สรุปสั้นๆ

The กระบวนการขึ้นรูปการเสริมแรงกันชน สำหรับยานยนต์รุ่นใหม่ในปัจจุบัน ส่วนใหญ่ทำโดยวิธี การสตริปร้อน (หรือที่เรียกว่า การขึ้นร้อนด้วยแม่พิมพ์) วิธีนี้เปลี่ยนเหล็กโลหะผสมโบรอน (โดยทั่วิธัมักเป็น 22MnB5 ) เป็นชิ้นส่วนเหล็กความแข็งแรงสูงพิเศษ (UHSS) ที่มีความต้านแรงดึงเกิน 1,500 MPa กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนต่อแผ่นโลหะจนเกิน 900°C เพื่อให้ถึงสถานะออสเทนไนต์ จากนั่นส่งไปอย่างรวดเร็วไปแม่พิมพ์ที่มีระบบหล่อเย็นด้วยน้ำ ซึ่งขึ้นรูปและดับความร้อนเกิดพร้อมเวลาเดียวกัน สิ่งนี้ช่วยขจัดการเด้งกลับ (springback) และทำให้สามารถผลิตโครงสร้างที่ซับซ้อน น้ำหนักเบา และทนต่อการชน ´ึ่งจำเป็นเพื่อตอบสนองมาตรฐานความปลอดภัยทั่วโลก

บทบาททางวิศวกรรมของการเสริมแรงกันชน

การเสริมทับทิมที่เรียกว่า bumper beams เป็นกระดูกสันหลังหลักของระบบจัดการกระแทกของรถยนต์ การทํางานเป็นจุดเชื่อมระหว่างผนังภายนอกและชาสีของรถยนต์ (มักจะผ่านกล่องชน) ส่วนประกอบเหล่านี้ต้องดูดซึมและ dissipate พลังงานเคลื่อนไหวในระหว่างชนด้านหน้าหรือด้านหลัง ความท้าทายทางวิศวกรรมคือการสมดุล ความแข็งแรงต่อการชน กับ การลดน้ำหนัก (LW) แมนดาต์ที่ขับเคลื่อนโดยกฎระเบียบประหยัดน้ํามันและความต้องการระยะ EV

ในอดีต ราศีขั้วตู้กันชนถูกผลิตจากเหล็กอ่อน โดยใช้วิธีการตีพิมพ์เย็น อย่างไรก็ตาม ความต้องการสําหรับการจัดอันดับความปลอดภัยที่สูงกว่าได้เปลี่ยนมาตรฐานอุตสาหกรรมไปยัง เหล็กความแข็งแรงสูงสุด (UHSS) , โดยเฉพาะโลหะผสมโบรอง-แมงกานีส เช่น 22MnB5 แม้ว่าโลหะผสมอลูมิเนียม (ซีรีส์ 6000 หรือ 7000) ถูกใช้ในบางแอปพลิเคชันพรีเมียมเนื่องจากอัตราความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูง แต้เหล็กโบรองยังคงเป็นวัสดุหลักเนื่องจากอัตราต้นทุนต่อประสิทธิภาพที่โดดเด่น และความสามารถในการเกิดการแข็งแบบมาร์เทนไซต์

การเปลี่ยนแปลงทางโลหะวิทยามีความสำคัญอย่างยิ่ง: เหล็กเริ่มต้นด้วยโครงสร้างจุลภาคแบบเฟอร์ไรต์-เพิร์ไลไทต์ (ความต้านแรงดึง ~600 MPa) และผ่านกระบวนการความร้อนเพื่อให้เกิดโครงสร้างแบบมาร์เทนไซต์ทั้งหมด (ความต้านแรงดึง >1,500 MPa) การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให่วิศวกรสามารถลดความหนาของผนัง—มักเหลือเพียง 1.2 มม. ถึง 2.0 มม.—โดยไม่กระทบต่อความสมบูรณ์ทางโครงสร้าง

กระบวนการหลัก: กระบวนการทำงานการตอกความร้อน (การขึ้นรูปด้วยความร้อน)

การตอกความร้อนเป็นกระบวนการผลิตเดียวที่สามารถขึ้นรูงานคานกันชนที่มีความต้านแรงดึง 1,500+ MPa โดยไม่เกิดปัญหาการเด้งกลับอย่างรุนแรงที่มักเกิดจากการขึ้นรูปแบบเย็น กระบวนการทำงานนี้เป็นวงจรความร้อนที่ควบคุมอย่างแม่นยำ ซึ่งรวมการขึ้นรูปและการบำบัดความร้อนเข้าด้วยกัน

