Штампування автомобільних стійок: передові технології та інженерні рішення

Коротко

Штампування автомобільних стійок є процесом високоточного виробництва, критичним для безпеки та конструктивної цілісності транспортного засобу. Він передбачає формування стійок A, B і C із сталей ультрависокої міцності (UHSS) та сучасних алюмінієвих сплавів за допомогою таких методів, як гаряче штампування та формування поступовим штампом. Виробникам потрібно знаходити баланс між суперечливими цілями: максимізацією захисту під час аварій — особливо при перекиданні та бічних ударах — та мінімізацією ваги задля ефективності витрати палива та запасу ходу в електромобілях. Сучасні рішення включають технологію серводавильних пресів і спеціальні інструменти для подолання таких проблем, як пружне відновлення та наклеп.

Анатомія автомобільних стійок: A, B і C

Конструктивний каркас будь-якого пасажирського автомобіля ґрунтується на серії вертикальних опор, відомих як стійки, які позначаються алфавітно від переду до корми. Хоча вони працюють разом, щоб підтримувати дах і керувати енергією удару, кожна стійка створює унікальні штампувальні виклики через її конкретну геометрію та роль у безпеці.

The A-стійка утримує вітрове скло та фіксує передні петлі дверей. Згідно з Group TTM , A-стійки конструюються зі складаними 3D-кривими та змінною товщиною стінок, щоб оптимізувати оглядовість, забезпечуючи надійний захист у разі перекидання. Складна геометрія часто вимагає кількох операцій формування для створення фланців кріплення вітрового скла, не пошкоджуючи конструктивну жорсткість стійки.

The B-стійка є, мабуть, найважливішим компонентом для безпеки пасажирів під час зіткнень збоку. Розташований між передніми та задніми дверима, він з'єднує підлогу автомобіля з дахом і є основним шляхом передачі навантаження під час аварії. Щоб запобігти проникненню в салон, стійки B мають мати надзвичайно високу межу текучості. Виробники часто використовують армувальні труби або вставки з високоміцної сталі в конструкції стійки для максимізації поглинання енергії.

Стійки C і D підтримують задню частину салону та заднє скло. Хоча вони зазнають менших прямих ударних навантажень, ніж стійка B, вони є важливими для крутної жорсткості та безпеки під час зіткнень ззаду. У сучасному виробництві ці компоненти все частіше інтегрують у більші бічні панелі кузова, щоб скоротити кількість операцій збирання та поліпшити естетичний вигляд автомобіля.

Матеріалознавство: перехід до UHSS і AHSS

Автомобільна галузь штампування в значній мірі перейшла з низьколегованих сталей на ультрависокоміцну сталь (UHSS) та передову високоміцну сталь (AHSS) для виконання суворих вимог щодо безпеки при зіткненні. Цей перехід зумовлений необхідністю підвищення співвідношення міцності до ваги, що особливо важливо для електромобілів (EV), де масу акумулятора потрібно компенсувати за рахунок легшого каркаса кузова.

Марки матеріалів, таких як борсилікатна сталь, тепер є стандартними для зон, критичних з точки зору безпеки. Ці матеріали можуть досягати межі міцності на розрив понад 1500 МПа після термообробки. Однак робота з такими загартованими матеріалами створює значні інженерні труднощі. Потрібні преси з більшою силовою потужністю для деформації матеріалу, а ризик утворення тріщин або розривів під час процесу витяжки вищий, ніж для більш м'яких сплавів.

Ця еволюція матеріалів також впливає на проектування інструментів. Щоб витримувати абразивну дію ВВССт, штампи мають бути оснащені сегментами з високоякісної інструментальної сталі та часто потребують спеціальних поверхневих покриттів. Виробникам також необхідно враховувати ефект "пружного відновлення" — коли метал прагне повернутися до своєї початкової форми після формування — шляхом передбачення надмірного згинання безпосередньо на поверхні матриці.

Основні технології штампування: гаряче та холодне формування

Два провідних методи визначають виробництво стійок автомобілів: гаряче штампування (пресове загартування) та холодне формування (часто з використанням прогресивних матриць). Вибір між ними залежить переважно від складності деталі та необхідних характеристик міцності.

Горяче тиснення є переважним методом для компонентів, що вимагають надвисокої міцності, наприклад B-стійок. У цьому процесі заготовка зі сталі нагрівається до приблизно 900°C, доки вона стає пластичною (аустенітизація). Потім вона швидко переноситься до охолоджуваної матриці, де формують та загартовують одночасно. Магна підкреслює, що ця техніка дозволяє створювати складні геометрії з властивостями надвисокої міцності, які потріскалися б при холодному формуванні. Результатом є розмірно стабільна деталь із мінімальним утворенням післянапруження.

Холодне формування та прогресивні матриці залишаються стандартом для деталей із складними елементами, наприклад A-стійки. Прогресивна матриця виконує серію операцій — пробивання, виготовлення вирізів, згинання та обрізання — за один неперервний прохід, коли стрічка подається через прес. Цей метод є високоефективним для високоволюмного виробництва. Для виробників, яким потрібно подолати розрив між швидким прототипуванням та масовим виробництвом, партнери як Shaoyi Metal Technology пропонують масштабовані рішення, використовуючи преси потужністю до 600 тонн для обробки складних автомобільних компонентів із точністю, яка підтверджена сертифікатом IATF 16949.

