Automobiļu strukturālo pastiprinājumu štampēšana: Inženierijas rokasgrāmata

TL;DR

Strukturālo pastiprinājumu štampēšana automobiļos ir augsta riska ražošanas nozare, kas līdzsvaro divas pretējas tendences: maksimālu sadzīves drošību un minimālu transportlīdzekļa svaru (vieglais svars). Drošībai kritiskiem komponentiem, piemēram, A-stabiņiem un durvju gredzeniem, nozares standarts ir pārgājis uz Karstā izspiešana (presēšanas cietināšana) borra tērauda, kas sasniedz stiepes izturību vairāk nekā 1500 MPa, neizraisot atsprūdes problēmu. Tomēr Aukstā foltēšana ir būtisks alumīnija EV akumulatoru korpusiem un mazāk sarežģītām ģeometrijām, kur galvena nozīme ir izmaksu efektivitātei. Sekmībai šajā jomā ir nepieciešams orientēties uzlabotajos materiālos, kontrolēt precīzas pieļaujamās novirzes un izvēlēties pareizo prešu jaudu masveida ražošanai.

Inženierijas izaicinājums: kāpēc strukturālie pastiprinājumi ir unikāli

Attiecībā uz automašīnu korpusu (BIW) strukturālie pastiprinājumi ir karkass, kas aizsargā pasažierus sadursmes laikā. Atšķirībā no kosmētiskajiem ķermeņa paneļiem (āda), šiem komponentiem — tostarp A stabiem, B stabiem, slieku paneļiem, jumta sijām un šķērsstabiem — jāabsorbē un jānovirza milzīga kinētiskā enerģija. Pamata inženierijas izaicinājums ir „nolietošanās imperatīvs“. Tā kā emisijas normas kļūst stingrākas un elektriskajām mašīnām (EV) nepieciešams maksimizēt izbraukumu, inženieri nevar vienkārši pievienot biezāku tēraudu, lai palielinātu drošību.

Tā vietā rūpniecība balstās uz Augstas stiprības sakausējumi (AHSS) un alumīnija sakausējumiem. Kamēr parastam tēraudam parasti ir plūstamības robeža aptuveni 200 MPa, mūsdienu presēšanas cietinātajam tēraudam, ko izmanto pastiprinājumos, tā var pārsniegt 1500 MPa (aptuveni 217 ksi). Tas ļauj izmantot plānākus materiāla biezumus, samazinot svaru, vienlaikus saglabājot vai uzlabojot strukturālo integritāti.

Tomēr šo augstas veiktspējas materiālu stempināšana rada ievērojamas ražošanas grūtības. Galvenais ienaidnieks aukstā stempēšanas augstas izturības materiālus ir atsperošana metāla tendence atgriezties sākotnējā formā pēc tam, kad ir novērsts veidošanas spēks. Tas padara sarežģītu geometrijas ciešu pielaides sasniegšanu ļoti sarežģītu, bieži vien kompensējot to, ir nepieciešama sarežģīta simulācijas programmatūra un servo preses tehnoloģija.

Procesu salīdzinājums: karstās stiepšanās (preces stingri) pret aukstā stiepšanās

Izvēle starp karstu un aukstu stempināšanu ir centrālais procesa lēmums attiecībā uz strukturālo pastiprinājumu. Katrai metodei ir atšķirīga mehānisma, izmaksas un materiālās sekas.

Karstā izspiešana (presēšanas cietināšana)

Karstā stempēšana vai preses stingri apstrāde ir dominējošā metode, ko izmanto kritiski svarīgām drošības komponentēm. Procesa laikā borsta tērauda plāksnes sasildās līdz aptuveni 900 °C (1 650 °F) līdz tās sasniegs austenītu stāvokli. Pēc tam sarkanā karstā tukšā plāksne tiek ātri pārnesta uz ūdens dzesētu plāksni, kur tā tiek veidota un vienlaicīgi apdzesēta.

Šis straujais atdzisis pārveido tērauda mikrostruktūru no austēnīta uz martensītu, fiksējot ģeometriju un pilnībā novēršot atgriešanās efektu. Saskaņā ar nozares datiem, šis process var palielināt bora tērauda stiepes izturību no sākotnējiem 50 ksi līdz vairāk nekā 200 ksi (aptuveni 1 380 MPa). Tāpēc karstā termoformēšana ražo drošībai kritiskas detaļas piemēram, durvju pastiprinājumus un bufера starpsienas, kas ir gan ārkārtīgi izturīgas, gan dimensiju ziņā precīzas.

