Thép cường độ cao tiên tiến thay đổi việc sản xuất các bộ phận dập ô tô như thế nào?

Các lớp AHSS thực sự được sử dụng trong Bộ phận dập ô tô

Thép cường độ cao tiên tiến không phải là một vật liệu đơn lẻ mà là một nhóm các hệ thống hợp kim riêng biệt, mỗi hệ thống được thiết kế với một cơ chế cấu trúc vi mô cụ thể để đạt được sự kết hợp độ bền và độ dẻo. Hiểu được loại nào xuất hiện trong các ứng dụng phụ tùng dập ô tô là điểm khởi đầu để hiểu lý do tại sao những vật liệu này lại thay đổi quy trình sản xuất một cách cơ bản như vậy. Thép hai pha (DP) - họ AHSS được triển khai rộng rãi nhất - bao gồm ma trận ferit với các đảo martensite phân tán, tạo ra các loại như DP600, DP780 và DP980 là sự kết hợp giữa tốc độ đông cứng ban đầu cao và độ giãn dài tốt phù hợp với chúng cho các bộ phận kết cấu như cột B, thanh ngang sàn và ray mái. Thép dẻo do biến đổi (TRIP) sử dụng austenite giữ lại siêu bền biến đổi dần dần thành martensite trong quá trình tạo hình, mang lại khả năng hấp thụ năng lượng đặc biệt khiến chúng thích hợp cho các bộ phận quan trọng khi va chạm như ray dọc và cốt thép cản. Thép Martensitic (MS1300, MS1500) được sử dụng ở những nơi ưu tiên cường độ tối đa và yêu cầu về khả năng định hình ở mức khiêm tốn — cốt thép của tấm bập bênh và dầm cửa xâm nhập là những ứng dụng điển hình. Thép được tạo hình bằng máy ép nóng (HPF), đặc biệt là 22MnB5 với lớp phủ AlSi, được austenit hóa, sau đó được tạo hình và tôi đồng thời trong khuôn được làm nguội, tạo ra độ bền kéo khi tạo hình trên 1.500 MPa mà không quy trình tạo hình nguội nào có thể sánh được đối với các bộ phận như phần bên trong cột A và cốt thép đường hầm.

Việc lựa chọn loại nào để sử dụng cho một bộ phận dập ô tô nhất định được quyết định bởi vị trí của bộ phận đó trong cấu trúc an toàn của xe, hành vi quản lý năng lượng va chạm cần thiết và mức độ nghiêm trọng hình thành của nó. Một bộ phận phải hấp thụ năng lượng dần dần thông qua việc gập có kiểm soát — như thanh ray phía trước — được hưởng lợi từ tốc độ đông cứng cao của thép DP hoặc TRIP, trong khi một bộ phận phải duy trì độ cứng và chống lại sự xâm nhập dưới tải — như cột B — có thể được phục vụ tốt hơn nhờ độ bền cực cao của bộ phận được tạo hình bằng máy ép nóng. Việc lựa chọn cấp độ dành riêng cho ứng dụng này có nghĩa là một thân xe màu trắng có thể kết hợp năm hoặc sáu cấp độ AHSS khác nhau, mỗi cấp độ được xử lý thông qua các điều kiện gia công và ép khác nhau.

Mức độ nghiêm trọng của lò xo và mức bồi thường trong các bộ phận dập ô tô AHSS

Springback là thách thức sản xuất có hậu quả lớn nhất mà AHSS đưa vào sản xuất các bộ phận dập ô tô và mức độ nghiêm trọng của nó trong các vật liệu này lớn hơn đáng kể so với bất kỳ thử thách nào xảy ra với thép nhẹ hoặc thậm chí các loại hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) thông thường. Nguyên nhân cơ bản là đặc tính tỷ lệ năng suất trên độ bền kéo cao của AHSS: ví dụ, DP980 có cường độ năng suất khoảng 700–900 MPa và độ bền kéo là 980 MPa, cho tỷ lệ năng suất là 0,71–0,92. Thép nhẹ DC04 có hệ số chảy khoảng 0,45. Bởi vì cường độ đàn hồi tỷ lệ thuận với tỷ lệ giới hạn chảy với mô đun đàn hồi (mô đun Young đối với thép là khoảng 210 GPa bất kể loại nào) và AHSS có cường độ đàn hồi cao gấp hai đến bốn lần so với thép nhẹ ở cùng mô đun, nên biến dạng đàn hồi phục hồi sau khi mở khuôn lớn hơn tương ứng từ hai đến bốn lần. Trên phần kênh 90° được hình thành từ DP980, góc lò xo hồi phục góc 10°–16° ở các thành bên là phổ biến trước khi bù, so với 2°–4° đối với phần thép nhẹ tương đương.

