Karštas ir šaltas automobilių dalių štampavimas: inžinerinio sprendimo vadovas

TRUMPAI

Pasirinkimas tarp karšto ir šalto štampavimo automobilių dalims priklauso nuo pusiausvyros tarp tempimo stipris , geometrinė sudėtingumo klasė , ir gamybos kaina karštas štampavimas (presinis kietinimas) yra pramonės standartas saugos kritinėms „Body-in-White“ detalėms, tokioms kaip A stulpeliai ir durų žiedai, kaitinant borą turintį plieną iki 950 °C, kad būtų pasiekta ultraaukšta stiprybė (1500+ MPa) be tampriojo grįžimo, nors ciklo trukmė ilgesnė (8–20 sekundžių). Šaltas štampavimas išlieka efektyviausias aukšto apimties šasi ir konstrukcinių detalių gamybai, siūlantis žemesnes energijos sąnaudas ir didelį gamybos greitį, tačiau susiduria su tampriojo grįžimo problemomis formuojant modernius 1180 MPa aukštos stiprybės plienus (AHSS).

Pagrindinis mechanizmas: šiluma prieš slėgį

Inžinerijos požiūriu šių dviejų procesų skirtumą lemia rekristalizacijos temperatūra metalo. Šis šiluminis slenkstis nusako, ar plieno mikrostruktūra keičiasi deformuojant, ar tiesiog sustiprėja dėl mechaninės įtampos.

Šiltas spausdinimas , taip pat žinomas kaip presinis kietinimas, apima заготовkės pašildymą aukščiau jos austenitinimo temperatūros (paprastai 900–950 °C) prieš formavimą. Esminis dalykas yra tas, kad formavimas ir aušinimas vyksta vienu metu vandens aušinamuose formos įrenginiuose. Greitas aušinimas transformuoja plieno mikrostruktūrą iš ferito-perlito į martensitas , kietiausią plieno fazę. Gautas komponentas įeina į presą minkštas ir lankstus, bet išeina kaip ultraaukštos stiprumo saugos skydas.

Šaltinio dėmimo vyksta kambario temperatūroje (žymiai žemiau rekristalizacijos taško). Jis remiasi plastiškas grūdinimas (arba įtempimo sustiprinimas), kai pati plastinė deformacija išstumia kristalinę gardelę, padidindama stiprumą. Nors šiuolaikinės šalto spaudimo mašinos – ypač servo ir pernašos sistemos – gali vystyti didžiulį tonажą (iki 3 000 tonų), medžiagos formuojamumas ribojamas jos pradinės plastiškumo savybių. Skirtingai nuo karšto spaudimo, kuris šiluma „atnaujina“ medžiagos būseną, šaltas spaudimas turi kovoti su metalo natūralia linkme grįžti į pradinę formą, reiškinys, žinomas kaip atsitraukimas.

Karštas spaudimas (spaudimo kietinimas): saugos narvo sprendimas

Karštas spaudimas tapo tapatus automobilių „saugos narvui“. Kai emisijos normos skatina lengvesnes konstrukcijas, o susidūrimų saugos standartai darosi griežtesni, OEM gamintojai pasitelkia spaudimo kietinimą, kad gamintų plonesnes, tvirtesnes dalis, nekenkiant keleivių apsaugai.

Procesas: austenitinimas ir aušinimas

Standartinė šio proceso medžiaga yra 22MnB5 boras plienas proceso eiga yra aiškiai apibrėžta ir energiją intensyviai naudojanti:

1. Šildymas: Blankai juda per ritininį krosnį (dažnai ilgesnę nei 30 metrų), kol pasiekia ~950 °C.
2. Perdavimo: Robotai greitai perkelia įkaitusius blankus į presą (perkėlimo laikas <3 sekundės, kad būtų išvengta per ankstyvo aušimo).
3. Formavimas ir užkalnijimas: Įranga užsidaro, formuodama detalę ir tuo pačiu metu aušindama ją greičiu daugiau kaip 27 °C/s. Šis „laikymo laikas“ įrangoje (5–10 sekundžių) yra ciklo trukmės siaurasis vietas.

