Штампування конструкційних підсилювачів для автомобілів: технічний посібник

Коротко

Штампування структурних підсилювачів для автомобілів є високотехнологічною галуззю виробництва, яка поєднує два протилежні фактори: максимізацію безпеки у зіткненні та мінімізацію ваги транспортного засобу (зменшення ваги). Стандарт галузі для безпекомних критичних компонентів, таких як стійки А та кільця дверей, змістився до Гаряче штампування (прес-загартування) боронових сталей, які досягають межі міцності понад 1 500 МПа без проблеми пружного повернення. Проте, Холодне штампування залишається важливим для алюмінієвих корпусів акумуляторів електромобілів (EV) та менш складних геометрій, де найважливішим є ефективність вартості. Успіх у цій галузі вимагає навигації серед передових матеріалів, дотримання тісних допусків та вибору правильної потужності преса для масового виробництва.

Інженерна задача: чому структурні підсилювачі є унікальними

У контексті каркаса автомобіля (Body-in-White, BIW) структурні підсилення виступають як каркас, що захищає пасажирів під час зіткнення. На відміну від декоративних кузовних панелей (обшивки), ці компоненти — включаючи стійки А, стійки В, пороги, рейки даху та поперечні елементи — мають поглинати та перерозподіляти величезну кінетичну енергію. Основна інженерна задача полягає у «необхідності зменшення ваги». Оскільки вимоги до викидів посилюються, а електромобілі (EV) потребують максимізації запасу ходу, інженери не можуть просто додавати більш товсту сталь, щоб підвищити безпеку.

Натомість галузь розраховує на Високоміцні сталі нового покоління (AHSS) та алюмінієві сплави. Якщо низьколегована сталь зазвичай має межу текучості близько 200 МПа, сучасні пресовані сталі, що використовуються в підсиленнях, можуть перевищувати 1500 МПа (приблизно 217 ksi). Це дозволяє використовувати тонші матеріали, що зменшують вагу, зберігаючи або покращуючи структурну цілісність.

Однак штампування цих високопродуктивних матеріалів створює значні виробничі перешкоди. Основним ворогом при холодному штампуванні високоміцних матеріалів є вискок — схильність металу повернутися до його первісної форми після зняття зусилля формування. Це робить досягнення тісних допусків у складних геометріях надзвичайно складним, часто вимагаючи складного програмного забезпечення для моделювання та технології серво-пресів для компенсації.

Порівняння процесів: гаряче штампування (гаряче зміцнення) проти холодного штампування

Вибір між гарячим та холодним штампуванням є центральним технологічним рішенням для структурних підсилювачів. Кожен із методів має відмінну механіку, вартість та матеріальні наслідки.

Гаряче штампування (прес-загартування)

Гаряче штампування, або гаряче зміцнення, є домінуючим методом для безпеково критичних елементів каркасу. Процес полягає у нагріванні заготовок із бористої сталі до приблизно 900°C (1,650°F) до стану аустеніту. Розпечену заготовку потім швидко переносять до водяного охолоджуваного інструшка, де вона формуються та загартовується одночасно.

Це швидке охолодження перетворює мікроструктуру сталі з аустеніту в мартензит, заблокуючи геометрію і повністю виключаючи прорив. Згідно з даними промисловості, цей процес може підвищити міцність тяги борної сталі з початкової 50 кс до понад 200 кс (приблизно). 1.380 МПа). Ось чому тепловий штамповання виробляє критичні для безпеки частини як дверні підмітки і бамперні балки, які є дуже міцними і вимірними.

Холодне штампування

Холодное штампування відбувається при кімнатній температурі і залежить від пластичності матеріалу. Хоча він швидше і енергоефективніший (не потрібно нагрівання), він стикається з обмеженнями з ультрависокою міцністю матеріалів через роботу закарчання і промпербэк. Однак, досягнення в технології сервоприцілу, що дозволяє точне управління швидкістю вага і силою проживання розширили можливості холодної штамповання. Це залишається улюбленим методом для алюмінієвих компонентів та структурних частин з простішою геометрією або меншими вимогами до міцності.

Матеріалознавство: AHSS, борсиліцева сталь і алюміній

Продуктивність штампованого підсилення визначається його матеріалом. Автомобільна галузь значно вийшла за межі звичайної низьколегованої сталі.

Борова сталь (22MnB5)

Борова сталь є основою гарячого штампування. Додавання бору значно підвищує прокалюваність. У початковому стані вона відносно м’яка та формована, але після процесу штампування під тиском стає надзвичайно твердою. Ця подвійна природа дозволяє створювати складні форми, які перетворюються на непохитливі конструкції безпеки.

Алюмінієві сплави (серії 5xxx та 6xxx)

Із розвитком електромобілів (EV) алюміній набуває популярності для корпусів акумуляторів і опор шасі, щоб компенсувати важкі акумуляторні блоки. Металоштампування відіграє ключову роль у виробництві електромобілів формуючи ці легкі сплави. Однак алюміній схильний до тріщин і розривів під час глибокого витягування, що вимагає спеціальних мастил і часто кількох етапів витягування порівняно зі стальними сплавами.

Оцинкована сталь

Для конструктивних компонентів нижньої частини кузова, які піддаються впливу дорожньої солі та вологи, стійкість до корозії є обов'язковою. Оцинкована сталь із цинковим покриттям широко використовується для компонентів шасі та лонжеронів. Штампування оцинкованих матеріалів вимагає ретельного догляду за прес-формами, оскільки цинкове покриття може відшаровуватися (залипати) і накопичуватися на інструменті, що впливає на якість деталей.

