Краткое содержание

Дефекты при штамповке металла в автомобилестроении в основном возникают по трем основным причинам: неоптимизированные параметры процесса (в частности, усилие прижима заготовки), износ инструмента (зазор и износ) или неоднородность материала (особенно при использовании высокопрочных низколегированных сталей). Устранение этих проблем требует применения подхода «Золотой треугольник»: прогнозирующее моделирование для выявления пружинения и разрывов до начала резки стали, точное техническое обслуживание матриц для устранения заусенцев и автоматическая оптическая инспекция (AOI) для обеспечечения отсутствия дефектов на выходе. В данном руководстве представлены практические инженерные решения для наиболее критичных дефектов: разрывы, складки, пружинение и поверхностные дефекты.

Классификация дефектов автомобильной штамповки

В высокоточном мире автомобильного производства «дефект» — это не просто визуальный изъян; это структурная неисправность или отклонение размеров, которое нарушает сборку автомобиля. Прежде чем применять контрмеры, инженеры должны правильно классифицировать механизм дефекта. Дефекты штамповки в автомобилестроении, как правило, подразделяются на три отдельных класса, каждый из которых требует своего диагностического подхода.

• Дефекты формовки: Они возникают во время фазы пластической деформации. Примеры включают разделены (чрезмерное натяжение, вызывающее разрушение) и появление морщин (сжимающая нестабильность, вызывающая коробление). Эти явления часто определяются пределами текучести материала и распределением усилия прижима заготовки.
• Размерные дефекты: Это геометрические отклонения от CAD-модели. Наиболее известный из них — упругий возврат , когда упругое восстановление детали изменяет её форму после извлечения из штампа. Это основная проблема при формовке современных высокопрочных сталей (HSS) и алюминиевых панелей.
• Дефекты резки и поверхности: Как правило, это проблемы, связанные с оснасткой. Заусенцы возникают из-за неправильного зазора при резке или тупых кромок, в то время как понижения поверхности , заедания , и следы от обрезков являются трибологическими проблемами, вызванными трением, неисправностью смазки или загрязнениями.

Точная диагностика предотвращает дорогостоящую ошибку устранения технологической проблемы (например, образование складок) путем изменения инструментальной оснастки (например, повторного фрезерования). В следующих разделах анализируются физические причины этих дефектов и приводятся конкретные инженерные решения.

Устранение дефектов формовки: разрывы и складки

Дефекты формовки зачастую являются двумя сторонами одной медали — контролем потока материала. Если металл слишком легко поступает в полость матрицы, он собирается в складки. Если его поступление слишком сильно ограничено, материал растягивается за пределы своего предела прочности (разрывы).

Устранение складок при глубокой вытяжке

Образование складок — это явление, связанное с потерей устойчивости при сжатии, распространённое в области фланца деталей, полученных глубокой вытяжкой, таких как крылья или масляные поддоны. Оно возникает, когда напряжения сжатия в окружном направлении превышают критическое напряжение потери устойчивости листового металла.

Инженерные решения:

• Оптимизация усилия прижима заготовки (BHF): Основная мера — увеличение давления на прижим заготовки. Это ограничивает приток материала и повышает радиальное натяжение, устраняя сжимающие волны. Однако чрезмерное усилие BHF приведет к разрывам. Инженеры-технологи часто используют переменные профили усилия прижима, которые регулируют давление на протяжении всего хода.
• Использование протяжных буртиков: Если увеличение усилия BHF недостаточно, следует установить или отрегулировать протяжные буртики. Они механически ограничивают приток материала без необходимости использования чрезмерного усилия. Квадратные или полукруглые буртики можно настраивать для обеспечения локального сопротивления притоку в зонах, склонных к утолщению.
• Газовые цилиндры с азотом: Замените стандартные пружины на газовые пружины с азотом, чтобы обеспечить постоянное и контролируемое распределение усилия по всей поверхности штампа, предотвращая местные падения давления, способствующие образованию складок.

Предотвращение разрывов и порывов

Разделение происходит, когда основное напряжение в листовом металле превышает кривую диаграммы предельных деформаций (FLD). Это локализованное разрушение при обжиме, часто наблюдаемое в стенках стакана или на малых радиусах.

