Žigosanje avtomobilskih strukturnih okrepitev: Inženirski priročnik

POVZETEK

Žigosanje avtomobilskih strukturnih okrepitev je visoko zahtevna proizvodnja, ki uravnava dve nasprotujoči sili: maksimiranje varnosti pri trčenju in zmanjšanje teže vozila (zmanjšanje teže). Industrijski standard za varnostno kritične dele, kot so stebri A in okvirji vrat, se je premaknil proti Vroče žigosanje (utrjevanje s stiskanjem) borjih jekel, ki dosegajo natezne trdnosti več kot 1.500 MPa brez problema povratnega ukrivanja (springback). Vendar pa Hladno žigosanje ostaja pomembna za aluminijaste ohišja baterij EV in manj kompleksne geometrije, kjer je ključna stroškovna učinkovitost. Uspeh na tem področju zahteva premikanje naprednih materialov, upravljanje tesnih dopustnih odstopanj in izbiro ustrezne zmogljivosti stiskalke za serijsko proizvodnjo.

Inženirska izziva: Zakaj so strukturne okrepitve edinstvene

V kontekstu avtomobilskega karoserije na belo (BIW) strukturna okrepitev predstavlja skelet, ki ščiti potnike med trkom. Ti elementi – vključno s stebri A, stebri B, podnožnimi ploščami, strešnimi tirnicami in prečnimi nosilci – morajo absorbirati in preusmerjati ogromno kinetično energijo, za razliko od kozmetičnih karosarijskih plošč (kože). Temeljni inženirski izziv predstavlja »zahteva po zmanjšanju mase«. Ker se emisijska predpisa stopnjujejo in električni vozili (EV) zahtevajo maksimizacijo dosega, inženirji ne morejo preprosto dodajati debelejčega jekla za povečanje varnosti.

Namesto tega industrija uporablja napredna visoko trdna jekla Napredne visokotrdne jekla (AHSS) in aluminijeve zlitine. Medtem ko mehko jeklo ponuja natezno trdnost okoli 200 MPa, lahko sodobna tlakom zakalen jekla, uporabljena v okreplitvah, presežejo 1.500 MPa (približno 217 ksi). To omogoča tanjše debeline, ki zmanjšujejo maso, hkrati pa ohranjajo ali izboljšujejo strukturno celovitost.

Vendar pa žiganje teh visokokakovostnih materialov prinaša pomembne proizvodne ovire. Glavni sovražnik pri hladnem žiganju visoko trdnih materialov je odvijanje —naklonjenost kovine, da se po odstranitvi oblikovalne sile vrne v prvotno obliko. To dosego tesnih dopustnih odstopanj pri zapletenih geometrijah naredi izjemno težko, kar pogosto zahteva sofisticirano programska oprema za simulacijo in tehnologijo servopres za kompenzacijo.

Primerjava postopkov: vroče žiganje (utrjevanje pod tlakom) proti hladnemu žiganju

Izbira med vročim in hladnim žiganjem je osrednja procesna odločitev za strukturna okrepitev. Vsak postopek ima različne mehanike, stroške in posledice za materiale.

Vroče žigosanje (utrjevanje s stiskanjem)

Vroče žiganje, ali utrjevanje pod tlakom, je prevladujoča metoda za varnostno kritične dele okvirja. Postopek vključuje segrevanje plošč Boron jekla na približno 900°C (1,650°F) dokler ne dosegeta austenitnega stanja. Rdeče vroča plošča se nato hitro prenese v vodo hlajeno kalup, kjer se istočasno oblikuje in kalji.

To hitro hlajenje spremeni mikrostrukturo jekla iz avstenita v martenzit, s čimer zaklene geometrijo in popolnoma odpravi povratno upogibanje. Glede na podatke iz industrije lahko ta postopek poveča natezno trdnost boronovega jekla s prvotnih 50 ksi na več kot 200 ksi (približno 1.380 MPa). Zato vruče žiganje proizvaja dele za kritične varnostne funkcije kot so okrepitve vrat in nosilci parašuta, ki so hkrati izjemno trdni in dimenzijsko natančni.