Aukstā foltēšana

Aukstā termoformēšana notiek istabas temperatūrā un balstās uz materiāla plastiskumu. Lai gan tā ir ātrāka un enerģijas ziņā efektīvāka (nekādus sildīšanas procesus nepieprasa), tai ir ierobežojumi attiecībā uz ļoti augstas izturības materiāliem, jo rodas deformācijas cietināšanās un atgriešanās efekts. Tomēr servo preses tehnoloģijas attīstība — kas ļauj precīzi kontrolēt spiediena ātrumu un spiediena ilgumu — ir paplašinājusi aukstās termoformēšanas iespējas. Šī metode joprojām ir iecienītākā alumīnija komponentu un strukturālo detaļu ražošanai ar vienkāršākām ģeometrijām vai zemākām izturības prasībām.

Materiālu zinātne: AHSS, Boru tērauds un Alumīnijs

Stempēta pastiprinājuma veiktspēja ir atkarīga no tā materiāla. Automobiļu nozare ir tālu pārsniegusi parasto vieglo tēraudu.

Borā apstrādāts tērauds (22MnB5)

Borstails ir karsta stempēšanas pamatprodukts. Boras pievienošana ievērojami palielina cietību. Sākotnējā stāvoklī tas ir samērā mīksts un veidots, bet pēc preses stingri apstrādes process kļūst ārkārtīgi stingri. Šī duāla būtība ļauj radīt sarežģītas formas, kas sasilst un veido nepārtrauktas drošības struktūras.

Alumīnija sakausējumi (5xxx un 6xxx sērija)

Ar elektromobilu pieaugumu alumīnija kļūst arvien populārāka bateriju korpusa un triecienu torņu izmantošanā, lai kompensētu smagas baterijas. Metāla iespiedēšanai ir svarīga loma EV ražošanā veidojot šīs vieglas sakausējumi. Tomēr alumīnija ir pakļauta krakām un sārām, kas rodas, kad to ievilk dziļi, un tam ir nepieciešami speciāli eļļas un bieži vien vairāki ievilkšanas posmi salīdzinājumā ar tēraudu.

Galdēta dzelzis

Priekš zemākas struktūras komponentiem, kas pakļauti ceļa sālei un mitrumam, korozijas izturība ir nenovēršama. Cinkota tērauda, kuram ir cinka pārklājums, plaši izmanto šasiju komponentiem un rāmjiem. Cinkota materiāla stampēšana prasa rūpīgu veidņu uzturēšanu, jo cinka pārklājums var drupināties (saskarties) un uzkrāties instrumentos, ietekmējot daļu kvalitāti.

Robežu pārvarēšana: no prototipa līdz masveida ražošanai

Izvēloties stampēšanas partneri strukturālajām pastiprinājumu detaļām, ne tikai jāatrod zemākā cena par vienu gabalu, bet gan jāatrod piegādātājs ar elastību apkalpot visu produktu dzīves ciklu. Automobiļu programmas parasti pāriet no ātras prototipēšanas uz zemu apjomu validāciju un beigās uz liela apjoma masveida ražošanu. Fragmentēta piegādes ķēde, kur prototipus izgatavo viens uzņēmums, bet ražošanas detaļas — cits, var izraisīt būtiskas "tulkošanas kļūdas" veidņu dizainā un toleranču realizācijā.

Ideāli ražotājam vai pirmā līmeņa piegādātājam vajadzētu sadarboties ar partneri, kas spēj bez problēmām paplašināt darbības mērogu. Būtiskas spējas ietver plašu prešu tonnāžu klāstu (piemēram, no 100 līdz 600 tonnām), lai varētu apkalpot dažāda izmēra detaļas un materiālu biezumus, kā arī rīkošanos ar veidņu izstrādi, lai nodrošinātu pāreju no pagaidu veidnēm uz progresīvām pastāvīgām veidnēm.

Ražotājiem, kuri meklē šāda līmeņa integrāciju, Shaoyi Metal Technology ir piemērs nepieciešamajām kompetencēm. Sertificēts atbilstoši IATF 16949:2016 standartiem, tie aizpilda atšķirību starp inženierijas validāciju un sērijveida ražošanu. Viņu iespējas aptver prototipu ražošanu — 50 gabali var tikt piegādāti jau četrās dienās — līdz pat miljonu kritisku sastāvdaļu, piemēram, balstiekārtu rokturu un rāmju, gadai gatavošanai. Izmantojot prešes līdz 600 tonnām un piedāvājot plašas sekundārās procesa iespējas, piemēram, metināšanu un e-pārklājumu, tie nodrošina vienkāršotu risinājumu sarežģītām automašīnu strukturālajām vajadzībām.

