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汽車(chē)熱沖壓成型技術(shù)未來(lái)發(fā)展前景如何?

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汽車(chē)熱沖壓成型技術(shù)未來(lái)發(fā)展前景如何?

發(fā)布人:管理者   發(fā)布時(shí)間:2021-05-18

高強度零件的普及繼續推動(dòng)市場(chǎng)對熱沖壓機的需求。


使用熱沖壓技術(shù)以減輕車(chē)輛重量,降低油耗和減少對環(huán)境的影響的沖壓制造商分為兩類(lèi)?!笆紫?,有一些新來(lái)者被他們的OEM客戶(hù)強迫采用這項技術(shù)。其次,已經(jīng)有熱沖壓的制造商面臨著(zhù)巨大的零件價(jià)格壓力,因此需要提高生產(chǎn)率和降低自身制造成本的方法。


盡管與傳統沖壓相比,其資本成本仍然很高,但即使需要更長(cháng)的循環(huán)時(shí)間和專(zhuān)用設備,熱沖壓仍可經(jīng)濟地解決這些壓力,因為熱沖壓能夠使壓模成型更加輕巧、堅固、復雜且尺寸大的一步就能穩定零件。為了簡(jiǎn)化熱沖壓的進(jìn)一步采用,OEM必須縮短周期時(shí)間并進(jìn)一步降低能耗。


成本壓力正在引導技術(shù)發(fā)展方向,并認為沖壓OEM必須降低成本。制造業(yè)面臨的挑戰是降低熱沖壓的成本,因為它仍然被認為是昂貴的工藝。另一個(gè)是確保零件質(zhì)量的穩定性。


創(chuàng )新,變革


OEM已擴展了該技術(shù),以幫助應對壓模的挑戰:


1.用于形成除硼鋼以外的材料(例如鋁和鎂)的熱沖壓


2.進(jìn)行改進(jìn)以更好地控制淬火過(guò)程,提高產(chǎn)量并提高效率


3.可以使用針對熱成型進(jìn)行了修改的伺服機械壓力機或液壓壓力機


模內二次加工


鋁,非鐵素體金屬


一項新的發(fā)展是熱沖壓非鐵素體金屬,特別是高強度鋁合金??紤]到鋁被認為是一種軟金屬,為什么需要對其進(jìn)行熱成型?


可以使用不同種類(lèi)的鋁合金:低強度合金(2xxx)和高強度合金(6xxx和7xxx)。對于復雜形狀的零件,柔軟或低強度的零件顯示出很好的可成型性。但是,結構部件通常具有難以沖壓的幾何形狀。這意味著(zhù)要形成既堅固又能滿(mǎn)足安全要求且重量輕的組件,則需要使用高強度的材料。因此,出于與形成高強度鋼相同的原因,需要熱成形來(lái)形成高強度鋁。


為了使這些材料可成形,您需要將它們加熱到所謂的溶解溫度,然后對其進(jìn)行成形和淬火。經(jīng)過(guò)人工老化過(guò)程后,它們將再次回到非常堅硬的狀態(tài)。

圖片

圖1 作為歐洲資助的名為L(cháng)oCoLite的研究項目的一部分,使用AP&T的HFQ?技術(shù)對鋁部件進(jìn)行了熱成型。圖片由瑞典烏爾里瑟港AP&T提供。


AP&T已開(kāi)發(fā)出生產(chǎn)線(xiàn)熱戳鋁,結合開(kāi)發(fā)并使用熱處理通過(guò)曝光技術(shù)(ITL)專(zhuān)利中,形成一個(gè)新的方法,和在模壓淬火(HFQ ?)。該生產(chǎn)線(xiàn)的開(kāi)發(fā)是由英國政府的“先進(jìn)制造業(yè)供應鏈計劃”支持的多組織合作的一部分。HFQ方法是在倫敦帝國理工大學(xué)和伯明翰大學(xué)開(kāi)發(fā)的,現已在LoCoLite中商業(yè)化,這是歐盟FP7 NMP項目,旨在使專(zhuān)利材料加工技術(shù)能夠用于交通運輸行業(yè)輕質(zhì)結構的低成本成型(見(jiàn)圖1)。ITL和PAB Coventry的子公司CIPCO正在試用該過(guò)程。CIPCO將使用新的生產(chǎn)線(xiàn)為多家英國汽車(chē)制造商生產(chǎn)輕質(zhì)零件,并繼續進(jìn)行HFQ工藝的研發(fā)。LoCoLite項目已使用新方法生產(chǎn)了第一批原型,第一條生產(chǎn)線(xiàn)計劃于今年年初安裝。


新工藝允許通過(guò)提高可成形性將高強度鋁合金制成復雜的幾何形狀。結果,可以產(chǎn)生更銳利的彎曲半徑。此外,它幾乎消除了回彈?!芭c傳統的沖壓工藝相比,這些是顯著(zhù)的優(yōu)勢。這些品質(zhì)是汽車(chē)行業(yè)的主要興趣所在。


