Штамповане на автомобилни конструктивни усилватели: Инженерно ръководство

Накратко

Клапирането на структурни усилвания за автомобили е производствена дейност с високи рискове, която трябва да постигне баланс между две противоположни цели: максимизиране на омностойчивостта и минимизиране на теглото на превозното средство (облекчаване на теглото). Стандартът в индустрията за безопасностно критични компоненти като стойки А и врати пръстени се премести към Горещо струговане (пресово закаляване) боровите стомани, които постигат якост при опън над 1 500 MPa, без проблема от връщане при охардняване. Хладно отпечатване остава от съществено значение за алуминиевите корпуси на батерии за BEV и по-малко сложни геометрии, където ефективността по отношение на разходи е от първостепенно значение. Успехът в този сектор изисква навигация през напреднали материали, управление на тесни допуски и избор на подходящата тонаж на пресата за мащабно производство.

Инженерното предизвикателство: Защо структурните усилвания са уникални

В контекста на автомобилното тяло „каросерия-в-бяло“ (BIW), структурните усилвания са скелетът, който защитава пътниците по време на сблъсък. За разлика от декоративните каросерни панели (обвивка), тези компоненти – включително А-колони, Б-колони, надлъжни релси, покривни релси и напречни усилвания – трябва да абсорбират и препращат огромна кинетична енергия. Основният инженерен проблем се корени в „императива за намаляване на теглото“. С все по-строгите разпоредби за емисии и необходимостта от максимален обсег при електрическите превозни средства (EV), инженерите не могат просто да добавят по-дебели стоманени листове, за да повишат безопасното ниво.

Вместо това индустрията разчита на Напреднали високо якостни стомани (AHSS) и алуминиеви сплави. Докато меката стомана обикновено има граница на овлажняване около 200 MPa, съвременните стомани след студено оформяне, използвани в усилванията, могат да надвишат 1500 MPa (приблизително 217 ksi). Това позволява по-тънки дебелини, които намаляват теглото, като при това запазват или подобряват структурната цялостност.

Въпреки това, штамповането на тези високоефективни материали води до значителни производствени предизвикателства. Основният враг при студеното штамповане на високопрочни материали е връщане след извиване —склонността на метала да се върне към първоначалната си форма след премахване на формовъчната сила. Това прави постигането на прецизни допуски при сложни геометрии изключително трудно, често изисквайки сложен софтуер за симулация и серво-прес технология за компенсиране.

Сравнение на процесите: Горещо штамповане (пресово закаляване) срещу студено штамповане

Изборът между горещо и студено штамповане е централно технологично решение за структурни усиления. Всеки метод има различна механика, разходи и последици за материала.

Горещо струговане (пресово закаляване)

Горещото штамповане, или пресовото закаляване, е доминиращият метод за критични за безопасността компоненти на каросерията. Процесът включва нагряване на заготовки от борна стомана до около 900°C (1,650°F) докато достигнат аустенитно състояние. Нажежената заготовка след това бързо се прехвърля във водно охлаждана матрица, където се оформя и закалява едновременно.

Това бързо охлаждане трансформира микроструктурата на стоманата от аустенит в мартензит, заключвайки геометрията и напълно елиминирайки ефекта на възвръщане. Според промишлени данни този процес може да повиши якостта на опън на боровата стомана от първоначални 50 ksi до над 200 ksi (приблизително 1,380 MPa). Затова горещото штамповане произвежда части с критично значение за безопасността като усилватели на врати и греди на бампери, които са едновременно изключително здрави и прецизни по размери.

Хладно отпечатване

Хладното штамповане се извършва при стайна температура и разчита на пластичността на материала. Въпреки че е по-бързо и енергийно ефективно (не изисква загряване), то има ограничения при използването на материали с изключително висока якост поради накърняване при обработка и ефекта на възвръщане. Въпреки това, постиженията в технологията на сервопреси – които позволяват прецизен контрол на скоростта на хода и силата на задържане – разшириха възможностите на хладното штамповане. То остава предпочитаният метод за алуминиеви компоненти и структурни части с по-прости геометрии или по-ниски изисквания за якост.

Материалознание: AHSS, Борова стомана и Алуминий

Производителността на един щампосан усилващ елемент се определя от неговия материал. Автомобилната индустрия отдавна е напуснала обикновената мека стомана.

Борова стомана (22MnB5)

Борната стомана е гръбнакът на топлото штампиране. Добавянето на бор значително увеличава твърдостта. В началното си състояние е сравнително мек и поддаден на оформяне, но след процеса на ожесточаване с преса става изключително твърд. Тази двойствена природа позволява създаването на сложни форми, които се втвърдяват в непреклонни конструкции за безопасност.

Алуминиеви сплави (серия 5xxx и 6xxx)

С възхода на електромобилите алуминийът става все по-популярен за корпуси за батерии и ударни кули, за да компенсира тежките батерии. Металопечатането играе решаваща роля в производството на електромобили чрез образуване на тези леки сплави. Въпреки това алуминият е склонен да се напука и разкъса при дълбокото изтегляне, което изисква специализирани смазочни материали и често няколко стъпки на изтегляне в сравнение със стоманата.

