คู่มือวิศวกรรมการขึ้นรูปชิ้นส่วนเสริมโครงสร้างรถยนต์

สรุปสั้นๆ

การตอกโครงสร้างเสริมความแข็งแรงในยานยนต์เป็นสาขาวิชาการผลิตที่มีความเสี่ยงสูง ซึ่งต้องสร้างดุลระหว่างสองแรงที่ขัดแย้งกัน นั่นคือ การเพิ่มความปลอดภัยในกรณีเกิดการชนสูงสุด และการลดน้ำหนักรถยนต์ต่ำสุด (การลดน้ำหนัก) มาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย เช่น เสา A และวงแหวนประตู ได้เปลี่ยนแนวโน้มไปทาง การขึ้นรูปแบบร้อน (Hot Stamping หรือ Press Hardening) เหล็กโบรอน ´ซึ่งสามารถบรรลุความต้านทานแรงดึงที่เกิน 1,500 MPa โดยไม่เกิดปัญหา springback การปั๊มเย็น ยังคงมีความสำคัญสำหรับที่เก็บแบตเตอรี่ของรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ที่ทำจากอลูมิเนียม และชิ้นส่วนที่มีรูปทรงเรขาคณิตน้อยซับซ้อน ซึ่งต้นทุนที่มีประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญสุด ความสำเร็จในภาคส่วนนี้ต้องอาศัยการจัดการวัสดวิขั้นสูง การควบคุมความคลาดที่แคบ และการเลือกความดันของเครื่องตอกที่เหมาะสมสำหรับการผลิตจำนวนมาก

ความท้าทายทางวิศวกรรม: เหตุใดโครงสร้างที่เสริมความแข็งแรงจึงมีความพิเศษ

ในบริบทของโครงสร้างตัวถังรถยนต์ (Body-in-White: BIW) การเสริมความแข็งแรงเชิงโครงสร้างทำหน้าที่เสมือนโครงกระดูกที่ปกป้องผู้โดยสารในระหว่างการชน ซึ่งแตกต่างจากแผ่นตัวถังภายนอกที่เน้นรูปลักษณ์ (เปลือกนอก) ชิ้นส่วนเหล่านี้ ได้แก่ เสา A เสา B แผงข้างประตู รางหลังคา และคานขวาง จำเป็นต้องดูดซับและเบี่ยงเบนอนุภาคพลังงานจลน์จำนวนมาก ความท้าทายทางวิศวกรรมพื้นฐานอยู่ที่แนวคิด "การลดน้ำหนัก" เนื่องจากราชวัลควบคุมการปล่อยมลพิษที่เข้มงวดขึ้น และยานยนต์ไฟฟ้า (EV) ต้องการเพิ่มระยะทางการใช้งานให้มากที่สุด วิศวกรจึงไม่สามารถเพียงแค่เพิ่มความหนาของเหล็กเพื่อเพิ่มความปลอดภัยได้

แทนที่จะเป็นเช่นนั้น อุตสาหกรรมจึงต้องพึ่งพาเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูง (AHSS) และโลหะผสมอลูมิเนียม เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูง (Advanced High-Strength Steels หรือ AHSS) แม้ว่าเหล็กกล้าอ่อนทั่วไปจะมีความต้านทานแรงดึงประมาณ 200 เมกะปาสกาล แต่เหล็กกล้าที่ผ่านกระบวนการขึ้นรูปแบบร้อนสมัยใหม่ที่ใช้ในชิ้นส่วนเสริมความแข็งแรงสามารถมีค่าเกิน 1,500 เมกะปาสกาล (ประมาณ 217 กิโลปอนด์ต่อตารางนิ้ว) สิ่งนี้ทำให้สามารถใช้แผ่นโลหะที่บางลงเพื่อลดน้ำหนักได้ ขณะที่ยังคงรักษาระดับความแข็งแรงของโครงสร้างหรือปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้น

อย่างไรก็ตาม การขึ้นรูปวัสดุสมรรถนะสูงเหล่านี้มีอุปสรรคสำคัญในกระบวนการผลิต เจ้าที่เป็นศัตรูหลักในการขึ้นรูปเย็นวัสดุความแข็งแรงสูงคือ การยืดกลับ (Springback) —แนวโน้มของโลหะที่จะกลับคืนรูปร่างเดิมหลังจากแรงขึ้นรูปถูกปล่อยออก ซึ่งทำให้การควบคุมความแม่นยำสูงในชิ้นงานที่มีรูปทรงซับซ้อนเป็นเรื่องยากมาก มักต้องอาศัยซอฟต์แวร์จำลองขั้นสูงและเทคโนโลยีเครื่องอัดแบบเซอร์โวเพื่อชดเชย

