STRESZCZENIE

The proces tłoczenia wzmocnienia zderzaka dla nowoczesnych pojazdów jest osiągane głównie poprzez Wykucie cieplne (znane również jako hartowanie pod ciśnieniem). Ta metoda przekształca stal stopioną z boronem (zazwyczaj 22MnB5 ) w elementy z nadwytrzymałej stali (UHSS) o wytrzymałości na rozciąganie przekraczającej 1,500 MPa . Proces polega na nagrzaniu półfabratów powyżej 900°C w celu osiągnięcia stanu austenitu, po czym następuje szybkie przeniesienie do chłodzonej wodą formy, gdzie kształtowanie i gaszenie zachodzą jednocześnie. Eliminuje się efekt odbicia sprężystego i umożliwia tworzenie złożonych, lekkich oraz odpornych na zderzenia struktur niezbędnych do spełnienia międzynarodowych standardów bezpieczeństwa.

Rola inżynieryjna wzmocnień zderzaków

Wzmocnienia zderzaków, często nazywane belkami zderzaków, stanowią podstawowy strukturalny element układu zarządzania zderzeniem pojazdu. Działając jako punkt połączenia między zewnętrzną fascią a podwoziem pojazdu (często poprzez skrzynki do zderzeń), te komponenty muszą pochłaniać i rozpraszać energię kinetyczną podczas czołowych lub tylnych kolizji. Wyzwanie inżynieryjne polega na osiągnięciu równowagi między bezpieczeństwa w kolizji z redukcja masy (LW) wymogami wynikającymi z przepisów dotyczących oszczędności paliwa i zasięgu pojazdów elektrycznych.

Tradycyjnie belki zderzaków były wytwarzane z miękkiej stali metodą zimnego tłoczenia. Jednak zapotrzebowanie na wyższe oceny bezpieczeństwa spowodowało zmianę standardu przemysłowego na rzecz Stali Ultra Wysokowytrzymałe (UHSS) , konkretnie stopy borowo-manganowe, takie jak 22MnB5. Chociaż stopy aluminium (seria 6000 lub 7000) są stosowane w niektórych premium zastosowaniach ze względu na ich wysoką wytrzymałość przy małej masie, stal borowa pozostaje dominującym materiałem ze względu na wyjątkalny stosunek kosztu do wydajności oraz możliwość osiągnięcia hartowania martenzytycznego.

Przemiana metalurgiczna jest kluczowa: stal zaczyna z mikrostrukturą ferrytyczno-perlityczną (wytrzymałość na rozciąganie ~600 MPa) i jest termicznie przetwarzana w celu osiągnięcia pełnej struktury martenzytycznej (wytrzymałość na rozciąganie >1 500 MPa). Ta przemiana pozwala inżynierom na zmniejszenie grubości ścianki — często do 1,2 mm–2,0 mm — bez kompromitowania integralności strukturalnej.

Podstawowy proces: Gorące tłoczenie (hartowanie pod prasą) — schemat pracy

Gorące tłoczenie jest jedynym procesem produkcyjnym zdolnym do formowania belek zderzakowych o wytrzymałości 1 500+ MPa bez występowania dużych problemów z odbiciem sprężystym, które towarzyszą zimnym metodom kształtowania. Proces przebiega w ściśle kontrolowanym cyklu termicznym łączącym kształtowanie i obróbkę cieplną.

1. Austenityzacja (Grzanie)

Proces rozpoczyna się od rozpakowania wyciętych półfabratów (często powlekanych warstwą Al-Si, aby zapobiec powstawaniu nalotu) i ich podawania do pieca z rusztowym systemem transportowym. Półfabratory są ogrzewane do temperatury około 900°C–950°C i utrzymywane przez określony czas wygrzewania. To nasycenie cieplne przekształca mikrostrukturę stali z ferrytu na austenit austenit

2. Przeniesienie i kształtowanie

Gdy półfabryt wychodzi z pieca, szybkość jest kluczowa. Ramiona transferowe robotów przenoszą rozgrzany półfabryt do formy prasy w ciągu kilku sekund (zazwyczaj <3 sekundy), aby zapobiec wczesnemu schłodzeniu. Następnie prasa hydrauliczna lub serwo-mechaniczna szybko się zamyka. Prędkość zamykania często zawiera się w przedziale 500 do 1 000 mm/s w celu zapewnienia uformowania materiału przed rozpoczęciem transformacji fazowej.