1. การทำให้เป็นออสเทนไนต์ (การให้ความร้อน)

ขั้นตอนเริ่มต้นด้วยการแยกแผ่นโลหะที่ตัดไว้ล่วงหน้า (มักเคลือบด้วย Al-Si เพื่อป้องกันการเกิดออกไซด์) แล้วนำเข้าเตาเผาชนิดเตียงลำเลียงแบบลูกกลิ้ง จากนั้นแผ่นโลหะจะถูกให้ความร้อนจนถึงประมาณ 900°C–950°C และคงอุณหภูมินี้ไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง ความร้อนที่ใช้ในกระบวนการนี้จะเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของเหล็กจากเฟอร์ไรต์ไปเป็น ออสเตไนต์ ทำให้วัสดุมีความเหนียวและยืดหยุ่นสูง พร้อมทั้งลดความต้านทานแรงครากลงเหลือประมาณ 200 MPa เพื่อให้ง่ายต่อการขึ้นรูป

2. การลำเลียงและขึ้นรูป

เมื่อแผ่นโลหะออกจากเตาแล้ว ความเร็วถือเป็นสิ่งสำคัญที่สุด แขนกลจะทำการลำเลียงแผ่นโลหะที่กำลังเรืองแสงเข้าสู่แม่พิมพ์กดภายในไม่กี่วินาที (โดยทั่วไปน้อยกว่า 3 วินาที) เพื่อป้องกันการเย็นตัวก่อนกำหนด จากนั้นเครื่องกดไฮดรอลิกหรือเครื่องกดเชิงกลเซอร์โวจะปิดอย่างรวดเร็ว ความเร็วในการปิดมักอยู่ในช่วง 500 ถึง 1,000 mm/s เพื่อให้มั่นใจว่าวัสดุจะถูกขึ้นรูปก่อนที่การเปลี่ยนแปลงเฟสจะเริ่มขึ้น

3. การดับความร้อนภายในแม่พิมพ์

นี่คือขั้นตอนที่กำหนดลักษณะสำคัญของ กระบวนการขึ้นรูปการเสริมแรงกันชน แม่พิมพ์ถูกติดตั้งช่องระบายความร้อนภายในที่ซับซ้อน ซึ่งน้ำเย็นไหลผ่าน เมื่อเครื่องกดถึงจุดต่ำสุด (BDC) จะเกิดการหน่วงเวลา โดยยังคงรักษาชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปภายใต้แรงอัดสูง (โดยทั่วมักอยู่ในช่วง 500–1,500 ตัน ขึ้นต่างตามขนาดชิ้นส่วน) การสัมผัสแบบนี้จะดึงความร้อนออกอย่างรวดเร็ว ทำอัตราการระบายความร้อนเกินกว่า 27°C/s การดับความร้อนอย่างรวดเร็วนี้จะข้ามเขตการเกิดเพิร์ไลท์/เบนไนท์ และเปลี่ยนแปลงออกส์เทนไนท์โดยตรงเป็น มาร์เทนไซต์ .

4. การดันชิ้นส่วนออก

หลังจากเวลาดับความร้อนประมาณ 5 ถึง 10 วินาที เครื่องกดจะเปิด และชิ้นส่วนที่ได้รับความแข็งจะถูกดันออก ชิ้นส่วนในขณะนี้มีคุณสมบัติทางกลสุดท้ายแล้ว นั่นคือ ความแข็งสูงสุด ความต้านแรงดึงสูง และไม่มีการเด้งกลับ (springback) เนื่อง่ความเครียดจากความร้อนถูกปลดออกในระหว่างการเปลี่ยนเฟส

เปรียบเทียบวิธีการผลิต

ถึงแม้ว่าการตอกร้อนยังคงเป็นมาตรฐานทองคำสำหรับชิ้นส่วนเสริมแรงที่ต้องการสมรรถนะสูง แต่การตอกเย็นและการขึ้นรูด้วยม้วนก็ยังคงมีความเกี่ยวข้องในบางการใช้งานเฉพาะ ความเข้าใจเกี่ยวกับข้อดีข้อเสียของแต่ละวิธีเป็นสิ่งสำคัญในการเลือกกระบวนการผลิต

