14.11.2012
Формование из листа металла в автомобильной индустрии

Штамповка деталей автомобильного корпуса является одной из наиболее важных операций при выдавливании из листа металла. Антикоррозионное масло, используемое на прокатных станах, играет определенную роль в формовании из листа металла и представляет собой основную часть используемых смазочных материалов. Принципиальная схема преобразования листа металла в часть кузова представлена на рис. 1.

На каждой стадии нанесения масла на металлическую поверхность необходимо соблюдать совместимость процессов для обеспечения безотказности производства при минимальных затратах. Отдельные этапы производства подробно обсуждаются в специальных разделах ниже.

1. Предварительная смазка

Идея сочетания антикоррозионных свойств защитного масла со смазывающими способностями масла, используемого при операциях выдавливания, привела к разработке предварительной смазки. Предварительная смазка используется в США уже более 20 лет, а в Европе ее начали применять только в начале 90-х гг. Предварительная смазка на конечных стадиях прокатки металла служит смазкой для дальнейшей обработки металла формованием. Необходимым условием как для защитного масла, так и для предварительной смазки является их абсолютная совместимость со всеми процессами дальнейшей обработки металла от размотки ленты до готовых частей автомобильного кузова. Использование предварительной смазки на прокатных станах значительно снижает количество операций по смазке в штамповочном цехе. Если принцип совместимости соблюден по всей технологической линии, то предварительной смазкой можно ограничиться без использования каких-либо дополнительных операций смазывания. Таким образом, современная система предварительной смазки может быть модульной, если применяемые смазывающие вещества даже при различной вязкости вписываются в общую концепцию технологии, чем и достигается ее мультифункциональность.
   В соответствии со многими спецификациями масел для прокатных станов разработан общий стандарт Ассоциации германских производителей автомобилей ( VDA), в котором описаны все характерные требования, предъявляемые к многофункциональным смазочным материалам, их важнейшие свойства и все методы испытаний. Результаты, за исключением смазывающей способности, сравниваются со стандартным защитным маслом Anticorit RP 4107S. Согласно требованиям VDA смазывающее масло, используемое для предварительной смазки, должно быть тиксотропным для снижения утечки и применимым для нанесения спреем в электростатическом поле. Кроме того, это масло должно защищать металл от коррозии так же эффективно, как и стандартное. При смешении со стандартным маслом могут происходить осадкообразование и другие химические реакции. Масло, используемое для предварительной смазки, должно быть совместимо с красками, нанесенными методом катафореза, и клеями, применяемыми на монтажной линии. Очевидно, что такое масло должно легко удаляться промышленными моющими средствами в зоне предварительной подготовки к фосфатированию или при покраске в электростатическом поле.

2. Дрессировка полосы

Для обеспечения требуемого качества лист металла после окончательной шлифовки подвергают прокатке влажным методом. Обычно для холодной прокатки стали используются растворы на водной основе, а низковязкие масла — для оцинковки, включая методы горячей гальванопластики или электрогальванопластики. В результате увеличения использования листов стали с покрытием в последние годы совместимость масел, применяемых при дрессировке, стала важным фактором. Если масло, применяемое при дрессировке, не совместимо с применяемым на следующих стадиях антикоррозионным защитным маслом, масляная пленка будет быстро отставать, даже если покрытие нанесено ровно. Образование «сухих» мест может привести к задирам.

3. Нанесение масла на ленту металла

Необходимым условием использования масла на прокатных станах является возможность его легкого нанесения. В настоящее время самым удобным способом является нанесение масла спреем в электростатическом поле; при этом оптимальная температура составляет 50—60 °С, а напряжение зависит от применяемого оборудования и колеблется от 80 до 120 кВ. Масла с вязкостью 30—60 мм²/с при 40 °С легко наносятся спреем. При использовании тиксотропных масел необходимыми условиями являются полная растворимость при температуре нанесения спреем диспергированных в масле реагентов и небольшая толщина образуемой пленки. С другой стороны, масло должно очень хорошо фильтроваться в целях удаления всевозможных примесей для повторного использования.

4. Транспортировка и хранение листов металла

В целом смазка рулонов и пакетов листового металла на прокатных станах производится для защиты от коррозии при дальнейшей транспортировке и хранении. Для длительной защиты от коррозии используют специальные ингибиторы, но образуемый ими адсорбционный слой очень тонок, и при его нарушении эффект от них значительно уменьшается. Соответственно, защитный эффект масла зависит от толщины пленки. Тиксотропные масла противостоят потере защитных свойств за счет меньшего стекания. Стабильная пленка обеспечивает уровень защиты. Так как этот уровень защиты не может быть достигнут при использовании масел обычного состава, все используемые в настоящее время масла для предварительной смазки являются тиксотропными. Использование тиксотропных масел также предупреждает загрязнение штамповочного цеха маслами и исключает образование несмазанных мест, которые могут служить причиной нарушения адгезии с образованием пузырей и вздутий при окраске.

