Накратко

The алуминиев процес за табане в автомобилната промишленост е критична стратегия за намаляване на теглото, която намалява масата на превозното средство с до 40–60% в сравнение с традиционната стоманена конструкция. Този метод за производство включва превръщането на листове от алуминиева сплав — предимно 5xxx (Al-Mg) и 6xxx (Al-Mg-Si) серии — в сложни структурни и обвивочни компоненти чрез използване на преси с голяма тонаж и прецизни матрици. Въпреки това алуминият води до уникални инженерни предизвикателства, включително Модул на Юнг само една трета от тази на стоманата, което води до значителни връщане след извиване , и абразивен оксиден слой, изискващ напреднали трибологични решения. Успешното прилагане изисква специализирани кинематики на сервопреси, топло формиране методи и стриктно спазване на насоките за проектиране, като ограничаване на коефициента на изтегляне (LDR) под 1,6.

Автомобилни алуминиеви сплави: серия 5xxx срещу серия 6xxx

Изборът на правилната сплав е първоначалната стъпка в алуминиев процес за табане в автомобилната промишленост за разлика от стоманата, при която класовете често са взаимозаменяеми с незначителни промени в процеса, алуминиевите сплави притежават различни металургични свойства, които определят приложението им в каросерията (BiW).

серия 5xxx (алуминий-магнезий)
Сплавите от серия 5xxx, като 5052 и 5083, не подлежат на топлинна обработка и увеличават якостта си единствено чрез деформационно усилване (студено формоване). Те предлагат отлична формируемост и висока корозионна устойчивост, което ги прави идеални за сложни вътрешни конструктивни елементи, резервоари за гориво и компоненти на шасито. Въпреки това, инженерите трябва да бъдат внимателни към "линии на Лидерс" (напрегнати деформации) — непривлекателни повърхностни следи, които възникват по време на огъване. Поради това сплавите от серия 5xxx обикновено се използват само за невидими вътрешни панели, където външният вид е второстепенен спрямо структурната цялостност.

серия 6xxx (алуминий-магнезий-силиций)
Серията 6xxx, включително 6061 и 6063, е стандарт за външни повърхности от клас „А“, като капаци, врати и покриви. Тези сплави могат да се термично обработват. Обикновено те се изстискват при състояние T4 (разтворена топлинна обработка и естествено стареене), за да се максимизира формируемостта, след което се изкуствено стареят до състояние T6 по време на процеса на боядисване (захардняване чрез нагряване). Този процес значително увеличава границата на остатъчна деформация, осигурявайки необходимата устойчивост към вдлъбнатини за външните панели. Компромисът е по-строг прозорец за формоване в сравнение със сплавите от серия 5xxx.

Процесът на изстискване: студено срещу топло формоване

Формоването на алуминий изисква фундаментална промяна в подхода спрямо изстискването на стомана. Според MetalForming Magazine средностабилното алуминие има приблизително 60% от разтегателната способност на стоманата . За преодоляване на това производителите прилагат два основни технологични подхода.

Студено изстискване с серво технология

Стандартното студено щамповане е ефективно за по-плоски детайли, но изисква прецизен контрол върху скоростта на кукаля. Тук са задължителни серво преси; те позволяват на операторите да програмират „импулс“ или „маятниково“ движение, които намаляват скоростта на удар и задържат в долната точка на хода (ДМТ). Това време на задържане намалява еластичното връщане, като дава възможност на материала да се релаксира, преди инструментите да се отдръпнат. Студеното формоване разчита предимно на компресионни сили, а не на опънно разтягане. Помощна аналогия е туба паста за зъби: можете да я оформите, като я стиснете (компресия), но ако я дърпате (опън), тя незабавно се поврежда.

Топло формоване (формоване при повишена температура)

За сложни геометрии, при които студеното формоване е недостатъчно, топло формиране е индустриалното решение. Чрез загряване на алуминиевата заготовка до температури обикновено между 200°C и 350°C, производителите могат да увеличат остатъчното удължение до 300%. Това намалява напрежението при деформация и позволява по-дълбоки изтегления и по-остри радиуси, които биха се напукали при стайна температура. Въпреки това, топлото формоване внася сложности: матриците трябва да се загряват и изолират, а цикличното време е по-бавно (10–20 секунди) в сравнение със студеното штамповане, което влияе на разходите за детайл.

Критични предизвикателства: Отскок и повърхностни дефекти

The алуминиев процес за табане в автомобилната промишленост се определя от борбата срещу еластичното възстановяване и повърхностните несъвършенства. Разбирането на тези видове откази е от съществено значение за проектирането на процеса.

