Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Передовые производственные технологии - сложный комплекс мультидисциплинарных знаний, наукоемких технологий и системы интеллектуальных ноу-хау, полученных с помощью длительных и дорогостоящих научных исследований, эффективного применения концепции открытых инноваций и трансфера передовых наукоемких технологий. машиностроение автомобильный передовой

Автомобиль -- один из наиболее ярких символов цивилизации XX века -- непременный элемент нашей сегодняшней и завтрашней жизни. В автомобилестроении заняты миллионы людей, а если прибавить к ним другие миллионы, работа которых связана с существованием автомобильной промышленности, то окажется, что очень и очень немногие виды человеческой деятельности вовлекают столь же большие количества людей. Надо ли прибавлять к ним сотни миллионов людей, ежедневно садящихся за руль, чтобы еще раз подчеркнуть, что автомобиль и все, что с ним связано,-- это очень серьезно?

Активное внедрение новых композитных материалов в автомобиль, во все отрасли мировой экономики не обошло стороной и машиностроение. Научный и инженерный состав всех известных автомобильных производителей ведет интенсивные изыскательские работы по замене традиционных изделий высокотехнологичными инновационными аналогами с усиленными прочностными качествами и меньшей плотностью. Современный автомобиль включает в себя множество деталей и агрегатов, произведенных из высокотехнологичных полимерных композиционных материалов (ПКМ), сложных сплавов и т.д.

Развитие материалов с давних времен определялось многообразием способов их переработки, которое обусловлено разнообразными требованиями, предъявляемыми потребителем. Связь между уровнем технологии получения и обработки материала и создаваемой техникой в настоящее время стала еще более тесной.

Достижения ученых и даже филигранная работа инженерного корпуса конструкторов могут быть сведены на нет отступлением от технологических процессов изготовления узлов конструкций и условий их эксплуатации. Выполнение требований по обоснованному выбору конструкционных материалов, оптимальному проектированию и конструированию, строгому соблюдению технологических процессов изготовления полуфабрикатов и изделий из них, как известно, определяется законами общества. В этом случае качество общественной продукции не должно зависеть от субъективных моментов, «застойных» явлений, «опережающих» направлений и других негативных факторов.

Если это будет выполняться, то явление «деградации свойств металла в конструкции» потеряет свой смысл. Разве только недостаточная изученность отдельных явлений или недостаточно глубокое их понимание может повлиять на работоспособность материалов в конструкциях и их преждевременное разрушение.

Отметим еще одну особенность рационального конструирования в постоянно усложняющихся условиях эксплуатации новой техники.

Было время, когда новые стали и сплавы разрабатывались вообще, в надежде на будущее их использование. Затем стало правилом, что новый материал разрабатывался применительно к новым условиям его работы (например, создание конструкционных материалов для оболочек ТВЭЛов, корпусных конструкций судов и т. п.). Сейчас в ряде случаев стало необходимым разрабатывать конструкцию ответственного узла или элементы конструкции одновременно с разработкой новых материалов, т. е. физику и конструктору необходимо работать в тесном контакте с металловедом и технологом.

Глава 1. Применение традиционных и передовых материалов в автомобильной отрасли. пЛЮСЫ И МИНУСЫ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Из многообразия свойств материалов при конструировании деталей основное внимание обычно уделяется прочности и жесткости, вязкости и пластичности, жаропрочности и хладостойкости, коррозионной стойкости, снижению массы конструкции.

Различают физические, химические, технологические и механические свойства материалов.

Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. К физическим свойствам относятся плотность, теплоемкость, температура плавления, термическое расширение, магнитные характеристики, теплопроводность, электропроводность.

Под химическими свойствами понимают способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Типичным примером химического взаимодействия металла и среды является коррозия.

Технологические свойства металлов и сплавов определяют их способность подвергаться выплавке, деформации в горячем и холодном состояниях, обработке резанием, термической обработке, сварке.

Целесообразность применения тех или иных материалов определяется не только их конструктивными свойствами, но и экономичностью, что в значительной степени зависит от технологических свойств.