5. Промывка стальных полос и заготовок

В соответствии с требованиями к чистоте внешняя поверхность деталей автомобильного кузова должна быть тщательно промыта. Одинаковая толщина масляной пленки обеспечивает меньшее загрязнение штампа и, как следствие, снижение его износа. Стальные полосы или заготовки, покрытые маслом для прокатных станов, промываются обычным моющим средством, например эмульсией на водной основе, маслом, разбавленным растворителем или низковязкими чистыми маслами. При использовании водной эмульсии нужно предпринимать меры предосторожости из-за возможности коррозии деталей и инструментов, возрастания износа и возможности заражения бактериями или грибками. Моющие машины не в состоянии полностью удалить масло с поверхности деталей. В зависимости от моющей жидкости машиной смывается примерно половина масла, которое отжимается с мягкого чехла моющего ролика. На количество масла, оставшегося на металле, влияют такие параметры, как тип моющей жидкости, скорость подачи, число, диаметр и материал роликов. Остающаяся на металле пленка тем толще, чем больше вязкость. При снижении смазывающей способности системы добавляют масла, используемые при выдавливании. Моющие жидкости должны соответствовать требованиям к смывке масел прокатных станов, так как они входят в общее количество масел, попадающих в цеха штамповки и покраски. Таким образом, масла должны не только обеспечивать смазку при штамповании, но и легко удаляться, а также должны быть совместимы с используемыми клеями, красками и антикоррозионным слоем.

6. Дополнительная смазка

Большинство операций по выдавливанию требуют дополнительных точек смазки в штамповочном цехе. При использовании предварительной смазки необходимость в этих высоковязких смазывающих веществах отпадает. Они не нужны, если на прокатных станах используются масла с необходимыми смазывающими свойствами, что приводит к значительной экономии в автомобильной промышленности. Экономия от использования тех же масел, что применяются при выдавливании, является частью общей экономии. Общий результат улучшается за счет снижения стоимости и более стабильных параметров производства. Несмотря на предварительное смазывание, при трудоемких процессах глубокого выдавливания требуется применение дополнительных точек смазывания, особенно в критических зонах, при этом используемые масла должны быть совместимыми. Кроме того, поскольку смазочные масла наносит поверх уже существующей смазки, они должны быть тиксотропными во избежание стекания.

7. Прессование

Прессование является одним из основных производственных процессов. Исключительно высокие капиталовложения в многостадийное прессование обеспечивают стабильность и надежность этих операций. Брак, вызываемый задирами, заусенцами, плохой подгонкой, приработкой и очисткой штампа, увеличение времени на операции приработки и установки приводят к значительному повышению стоимости продукции. Значительные резервы повышения эффективности этого производства заключаются в использовании предварительной смазки, в особенности совместимой с моющими маслами, применяемыми для очистки внешней поверхности деталей. На рис. 2 показано преимущество использования масел для предварительной смазки в сравнении с обычным антикоррозионным маслом, применяемым на прокатных станах для стальных лент без покрытия.

Значительное снижение трения в сочетании со свободным скольжением металла под высокой нагрузкой без прогиба достигается на стрип-тесте при использовании предварительной смазки. Так как холоднокатанная сталь для автомобильных кузовов обычно подвергается оцинковке, предварительная смазка должна быть по возможности универсальной и применимой для покрытий, наносимых электрогальваническим и горячим гальваническим способами, оцинковкой с отжигом или предварительным фосфатированием. Различные смазочные материалы не могут проявлять одинаковые свойства на различных покрытиях. На рис. 3 приведен пример использования двух масел для предварительной смазки на различных поверхностях.

На листе металла без покрытия поведение обоих масел близко, а на оцинкованном листе их коэффициенты трения существенно разнятся. Оптимальными смазочными материалами по параметру «стекания» являются твердые пленки, известные как сухие пленочные смазочные покрытия. Однако их широкое применение вплоть до настоящего времени затруднено в связи со сложностями, связанными с их использованием на конечных стадиях прокатки, а также проблемами, связанными с удалением защитного антикоррозионного слоя.