Инженерные решения:

• Уменьшите давление прижима: В отличие от образования складок, если материал слишком сильно ограничен, он не может поступать в матрицу. Снижение силы прижима заготовки (BHF) или уменьшение высоты протяжки способствует лучшему поступлению материала в вытяжку.
• Трибология и смазка: Высокие коэффициенты трения препятствуют проскальзыванию материала по радиусу матрицы. Убедитесь, что прочность пленки смазки достаточна для температур и давления, возникающих при операции. В некоторых случаях нанесение точечной смазки на участки с высокой деформацией может решить проблему.
• Оптимизация радиусов: Слишком малый радиус матрицы концентрирует напряжения. Полировка радиусов матрицы или увеличение размера радиуса (если геометрия детали позволяет) обеспечивает более равномерное распределение деформаций.

Устранение размерных дефектов: проблема пружинения

Упругое восстановление — это эластичный отклик материала после снятия нагрузки при формовке. По мере того как производители автомобилей переходят на высокопрочные стали (AHSS) и алюминий для снижения массы транспортных средств, упругое восстановление становится самым сложным дефектом с точки зрения прогнозирования и контроля. В отличие от мягкой стали, AHSS обладает более высоким пределом текучести и большим потенциалом упругого восстановления.

Стратегии компенсации упругого восстановления

Решение проблемы упругого восстановления требует сочетания стратегии компенсации матрицы и контроля процесса. Эту проблему редко удается решить просто «ударяя сильнее».

• Перегиб: Конструкция штампа должна учитывать угол упругого восстановления. Если требуется изгиб под 90 градусов, инструмент может потребоваться согнуть металл на 92 или 93 градуса, чтобы он вернулся к нужному размеру.
• Повторное выдавливание и фиксация: Можно добавить вторичную операцию для «фиксации» геометрии. Повторное выдавливание радиуса сжимает материал в зоне изгиба, создавая сжимающие напряжения, которые компенсируют упругое растяжение при восстановлении.
• Компенсация на основе моделирования: Ведущие инженерные команды теперь используют программное обеспечение для моделирования, например AutoForm или PAM-STAMP, чтобы прогнозировать величину пружинения на этапе проектирования. Эти инструменты создают геометрию «скомпенсированной поверхности матрицы», намеренно искаженную для получения конечной детали с правильной геометрией.

Примечание о изменчивости материала: Даже при идеальной матрице вариации механических свойств рулонного материала (изменчивость предела текучести) могут вызывать нестабильное пружинение. Производители высоких объемов часто внедряют системы внутреннего контроля для динамической корректировки параметров пресса в зависимости от свойств партии.

Устранение дефектов резки и поверхности

Если дефекты формовки являются сложными задачами физики, то дефекты резки и поверхности зачастую связаны с обслуживанием оборудования и дисциплиной. Они напрямую влияют на косметическое качество поверхностей класса А (капоты, двери) и безопасность несущих компонентов.

Снижение заусенцев и управление зазорами

Заусенец — это поднявшийся край на металле, вызванный тем, что пуансон и матрица не смогли чисто отделить металл. Заусенцы могут повредить оборудование на последующих этапах сборки и создать риски для безопасности.

• Оптимизация зазора матрицы: Зазор между пуансоном и матрицей имеет критическое значение. Если зазор слишком мал, возникает вторичный срез, образующий заусенец. Если он слишком велик, металл заворачивается перед разрушением. Для стандартной стали зазор обычно устанавливается в пределах 10–15% толщины материала. Для алюминия он может увеличиваться до 12–18%.
• Техническое обслуживание инструмента: Тупое режущее лезвие — наиболее распространённая причина появления заусенцев. Рекомендуется строго соблюдать график заточки инструмента, основываясь на количестве ходов, а не дожидаясь обнаружения дефектов.

Поверхностные дефекты: задиры и следы от шлама

Заедания (адгезионный износ) возникает, когда листовой металл микроскопически сплавляется с инструментальной сталью, вырывая материал. Это распространено при штамповке алюминия и может быть уменьшено за счёт использования покрытий методом PVD (физического парового осаждения) или CVD (химического парового осаждения), таких как титанкарбонитрид (TiCN), на поверхностях инструмента.

Следы от обрезков появляются, когда обрезок металла затягивается обратно на рабочую поверхность матрицы (затягивание обрезка) и вдавливается в следующую деталь. Решения включают использование пружинных выталкивающих штифтов в пуансонах, добавление ножей типа "крыша" на рабочую поверхность пуансона для снижения вакуума или применение вакуумных систем для удаления обрезков через основание матрицы.

