Щанцоване на автомобилни стойки: напреднали технологии и инженерни решения

Накратко

Щанцоване на автомобилни колони е процес за високоточно производство, от съществено значение за безопасността и структурната цялостност на превозното средство. Включва оформянето на A, B и C колони от ултра високопрочни стомани (UHSS) и напреднали алуминиеви сплави, чрез методи като горещо щанцоване и формоване с прогресивен матричен инструмент. Производителите трябва да постигнат баланс между противоречащи си цели: максимизиране на защитата при катастрофи – особено при преобръщане и странични удари – и минимизиране на теглото за по-добра икономия на гориво и обхват при ЕV. Напреднали решения включват серво прес технология и специализирани инструменти за преодоляване на предизвикателства като еластичен връщане и накърняване при обработка.

Анатомия на автомобилните колони: A, B и C

Основният структурен елемент на всеки пътнически автомобил се състои от серия вертикални подпори, известни като стойки, които се обозначават азбучно отпред назад. Въпреки че те работят заедно, за да поддържат покрива и управляват енергията при удар, всяка стойка представлява уникални предизвикателства при штамповката поради своята специфична геометрия и роля в безопасното поведение.

The A-стойка обрамчва предното стъкло и осигурява шарнирите на предната врата. Според Group TTM , A-стойките са проектирани с изключително сложни 3D кривини и променливи дебелини на стените, за да се оптимизира видимостта, като едновременно се осигури надеждна защита при преобръщане. Геометричната сложност често изисква множество формовъчни операции за създаване на фланци за монтаж на предното стъкло, без да се компрометира структурната твърдост на стойката.

The B-стойка е може би най-важният компонент за безопасността на пътниците при странични сблъсъци. Разположен между предната и задната врати, той свързва пода на автомобила с покрива и служи като основен път за предаване на натоварването по време на сблъсък. За да се предотврати навлизането в пасажерската кабина, B-колоните трябва да притежават изключително висока якост на остатъчна деформация. Производителите често използват усилвателни тръби или комбинирани елементи от високоякостна стомана в конструкцията на колоната, за да максимизират абсорбцията на енергия.

C и D колони поддържат задната част на кабината и задното стъкло. Въпреки че изпитват по-малки директни ударни натоварвания в сравнение с B-колоната, те са от съществено значение за торзионната остойчивост и безопасността при сблъсъци отзад. В съвременното производство тези компоненти все по-често се интегрират в по-големи странични панели на купето, за да се намалят етапите на сглобяване и да се подобри външният вид на автомобила.

Материалознание: Преход към UHSS и AHSS

Автомобилната индустрия за стъмпане предимно премина от меки въглеродни стали към свръхвисокопрочни (UHSS) и напреднали високопрочни стали (AHSS), за да отговаря на строгите разпоредби за безопасност при сблъсък. Този преход се дължи на необходимостта от увеличаване на съотношението между здравина и тегло, което е особено важно за електрическите превозни средства (EV), където теглото на батерията трябва да се компенсира чрез по-лека каросерия на черново.

Марки материали като борна стомана вече са стандарт за зони с критично значение за безопасността. Тези материали могат да достигнат якост на опън над 1500 МРа след термична обработка. Въпреки това работата с тези затвърдени материали води до значителни инженерни предизвикателства. Изискват се преси с по-голяма тонажност, за да се деформира материала, а риска от пукане или разкъсване по време на процеса на изтегляне е по-висок в сравнение с по-меките сплави.

Тази еволюция на материала също оказва влияние върху дизайна на инструментите. За да издържат на абразивния характер на UHSS, штамповите матрици трябва да бъдат оснастени с отрязъци от висококачествена инструментална стомана и често изискват специализирани повърхностни покрития. Производителите трябва също да вземат предвид ефекта на "възвръщане" — при който метала се опитва да се върне в първоначалната си форма след оформянето — като внедряват компенсации чрез прекомерно огъване директно в повърхността на матрицата.

Основни технологии за штамповане: горещо срещу студено оформяне

Две доминиращи методологии определят производството на колони за автомобили: горещо штамповане (пресово закаляване) и студено оформяне (често с използване на прогресивни матрици). Изборът между тях зависи предимно от сложността на детайла и изискваните характеристики за якост.

Топка маркиране е предпочитаният метод за компоненти, изискващи изключително висока якост, като B-стойките. При този процес стоманената заготовка се нагрява до около 900°C, докато стане пластична (аустенизация). След това бързо се прехвърля в охлаждена матрица, където се оформя и закалява едновременно. Магна подчертава, че тази техника позволява създаването на сложни геометрии с изключително високи якостни свойства, които биха се напукали при студено оформяне. Резултатът е размерно стабилна детайл с минимално остатъчно деформиране.

Студено оформяне и прогресивни матрици продължават да бъдат стандарт за части със сложни елементи, като A-стойката. Прогресивна матрица извършва серия от операции — пробиване, надрязване, огъване и рязане — в един-единствен непрекъснат цикъл, докато лентата се подава през пресата. Този метод е изключително ефективен за производство в големи серии. За производители, нуждаещи се да преодолеят пропастта между бързо прототипиране и масово производство, партньори като Shaoyi Metal Technology предлагат мащабируеми решения, използващи пресови възможности до 600 тона за обработка на сложни автомобилни компоненти с прецизност, сертифицирана по IATF 16949.