8. Транспортировка и хранение штампованных деталей

Штампованные детали, как правило, не направляются непосредственно на дальнейшую обработку, а хранятся на складах в течение определенного периода времени. При хранении в закрытых помещениях особых мер по их защите от коррозии не требуется. Однако если детали транспортируются на другие заводы, особенно в тропические регионы, необходимо принимать специальные меры защиты. Применение высококачественных тиксотропных масел, используемых для предварительной смазки, особенно в случае, если они содержат соответствующий пакет присадок, защищающий от коррозии в паровой фазе, дает возможность обходиться без специальных антикоррозионных масел (летучих ингибиторов коррозии). Использование продуктов, предотвращающих стекание во время производственных процессов, особенно важно для операций, выполняемых после штамповки, так как стекание масла во время транспортировки и хранения недопустимо. Это достигается за счет образования достаточно тонких пленок после предварительной смазки и использо¬вания маловязких моющих масел, аналогичных маслам для предварительной смазки.

9. Сборка

Современные смазочные средства и антикоррозионные масла не оказывают влияния на процессы сварки металла, поэтому каких-либо соответствующих специальных требований к ним не предъявляется. Однако это неприемлемо для процессов сборки, применяемых при изготовлении кузовов, так как замена большого количества мест сварки на клеевые соединения предъявляет повышенные требования к долговечности данных соединений. Большое значение имеет не только прочность соединения на разрыв, но и его антикоррозионные и уплотняющие свойства. Поскольку соединяются детали, смазанные маслом, тип и количество масла, физические характеристики поверхности металла и, естественно, тип клея и толщина клеевого слоя влияют на качество соединения. В автомобильной промышленности используется огромное количество разнообразных клеев, применяемых для соединения деталей с различной целью, поэтому все возможные сочетания металлов, клеев и используемых методов должны обеспечивать совместимость. Существует огромное количество соответствующих методов испытания. Состав многофункциональных антикоррозионных масел и масел, используемых для предварительной смазки, которые должны обеспечивать оптимальную совместимость, не может быть постоянным в связи с появлением новых клеев, что особенно важно, поскольку в их разработках участвует большое число различных компаний. Как было описано ранее, нетиксотропные применяемые масла стекают со штампованных деталей и собираются на бортах. Несмотря на положительные результаты испытаний, они могут приводить к плохому соединению, если попавшее на борт масло является густым. Высокие требования к предотвращению стекания масел прокатных станов, тиксотропных моющих средств и масел формования уменьшают эти проблемы.

10. Очистка и фосфатирование

Масло, собирающееся в выемках и пустотах, весьма сложно удаляется обычными методами, поскольку чистящий спрей не достигает этих точек. Использование моющих средств глубокой очистки дает лучшие результаты в отношении удаления масел, но характеризуется повышенным пенообразованием при разбрызгивании. Однако несмотря на использование спреев и моющих средств глубокой очистки, детали должны быть обезжирены простым погружением для удаления масла из выемок и пустот. Масла должны легко удаляться со всех поверхностей даже после долговременного хранения или отверждения под действием температуры.

11. Катафоретическое покрытие

Попадание даже небольшого количества масла, применяемого на прокатных станах, в электрофоретическую ванну недопустимо. Вред, наносимый этими загрязнениями, может быть относительно снижен введением в ванну специальных присадок. Основной брак, в частности видимые нарушения целостности внешнего покрытия, снижается при использованиии совместимых масел. Многочисленные испытания на загрязнения предназначены для определения совместимости масел с электроосаждаемыми красками и лаками. Обычно небольшое количество масла эмульгируется в ванне для нанесения покрытия. После выдержки оцениваются размеры и число видимых повреждений нанесенной пленки. Большое количество масла на бортах, переходных зонах и других впадинах является результатом стекания масла и может быть удалено вместе с ловушечной водой и моющими средствами при выпаривании в сушильных печах. Если брызги смеси масло—вода попадают на влажную краску, появляются значительные нарушения лакокрасочного слоя. В лабораториях этот эффект имитируется разбрызгиванием масла. Результаты этих анализов не являются количественными и определяются визуально.

12. Экономический эффект предварительной смазки

Использование предварительной смазки на прокатных станах позволяет снизить число точек смазки, требуемых при операциях штамповки. Экономическая выгода при использовании предварительной смазки достигается не только за счет экономии смазочных материалов. Реальная выгода заключается в том, что на протяжении всей технологической цепи от прокатного стана до цеха покраски соблюдается принцип совместимости, так как использование специализированных масел на каждой стадии приводит к значительному повышению стоимости процесса, в связи с чем очень важно оптимизировать все производственные стадии. Соответствующие масла для предварительной смазки дают возможность получать большую экономическую выгоду. Это особенно эффективно при использовании многофункциональных смазочных материалов, которые полностью совместимы и могут использоваться для различных целей. На сегодняшний день системы предварительной смазки являются модульными, что позволяет использовать масла с различной вязкостью. С момента своего изобретения тиксотропные масла, характеризующиеся замедленным стеканием, являются предпочительными по сравнению с традиционными смазками. Возможность достижения дополнительных преимуществ за счет использования сухих пленочных смазочных покрытий еще предстоит выяснить.

