เหล็กความแข็งแรงสูงขั้นสูงเปลี่ยนการผลิตชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์ได้อย่างไร

เกรด AHSS ใดที่นำไปใช้จริง ชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์

เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูงไม่ใช่วัสดุชนิดเดียว แต่เป็นกลุ่มของระบบโลหะผสมที่แตกต่างกัน โดยแต่ละชนิดได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมด้วยกลไกโครงสร้างจุลภาคเฉพาะเพื่อให้ได้การผสมผสานระหว่างความแข็งแรงและความเหนียว การทำความเข้าใจว่าเกรดใดที่ปรากฏในการใช้งานชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์เป็นจุดเริ่มต้นในการทำความเข้าใจว่าเหตุใดวัสดุเหล่านี้จึงเปลี่ยนแปลงกระบวนการผลิตโดยพื้นฐาน เหล็กกล้าสองเฟส (DP) — ตระกูล AHSS ที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลายที่สุด — ประกอบด้วยเมทริกซ์เฟอร์ไรต์ที่มีเกาะมาร์เทนไซต์กระจายตัว ทำให้เกรดเช่น DP600, DP780 และ DP980 เป็นการผสมผสานระหว่างอัตราการชุบแข็งในเบื้องต้นที่สูงและการยืดตัวที่ดี ซึ่งเหมาะสมกับส่วนประกอบโครงสร้าง เช่น เสา B, คานขวางพื้น และราวหลังคา เหล็กกล้าพลาสติกที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลง (TRIP) ใช้ออสเทนไนต์คงตัวที่แพร่กระจายได้ ซึ่งจะเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์อย่างต่อเนื่องในระหว่างการขึ้นรูป ให้การดูดซับพลังงานที่ยอดเยี่ยม ซึ่งทำให้เหมาะสมสำหรับส่วนประกอบที่วิกฤตการชน เช่น รางตามยาวและการเสริมแรงกันชน เหล็กกล้ามาร์เทนซิติก (MS1300, MS1500) ถูกนำมาใช้โดยคำนึงถึงความแข็งแรงสูงสุดและข้อกำหนดด้านความสามารถในการขึ้นรูปมีไม่มาก การเสริมแผงโยกและคานทะลุประตูถือเป็นการใช้งานทั่วไป เหล็กกล้าที่ขึ้นรูปด้วยความร้อน (HPF) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง 22MnB5 ที่มีการเคลือบ AlSi จะถูกออสเทนไนต์ จากนั้นจึงขึ้นรูปและดับพร้อมกันในแม่พิมพ์ระบายความร้อน ทำให้เกิดความต้านทานแรงดึงเมื่อขึ้นรูปที่สูงกว่า 1,500 MPa ซึ่งไม่มีกระบวนการขึ้นรูปเย็นใดที่สามารถจับคู่กับชิ้นส่วนต่างๆ เช่น ด้านในของเสา A และการเสริมแรงของอุโมงค์

การเลือกเกรดที่จะใช้สำหรับชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์นั้นจะขึ้นอยู่กับตำแหน่งของชิ้นส่วนในโครงสร้างความปลอดภัยของยานพาหนะ พฤติกรรมการจัดการพลังงานการชนที่ต้องการ และความรุนแรงของการขึ้นรูปของรูปทรง ส่วนประกอบที่ต้องดูดซับพลังงานอย่างต่อเนื่องผ่านการพับแบบควบคุม — เช่น รางด้านหน้า — ได้ประโยชน์จากอัตราการชุบแข็งงานสูงของเหล็ก DP หรือ TRIP ในขณะที่ส่วนประกอบที่ต้องคงความแข็งแกร่งและต้านทานการบุกรุกภายใต้น้ำหนักบรรทุก — เช่น เสา B — อาจได้รับการประมวลผลที่ดีกว่าด้วยความแข็งแกร่งขั้นสุดของชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยความร้อน การเลือกเกรดเฉพาะการใช้งานนี้หมายความว่าตัวรถสีขาวเพียงตัวเดียวอาจรวมเกรด AHSS ที่แตกต่างกันห้าหรือหกเกรด โดยแต่ละเกรดผ่านกระบวนการเครื่องมือและเงื่อนไขการกดที่แตกต่างกัน

