Легкая штамповка на новых энергоносителях: глубокий анализ технологии формирования сверхпрочных сталей и алюминиевых сплавов
Введение: игровой баланс между легким весом и безопасностью
Требования к выносливости и правила безопасности при столкновениях новых энергетических транспортных средств совместно увеличили вес кузова до беспрецедентной высоты. На каждые 100 кг потери веса запас хода электромобилей можно увеличить примерно на 8-10 км. В то же время глобальный NCAP и China C-NCAP продолжают повышать требования к защите пассажиров. Для этого требуются материалы как со сверхвысокой прочностью, так и с отличной формуемостью. Двумя основными материалами стали усовершенствованная высокопрочная сталь (AHSS) и алюминиевый сплав, а горячештампованная борная сталь прорвалась через самую сложную область противоречия между прочностью и формуемостью.
Однако эти материалы обнаруживают свои собственные уникальные технические проблемы в процессе штамповки: высокий откат AHSS и износ штампа, низкое удлинение алюминиевого сплава и чувствительность поверхности к царапинам, узкое окно процесса горячей штамповки и сложная конструкция охлаждения штампа. В статье проводится комплексный технический анализ технологии штамповки легких автомобилей на новых источниках энергии из четырех измерений: характеристики материала - параметры процесса - конструкция штампа - контроль дефектов.
Технология холодной штамповки для передовой высокопрочной стали (AHSS)
1,1 От стали DP до стали CP и стали Q & P
Дуплексная сталь (DP, состоящая из феррита + мартенсита) в настоящее время является наиболее используемой AHSS с типичными мартенситами DP590, DP780, DP980. Она характеризуется непрерывным выходом, высокой скоростью обработки, но ограниченной производительностью фланцевания. Дуплексная сталь (CP) добавляет бейнит и диспергированные осадки на основе мартенсита и имеет более высокую пористость, что подходит для конструкционных деталей шасси. Сталь с закаленной перегородкой последнего поколения (Q & P) получает стабильный остаточный аустенит посредством процесса углеродного разделения. Прочность и удлинение улучшаются одновременно. Удлинение стали Q & P марки DP1180 может достигать более 12%.
1,2 Основные болевые точки и контрмеры процесса холодного тиснения
(1) Точная компенсация для отскока
Предел текучести AHSS высок, а модуль упругости практически не изменился, что приводит к значительной доле восстановления упругости после разгрузки. Отскок сложных трехмерных изогнутых деталей (таких как армирующие пластины A-стойки) может достигать 3-5 проектного угла. Традиционные формы компенсируются повторными испытаниями формы и ручным шлифованием. Текущий основной метод основан на обратной итерационной компенсации CAE - обратном смещении смоделированной отскоковой сетки для получения нового профиля формы. Обычно 2-3 раунда итераций могут контролировать ошибку отскока в пределах ±0,2.
Для более экстремальной проблемы дисперсии пружинки (разница в пружинке между различными катушками одной и той же партии материалов превышает ±1) необходимо ввести систему регулирования формы с замкнутым контуром: управляемая прокладка или электрострикционная эжекторная штанга расположены в ключевом положении формы, а динамическая компенсация достигается путем сканирования угла пружинки в сети и регулирования локальной нагрузки в миллисекундах.
(2) Интеллектуальное управление высокой растяжимостью и силой держателя заготовки
DP980 склонен к продольному растрескиванию при большой глубине вытяжки. Оптимизированные стратегии включают: использование пульсационной кривой сервоштамповки, "паузу-перезагрузку" несколько раз во время штамповки для улучшения потока материала; или использование сегментированной переменной силы держателя заготовки, применение повышенной силы держателя заготовки для предотвращения сморщивания на ранней стадии формования, снижение силы держателя заготовки на средней стадии для стимулирования притока материала и увеличение силы держателя заготовки на более поздней стадии формования.
