Hur fordonsmetallformning fungerar

Smeder har slagit metall till användbara föremål i tusentals år. Se bilder av elverktyg. © iStockphoto.com/Stacey Bates

Smeden yrke går tillbaka tusentals år tillbaka. I forntida tappade smeden metall i användbara föremål med en hammare och värmde ofta metallen först i en smedja. (Ordet "Smith" kommer från samma rot som "smite", så en smed var någon vars jobb var att smita metall svärtat i en eld.)

Smeder är relativt sällsynta idag - även om de fortfarande finns och använder verktyg som är mycket modernare än de som använts i forntida tider. Jobbet med att bearbeta metall till användbara föremål utförs nu mest av maskin. Ingenstans är denna metallkonstruktion viktigare än inom bilindustrin, där varje metalldel från bilens kaross till den minsta lugmutteren på hjulet skapas av industriella metallformningsprocesser. Dessa processer finns i framkant av modern tillverkning, där datorer uppfyller de mekaniska och hydrauliska maskinerna i bilanläggningen.

Metallformning av fordon är en av de viktigaste aspekterna av biltillverkning. Om det inte var möjligt att bearbeta metall till användbara former, kunde bilar inte existera. Och förmågan hos maskiner - ofta styrda av datorer - att slå ut bildelar snabbt och pålitligt är en av de saker som gör det möjligt att köpa en bil för något mindre än det skulle kosta att köpa ett hus.

Men hur fungerar metallformning? Det är lätt att förstå hur en modern smed kan forma metall med en krafthammer och en oxy-acetylen fackla, men hur kan en maskin göra dessa saker? Under de kommande sidorna kommer vi att diskutera hur denna process för metallformning kan mekaniseras och utföras på storskalig industriell basis. Vi ska titta på några specifika tekniker och processer som används i biltillverkning. Vi kommer också att se in i framtiden och se hur metallformningsteknologier som utvecklas idag kommer att hjälpa oss att bygga morgondagens bilar.

En av de viktigaste sakerna med metall är att den kan genomgå plastdeformation. Det betyder inte att metall är gjord av plast, men det kan göra en av de saker som plast kan: Det kan bokstavligen få nästan vilken form som vi kan föreställa oss.

Processen för deformation börjar med en tom, en mängd metall i någon grundform som kommer att genomgå formförändringen. Blanket blir arbetsstycke -- metallstycket som ska omformas - i metallformningsprocessen. För metallformning av fordon är ämnet ofta tillverkat av plåt, som kan stämplas, skäras eller böjas till en form som behövs för en bil. Alternativt kan det vara ett fast metallblock i kubisk eller linsliknande form. Här är några sätt att ett metallarbete kan deformeras under biltillverkningsprocessen:

Böjning: Vid böjning appliceras kraft på ett plåtarbetsstycke för att ge en krökning av ytan. Böjning används vanligtvis för att producera enkla böjda ytor snarare än komplexa. En mekaniskt manövrerad press driver en stans mot plåt och tvingar den till ett enkelt munstycke med tillräckligt med tryck för att skapa en permanent förändring i metallens form. Trycket är viktigt. Om inte tillräckligt tryck appliceras kan metallen helt enkelt springa tillbaka till sin ursprungliga form. Om för mycket appliceras kan det gå sönder.

Teckning: På ritningen tvingas plåten mot ett munstycke som har skurits i den tredimensionella, ofta böjda formen som plåten ska ta på sig. I själva verket används formen som en form för metallen. Denna teknik kan producera relativt komplexa former. Återigen appliceras tryck på arbetsstycket med hjälp av en hydraulisk eller mekaniskt manövrerad stans. Det finns ett antal faror involverade, inte så mycket för människor (eftersom processen till stor del är mekaniserad) utan för själva metallen. Det kan spricka från för mycket tryck eller skrynkla från dess interaktion med matrisen. Smörjmedel kan användas för att göra metallen att glida mer jämnt mot munstycket och undvika risken för rynkor. Alternativt kan de skrynkliga kanterna trimmas från metallen i en separat operation. Denna metod används vanligtvis för att tillverka autokroppsdelar och bränsletankar.

stämpling: Vid stansning används en anordning som kallas en stanspress med en serie matriser för att skära och forma metall i olika former. Detta används vanligtvis för att tillverka bildelar som hubcaps och fendrar.

extrusion: Extrusion kan användas för att producera långa metallföremål, såsom stänger och rör. Metallarbetsstycket tvingas in i ett munstycke med ett hål i motsatt ände. Metallen strängsprutas genom hålet för att bilda formen. Ekstrudering kan användas för att tillverka viktiga delar av en biltrivning eller förankringarna som håller säkerhetsbälten på plats.

smide: Smidningsprocessen använder en hammare eller press som i huvudsak är en mekaniserad version av hammare som används av forntida smeder. Metallen hamras mot en yta som fungerar som en städ. Det kan hammas upprepade gånger för att bilda komplexa former. Detta kan användas som ett alternativ till ritningsprocessen.

