Estampado de reforzos estructurais automotrices: A guía de enxeñaría

RESUMO

O estampado de reforzos estructurais para o automóvel é unha disciplina de fabricación de alto risco que equilibra dúas forzas opostas: maximizar a resistencia en caso de choque e minimizar o peso do vehículo (alixado). O estándar do sector para componentes críticos de seguridade, como pilastras A e aneis de porta, desprazouse cara ao Punzonado quente (endurecemento por prensado) steelos de Boro, que acadan resistencias á tracción superiores a 1.500 MPa sen o problema do retroceso. Con todo, Estampación fría continúa sendo vital para as caixas de batería de aluminio de vehículos eléctricos (EV) e geometrías menos complexas onde a eficiencia de custo é fundamental. O éxito neste sector require manexar materiais avanzados, manter tolerancias estreitas e seleccionar a tonelaxe axeitada de prensa para a produción en masa.

O reto de enxeñaría: por que os reforzos estructurais son únicos

No contexto do automóbil Body-in-White (BIW), os reforzos estruturais son o esqueleto que protexe aos ocupantes durante unha colisión. Ao contrario que os paneis corporais puramente estéticos (a envoltura exterior), estes compoñentes —incluídos os piares A, piares B, raíles das portas, raíles do teito e traves de unión— deben absorber e redirixir inmensas cantidades de enerxía cinética. O reto fundamental de enxeñaría atópase na "imperativa redución de peso". Cando as normas de emisións se endurecen e os vehículos eléctricos (EV) requiren maximizar o alcance, os enxeñeiros non poden simplemente engadir aceros máis grosos para aumentar a seguridade.

En troques, a industria baséase en Aços de Alta Resistencia Avanzados (AHSS) e aliaxes de aluminio. Mentres que o acero suave ofrece normalmente unha resistencia ao cedemento de arredor de 200 MPa, os aceros modernos endurecidos por prensado utilizados nos reforzos poden superar os 1.500 MPa (aprox. 217 ksi). Isto permite grosores máis finos que reducen o peso mentres manteñen ou melloran a integridade estrutural.

Non obstante, estampar estes materiais de alto rendemento introduce importantes obstáculos de fabricación. O principal inimigo no estampado a frío de materiais de alta resistencia é rebotexado a tendencia do metal a volver á súa forma orixinal despois de que se elimine a forza de formación. Isto fai que alcanzar tolerancias estreitas en xeometrías complexas sexa notoriamente difícil, a miúdo requiriendo un sofisticado software de simulación e tecnoloxía de servo-prensa para compensar.

Comparación de procesos: estampación en quente (endurecemento por prensa) vs estampación en frío

A elección entre estampación en quente e en frío é a decisión central do proceso para os refuerzos estruturais. Cada método ten diferentes mecanismos, custos e implicacións materiais.

Punzonado quente (endurecemento por prensado)

A estampación en quente ou endurecemento por prensa é o método dominante para os compoñentes de gaiola críticos para a seguridade. O proceso implica o quentamento de cubos de aceiro de boro a aproximadamente 900°C (1.650°F) ata que alcanzan un estado austenítico. O branco quente é entón transferido rapidamente a un matriz arrefriada con auga onde se forma e se apaga ao mesmo tempo.

Este arrefriamento rápido transforma a microestrutura do acero de austenita a martensita, bloqueando a xeometría e eliminando completamente o retroceso. Segundo datos do sector, este proceso pode elevar a resistencia á tracción do acero de boro desde un inicio de 50 ksi ata máis de 200 ksi (aprox. 1.380 MPa). Por iso a estampación en quente produce pezas críticas para a seguridade como reforzos de portas e barras de paragolpes que son ao mesmo tempo ultra resistentes e dimensionalmente precisas.

Estampación fría

A estampación en frío ocorre á temperatura ambiente e baséase na plasticidade do material. Aínda que é máis rápida e eficiente enerxeticamente (non require quentamento), presenta limitacións con materiais de ultra alta resistencia debido ao endurecemento por deformación e ao retroceso. Con todo, os avances na tecnoloxía de prensas servo, que permiten un control preciso da velocidade do punzón e da forza de permanencia, ampliaron as capacidades da estampación en frío. Sigue sendo o método preferido para compoñentes de aluminio e pezas estruturais con xeometrías máis sinxelas ou requisitos de resistencia inferiores.

Ciencia dos Materiais: AHSS, Acero de Boro e Aluminio

O desempeño dun reforzo estampado está determinado polo seu material. O sector automotriz avanzou moi alén do acero suave básico.

Aco Boruro (22MnB5)

O aco boruro é o pilar fundamental do estampado en quente. A adición de boro aumenta significativamente a capacidade de endurecemento. No seu estado inicial, é relativamente blando e formable, pero tras o proceso de endurecemento por prensado, vólvese excepcionalmente duro. Esta natureza dual permite crear formas complexas que se rigidifican en estruturas de seguridade inquebrantables.

Aliaxes de Aluminio (Series 5xxx e 6xxx)

Co aumento dos vehículos eléctricos (EV), o aluminio está gañando popularidade nas carcizas das baterías e nas torres de amortiguación para compensar os conxuntos de baterías pesados. O estampado de metais desempeña un papel fundamental na fabricación de vehículos eléctricos ao formar estas aliaxes lixeiras. Con todo, o aluminio tende a rachar e romperse durante o estirado profundo, polo que require lubricantes especializados e, a miúdo, múltiples pasos de estirado en comparación co acero.