การปั๊มเย็น เหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่มีความแข็งแรงต่ำหรือ bracket เหล็กกล้าอ่อนที่ต้นทุนและเวลาไซเคิลมีความสำคัญมากกว่าการลดน้ำหนัก อย่างไรก็ตาม การขึ้นรูปเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงสุด (UHSS) เย็นจะก่อให้เกิดการสึกหรอของแม่พิมพ์อย่างรุนแรงและการ springback ที่ไม่สามารถคาดการณ์ได้ การขึ้นรูปด้วยการกลิ้ง มีประสิทธิภาพสำหรับคานที่มีหน้าตัดคงที่ (คานตรง) แต่ไม่สามารถรองรับเส้นโค้งโค้งซับซ้อนและการรวมฟีเจอร์ติดตั้งที่ต้องการโดยการออกแบบแอโรไดนามิกในยุคปัจจุบัน

สำผู้ผลิตที่กำลังพิจารณาตัวเลือกเหล่านี้ การเลือกผู้คู่ค้าในการผลิตที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญ บริษัทต่างๆ เช่น เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ ช่วยปิดช่องว่างนี้โดยนำเสนอความสามารถในการตัดขึ้นรูปอย่างครบวงจร ด้วยการได้รับการรับรองตามมาตรฐาน IATF 16949 และมีความจุของเครื่องกดสูงถึง 600 ตัน พวกเขาสนับสนุนโครงการยานยนต์ตั้งแต่ต้นแบบเร่งด่วนไปจนถึงการผลิตจำนวนมาก โดยสามารถจัดการชิ้นส่วนโครงสร้างที่สำคัญด้วยความแม่นยำตามมาตรฐานที่ผู้ผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ทั่วโลก (OEM) กำหนด

การประมวลผลหลังการผลิตและการควบคุมคุณภาพ

ความแข็งสูงมากของชิ้นส่วนกันชนที่ผ่านกระบวนการรีดขึ้นรูปแบบร้อนทำให้เกิดความท้าทายเฉพาะตัวในการประมวลผลขั้นตอนถัดไป แม่พิมพ์ตัดแบบกลไกแบบดั้งเดิมมักจะล้มเหลวหรือสึกหรอทันทีเมื่อสัมผัสกับเหล็กที่มีความแข็ง 1,500 เมกะปาสกาล

การตัดและกัดด้วยเลเซอร์

เพื่อให้ได้ขนาดสุดท้ายและตัดรูยึดติด ผู้ผลิตส่วนใหญ่ใช้ เซลล์ตัดด้วยเลเซอร์ 5 แกน วิธีการแบบไม่สัมผัสนี้ช่วยให้ได้ขอบที่แม่นยำโดยไม่มีรอยแตกร้าวจุลภาค ซึ่งอาจเป็นจุดบกพร่องที่เป็นไปได้ในกรณีการชน แม้ว่าจะช้ากว่าการเจาะด้วยเครื่องจักร แต่การตัดด้วยเลเซอร์ให้ความยืดหยุ่นที่จำเป็นสำหรับกันชนหลายรุ่นบนสายการผลิตเดียวกัน

การบำบัดผิว

หากแผ่นเหล็กโบรองที่ใช้มีพื้นผิวเปล่า ความร้อนสูงจากเตาเผาจะทำให้เกิดออกซิเดชันที่ผิว (คราบเขม่า) ชิ้นส่วนเหล่านี้จำเป็นต้องผ่านกระบวนการพ่นทรายก่อนเคลือบอี-โค้ท เพื่อให้มั่นใจในความสามารถในการยึดเกาะที่เหมาะสม อีกทางเลือกหนึ่ง Al-Si (อลูมิเนียม-ซิลิคอน) แผ่นพรีโค้ทสามารถป้องกันการเกิดคราบเขม่าได้ แต่ต้องควบคุมกระบวนการอย่างระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยงการลอกของชั้นเคลือบในช่วงขั้นตอนการขึ้นรูป

การตรวจสอบคุณภาพ

การทดสอบอย่างเข้มงวดเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับชิ้นส่วนความปลอดภัย มาตรฐานการควบคุมคุณภาพรวมถึง:

• การทดสอบความแข็งแบบวิกเกอร์ส: ตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงเป็นมาร์เทนไซต์ในบริเวณที่สำคัญ
• การสแกนแสงสีฟ้า 3 มิติ: ตรวจสอบความแม่นยำของมิติตามข้อมูล CAD เพื่อให้มั่นใจว่าจุดยึดติดสอดคล้องกับโครงรถ
• การวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาค: การทดสอบทำลายตามระยะเพื่อยืนยันว่าไม่มีเบไนต์หรือเฟอร์ไรต์ในบริเวณที่รับแรง

