TL;DR

Automobiļu šasiju stampēšanas materiālu principiāli ir mainījušies no vienkārša mīkstā tērauda uz sarežģītām Augstas izturības zemās sakausējuma (HSLA) tēraudu, Advanced High-Strength Steels (AHSS) un alumīnija sakausējumu hierarhijām. Šis pārejas posms ir saistīts ar būtisko nepieciešamību samazināt transportlīdzekļa svaru (vieglsvarība) elektriskajiem auto (EV) un degvielas efektivitātei, nekompromitējot drošību.

Strukturāliem šasijas komponentiem, piemēram, pārsiju un rāmjiem, inženieri tagad galvenokārt izvēlas AHSS klases — piemēram, Dual Phase (DP) un TRIP tēraudu — vai 6000. sērijas alumīniju. Kaut arī varš un misiņš bieži tiek minēti vispārējās stampēšanas kategorijās, to loma šasijā ir ierobežota ar elektriskajiem kontaktiem un zemējuma punktiem, nevis strukturālu atbalstu. Veiksmīgai ražošanai nepieciešamas augstas jaudas servospiedes, kas spēj kontrolēt šo moderno materiālu raksturīgo atspirgstību un deformācijas cietēšanu.

Vieglsvaru prasība: kāpēc mainās šasijas materiāli

Automobiļu rūpniecība ir lielā spiedienā samazināt masu, tendenci, ko pazīst kā atvieglīšanu. Tas tagad nav tikai par uzlabošanu degvielas ekonomiju iekšdedzes dzinējiem, lai atbilst CAFE standartiem; tas tagad ir izdzīvošanas rādītājs elektrisko transportlīdzekļu (EV) revolūcijai. Elektroauto, katrs kilograms, ko ietaupa šasī, tieši pārtulkojas garāku braukšanas rādītāju vai ļauj izmantot mazāku, lētāku bateriju komplektu.

Šasī veido ievērojamu daļu no transportlīdzekļa „nepiekarinātās masas“ — svara, ko neatbalst suspensija, piemēram, riteņi, ass un niples. Samazināt nepiekarināto masu ir svētais grāla automašīnu dinamikā, jo tā uzlabo braukšanas ērtību, braukšanas komfortu un suspensijas atbildi. Tāpēc inženieri nevar turpināt paļauties uz smagām, biezām, mīkstā tērauda detaļām šarnieriem un mezglos.

Tā vietā rūpniecība ir pārgājusi uz materiāliem, kas nodrošina augstāku izturību attiecībā pret svaru. Izmantojot materiālus ar stiepes izturību divas līdz trīs reizes augstāku nekā mīkstais tērauds, ražotāji var izmantot plānākus biezumus, lai sasniegtu to pašu strukturālo stingrību. Šis fizikas diktētais pienākums ir piespiedis pārstrādes uzņēmumus pielāgoties, prasot jaunas zināšanas materiālu formēšanā, kuri ir slaveni ar grūtībām to apstrādē.

Tērauda attīstība: no HSLA līdz AHSS un Boram

Tērauds joprojām ir dominējošais materiāls automašīnu šasiju stampēšanai, taču izmantotās markas ir ievērojami mainījušās. Tam, ka balstītos tikai uz zemoglekļa mīksto tēraudu, ir pagātnē. Mūsdienu šasijas balstās uz sarežģītu augstas veiktspējas tēraudu hierarhiju, kas izstrādāta, lai sasniegtu līdzsvaru starp formējamību un ārkārtēju izturību.

Augstizturīgās zemā leģējuma (HSLA)

HSLA tērauds ir pirmais solis pāri mīkstajam tēraudam. Tas tiek stiprināts, pievienojot niecīgas daudzumos elementus, piemēram, vanādiju, niobi ju vai titānu. HSLA ir darba zirgs šasijas komponentiem, kuriem nepieciešama laba savienojamība un vidēja veidojamība, piemēram, suspensijas rokturiem un šķērsstabiem. Tas nodrošina plūstamības robežu parasti no 280 līdz 550 MPa, ļaujot samazināt biezumu, nezaudējot cieta tērauda trauslumu.

Augstas stiprības sakausējumi (AHSS)

AHSS pārstāv tērauda tehnoloģijas priekšējo malu. Šiem materiāliem ir daudzfāzes mikrostruktūra, kas nodrošina izcilenu stipruma un plastiskuma līdzsvaru.

