汽車金屬成型的工作原理

汽車金屬成型的工作原理

鐵匠的職業可以追溯到數千年前。在古代,鐵匠會用錘子將金屬敲打成有用的物件,通常會先在鍛爐中加熱金屬。(「Smith 「一字與 」smite 」同源,所以鐵匠的工作就是將金屬在火中燒黑)。

鐵匠在今天相對稀少 – 儘管他們仍然存在,而且使用的工具比古代的工具現代得多。將金屬加工成可用物件的工作,現在大多數是由機器來完成。在汽車製造業,從車身到車輪上最小的螺帽,每一個金屬零件都是透過工業金屬成型製程製造出來的。這些製程處於現代製造業的尖端,電腦與汽車廠的機械和液壓機器在此相遇。

汽車金屬成型是汽車製造最重要的環節之一。如果不能將金屬加工成有用的形狀,汽車就不可能存在。而機器 – 通常由電腦控制 – 能夠快速可靠地製造出汽車零件,也是讓人們能夠以比買一棟房子還便宜的價格買到汽車的原因之一。

但是金屬成型是如何運作的呢?我們很容易理解現代鐵匠如何用電錘和氧乙炔炬來塑造金屬,但是機器如何做到這些事情呢?在接下來的幾頁中,我們將討論金屬成型這個過程如何能以機械化的方式,在大規模的工業基礎上進行。我們將探討一些用於汽車製造的特定技術和製程。我們也會展望未來,看看今日開發的金屬成型技術將如何協助我們打造明日的汽車。

汽車金屬成型技術

金屬最重要的特點之一就是它可以發生塑性變形。這並不表示金屬是由塑膠製成,但它可以做到塑膠所能做到的其中一件事: 它幾乎可以變成我們所能想像的任何形狀。

塑性變形的過程從毛坯開始,毛坯是一定數量的金屬,其基本形狀將發生形狀變化。在金屬成形過程中,毛坯成為工件– 即需要重新成形的金屬。對於汽車金屬成形,坯料通常由金屬板材製成,可以沖壓、切割或彎曲成汽車車身所需的形狀。另外,它也可以是立方體或鏡片狀的實心金屬塊。以下是金屬工件在汽車製造過程中的一些變形方式:

彎曲: 在彎曲過程中,會對金屬板工件施力,使其表面產生弧度。折彎通常用來製造簡單的曲面,而非複雜的曲面。機械操作的沖床將沖頭抵在金屬板上,以足夠的壓力迫使金屬板進入一個簡單的模具,使金屬的形狀產生永久性的改變。壓力的大小非常重要。如果沒有施加足夠的壓力,金屬就會彈回原來的形狀。如果施加的壓力太大,金屬可能會破裂。

拉伸: 在拉伸過程中,金屬板會被壓在模具上,而模具已被切割成金屬板所需的立體形狀,通常是弧形。實際上,模具就是金屬的模具。這種技術可以製造出相對複雜的形狀。再次,使用液壓或機械操作的沖頭對工件施壓。這其中牽涉到許多危險,不是對人(因為這個過程主要是機械化的),而是對金屬本身。金屬可能會因壓力過大而破裂,或因與模具互動而產生皺紋。可以使用潤滑劑使金屬更平滑地滑過模具,避免起皺的可能性。另外,也可以在單獨的作業中將皺邊從金屬上修掉。這種方法常用於製造汽車車身零件和油箱。

沖壓: 在沖壓中,一種稱為沖壓機的裝置與一系列的模具一起使用,將金屬切割成形為各種形狀。這種方法常用於製造汽車零件,如輪轂蓋和翼子板。

擠壓: 擠壓可用於製造長形金屬物件,例如棒材和管材。金屬工件被強制壓入一個對端有孔的模具中。金屬從孔中擠出形成形狀。擠壓可以用來製造汽車傳動系統的重要零件或固定安全帶的錨。

鍛造: 鍛造製程使用錘子或壓力機,基本上是古代鐵匠使用的錘子的機械化版本。金屬會被鎚擊在作為鐵砧的表面上。它可以重複錘擊以形成複雜的形狀。這可以用來替代拉伸製程。

上述製程通常使用冷金屬。熱金屬也可以使用,有時溫度夠高,熔融金屬可以倒入模具中。這需要非常昂貴且能承受高溫的模具,而且必須快速完成,以減少模具暴露在熔融金屬中的時間。

汽車金屬成型的進展

過去半世紀以來,汽車製造和金屬成形最重要的就是電腦。電腦在兩方面對金屬成形非常重要:

它們可以引導製程。電腦可以在瞬間做出決策,引導金屬成型作業完成複雜的順序 – 例如,使用鍛造錘敲打工件,其方式與古代鐵匠的方式大致相同,但使用的是液壓機械的增強物理力。鍛造鎚的動作可以預先編程,以製造出與人類工匠的手所創造出的一樣複雜的形狀。同樣地,電腦可以控制工件在多個作業階段之間的流動,以製造出完成的形狀。

它們可以模擬製程。電腦可以用來模擬金屬成型過程中的物理力,這樣就可以發明新的金屬成型作業,而不必使用昂貴的機器來實驗新的想法。精密的模擬軟體可在電腦上複製金屬成形作業,讓科學家可以看到對不同種類的金屬施加熱力和作用力的結果。在電腦上犯錯的代價遠低於在現實世界中犯錯的代價,而且還可以嘗試在實際機器上浪費時間的錯誤。

電腦模擬開啟了金屬成型的新領域。許多新的金屬成型技術都是基於對各種金屬的微觀結構以及金屬在壓力和熱力作用下的物理過程的深入瞭解。有些新製程是舊製程的混合體。熱金屬製程也是一種趨勢,它允許使用不適合冷加工的金屬。

這些新技術允許創新,例如使用更輕的金屬,但仍能保持傳統汽車零件的強度。例如,在製造節能汽車或電池電動汽車時,車身必須盡可能輕,以抵銷電池陣列的巨大重量。這些技術也讓汽車零件的製造成本降低,而品質不會下降。例如,電磁成形技術可將金屬工件暴露在磁場中,使金屬本身產生電流,從而加快成形過程,且不會產生通常會出現的撕裂和皺紋。這使得以前在自動金屬成形中無法實現的流程得以使用。

自從 Henry Ford 證明了以低成本流水線生產汽車和汽車零件的可行性之後,金屬成形的科學和技術已經取得了長足的進步,向汽車製造行業展示了如何以低廉的價格生產非凡的汽車。

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