ความรุนแรงของการสปริงกลับและการชดเชยในชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์ของ AHSS

Springback เป็นความท้าทายด้านการผลิตที่เป็นผลสืบเนื่องมากที่สุดประการเดียวที่ AHSS นำมาใช้ในการผลิตชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์ และความเข้มงวดในวัสดุเหล่านี้นั้นยิ่งใหญ่กว่าสิ่งใด ๆ ที่เคยประสบกับเหล็กเหนียวหรือแม้แต่เกรดโลหะผสมต่ำที่มีความแข็งแรงสูงทั่วไป (HSLA) ทั่วไป สาเหตุพื้นฐานคือคุณลักษณะอัตราส่วนอัตราผลตอบแทนต่อแรงดึงที่สูงของ AHSS: DP980 มีความแข็งแรงของผลผลิตประมาณ 700–900 MPa และความต้านทานแรงดึงที่ 980 MPa ซึ่งให้อัตราส่วนผลผลิตที่ 0.71–0.92 เหล็กเหนียว DC04 มีอัตราผลตอบแทนประมาณ 0.45 เนื่องจากขนาดการสปริงกลับเป็นสัดส่วนกับอัตราส่วนของความแข็งแรงครากต่อโมดูลัสยืดหยุ่น (โมดูลัสของ Young สำหรับเหล็กจะอยู่ที่ประมาณ 210 GPa โดยไม่คำนึงถึงเกรด) และ AHSS มีความแข็งแรงของครากสูงกว่าเหล็กเหนียวสองถึงสี่เท่าที่โมดูลัสเดียวกัน ความเครียดยืดหยุ่นที่ฟื้นตัวหลังจากการเปิดแม่พิมพ์จะมีขนาดใหญ่กว่าตามสัดส่วนสองถึงสี่เท่า บนส่วนช่อง 90° ที่สร้างจาก DP980 การสปริงกลับเชิงมุม 10°–16° ที่ผนังด้านข้างเป็นเรื่องปกติก่อนการชดเชย เปรียบเทียบกับ 2°–4° สำหรับชิ้นส่วนเหล็กเหนียวที่เทียบเท่ากัน

กลยุทธ์การชดเชยที่ใช้ในทางปฏิบัติสำหรับชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์ของ AHSS มีความซับซ้อนมากกว่าการโค้งงอทางเรขาคณิตแบบธรรมดาที่เพียงพอสำหรับเหล็กเหนียว โดยทั่วไปจะมีสามแนวทางรวมกัน:

• การชดเชยทางเรขาคณิตตามแนวทางของ FEA: ซอฟต์แวร์จำลองการขึ้นรูป (AutoForm, Dynaform หรือ PAM-STAMP) ด้วยการ์ดวัสดุที่ปรับเทียบแล้วสำหรับเกรด AHSS ที่เฉพาะเจาะจง จะคาดการณ์การกระจายตัวของสปริงกลับบนพื้นผิวชิ้นส่วน จากนั้นรูปทรงของแม่พิมพ์จะถูกปรับเปลี่ยนไปในทิศทางตรงกันข้ามตามปริมาณการสปริงกลับที่คาดการณ์ไว้ — กระบวนการที่เรียกว่าการชดเชยของแม่พิมพ์ — เพื่อให้ชิ้นส่วนสปริงกลับไปสู่รูปทรงที่ระบุหลังจากเปิดเครื่องมือ สำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างยานยนต์ที่ซับซ้อน โดยทั่วไปกระบวนการนี้ต้องใช้รอบการจำลอง-การชดเชย-การทดลองสองหรือสามรอบก่อนที่รูปทรงของแม่พิมพ์จะบรรจบกันเป็นรูปร่างที่ได้รับการชดเชยที่ถูกต้อง
• การหยุดงานหลังฟอร์ม: สถานีควบคุมเฉพาะจะใช้การหยอดเหรียญหรือรีดผ้าในบริเวณที่เสี่ยงต่อการสปริงตัวมากที่สุดของชิ้นส่วน — โดยทั่วไปจะเป็นผนังด้านข้างและหน้าแปลนของส่วนช่อง — แปลงความเค้นยืดหยุ่นเพิ่มเติมเป็นความเครียดพลาสติก และลดการสปริงกลับที่สามารถคืนสภาพได้ แรงกดทับสำหรับ DP980 สามารถเข้าถึงแรงขึ้นรูปได้ 150–200% สำหรับรูปทรงเดียวกันในเหล็กเหนียว ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อการเลือกน้ำหนักกด
• การเพิ่มประสิทธิภาพเรขาคณิตของการวาดลูกปัด: การเพิ่มแรงยึดเม็ดบีดดึงวัสดุจะยืดออกเกินจุดครากขณะที่มันไหลผ่านเม็ดบีด ปล่อยให้อยู่ในสภาวะแรงดึงที่สูงขึ้นเมื่อสิ้นสุดการขึ้นรูป ความตึงที่สูงขึ้นที่การเปิดแม่พิมพ์หมายถึงการฟื้นตัวของความเครียดที่แตกต่างกันน้อยลง และคาดการณ์ได้มากขึ้น การสปริงกลับที่สม่ำเสมอมากขึ้น ซึ่งชดเชยทางเรขาคณิตได้ง่ายขึ้น สำหรับ AHSS ความสูงและรัศมีของเม็ดมีดที่ดึงจะถูกปรับให้เข้มงวดมากกว่าเหล็กเหนียว และผลที่เพิ่มขึ้นของแรงจับยึดเปล่าจะต้องนำมาพิจารณาในการวางแผนกำลังการผลิตการกดด้วย

