Karstā vs Aukstā spiešana automaizs: Būtiski inženieru kompromisi

TL;DR

Karsta zīmogošana (presēšanas cietināšana) ir nozares standarts drošībai kritiskiem automašīnu komponentiem, piemēram, B stabiņiem un jumta rāmjiem. Tas ietver borija tērauda sildīšanu līdz aptuveni 950°C, lai sasniegtu ļoti augstu izturību pret stiepšanu (1500+ MPa) ar sarežģītām ģeometrijām un gandrīz pilnībā bez atgrieziena deformācijas, kaut arī detaļas ražošanas izmaksas ir augstākas. Aukstā foltēšana joprojām ir dominējošā metode lielserijveida strukturālajām detaļām un korpusa paneļiem, nodrošinot pārāku ātrumu, enerģijas efektivitāti un zemākas izmaksas tēraudiem līdz 1180 MPa. Izvēle ir atkarīga no nepieciešamības panākt sadursmes izturību, salīdzinot ar ražošanas apjomu un budžeta ierobežojumiem.

Galvenā atšķirība: temperatūra un mikrostruktūra

Pamatatšķirība starp karsto un auksto termoplastisko apstrādi slēpjas metāla fāžu pārveidojumu un tā sakausējuma īpašību manipulēšanā. Šis nav vienkārši apstrādes temperatūras atšķirības jautājums; tas ir atšķirīgs veids, kā tiek iestrādāta izturība gala komponentā.

Karsta zīmogošana balstās uz fāžu pārveidošanos. Zemu sakausēta borija tērauds (parasti 22MnB5) tiek sildīts līdz aptuveni 900°C–950°C, kamēr veidojas homogēna austenīta mikrostruktūra. Pēc tam to formē un ātri izkaltē (atdzesē) matricā. Šī kaltēšana pārvērš austenītu martensītā, kas ir atšķirīga kristāliska struktūra, nodrošinot izcilu cietību un stiepes izturību.

Aukstā foltēšana , savukārt, darbojas istabas temperatūrā. Tas rada izturību, izmantojot materiāla cietināšanu deformēšanas laikā (plastisko deformāciju) un sākotnējā materiāla raksturlielumus, piemēram, Augstas izturības tēraudu (AHSS) vai Ļoti augstas izturības tēraudu (UHSS). Materiālam formēšanas procesā nepārveidojas fāze; tā vietā materiāla graudu struktūra tiek izstiepta un sasprindzināta, lai pretosies turpmākai deformācijai.

Karstā štampēšana: drošības speciālis

Karstā štampēšana, bieži saukta arī preses ciešanā, ir revolucionizējusi automašīnu drošības šūnas. Iespējot komponentu ražošanu ar stiepes izturību, kas pārsniedz 1500 MPa, inženieri var izstrādāt plānākas, vieglākas detaļas, kas saglabā vai uzlabo sadursmes veiktspēju. Šīs „vieglošanas“ spējas ir būtiskas sasniegt mūsdienu degvielas efektivitātes standartus un optimizēt elektrisko transportlīdzekļu (EV) darbības rādījumus.

Procesa process ir ideāls sarežģītām formām, kas aukstā veidošanā plaisātu. Tā kā tērauds ir karsts un plastisks stroke laikā, to var veidot sarežģītās ģeometrijās ar dziļiem izstiepumiem vienā solī. Tiklīdz veidnis aizveras un dzēš detaļu, iegūtā komponente ir dimensionāli stabila ar gandrīz nekādu atpakaļsitieni. Šī precizitāte ir būtiska montāžai, jo samazina nepieciešamību pēc turpmākām korekcijām.

Karstās zīmogēšanas unikālā priekšrocība ir spēja izveidot "mīkstas zonas" vai pielāgotas īpašības vienā detaļā. Kontrolējot atdzišanas ātrumu veidnē noteiktās vietās, inženieri var atstāt dažas sadales plastes (lai absorbētu enerģiju), kamēr citas ir pilnībā sakietējušas (lai pretotos iekļūšanai). Tas bieži tiek piemērots B-stenderos, kur augšējai daļai jābūt stingrai, lai aizsargātu pasažierus pārkāpšanas gadījumā, kamēr apakšējā daļa sabrukst, lai pārvaldītu triecienu enerģiju.

Galvenie lietojumi

• A-stabiņi un B-stabiņi: Kritiskas pretiekļūšanas zonas.
• Jumta sijas un amortizatori: Augsta stipruma attiecība pret svaru.
• EV akumulatora korpusi: Aizsardzība pret sānu triecieniem, lai novērstu termisko nobīdi.
• Durvju sijas: Pretiekļūšanas izturība.