• Divfāžu (DP) tērauds: Sastāv no mīkstas ferīta matricas ar cietām martensīta salām. DP tērauds ir ideāls detaļām, kurām nepieciešama augsta sadursmes enerģijas absorbcija. To bieži izmanto šasijas pastiprinājumos un strukturālos rāmjās.
• TRIP (plastiskuma inducētas transformācijas) tērauds: Šis pakāpe cietēj, kad tiek deformēta, tādējādi to padarot lielisku sarežģītām formām, kurām nepieciešams dziļš velmēšana.
• Bora (karsti veidots) tērauds: Lietots viskritiskākajiem drošības karkasiem un balstiem, boru tērauds tiek sildīts līdz aptuveni 900°C pirms stampēšanas. Lai gan galvenokārt lietots būtības-in-baltā, tas tiek izmantots arī ļoti stingrās šasijas pastiprinājumos.

Alumīnija alternatīva: sērija 5xxx, 6xxx un 7xxx

Alumīnijs ir galvenais tērauda svars samazinošajā jomā, piedāvājot blīvumu, kas aptuveni viena trešdaļa no tērauda blīvuma. Šasijas stampēšanai alumīnijs tiek izvēlēts, kad maksimāla svara samazināšana attaisno augstākas izejvielas izmaksas. Tas efektīvi samazina nesusnēto svaru, kas tieši uzlabo transportlīdzekļa manevrētspēju.

6000-sērija (Al-Mg-Si): Šī ir visvairāk izmantotā ģimene šasijas pielietojumiem. 6061 un 6082 sakausējumi ir siltumāpaliekoši un piedāvā lielisku korozijas izturību. Tie tiek plaši izmantoti kā apakšrāmji, regulēšanas svirnes un motora krāsnīm, kur nepieciešams līdzsvars starp stiprumu un veidojamību.

5000-sērija (Al-Mg): Šie nekarstam apstrādājamie sakausējumi, kas pazīstami ar izcilu korozijas izturību un labu metināmību, bieži tiek izmantoti iekšējās paneļos un sarežģītās pastiprinājumos, kur augsta izturība ir mazāk svarīga nekā veidojamība.

7000. sērija (Al-Zn): Šie ir stiprības titāni alumīnija pasaulē, kuru izturība var sacensties ar dažiem tērauda veidiem. Tomēr tos ir ļoti grūti stampēt aukstumā, jo tiem piemīt zema veidojamība, tāpēc tos bieži ierobežo vienkāršiem, lielo slodžu strukturāliem sijām vai nepieciešamas karstās formēšanas tehnoloģijas.

Būtiska salīdzināšana: tērauds pret alumīniju šasijām

Izvēle starp tēraudu un alumīniju reti kad ir vienkāršs lēmums; tas ir kompromisa analīzes process, kas ietver izmaksas, svaru un ražošanas iespējas. Inženieriem šos faktorus jāievērtē jau projektēšanas fāzes sākumā.

Kaut arī alumīnijs ir uzvarētājs svara samazināšanā, AHSS aizpilda plaisu. Izmantojot ārkārtīgi plānas un ļoti stipras tērauda plāksnes, inženieri var sasniegt svaru, kas tuvs alumīnijam, ievērojami zemākās izmaksās. Tomēr premium un veiktspējas elektromobiļiem, kuros darbības rādiuss ir galvenais mērs, alumīnijs bieži attaisno papildus izmaksas.

Ražošanas izaicinājumi: augstas veiktspējas materiālu stampēšana

Pāreja uz stiprākiem materiāliem ir radījusi ievērojamas grūtības ražošanas telpās. AHSS un augstas klases alumīnija stampēšana ir eksponenciāli grūtāka nekā mīkstā tērauda stampēšana. Divi galvenie ienaidnieki ir atsperošana un deformācijas cietība .

Atgriešanās notiek tad, kad materiāls pēc preses atvēršanas mēģina atgriezties sākotnējā formā. Ar AHSS šis efekts ir ievērojams, grūdinot uzturēt stingras ģeometriskās pieļaujamās novirzes. Savukārt alumīnijs var ciest no materiāla pielipšanas matricai (galling) un plīsumiem, ja izstiepšanas ātrums ir pārāk augsts. Lai cīnītos ar šīm problēmām, mūsdienu stampēšanas līnijām jāizmanto modernas servopreses. Atšķirībā no tradicionālajām mehāniskajām presēm, servopresēm ir iespējams programmēt slēgšanas profilu — tās precīzi var palēnināt veidošanas procesu, lai samazinātu siltumu un spriegumu, un pēc tam ātri atvilkties, lai saglabātu cikla ilgumu.