AHSS เร่งการสึกหรอของแม่พิมพ์และเปลี่ยนแปลงข้อกำหนดด้านเครื่องมือได้อย่างไร

แรงขึ้นรูปที่จำเป็นในการเปลี่ยนรูป AHSS แบบพลาสติกนั้นสูงกว่าแรงกดสัมผัสสำหรับเหล็กเหนียวที่มีความหนาเท่ากันสองถึงสี่เท่า และแรงที่เพิ่มขึ้นเหล่านั้นจะถูกส่งโดยตรงไปยังพื้นผิวแม่พิมพ์เป็นแรงดันสัมผัส ผลลัพธ์ที่ได้คือการเร่งความเร็วอย่างมีนัยสำคัญในการสึกหรอของแม่พิมพ์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อน โดยเฉพาะในรัศมีการดึง พื้นผิวของสารยึดเกาะ และคมตัด ซึ่งทำให้ระยะเวลาการบำรุงรักษาสั้นลง และเพิ่มต้นทุนเครื่องมือทั้งหมดต่อชิ้นส่วนที่ผลิต ชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์ที่ทำจากเหล็กเหนียวอาจเจียรใหม่หลังจาก 200,000–300,000 จังหวะ; รูปทรงแม่พิมพ์เดียวกันที่ขึ้นรูป DP780 อาจต้องลับคมหลังจาก 80,000–120,000 จังหวะ หากวัสดุแม่พิมพ์และการรักษาพื้นผิวไม่ได้รับการอัพเกรดเพื่อให้ตรงกับแรงกดสัมผัสที่สูงขึ้น

วัสดุเครื่องมือและกลยุทธ์การรักษาพื้นผิวสำหรับชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์ของ AHSS แตกต่างจากการใช้เหล็กเหนียวในลักษณะเฉพาะหลายประการ การเปรียบเทียบด้านล่างนี้สรุปการอัปเกรดหลักที่ใช้โดยทั่วไป:

การกะเทาะ — การถ่ายเทกาวของวัสดุชิ้นงานลงบนพื้นผิวแม่พิมพ์ — ถือเป็นโหมดความล้มเหลวที่สร้างความเสียหายอย่างยิ่งเมื่อขึ้นรูป AHSS ที่เคลือบด้วยสังกะสี การเคลือบสังกะสีบนเหล็กชุบสังกะสี DP หรือ TRIP จะถ่ายโอนไปยังพื้นผิวแม่พิมพ์ได้อย่างง่ายดายภายใต้แรงกดสัมผัสสูงของการขึ้นรูป AHSS จากนั้นการสะสมของสังกะสีจะสะสมคะแนนส่วนต่อๆ ไป การเคลือบ DLC (คาร์บอนคล้ายเพชร) แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการต้านทานการขูดขีดที่ดีที่สุดสำหรับ AHSS ที่เคลือบด้วยสังกะสี เนื่องจากพลังงานพื้นผิวที่ต่ำมากของ DLC ยับยั้งการยึดเกาะของสังกะสี แต่ความเสถียรของอุณหภูมิที่จำกัดของ DLC (การย่อยสลายเริ่มต้นที่ 300°C) จะต้องได้รับการจัดการโดยให้แน่ใจว่ามีการหล่อลื่นที่เพียงพอเพื่อรักษาอุณหภูมิพื้นผิวแม่พิมพ์ให้ต่ำกว่าเกณฑ์นี้ในระหว่างการผลิต

