TRUMPAI

Aukštos stiprybės plieno (HSS) štampavimas yra kritiškai svarbus gamybos procesas, leidžiantis pasiekti dvigubą automobilių pramonės tikslą: maksimaliai padidinti kuro efektyvumą dėl lengvesnio konstrukcijų svorio ir kartu atitikti griežtus avarijų saugos standartus. Naudojant pažangias rūšis, tokiomis kaip dvifazis (DP) ir TRIP plienas, gamintojai gali naudoti storesnius lakštus, nesumažindami konstrukcinio vientisumo.

Tačiau ši stiprybė turi ir kainą: sumažėjusi formuojamumas ir reikšmingas tampriojo grįžimo efektas (atspaudimas). Sėkmingam vykdymui reikalingas visapusiškas presų linijos modernizavimas – nuo didesnės galios pajėgumų ir specializuotų tiekimo tiesintuvų iki pažangios imitacinės programinės įrangos atspaudo kompensavimui. Šiame vadove nagrinėjama medžiagų mokslas, įrangos reikalavimai ir procesų strategijos, būtinos sėkmingai valdyti aukštos stiprybės plieno štampavimo procesus automobilių taikymuose.

Medžiagų rinka: nuo HSLA iki UHSS

Terminas „aukštos stiprybės plienas“ yra bendras apibūdinimas, apimantis keletą skirtingų kartų metalurginės plėtros. Automobilių inžinieriams labai svarbu atskirti šias kategorijas, kad būtų tinkamai taikomos ir suprojektuotos formos.

HSLA (aukštos stiprybės, mažos lydinio koncentracijos)

HSLA plienai sudaro pagrindą šiuolaikiniams konstrukciniams komponentams. Tokios rūšys kaip HSLA 50XF (350/450) turi takumo ribą apie 50 000 PSI (350 MPa). Šią stiprybę jos pasiekia mikrolydindamos elementus, tokius kaip vanadis ar niobis, o ne tik anglį. Nors jos stipresnės nei minkštas plienas, paprastai išlaiko geras formavimo ir suvirinimo savybes, todėl tinka naudoti šasių komponentams ir stiprinimams.

AHSS (aukšto stiprumo plienas)

AHSS atstovauja tikrą šuolį automobilių pramonėje. Šie plienai turi daugiapakopę mikrostruktūrą, leidžiančią pasiekti unikalias mechanines savybes.

• Dviguba fazė (DP): Dabartinis pramonės „darbinis arklys“ (pvz., DP350/600). Jo mikrostruktūra susideda iš kietų martensito salų, paskirstytų minkštoje ferito matricoje. Ši kombinacija užtikrina žemą takumo ribą formavimo pradžiai, tačiau aukštą įtempimo sustiprėjimo greitį galutiniam detalės stiprumui.
• TRIP (plastinio deformavimo sukelta plastiškumas): Šios plieno rūšys turi išlaikyto austenito, kuris deformuojant virsta martensitu per deformacija. Tai leidžia pasiekti išskirtinį pailgėjimą ir energijos sugerimą, todėl jos yra idealios avarijų zonoms.

UHSS (ultraaukšto stiprumo plienas)

Kai temptinės jėgos viršija 700–800 MPa, patenkame į UHSS sritį. Čia patenka martensitinės rūšys ir presavimo kietinimo plienai (PHS), tokie kaip boras turintis plienas. Šie medžiagų tipai dažnai būna tokie stiprūs, kad negalima efektyviai šaltai presuoti be įtrūkimų, todėl naudojamos karšto presavimo technologijos.

Presai ir įranga: Paslėptos išlaidos

Pereinant nuo minkštojo plieno prie aukšto stiprumo plieno presavimo automobilių pramonėje taikymas reikalauja daugiau nei tik stipresnių įrankių; reikalinga visapusiška įrenginių patikra.

Tonosžio daugiklis

Medžiagos stiprumas tiesiogiai koreliuoja su jėga, reikalinga jai deformuoti. Inžinieriams orientacinis principas yra toks, kad štampuojant DP800 reikia maždaug dvigubai didesnės tonosžios nei HSLA 50XF toje pačioje detalės geometrijoje. Mechaniniai presai, kurie buvo tinkami minkštam plienui, dažnai sustoja arba neturi pakankamai energijos pajėgumo smūgio gale, apdorojant šias rūšis.