Privalumas „nulinis atsitraukimas“

Karo štampavimo apibrėžiamasis privalumas – matmeninė tikslumas. Kadangi detalė formuojama karšta ir plastiška būsena, o tada „sušaldoma“ formos metu vykstant martensitiniam virsmui, praktiškai nėra atsitraukimo . Tai leidžia kurti sudėtingas geometrijas, pvz., vieno gabalo duryse esančius žiedus ar sudėtingus B-stulpelius, kurių būtų neįmanoma šaltai išštampuoti be stipraus išlinkimo ar įtrūkimų.

Tipinės taikymo sritys

• A-stulpeliai ir B-stulpeliai: Svarbūs apsaugai nuo vertybos.
• Stogo bėgeliai ir durų žiedai: Kelių detalių integruojimas į vieną aukštos stiprumo detalę.
• Bumperiai ir smūgio sijos: Reikalaujama takumo stiprumo, dažnai viršijančio 1 200 MPa.

Šaltas kalibravimas: Efektyvumo darbo arklys

Nors karštas kalibravimas pranašesnis maksimaliu stiprumu ir sudėtingumu, šaltas kalibravimas dominuoja apimties efektyvumu ir veiklos išlaidos . Detalėms, kurios nereikalauja sudėtingų, gilių formų gigapaskalių stiprumo lygiu, šaltas kalibravimas yra pranašesnis ekonominis pasirinkimas.

Trečios kartos AVS plitimasis

Istoriniu požiūriu, šaltas kalibravimas buvo ribojamas minkštesnių plienų. Tačiau atsiradus trečios kartos aukštos stiprybės plienai (AHSS) , tokie kaip Quench and Partition (QP980) arba TRIP-aided Bainitic Ferrite (TBF1180), uždarė žalią. Šios medžiagos leidžia šaltai formuotiems detalių elementams pasiekti temptinę stiprybę iki 1 180 MPa ar net 1 500 MPa, įsibraunant į anksčiau karščiui tvirtinti rezervuotą sritį.

Greitis ir infrastruktūra

Šaltoji presavimo linija, paprastai naudojanti progresyvinius arba pernašos įrankius, veikia tolygiai. Skirtingai nuo presinio kietinimo, kur reikia sustoti ir laukti užkalimo, šaltojo presavimo presai gali dirbti dideliais smūgių dažniais, gamindami dalis per mažą sekundės dalį. Nereikia krosnies, todėl energijos sąnaudos vienai daliai žymiai sumažėja.

Gamintojams, siekiantiems pasinaudoti šiuo efektyvumu aukšto tūrio komponentams, labai svarbu bendradarbiauti su pajėgiu tiekėju. Tokios kompanijos kaip Shaoyi Metal Technology užtikrina pereinamąją grandį tarp prototipavimo ir masinės gamybos, siūlydami IATF 16949 sertifikuotą tikslųjį štampavimą su presų galia iki 600 tonų. Jų gebėjimas apdoroti sudėtingus pakabos rėmus ir valdymo svirtis rodo, kaip šiuolaikinis šaltasis štampavimas gali atitikti griežtus OEM standartus.

Atsilenkimo iššūkis

Pagrindinė inžinerinė kliūtis šaltojo aukštos stiprybės plieno štampavime yra grįžtis . Didėjant takumo ribai, didėja ir elastingas atsilenkimas po formavimo. Įrankių konstruktoriams reikia naudoti sudėtingą simuliacinę programinę įrangą, kad suprojektuotų „kompensuotus“ įrankius, kurie perlenktų metalą, numatydami, kad jis grįš į reikiamą toleranciją. Dėl to įrankių projektavimas šaltajam AHSS tampa žymiai brangesnis ir daug kartų pakartotinis lyginant su karštu štampavimu.

Pagrindinis palyginimo mokinys

Pirkimo vadovams ir inžinieriams sprendimas dažnai priklauso nuo tiesioginio kompromiso tarp našumo rodiklių ir gamybos ekonomikos. Žemiau pateikta lentelė apibendrina bendrą sutarimą automobilių pramonei.

Technologinė konvergencija: skirtumas mažėja

Dvejetainis skirtumas tarp „karšto“ ir „šalto“ tapo mažiau griežtas. Pramonėje stebima konvergencija, kai naujos technologijos siekia sumažinti kiekvieno proceso trūkumus.