• Тежест на отскока: Алуминият има модул на еластичност от около 70 GPa, спрямо 210 GPa при стоманата. Това означава, че алуминият е три пъти по-„еластичен“, което води до значителни отклонения в размерите след отваряне на матрицата. Компенсацията изисква сложен софтуер за симулация (като AutoForm), за да се увеличат повърхнините на матрицата, както и използването на последващи операции за преформоване, за да се фиксира геометрията.
• Залепване и алуминиев оксид: Листовете от алуминий са покрити с твърд, абразивен слой от алуминиев оксид. По време на штамповане този оксид може да се откърти и да се залепи за инструменталната стомана – явление, известно като залепване. Това натрупване драска следващите части и бързо намалява живота на инструмента.
• Пореста кора: Ако зърнестостта на алуминиевия лист е прекалено груба, повърхността може да стане неравна по време на формоване, приличайки на кожата на портокал. Този дефект е недопустим за външни повърхности от клас А и изисква строг контрол върху металургичните параметри от страна на доставчика на материала.

Инструменти и трибология: Покрития и смазване

За намаляване на залепването и осигуряване на последователно високо качество, инструменталната среда трябва да бъде оптимизирана специално за алуминий. Стандартните необлечени инструментални стомани са недостатъчни. Правачите и матриците обикновено изискват Физическо утайване от парна фаза (PVD) покрития, като Въглерод, подобен на диамант (DLC) или хром нитрид (CrN). Тези покрития осигуряват твърда, ниско триеща бариера, която предотвратява залепването на алуминиев оксид към инструменталната стомана.

Стратегията за смазване е също толкова важна. Традиционните мокри масла често не се справят при високите контактни налягания при штамповка от алуминий или пречат на последващото заваряване и залепване. Индустрията преминава към Сухи филмови смазки (горещи разтопи), нанасяни върху рулоните на производствената линия. Тези смазки са в твърдо състояние при стайна температура — което подобрява почистването и намалява измиването, — но се превръщат в течност под топлината и налягането по време на формоване, осигурявайки превъзходно хидродинамично смазване.

За производители на оригинално оборудване (OEM) и доставчици от първо ниво, преминаващи от прототипиране към серийно производство, е от съществено значение ранното валидиране на тези стратегии за инструменти. Партньори като Shaoyi Metal Technology специализират се в преодоляването на този разрив, като предлагат инженерна поддръжка и възможности за работа с високи товари (до 600 тона), за да усъвършенстват трибологията и геометрията преди пускането в серийно производство.

Ръководство за проектиране при штамповане на алуминий

Инженерите по продукти трябва да адаптират своите проекти към ограниченията на алуминия. Директната замяна на стоманена геометрия вероятно ще доведе до напукване или образуване на гънки. Следните емпирични правила са широко приети за осигуряване на технологичност:

Освен това конструкторите трябва да използват функции "адендум" — геометрия, добавена извън крайната линия на детайла — за контролиране на движението на материала. Напречните и фиксиращите ребра са от съществено значение за ограничаване на метала и неговото достатъчно разтегляне, за да се предотврати набръчкването, особено в зони с ниска кривина като вратните панели.

Заключение

Специалист по алуминиев процес за табане в автомобилната промишленост изисква съчетаване на металургия, напреднала симулация и прецизна трибология. Въпреки че преходът от стомана изисква по-строги процесни граници и по-високи инвестиции в инструменти, постиженията в намаляване на теглото на превозните средства и повишаване на горивната ефективност са неоспорими. Като се вземат предвид уникалните свойства на сплавите 5xxx и 6xxx — по-ниската им упругост и ограничени коефициенти на изтегляне — производителите могат да произвеждат висококачествени компоненти, които отговарят на строгите изисквания на модерната автомобилна индустрия.

Често задавани въпроси

1. В какво се заключава разликата между студеното и топлото алуминиево щамповане?

Студеното щамповане се извършва при стайна температура и използва серво прес кинематика за управление на потока от материал, подходящо за по-прости части. Топлото щамповане включва нагряване на алуминиевата заготовка до 200°C–350°C, което увеличава удължението на материала до 300%, позволявайки формирането на сложни геометрии, които биха се напукали при студено формоване.

2. Защо огъването е по-силно при алуминия в сравнение със стоманата?

Огъването се определя от модула на Юнг (стивност) на материала. Алуминият има модул на Юнг от около 70 GPa, което е приблизително една трета от този на стоманата (210 GPa). Тази по-ниска стивност кара алуминия да се еластично възстановява (огъва) значително повече, когато се отстрани формовъчното налягане, което изисква напреднали стратегии за компенсация на матриците.

3. Могат ли стандартните матрици за щамповане на стомана да се използват за алуминий?

Не. Формите за алуминиево штамповане изискват различни междини (обикновено 10–15% от дебелината на материала) и значително по-големи радиуси (8–10 пъти дебелината), за да се предотврати пукането. Освен това, инструментите за алуминий често изискват специализирани покрития DLC (Diamond-Like Carbon), за да се предотврати залепването, причинено от абразивния оксиден слой на алуминия.

4. Какво е "граничното отношение за изтегляне" за алуминий?

Граничното отношение за изтегляне (LDR) за алуминиеви сплави обикновено е около 1,6, което означава, че диаметърът на заготовката не би трябвало да надвишава 1,6 пъти диаметъра на пуансона при едноетапно изтегляне. Това е значително по-ниско в сравнение със стоманата, която може да издържи LDR от 2,0 или повече, което изисква по-консервативни процесни проекти или многоетапно изтегляне за алуминия.