3. Gaszenie w matrycy

To jest decydujący etap procesu proces tłoczenia wzmocnienia zderzaka . W matrycy znajdują się skomplikowane kanały chłodzące, przez które cyrkuluje woda chłodzona. Gdy prasa osiąga dolny martwy punkt (BDC), następuje wytrzymanie, podczas którego kształtowana część pozostaje pod wysokim obciążeniem (zazwyczaj 500–1500 ton, w zależności od rozmiaru części). Ten kontakt szybko odprowadza ciepło, osiągając szybkość chłodzenia przekraczającą 27°C/s . To szybkie gaszenie omija strefy powstawania perlitu/fazy bainitu i przekształca austenit bezpośrednio w martensit .

4. Wyrzut części

Po czasie gaszenia wynoszącym około 5 do 10 sekund prasa otwiera się, a utwardzona część jest wyrzucana. Komponent posiada teraz swoje ostateczne właściwości mechaniczne: ekstremalną twardość, wysoką wytrzymałość na rozciąganie oraz brak odkształceń sprężystych (springback), ponieważ naprężenia termiczne są rozładowywane podczas przemiany fazowej.

Porównanie metod wytwarzania

Chociaż hartowanie na gorąco jest standardem złotym dla wzmocnień o wysokiej wydajności, to gięcie na zimno i profilowanie walcowe pozostają istotne dla konkretnych zastosowań. Zrozumienie kompromisów jest kluczowe przy doborze procesu.

Zimne wyciskanie nadaje się dobrze do elementów o niższej wytrzymalości lub uchwytów ze stali konstrukcyjnej, gdzie koszt i czas cyklu są priorytetem w porównaniu do redukcji wagi. Jednak formowanie UHSS na zimno prowadzi do silnego zużycia narzędzi oraz nieprzewidywalnego odbicia sprężystego. Formowanie na wałkach jest efektywny dla belek o stałym przekroju (prostych belek), ale nie może sprostać złożonym, płynnym krzywiznom i zintegrowanym elementom mocowania wymaganym przez nowoczesne, aerodynamiczne projekty.

Dla producentów wędrujących pośród tych opcji, wybór odpowiedniego partnera w produkcji jest kluczowy. Firmy takie jak Shaoyi Metal Technology mostkują tą lukę, oferując kompleksowe możliwości tłoczenia. Posiadając certyfikat IATF 16949 i prasy o pojemności do 600 ton, wspierają projekty motoryzacyjne od szybkiego prototypowania po produkcję seryjną, przetwarzając kluczowe elementy konstrukcyjne z precyzją wymaganą przez międzynarodowe standardy OEM.

Poobsługa i kontrola jakości

Ekstremalna twardość wzmocnień zderzaków hartowanych na gorąco wprowadza unikalne wyzwania w procesach dalszej obróbki. Tradycyjne wykrojniki mechaniczne zazwyczaj od razu ulegają uszkodzeniu lub zużyciu przy stali o wytrzymałości 1 500 MPa.

Laserowe przycinanie i cięcie

Aby osiągnąć końcowe wymiary oraz wykonać otwory montażowe, producenci najczęściej wykorzystują 5-osiowe komórki do cięcia laserowego . Ta bezkontaktowa metoda gwararuje precyzyjne krawędzie bez mikropęknięć, które mogą stanowić potencjalne miejsca awarii w przypadku kolizji. Chociaż przycinanie laserowe jest wolniejsze niż przebijanie mechaniczne, oferuje elastyczność niezbędną do produkcji różnych wariantów zderzaków na tej samej linii.