Hladno žigosanje

Hladno žiganje poteka pri sobni temperaturi in temelji na plastičnosti materiala. Čeprav je hitrejše in energetsko učinkovitejše (brez segrevanja), ima omejitve pri uporabi izjemno visokotrdnih materialov zaradi utrujanja materiala in povratnega upogibanja. Napredki v tehnologiji servopresov, ki omogočajo natančno krmiljenje hitrosti batna in pritiskne sile, pa so razširili zmogljivosti hladnega žiganja. Še vedno ostaja prednostna metoda za aluminijaste komponente ter strukturne dele z enostavnejšimi geometrijami ali nižjimi zahtevami glede trdnosti.

Materialoznanost: AHSS, borovo jeklo in aluminij

Učinkovitost ojačitve iz žigu je odvisna od uporabljenega materiala. Avtomobilska industrija se je že davno umaknila osnovnemu mehkemu jeklu.

Borsko jeklo (22MnB5)

Borov jekleno je hrbtenica toplega stampiranja. Dodajanje bora znatno poveča trdnost. V prvotnem stanju je relativno mehek in lahko oblikuje, po postopku stiskanja pa postane izjemno trden. Ta dvojna narava omogoča ustvarjanje kompleksnih oblik, ki se utrdijo v neomajne varnostne strukture.

Aluminijske zlitine (serije 5xxx in 6xxx)

S vzponom električnih vozil se aluminij povečuje v priljubljenosti za ohišja baterij in šokne stolpe za izravnavo težkih baterij. Metalni žig igra ključno vlogo pri proizvodnji električnih vozil s oblikovanjem teh lahkih zlitin. Vendar pa se aluminij med globokim črpanjem pogosto razpade in raztrga, zato je v primerjavi s jeklom potrebno uporabiti posebna maziva in pogosto več korakov črpanja.

Galvaniziranega jekla

Za konstrukcijske komponente pod nadstrešjem, izpostavljene cestni soli in vlagi, odpornost na korozijo ni negodljiva. Galvanizirano jeklo, ki je obloženo s cinkom, se pogosto uporablja za sestavne dele podvozja in tirnice. Stampiranje žganjenega materiala zahteva skrbno vzdrževanje, saj se lahko cinkovna premaznica razpusti (galling) in se kopiči na orodju, kar vpliva na kakovost dela.

Premostitev razkoraka: od prototipa do serijske proizvodnje

Izbira partnerja za tesnjenje za strukturne ojačevalne naprave ne pomeni le iskanja najnižje cene kosov, temveč tudi iskanja dobavitelja, ki je prilagodljiv za celoten življenjski cikel izdelka. Avtomobilski programi se običajno premikajo od hitrega izdelave prototipov do potrjevanja v nizkih količinah in končno do množične proizvodnje v velikih količinah. Razdrobljena dobavna veriga, kjer prototipi proizvaja ena delavnica in proizvodni deli druga, lahko privede do kritičnih "napakov pri prevajanju" pri oblikovanju orodij in realizaciji toleranc.

V idealnem primeru bi se moral dobavitelj OEM ali Tier 1 povezati s partnerjem, ki je sposoben brezhibno razširjati. Bistvene zmogljivosti vključujejo širok razpon tonaže tiskalnika (npr. od 100 do 600 ton) za namestitev različnih velikosti delov in meril materialov, kot tudi lastno strokovno znanje v zvezi z orodjem za upravljanje prehoda od mehkega orodja do progresivnih trdih obdelovalnikov.

Za proizvajalce, ki iščejo to stopnjo integracije, Shaoyi Metal Technology je primer potrebnega znanja. Potrdilo za IATF 16949:2016 standardi, prekrižajo vrzel med inženirsko validacijo in proizvodnjo v obsegu. Njihove zmogljivosti segajo od dobave 50 prototipov v samo petih dneh do proizvodnje milijonov kritičnih komponent, kot so nadzorne roke in podokvi. Z uporabo stiskov do 600 ton in ponudbo celovitih sekundarnih procesov, kot so varjenje in e-lavilo, zagotavljajo racionalizirano rešitev za zapletene strukturne potrebe avtomobilske industrije.