Smūgio valdymas

Vienas žalingiausių reiškinių aukštos stiprybės plieno štampavime yra „smūgis“ arba neigiama tonosžia. Kai aukštos stiprybės заготовка sulūžta (perpjaunama), akimirksniu išsiskiria sukaupta potenciali energija. Tai sukelia stiprų smūginį bangą per preso konstrukciją, dėl kurio tempimo/spaudimo ciklams patenka veržliarakčiai ir guoliai, kurie nebuvo tokiam krūviui suprojektuoti. Smūgio mažinimui dažnai reikia hidraulinių slopintuvų arba preso greičio sumažinimo, kas turi įtakos našumui.

Padavimo linijos modernizavimas

Ritinių padavimo sistema dažnai yra nepastebėtas siauras plyšys. Standartiniai išlyginimo įrenginiai, skirti minkštam plienui, negali efektyviai pašalinti ritinio formos iš aukštos stiprybės medžiagų. Apsidorojant DMP reikia išlyginimo įrenginių su:

• Mažesnio skersmens darbiniais rolėmis: Kad medžiagą būtų galima labiau sulankstyti.
• Artimesniu rolų tarpusavyje atstumu: Kad būtų galima taikyti pakankamai kintamojo įtempio.
• Didesniais atraminiais rolėmis: Kad darbinės rolės neatplėštų dėl didžiulio slėgio.

Apdorojimo iššūkiai: šiluma, dilimas ir formuojamumas

Formavimo fizika radikaliai keičiasi didėjant takumo ribai. Trintis sukuria žymiai daugiau šilumos, o klaidos riba susiaurėja.

Šilumos kaupimasis ir trintis

Kalibavime energija tiesiog neišnyksta; ji virsta šiluma. Pagal pramonės duomenis, formuojant 2 mm standžio plieno temperatūra gali pasiekti apie 120°F (50°C) įspaudų kampe, o formuojant DP1000 temperatūra gali pakilti iki 210°F (100°C) ar dar aukštesnės. Šis šiluminis šuolis gali suardyti standartinius tepalus, dėl ko atsiranda tiesioginis metalo-metalui kontaktas.

Įrankių nusidėvėjimas ir įbrėžimai

AHSS formavimui reikalingos didesnės kontaktinės apkrovos, dėl kurių įrankiai greičiau nusidėvi. „Įbrėžimai“ – tai dažnas gedimo tipas, kai medžiaga nuo lakšto prikibę prie įrankio. Kai tik įrankis pradeda bruzdėti, detalės kokybė smarkiai sumažėja. Tyrimai rodo, kad nusidėvėję įrankiai gali sumažinti DP ir TRIP rūšių skylės išplėtimo gebą (matuojamą kraštinio ištemptumo matu) iki 50 %, dėl ko lenkiant atsiranda kraštų plyšimai.

Teisingo partnerio parinkimas

Atsižvelgiant į šiuos sudėtingumus, labai svarbu pasirinkti gamybos partnerį, turintį tinkamą įrangos asortimentą. Tokie gamintojai kaip Shaoyi Metal Technology užpildyti šią spragą siūlant tikslų presavimo gebėjimą iki 600 tonų, specialiai atitinkant didelės keliamosios galios reikalavimus automobilių konstrukciniams komponentams. Jų IATF 16949 sertifikatas užtikrina griežtą procesų kontrolę, būtiną AVSS – nuo prototipų iki masinės gamybos.

Atsitraukimas: tikslumo priešas

Atsitraukimas – tai geometrinis pokytis, kurį detalė patiria formavimo proceso pabaigoje, kai pašalinamos formavimo jėgos. Aukštos stiprybės plienams tai yra pagrindinis kokybės iššūkis.

Elastinio atsigaivinimo fizika

Elastinis atsigaivinimas yra proporcingas medžiagos takumo ribai. Kadangi AVSS takumo riba yra 3–5 kartus didesnė už minkšto plieno, atsitraukimas yra proporcingai ryškesnis. Šoninės sienelės susisukimas ar kampinis pokytis, kurie buvo nežymūs minkštajame pliene, tampa dideliu nuokrypiu nuo leistinų verčių DP600 pliene.

Modeliavimas yra privalomas

Bandyk ir klaidyk” daugiau nebėra tinkama metodika. Šiuolaikinė įrankių projektavimas priklauso nuo pažangių modeliavimo programinių sprendimų (pvz., AutoForm ) numatyti atsilenkimą dar prieš būnant apkarpytam plienui. Šie „skaitmeniniai procesų dvyniai“ leidžia inžinieriams virtualiai testuoti kompensavimo strategijas – pavyzdžiui, perlenkimą ar medžiagos poslinkį. Dabartinis pramonės standartas – vykdyti visus atsilenkimo kompensavimo ciklus programinėje įrangoje, kad būtų sugeneruota „vėjelio“ paviršius įrankių mašinoms.