1.1 Характеристика, преимущества и недостатки различных материалов

Наиболее очевидным направлением расширения применения продуктов химической промышленности в автомобилестроении кажется увеличение объема использования пластмасс. Надежды здесь связываются, прежде всего, с созданием нового поколения материалов, так называемых конструкционных пластмасс. Если раньше пластмассы довольно эффективно использовались там, где требовались высокие показатели диэлектрических свойств, хороший внешний вид,-- и это практически все, то за последнее время на авансцену вышли высокие прочностные свойства новых материалов, благодаря чему стало возможным изготавливать из них изделия, работающие под механической нагрузкой, и технологичность, что позволило резко упростить и удешевить изготовление весьма массивных изделий сложной конфигурации.

Но не стоит слишком увлекаться. Уже много лет идут бесконечные разговоры о «пластмассовом» автомобиле. Действительно, с технической точки зрения не представляет никаких трудностей изготовить кузов из армированного пластика. И на коммерческом рынке, и на выставках, и в мастерских любителей все время появляются такие автомобили. Но решающее слово в массовом производстве говорит экономика. А она в нашей стране пока говорит «нет», поскольку использование армированных пластиков оказывается пока дороже, чем традиционных материалов. Вообще экономика, увы, часто говорит «нет».

Однако уже сейчас становится целесообразным изготавливать из конструкционных пластмасс целые достаточно крупные элементы конструкции с циклом формования меньше 1 мин. В первую очередь следует упомянуть бамперы, затем крылья, крышку багажника, капот. В этом отношении имеется вполне положительный опыт, и он безусловно будет расширяться.

Переходным технологическим вариантом для таких деталей является изготовление ламинированных (послойных) деталей, состоящих из слоя конструкционного пластика, облицованного с двух сторон тонкими стальными листами. При этом не только снижается масса изделия, но и упрощается технология окраски (точнее, сушки после окраски), поскольку такой ламинат выдерживает более высокие температуры, чем сама пластмасса, и это позволяет не отходить от существующей сегодня технологической схемы окраски автомобиля в целом.

И все же попытки сделать экономичный «пластмассовый» автомобиль будут продолжаться, потому что, в принципе, в этом направлении видны два основных серьезных ресурса улучшения экономических показателей. Во-первых, резко упрощаются технология изготовления изделий сложной конфигурации, их замена и ремонт, повышается коррозионная стойкость и увеличивается срок службы. Во-вторых, возможны совершенно нестандартные применения полимерных композиционных материалов в автомобилестроении; в качестве примера можно привести изготовление из них таких силовых элементов конструкции, как карданный вал, рессоры и т. д. Это, конечно, экзотика. Но факт, что за последние 2--3 года, например, фирмой «Дженерал Моторс» (США) были выпущены на рынок уже сотни тысяч автомобилей с кузовом из полимерных композиционных материалов и проданы по ценам, эквивалентным цене аналогичных машин со стальным кузовом.

Если представить «пластмассовый» автомобиль будущего, то можно предположить, что кроме армированных пластиков перспективными для изготовления крыш могут оказаться прозрачные (стеклообразные) высокопрочные конструкционные пластмассы, причем использование в качестве добавок жидких кристаллов (новейшего класса материалов химической промышленности) позволит изменять цвет или делать крышу непрозрачной. Именно таким «видит» конструкцию автомобиля будущего, например, фирма «Тоёта» (Япония).

Конечно, надо иметь в виду, что замена материалов одного типа другим (стали -- пластмассой) повлечет за собой принципиальные изменения конструкции автомобиля и во многом -- технологии сборки. Так, перспективным является, например, создание цельного (единого) передка, включающего передний бампер, облицовку радиатора и лобовую часть передних крыльев из полимерных материалов, получаемого по схеме прямого формования без последующей обработки. Это прекрасное технологическое решение позволяет одновременно обеспечить требуемые аэродинамические характеристики автомобиля, что постепенно становится важнейшей задачей автомобильного дизайна, направленного на повышение безопасности и экономичности автомобиля.