• Presu kietinami plienai (PQS): Tai hibridinės medžiagos, sukurtos karštam formavimui, tačiau suprojektuotos išlaikyti tam tikrą plastiškumą (skirtingai nei visiškai trapus martensitas). Tai leidžia pasiekti „pritaikytas savybes“ viename detali – standžias smūgio zonoje, bet plastiškas sutraiškymo zonoje, kad būtų galima sugerti energiją.
• Šaltai formuojamas 1500 MPa: Plienų gamintojai pristato šaltai formuojamus martensitinius klases (MS1500), kurie be krosnies gali pasiekti karštai formuoto plieno stiprumo lygį. Tačiau šiuo metu jie apriboti paprastais formomis, tokiais kaip ritininio formavimo slenksčiai arba buferiniai strypai, dėl labai riboto formuojamumo.

Galutinai sprendimų matrica teikia pirmenybę geometrija . Jei detalė turi sudėtingą formą (gilią ištrauką, siaurus skersmenis) ir reikalauja >1 000 MPa stiprumo, karštas kalibravimas dažnai yra vienintelė galima parinktis. Jei geometrija paprastesnė arba stiprumo reikalavimas yra <1 000 MPa, šaltas kalibravimas siūlo didelį pranašumą kainoje ir greityje.

Išvada: Teisingo proceso pasirinkimas

"Karšto vs. šalto" diskusija nėra apie tai, kuris procesas geresnis, o apie tai, kaip gamybos metodas atitinka detalių funkciją transporto priemonės architektūroje. Karštas kalibravimas išlieka neprieštaraujamu saugos narvo lyderiu – būtinas aukšto stiprumo, sudėtingų konstrukcinių stulpų, užtikrinančių keleivių apsaugą, gamybai. Tai yra aukščiausios kokybės sprendimas ten, kur gedimas neįmanomas.

Atvirkščiai, šaltasis žymėjimas yra automobilių masinės gamybos pagrindas. Jo raida kartu su 3 kartos AHSS medžiagomis leidžia jam atlikti vis didesnę struktūrinių funkcijų dalį, suteikiant lengvumo privalumus be presavimo kietinimo ciklo trukmės baudos. Pirkimų komandoms strategija aiški: nurodykite karštą žymėjimą sudėtingiems, įsibrovimui atspariems saugos elementams ir maksimaliai panaudokite šaltą žymėjimą viskam kitam, kad programos sąnaudos išliktų konkurencingos.

Dažniausiai užduodami klausimai

1. Kuo skiriasi karštas ir šaltas žymėjimas?

Pagrindinis skirtumas slypi temperatūroje ir medžiagos transformacijoje. Šiltas spausdinimas šildo metalą iki ~950 °C, kad pakeistų jo mikrostruktūrą (sukurdama martensitą), leisdamas formuoti sudėtingus, ultraaukštos stiprumo dalių elementus be atsitraukimo. Šaltinio dėmimo formuoja metalą kambario temperatūroje naudodamas didelį slėgį ir pasikliaudamas deformaciniu sustiprinimu. Tai greičiau ir energijos naudojimui efektyviau, tačiau ribojama atsitraukimo bei žemesnio formuojamumo aukšto stiprumo rūšyse.

2. Kodėl automobilių A stulpeliams naudojamas karštas žymėjimas?

A-stulpeliai reikalauja unikalaus derinio iš sudėtinga geometrija (kad atitiktų automobilio dizainą ir matomumo linijas) ir ypatinga stiprumo lygis (kad būtų užkirstas kelias stogo žlugimui apvirtus). Karštas štampavimas leidžia 22MnB5 plienui būti formuojamam į šiuos sudėtingus formas, pasiekiant temptinį stiprumą 1 500+ MPa, ko šaltas štampavimas be įtrūkimų ar stipraus išsikreivinimo paprastai pasiekti negali.

3. Ar šaltas štampavimas sukuria silpnesnius detalių nei karštas štampavimas?

Apibendrinant, taip, tačiau skirtumas mažėja. Tradicinis šaltas štampavimas sudėtingoms detalėms paprastai pasiekia apie 590–980 MPa. Tačiau šiuolaikinis 3-os kartos AHSS (pažangūs aukšto stiprumo plienai) leidžia šaltai štampuotoms detalėms pasiekti 1 180 MPa ar net 1 470 MPa paprastesnėse formose. Vis dėlto aukščiausiam stiprumo lygiui (1 800–2 000 MPa) karštas štampavimas yra vienintelis komercinis sprendimas.