Automobilový průmysl, zejména odvětví osobních automobilů, je velmi dynamicky se vyvíjející obor, který čelí stálému tlaku okolí po zdokonalování svých výrobních konstrukcí.
Tyto požadavky jsou z mnoha různých oborů a často jsou velmi náročné a tedy vyžadují jistý čas na své splnění. Přestože automobil jako dopravní prostředek prošel již od doby svého vzniku obrovským vývojem, stále zde vyvstávají přibližně dva nejpalčivější problémy.
Prvním problémem je bezpečnost pasažérů a přepravovaného nákladu. Zadruhé je to spotřeba paliva (která, kromě jiného, úzce souvisí s hmotností vozu) a množství emisí výfukových zplodin. Starší metody konstrukce automobilu, a zejména jeho karosérie, neumožňovaly uspokojivé splnění obou požadavků, neboť pro zvýšení bezpečnosti bylo zapotřebí zvýšit mohutnost konstrukce karosérie, pro splnění druhého požadavku byl postup opačný. Jak je zřejmé bylo zapotřebí vyvinout nové způsoby konstrukce karosérie osobního automobilu, které by byly schopny splnit oba požadavky současně.
Pro řešení této problematiky se nabízí hned několik logických cest. Buď dosud používané ocelové hlubokotažné materiály nahradit jinými vhodnějšími (například slitinami hořčíku, hliníku a kompozitními materiály) nebo nahradit hlubokotažné oceli pevnostními a vysokopevnostními ocelovými plechy za současného využití nových technologií konstrukce karosérie. Ve výsledku se patrně jako nejlepší varianta konstrukce karosérie jeví kombinace obou zmíněných způsobů.
Vývojem zmíněných nových materiálů a technologií se zabývá řada firem. Již v roce 1991 se spojilo 33 největších světových výrobců oceli a vytvořilo projekt nazvaný ULSAB (Ultra Light Steel Auto Body). Do roku 1994 se poté k tomuto projektu přidaly další dva výrobci. Hlavním nositelem projektu byla firma Porsche Engineering Services. Cílem bylo vyrobit karoserii automobilu s použitím pevnostních materiálů a tím tak výrazně snížit jeho výslednou hmotnost a současně i náklady na její výrobu. Celý projekt dopadl úspěšně, novou karosérii tvořily z 80% pevnostní plechy vyrobené nově vyvinutou technologií Tailored Blanks (přístřihy vyráběné na míru) a také technologií hydroform (tváření kapalinou).
Principy těchto metod jsou blíže popsány v kapitolách 2.2.1 a 2.2.4 [5, 23, 25, 28, 31, 35].
Pro velký úspěch a dosud nevyčerpaný inovační potenciál projektu ULSAB byly spuštěny další navazující projekty. Prvním byl ULSAC (Ultra Light Steel Auto Closure) určený pro odnímatelné části karosérie. Druhým byl projekt ULSAS (Ultra Light Steel Auto Structure), zaměřený na podvozkové díly automobilu. Nakonec byl v roce 2004 spuštěn třetí program nazvaný ULSAB-AVC (Advanced Vehicle Concept), který je pokračováním
Ing. Jan Boček 11 2008 projektu ULSAB a zahrnuje komplexní vývoj vozidel založených na výsledcích zmíněných projektů. Skelet karosérie má být tvořen z 90 % vysokopevnostními ocelemi nejrůznějších druhů, které při srovnatelné tuhosti umožní menší tloušťky použitých plechů. Výsledným přínosem jsou, kromě vlastní nízkohmotnostní karosérie, samozřejmě i nově vyvinuté technologie, jako je zmiňovaná metoda Tailored Blanks nebo například tváření sendvičových plechů s polypropylénovou fólií (blíže viz. kapitola 2.2.3) [5, 24, 25, 28, 36, 37, 38].
Jak již bylo zmíněno, alternativou pevnostních plechů jsou dnes převážně lehké kovy, tedy slitiny například hliníku, hořčíku a titanu. Díly z hliníku a jeho slitin mohou být vakuově tlakově odlévány nebo provedeny ve formě pásů, plechů, výkovků a výlisků. Úspěšnou novou technologií, zvláště vhodnou pro stavbu automobilové karosérie, je v této oblasti výroba sendvičových dílů s vypěněným hliníkem (bližší popis je uveden v kapitole 2.2.3) [33].