Еще более радикальным является новый принцип придания конструкции корпуса необходимой жесткости: вместо использования в качестве несущей конструкции кузова, роль силового элемента корпуса предлагается отдать стальному каркасу, на который на последних операциях сборки навешиваются пластмассовые панели. Этим обеспечиваются существенное улучшение технологичности сборки на открытом каркасе и возможность изменения внешнего вида автомобиля с помощью разнообразных панелей.

Использование новых конструкционных пластмасс позволяет также обойти трудную проблему организации окраски автомобиля в едином технологическом потоке. Дело в том, что традиционные пластмассы не выдерживают принятых для окраски металлических поверхностей высоких температур сушильных камер и деформируются (коробятся). Конечно, если речь идет о целиком «пластмассовом» автомобиле, то эта проблема исключается, но такой автомобиль -- все же дело будущего, а сегодня необходимо сочетать металлические и пластмассовые детали. Новые материалы, обладая более высокой теплостойкостью по сравнению с традиционными пластиками, позволяют не ломать имеющейся технологической схемы окраски. Естественно, что путь постепенной, или поэтапной, модернизации технологии для существующих крупных производств более предпочтителен, чем создание принципиально новой схемы.

Расширяющееся применение пластмасс, в особенности конструкционных пластмасс нового поколения и композитов на основе полимерных связующих, безусловно является одной из ведущих тенденций наиболее массового увеличения использования продукции химической промышленности в промышленном и индивидуальном автомобилестроении, причем тенденции, реализуемой в сегодняшней практике и сохраняющейся в самом ближайшем будущем.

На фоне стабильного роста применения органических полимерных материалов и вполне реалистических более радикальных попыток замены металла на пластмассы для изготовления массивных деталей гораздо более туманными (но отнюдь не авантюрными) выглядят идеи использования материалов других крупнотоннажных производств химической промышленности, а именно керамики, для изготовления двигателей. Об этом много говорят, но в ближайшем будущем это направление, видимо, останется в рамках рекламных описаний, так что обсуждать технологические и экономические перспективы «керамических» двигателей пока преждевременно, хотя химическая промышленность должна внести свой вклад в создание материалов для исследований в этом направлении.

Очевидны перспективы дальнейших качественных усовершенствований в традиционных направлениях, таких как создание новых более эффективных, чем существующие, присадок и добавок к маслам и смазкам, присадок, улучшающих антидетонационные свойства моторных топлив, стойкость к старению резинотехнических изделий и т. п. Все это -- необходимые и реальные элементы технического прогресса в области повышения качества, надежности и экологической чистоты выпускаемых автомобилей.

Это -- задачи сегодняшнего дня, поскольку требования общества к экологической чистоте становятся с каждым годом все более непримиримыми.

В последнее время целый ряд нетрадиционных применений продуктов химической промышленности в автомобилестроении переходит из разряда единичных, используемых в очень дорогих автомобилях или машинах специального назначения (в том числе, гоночных), в область массового автомобилестроения. Так обстоит дело, например, с резким повышением насыщенности автомобиля электронными (контрольными, регулирующими, управляющими) устройствами. Это повлекло за собой расширение использования особо чистых материалов, применяемых для изготовления полупроводников и датчиков самых различных типов, а также микропроцессоров.

Сюда же относится расширение применения жидких кристаллов, в частности для замены многочисленных стрелочных приборов на дисплеи и цифровые индикаторы. Внедрение простейших компьютеров на автомобиле -- дело ближайшего будущего.

Нетрудно представить себе, что, по крайней мере, на некоторых моделях, еще до конца столетия окажется целесообразным делать то, что сегодня не только описывается в фантастических романах, но и реально появляется на концептуальных моделях будущего, представляемых на автомобильных выставках,-- устанавливать бортовые ЭВМ со своей информационной системой, содержащей сведения о вариантах пути к заданной цели, и радиоприемным (навигационным) устройством, получающим информацию об изменяющейся обстановке на дороге от путевых датчиков или даже спутников.