當前應用于硼鋼的熱沖壓工藝必須進(jìn)行修改以適應鋁。


工藝路線(xiàn)本身是相同的:將材料加熱,成型并淬火?!暗?,有幾個(gè)差異。熱成型鋁需要額外的時(shí)效過(guò)程,才能達到所需的最終機械性能。在此過(guò)程中,物料處理完全不同。需要新的加熱技術(shù),需要潤滑,就必須使用新的工具概念,包括工具材料和涂層。需要更快的壓力機和更低的壓力噸位。此外,后處理可能會(huì )有所不同。生產(chǎn)的最終零件很可能不需要激光修整。


改善控制


在整個(gè)過(guò)程的各個(gè)階段中,熱沖壓都嚴格取決于時(shí)間和溫度。每個(gè)階段都需要以準確和可重復的方式控制不同的時(shí)間和溫度變量集。三個(gè)最關(guān)鍵的階段是奧氏體化,轉移和馬氏體轉變。如果用變量數乘以3來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單數學(xué)運算,則很明顯需要嚴格的過(guò)程控制。一旦您加入挑戰以提高生產(chǎn)效率,就可以發(fā)揮創(chuàng )造力。


為了縮短整個(gè)熱沖壓過(guò)程,壓模需要極高的沖壓速度和高速傳輸系統,以在零件從熱源傳遞到?jīng)_壓機時(shí)最大程度地減少零件的空氣冷卻。甚至模具設計也可以增加工作量。普通硼鋼要求的最低冷卻速度為每秒27至30攝氏度,甚至越快越好。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的模具可以以每秒100攝氏度的速度冷卻,從而大大減少了循環(huán)時(shí)間。


因為奧氏體零件可以以每秒12到20攝氏度的速度快速冷卻。當暴露在空氣中時(shí),更快的轉移和更短的壓制周期很重要。在轉移期間最大程度地減少熱損失并關(guān)閉壓機,還可以將需要加熱的溫度降至馬氏體起始溫度以上以補償損失。這不僅提高了轉移和壓榨階段的效率,而且還提高了加熱階段的效率。因此,努力集中在開(kāi)發(fā)可與壓力機相鄰的靈活而快速的傳送系統,以最大程度地減少傳送距離并提高壓力機的沖壓速度以實(shí)現快速閉合。


舒勒推出了壓力控制淬火技術(shù),叫做PCH ?彎曲。它的目的是比以前更經(jīng)濟地生產(chǎn)具有更高產(chǎn)量,更好質(zhì)量和可靠性的熱沖壓零件。


通過(guò)控制硬化過(guò)程中的壓力,該技術(shù)有助于提高生產(chǎn)率和零件質(zhì)量。靈活的床墊可將壓力均勻地施加到整個(gè)零件或幾個(gè)零件上。這將導致更快的冷卻和可靠的,優(yōu)化的冶金轉變過(guò)程。冷卻時(shí)間是傳統方法的一半。


在四出模式下,每沖程有四個(gè)零件,壓模每年可在一條生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)多達400萬(wàn)個(gè)零件。


技術(shù)如何控制硬化過(guò)程中的壓力?在爐中加熱到930攝氏度的溫度后,必須將坯料盡快送入壓機,以防止空氣快速冷卻。只有10到12秒的時(shí)間窗口。在成型過(guò)程之后,壓力機將保壓狀態(tài)幾秒鐘。在此期間,零件被冷卻并硬化。確定高質(zhì)量和短周期時(shí)間的關(guān)鍵因素是熱量從較熱部分到冷卻水的快速傳遞。該鏈中最薄弱的環(huán)節決定了速度。


零件冷卻時(shí)間的決定因素包括傳遞的能量,該能量在很大程度上取決于毛坯的厚度,以及毛坯和模具之間的熱傳遞。其他因素是模具的導熱性和能量耗散,例如冷卻通道的數量,冷卻介質(zhì)的溫度以及冷卻通道中的流量。一般規則是,接觸壓力越高,傳熱越快,冷卻時(shí)間越短,性能也越好。


通常,這種接觸壓力是由模具中的彈簧組件,氮氣彈簧或液壓缸產(chǎn)生的。通過(guò)使用PCHflex緩沖墊和模具大大增加接觸壓力,優(yōu)化冷卻通道,并根據零件選擇模具鋼,我們成功地進(jìn)一步加快了傳熱過(guò)程,從而大大縮短了循環(huán)時(shí)間。


該技術(shù)旨在緩解模具和材料的波動(dòng),因為它可以補償變化的公差和板材厚度。減少了因必須重新加工模具而造成的報廢和停機時(shí)間。


使用該技術(shù)不需要對模具進(jìn)行額外的修改??梢栽谶@些生產(chǎn)線(xiàn)上使用現有的常規沖壓硬化模具,并且可以在常規生產(chǎn)線(xiàn)上使用針對該技術(shù)設計的模具。