13. Сухие пленочные смазочные покрытия

Постоянно растущие требования к высокоэффективным смазочным материалам для формования дополнительно возрастают в связи с использованием высоконапряженных сталей. Комплексные разработки высоконапряженных сталей осложняют использование обычных масел для прокатных станов и выдавливания. Как было указано в разделе 1, идея сочетания защитных свойств антикоррозионных масел со смазочными свойствами масел для выдавливания привела к разработке масел для предварительной смазки. Однако стабильность тиксотропных масел невелика и может быть в дальнейшем повышена за счет введения присадок полутвердой или мазеобразной консистенции. Утечка и стекание масел со штампованных деталей предотвращается образованием твердых пленок, однако при этом не должно происходить ухудшения других свойств покрытия.
   Штамповочные цехи автомобильной промышленности имеют больший опыт работы с сухими пленочными смазочными покрытиями на алюминиевых лентах, чем на стальных. В течение многих лет на алюминии использовались водоосновные и термоплавкие сухие пленки. С точки зрения совместимости VDA предпочитает те же пленочные покрытия и для сталей, что не позволяет использовать водоосновные покрытия из-за их низкой коррозионной стойкости. Сухие пленочные смазочные покрытия должны быть пригодны для использования на любых видах металлических листов — на стали или алюминии без покрытия, стали с покрытиями, нанесенными горячим гальванопластическим и электрогальваническим методами, фосфатированной стали и на композитных материалах, например на листах металла с полимерным покрытием и двухслойных лентах. Большинство требований автомобильной промышленности к формовочным процессам из листового металла приведены в стандартах VDA 230-202.
   Все сухие пленки при нормальных условиях находятся в твердом или по крайней мере воскообразном состоянии. Однако для того, чтобы их можно было легко распределить по поверхности металла, их вязкость должна быть по возможности невысокой. Перед нанесением твердые и воскообразные смазывающие вещества необходимо раскатать, чтобы облегчить образование тонкого слоя. С точки зрения охраны окружающей среды, здоровья работников и пожаробезопасности применение углеводородных растворителей неприемлемо. Водные эмульсии парафинов или других твердых органических соединений, например полимеров, характеризуются требуемой текучестью. При испарении воды образуется парафиновая или полимерная пленка. Для ускорения этого процесса свежепокрытая металлическая полоса нагревается для просушки, однако это приводит к удорожанию процесса, а иногда просто невозможно из-за ограниченности пространства для использования соответствующих нагревателей. Для диспергирования продукта в воде необходимо использовать эмульгаторы, но это делает пленку чувствительной к воде вплоть до ее удаления водой, что может привести к коррозии стали. Тем не менее, парафиновые эмульсии широко используются для смазывания алюминия или нержавеющей стали в процессах плоского формования или при формовании труб.
   Твердый смазочный материал может быть предназначен для нанесения спреем, а также после разбавления или расплавления, если его температура плавления относительно невелика. Эту процедуру применяют в случаях, когда в качестве основы термоплавких сухих смазочных пленок используют специальные парафины. Такие пленки обычно наносят спреем в электростатическом поле на заключительных линиях прокатного стана. Для этой цели возможно и использование существующего оборудования, но оно должно быть подготовлено к применению нанесения пленки спреем при повышенной температуре. Термоплавкие смазочные пленки, как и смазочные материалы для выдавливания, могут использоваться в штамповочных цехах с применением специально разработанного оборудования для их нанесения спреем в требуемых местах. Если необходимо получить гомогенную пленку, используют влагоснимающие валики. Помимо основных технических характеристик, основной причиной широкого распространения термоплавких сухих пленок является простота их применения.
   Основным требованием, предъявляемым к смазочным материалам, является образование гомогенного слоя требуемой толщины в зоне деформации. Тонкие ровные сухие пленки идеально удовлетворяют этому требованию. Улучшение смазочной способности подтверждено стрип-испытаниями. На рис. 4 приведены графики, полученные на листах металла (EG) с покрытием, нанесенным электрогальванопластическим методом, при выдавливании с прогибом 90°.

Смазочная способность сухих парафиновых пленок значительно лучше даже в сравнении с тиксотропным маслом последней разработки, используемым для предварительной смазки, что обеспечивает экономическую выгоду за счет снижения толщины пленки.



Роман Маслов.
По материалам зарубежных изданий.