Можно только вообразить, с какой широкой гаммой продуктов химической промышленности неизбежно связан такой прогресс автомобильной техники, какие жесткие требования будут предъявлены к новым материалам и как постепенно будут меняться наши представления о том, какие материалы, изделия и технологические схемы являются экзотическими и дорогостоящими, а какие с необходимостью войдут в повседневную практику автомобилестроения.

Чистый алюминий в автомобилестроении встречается крайне редко, чаще всего это сплавы с добавлением различных добавок, позволяющих улучшить свойства этого металла. Например, алюминиевый кузов автомобиля или отдельные его части производят из алюминия, в который добавлен магний, кремний или марганец. Такие добавки позволяют получить более прочный, но при этом такой же легкий и пластичный металл.

Алюминиевые детали производятся различными способами, в зависимости от ее назначения. Наиболее распространенные способы производства: ковка, литье, штамповка, а также экструзия. Самый популярный вид изготовления алюминиевых деталей -- это конечно же, литье. При помощи этого метода отливают детали двигателя, различные корпусы, а также некоторые детали подвески.

Рассмотрим некоторые свойства, плюсы и минусы использования алюминия:

Алюминий на 60% легче стали при равных размерах и объемах. Благодаря этому, кузовные детали получаются более легкие, отсюда меньшая масса и существенная экономия топлива, ну и естественно меньше вредных выбросов в атмосферу.

Алюминий не подвержен коррозии. Это свойство очень положительно сказывается на длительности "жизни" кузова и самого автомобиля. Однако не стоит полагать, что алюминий вовсе не стареет и не гниет, при определенных обстоятельствах и условиях алюминий также способен окисляться и разрушаться.

Алюминиевые детали прекрасно поддаются вторичной переработке. Легкость переплавки делает этот металл очень выгодным для автопроизводителей, поскольку позволяет использовать его по нескольку раз, а сам производственный процесс существенно упрощается.

По сравнению со сталью, алюминий намного лучше поглощает и гасит вибрации, это также касается сильных ударов, которые алюминиевые детали поглощают на 50% лучше, не позволяя ей распространяться дальше. Этот фактор весьма важен для тех, кто ценит собственную безопасность, а также безопасность своих пассажиров. Алюминиевый кузов, как странно это бы не звучало, получается более жестким в плане скручивания, это придает автомобилю устойчивости, а также позволяет выполнять более "острые" маневры.

Альтернативой использования алюминия является углепластик. Углепластик - это состоящий из углеродного волокна и полимерных смол композитный материал. Волокна располагаются в матрице из полимерных смол (например эпоксидной). Углеродные волокна представляют собой тонкие волокна около 0.005-0.010 мм в диаметре, состоящие в основном из атомов углерода, соединенных вместе в микроскопические кристаллы, которые более или менее расположены параллельно длине оси волокна. Несколько тысяч волокон углерода скрученные в форме нитей могут быть использованы самостоятельно, или сплетены в ткань. Ткань из углеродного волокна тканей укладывается в нужную форму, как правило, вручную, после чего она запекается в полимере под давлением, и получается углепластик.

Детали из него прочные и легкие, что идеально подходит для легковых и грузовых автомобилей (так же, как и для самолетов, лодок, и прочих транспортных средств), тоесть мы имеем на руках материал, который имеет хорошие аэродинамические свойства, достаточно безопасный, и легче чем сталь или алюминий. Как вы вероятно знаете, легкий автомобиль может использовать менее мощный двигатель, и как следствие - большую экономию топлива.

Углепластик прочен и легок, но так же дорог в производстве и отнимает гораздо больше времени при изготовлении деталей по сравнению с другими конкурирующими материалами. Кроме того, сталь и алюминий можно относительно легко отрихтовать и отремонтировать после аварии (заварить например). Углепластик же при повреждении образует множество осколков, острых как бритва рваных краев, и так просто восстановить его не удастся.