Aukstā zīmogēšana: Masveida ražošanas darba zirgs

Neskatoties uz karstās veidošanas attīstību, aukstā stampēšana joprojām ir automašīnu ražošanas pamatsakne, jo tā nodrošina neaizvietojamu ātrumu un izmaksu efektivitāti. Sastāvdaļām, kurām nav nepieciešama martensīta tērauda ekstrēmā izturība virs 1500 MPa, aukstā stampēšana gandrīz vienmēr ir ekonomiskāk izdevīgāka izvēle. Mūsdienīgas prešes spēj darboties ar augstu ciklu biežumu (bieži vairāk nekā 40 sitieni minūtē), ievērojami pārspējot karstās stampēšanas līniju cikla ilgumu, ko ierobežo sildīšanas un atdzišanas laiks.

Pēdējā laikā metālurgijas jauninājumi ir paplašinājuši aukstās stampēšanas iespējas. Trešās paaudzes (Gen 3) tēraudi un mūsdienu martensīta markas ļauj aukstā veidā formēt detaļas ar izturību līdz pat 1180 MPa un speciālos gadījumos pat līdz 1470 MPa. Tas ļauj ražotājiem sasniegt ievērojamu izturību, neieguldot kapitālu krāsnīs un lāzeru griešanas šūnās, kas nepieciešamas karstai stampēšanai.

Tomēr aukstā stampēšana augstas izturības materiāliem rada izaicinājumu atsperošana —metāla tendence atgriezties sākotnējā formā pēc formas veidošanas. Atgriezeniskās deformācijas pārvaldība UHSS prasa sofistikētu simulācijas programmatūru un sarežģītu matricu inženieriju. Ražotājiem bieži jākompenzē "sienas saviešanās" un leņķiskās izmaiņas, kas var palielināt instrumentu attīstības laiku.

Ražotājiem, kuri meklē partneri, kas spējīgs pārvarēt šīs sarežģītības, Shaoyi Metal Technology nodrošina visaptverošus aukstās žāvēšanas risinājumus. Ar preses iespējām līdz 600 tonnām un IATF 16949 sertifikāciju tie veido tiltu no ātrā prototipēšanas līdz lielapjomu ražošanai būtiskiem komponentiem, piemēram, svirām un rāmjiem, nodrošinot atbilstību globālajiem OEM standartiem.

Galvenie lietojumi

• Šasijas komponenti: Sviras, šķērsstieņi un rāmji.
• Korpusa paneļi: Spārni, pārsegi un durvju apvalki (bieži no alumīnija vai maiga tērauda).
• Strukturālie stiprinājumi: Lielapjomu pastiprinājumi un stiprinājumi.
• Sēdekļu mehānismi: Sliedes un atzveltņu mehānismi, kas prasa stingras pieļaujamās novirzes.

Būtiska salīdzināšana: inženierijas kompromisi

Karstās vai aukstās štampēšanas izvēle reti ir lieta no vēlamības; tā ir aprēķins par kompromisiem, kas ietver izmaksas, cikla laiku un dizaina ierobežojumus.

1. Izmaksu sekas

Karstā štampēšana no sava veida ir dārgāka uz katru sastāvdaļu. Energijas izmaksas, lai sildītu krāsnis līdz 950°C, ir ievērojamas, un cikls ietver izturības laiku izcietēšanai, kas samazina caurlaidību. Papildus tam boru tērauda daļām pēc sacietēšanas parasti nepieciešams lāzera griezums, jo mehāniskie šķērēji tūlīt nodilst pret martensīta tēraudu. Aukstā štampēšana izvairās no šādām enerģijas izmaksām un sekundārām lāzera procesiem, tādējādi tā ir lētāka lielākiem sērijas ražošanas apjomiem.

2. Sarežģītība vs. Precizitāte

Karstā termoplastikāšana nodrošina augstāku izmēru precizitāti ("to, ko projektējat, to arī iegūstat"), jo fāžu pārveidošanās fiksē ģeometriju, novēršot atgriešanās efektu. Aukstā termoplastikāšana prasa pastāvīgu cīņu pret elastisko atgriešanos. Vienkāršām ģeometrijām aukstā termoplastikāšana ir precīza; sarežģītām, dziļām detaļām no augstas izturības tērauda karstā termoplastikāšana nodrošina labāku ģeometriskās precizitāti.

