Накратко

Пробиването на топлинни щитове за автомобили е прецизен производствен процес, предназначен за управление на топлинните натоварвания на превозните средства с използване на тънкостенни метали, обикновено 0.3 мм до 0.5 мм алуминиеви сплави (1050, 3003) или неръждаема стомана (Клас 321). Производственият поток често използва прогресивно щамповане на матрици или трансферно пресоване, като включва критична етап на релефно оформяне преди формоването.

Този процес на релефно оформяне – създаващи модели като полусфери или стуко – значително увеличава структурната огъваща способност на тънките фолиози и подобрява топлинната отразяваща способност. Инженерният успех зависи от балансирането на формируемостта на материала с управлението на дефектите, по-специално контролиране на завиване при формоване при сблъсък и поддържане на тесни допуски (до ±0,075 мм), за да се осигури безпроблемна сглобка.

Избор на материал: Сплави, видове закаляване и дебелина

Изборът на правилния основен материал е първоначална стъпка в инженерството на топлинни щитове, определяна предимно от местоположението на компонента и интензивността на топлината, която трябва да издържи. Производителите трябва да постигнат баланс между целите за намаляване на теглото и топлинната издръжливост, което води до дихотомия между приложенията от алуминий и неръждаема стомана.

Алуминиеви сплави (серия 1000 и 3000)

За обща защита на дъното и моторното отделение алуминият е доминиращият избор поради високата му отразяваща способност и ниска маса. Промишленият стандарт обикновено се върти около 1050 и 3003 сплави . Тези материали често се доставят в състояние на O-темпериране (анелирано/меко), за да се максимизира формоустойчивостта по време на първоначалните етапи на штамцоване.

• Диапазон на дебелина: Стандартните щитове използват листове между 0,3 мм и 0,5 мм - Не, не, не. При двуслойни приложения могат да се използват фолио с тънкост до 0.2mm за да се създадат въздушни празнини, които допълнително изолират от радиационната топлина.
• Увличане чрез деформация: Критичен нюанс при обработката на алуминий 1050-O е физическата трансформация по време на резюме. Механичното действие на валцуващите модели в намотката изтвърдява материала, ефективно превръщайки температурата от O в по-твърдо състояние, често класифицирано като H114: - Не, не, не. Тази допълнителна твърдост е жизненоважна за обработката, но променя параметрите за последващите формиращи операции.

Нежелателна стомана (клас 321)

В топлинни зони с високо напрежение, като турбокомпресори и изпускателни колектори, точката на топене на алуминия (приблизително 660°C) е недостатъчно. Тук инженерите се обръщат към неръжавееща стомана 321 - Не, не, не. Тази титановидна стабилизация на австенитната неръждаема стомана предлага отлична устойчивост на междугранулярна корозия и високотемпературно пълзене.

Примери от практиката, като тези с турбодифузорни екрани, показват необходимостта от неръждаема стомана за компоненти, които изискват дълготраен характер при екстремно термично циклиране. Тези части често изискват по-дебели калибри в сравнение с алуминиевите им аналогови и изискват здравословни инструменти за управление на по-високата якост на материала.

Процес на производство: Стратегии с прогресивни матрици

Работният процес за производство на топлинни щитове се различава от стандартното штамповане на листов метал поради крехкостта на суровината и необходимостта от текстуриране. Процесът обикновено следва строга последователност: Подаване на руло → Текстуриране → Отсичане → Формоване → Рязане/Пробиване .

Последователност текстуриране, след което формоване

За разлика от стандартните панели, при които повърхностното покритие се запазва, топлинните щитове се текстурират нарочно. Стъпката по текстуриране обикновено се извършва веднага след размотаване на рулото. Това не е само естетическо решение; текстурирането осигурява две важни инженерни предимства:

1. Конструктивна огъваемост: Изкуствено увеличава стивестта на фолиата с дебелина 0,3 мм, като им позволява да запазят формата си, без да се деформират.
2. Топлинна производителност: Това увеличава повърхнината за отвеждане на топлината и създава многограни ъгли на отражение.

Формоване чрез сблъсък срещу формоване чрез изтегляне

Инженерите трябва да изберат между формоване чрез сблъсък и формоване чрез изтегляне въз основа на бюджет и геометрия.

• Формоване чрез сблъсък: Този метод използва само пуансон и матрица, без държач на заготовката. Той е икономически изгоден по отношение на инструментите, но податлив на неконтролирано течение на материала. При производството на топлинни екрани това често води до образуване на гънки. Въпреки това, тъй като топлинните екрани са функционални (невидими) компоненти, в промишлеността често се приемат малки гънки, стига те да не пречат на сглобяването.
• Формоване чрез изтегляне: При сложни геометрии, при които гънките водят до функционална неизправност, се използва формоване чрез изтегляне. То прилага държач на заготовката, за да контролира движението на материала в полостта на матрицата, осигурявайки гладка повърхност, но увеличава разходите за инструменти.