Наконец, когда приходит время для замены автомобиля, существует целый ряд относительно простых шагов, которые могут быть предприняты для утилизации пластмассы, стали и алюминия. Углеплатик же не так легок и дешев в переработке и поэтому его вторичное использование под большим вопросом.

Углепастик будут продолжать использовать для суперкаров и гоночных автомобилей, благодаря его уникальным качествам. Тем не менее, пройдет еще немало лет, пока мы увидим его использование на серийных автомобилях. В то же время, технологии не стоят на месте, и возможно, скоро углепластик будет выглядеть как архаизм, так и не попадя в массовое производство.

Высокопрочная сталь. С примесями никеля и титана, такая сталь легче и прочнее обычной. 15% различных частей автомобилей уже сделаны с использованием этих технологий.

Некоторые машины, такие как Cadillac ATS состоят из высокопрочной стали почти на 40%.

Такая сталь стоит на 15% дороже обычной, но не так дорого как алюминий.

Весит больше алюминия, но с помощью нанотехнологий можно сделать крайне тонкий лист стали, который в свою очередь не потеряет своих прочностных качеств. Такие стали могут появится на серийных автомобилях в 2017 году.

Последняя область применения продукции химической промышленности, представляющаяся перспективной для будущего, связана с радикальным изменением принципа энергоснабжения автомобиля. Интерес к «аккумуляторному» автомобилю, или электромобилю, идет волнами; сейчас, в связи с улучшением экономической ситуации с жидким топливом, этот интерес пошел на спад. Однако совсем забывать об этой проблеме нельзя. Работы над созданием высокоэффективных топливных элементов в той или иной мере продолжаются. Экономически эффективное решение этой проблемы привело бы к серьезнейшим изменениям во всех элементах конструкции автомобиля. Но сейчас об этом можно говорить лишь в сослагательном наклонении.

Таковы современные задачи химической промышленности, которые ставит перед нею будущее развитие автомобилестроения и эксплуатации автомобиля.

1.2 Примеры внедрения некоторых передовых или традиционных материалов в область машиностроения

Продуценты автокаров тесно сотрудничают с горно-металлургическими, химическими и иными компаниями, а также отраслевыми НИИ. Основная цель - использовать достижения науки и техники для усиления физических и механических качеств конструкционных узлов, и снизить вес автомобиля. Большинство совместных проектов связано с применением в автомобильной индустрии на основе полимерных композитных материалов. Так, концерн Форд совместно с химической компанией компания dowaksa и американским центром инноваций реализует крупный проект по созданию принципиально нового средства передвижения с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Идея основана на широком использовании в авто углеродных волоконных композитов.

Первые позитивные результаты уже нашли отражение в Ford GT. Эксперты отмечают улучшенную управляемость и быстрый разгон машины, чего трудно добиться без придания отдельным компонентам повышенной гибкости и жесткости. Из углепластика изготовлен кузов. Колесные диски представлены специальными алюминиевыми сплавами. Это дало возможность снизить вес болида на 12%. Всего же концерн предполагает уменьшить вес крупногабаритных кроссоверов на 300 кг. Нано материалы использованы в автомобильной краске, что предотвращает поверхность от царапин и мелких сколов.

Ставку на углеродное волокно и алюминий делает также концерн Mercedes. Они внедряются для замены стальных компонентов. Из них изготавливаются корпуса моторов, несущей системы балочной конструкции, В обновленной серии SL65 Black Series благодаря нововведениям масса кара сократилась почти на 170 кг. Это позволило повысить эффективность автомобиля в целом.

Специалисты автомобильного гиганта Audi также много внимания уделяют расширенному применению в своей продукции полимерным композиционным материалам. Так, они намерены все пружины выполнять из особо прочных стекловолоконных полимеров. Новые разработки только этих компонентов приведут к снижению веса пружин на 40%, а машины -- на 5 кг. Уменьшится расход топлива. Помимо стекловолокна изделия будут включать углеродные пластики, алюминиевые сплавы.

