TL;DR

The alumīnija automašīnu stempēšanas process ir svarīga vieglsvara stratēģija, kas samazina transportlīdzekļa masu līdz pat 40–60% salīdzinājumā ar tradicionālo tērauda konstrukciju. Šī izgatavošanas metode ietver alumīnija sakausējuma lokšņu — galvenokārt 5xxx (Al-Mg) un 6xxx (Al-Mg-Si) sēriju — pārveidošanu sarežģītos strukturālos un apvalka komponentos, izmantojot augsta spiediena prešes un precīzas veidnes. Tomēr alumīnijs rada unikālas inženierijas problēmas, tostarp Jangas modulis tikai vienu trešdaļu no tērauda, kas izraisa būtisku atsperošana , un abrazīvu oksīda kārtu, kas prasa avanzētas triboloģijas risinājumus. Veiksmīga realizācija prasa speciālizētu servo preses kinematiku, silto formēšana tehnika un stingra ievērošana projektēšanas norādījumos, piemēram, ierobežojot izstiepšanas attiecību (LDR) zem 1,6.

Auto rūpnīcu alumīnija sakausējumi: 5xxx pret 6xxx sēriju

Pareizā sakausējuma izvēle ir pamata solis alumīnija automašīnu stempēšanas process atšķirībā no tērauda, kur pakāpes bieži var aizstāt ar nelielām procesa korekcijām, alumīnija sakausējumiem piemīt atšķirīgas metalurģiskas īpašības, kas nosaka to pielietojumu korpusā (BiW).

5xxx sērija (alumīnijs-magnēzijs)
5xxx sērijas sakausējumi, piemēram, 5052 un 5083, nav termiski cietināmi un iegūst stiprumu tikai caur deformācijas cietināšanu (auksto deformēšanu). Tie nodrošina lielisku veidojamību un augstu korozijizturību, tādēļ tie ir ideāli sarežģītiem iekšējiem strukturāliem elementiem, degvielas tvertnēm un šasijas komponentiem. Tomēr inženieriem jābūt uzmanīgiem pret „Lidersa līnijām“ (stiepšanas deformācijām) — neglītām virsmas zīmēm, kas rodas izliekumā. Tādēļ 5xxx sērijas sakausējumus parasti ierobežo ar ne-redzamiem iekšējiem paneļiem, kur virsmas estētika ir otršķirīga salīdzinājumā ar strukturālo izturību.

6xxx sērija (alumīnijs-magnijs-silīcijs)
6xxx sērija, tostarp 6061 un 6063, ir standarts ārējiem "A klases" virsmas paneļiem, piemēram, pārsegiem, durvīm un jumtiem. Šie sakausējumi ir termiski cietināmi. Parasti tos dziļspiedē apstrādā T4 stāvoklī (šķīdināti sasilumā un dabiski novecināti), lai maksimāli uzlabotu veidojamību, pēc tam krāsošanas cepšanas cikla laikā mākslīgi novecojot līdz T6 stāvoklim (cepšanas cietināšana). Šis process ievērojami palielina plūstamības robežu, nodrošinot nepieciešamo izturību pret iedobēm ārējiem apvalka paneļiem. Par šo priekšrocību jāmaksā ar šaurāku formēšanas logu salīdzinājumā ar 5xxx klases sakausējumiem.

Dziļspiedes process: aukstā vs. silta formēšana

Alumīnija formēšanai nepieciešams būtisks pārejas solis no tērauda dziļspiedes. Izdevums MetalForming Magazine norāda, ka vidējas stiprības alumīnijam ir aptuveni 60% no tērauda stiepjamības spējas . Lai to pārvarētu, ražotāji izmanto divas galvenās apstrādes stratēģijas.

Aukstā dziļspiede ar servo tehnoloģiju

Standarta aukstā štampēšana ir efektīva plakanākām detaļām, taču prasa precīzu virzuļa ātruma kontroli. Šeit būtiski svarīgi ir servo preses; tās ļauj operatoriem programmēt "impulsu" vai "svārstību" kustības, kas samazina ietekmes ātrumu un nodrošina fiksāciju apakšējā slēgiena punktā (BDC). Šis fiksācijas laiks samazina atspraudīšanos, ļaujot materiālam atslābināties pirms instrumentu atvilkšanas. Aukstā veidošana balstās galvenokārt uz spiedēsspēkiem, nevis stiepšanos. Noderīga analoģija ir zobiņkrēmas tubiņš: to var izveidot, saspiežot (kompresija), bet, to vilkot (spriegums), tūlīt notiek sabrukums.