Подолання розриву: від прототипу до масового виробництва

Вибір партнера зі штампування для конструкційних підсилювачів — це не просто пошук найнижчої ціни одиниці продукції; це пошук постачальника, який має достатню універсальність для обслуговування всього життєвого циклу продукту. Автомобільні програми, як правило, переходять від швидкого прототипування до перевірки при низькому обсязі виробництва і, нарешті, до масового виробництва великих обсягів. Фрагментація ланцюга поставок, коли прототипи виготовляються в одному цеху, а серійні деталі — в іншому, може призвести до критичних «помилок перенесення» у проектуванні оснащення та реалізації допусків.

Ідеально, виробник або постачальник рівня Tier 1 повинні працювати з партнером, здатним безперечно масштабувати виробництво. Необхідні можливості включають широкий діапазон прес-тоннажів (наприклад, від 100 до 600 тонн) для обробки різних розмірів деталей та товщин матеріалу, а також власні компетенції у виготовленні інструвки для управління переходом від м'яких інструвок до прогресивних твердих матріць.

Для виробників, які прагнуть такого рівня інтеграції, Shaoyi Metal Technology є прикладом необхідної компетентності. Маючи сертифікацію за IATF 16949:2016 стандартами, вони подолають розрив між інженерною валідацією та серійним виробництвом. Їхні можливості простягаються від постачання 50 прототипних деталей у межах п’яти днів до виробництва мільйонів критичних компонентів, таких як важелі підвіски та підрамники, щороку. Використовуючи преси потужністю до 600 тонн та пропонуючи комплексні вторинні процеси, як-от зварювання та електрофарбування, вони забезпечують оптимізований розв'язок для складних структурних потреб автомобільної промисловості.

Критичні сфери застосування: ключові структурні компоненти

Різні області автомобіля вимагають різних стратегій штампування на основі маршрутів навантаження та сценаріїв аварій.

• Безпечна клітина (постоянки та дверні кільця): А-пост і В-пост є основними вертикальними опорами, що запобігають розбитий дах під час перевертання. Сучасне виробництво часто використовує "завісані лазером порожнини"з'єднання листів різних товщин перед штампованнямдля створення єдиного B-основи, який товстий зверху (для міцності) і тонший внизу (для управління режимами деформації).
• Корпуси акумуляторів ЕМ: Батарейка є найважливішим структурним елементом в електромобілі. Він повинен захистити модулі батарей від дорожнього сміття і побічного удару. Це, як правило, великі, неглибокі компоненти, часто штамповані з високопростіжного алюмінію, щоб зберегти вагу. Тут дуже важливо бути точним: плоска поверхня герметики повинна бути абсолютно плоскою, щоб вода не входила.
• Компоненти зниження NVH: Не всі конструктивні елементи призначені для безпеки під час зіткнення. Кріплення та поперечні балки часто використовуються для підвищення жорсткості шасі, щоб зменшити рівень шуму, вібрації та дискомфорту (NVH). Прецезійні процеси штампування виробляють елементи для зниження NVH які гасять шум від дороги, сприяючи преміальному відчуттю салону автомобіля.

Висновок: Багатоматеріальне майбутнє

Майбутнє штампування конструктивних підсилювачів автомобілів полягає у «правильному матеріалі в правильному місці». Ми відходимо від суцільносталевих кузовів до багатоматеріальних гібридів, де гарячо-штамповані стійки з бористої сталі з'єднуються з алюмінієвими опорами амортизаторів та композитними рейками даху. Для інженерів та закупівельних команд це означає, що визначення кваліфікованого партнера зі штампування змінюється. Тепер недостатньо просто штампувати сталь; здатність моделювати, формувати та з'єднувати різноманітні високоефективні матеріали стає новим стандартом відмінності в виробництві конструкцій.

Поширені запитання

1. Які основні переваги гарячого штампування порівняно з холодним?

Гаряче штампування (пресове загартування) практично усуває пружне відновлення, що є серйозною проблемою при холодному штампуванні сталей підвищеної міцності. Це дозволяє створювати складні геометричні форми з межею міцності понад 1500 МПа, роблячи його ідеальним для виготовлення критичних для безпеки деталей, таких як стійки B та дверні кільця, де потрібна максимальна точність розмірів і міцність.

2. Як зростання популярності електромобілів впливає на автомобільне штампування?

Електромобілі потребують значного зменшення маси для компенсації важких акумуляторних блоків, що спонукає до переходу на алюмінієве штампування для конструкційних елементів, таких як корпуси акумуляторів і підрамники. Крім того, архітектура електромобілів вимагає нових типів підсилювальних елементів для захисту акумуляторного блоку під час бічних зіткнень, що призводить до створення більших, більш інтегрованих штампованих компонентів.

3. Яку роль відіграє сертифікація IATF 16949 у процесі штампування?

IATF 16949 — це глобальний технічний стандарт для систем управління якістю в автомобільній промисловості. Для постачальника штампування ця сертифікація свідчить про наявність суворих процесів щодо запобігання дефектам, зменшення варіативності в ланцюгах поставок і безперервного покращення, що є обов’язковим для поставок критичних для безпеки конструктивних деталей OEM-виробникам.