Các chiến lược bù được sử dụng trong thực tế cho các bộ phận dập ô tô AHSS phức tạp hơn so với uốn cong hình học đơn giản đủ cho thép nhẹ. Ba cách tiếp cận thường được kết hợp:

• Bù hình học theo hướng dẫn của FEA: Phần mềm mô phỏng tạo hình (AutoForm, Dynaform hoặc PAM-STAMP) với thẻ vật liệu đã hiệu chỉnh cho loại AHSS cụ thể sẽ dự đoán sự phân bố đàn hồi trên bề mặt bộ phận. Sau đó, hình dạng khuôn sẽ được biến đổi theo hướng ngược lại với lượng đàn hồi dự đoán - một quá trình được gọi là bù khuôn - để bộ phận đàn hồi trở lại hình dạng danh nghĩa sau khi mở dụng cụ. Đối với các bộ phận kết cấu ô tô phức tạp, quy trình này thường yêu cầu hai hoặc ba chu kỳ mô phỏng-bù-thử trước khi hình dạng khuôn hội tụ về hình dạng bù chính xác.
• Tái khởi động sau biểu mẫu: Một trạm phục hồi chuyên dụng áp dụng tải đúc hoặc ủi cho các vùng dễ bị đàn hồi nhất của bộ phận - điển hình là các thành bên và mặt bích của các phần kênh - chuyển biến dạng đàn hồi bổ sung thành biến dạng dẻo và giảm độ đàn hồi có thể phục hồi. Lực tác động lại cho DP980 có thể đạt tới 150–200% lực tạo hình đối với cùng một hình dạng ở thép nhẹ, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn trọng tải máy ép.
• Vẽ tối ưu hóa hình học hạt: Lực cản của hạt kéo ngày càng tăng sẽ kéo vật liệu vượt quá điểm chảy dẻo của nó khi nó chảy qua hạt, khiến vật liệu ở trạng thái căng cao hơn khi kết thúc quá trình tạo hình. Độ căng cao hơn khi mở khuôn có nghĩa là khả năng phục hồi ứng suất chênh lệch ít hơn và độ đàn hồi đồng đều hơn, có thể dự đoán được dễ dàng hơn để bù về mặt hình học. Đối với AHSS, chiều cao và bán kính của hạt rút được điều chỉnh mạnh mẽ hơn so với thép nhẹ và việc tăng lực giữ phôi phải được tính đến khi lập kế hoạch công suất máy ép.

Cách AHSS tăng tốc độ mài mòn và thay đổi các yêu cầu về dụng cụ

Lực tạo hình cần thiết để làm biến dạng dẻo AHSS cao hơn từ hai đến bốn lần so với thép nhẹ có cùng độ dày và các lực nâng cao đó được truyền trực tiếp đến bề mặt khuôn dưới dạng áp suất tiếp xúc. Kết quả là sự mài mòn khuôn bị mài mòn tăng đáng kể — đặc biệt là trên bán kính kéo, bề mặt kết dính và cạnh cắt — giúp rút ngắn khoảng thời gian bảo trì và tăng tổng chi phí dụng cụ trên mỗi bộ phận được sản xuất. Khuôn dập các bộ phận dập ô tô bằng thép nhẹ có thể được mài lại sau 200.000–300.000 nét; hình dạng khuôn tương tự tạo thành DP780 có thể yêu cầu mài lại sau 80.000–120.000 hành trình nếu vật liệu khuôn và xử lý bề mặt không được nâng cấp để phù hợp với áp suất tiếp xúc cao hơn.

Chiến lược xử lý bề mặt và vật liệu dụng cụ cho các bộ phận dập ô tô AHSS khác với thực hành thép nhẹ ở một số điểm cụ thể. Bảng so sánh dưới đây tóm tắt những nâng cấp chính thường được áp dụng:

Galling - sự chuyển chất kết dính của vật liệu phôi lên bề mặt khuôn - là một dạng hư hỏng đặc biệt nguy hiểm khi hình thành AHSS mạ kẽm. Lớp phủ kẽm trên thép mạ kẽm DP hoặc TRIP dễ dàng chuyển sang bề mặt khuôn dưới áp suất tiếp xúc cao của quá trình tạo hình AHSS, và sự tích tụ kẽm tích lũy sau đó sẽ tạo ra các phần tiếp theo. Lớp phủ DLC (cacbon giống kim cương) đã chứng tỏ hiệu suất chống ăn mòn tốt nhất cho AHSS mạ kẽm vì năng lượng bề mặt cực thấp của DLC ức chế sự bám dính của kẽm, nhưng độ ổn định nhiệt độ hạn chế của DLC (sự xuống cấp bắt đầu trên 300°C) phải được quản lý bằng cách đảm bảo bôi trơn đầy đủ để giữ nhiệt độ bề mặt khuôn dưới ngưỡng này trong quá trình sản xuất.