การเปรียบเทียบกระบวนการ: การขึ้นรูปร้อน (Press Hardening) เทียบกับการขึ้นรูปเย็น

การเลือกระหว่างการขึ้นรูปร้อนและการขึ้นรูปเย็นคือการตัดสินใจหลักด้านกระบวนการสำหรับชิ้นส่วนเสริมความแข็งแรงแต่ละชนิด วิธีแต่ละแบบมีลักษณะทางกลศาสตร์ ต้นทุน และผลกระทบต่อวัสดุที่แตกต่างกัน

การขึ้นรูปแบบร้อน (Hot Stamping หรือ Press Hardening)

การขึ้นรูปร้อน หรือที่เรียกว่า press hardening เป็นวิธีการหลักสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย โดยกระบวนการนี้ประกอบด้วยการให้ความร้อนแผ่นเหล็กโบรองถึงประมาณ 900°C (1,650°F) จนเข้าสู่สถานะออสเทนไนติก จากนั้นแผ่นเหล็กที่แดงร้อนจะถูกเคลื่อนย้ายอย่างรวดเร็วไปยังแม่พิมพ์ที่มีระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ เพื่อขึ้นรูปและดับความร้อนพร้อมกัน

การระบายความร้อนอย่างรวดเร็วนี้จะเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของเหล็กจากออกสเทนไนต์เป็นมาร์เทนไซต์ ทำให้รูปร่างถูกล็อกไว้และขจัดการเด้งกลับ (springback) ออกไปได้โดยสิ้นเชิง ตามข้อมูลอุตสาหกรรม กระบวนการนี้สามารถเพิ่มความแข็งแรงดึงของเหล็กบอรอนจากเริ่มต้นที่ 50 ksi ไปสู่มากกว่า 200 ksi (ประมาณ 1,380 MPa) นี่คือเหตุผลที่ การขึ้นรูปแบบร้อนผลิตชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย เช่น ตัวเสริมแรงบริเวณประตูและคานกันชน ซึ่งมีความแข็งแรงสูงมากและมีความแม่นยำทางมิติสูง

การปั๊มเย็น

การขึ้นรูปแบบเย็นเกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้องและอาศัยความเหนียวของวัสดุ ถึงแม้ว่าวิธีนี้จะมีความเร็วสูงและใช้พลังงานต่ำ (ไม่จำเป็นต้องให้ความร้อน) แต่ก็มีข้อจำกัดเมื่อใช้กับวัสดุที่มีความแข็งแรงสูงพิเศษ เนื่องจากเกิดการแข็งตัวขณะขึ้นรูป (work hardening) และการเด้งกลับ อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องอัดแบบเซอร์โว—ซึ่งช่วยควบคุมความเร็วของลูกสูบและแรงกดได้อย่างแม่นยำ—ได้ขยายขีดความสามารถของการขึ้นรูปแบบเย็นให้กว้างขึ้น วิธีนี้ยังคงเป็นที่นิยมสำหรับชิ้นส่วนอลูมิเนียมและชิ้นส่วนโครงสร้างที่มีรูปทรงเรียบง่ายหรือข้อกำหนดด้านความแข็งแรงต่ำกว่า

วิทยาศาสตร์วัสดุ: เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงพิเศษ, เหล็กโบรอง, และอลูมิเนียม

สมรรถนะของชิ้นส่วนเสริมแรงที่ขึ้นรูปด้วยการตอกขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ อุตสาหกรรมยานยนต์ได้ก้าวไกลออกไปจากเหล็กอ่อนพื้นฐานแล้ว

เหล็กโบรอน (22MnB5)

เหล็กโบรอนเป็นกระดูกสันหลังของการตีพิมพ์ร้อน การเพิ่มโบรอนเพิ่มความแข็งแรงได้อย่างสําคัญ ในสภาพแรกของมัน มันค่อนข้างอ่อนและสามารถปรับปรุงได้ แต่หลังจากกระบวนการกระชับกระชับ มันกลายเป็นแข็งอย่างไม่ธรรมดา ลักษณะสองแบบนี้ทําให้สามารถสร้างรูปร่างที่ซับซ้อนที่แข็งเป็นโครงสร้างความปลอดภัยที่ไม่ยืดหยุ่น

สายสลัดอลูมิเนียม (ซีรีส์ 5xxx และ 6xxx)