Производители автомобильных компонентов также активно работают над разработкой материалов с заданными свойствами. Сталелитейная компания АрселорМиттал разработала с использованием нанотехнологий новый стальной сплав, который при сохранении потребительских свойств способен уменьшить расход материала на изготовление конструкций. В среднем для внедорожника снижение веса может составить от 80 до 90 кг.

Тойота активно заменяет в автомашинах медные электрические провода на изделия из специальных алюминиевых сплавов. Они обладают повышенными токопроводящими свойствами. Снижение веса авто при этом составит от 6 до 14 кг. Высокотехнологичные полимерные композиционные материалы задействованы в дизайнерском оформлении транспортных средств. Из них производится обшивка салона. Помимо декоративных целей новые материалы также нацелены на сокращение веса авто.

Ford недавно показал, на что способны легкие металлы и другие облегченные материалы, при правильном применении которых можно достичь неплохого уменьшения веса. Облегченный автомобиль был создан на базе не самой маленькой модели, американской версии Ford Fusion.

Крылатый Форд весит на 362 кг легче своей обычной версии, это огромный прогресс и все благодаря дюжине изменений в материалах и некоторых запчастях.

Панель приборов состоит из карбонового волокна и композитного материала на основе нейлона, вместо обычного пластика, стали и других используемых в этом случае материалов. Заднее стекло сделано из тончайшего, но очень прочного пластика, такого же который, покрывает ваш телефон.

Также все возможные элементы в тормозах были заменены алюминием, что облегчило систему на 39%, а для колес использовался карбон, вместо алюминия, колеса стали на 42% легче.

Заключение

Автомобили с новыми материалами уже проходят государственные краш-тесты и положительно проходят. Современные материалы уже незаметно начали применяться на автомобилях, просто люди этого не замечают. Примерно на 30% новых автомобилей уже стоят алюминиевые капоты, которые при столкновении могут поглотить столько же энергии, что и стальной аналог.

Такие материалы как алюминий, углеродное волокно и магний будут и далее использоваться в сфере машиностроения так как предлагают значительную экономию веса по сравнению со сталью, но они слишком дороги для того чтобы широко использоваться в обычных транспортных средствах.

Развитие автомобильной промышленности за 100 лет чем дальше, тем больше ставило свои задачи перед самыми разнообразными областями науки и техники и вовлекало в свою орбиту достижения как фундаментальных, так и прикладных исследований. Нельзя сравнивать вклад в создание современного автомобиля продуктов различных отраслей промышленности, ибо без любого из них обойтись нельзя. Но все же бесспорно наибольший объем потребления автомобилю обеспечивает химическая промышленность. Действительно, пусть масса автомобиля 1 т (и пусть условно это тонна металла). За 100 тыс. км пробега такой автомобиль «съест» примерно 10 т горючего, т. е. в 10 раз больше своей массы, и это далеко не все, что он возьмет для этих 100 тыс. км пробега от химической промышленности. А ведь кроме этого существует множество «малотоннажных» применений продуктов химической промышленности, без которых автомобиль не может ни создаваться, ни эксплуатироваться.

Развитие машиностроения неразрывно связано с производством новых материалов. Во все времена от использования природных и созданных человеком ресурсов материалов зависели прочность, надежность, долговечность выполненных из них деталей, изделий, машин. В настоящее время постоянно разрабатываются и все больше применение имеют различные покрытия и материалы, позволяющие значительно улучшить качество поверхностей и деталей и позволяющие защитить их от агрессивных сред.

Список литературы

1. Производственные технологии : учеб. пособие / Н. Г. Сычев, С. А. Хмель, А. В. Руцкий. - Минск : ОДО «Равноденствие», 2004.-153с.

2. Учебное пособие «Новые материалы в машиностроении» Рогов В.А., Москва, 2008 - 191 с.

3. [Электронный ресурс] http://dljamashinostroitelja.info/2011\\Статья « Материалы в современном машиностроении»

4. [Электронный ресурс] http://autorelease.ru статья « Плюсы и минусы в использовании алюминия в машиностроении»

5. [Электронный ресурс] http://stroy-technics.ru \\ статья «Химия в машиностроении»

Размещено на Allbest.ru