Ključne uporabe: ključne strukturne komponente

Različne površine vozila zahtevajo različne strategije žigovanja na podlagi poti tovorja in scenarijev trčenja.

• Varnostna kletka (stebri in vratni obročki): A-steber in B-steber sta glavna navpična opora, ki preprečujejo zdrobitev strehe med prevrnitvijo. Sodobna proizvodnja pogosto uporablja "lasersko varjene prazne plošče", ki pred žigovanjem združijo plošče različnih debelin, da bi ustvarili en sam B-steber, ki je zgornji del debel (za trdnost) in tanjši spodnji del (za obvladovanje deformacijskih načinov).
• Ohišja baterij EV: Tablica za baterije je najpomembnejši strukturni element v električnem vozilu. Zaščititi mora baterijske module pred cestnim razbitjem in stranskimi udarci. To so običajno velike, plitvo vlečene komponente, ki so pogosto stampirane iz visoko trdnega aluminija, da bi zmanjšali težo. Pri tem je bistvena natančnost; zapečatilna površina mora biti popolnoma ravna, da bi preprečila vtok vode.
• Komponente za zmanjšanje NVH: Ne so vsi konstrukcijski deli namenjeni za varnost pri trčenju. Kravlje in prečne člane pogosto služijo za okrepitev podvozja za zmanjšanje hrupa, vibracij in ostrobe (NVH). Proces natančnega žigovanja proizvaja pritrdilne nosilce NVH ki blažijo hrup na cesti in prispevajo k premium občutku kabine vozila.

Sklep: Multi-material prihodnost

Prihodnost stampiranja konstrukcijskih ojačeval za avtomobile je v "pravem materialu na pravem mestu". Odmaknili smo se od monolitnih jeklenih teles in se približali hibridnim materialom, kjer so borov jekleni stebri povezani z aluminijastimi udarnimi stolpi in kompozitnimi strešnimi tirnicami. Za inženirje in ekipe za nabavo to pomeni, da se opredelitev sposobnega partnerja za teskanje spreminja. Ni več dovolj, da se jeklo samo stampi, sposobnost simulacije, oblikovanja in združevanja različnih visokozmogljivih materialov je nova merilo za izvrstno konstrukcijsko proizvodnjo.

Pogosta vprašanja

1. - Vprašanje: Kakšne so glavne prednosti toplega stampiranja v primerjavi s hladnim?

Vročina (zavrtev s stiskanjem) praktično odpravlja vrnitev, ki je glavni problem pri hladnem stiskanju visoko trdnih jekel. Omogoča izdelavo zapletenih geometrijskih oblik z trdnostjo vtegovanja nad 1500 MPa, zaradi česar je idealen za varnostno kritične dele, kot so B-stebri in vratni obroči, kjer je potrebna natančnost dimenzij in največja trdnost.

2. Vprašanje: Kako vzpon električnih vozil vpliva na stampiranje avtomobilov?

Električna vozila zahtevajo znatno lahkotnost za izravnavo težkih baterij, kar vodi k premiku na aluminijno stampiranje za strukturne dele, kot so ohišja baterij in podokvi. Poleg tega arhitekture električnih vozil zahtevajo nove vrste okrepitev za zaščito akumulatorja med stranskimi trki, kar vodi do večjih, bolj integriranih stampiranih komponent.

3. Vprašanje: Kakšna je vloga certifikata IATF 16949 pri žigovanju?

IATF 16949 je svetovni tehnični standard za sisteme upravljanja kakovosti v avtomobilski industriji. Za dobavitelja žigov je ta certifikat dokaz strogih postopkov za preprečevanje napak, zmanjšanje sprememb v dobavni verigi in nenehno izboljšanje, kar je obvezno za dobavo varnostno kritičnih strukturnih delov proizvajalcem OEM.