в ограниченных количествах.
2.2.Кованые диски Исходную заготовку разогревают до температуры, при которой сплав приобретает наиболее высокую пластичность (порядка 400-470 °С), затем разогретая чушка под действием пресса вминается в специальную форму, и на выходе получается некое подобие колеса - поковка. Изготовляемые таким методом диски могут проходить термическую обработку, а могут и не проходить. Все определяется составом сплава. Часто механические характеристики дисков, прошедших термическую обработку, и без таковой, изготовленные из разных сплавов, практически не отличаются. Если термическая обработка производится, то она включает закалку с последующим старением. После поковка отправляется на механическую обработку, затем осуществляется нанесение декоративных покрытий. Такая технология изготовления позволяет получить диски, материал которых имеет прочность, сопоставимую со сталью, и пластичность ниже всего на 20-30 %. При производстве кованых дисков широко применяются сплавы на основе алюминия и магния. Кованые диски не «куют», а штампуют из разогретых до 400 - 500 С заготовок, а потом их обрабатывают на станках. Этот метод ощутимо дороже предыдущего, поскольку часть материала неизбежно уходит в отходы. Зато при такой технологии металл приобретает жесткую волокнистую структуру, что позволяет сделать стенки на 20% тоньше, чем у литых дисков, а значит, и снизить вес. Ударившись о препятствие, кованый диск обычно не крошится, а сминается. Преимуществом штамповки является возможность согласования направления волокон металла с направлением главной нагрузки, что является важной предпосылкой для повышения предела усталости металла и надежности колеса. В зависимости от направления и величины нагрузки возможна оптимизация толщины профиля обода и диска, что позволяет снизить массу колеса (по сравнению с литым колесом). Ковка обеспечивает исключительно высокую прочность и жесткость конструкции. Кованые диски держат сильнейшие удары; в крайнем случае, они не лопаются, как литые диски, а гнутся без образования трещин, что, безусловно, безопаснее. Коррозионная стойкость кованого диска значительно выше, чем литого, а значит, ниже требования к защите поверхности. Колесо легкового автомобиля штампуют обычно за две операции на прессе усилием 4,5 МН. Затем раскатывают профиль обода. Окончательную обработку колеса осуществляют на токарном, фрезерном и сверлильном станках. Далее с помощью химического оксидирования “усиливают” имеющийся естественный окисный слой. Этим методом производят колеса автомобилей для бескамерных шин. Несмотря на хорошее качество, штампованные диски применяются только для спортивных и дорогих автомобилей из-за высоких затрат производства.
|