(3) износ прессформы и нано-покрытие
Высокая твердость AHSS приводит к сильному износу фланцев и углов матрицы. Упомянутое ранее покрытие AlCrN / TiSiN стало стандартным выбором. Кроме того, вставки из цементированного карбида или dispersion-strengthened медные сплавы используются в качестве теплопроводящих и износостойких композитов в растянутых закругленных углах.
Во-вторых, процесс точной штамповки пластин из алюминиевого сплава
2,1 6-серийный алюминиевый сплав (Al-Mg-Si) и 5-серийный алюминиевый сплав (Al-Mg)
Алюминиевые сплавы серии 6000 (такие как AA6016 и AA6022) могут быть усилены термообработкой, а прочность может быть дополнительно улучшена после покрытия и выпечки. Они являются первым выбором для наружных крышек (крышки двигателя, двери). Однако их формуемость при комнатной температуре плохая, удлинение обычно составляет всего от 20% до 25%, и они склонны к старению. 5000 серий (таких как AA5182) имеют лучшую формуемость, но поверхность склонна к полосам Lüdes, которые в основном используются для внутренних панелей.
2,2 Основные проблемы и решения для штамповки алюминиевых листов
(1) Риск растрескивания из-за низкого удлинения
Безопасный диапазон формования алюминиевой пластины намного уже, чем у стальной пластины. Решение: ① Используйте гидравлическую формовку или пневматическую формовку, чтобы заставить пластину прилипать к форме под давлением жидкости, чтобы избежать местного чрезмерного истончения, вызванного жестким пуншем; ② Используйте диаграмму пределов формования (FLD) на этапе проектирования формы, чтобы строго ограничить первичные и вторичные деформации и не допустить превышения предела истончения; ③ Развивайте местную помощь в нагреве - нагревайте алюминиевую пластину до 200-250 ° C с помощью индукционных катушек в сложной области флангирования, чтобы временно увеличить удлинение.
(2) поверхностные царапины и накопление алюминиевого порошка
Оксидная пленка на поверхности алюминиевой пластины легко царапается пресс-формой, а алюминиевый порошок, образующийся в результате износа, прилипает к поверхности пресс-формы, еще больше ухудшая царапины. Необходимо использовать зеркальную полировочную форму (шероховатость Ra≤0.05μm) со специальным тиснительным маслом низкой вязкости (включая добавки экстремального давления) и регулярную автоматическую очистку поверхности пресс-формы. Кроме того, было показано, что твердое покрытие DLC эффективно в антипригарном алюминии.
(3) характеристики отскока
Хотя пружинник алюминиевой пластины меньше, чем у AHSS, его анизотропия очевидна, и его легко изготовить скрученный пружинник. Для моделирования необходимо использовать более усовершенствованную модель материала (например, критерий выхода Barlat YLD2000) и в то же время использовать функцию удержания давления в нижней мертвой точке сервоштамповки, чтобы продлить время удержания давления до 2-3 секунд, чтобы снять упругое внутреннее напряжение.
В-третьих, технология горячей штамповки: универсальное решение для сверхвысокой прочности
3,1 Борная сталь (22MnB5) принцип горячего тиснения
Основная логика горячего тиснения состоит в том, чтобы нагреть борную стальную пластину с пределом прочности на растяжение от 600 МПа до 930 ° C для аустенитизации, а затем за несколько секунд перенести ее в форму с охлаждающей трубой. Быстрое тиснение и закалка под давлением, происходит мартенситное фазовое превращение, и, наконец, получаются детали с пределом прочности на растяжение более 1500 МПа и твердостью 450 ~ 520 ГВ. Этот процесс устраняет пружину (упрочнение фиксированных форм после высокотемпературного формования) и может формировать сложные геометрии.