Yêu cầu về lựa chọn máy ép và trọng tải cho các bộ phận dập ô tô AHSS

Lực tạo hình cần thiết cho các bộ phận dập ô tô AHSS có tác động trực tiếp và đáng kể đến việc lựa chọn máy ép. Lực đột bao hình cho một lần cắt chu vi nhất định tỷ lệ thuận với độ bền kéo cuối cùng của vật liệu, nghĩa là đột bao hình DP980 yêu cầu khoảng 2,5 lần trọng tải đột bao hình DC04 ở cùng độ dày và chu vi. Đối với một bộ phận ô tô có kết cấu lớn - thanh ray dọc bên ngoài trụ B hoặc sàn - chỉ riêng lực dập có thể đạt tới 800–1.200 tấn đối với DP980, cần có máy ép trong phạm vi 1.500–2.500 tấn kết hợp biên công suất bổ sung để tránh hoạt động ở mức cao nhất. Chạy máy ép liên tục ở mức 90% trọng tải định mức của nó với AHSS sẽ làm tăng độ mỏi của khung máy ép, độ mòn bu-lông kết nối và độ mòn ổ trục trục khuỷu ở mức mà lịch trình bảo trì được hiệu chỉnh cho sản xuất thép nhẹ sẽ không lường trước được.

Công nghệ máy ép servo đã mang lại những lợi thế đáng kể cho các bộ phận dập ô tô AHSS so với máy ép lệch tâm dẫn động bằng bánh đà thông thường. Khả năng lập trình các cấu hình chuyển động của ram tùy ý — thay vì tuân theo một đường cong hình sin cố định — cho phép máy ép servo làm chậm ram qua vùng tạo hình nơi lò xo hồi phục AHSS nhạy cảm nhất với tốc độ tạo hình, cải thiện tính nhất quán về kích thước. Nó cũng cho phép máy ép dừng ở điểm chết dưới trong một thời gian có thể lập trình, điều này đã được chứng minh là làm giảm độ đàn hồi trong AHSS từ 15–25% so với một bộ phận tương đương được tạo hình mà không dừng lại, bởi vì áp suất duy trì cho phép giảm ứng suất bổ sung trong hình dạng được tạo hình trước khi khuôn mở ra.

Tạo hình ép nóng: Một quy trình riêng biệt dành cho các bộ phận dập ô tô có độ bền cao nhất

Tạo hình ép nóng (HPF), còn được gọi là ép cứng hoặc dập nóng, thể hiện một phương pháp sản xuất khác biệt cơ bản đối với các bộ phận dập ô tô có độ bền cao nhất - những bộ phận yêu cầu độ bền kéo trên 1.000 MPa mà không thể đạt được thông qua tạo hình nguội mà không bị đàn hồi hoặc gãy xương nghiêm trọng. Trong quy trình HPF trực tiếp, phôi thép boron 22MnB5 được nung nóng đến khoảng 900–950°C (trên nhiệt độ austenitizing), chuyển sang khuôn làm mát bằng nước, được tạo hình trong điều kiện austenit mềm, sau đó được tôi trong khuôn kín ở tốc độ làm nguội được kiểm soát trên 27°C/giây để đạt được cấu trúc vi mô martensitic hoàn toàn với độ bền kéo 1.500–1.600 MPa ở sản phẩm hoàn thiện. một phần.

Những tác động đối với cơ sở hạ tầng sản xuất phụ tùng ô tô là rất đáng kể. HPF yêu cầu lò nung con lăn có khả năng gia nhiệt phôi đồng đều trong phạm vi ±10°C so với nhiệt độ austenit hóa mục tiêu, hệ thống chuyển phôi nóng từ lò sang máy ép trong thời gian dưới 7 giây để tránh giảm nhiệt độ quá mức, khuôn làm mát bằng nước với bố trí kênh làm mát được thiết kế chính xác để đạt được tốc độ tôi yêu cầu đồng đều trên toàn bộ bề mặt bộ phận và điều khiển ép duy trì áp suất đóng khuôn trong chu trình tôi — thường là 10–20 giây — thay vì mở ngay sau khi tạo hình. Khoản đầu tư vào cơ sở hạ tầng này cao hơn nhiều so với dây chuyền dập nguội thông thường có kích thước bộ phận tương đương, nhưng đây là quy trình duy nhất tạo ra các bộ phận có độ bền kéo 1.500 MPa một cách đáng tin cậy mà các cấu trúc an toàn phương tiện hiện đại yêu cầu ở những vị trí quan trọng bị xâm nhập.

Đối với các nhà sản xuất bộ phận dập ô tô đang trong quá trình chuyển đổi sang AHSS và HPF, thực tế vận hành quan trọng là kiến ​​thức vật liệu, khả năng mô phỏng, đầu tư dụng cụ và công nghệ ép đều phải cùng nhau phát triển. Nâng cấp một phần tử một cách riêng biệt — ví dụ: chuyển sang AHSS mà không nâng cấp vật liệu khuôn hoặc trọng tải máy ép — luôn tạo ra kết quả đáng thất vọng về tuổi thọ khuôn, chất lượng bộ phận và độ ổn định sản xuất. Các nhà sản xuất đã thành thạo việc sản xuất các bộ phận dập ô tô AHSS coi việc lựa chọn vật liệu, mô phỏng tạo hình, thiết kế khuôn dập, xử lý bề mặt và lập trình máy ép như một hệ thống kỹ thuật tích hợp thay vì một chuỗi các quyết định độc lập.