Acero galvanizado

Para os compoñentes estruturais da parte inferior da carrocería expostos á sal e a humidade da estrada, a resistencia á corrosión non é negociable. O aceiro galvanizado, que ten un revestimento de zinc, úsase amplamente para os compoñentes do chasis e os carris. O estampado de material galvanizado require un coidado co mantemento da matriz, xa que o revestimento de zinc pode escorregar (gallar) e acumularse na ferramenta, afectando a calidade da peza.

Bridging the Gap: From Prototype to Mass Production

A selección dun socio de estampación para reforzos estruturais non é só sobre atopar o prezo máis baixo da peza; Trátase de atopar un provedor con versatilidade para manexar todo o ciclo de vida do produto. Os programas de automoción normalmente pasan da creación rápida de prototipos á validación de baixo volume e finalmente á produción en masa de alto volume. Unha cadea de subministración fragmentada onde os prototipos son feitos por unha fábrica e as pezas de produción por outra pode levar a críticos "erros de tradución" no deseño de ferramentas e a realización de tolerancias.

Idealmente, un proveedor OEM ou Tier 1 debería involucrarse cun socio capaz de escalar sen problemas. As capacidades esenciais inclúen unha ampla gama de tonelaxes de prensa (por exemplo, de 100 a 600 toneladas) para acomodar diferentes tamaños de pezas e medidores de materiais, así como experiencia interna en ferramentas para xestionar a transición da ferramenta blanda a matrices duras progresivas.

Para os fabricantes que buscan este nivel de integración, Shaoyi Metal Technology é un exemplo da competencia necesaria. Certificado para IATF 16949:2016 as normas, eles puñan a brecha entre a validación de enxeñaría e fabricación en volume. As súas capacidades van desde entregar 50 prototipos en tan só cinco días ata producir millóns de compoñentes críticos como brazos de control e sub-marcos anualmente. Aproveitando prensas de ata 600 toneladas e ofrecendo procesos secundarios integrais como soldadura e recubrimiento electrónico, proporcionan unha solución simplificada para necesidades estruturais complexas do automóbil.

Aplicacións críticas: Principais compoñentes estruturais

As diferentes áreas do vehículo requiren diferentes estratexias de estampado baseadas nas trazas de carga e en escenarios de choque.

• A gaiola de seguridade (pilares e aneis de portas): O pilar A e o pilar B son os principais soportes verticais que evitan o esmagamento do teito durante unha volcada. A fabricación moderna adoita utilizar "blancos soldados por láser"que unen follas de diferentes espesores antes do estampadopara crear un único pilar B que é grueso na parte superior (para resistencia) e máis fino na parte inferior (para xestionar os modos de deformación).
• Envoltorios de baterías para vehículos eléctricos: A bandexa da batería é o elemento estrutural máis crítico nun vehículo eléctrico. Debe protexer os módulos de batería dos restos da estrada e da intrusión por impacto lateral. Estes son normalmente grandes, elementos de baixa profundidade, moitas veces estampados de aluminio de alta resistencia para manter o peso baixo. A precisión é vital aquí; a superficie de selado debe ser perfectamente plana para evitar a entrada de auga.
• Componentes de redución da NVH: Non todas as partes estruturais son para a seguridade de choque. Os soportes e os membros transversais adoitan servir para endurecer o chasis para reducir o ruído, vibración e dureza (NVH). Os procesos de estampación de precisión producen soportes de redución NVH que amortece o ruído da estrada, contribuíndo á sensación premium da cabina do vehículo.

Conclusión: O futuro do multi-material

O futuro do estampado de refuerzos estruturais de automóbiles reside no "material correcto no lugar correcto". Estamos a afastarnos dos corpos de aceiro monolítico cara a híbridos de múltiples materiais onde os piares de aceiro de boro estampados en quente están unidos a torres de choque de aluminio e carrillas de teito de composición. Para os enxeñeiros e equipos de adquisición, isto significa que a definición dun socio de estampación capaz está evolucionando. Xa non é suficiente só estampar aceiro; a capacidade de simular, formar e unir diversos materiais de alto rendemento é o novo punto de referencia para a excelencia da fabricación estrutural.

Preguntas frecuentes

1. a) A súa Cales son as principais vantaxes da estampación en quente sobre a estampación en frío?

A estampación en quente (endurecemento por prensa) elimina practicamente o retroceso, que é un problema importante na estampación en frío de aceiros de alta resistencia. Permite a creación de formas xeométricas complexas con resistencias a tracción superiores a 1.500 MPa, o que o fai ideal para pezas críticas para a seguridade como piares B e aneis de portas onde se requiren precisión dimensional e máxima resistencia.

2. O que é o que? Como afecta o aumento dos vehículos eléctricos ao estampado de automóbiles?

Os vehículos eléctricos requiren un peso lixeiro significativo para compensar os pesados paquetes de baterías, impulsando un cambio cara ao estampado de aluminio para pezas estruturais como carcasas e submarcos de baterías. Ademais, as arquitecturas de vehículos eléctricos requiren novos tipos de refuerzos para protexer a batería durante os impactos laterais, o que leva a compoñentes estampados máis grandes e máis integrados.

3. Cal é o papel da certificación IATF 16949 no estampado?

A IATF 16949 é a norma técnica mundial para sistemas de xestión da calidade na industria do automóbil. Para un proveedor de estampado, esta certificación demostra que teñen procesos rigorosos para a prevención de defectos, a redución da variación da cadea de subministración e a mellora continua, que é obrigatoria para o subministración de pezas estruturais críticas para a seguridade aos OEM.