การขึ้นรูปแมกนีเซียมอัลลอยสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์: ข้อได้เปรียบของการขึ้นรูปอุ่น การขึ้นรูปแผ่นแมกนีเซียมอัลลอยด้วยความร้อน (200°C ขึ้นไป) สำหรับแผงประตูรถยนต์ที่เบากว่า

สรุปสั้นๆ

การตีขึ้นรูปลอยแมกนีเซียมเป็นแนวหน้าของการลดน้ำหนักรถยนต์ โดยให้ชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเบากว่า เบากว่าอลูมิเนียม 33% และ เบากว่าเหล็ก 75% อย่างไรก็ตาม การขึ้นรูปแบบเย็นทั่วไปจะล้มเหลวเนื่องจากโครงสร้างผลึกแบบหกเหลี่ยมแน่น (HCP) ของแมกนีเซียม เทคโนโลยีการขึ้นรูปแบบอุ่น (200°C–300°C) กำลังเปิดใช้งานระบบเลื่อนแบบไม่ใช่ basal slip เพื่อให้สามารถขึ้นรูปทรงซับซ้อนได้ โลหะผสมมาตรฐานของอุตสาหกรรม AZ31B , กำลังถูกนำมาใช้กับแผงประตูด้านใน กรอบที่นั่ง และคานขวางตัวรถ เพื่อยืดระยะการวิ่งของรถยนต์ไฟฟ้า (EV) คู่มือนี้ครอบคลุมพารามิเตอร์กระบวนการสำคัญ การคัดเลือกวัสดุ และข้อมูลความเป็นไปได้ที่จำเป็นในการเปลี่ยนจากการหล่อที่หนักไปเป็นการตีขึ้นรูปที่เบา

กรณีทางวิศวกรรม: ทำไมต้องขึ้นรูปแมกนีเซียม?

ในการแข่งขันเพื่อเพิ่มระยะทางการใช้งานของยานยนต์ไฟฟ้า วิศวกรได้ใช้แนวทางที่ง่ายและให้ผลดีไปแล้วกับอลูมิเนียม แมกนีเซียม (Mg) จึงเป็นก้าวต่อไปอย่างเป็นธรรมชาติ โดยมีความหนาแน่นเพียง 1.74 g/cm³ เมื่อเทียบกับอลูมิเนียมที่มีค่า 2.70 g/cm³ ทำให้แมกนีเซียมเป็นโลหะโครงสร้างที่เบากว่าทั้งหมด การแทนที่ชิ้นส่วนเหล็กด้วยแมกนีเซียมที่ขึ้นรูปโดยวิธีตัดพิมพ์สามารถลดน้ำหนักได้สูงถึง 75% ในขณะที่การเปลี่ยนจากอลูมิเนียมจะประหยัดน้ำหนักได้ประมาณ 33%

นอกจากการลดมวลเพียงอย่างเดียว แผ่นแมกนีเซียมยังมีสมรรถนะที่เหนือกว่าในด้าน ความสามารถในการดูดซับการสั่นสะเทือน —ความสามารถในการดูดซับการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวน สำหรับการประยุกต์ใช้งานในโครงตัวถัง (BIW) สิ่งนี้ช่วยปรับปรุงสมรรถนะ NVH (Noise, Vibration, and Harshness) โดยไม่จำเป็นต้องเพิ่มน้ำหนักจากฉนวนกันเสียง ต่างจากไฟเบอร์คาร์บอน ซึ่งมีปัญหาในการรีไซเคิล แมกนีเซียมสามารถรีไซเคิลได้ทั้งหมด สอดคล้องกับข้อกำหนดเศรษฐกิจหมุนเวียนสำหรับผู้ผลิตรถยนต์ OEM

โดยทั่วไปแล้ว การใช้มวลของแมกนีเซียมมีข้อจำกัดอยู่ที่การหล่อแบบได (เช่น บล็อกเครื่องยนต์ กล่องเกียร์) อย่างไรก็ตาม ชิ้นส่วนแมกนีเซียมที่ผ่านกระบวนการตีขึ้นรูป (wrought) จะมีคุณสมบัติทางกลที่สูงกว่าอย่างมาก เพราะสามารถกำจัดปัญหาความพรุนที่เกิดขึ้นโดยธรรมชาติในกระบวนการหล่อออกไปได้ ซึ่งทำให้แมกนีเซียมที่ผ่านการตีขึ้นรูปเหมาะอย่างยิ่งสำหรับแผงโครงสร้างขนาดใหญ่ที่มีผนังบางและต้องการความแข็งแรงเฉพาะตัวสูง