ข้อกำหนดการเลือกแท่นพิมพ์และน้ำหนักสำหรับชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์ของ AHSS

แรงขึ้นรูปที่จำเป็นสำหรับชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์ของ AHSS มีผลกระทบโดยตรงต่อการเลือกแรงกดอย่างมีนัยสำคัญ แรงตัดเฉือนสำหรับการตัดเส้นรอบวงที่กำหนดจะเป็นสัดส่วนกับความต้านทานแรงดึงสูงสุดของวัสดุ ซึ่งหมายความว่าการกลึงตัด DP980 ต้องใช้น้ำหนักประมาณ 2.5 เท่าของการกลึงตัด DC04 ที่ความหนาและเส้นรอบวงเท่ากัน สำหรับชิ้นส่วนยานยนต์ที่มีโครงสร้างขนาดใหญ่ - เสา B ด้านนอกหรือรางตามยาวของพื้น - แรงสกัดเพียงอย่างเดียวสามารถเข้าถึง 800–1,200 ตันสำหรับ DP980 ซึ่งจำเป็นต้องมีการอัดในช่วง 1,500–2,500 ตันที่รวมอัตรากำลังการผลิตเพิ่มเติมเพื่อหลีกเลี่ยงการทำงานที่พิกัดสูงสุด การกดอย่างสม่ำเสมอที่ 90% ของน้ำหนักที่กำหนดด้วย AHSS จะช่วยเร่งความล้าของเฟรมการกด การสึกหรอของสลักเกลียวเชื่อมต่อ และการสึกหรอของแบริ่งเพลาข้อเหวี่ยงในอัตราที่ตารางการบำรุงรักษาซึ่งปรับเทียบกับการผลิตเหล็กเหนียวนั้นเป็นสิ่งที่ไม่คาดคิด

เทคโนโลยีการปั๊มเซอร์โวได้มอบข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์ AHSS เหนือการอัดเยื้องศูนย์ที่ขับเคลื่อนด้วยมู่เล่ทั่วไป ความสามารถในการตั้งโปรแกรมโปรไฟล์การเคลื่อนที่ของ ram แบบกำหนดเอง — แทนที่จะทำตามเส้นโค้งไซน์ซอยด์คงที่ — ช่วยให้เซอร์โวกดเพื่อชะลอความเร็วของ ram ผ่านโซนการขึ้นรูป โดยที่ AHSS springback มีความไวต่อความเร็วในการขึ้นรูปมากที่สุด ซึ่งช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอของมิติ นอกจากนี้ยังช่วยให้การกดค้างที่จุดศูนย์กลางตายด้านล่างเป็นเวลาที่ตั้งโปรแกรมได้ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสามารถลดการสปริงกลับใน AHSS ได้ 15–25% เมื่อเทียบกับส่วนที่เท่ากันซึ่งก่อตัวขึ้นโดยไม่มีการคงตัว เนื่องจากแรงดันที่คงอยู่ช่วยให้ผ่อนคลายความเครียดเพิ่มเติมในรูปทรงที่ขึ้นรูปก่อนที่แม่พิมพ์จะเปิดขึ้น

การขึ้นรูปด้วยความร้อน: กระบวนการแยกต่างหากสำหรับชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์ที่มีความแข็งแรงสูงที่สุด