Системные меры предотвращения: моделирование и выбор партнёров

Современная автомобильная штамповка переходит от реактивного устранения неполадок к проактивному предотвращению. Стоимость дефекта возрастает экспоненциально по мере продвижения вниз по производственной линии — от нескольких долларов на прессе до тысяч долларов, если дефектное транспортное средство попадёт на рынок.

Роль моделирования и контроля

Современные штамповочные производства используют инструменты предиктивного моделирования для визуализации дефектов, таких как углубления на поверхности и разрывы, в виртуальной среде. «Цифровая шлифовка» имитирует процесс проверки панели с помощью бруска для выявления микроскопических отклонений поверхности, которые невидимы невооружённым глазом, но проявляются после покраски.

Кроме того, системы автоматической оптической инспекции (AOI), такие как системы от Cognex , используют машинное зрение для контроля 100% деталей в линии. Эти системы могут измерять положение отверстий, обнаруживать разрывы и проверять точность геометрических размеров, не замедляя работу пресс-линии, обеспечивая поступление на сварку только соответствующих требованиям деталей.

Мост между прототипом и производством

В автомобильных проектах именно переход от инженерной валидации к массовому производству является источником множества дефектов. Выбор партнёра с комплексными возможностями имеет решающее значение. Shaoyi Metal Technology иллюстрирует такой комплексный подход, обеспечивая переход от быстрого прототипирования к производству высоких объёмов. Используя прецизионное оборудование и прессы мощностью до 600 тонн, сертифицированные по стандарту IATF 16949, они помогают OEM-производителям на ранних этапах проверять процессы и наращивать выпуск критически важных компонентов, таких как рычаги подвески и подрамники, строго соблюдая глобальные стандарты.

Производство с нулевым уровнем дефектов

Устранение дефектов при штамповке автомобильных металлических деталей редко достигается за счёт одного-единственного «волшебного решения». Требуется системный инженерный подход, который учитывает физику течения материала, точность геометрии инструментов и строгость в обслуживании процессов. Будь то снижение эффекта пружинения в сверхпрочных сталях с помощью компенсационных стратегий или устранение заусенцев за счёт точного управления зазорами, цель остаётся прежней — стабильность.

Интегрируя предиктивное моделирование на этапе проектирования и надежный оптический контроль в процессе производства, производители могут перейти от ликвидации последствий к поддержанию стабильности технологического процесса. Результатом является не просто деталь без дефектов, а прогнозируемый, рентабельный и масштабируемый производственный процесс.

Часто задаваемые вопросы

1. Какой дефект является наиболее распространённым при штамповке металла в автомобильной промышленности?

Хотя частота возникновения дефектов зависит от конкретного применения, упругий возврат в настоящее время представляет наибольшую сложность из-за широкого внедрения высокопрочных сталей (AHSS) для облегчения конструкций. Коробление и разрывы остаются распространенными при сложных операциях формовки, однако упругая пружинность создает наибольшие трудности с точки зрения обеспечения точности размеров.

2. Как связана сила прижима заготовки с образованием складок?

Возникновение складок в области фланца напрямую вызвано недостаточной силой прижима заготовки (BHF). Если сила прижима слишком низкая, листовой металл недостаточно удерживается, что приводит к потере устойчивости при сжатии (выпучиванию) по мере его втягивания в матрицу. Увеличение BHF подавляет образование складок, но повышает риск разрыва, если сила установлена слишком высокой.

3. В чём разница между заеданием и царапаньем?

Заедания является формой адгезионного износа, при которой материал листового металла переносится и прилипает к инструментальной стали, зачастую вызывая сильное рванье последующих деталей. Оценки обычно относится к царапинам, вызванным абразивными частицами или загрязнениями (например, заусенцами или обрезками), попавшими между листом металла и поверхностью матрицы.

4. Как программное обеспечение для моделирования может предотвратить дефекты штамповки?

Программное обеспечение для моделирования (метод конечных элементов) прогнозирует поведение материала до начала обработки стали. Оно позволяет инженерам визуализировать утонение, риски разрыва и величину пружинения в виртуальной среде. Это дает возможность изменять геометрию матрицы — например, добавлять вытяжные буртики или компенсировать пружинение — на этапе проектирования, значительно сокращая количество физических пробных циклов и снижая затраты.