Ovanstående processer används vanligtvis med kall metall. Varmmetall kan också användas, ibland vid tillräckligt höga temperaturer att den smälta metallen kan hällas i en form. Detta kräver mycket dyra matriser som tål värmen och måste göras snabbt för att minimera munstyckets exponering för den smälta metallen.

På nästa sida tittar vi på hur modern metallformningsteknologi flyttar biltillverkning in i framtiden.

Arbetare på en Hyundai-bilfabrik tillverkar pressade metalldelar som används i dess bilmonteringslinje i Peking, Kina. AP Photo / Ng Han Guan

Det viktigaste som hänt bilindustri och metallformning under det senaste halva seklet är datorn. Datorer är viktiga för metallformning på två sätt:

De styr processen. En dator kan användas för att fatta andra sekundära beslut för att styra metallformningsoperationer genom komplexa sekvenser - till exempel med en smidehammer mot ett arbetsstycke på ungefär samma sätt som en antik smed skulle göra, men med den ökade fysiska kraften hos hydrauliska maskiner . Hammarens handling kan programmeras i förväg för att producera former lika komplexa som de som skapas av en mänsklig hantverkares händer. På liknande sätt kan datorer styra flödet av arbetsstycket mellan flera steg i operationen för att producera den färdiga formen.

De simulerar processen. En dator kan användas för att simulera de fysiska krafterna som är involverade i metallformning så att nya metallformningsoperationer kan uppfinnas utan att behöva använda dyra maskiner för att experimentera med nya idéer. Sofistikerad simuleringsprogramvara är tillgänglig för att replikera metallformningsoperationer på datorn, så att forskare kan se resultatet av att applicera värme och kraft på olika typer av metall. Fel som gjorts på datorn är mycket billigare än de som gjorts i den verkliga världen och tillåter den typ av test och fel som skulle vara slöseri med tid på faktiska maskiner.

Datorsimulering öppnar nya perspektiv inom metallformning. Många av de nya metallformningsteknologierna är baserade på en djup förståelse av mikrostrukturen för olika typer av metall och de fysiska processerna som pågår i metall utsatt för tryck och värme. Några av de nya processerna är hybrider från gamla processer. Det har också skett en rörelse mot varmmetallprocesser, som tillåter användning av metaller som inte lämpar sig väl för kalla processer.

Denna nya teknik tillåter sådana innovationer som användning av lättare metaller som fortfarande behåller styrkan hos traditionella bildelar. Detta är användbart, till exempel, vid tillverkning av bränsleeffektiva fordon eller batteri-elektriska fordon där bilkarossen måste vara så lätt som möjligt för att kompensera batteriets stora vikt. Denna teknik gör det också möjligt att tillverka bildelar mindre dyrt utan att kvaliteten minskar. Till exempel kan elektromagnetiska formningstekniker, i vilka metallarbetsstycket utsätts för ett magnetfält som skapar ett elektriskt flöde i själva metallen, användas för att påskynda formningsprocessen utan den resulterande rivning och rynkning som normalt skulle uppstå. Detta möjliggör användning av processer som inte tidigare var möjliga vid automatiserad metallformning.

Under åren sedan Henry Ford demonstrerade genomförbarheten av billig tillverkning av monteringslinjer av bilar och bildelar har vetenskap och teknik för metallformning kommit långt i att visa biltillverkningsindustrin hur man producerar extraordinära bilar utan ett extraordinärt pris.

För mer information om bildning av metallbilar och andra relaterade ämnen, följ länkarna på nästa sida.

Relaterade artiklar

• Topp 10 dagliga bilteknologier som kom från Racing
• Hur Hypercars fungerar
• Hur autotransport fungerar
• Hur bildatorer fungerar
• Hur förarlösa bilar kommer att fungera
• Hur bilproduktionslinjer fungerar
• Kan du montera din egen bil?
• Vad gör en digital bil digital?
• Vad är nytt i syntetisk oljeteknologi?
• Kommer bilreparationer i framtiden att skada dig?

källor

• Avitzur, Betzalel. "Metallformning." Metal Forming Inc. (21 jan. 2010) http://www.metalforming-inc.com/Publications/Papers/ref133/ref133.htm
• eFunda. "Tekniska processer." (21 jan 2010) http://www.efunda.com/processes/processes_home/process.cfm
• Gallagher, Helen. "Stansning av metall och elektromagnetisk formning: Ny process förbättrar materialets formbarhet, minskar rynkor." Tillverkaren. 25 oktober 2001. (21 jan. 2010) http://www.thefabricator.com/presstechnology/PressTechnology_Article.cfm?ID=115
• Grieve, David J. "Tillverkningsprocesser - 3 metallformning." 17 mars 2009. (21 jan. 2010) http://www.tech.plym.ac.uk/sme/mfrg315/metform1.htm
• Siegert, Klaus. "TALAT Föreläsning 3705: Ritning av fordonsplåtdelar." SlideShare. (21 jan. 2010) http://www.slideshare.net/corematerials/talat-lecture-3705-drawing-of-automotive-sheet-metal-parts