การปรับกลยุทธ์การผลิตให้เหมาะสม

การเปลี่ยนผ่านมาใช้ชิ้นส่วนกันชนเสริมแรงแบบร้อน (hot-stamped) แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงอย่างชัดเจนในอุตสาหกรรมการผลิตรถยนต์ โดยให้ความสำคัญกับความปลอดภัยของผู้โดยสารและประสิทธิภาพของรถ การควบคุมปัจจัยต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ความเร็วในการลำเลียง และแรงดันการดับอย่างแม่นยำ ทำให้ผู้ผลิตสามารถจัดส่งชิ้นส่วนที่ทนต่อแรงกระทำมหาศาลได้ ในขณะที่ลดมวลวัสดุให้น้อยที่สุด เมื่อเกรดเหล็กพัฒนาไปสู่ระดับ 1,800 MPa และสูงกว่า ความแม่นยำของกระบวนการขึ้นรูปจึงยังคงเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดโครงสร้างความปลอดภัยของรถยุคใหม่

คำถามที่พบบ่อย

1. ความแตกต่างระหว่างการร้อนสแตมป์แบบทางตรงกับทางอ้อมคืออะไร

ใน การขึ้นรูปร้อนแบบตรง แผ่นโลหะจะถูกให้ความร้อนก่อน จากนั้นจึงขึ้นรูปและทำให้เย็นในขั้นตอนเดียว นี่คือวิธีที่พบบ่อยที่สุดสำหรับคานกันชน การขึ้นรูปร้อนแบบอ้อม เกี่ยวข้องกับการขึ้นรูปชิ้นส่วนในอุณหภูมิห้องเพื่อให้เกือบถึงรูปร่างสุดท้ายก่อน จากนั้นจึงให้ความร้อน และในที่สุดจึงใส่ลงในแม่พิมพ์ที่ทำเย็นเพื่อทำให้แข็งและปรับเที่ยง กระบวนการสแตมป์แบบทางอ้อมช่วยให้สามารถผลิตรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนมากขึ้น แต่มีต้นทุนสูงกว่าเนื่องจากต้องใช้อุปกรณ์แม่พิมพ์เพิ่มเติม

2. ทำไมต้องเติมโบรองในเหล็กที่ใช้สำหรับตัวเสริมกันชน

โบรองถูกเติมในปริมาณเล็กจิ๋ว (โดยทั่วมักอยู่ในช่วง 0.002%–0.005%) เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติ ความสามารถในการแข็งตัว ของเหล็กอย่างมีนัยสำคัญ มันช่วยชะลอการเกิดโครงสร้างจุลภาคที่นิ่มกว่า เช่น เฟอร์ไรต์และเพิร์ลไลต์ ระหว่างการระบายความร้อน ทำให้มั่นใจว่าเหล็กจะเปลี่ยนโครงสร้างทั้งหมดเป็นมาร์เทนไนต์ที่แข็ง แม้ที่อัตราการระบายความร้อนที่สามารถทำได้ในแม่พิมพ์สแตมป์ในอุตสาหกรรม

3. ชิ้นส่วนที่ผ่านกระบวนการร้อนสแตมป์สามารถเชื่อมได้หรือไม่

ใช่ ชิ้นส่วนเหล็กบอรอนที่ผ่านกระบวนการรีดขึ้นรูปแบบร้อนสามารถเชื่อมได้ แต่ต้องใช้พารามิเตอร์เฉพาะ เนื่องจากความร้อนจากการเชื่อมอาจทำให้เกิดการอบอ่อน (นิ่มลง) บริเวณที่ผ่านการบำบัดความร้อน จนก่อให้เกิด "จุดนิ่ม" ดังนั้นกระบวนการเชื่อม ไม่ว่าจะเป็นการเชื่อมจุดหรือการเชื่อมด้วยเลเซอร์ จำเป็นต้องควบคุมอย่างระมัดระวัง มักจะใช้เทคนิคเลเซอร์แอเบชันเพื่อลบชั้นเคลือบ Al-Si ออกในบริเวณที่ต้องการเชื่อมก่อนการประกอบ เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของการเชื่อม