Obróbka powierzchniowa

Jeśli półfabnat z boronowej stali był niepowlekany, wysokie temperatury pieca powodują utlenienie powierzchni (zarost). Takie części muszą zostać poddane strużynowaniu przed naniesieniem powłoki elektrostatycznej, aby zapewnić odpowiednią przyczepność. Alternatywnie, Al-Si (Aluminium-Krzem) półfabryty z wstępnie nanieszonym powłoką zapobiegają powstawaniu zarostu, ale wymagają starannego kontroli procesu, aby uniknąć odspajania powłoki w trakcie procesu formowania.

Weryfikacja jakości

Surowe protokoły testowania są nieprzemienne w przypadku elementów bezpieczeństwa. Standardowe środki kontroli jakości obejmują:

• Test twardości według Vickersa: weryfikację przemiany na martenzyty w strefach krytycznych.
• skanowanie niebieskim światłem 3D: sprawdzanie dokładności wymiarów w porównaniu z danymi CAD, zapewniające idealne dopasowanie punktów mocowania do podwozia.
• Analiza mikrostruktury: okresowe testy niszczące potwierdzające brak bainitu lub ferrytu w obszarach nośnych.

Optymalizacja strategii produkcji

Przejście do zgrzewanych w gorąco wzmocnień zderzaków oznacza wyraźny przeskok w produkcji samochodów, stawiający priorytet na bezpieczeństwo pasażerów i efektywność pojazdu. Opanowanie zmiennych takich jak temperatura, prędkość transferu i ciśnienie gaszenia pozwala producentom dostarczać komponenty odpornościowe na ogromne siły przy jednoczesnym minimalizowaniu masy. Wraz z rozwojem stopni stali w kierunku 1 800 MPa i wyższych, precyzja procesu tłoczenia pozostaje decydującym czynnikiem kształtującym nowe pokolenie struktur bezpieczeństwa pojazdów.

Często zadawane pytania

1. Jaka jest różnica między bezpośrednim a pośrednim gorącym tłoczeniem?

W bezpośrednie hartowanie cieplne , najpierw nagrzewa się bilet, a następnie formuje i gaszi w jednym etapie. To najpowszechniejsza metoda stosowana do belek zderzakowych. Pośrednie hartowanie cieplne polega na zimnym formowaniu elementu do niemal ostatecznego kształtu, następnie nagrzaniu i na końcu umieszczeniu w chłodzonej formie w celu gaszenia i kalibrowania. Tłoczenie pośrednie pozwala na bardziej złożone geometrie, ale jest droższe ze względu na dodatkowe narzędzia wymagane.

2. Dlaczego dodaje się bor do stali stosowanej w wzmocnieniach zderzaków?

Bor dodaje się w bardzo małych ilościach (zazwyczaj 0,002%–0,005%), aby znaczącznie poprawić przejmowalność stali. Opóźnia powstawanie mięjszych struktur mikro, takich jak ferryt i perlit, podczas ochładzania, zapewniając, że stal całkowicie przekształca się w twardy martenzyt, nawet przy prędkościach chłodzenia osiąganych w przemyślowych narzędziach tłoczeniowych.

3. Czy można spawać elementy wytłoczone na gorąco?

Tak, części ze stali borowej hartowanej na gorąco można spawać, ale wymagają one określonych parametrów. Ponieważ ciepło pochodzące ze spawania może lokalnie odpuścić (zmiękczyć) strefę poddaną obróbce cieplnej, tworząc tzw. "miękkie miejsce", proces spawania—czy to spawanie punktowe, czy laserowe—należy dokładnie kontrolować. Często przed montażem w strefach spawalniczych stosuje się ablację laserową w celu usunięcia powłoki Al-Si, aby zapewnić integralność spoiny.