3,2 Дизайн технологического окна и формы охлаждения
Ключ к успеху или неудаче горячей штамповки заключается в скорости охлаждения: она должна быть выше критической скорости охлаждения мартенсита (около 27 ° C / s). Поэтому внутри матрицы должен быть спроектирован канал охлаждающей воды высокой плотности на расстоянии 5-10 мм от поверхности матрицы, а температура поверхности матрицы должна быть равномерной благодаря моделированию теплового потока. Кроме того, край детали мог охладиться до уровня ниже Ar3 до закрытия матрицы, образуя феррит и снижая прочность - необходимо оптимизировать время передачи от нагревательной печи к прессу (обычно ≤10 секунд).
3,3 Встроенное дверное кольцо и горячее тиснение сварочной пластины
Новейшая технологическая разработка состоит в том, чтобы соединить несколько деталей, таких как A-стойки, B-стойки, пороги и т. д., через сварные пластины, сшитые на заказ лазером, а затем горячим тиснением в целом в интегрированное дверное кольцо. Это может снизить вес примерно на 15% и уменьшить процесс сварки и сборки. Трудность заключается в последовательном контроле температурного поля в областях пластины различной толщины или покрытия (алюминиево-кремниевое покрытие), а также в риске растрескивания сварного шва в процессе горячей штамповки.
3,4 Процесс смешивания горячей штамповки + холодной штамповки
Некоторые автопроизводители начали внедрять концепцию местного нагрева холодной штамповки: индукционный нагрев используется только для нагрева областей, требующих высокой прочности и трудно поддающихся холодной обработке, а остальные области выдерживаются при комнатной температуре. Горячая штамповка и холодная штамповка выполняются на одном сервопрессе. Технология все еще находится на стадии лабораторной проверки, но рассматривается как новое поколение легких процессов.
IV. Гидравлическое формировать и внутренняя технология формировать высокого давления
Для полых конструкционных деталей, таких как подрамник шасси и балка крутящего момента, внутреннее формование труб под высоким давлением является легким и эффективным средством. Труба помещается в закрытую форму, осевое усилие прилагается с обоих концов, а жидкость высокого давления (до 400 МПа) заполняется внутри, чтобы труба прилипала к полости формы. По сравнению со штамповочными и сварочными деталями он может снизить вес на 20-30% и повысить жесткость. Со сложностью рам аккумуляторных батарей для электромобилей новой энергии применение внутреннего формования под высоким давлением экструдированных профилей из алюминиевого сплава быстро расширяется.
V. 2026 перспективы применения молодых количественных штамповочных материалов
Многоматериальный гибридный корпус: сталь (термоформованные детали из АХСС) + алюминий (облицовочные детали) + магний (балки приборной панели) + углеродное волокно (локальная арматура).
Короткотехнологичная линия горячей штамповки: от heating-stamping-quenching-laser интеграции резки, темп увеличивается до 4-5 штук в минуту.
Сталь без покрытия с горячей штамповкой: разработайте новые устойчивые к окислению поверхностные покрытия для замены дорогих алюминиево-кремниевых покрытий, которые представляют риск охрупчивания водородом.
Соединение из алюминия и стали: штамповка одновременно завершает FDS (самонарезание горячего расплава) или самопрокалывающуюся клепку для уменьшения постобработки.
Заключение
Легкая штамповка для автомобилей на новых источниках энергии - это комплексная конкуренция материалов, процессов и оборудования. Холодная штамповка от AHSS должна решить проблему "точного контроля" пружины и износа; алюминиевый сплав должен преодолеть "тонкую осторожность" предела формования и качества поверхности; горячая штамповка требует "бережливого контроля" соединения с фазовым переходом тепло-усилие. В ближайшие пять лет, благодаря конкурентной интеграции интегрированного литья под давлением и горячей штамповки, процесс штамповки по-прежнему будет занимать незаменимое место в области безопасных деталей с чрезвычайно высокими требованиями к прочности, а новый штамповочный цех с данными и контролем с замкнутым контуром станет основной конкурентоспособностью всего автомобильного завода.
BQUQ является профессиональным производителем металлической штамповки, пожалуйста, пришлите нам чертежи, и наша компания процитирует вас в течение 12 часов.