กระบวนการสำคัญ: เทคโนโลยีการขึ้นรูปแบบอุ่น

อุปสรรคหลักในการขึ้นรูปแมกนีเซียมคือโครงสร้างผลึกของมัน ที่อุณหภูมิห้อง แมกนีเซียมมีโครงสร้างผลึกแบบ hexagonal close-packed (HCP) ที่มีระบบการเลื่อนตัวจำกัด (โดยเฉพาะ basal slip) ทำให้วัสดุมีความเปราะและแตกหักได้ง่ายขณะถูกดัดรูป วิธีการขึ้นรูปเย็นแบบปกติที่ใช้กับเหล็กจะทำให้เกิดการล้มเหลวทันที

ทางออกคือ Warm Forming . โดยการให้ความร้อนแผ่นแมกนีเซียมและแม่พิมพ์ในช่วงอุณหภูมิที่กำหนดไว้ 200°C ถึง 300°C (392°F–572°F) , ระบบการเลื่อนเพิ่มเติม (ปริซึมและพีระมิด) จะถูกกระตุ้นด้วยความร้อน ซึ่งช่วยเพิ่มความเหนียวอย่างมาก ทำให้สามารถขึ้นรูปแบบดึงลึกและรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนได้ ซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่อุณหภูมิห้อง

พารามิเตอร์กระบวนการหลัก

• การควบคุมอุณหภูมิ: การให้ความร้อนอย่างสม่ำเสมอมีความสำคัญอย่างยิ่ง การเบี่ยงเบนเพียง ±10°C อาจทำให้เกิดการบางตัวในท้องที่หรือการแตกหักได้ โดยทั่วไปจะต้องให้ความร้อนทั้งแผ่นวัสดุและแม่พิมพ์
• การหล่อลื่น: น้ำมันหล่อลื่นทั่วไปจะเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิเหล่านี้ จำเป็นต้องใช้น้ำมันหล่อลื่นพิเศษที่ทนต่อความร้อน ซึ่งมักมีสารประกอบโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ (MoS2) หรือกราไฟต์ เพื่อป้องกันการสึกหรอแบบติด
• ความเร็วในการหล่อรูป: ต่างจากงานตัดแตะเหล็กที่ความเร็วสูง การขึ้นรูปแมกนีเซียมแบบอุ่นมักต้องใช้ความเร็วเครื่องจักรที่ช้ากว่า (เช่น 20 มม./วินาที เทียบกับหลายร้อย มม./วินาที) เพื่อควบคุมอัตราการเปลี่ยนรูปร่างและป้องกันการฉีกขาด แม้ว่าการวิจัยและพัฒนาล่าสุดจะช่วยลดระยะเวลาไซเคิลได้ดีขึ้น

การคัดเลือกวัสดุ: AZ31B และการผลิตแผ่น

AZ31B (แมกนีเซียมประมาณ 3% อลูมิเนียม 1% ซิงค์) เป็นโลหะผสมหลักสำหรับแผ่นแมกนีเซียมในอุตสาหกรรมยานยนต์ ซึ่งให้สมดุลที่ดีที่สุดระหว่างความแข็งแรง ความเหนียว และความสามารถในการเชื่อม ความต้านทานแรงดึงที่จุดครากของวัสดุชนิดนี้มักอยู่ที่ประมาณ 200 เมกะปาสกาล โดยมีความต้านทานแรงดึงสูงสุดที่ 260 เมกะปาสกาล ทำให้มีศักยภาพแข่งขันได้กับเหล็กกล้าอ่อนและอลูมิเนียมบางเกรด