Panākumiem šajā augsta riska vidē nepieciešams partneris ar speciālām spējām. Shaoyi Metal Technology rāda šādu materiālu ražošanai nepieciešamā atbalsta veidu. Ar IATF 16949 sertifikāciju un prešu jaudām līdz 600 tonnām tie aizpilda plaisu starp ātro prototipēšanu un masveida ražošanu. Viņu ekspertīze ļauj pārvaldīt sarežģītas stiprinājumu un matricu prasības augstas izturības komponentiem, piemēram, vadības svirām un rāmjiem, nodrošinot, ka AHSS un alumīnija teorētiskās priekšrocības tiek realizētas gala izstrādājumā.

Turklāt ļoti svarīga kļūst instrumentu uzturēšana. Matricas, kas kalpo AHSS, prasa avanzētas pārklājuma kārtas (piemēram, TiAlN), lai novērstu agrīnu nodilumu. Inženieriem ir jāprojektē ražošanai piemēroti risinājumi (DFM), paredzot atgriešanās deformāciju simulācijas programmatūrā jau pirms metāla sagataves griešanas.

Secinājums: Pareizas šasijas materiālu stratēģijas izvēle

Automobiļu ražošanā ir beidzies laiks, kad „viens metāls der visam”. Optimālai šasijas stratēģijai tagad nepieciešams daudzpakāpju materiālu pieeja, novietojot pareizo materiālu pareizajā vietā — boru tēraudu drošības karkasam, HSLA šķērsstiprinājumiem un alumīniju balansieriem.

Iepirkumu speciālistiem un inženieriem jākoncentrējas uz kopējo vērtības vienādojumu: jāsaskaņo sastāvdaļu izmaksas ar ražošanas realitātēm, piemēram, instrumentu nolietojumu un preses jaudu. Tā kā automobiļu arhitektūras turpina attīstīties, jo īpaši ar EV platformām „skateboard”, šo avanzēto automobiļu šasiju stampēšanas materiālu apguve joprojām būs izšķirošs konkurētspējas faktors.

Bieži uzdotie jautājumi

1. Kāda ir atšķirība starp HSLA un AHSS automašīnu stampēšanā?

Augstas izturības zemā leģējuma (HSLA) tērauds iegūst savu izturību no mikroleģēšanas elementiem un parasti ir vieglāk veidojams. Izkoptais augstizturīgais tērauds (AHSS) izmanto sarežģītas daudzfāžu mikrostruktūras (piemēram, divu fāžu vai TRIP), lai sasniegtu daudz augstāku stiepes izturību, kas ļauj izmantot plānākas, vieglākas detaļas, taču prasa sarežģītākas štampēšanas tehnoloģijas, lai kontrolētu atsprūšanu.

2. Kāpēc alumīniju izmanto šasijas detaļām, neskatoties uz tā augstāko cenu?

Alumīniju izmanto galvenokārt tā zemo blīvumu dēļ, kas ir aptuveni viena trešdaļa no tērauda blīvuma. Šasijas pielietojumos, piemēram, vadības sviros vai mezglos, tas samazina "nesuspenzēto masu", ievērojami uzlabojot transportlīdzekļa vadāmību, suspensijas reakciju un kopējo degvielas efektivitāti vai EV darbības rādiusu.

3. Vai var izmantot varu automašīnu šasijas štampēšanai?

Kaut arī varš ir standarta materiāls metāla štancēšanā, tas ir pārāk mīksts un smags strukturāliem šasiju rāmjiem. Tā izmantošana šasijā ir stingri ierobežota līdz elektriskajiem komponentiem, piemēram, sadales skapju plātnēm, bateriju kontaktiem un zemējuma stiprinājumiem, kas piestiprināti pie strukturālā rāmja.

4. Kāda spiedpasta tonnāža nepieciešama AHSS šasiju daļu štancēšanai?

AHSS štancēšanai nepieciešama ievērojami lielāka tonnāža salīdzinājumā ar maigo tēraudu, jo materiālam ir augsta izturība pret deformāciju. Parasti tiek izmantotas 600 līdz 1000 tonnu spiedpasta, bieži izmantojot servo tehnoloģiju, lai kontrolētu formēšanas ātrumu un pārvaldītu materiāla elastisko atgriešanos (atkritumu).