Інновації, подібні до технології "TemperBox", описаної GEDIA дозволяють налаштоване витримування температури в процесі гарячого формування. Це дає змогу інженерам створювати "м'які зони" всередині загартованого B-стойки — ділянки, які можуть деформуватися для поглинання енергії, тоді як решта стійки залишається жорсткою, забезпечуючи захист пасажирів.

Порівняння методологій штампування

Інженерні виклики та рішення у виробництві стійок

Виготовлення автомобільних стійок — це постійна боротьба з фізичними обмеженнями. Вискок є найпоширенішою проблемою при холодному штампуванні ВСМС. Оскільки матеріал зберігає значну пружну пам'ять, він схильний трохи розгинатися після відкриття преса. Сучасне програмне забезпечення для моделювання тепер використовується для прогнозування цього руху, що дозволяє інструментальним майстрам обробляти поверхню матриці до «скомпенсованої» форми, яка забезпечує правильну кінцеву геометрію.

Змащування та якість поверхні є однаково важливими. Високі контактні тиски можуть призводити до задирок (перенесення матеріалу) та надмірного зносу інструменту. Крім того, залишки мастила можуть перешкоджати наступним процесам зварювання. Дослідження випадку, проведене IRMCO продемонструвало, що перехід на безолійну, повністю синтетичну штампувальну рідину для оцинкованих сталевих стійок скоротив споживання рідини на 17% і усунув проблему білої корозії, яка призводила до дефектів зварювання.

Розмірна точність є непорушною умовою, оскільки стійки мають точно узгоджуватися з дверима, вікнами та даховими панелями. Навіть міліметрові відхилення можуть призводити до шуму від вітру, протікання води або поганого закривання. Для забезпечення точності багато виробників використовують лазерні системи вимірювання в потоці або контрольні пристрої, які перевіряють положення кожного кріпильного отвору та фланця безпосередньо після штампування.

Майбутні тенденції: зменшення ваги конструкції та інтеграція EV

Підвищення популярності електромобілів змінює проектування стоєк. Важкий акумулятор у електромобілях (EV) вимагає активного зменшення ваги в інших частинах шасі. Це спонукає впровадження Тайлерні зварені заготовки (TWB) , де аркуші різної товщини або марок зварюються лазером перед штампування. Це дозволяє використовувати найтовстіший і найміцніший метал лише там, де він потрібен (наприклад, верхня стояка B), а в інших місцях застосовується тонший метал задля зменшення ваги.

Радикальні зміни в конструкції також на горизонті. Деякі концепції, як-от системи дверей без стояки B, повністю переосмислюють структу тіла. Ці конструкції переносять структурне навантаження, яке зазвичай сприймає стояка B, на посилені двері та пороги, що вимагає ще більш просунутих механізмів штампування та замків для збереження стандартів безпеки у разі бічного зіткнення.

Точність як основа безпеки

Виробництво автомобільних стійок є перетином передових досягнень металургії та прецизійної інженерії. У міру того як еволюціонують стандарти безпеки та архітектура транспортних засобів зміщується у бік електрифікації, галузь штампування продовжує інновації завдяки розумнішим матрицям, міцнішим матеріалам та ефективнішим процесам. Незалежно від температури при гарячому пресуванні чи швидкості послідовних матриць, мета залишається незмінною: виготовлення жорсткої, легковагової комірки безпеки, яка захищає пасажирів без компромісів.

Поширені запитання

1. У чому різниця між гарячим та холодним штампуванням для стійок?

Гаряче штампування (пресове загартування) полягає в нагріванні заготовки зі сталі до приблизно 900 °C перед формуванням та загартуванням у матриці. Цей процес використовується для виготовлення надміцних елементів, таких як стійки B, що запобігають проникненню. Холодне штампування формують метал при кімнатній температурі, що є швидшим і енергоефективнішим, але складнішим через пружне відновлення у матеріалах підвищеної міцності. Його часто використовують для стійок A та інших конструктивних деталей.

2. Чому стійки B виготовляють із ультраміцної сталі (UHSS)?

Стійки B є основним захистом від зіткнень збоку. Використання UHSS дозволяє стійці витримувати величезні навантаження та запобігати обваленню салону автомобіля всередину, забезпечуючи захист пасажирів. Високе співвідношення міцності до ваги UHSS також допомагає зменшити загальну масу автомобіля порівняно з використанням більш товстих марок пом'якшеної сталі.

3. Як виробники компенсують пружне відновлення у штампованих стійках?

Пружиніння відбувається, коли штамповане металеве виріб намагається повернутися до своєї первісної форми. Виробники використовують сучасне програмне забезпечення для моделювання (AutoForm, Dynaform), щоб передбачити цю поведінку та спроектувати штампи з «перегином» або компенсованими поверхнями. Це забезпечує те, що після пружиніння деталь набуде правильних остаточних розмірів.