หนึ่งในความท้าทายที่สำคัญคือต้นทุนการผลิตแผ่นแมกนีเซียม กระบวนการรีดแบบดั้งเดิมนั้นมีราคาแพงเนื่องจากต้องใช้ขั้นตอนอบอ่อนหลายขั้นตอน อย่างไรก็ตาม กำลังมีวิธีการใหม่ๆ เกิดขึ้น extrusion-flattening เทคนิคนี้ทำการอัดรีดท่อแมกนีเซียม จากนั้นผ่าออกและแผ่ให้แบนเป็นแผ่น ซึ่งอาจช่วยลดต้นทุนการผลิตลงได้ถึง 50% เมื่อเทียบกับการรีดแบบเดิม การลดต้นทุนนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำให้การขึ้นรูปแผ่นแมกนีเซียมด้วยแรงกด (stamping) มีความคุ้มค่าทางการค้าสำหรับรถยนต์ทั่วไป ไม่ใช่แค่รถสปอร์ตหรูเท่านั้น

การวิเคราะห์เปรียบเทียบ: การขึ้นรูปแบบสแตมป์กับการหล่อตาย

วิศวกรยานยนต์มักสับสนระหว่างแมกนีเซียมไดคัสติ้งกับการตีขึ้นรูป โดยทั้งสองกระบวนการใช้โลหะพื้นฐานเดียวกัน แต่การประยุกต์ใช้งานและคุณสมบัติแตกต่างกันอย่างมาก

แมตริกซ์การตัดสินใจ เลือกขึ้นรูปโดยการตัดแต่งสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างขนาดใหญ่ที่ค่อนข้างแบน เช่น ประตูด้านใน ฝากระโปรงหน้า และหลังคา เลือกการหล่อตายสำหรับชิ้นส่วนที่มีรายละเอียดซับซ้อนและเป็นก้อน เช่น ตัวเรือนคอลัมน์พวงมาลัยหรือเปลือกเกียร์

จากต้นแบบสู่การผลิตจำนวนมาก

การเปลี่ยนผ่านไปสู่การขึ้นรูปแมกนีเซียมจำเป็นต้องอาศัยพันธมิตรเฉพาะทางที่เข้าใจลักษณะทางความร้อนของวัสดุนี้อย่างถ่องแท้ ไม่สามารถทำได้ง่ายๆ โดยการเปลี่ยนคอยล์เหล็กเป็นแมกนีเซียมบนสายการผลิตเดิมได้ เครื่องมือต้องรองรับการขยายตัวจากความร้อน และพารามิเตอร์ของเครื่องอัดขึ้นรูปจะต้องควบคุมอย่างแม่นยำ

สำหรับผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่และผู้จัดจำหน่ายชั้น 1 ที่ต้องการตรวจสอบความเป็นไปได้ของเทคโนโลยีนี้ การทำงานร่วมกับพันธมิตรด้านการผลิตที่มีประสบการณ์ถือเป็นสิ่งจำเป็น เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ นำเสนอโซลูชันการขึ้นรูปชิ้นส่วนยานยนต์แบบครบวงจรที่เชื่อมโยงระหว่างการผลิตต้นแบบอย่างรวดเร็วไปจนถึงการผลิตในปริมาณมาก ด้วยการรับรองมาตรฐาน IATF 16949 และเครื่องจักรกดขึ้นรูปที่มีกำลังอัดได้สูงสุดถึง 600 ตัน พวกเขาสามารถจัดส่งชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำ เช่น คันควบคุม (control arms) และโครงย่อย (subframes) ได้ตามมาตรฐานสากลที่เข้มงวด ไม่ว่าคุณจะต้องการตรวจสอบต้นแบบที่ผ่านกระบวนการขึ้นรูปแบบร้อน หรือขยายขนาดการผลิต ความเชี่ยวชาญทางวิศวกรรมของพวกเขาก็รับประกันความเป็นไปได้ในการผลิตออกแบบน้ำหนักเบาซับซ้อน

การประยุกต์ใช้งานและการคาดการณ์ในอนาคต

การนำเอาเทคโนโลยีการขึ้นรูปแมกนีเซียมมาใช้กำลังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยการประยุกต์ใช้ในการผลิตจริงในปัจจุบัน ได้แก่

• โครงที่นั่ง: การแทนที่โครงสร้างเหล็ก เพื่อลดมวลรถลง 5–8 กิโลกรัมต่อคัน
• แผงด้านในประตู: ใช้ AZ31B ที่ขึ้นรูปแบบร้อนในการผลิตโครงสร้างที่มีความแข็งแรงและน้ำหนักเบา
• คานขวางตัวถัง: รวมชิ้นส่วนหลายชิ้นให้กลายเป็นโครงสร้างแมกนีเซียมเดียวที่ขึ้นรูปด้วยการตีขึ้นรูป
• แผงหลังคา: ลดจุดศูนย์ถ่วง เพื่อการทรงตัวที่ดีขึ้น