Kritiskas lietojumprogrammas: Galvenās strukturālās sastāvdaļas

Dažādas transportlīdzekļa daļas prasa atšķirīgas štampēšanas stratēģijas, pamatojoties uz slodzes ceļiem un sadursmju scenārijiem.

• Drošības klatka (stabi un durvju gredzeni): A-stabs un B-stabs ir galvenie vertikālie balsti, kas novērš jumta sabrukšanu pārkritiena gadījumā. Mūsdienu ražošanā bieži tiek izmantoti „lāzeru metināti заглушки“ — dažāda biezuma loksnēm tiek savienotas pirms štampēšanas — lai izveidotu vienu B-stabu, kurš ir biezāks augšpusē (izturībai) un plānāks apakšā (lai pārvaldītu deformācijas režīmus).
• EV akumulatora korpusi: Akumulatora paplāte ir svarīgākais strukturālais elements elektriskajā transportlīdzeklī. Tāi jāpasargā akumulatora moduļi no ceļa netīrumiem un sānu ietriecieniem. Parasti tas ir lieli, sekli izvilkti komponenti, kas bieži štampēti no augstas izturības alumīnija, lai samazinātu svaru. Šeit ir ārkārtīgi svarīga precizitāte; blīvēšanas virsmai jābūt ideāli plakanai, lai novērstu ūdens iekļūšanu.
• NVH samazināšanas komponenti: Ne visi strukturālie elementi ir paredzēti sadzīšanās drošībai. Attiecības un šķērslocekļi bieži kalpo korpusa stingrināšanai, lai samazinātu troksni, vibrācijas un raupjumu (NVH). Precīzi štampēšanas procesi ražo NVH samazināšanas stiprinājumus kas mazina ceļa radīto troksni, veicinot vēlamo kvalitātes sajūtu transportlīdzekļa kabīnē.

Secinājums: Daudzpakāpju materiālu nākotne

Automobiļu strukturālo pastiprinājumu štampēšanas nākotne atrodas „pareizajā materiālā pareizajā vietā“. Mēs attālināmies no monolītiskiem tērauda korpusiem uz daudzpakāpju materiālu hibrīdiem, kur karsti štampēti borstāvdaļu stabi ir savienoti ar alumīnija triecienu torņiem un kompozīta jumta sijām. Inženieriem un iepirkumu komandām tas nozīmē, ka spējīga štampēšanas partnera definīcija mainās. Vairs nepietiek tikai ar tērauda štampēšanu; spēja simulēt, veidot un savienot dažādus augstas veiktspējas materiālus ir jauns standarts strukturālās ražošanas izcilībai.

Bieži uzdotie jautājumi

1. Kādas ir galvenās priekšrocības karstai štampēšanai salīdzinājumā ar auksto štampēšanu?

Karstā termoplastikāšana (spiediens cietēšana) gandrīz pilnībā novērš atgriešanās efektu, kas ir liela problēma aukstā termoplastikā augstas izturības tēraudos. Tas ļauj izveidot sarežģītas ģeometriskas formas ar stiepes izturību, kas pārsniedz 1500 MPa, padarot to par ideālu drošībai kritiskiem komponentiem, piemēram, B-stabiem un durvju gredzeniem, kur nepieciešama dimensiju precizitāte un maksimālā izturība.

2. Kā elektromobīļu popularizācija ietekmē automašīnu štampēšanu?

Elektromobīļiem ir būtiska nepieciešamība pēc svara samazināšanas, lai kompensētu smagos akumulatoru komplektus, kas veicina pāreju uz alumīnija štampēšanu strukturāliem komponentiem, piemēram, akumulatoru korpusiem un rāmjiem. Turklāt elektromobīļu arhitektūrai nepieciešami jauni stiprinājumu veidi, lai aizsargātu akumulatoru komplektu sānu triecienu gadījumos, kas noved pie lielāku, vairāk integrētu štamponēto komponentu izmantošanas.

3. Kāda ir IATF 16949 sertifikācijas loma štampēšanā?

IATF 16949 ir globālais tehniskais standarts kvalitātes pārvaldības sistēmām automašīnu rūpniecībā. Piespiešanas piegādātājam šis sertifikāts apliecina, ka tam ir stingri procesi defektu novēršanai, piegādes ķēdes svārstību samazināšanai un nepārtrauktai uzlabošanai, kas ir obligāti nepieciešams, lai piegādātu drošībai kritiskas strukturālas detaļas OEM ražotājiem.