ด้วยการเพิ่มขึ้นของ EVs อลูมิเนียมกําลังเพิ่มขึ้นในความนิยมสําหรับห้องแบตเตอรี่และหอคอยแรงกระแทกเพื่อชําระค่าแบตเตอรี่ที่หนัก การตราโลหะมีบทบาทสําคัญในการผลิต EV โดยการสร้างสรรค์สลัดเบาๆเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม อลูมิเนียมมีความชุ่มชื่นต่อการแตกและฉีกขาดระหว่างการดึงลึก จําเป็นต้องใช้น้ํามันย่อยพิเศษ และมักมีหลายขั้นตอนในการดึง เมื่อเทียบกับเหล็ก

เหล็กชุบสังกะสี

สําหรับส่วนประกอบโครงสร้างภายใต้ร่างกายที่เผชิญกับเกลือทางและความชื้น ความทนทานต่อการกัดกร่อนไม่ได้ต่อรอง เหล็กเหล็กกระปุกที่มีเคลือบซิงค์ ใช้กันอย่างแพร่หลายสําหรับส่วนประกอบของชาสซี่และรถไฟ การสตริปวัสดุกระดาษเหล็กกระดาษต้องดูแลการปรับปรุงแบบรอบคอบ เพราะเคลือบซิงค์สามารถเปลือก (กระดาษเหล็กกระดาษ) และสร้างขึ้นบนเครื่องมือ ซึ่งส่งผลต่อคุณภาพของชิ้นส่วน

ขจัดช่องว่าง: จากต้นแบบสู่การผลิตจำนวนมาก

การเลือกคู่หูการตีพิมพ์สําหรับการเสริมสร้างโครงสร้าง ไม่ได้เกี่ยวกับการหาราคาชิ้นที่ต่ําที่สุดเท่านั้น มันเกี่ยวกับการหาผู้จําหน่ายที่มีความหลากหลายในการจัดการกับวงจรชีวิตของสินค้าทั้งหมด โปรแกรมรถยนต์มักจะเปลี่ยนจากการทําต้นแบบอย่างรวดเร็ว ไปสู่การตรวจสอบขนาดต่ํา และสุดท้ายไปยังการผลิตจํานวนมาก กล่องจําหน่ายที่แตกแยกกัน โดยที่ต้นแบบถูกทําโดยร้านหนึ่ง และชิ้นส่วนการผลิตโดยร้านอื่น อาจนําไปสู่ "ความผิดพลาดในการแปล" ที่สําคัญในการออกแบบเครื่องมือและการทําความอดทน

ในทางอุดมสมบูรณ์แล้ว ผู้ให้บริการ OEM หรือ Tier 1 ควรติดต่อกับพันธมิตรที่สามารถปรับขนาดได้อย่างต่อเนื่อง ความสามารถสําคัญรวมถึงความสามารถในการปรับขนาดเครื่องพิมพ์ที่หลากหลาย (เช่น 100 ถึง 600 ตัน) เพื่อรองรับขนาดชิ้นส่วนและขนาดวัสดุที่แตกต่างกัน

สําหรับผู้ผลิตที่ต้องการการบูรณาการระดับนี้ เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ เป็นตัวอย่างของความสามารถที่จําเป็น รับรองว่า IATF 16949:2016 มาตรฐาน พวกเขาสะสมช่องว่างระหว่างการรับรองวิศวกรรมและการผลิตจํานวนมาก ความสามารถของพวกเขาจะตั้งแต่การจัดส่ง 50 ชิ้นต้นแบบในเวลาเพียง 5 วัน ถึงการผลิตชิ้นส่วนสําคัญเป็นล้านๆ อย่างแขนควบคุมและเซฟฟรมรายปี การใช้แรงกดถึง 600 ตัน และนําเสนอกระบวนการรองที่ครบถ้วน เช่น การปั่นและการเคลือบไฟฟ้า พวกเขาให้บริการทางออกที่เรียบง่ายสําหรับความต้องการโครงสร้างรถยนต์ที่ซับซ้อน

การใช้งานที่สําคัญ: ส่วนประกอบโครงสร้างหลัก

พื้นที่ต่าง ๆ ของยานยนต์ต้องการกลยุทธ์การตีพิมพ์ที่แตกต่างกันขึ้นจากเส้นทางของภาระและกรณีเกิดอุบัติเหตุ