Оцinkовано желязо

За структурни компоненти под тялото, изложени на пътна сол и влага, корозионната устойчивост не е подлежаща на обмен. Гаваняваната стомана, която е покрита с цинково покритие, се използва широко за компоненти на шасито и релсите. За штампирането на цинковия материал се изисква внимателно поддържане на изкуството, тъй като цинковият слой може да се отклони и да се натрупва върху инструмента, което влияе на качеството на частите.

Преодоляване на пропастта: От прототип до масово производство

Изборът на партньор за штампиране за структурни арматури не е само за намиране на най-ниската цена на парчето; това е за намиране на доставчик с гъвкавост, за да се справи с целия жизнен цикъл на продукта. Автомобилните програми обикновено преминават от бързо прототипиране към валидиране с нисък обем и накрая към масово производство с голям обем. Фрагментираната верига на доставки, при която прототипите се произвеждат от един магазин и производствените части от друг, може да доведе до критични "греши в превода" при проектирането на инструменти и реализацията на толерантност.

В идеалния случай доставчик на ОЕИ или Tier 1 трябва да се ангажира с партньор, който да е в състояние да се разширява безпроблемно. Основните възможности включват широк спектър от тонажи на пресите (напр. от 100 до 600 тона), за да се приспособяват различните размери на частите и размерите на материалите, както и вътрешни инструментални експертизи за управление на прехода от меки инструменти към прогресивни твърди матри

За производителите, които търсят това ниво на интеграция, Shaoyi Metal Technology е пример за необходимата компетентност. Сертифициран за IATF 16949:2016 те покриват разликата между инженерната валидация и масовото производство. Способностите им варират от доставка на 50 прототипа за пет дни до производство на милиони критични компоненти като контролни ръце и подкадрата годишно. Използвайки преси до 600 тона и предлагайки цялостни вторични процеси като заваряване и електронно покритие, те осигуряват рационално решение за сложни структурни нужди на автомобилите.

Критични приложения: ключови структурни компоненти

Различните части на превозното средство изискват различни стратегии за отпечатване въз основа на пътните натоварвания и сценариите на катастрофи.

• Защитната клетка (столпове и вратовръзки): Столпите А и В са основните вертикални опори, които предотвратяват смачването на покрива при преобръщане. Съвременното производство често използва "лазерно заварени празнини" - свързващи листове с различна дебелина преди штамповане, за да създаде единен B-столб, който е дебел отгоре (за сила) и по-тънък отдолу (за управление на деформационните режими).
• BEV Батарейни кутии: Батерията е най-важният структурен елемент в електрическото превозно средство. Тя трябва да предпазва модулите на батерията от отломки от пътя и от странично настъпване. Това са обикновено големи, плитки компоненти, често отпечатени от високопрочност алуминий, за да се запази теглото. Тук е от жизненоважно значение точността; запечатващата повърхност трябва да бъде напълно равна, за да се предотврати проникването на вода.
• Компоненти за намаляване на NVH: Не всички конструктивни части са предназначени за безопасност при сблъсък. Кронстайтът и кръстосаните части често служат за заздравяване на шасито, за да се намалят шума, вибрациите и твърдостта (NVH). Прецизните процеси на штамповане произвеждат NVH редукционни скоби които намаляват шума от пътя, допринасяйки за превъзходната атмосфера в кабината на превозното средство.

Заключение: Мултиматериалното бъдеще

Бъдещето на запечатването на автомобилни конструктивни укрепления се крие в "правилния материал на правилното място". Отстъпваме от монолитни стоманени тела към хибриди от много материали, където горещо запечатани стоманени колони от бор са свързани с алуминиеви шокови кули и композитни покривни релси. За инженерите и екипите по поръчки това означава, че определението за способен партньор за штамповане се развива. Вече не е достатъчно просто да се штампува стомана; способността да се симулират, формират и съединяват различни високоефективни материали е новият критерий за съвършенство в производството на конструкции.

Често задавани въпроси

1. Не съм. Какви са основните предимства на горещото штамповане пред студеното штамповане?

Горещото штамповане (пресовото втвърдяване) практически елиминира отстъплението, което е основен проблем при студеното штамповане на високопрочни стомани. Той позволява създаването на сложни геометрични форми с якост на опън, надвишаваща 1500 MPa, което го прави идеален за критични за безопасността части като B-столбове и пръстени на врати, където се изисква прецизност на измерванията и максимална якост.

2. Да се съобразяваме. Как възходът на електрическите автомобили влияе на автомобилното штампиране?

Електрическите превозни средства изискват значително облекчаване, за да компенсират тежките батерии, което води до преминаване към алуминиево штампиране за структурни части като корпуси и подрамки на батерии. Освен това, архитектурите на електромобилите изискват нови видове подкрепления за защита на батерията при странични удари, което води до по-големи, по-интегрирани отпечатени компоненти.

3. Да се съобразяваме. Каква е ролята на сертифицирането IATF 16949 при штампирането?

IATF 16949 е световен технически стандарт за системи за управление на качеството в автомобилната индустрия. За доставчик на штамповане това сертифициране показва, че той има строги процеси за предотвратяване на дефекти, намаляване на вариациите в веригата на доставки и непрекъснато подобряване, което е задължително за доставката на критични за безопасността структурни части на ОЕМ.