เนื่องจากน้ำหนักของแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้ายังคงเป็นข้อกังวล ทำให้ "พรีเมียมด้านการลดน้ำหนัก" ที่ผู้ผลิกรถยนต์เต็มใจจ่ายเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เราคาดว่าต้นทุนแผ่นแมกนีเซียมจะลดลงเมื่อกระบวนการอัดรีดและรีดเรียบสามารถขยายขนาดการผลิตได้ ซึ่งจะทำให้แมกนีเซียมที่ขึ้นรูปแบบอุ่นกลายเป็นทางแก้ไขมาตรฐานสำหรับแพลตฟอร์มรถยนต์ไฟฟุ่นรุ่นต่อไป

แนวหน้าแห่งการลดน้ำหนัก

การตีขึ้นรูปโลหะผสมแมกนีเซียมไม่ใช่เพียงแค่สิ่งที่น่าสนใจในงานวิจัยและพัฒนาอีกต่อไป แต่เป็นเทคโนโลยีที่ใช้งานได้จริงและจำเป็นสำหรับอนาคตของการออกแบบรถยนต์ โดยการควบคุมกระบวนการขึ้นรูปแบบอุ่น และเลือกใช้โลหะผสมที่เหมาะสม เช่น AZ31B ผู้ผลิตสามารถลดน้ำหนักได้มากกว่าที่อลูมิเนียมจะทำได้ การเปลี่ยนแปลงนี้ต้องใช้การลงทุนในแม่พิมพ์ที่มีการให้ความร้อนและการควบคุมกระบวนการ แต่ผลตอบแทนที่ได้กลับมา คือ รถยนต์ที่เบากว่า มีประสิทธิภาพดีกว่า และควบคุมรถได้ดีขึ้น ถือว่าชัดเจนและปฏิเสธไม่ได้

คำถามที่พบบ่อย

1. ความแตกต่างระหว่างการตีขึ้นรูปแมกนีเซียมกับการหล่อแม่พิมพ์คืออะไร

การสตัมป์เป็นกระบวนการที่ใช้สภาพแข็งในการสร้างแผ่นโลหะเป็นรูปแบบ ที่เหมาะสําหรับแผ่นขนาดใหญ่บาง เช่น ประตูรถยนต์หรือหลังคา มันผลิตชิ้นส่วนที่ไม่มีขุมขวาง และมีความแข็งแรงสูงกว่า การท่อแบบแบบดับยั้งมีส่วนเกี่ยวข้องกับการฉีดมะนีเซียมหลอมเข้าไปในหม้อ ซึ่งดีกว่าสําหรับรูปร่าง 3 มิติที่ซับซ้อนและค้อนใหญ่ เช่น ค้อนของเครื่องยนต์ แต่มักส่งผลให้ความสมบูรณ์แบบของโครงสร้างต่ํากว่าเนื่อง

2. การใช้ ทําไมแม็กนีเซียมต้องมีสภาพร้อน

แมกนีเซียมมีโครงสร้างคริสตัลแบบห่อห่อห่อ (HCP) แบบหกเหลี่ยม ซึ่งจํากัดความยืดหยุ่นของมันในอุณหภูมิห้อง การพยายามที่จะตีมันเย็นมักจะทําให้เกิดรอยแตก การทําความร้อนของวัสดุให้ถึง 200 °C 300 °C ทําให้ระบบ "สลิด" เพิ่มเติมในกรอบคริสตัลทํางาน ทําให้โลหะมีความยืดหยุ่นพอที่จะเป็นส่วนประกอบรถยนต์ที่ซับซ้อนโดยไม่แตก

3. การ สร้าง แมกนีเซียมเบากว่าอลูมิเนียมมากแค่ไหน

แม็กนีเซียมมีประมาณ 33% น้อยกว่า มากกว่าอลูมิเนียมและประมาณ 75% น้อยกว่า มากกว่าเหล็ก ลดน้ำหนักอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้เป็นโลหะโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับเพิ่มระยะการขับขี่ของยานยนต์ไฟฟ้า