伺服液壓機


制造商可以用來(lái)降低熱沖壓成本的一種新策略是使用伺服壓力機技術(shù)來(lái)降低能耗,從而降低成本和碳排放。液壓機具有一些能源效率漏洞,在液壓機中,無(wú)論是否需要力,泵電動(dòng)機大部分時(shí)間都是在運轉。這種連續運轉的電動(dòng)機需要能量,在常規配置中,其能量高達安裝功率的30%。相反,在伺服機械壓力機中,電動(dòng)機僅在滑塊移動(dòng)時(shí)才運行并消耗能量,因此其消耗比液壓機少30%。


模內二次加工


模具技術(shù)在接下來(lái)的幾年中將經(jīng)歷巨大的進(jìn)步,不斷發(fā)展以消除或減少零件的后加工,例如切割,穿孔和沖壓。目前這些次要工序是通過(guò)激光切割執行的,但其中一些將在熱成型模具中同時(shí)進(jìn)行。


減少能源消耗


熱沖壓技術(shù)正在發(fā)展以減少執行該技術(shù)所需的能量


與傳統的液壓機相比,舒勒的高效液壓成型(EHF?)方法有助于將生產(chǎn)設備的能耗降低多達60%。該技術(shù)的待機功能可確保在不需要時(shí)自動(dòng)關(guān)閉主驅動(dòng)器。系統可以繞過(guò)驅動(dòng)器的常規啟動(dòng)特性,因此即使是最短的中斷也不會(huì )浪費任何時(shí)間。這不僅減少了能耗,而且減少了噪聲排放。


取力器的速度控制還可以降低能耗。壓力機通常以恒定速度運行。結果是頻繁的空轉和不必要的能耗。舒勒的EHF使用智能的速度控制驅動(dòng)器,僅在實(shí)際需要時(shí)才為輔助功能提供能量。這有效地最小化了空轉損耗。根據機器的當前狀態(tài),輔助功能會(huì )不規則地供電。該技術(shù)還具有較低的冷卻需求。主回路中的控制閥已取消,其功能已由伺服泵接管??紤]到適用的安全法規,將主電路中的組件數量減少到最少。

在快速下降沖程中,滑塊的勢能和壓縮油中存儲的能量通過(guò)使用排出的油來(lái)驅動(dòng)單元來(lái)反饋到生產(chǎn)過(guò)程中,這些單元通過(guò)電動(dòng)機來(lái)發(fā)電。


壓??梢酝ㄟ^(guò)使用自動(dòng)和優(yōu)化的快速換模方法來(lái)提高整體設備效率(OEE)。例如,在Tower Automotive的最新安裝準備在不到15分鐘的時(shí)間內進(jìn)行模具更換。(見(jiàn)圖2)。

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圖2 

壓??梢允褂米詣?dòng)和優(yōu)化的快速換模方法來(lái)提高其熱沖壓過(guò)程中的整體設備效率(OEE),就像塔塔汽車(chē)公司在密歇根州埃爾克頓的工廠(chǎng)一樣。一級供應商準備在不到15分鐘的時(shí)間內完成熱沖壓過(guò)程中的模具更換。


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隨著(zhù)輕量化壓力的提高,熱成型技術(shù)將繼續發(fā)展。原始設備制造商預測,將來(lái),熱沖壓的結構性車(chē)身零件的百分比可能會(huì )上升到30%至40%。


由于全球對改善乘客保護的需求不斷增長(cháng),以及減少二氧化碳排放的需求,預計需求將在未來(lái)幾年內增長(cháng)。大眾汽車(chē)越來(lái)越多地使用熱壓零件,以證明該技術(shù)正在逐漸普及。市場(chǎng)上的每輛新車(chē)都比以前的車(chē)型具有更多的熱壓零件。憑借最新的高爾夫模型,大眾汽車(chē)首次扭轉了增加重量的螺旋式運動(dòng)。


許多創(chuàng )新即將到來(lái),包括更多的線(xiàn)下和線(xiàn)上發(fā)展。生產(chǎn)線(xiàn)的前端將變得更加靈活,以便可以將不同類(lèi)型的零件組合在同一生產(chǎn)批次中。在生產(chǎn)線(xiàn)的末端,集成零件架而不是當前使用的手動(dòng)系統將成為標準。除鋼以外,其他金屬的使用也會(huì )增加。目前,正在評估鋁熱成型的不同工藝;在接下來(lái)的一年,它將被標準化,并且在許多情況下,它將成為鋼制零件的真正替代品。


將來(lái),我們會(huì )看到強大的混合材料,其中包括碳纖維復合材料和鎂,或者一種特定材料(如鋁)。

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