Инновации като технологията "TemperBox", описана от GEDIA позволяват целенасочено отпускане по време на процеса на горещо формоване. Това дава възможност на инженерите да създават "меки зони" в хардуерно якия B-стойка — области, които могат да се деформират, за да поглъщат енергия, докато останалата част от стойката остава твърда, за да предпазва пътниците.

Сравнение на методите за щамповка

Инженерни предизвикателства и решения при производството на стойки

Производството на автомобилни стойки е постоянна битка с физическите ограничения. Връщане след извиване е най-разпространеният проблем при студеното штамповане на UHSS. Тъй като материала запазва значителна еластична памет, той има тенденция да се разгъне леко след отварянето на пресата. В момента се използва напреднало софтуерно осигуряване за прогнозиране на това движение, което позволява на производителите на инструменти да обработват повърхността на матрицата до „компенсирана“ форма, която осигурява правилната крайна геометрия.

Смазване и качеството на повърхността са еднакво важни. Високите налягане при контакт могат да доведат до залепване (прехвърляне на материал) и прекомерно износване на инструмента. Освен това остатъчните смазки могат да пречат на последващите процеси на заваряване. Проучване на случай от IRMCO показа, че преминаването към безмаслен, напълно синтетичен флуид за штамповане при стоманени стойки с цинкови покрития намали консумацията на флуид с 17% и елиминира проблема с бялата корозия, която причинява дефекти при заварките.

Размерна прецизност е недоговаряемо, тъй като стойките трябва да са напълно подравнени с врати, прозорци и панели на покрива. Отклонения дори от милиметър могат да доведат до шум от вятъра, течове на вода или трудно затваряне. За осигуряване на точност много производители използват лазерни измервателни системи в линия или проверяващи приспособления, които потвърждават позицията на всеки монтажен отвор и фланец незабавно след штамповането.

Бъдещи тенденции: Намаляване на теглото и интеграция на ЕП

Развитието на електрическите превозни средства преобразява конструкцията на стойките. Тежкият акумулатор в ЕПС изисква активно намаляване на теглото в други части от шасито. Това води до прилагането на Tailor Welded Blanks (TWB) , при които листове с различна дебелина или класове се заваряват чрез лазер преди самотно пресоване. По този начин най-дебел и здрав метал се поставя само там, където е необходим (напр. горната част на B-стойката), а на други места се използва по-тънък метал за спестяване на тегло.

На хоризонта са и радикални промени в дизайна. Някои концепции, като системи с врати без B-стойка, напълно преосмислят каросерията, за да подобрят достъпа. Тези проекти прехвърлят натоварването, обикновено поемано от B-стойката, към усилени врати и надлъжници, което изисква още по-напреднали механизми за пресоване и заключване, за да се запазят стандарти за безопасност при страничен удар.

Точност в основата на безопасното

Производството на автомобилни стойки представлява съчетание от напреднала металургия и прецизна инженерия. Докато стандарти за безопасност се развиват и архитектурите на превозните средства се насочват към електрификация, индустрията на щамповане продължава да иновира с по-интелигентни матрици, по-силни материали и по-ефективни процеси. Независимо дали чрез топлината на пресоване или чрез скоростта на прогресивни матрици, целта остава непроменена: производство на огъваема, лека безопасна клетка, която защитава пасажерите без компромис.

Често задавани въпроси

1. Каква е разликата между горещо и студено щамповане за стойки?

Горещото клеймосване (пресово закаляване) включва нагряване на стоманената заготовка до около 900°C преди оформяне и закаляване в матрицата. Този процес се използва за създаване на свръхвисокопрочни компоненти като B-колони, които съпротивляват на навлизане. Студеното клеймосване оформя метала при стайна температура, което е по-бързо и по-икономично по отношение на енергията, но по-предизвикателно при справянето с ефекта на възстановяване при високопрочни материали. Често се използва за A-колони и други конструктивни части.

2. Защо B-колоните са изработени от свръхвисокопрочна стомана (UHSS)?

B-колоните са основната защита срещу странични сблъсъци. Използването на UHSS позволява на колоната да издържа на огромни сили и да предотврати вътрешно разрушаване на кабината на превозното средство, осигурявайки защита на пътниците. Високото съотношение между якост и тегло на UHSS също помага за намаляване на общото тегло на превозното средство в сравнение с използването на по-дебели пластове от по-мека стомана.

3. Как производителите се справят с ефекта на възстановяване при оформени чрез клеймосване колони?

Явленията на възвръщане към първоначалната форма се появява, когато штампованият метал се опитва да се върне в своята оригинална форма. Производителите използват напреднали софтуерни решения за симулация (AutoForm, Dynaform), за да предвидят това поведение и да проектират штампови форми с „прегъване напред“ или компенсирани повърхности. Това гарантира, че след като детайлът се възстанови еластично, той ще заеме правилните окончателни размери.