Silta veidošana (paaugstinātā temperatūrā)

Sarežģītām ģeometrijām, kur aukstā veidojamība ir nepietiekama, silto formēšana ir nozares risinājums. Sildot alumīnija заготовку līdz temperatūrām parasti no 200°C līdz 350°C, ražotāji var palielināt izstiepšanos līdz pat 300%. Tas samazina plūstošo spriegumu un ļauj veikt dziļākas ievilcēs un asākus rādiusus, kuri istabas temperatūrā plaisātu. Tomēr siltā deformācija ievieš sarežģītību: formas jāuzsilda un jāizolē, un cikla laiks ir lēnāks (10–20 sekundes) salīdzinājumā ar auksto štancēšanu, kas ietekmē izmaksas uz katru daļu.

Būtiskās problēmas: atgriešanās pēc deformācijas un virsmas defekti

The alumīnija automašīnu stempēšanas process ir definēts kā cīņa pret elastīgo atgriešanos un virsmas nepilnībām. Šo atteices režīmu izpratne ir būtiska procesa projektēšanai.

• Atgriešanās pēc deformācijas smagums: Alumīnijam ir Janga modulis aptuveni 70 GPa salīdzinājumā ar tērauda 210 GPa. Tas nozīmē, ka alumīnijs ir trīs reizes elastīgāks, kas izraisa ievērojamas dimensiju novirzes pēc matricas atvēršanas. Kompensācija prasa sofistikētu simulācijas programmatūru (piemēram, AutoForm), lai palielinātu matricas virsmu izliekumu, kā arī izmantot pēcformēšanas pārspiešanas operācijas, lai fiksētu ģeometriju.
• Izskalošanās un alumīnija oksīds: Alumīnija loksnes pārklātas ar cietu, abrazīvu alumīnija oksīda kārtu. Stampinga laikā šis oksīds var nolūzt un pielipt pie rīka tērauda — parādība, ko sauc par izskalošanos. Šāda uzkrāšanās rada svītras turpmākajiem izstrādājumiem un strauji samazina rīka kalpošanas laiku.
• Apelsīna miza: Ja alumīnija loksnes graudu izmērs ir pārāk rups, virsma var kļūt nelīdzena veidojoties, atgādinot apelsīna mizu. Šis defekts nav pieņemams klases A ārējām virsmām un prasa stingru metalurģisko kontroli no materiāla piegādātāja.

Rīkojums & Triboloģija: pārklājumi un eļļošana

Lai novērstu izskrambājumus un nodrošinātu vienmērīgu kvalitāti, instrumentu sistēmai jābūt optimizētai specifiski alumīnijam. Standarta neapstrādātie instrumenta tēraudi nav pietiekami. Piespiedformas un matricas parasti prasa Fizikālā tvaika nogulsnēšana (PVD) pārklājumus, piemēram, Diamantam līdzīgs ogleklis (DLC) vai hroma nitrīdu (CrN). Šie pārklājumi nodrošina cietu, zemu berzi radošu barjeru, kas novērš alumīnija oksīda pielipšanu pie instrumenta tērauda.

Smērēšanas stratēģija ir tikpat svarīga. Tradicionālie šķidrie eļļošanas līdzekļi bieži vien neiztur augstos kontaktspiedienus, kas rodas alumīnija stampēšanas laikā, vai traucē turpmākajiem metināšanas un līmēšanas procesiem. Rūpniecība ir pārgājusi uz Sauss plēves smērvielas (karstās kausējumformas), kas tiek uzklātas ruļļiem ražotnē. Šīs smērvielas istabas temperatūrā ir cietas — uzlabojot tīrību un samazinot „nomazgāšanos” — bet veidošanās laikā siltuma un spiediena ietekmē kļūst par šķidrumu, nodrošinot lielisku hidrodinamisko eļļošanu.

