Штамповка конструкционных усилителей для автомобилей: инженерное руководство

Краткое содержание

Штамповка структурных усилителей для автомобилей — это ответственная область производства, требующая баланса между двумя противоположными факторами: максимизация crashworthiness и минимизация веса транспортного средства (облегчение конструкции). Стандартом отрасли для критически важных с точки зрения безопасности компонентов, таких как стойки A и кольца дверей, стало использование Горячая штамповка (прессовое упрочнение) бористых сталей, что позволяет достичь предела прочности на разрыв свыше 1500 МПа без проблемы упругой отдачи. Однако, Холодная штамповка остаётся важным для алюминиевых корпусов аккумуляторов электромобилей и менее сложных геометрических форм, где первостепенное значение имеет экономическая эффективность. Успех в этой отрасли требует навигации по передовым материалам, соблюдения жёстких допусков и выбора правильной мощности пресса для массового производства.

Инженерная задача: почему структурные усилители уникальны

В контексте каркаса кузова автомобиля (Body-in-White, BIW) структурные усилители представляют собой своего рода скелет, защищающий пассажиров при столкновении. В отличие от декоративных кузовных панелей (обшивки), такие компоненты, как стойки A, стойки B, пороги, боковые балки крыши и поперечины, должны поглощать и перенаправлять огромную кинетическую энергию. Основная инженерная задача связана с необходимостью «уменьшения массы». По мере ужесточения экологических норм и необходимости максимизировать запас хода электромобилей (EV) инженеры не могут просто увеличивать толщину стали для повышения безопасности.

Вместо этого промышленность полагается на Высокопрочные стали нового поколения (AHSS) и алюминиевые сплавы. Если обычная сталь имеет предел текучести около 200 МПа, то современные стали, закалённые под давлением и используемые в усилителях, могут превышать 1500 МПа (приблизительно 217 тыс. фунтов на кв. дюйм). Это позволяет использовать более тонкие листы, снижая вес, при сохранении или даже повышении прочности конструкции.

Однако штамповка этих высокопрочных материалов создает значительные производственные трудности. Основным врагом при холодной штамповке высокопрочных материалов является упругий возврат — склонность металла вернуться к своей первоначальной форме после снятия усилия формовки. Это делает достижение жестких допусков в сложных геометриях крайне сложным, зачастую требуя использования сложного программного обеспечения для моделирования и серво-прессов для компенсации.

Сравнение процессов: горячая штамповка (горячее прессовое формование) против холодной штамповки

Выбор между горячей и холодной штамповкой является ключевым технологическим решением при производстве структурных усилений. Каждый метод имеет свои особенности в механике, стоимости и применяемых материалах.

Горячая штамповка (прессовое упрочнение)

Горячая штамповка, или прессовое формование, является доминирующим методом для изготовления критически важных элементов безопасности каркаса. Процесс включает нагрев заготовок из бористой стали до приблизительно 900°C (1,650°F) до достижения аустенитного состояния. Раскалённую заготовку затем быстро переносят в водяное охлаждаемое пресс-форму, где она формуется и закаляется одновременно.

Это быстрое охлаждение преобразует микроструктуру стали из аустенита в мартензит, блокируя геометрию и полностью исключая обратную связь. Согласно данным отрасли, этот процесс может повысить прочность на протяжение борной стали с начальных 50 кси до более 200 кси (приблизительно). 1,380 МПа). Вот почему горячее штампование производит критически важные для безопасности детали как дверные арматуры и бамперные балки, которые являются как сверхпрочными, так и измеренно точными.

Холодная штамповка

Холодный штамп происходит при комнатной температуре и зависит от пластичности материала. Хотя он быстрее и энергоэффективнее (не требует нагрева), он сталкивается с ограничениями с ультравысокопрочными материалами из-за закаливания и восстановления. Однако достижения в области технологии сервопресса, позволяющей точно контролировать скорость и силу нажатия, расширили возможности холодной штамповки. Он остается предпочтительным методом для алюминиевых компонентов и конструктивных деталей с более простыми геометрическими характеристиками или более низкими требованиями к прочности.

Материаловедение: АХСС, борная сталь и алюминий

Продуктивность штампованной арматуры определяется ее материалом. Автомобильный сектор вышел далеко за рамки базовой мягкой стали.

Сталь с бором (22MnB5)

Борная сталь - основа горячего штампования. Добавление бора значительно повышает твердость. В начальном состоянии он относительно мягкий и формируемый, но после процесса прессовой отверждения становится исключительно твердым. Эта двойная природа позволяет создавать сложные формы, которые затвердевают в непреклонные конструкции безопасности.

Сплавы алюминия (серии 5xxx и 6xxx)

С ростом электромобилей алюминий становится все более популярным для корпусов батарей и ударных башен для компенсации тяжелых батарей. Металлическая штамповка играет решающую роль в производстве электромобилей сформировав эти легкие сплавы. Однако алюминий подвержен трещинам и разрывам во время глубокого натяжения, что требует специальных смазочных материалов и часто нескольких этапов натяжения по сравнению со сталью.