Ateities tendencijos: karštinis kalibravimas ir daugiadalių sistemų integracija

Kai saugos standartai tobulėja, pramonė kritiškiausiems taikymams jau pasitraukia nuo šaltojo kalibravimo.

Karštas štampavimas (spaudžiamasis kietinimas)

Detalėms, tokios kaip A stulpeliai ir B stulpeliai, kurioms reikalinga tempiamoji stipris virš 1500 MPa, šaltasis kalibravimas dažnai neįmanomas. Sprendimas – karštinis kalibravimas, kuomet borinį plieną (pvz., Usibor) įkaitinama iki ~900 °C, formuojama esant minkštam būviui, o po to sukietinama viduje vandens aušinamame įrante. Šis procesas sukuria detalės su itin dideliu stiprumu ir beveik be jokio atsilenkimo.

Lazeriu suvirinti ruošiniai (LWB)

Gamintojai kaip ArcelorMittal skatina daugiapakopį integravimą (MPI), naudodami lazeriu suvirintus заготовки. Suvirindami skirtingų rūšių plieną (pvz., minkštą giliam formavimui skirtą rūšį ir standžią UHSS rūšį) į vieną заготовkę prieš presavimą, inžinieriai gali derinti tam tikrų detalių sričių našumą. Tai sumažina bendrą dalių kiekį, pašalina surinkimo etapus ir optimizuoja masės pasiskirstymą.

Išvada: Kelias į lengvojo konstravimo meistriškumą

Aukštos stiprybės plieno presavimo automobilių procesų valdymas jau nebe tik konkurencinis pranašumas; tai yra bazinis reikalavimas T1 tiekėjams. Pereinant nuo minkšto plieno prie AHSS ir UHSS, reikalingas kultūrinis poslinkis gamyboje – perėjimas nuo empirinių „bandymo“ metodų prie duomenimis paremtos, simuliacijomis vadovaujamos inžinerijos.

Sėkmė šioje srityje priklauso nuo trijų pagrindų: patvarios įrangos gegnetinos tvirtai apkrovai ir smūgiams; pažangios simuliacijos norint numatyti ir kompensuoti atsitraukimą; medžiagų žinios kad galėtumėte rasti kompromisą tarp stiprumo ir formuojamumo. Kadangi automobilių konstrukcijos vis labiau siekia lengvesnių, saugesnių konstrukcijų, gebėjimas efektyviai stampuoti šiuos sunkiai apdirbamus medžiagų apibrėš ateities kartos automobilių gamybos lyderius.

Dažniausiai užduodami klausimai

1. Kokia yra geriausia metalo rūšis automobilių metalo stampavimui?

Nėra vieno „geriausio“ metalo; pasirinkimas priklauso nuo konkretaus taikymo. HSLA ypatingai tinka bendriesiems konstrukciniams detalėms dėl savo kainos ir stiprumo pusiausvyros. Dual Phase (DP) plienas dažnai renkamas susidūrimui svarbioms detalėms, tokioms kaip rėmo sijos ir skersinės atramos, dėl aukšto energijos sugeriamumo. Apdangalams (sparnams, dangtams) naudojamas minkštesnis Bake Hardenable (BH) plienas, kad būtų užtikrintas paviršiaus kokybė ir atsparumas įdubimams.

2. Ar galima taisyti aukšto stiprumo plieno automobilio dalis?

Paprastai ne. Iš Ultraaukštos stiprumo plienas (UHSS) arba slėgiui atsparus borotas plienas paprastai neturėtų būti taisomas, kaitinamas ar pjautomas. Virimo ar išlyginimo metu susidarantis karštis gali sunaikinti tiksliai sukurtą mikrostruktūrą, žymiai sumažinant detalės saugumą avarijos metu. OEM taisymo gairės paprastai reikalauja visiškai pakeisti šias dalis.

3. Kuo skiriasi HSLA ir AHSS?

Pagrindinis skirtumas slypi jų mikrostruktūroje ir stiprinimo mechanizme. HSLA (aukšto stiprumo mažai legiruotas) remiasi mikrolegiravimo elementais (pvz., niobiu), kurie padidina stiprumą vienfazėje ferito struktūroje. AHSS (pažangus aukšto stiprumo plienas) naudoja sudėtingas daugiapakopės mikrostruktūras (pvz., feritą kartu su martensitu DP pliene), kad pasiektų geresnį aukšto stiprumo ir formuojamumo derinį, kurio HSLA pasiekti negali.