Ražotājiem un Tier 1 piegādātājiem, kuri pāriet no prototipēšanas uz masveida ražošanu, ir būtiski agrīnā stadijā validēt šīs instrumentu stratēģijas. Partneri, piemēram, Shaoyi Metal Technology specializējas šīs atstarpes pārvarēšanā, piedāvājot inženieru atbalstu un augstas jaudas iespējas (līdz 600 tonnām), lai optimizētu triboloģiju un ģeometriju pirms pilnmēroga ražošanas uzsākšanas.

Alumīnija štampēšanas projektēšanas norādījumi

Produktu inženieri savus projektus jāpielāgo alumīnija ierobežojumiem. Tērauda ģeometrijas tieša aizvietošana, visticamāk, izraisīs plaisāšanu vai rievu veidošanos. Lai nodrošinātu ražošanas iespējas, plaši pieņemti ir šādi empīriskie noteikumi:

Turklāt dizaineriem vajadzētu izmantot „papildinājuma“ elementus — ģeometriju, kas pievienota ārpus gala detaļas kontūras —, lai kontrolētu materiāla plūsmu. Ievilcēs un fiksācijas rievās ir būtiskas, lai ierobežotu metālu un pietiekami to izstieptu, novēršot rievu veidošanos, jo īpaši zemā līkuma zonās, piemēram, durvju paneļos.

Secinājums

Opanākot CTE alumīnija automašīnu stempēšanas process prasa metalurģijas, uzlabotas simulācijas un precīzas triboloģijas apvienošanos. Lai gan pāreja no tērauda prasa striktākus procesa ierobežojumus un lielākas rīkojumu izmaksas, ieguvums transportlīdzekļu atvieglošanā un degvielas efektivitātē ir nenoliedzams. Ievērojot 5xxx un 6xxx sakausējumu unikālās īpašības — konkrēti to zemāku elastības moduli un ierobežotos dziļās vilkšanas koeficientus — ražotāji var izgatavot augstas kvalitātes sastāvdaļas, kas atbilst modernās automašīnu rūpniecības stingrajiem standartiem.

Bieži uzdotie jautājumi

1. Kāda ir atšķirība starp auksto un silto alumīnija zīmogošanu?

Aukstā zīmogošana tiek veikta istabas temperatūrā, izmantojot servospiedes kinemātiku materiāla plūsmas vadībai, kas piemērota vienkāršākiem detaļu veidiem. Siltā zīmogošana ietver alumīnija заготовки sildīšanu līdz 200°C–350°C, kas palielina materiāla pagarinājumu līdz pat 300%, ļaujot veidot sarežģītas ģeometrijas, kuras aukstās veidošanas apstākļos plaisātu.

2. Kāpēc alumīnijā atgriešanās (springback) ir lielāka nekā tēraudā?

Atgriešanās tiek noteikta ar materiāla Janga moduli (stingstību). Alumīnijam Janga modulis ir aptuveni 70 GPa, kas ir apmēram viena trešdaļa no tērauda vērtības (210 GPa). Šī zemākā stingstība rada ievērojami lielāku elastisko atgriešanos (springback), kad veidošanas spiediens tiek noņemts, tādējādi prasot sarežģītākas matricu kompensācijas stratēģijas.

3. Vai standarta tērauda zīmogošanas matricas var izmantot alumīnijam?

Alumīnija spiedformām nepieciešamas atšķirīgas spraugas (parasti 10–15% no materiāla biezuma) un ievērojami lielāki rādiusi (8–10x biezums), lai novērstu plaisāšanu. Turklāt alumīnijam paredzētai aprīkojumam bieži nepieciešamas speciālas DLC (Diamond-Like Carbon) pārklājuma kārtas, lai novērstu materiāla lipšanu, ko izraisa alumīnija abrazīvā oksīda kārta.

4. Kāds ir „ierobežojošais dziļumizspiešanas attiecības” (LDR) rādītājs alumīnijam?

Alumīnija sakausējumiem raksturīgā ierobežojošā dziļumizspiešanas attiecība (LDR) parasti ir aptuveni 1,6, kas nozīmē, ka заготовки diametrs vienā izspiešanas gājienā nedrīkst pārsniegt 1,6 reizes punches diametru. Šis rādītājs ir ievērojami zemāks nekā tēraudam, kurš var izturēt LDR līdz 2,0 vai vairāk, tāpēc alumīnijam nepieciešami piesardzīgāki procesa projektējuma risinājumi vai vairāki dziļumizspiešanas soļi.