Оцинкованная сталь

Для конструктивных компонентов нижней части кузова, подверженных воздействию дорожной соли и влаги, коррозионная стойкость не подлежит обсуждению. Оцинкованная сталь, покрытая цинком, широко используется для конструкций шасси и рельсов. Оцинкованный материал требует тщательного обслуживания, так как цинковое покрытие может отслаиваться (оцинковаться) и накапливаться на инструментах, что влияет на качество деталей.

Преодоление разрыва: от прототипа до массового производства

Выбор партнера по штамповке для конструктивных арматур не просто о поиске наиболее низкой цены за штуку; речь идет о поиске поставщика с универсальностью, чтобы обрабатывать весь жизненный цикл продукта. Автомобильные программы обычно переходят от быстрого прототипирования к валидации с низким объемом и, наконец, к массовому производству с большим объемом. Фрагментированная цепочка поставок, в которой прототипы производятся одним цехом, а производственные части - другим, может привести к критическим "ошибкам перевода" в проектировании инструментов и реализации толерантности.

В идеале, OEM или поставщик Tier 1 должен сотрудничать с партнером, способным плавно масштабироваться. Основные возможности включают широкий диапазон пресс-тоннажей (например, от 100 до 600 тонн) для размещения различных размеров деталей и материалов, а также собственный опыт работы с инструментами для управления переходом от мягкого инструментария к прогрессивным твердым штампам.

Для производителей, стремящихся к такому уровню интеграции, Shaoyi Metal Technology является примером необходимой компетентности. Сертификат IATF 16949:2016 стандарты, они преодолевают разрыв между инженерной валидацией и массовым производством. Их возможности варьируются от поставки 50 прототипов всего за пять дней до производства миллионов критических компонентов, таких как рулевые и подкадра, ежегодно. Используя пресс до 600 тонн и предлагая комплексные вторичные процессы, такие как сварка и электронное покрытие, они обеспечивают оптимизированное решение для сложных структурных потребностей автомобилей.

Критические применения: ключевые структурные компоненты

Различные участки транспортного средства требуют различных стратегий штамповки на основе маршрутов погрузки и сценариев столкновений.

• Безопасная клетка (столпы и дверные кольца): Столбы А и В являются основными вертикальными опорами, предотвращающими раздавление крыши во время опрокидывания. Современное производство часто использует "сварные лазерными пустыми" связывание листов различной толщины перед штампованием для создания одного B-столба, который толстый сверху (для прочности) и тоньше внизу (для управления режимами деформа
• Корпуса аккумуляторов электромобилей: Батарейка - самый важный элемент в электромобиле. Он должен защищать модули аккумуляторов от дорожного мусора и побочного удара. Это, как правило, большие, мелководья, часто штампованные из высокопрочного алюминия, чтобы уменьшить вес. Здесь очень важна точность; поверхность уплотнения должна быть совершенно ровной, чтобы предотвратить попадание воды.
• Компоненты снижения NVH: Не все конструктивные части предназначены для обеспечения безопасности при столкновении. Кронштейны и крестовые элементы часто служат для укрепления шасси, чтобы уменьшить шум, вибрацию и резкость (NVH). Процессы точного штамповки производят NVH-редукционные кронштейны что подавляет шум дорожного движения, способствуя премиальному ощущению кабины транспортного средства.

Заключение: будущее мультиматериалов

Будущее штамповки автомобильных конструкций зависит от "правильного материала в нужном месте". Мы переходим от монолитных стальных корпусов к гибридам из нескольких материалов, где горяче-печатные столбы из боровой стали соединены с алюминиевыми ударными башнями и композитными рельсами крыши. Для инженеров и команд по закупкам это означает, что определение способного партнера по штампованию развивается. Уже не достаточно просто штамповать сталь; способность имитировать, формировать и соединять различные высокопроизводительные материалы является новым эталоном для превосходного конструктивного производства.

Часто задаваемые вопросы

1. - Посмотрите. Каковы основные преимущества горячего штампования по сравнению с холодным штампованием?

Горячая штамповка (закармливание пресс) практически исключает прокатывание, что является основной проблемой при холодной штамповании высокопрочных сталей. Он позволяет создавать сложные геометрические формы с прочностью на растяжение более 1500 МПа, что делает его идеальным для критически важных для безопасности деталей, таких как B-столпы и дверные кольца, где требуется точность измерений и максимальная прочность.

2. Посмотрите. Как рост электромобилей влияет на штамповку автомобилей?

Электрические транспортные средства требуют значительного уменьшения веса для компенсации тяжелых батарей, что приводит к сдвигу в сторону алюминиевой штамповки для структурных частей, таких как корпуса батареи и подкадра. Кроме того, архитектуры электромобилей требуют новых типов усилий для защиты аккумуляторной батареи во время боковых ударов, что приводит к более крупным, более интегрированным штампованным компонентам.

3. Посмотрите. Какова роль сертификации IATF 16949 в штамповке?

IATF 16949 - это глобальный технический стандарт для систем менеджмента качества в автомобильной промышленности. Для поставщика штамповки эта сертификация демонстрирует, что у них есть строгие процессы для предотвращения дефектов, сокращения вариаций в цепочке поставок и постоянного улучшения, что является обязательным для поставки критически важных для безопасности структурных частей OEM.