Високотомашабно производство се основава на прогресивно щамповане на матрици или автоматизирани системи за трансфер. Например, производството на над 100 000 единици годишно от неръждаема стоманена турбо предпазна решетка изисква значителна пресова мощност. Докато по-леки алуминиеви части могат да се обработват на по-малки линии, здрави стоманени компоненти често изискват 200-тонови до 600-тонови преси за осигуряване на последователно дефинирана форма и размерна точност.

Производителите, които се нуждаят от мащабируеми решения, често търсят партньори с широки възможности за пресоване. Например, Shaoyi Metal Technology предлага прецизно щамповане с пресови мощности до 600 тона, като покрива прехода от бързо прототипиране до масово производство според стандарти IATF 16949. Тази мощност е съществена при прехода от прототипи с мек инструмент към масово производство с твърд инструмент за сложни автомобилни сглобки.

Инженерни предизвикателства: Дефекти и допуски

Щамповането на тънкостенни, релефни материали води до специфични дефекти, които инженерите по процеса трябва да предотвратяват.

Управление на гънки и остатъчно огъване

Завиване е най-често срещаната дефектност при топлинни екрани, формовани чрез удар, поради ниската огъваема жесткост на листовия материал и компресионните напрежения във фланеца. Въпреки че функционалното гофриране често се допуска в несъединяващи се области, неконтролирани гънки (припокривания) могат да доведат до пукнатини или опасности за безопасността по време на работа.

Връщане след извиване е друга променлива величина, особено при усилени чрез деформация алуминиеви сплави H114 или високоякостни неръждаеми стомани. За предвиждане на еластичното възстановяване и компенсиране на геометрията на матрицата (преизгибания) често се използва софтуер за симулации, за да се постигне окончателната форма.

Точни допуски

Въпреки грубия вид на релефно тъканите екрани, точките за закрепване изискват висока прецизност. Екраниращ щит за турбокомпресор например може да изисква допуски толкова малки, колкото ±0,075 мм на критични диаметри, за да се осигури перфектно запечатване и да се предотвратят вибрационни шумове. Постигането на такова ниво на прецизност изисква ограждения с висока жесткост и често включва вторични операции като лазерно гравиране за проследимост (баркодове, дати на производство) директно в производствената линия.

Пукане по ръбовете

Ръбните пукнатини могат да възникнат по време на фланциране на тиснени листове. Процесът на тиснене намалява дуктилността на материала, което го прави по-податлив на скъсване при опъване. Оптимизирането на съотношението на тиснене (височина спрямо диаметър на издухването) е ключов параметър в дизайна за предотвратяване на този режим на повреда.

Шаблони за тиснене и топлинна функция

Текстурата на топлинен щит е функционална спецификация. Изборът на шаблон влияе както върху формируемостта на метала, така и върху неговите топлинни свойства.

• Хемисферичен шаблон: Той е широко използван поради добре балансираната му многоосна стивава и изключителна отразяваща способност. Създава ефекта на вдлъбнатини, които ефективно разсейват лъчистата топлина.
• Щековидни/стуко шаблони: Тези предлагат различен естетичен вид и могат да осигурят по-добра издръжливост в среди, подложени на отчупване от камъни, като тунели под дъното.

Симулационните проучвания показват, че геометрията на тисненето играе роля в формируемост - Не, не, не. Добре проектиран модел позволява на материала да тече по-равномерно по време на изтеглянето, намалявайки риска от дълбоки фрактури, докато агресивен модел върху крехка сплав ще доведе до незабавен провал.

Приложения и практически примери в индустрията

Автомобилните топлинни щитове се използват навсякъде, където топлинното управление е от решаващо значение за дълготрайността на компонентите и комфорта на пътниците.

• Скрила на турбокомпресора: Обикновено от неръждаема стомана 321. Те трябва да издържат на бърз топлинен цикъл и на интензивна радиационна топлина от корпуса на турбината.
• Изпускателни щитове за многостранни отработки: Често с много слоеве алуминий или стомана. Те предпазват кабелите на двигателната кутия и пластмасовите компоненти от топлинната впитка на колектора.
• Подкожни тунели: Големи, формирани алуминиеви листове (1050/3003) по дължината на изпускателната система. Те предотвратяват прехвърлянето на топлина към пода на кабината и често служат за двойна цел - аеродинамично изглаждане и намаляване на шума.
• Защита на електронната контролна единица (ECU): По-малки, прецизни щитове, предназначени да отклоняват топлината от чувствителната бордова електроника.