3. Metināšana un montāža

Šo materiālu savienošanai nepieciešamas atšķirīgas stratēģijas. Karstspiestām detaļām bieži izmanto alumīnija-silīcija (Al-Si) pārklājumu, lai novērstu oksidāciju krāsnī. Tomēr, ja to nepareizi pārvalda, šis pārklājums var piesārņot metinus, potenciāli izraisot problēmas, piemēram, segregāciju vai vājākas savienojumvielas. Aukstā termoplastikāšanā izmantotiem cinkota tērauda izstrādājumiem ir vieglāk metināt, taču pastāv šķidrā metāla trausluma (LME) risks, ja montāžas laikā tiek pakļauti noteiktiem siltuma cikliem.

Auto rūpniecības pielietojuma ceļvedis: Ko izvēlēties?

Lai pabeigtu lēmumu, inženieriem jāsalīdzina komponenta prasības ar procesa iespējām. Izmantojiet šo lēmumu matricu kā ceļvedi izvēlē:

• Izvēlieties karstās žāvēšanas metodi, ja:
  Detaļa ir daļa no drošības karkasa (B-stabiņš, sānu stiprinājums), kurai nepieciešama >1500 MPa izturība. Ģeometrija ir sarežģīta ar dziļiem ievilkumiem, kas aukstā veidošanā varētu pārplīst. Jums nepieciešams "nulles atgriešanās efekts", lai nodrošinātu precīzu montāžu. Svars ir galvenais KPI, kas attaisno augstāko vienības cenu.
• Izvēlieties aukstās žāvēšanas metodi, ja:
  Detaļai nepieciešama izturība <1200 MPa (piemēram, šasijas daļas, balsti). Ražošanas apjomi ir lieli (>100 000 vienību/gadā), kur cikla ilgums ir būtisks faktors. Ģeometrija ļauj izmantot progresīvo matricu veidošanu. Budžeta ierobežojumi dod priekšroku zemākai vienības cenai un rīku izmaksām.

Galvenākais modernas transportlīdzekļa arhitektūras elements ir hibrīda konstrukcija. Tā izmanto karstspiedšanu pasažieru drošības telpai, lai nodrošinātu izdzīvošanu sadursmēs, un aukstspiedšanu enerģiju absorbējošām zonām un strukturālajam rāmim, lai saglabātu izmaksu efektivitāti un remontējamību.

BUJ

1. Kāda ir atšķirība starp karsto un auksto stampēšanu?

Galvenā atšķirība ir temperatūra un nostiprināšanas mehānisms. Karsta zīmogošana boru tēraudu silda līdz aptuveni 950°C, lai pārveidotu tā mikrostruktūru par ārkārtīgi cietu martensītu (1500+ MPa) dzesēšanas procesā. Aukstā foltēšana veido metālu istabas temperatūrā, balstoties uz materiāla sākotnējām īpašībām un deformācijas cietināšanu, parasti sasniedzot stiprumu līdz 1180 MPa ar zemākām enerģijas izmaksām.

2. Kādas ir karstspiedšanas nepilnības?

Karstās štampēšanas ekspluatācijas izmaksas ir augstākas, jo nepieciešama enerģija krāsnīm un cikls ir lēnāks (sakarē ar sildīšanu un atdzišanu). Papildus tai parasti nepieciešams dārgs lāzeris griešanai pēc procesa, jo sakarstīts tērauds bojā tradicionālos mehāniskos šķērēs. Turklāt Al-Si pārklājumi, ko izmanto, var sarežģīt metināšanas procesus salīdzājumā ar standarta cinka pārklātā tērauda.

3. Vai aukstā štampēšana var sasniegt to pašu izturību kā karstā štampēšana?

Parasti nē. Lai gan aukstās štampēšanas tehnoloģijas ir attīstījušās, izmantojot paaudzes 3 tēraudu ar izturību līdz 1180 MPa vai pat 1470 MPa ierobežotās ģeometrijās, tās nevar uzticami sasniegt karstās štampēšanas martensīta tērauda 1500–2000 MPa stiepes izturību. Turklāt veidojot ļoti augstas izturības tēraudu aukstā, rodas ievērāmas atgriešanās (springback) un formējamības problēmas, ko karstā štampēšana izvairās.

4. Kāpēc atgriešanās (springback) ir problēma aukstās štampēšanas procesā?

Springback notiek, kad metāls cenšas atgriezties savā sākotnējā formā pēc formas spēka atcelšanas, ko izraisa elastīga atgūšana. Augstas izturības tērauda gadījumā šis efekts ir izteiktāks, izraisot "sārmu kreklu" un izmēru neprecīzi. Siltumapstrāde to novērš, aizslēdzot formu fāzes pārveidošanas laikā no austenīta uz martensītu.