Vývoj, zejména v automobilovém průmyslu, nezadržitelně spěje dále, a tak i vysokopevnostní ocelové karosérie a celohliníkové karosérie nejsou již nyní tím posledním ve vývoji tohoto odvětví techniky. V rámci německého programu Matech probíhá v koncernu Thyssen Krupp Stahl AG vývoj hliníkových ocelí s obsahem 5 až 9 % hliníku. Tyto nové materiály by měly přinést další snížení hmotnosti karosérie až o 10 %. Nakonec je tu i velmi zajímavý projekt, usilující o spojování některých částí karosérie laserovým pájením natvrdo.
Pájení svou podstatou nezpůsobuje teplotní deformace spojovaných částí jako technologie svařování a přitom vykazuje dostatečnou pevnost pro méně náročné spoje. Současně pájení natvrdo snižuje složitost výroby a počet následných operací. Tato technologie, pokud dosáhne od laboratorních pokusů k praktické realizaci ve velkosériové výrobě, bude pravděpodobně hojně využívaná, neboť lze pájením natvrdo laserem spojovat nejen ocelové díly, ale i hliník nebo nesourodé materiály typu ocel-hliník [28].
Ocelové materiály můžeme rozdělit na hlubokotažné a vysokopevnostní plechy. Jejich základní charakteristiky jsou blíže uvedeny v kapitole 3.1. Klasickými materiály jsou hlubokotažné plechy a IF (Intersticials Free) oceli, které dnes již nedostačují svými parametry a jsou postupně nahrazovány plechy se zvýšenými mechanickými vlastnostmi (pevnostními a vysokopevnostními). K základním typům těchto materiálů patří DP (Dual Phase), TRIP
Ing. Jan Boček 12 2008 (Transformation Induced Plasticity), TWIP (Twinning Induced Plasticity), CP (Complex Phase) a MS (Martensite Steel) oceli. Mechanické hodnoty vysokopevnostních plechů jsou diametrálně odlišné od klasických hlubokotažných materiálů. Meze pevnosti se zde pohybují od 700 MPa až po extrémních 1500 MPa. Z toho vyplývá, že přednostně byly tyto materiály tvářeny za tepla, což je ovšem velice nákladné. Současný výzkum v oblasti pevnostních materiálů je proto zaměřen na zlepšení jejich lisovatelnosti za studena [2, 5, 26].
Proto si tato práce vzala za svůj hlavní cíl poznat a následně popsat vlastnosti a chování zvoleného vysokopevnostního materiálu při zkouškách tváření za studena, a tím tak přispět k hlubšímu poznání této problematiky. Materiál je hodnocen zejména ve vztahu k rychlosti deformace zkušebního dílu. Rozmezí hodnot zkoušených rychlostí je velké a umožňuje tak co nejkomplexnější pohled na chování zkoušeného materiálu za různých podmínek zatěžování.
Tato disertační práce je zpracována za podpory firmy Škoda Auto a.s., a tak jejím největším přínosem je uplatnění experimentálně zjištěných hodnot a poznatků, jako směrnic pro konstrukci a simulaci dynamicky namáhaných dílů karosérie, přímo v průmyslové výrobě osobních automobilů.
Předkládaná disertační práce je, v souladu s předchozím textem, zaměřena zejména na zkoumání těchto hlavních oblastí.
• Současný vývoj konstrukce automobilové karosérie, používané materiály a nové trendy.
• Zkoušky hodnocení tvářitelnosti plechů a faktory, které je ovlivňují.
• Analýza napjatosti při procesu tažení vzorků.
• Metalografický rozbor vysokopevnostního materiálu a zjištění možných změn v jeho struktuře během experimentálního zatěžování.
• Výzkum vlivu rychlosti zatěžování na průběh a výsledek zkoušky tahem.
• Zjištění diagramů mezních přetvoření při různých rychlostech deformace.
• Komplexní pohled na problematiku lisovatelnosti vysokopevnostního materiálu za studena.
Ing. Jan Boček 13 2008