การขึ้นรูปด้วยการกดร้อน (HPF) หรือที่เรียกว่าการอัดแข็งหรือการปั๊มร้อน แสดงถึงวิธีการผลิตที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานสำหรับชิ้นส่วนการปั๊มขึ้นรูปยานยนต์ที่มีความแข็งแรงสูงที่สุด ซึ่งต้องใช้ความต้านทานแรงดึงมากกว่า 1,000 MPa ซึ่งไม่สามารถทำได้ผ่านการขึ้นรูปเย็นโดยไม่เกิดการกระเด้งกลับหรือการแตกหักอย่างรุนแรง ในกระบวนการ HPF โดยตรง เหล็กโบรอน 22MnB5 ที่ว่างเปล่าจะถูกให้ความร้อนที่ประมาณ 900–950°C (สูงกว่าอุณหภูมิออสเทนไนซ์) จากนั้นจะถูกถ่ายโอนไปยังแม่พิมพ์ระบายความร้อนด้วยน้ำ ซึ่งก่อตัวในสภาวะออสเทนนิติกแบบอ่อน จากนั้นจึงดับลงในแม่พิมพ์แบบปิดด้วยอัตราการทำความเย็นที่ควบคุมได้สูงกว่า 27°C/วินาที เพื่อให้ได้โครงสร้างจุลภาคมาร์เทนซิติกเต็มรูปแบบที่มีความต้านทานแรงดึง 1,500–1,600 MPa ในส่วนสำเร็จรูป

ผลกระทบต่อโครงสร้างพื้นฐานการผลิตชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์มีความสำคัญมาก HPF ต้องใช้เตาหลอมแบบลูกกลิ้งที่สามารถทำความร้อนช่องว่างได้อย่างสม่ำเสมอภายใน ±10°C ของอุณหภูมิออสเทนไนซ์เป้าหมาย ระบบถ่ายโอนที่เคลื่อนย้ายช่องว่างร้อนจากเตาไปกดภายในเวลาไม่ถึง 7 วินาทีเพื่อป้องกันอุณหภูมิลดลงมากเกินไป แม่พิมพ์ระบายความร้อนด้วยน้ำพร้อมโครงร่างช่องระบายความร้อนที่ออกแบบมาอย่างแม่นยำ ที่ให้อัตราการดับที่ต้องการอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นผิวชิ้นส่วน และตัวควบคุมการกดที่รักษาความดันการปิดแม่พิมพ์ในระหว่างรอบการดับ — โดยทั่วไปคือ 10–20 วินาที — แทนที่จะเปิดทันทีหลังจากการขึ้นรูป การลงทุนในโครงสร้างพื้นฐานนี้เป็นลำดับความสำคัญที่สูงกว่าสายการผลิตปั๊มเย็นทั่วไปที่มีขนาดชิ้นส่วนเท่ากัน แต่เป็นกระบวนการเดียวที่สามารถผลิตชิ้นส่วนความต้านทานแรงดึง 1,500 MPa ได้อย่างน่าเชื่อถือ ซึ่งโครงสร้างความปลอดภัยของยานพาหนะสมัยใหม่ต้องการในตำแหน่งที่เกิดการบุกรุกที่สำคัญ

สำหรับผู้ผลิตชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์ที่เปลี่ยนมาใช้ AHSS และ HPF ความเป็นจริงในการดำเนินงานที่สำคัญคือความรู้ด้านวัสดุ ความสามารถในการจำลอง การลงทุนด้านเครื่องมือ และเทคโนโลยีการปั๊มจะต้องก้าวหน้าไปพร้อมกัน การอัพเกรดองค์ประกอบเดียวแบบแยกเดี่ยว เช่น การเปลี่ยนมาใช้ AHSS โดยไม่ต้องอัพเกรดวัสดุแม่พิมพ์หรือน้ำหนักกด ทำให้เกิดผลลัพธ์ที่น่าผิดหวังอย่างต่อเนื่องในด้านอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ คุณภาพของชิ้นส่วน และความเสถียรในการผลิต ผู้ผลิตที่เชี่ยวชาญการผลิตชิ้นส่วนปั๊มขึ้นรูปยานยนต์ของ AHSS ปฏิบัติต่อการเลือกวัสดุ การจำลองการขึ้นรูป การออกแบบแม่พิมพ์ การรักษาพื้นผิว และการเขียนโปรแกรมการกดในฐานะระบบวิศวกรรมแบบบูรณาการ แทนที่จะเป็นลำดับการตัดสินใจที่เป็นอิสระ