• กรงความปลอดภัย (เสาและแหวนประตู): ค้อน A และ B เป็นตัวสนับสนุนตั้งหลักป้องกันการบดหลังคาระหว่างการพลิก การผลิตที่ทันสมัยมักใช้ "แผ่นว่างที่ผสมด้วยเลเซอร์" ผสมแผ่นความหนาที่แตกต่างกันก่อนการตรา เพื่อสร้างเสา B เดียวที่หนาบน (สําหรับความแข็งแรง) และบางลง (เพื่อจัดการรูปแบบการปรับปรุง)
• กล่องแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า (EV): แบตเตอรี่เป็นองค์ประกอบโครงสร้างที่สําคัญที่สุดในรถไฟฟ้า มันต้องปกป้องโมดูลแบตเตอรี่จากเศษขยะทาง และการบุกเข้าจากด้านข้าง ปกติเป็นส่วนประกอบขนาดใหญ่ ที่มีลักษณะไม่สูง ความละเอียดที่สําคัญในเรื่องนี้
• ส่วนประกอบการลด NVH: ไม่ใช่อุปกรณ์ส่วนต่างๆทั้งหมดเพื่อความปลอดภัยจากการชน หมุนและสมาชิกข้ามมักใช้ในการทําให้ชาสีแข็งเพื่อลด Noise, Vibration และ Harshness (NVH) กระบวนการ stamping ความแม่นยําผลิต NVH การลดบราคเกต ที่ลดความรุนแรงของเสียงทางถนน ส่งผลให้ห้องนั่งรถมีอารมณ์ดี

สรุป: อนาคตของสารหลายชนิด

การ ปรับปรุง ภาพ ของ การ ปรับปรุง ภาพ ของ การ ปรับปรุง เรากําลังย้ายจากร่างเหล็กแบบโมโนลิทิก ไปสู่สับพันธุ์หลายวัสดุ ที่มีเสาเหล็กโบรอนที่ติดกันร้อน สําหรับวิศวกรและทีมจัดซื้อสินค้า นั่นหมายความว่านิยามของคู่หูการตีพิมพ์ที่สามารถจะพัฒนา มันไม่เพียงพอแล้วที่จะเพียงแค่ stamp เหล็ก ความสามารถในการจําลอง การสร้างและรวมวัสดุที่มีประสิทธิภาพสูงที่หลากหลาย เป็นมาตรฐานใหม่สําหรับความเป็นเลิศในการผลิตโครงสร้าง

คำถามที่พบบ่อย

1. การประชุม ข้อดีหลักของการสตริปร้อนเหนือการสตริปเย็นคืออะไร?

การตีความร้อน (การแข็งแรงด้วยเครื่องกด) ปกติจะกําจัดการกลับสปริงแบ็ค ซึ่งเป็นปัญหาใหญ่ในการตีความเย็นของเหล็กความแข็งแรงสูง มันทําให้สามารถสร้างรูปร่างทางกณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนได้ ด้วยความแข็งแรงในการดึงที่เกิน 1,500 MPa ทําให้มันเหมาะสมสําหรับส่วนที่สําคัญต่อความปลอดภัย เช่น ค้อน B และวงแหวนประตู ที่ต้องการความแม่นยําด้านมิติและความแข็งแรงสูงสุด

2. การใช้ การเพิ่มขึ้นของ EVs มีผลต่อการตรารถยนต์อย่างไร?

รถไฟฟ้าต้องมีน้ําหนักเบามาก เพื่อชําระค่าแบตเตอรี่ที่หนัก ทําให้มีการเปลี่ยนไปใช้สแตมป์อลูมิเนียมสําหรับส่วนโครงสร้าง เช่น ห้องแบตเตอรี่และเซฟฟราม นอกจากนี้ สถาปัตยกรรม EV ยังต้องการประเภทการเสริมทัพใหม่ เพื่อปกป้องแบตเตอรี่ในช่วงการชนข้าง ๆ ส่งผลให้มีส่วนประกอบที่มีสตัมป์ขนาดใหญ่และบูรณาการมากขึ้น

3. การ สร้าง การรับรอง IATF 16949 มีบทบาทอะไรในการตีพิมพ์

IATF 16949 เป็นมาตรฐานเทคนิคโลกสําหรับระบบการจัดการคุณภาพในอุตสาหกรรมรถยนต์ สําหรับผู้จําหน่ายเครื่องฉีดรัด การรับรองนี้แสดงว่าพวกเขามีกระบวนการที่เข้มงวดในการป้องกันความบกพร่อง, ลดความแตกต่างของโซ่จําหน่าย และการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นสิ่งจําเป็นในการจําหน่ายชิ้นส่วนโครงสร้างที่สําคัญต่อความปลอดภัย