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汽車熱沖壓成型技術未來發展前景如何?

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汽車熱沖壓成型技術未來發展前景如何?

發布人:管理者   發布時間:2021-05-18

高強度零件的普及繼續推動市場對熱沖壓機的需求。


使用熱沖壓技術以減輕車輛重量,降低油耗和減少對環境的影響的沖壓制造商分為兩類?!笆紫?,有一些新來者被他們的OEM客戶強迫采用這項技術。其次,已經有熱沖壓的制造商面臨著巨大的零件價格壓力,因此需要提高生產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,但即使需要更長的循環時間和專用設備,熱沖壓仍可經濟地解決這些壓力,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。為了簡化熱沖壓的進一步采用,OEM必須縮短周期時間并進一步降低能耗。


成本壓力正在引導技術發展方向,并認為沖壓OEM必須降低成本。制造業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。另一個是確保零件質量的穩定性。


創新,變革


OEM已擴展了該技術,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.進行改進以更好地控制淬火過程,提高產量并提高效率


3.可以使用針對熱成型進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,為什么需要對其進行熱成型?


可以使用不同種類的鋁合金: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。這意味著要形成既堅固又能滿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,然后對其進行成形和淬火。經過人工老化過程后,它們將再次回到非常堅硬的狀態。

圖片

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


AP&T已開發出生產線熱戳鋁,結合開發并使用熱處理通過曝光技術(ITL)專利中,形成一個新的方法,和在模壓淬火(HFQ ?)。該生產線的開發是由英國政府的“先進制造業供應鏈計劃”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和伯明翰大學開發的,現已在LoCoLite中商業化,這是歐盟FP7 NMP項目,旨在使專利材料加工技術能夠用于交通運輸行業輕質結構的低成本成型(見圖1)。ITL和PAB Coventry的子公司CIPCO正在試用該過程。CIPCO將使用新的生產線為多家英國汽車制造商生產輕質零件,并繼續進行HFQ工藝的研發。LoCoLite項目已使用新方法生產了第一批原型,第一條生產線計劃于今年年初安裝。


新工藝允許通過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,這些是顯著的優勢。這些品質是汽車行業的主要興趣所在。


當前應用于硼鋼的熱沖壓工藝必須進行修改以適應鋁。


工藝路線本身是相同的:將材料加熱,成型并淬火?!暗?,有幾個差異。熱成型鋁需要額外的時效過程,才能達到所需的最終機械性能。在此過程中,物料處理完全不同。需要新的加熱技術,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,后處理可能會有所不同。生產的最終零件很可能不需要激光修整。


改善控制


在整個過程的各個階段中,熱沖壓都嚴格取決于時間和溫度。每個階段都需要以準確和可重復的方式控制不同的時間和溫度變量集。三個最關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來進行簡單數學運算,則很明顯需要嚴格的過程控制。一旦您加入挑戰以提高生產效率,就可以發揮創造力。


為了縮短整個熱沖壓過程,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沖壓機時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。經過優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時間。


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,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,努力集中在開發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現快速閉合。


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


通過控制硬化過程中的壓力,該技術有助于提高生產率和零件質量。靈活的床墊可將壓力均勻地施加到整個零件或幾個零件上。這將導致更快的冷卻和可靠的,優化的冶金轉變過程。冷卻時間是傳統方法的一半。


在四出模式下,每沖程有四個零件,壓模每年可在一條生產線上生產多達400萬個零件。


技術如何控制硬化過程中的壓力?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秒的時間窗口。在成型過程之后,壓力機將保壓狀態幾秒鐘。在此期間,零件被冷卻并硬化。確定高質量和短周期時間的關鍵因素是熱量從較熱部分到冷卻水的快速傳遞。該鏈中最薄弱的環節決定了速度。


零件冷卻時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生的。通過使用PCHflex緩沖墊和模具大大增加接觸壓力,優化冷卻通道,并根據零件選擇模具鋼,我們成功地進一步加快了傳熱過程,從而大大縮短了循環時間。


該技術旨在緩解模具和材料的波動,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間。


使用該技術不需要對模具進行額外的修改??梢栽谶@些生產線上使用現有的常規沖壓硬化模具,并且可以在常規生產線上使用針對該技術設計的模具。


伺服液壓機


制造商可以用來降低熱沖壓成本的一種新策略是使用伺服壓力機技術來降低能耗,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,無論是否需要力,泵電動機大部分時間都是在運轉。這種連續運轉的電動機需要能量,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,電動機僅在滑塊移動時才運行并消耗能量,因此其消耗比液壓機少30%。


模內二次加工


模具技術在接下來的幾年中將經歷巨大的進步,不斷發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激光切割執行的,但其中一些將在熱成型模具中同時進行。


減少能源消耗


熱沖壓技術正在發展以減少執行該技術所需的能量


與傳統的液壓機相比,舒勒的高效液壓成型(EHF?)方法有助于將生產設備的能耗降低多達60%。該技術的待機功能可確保在不需要時自動關閉主驅動器。系統可以繞過驅動器的常規啟動特性,因此即使是最短的中斷也不會浪費任何時間。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器,僅在實際需要時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,輔助功能會不規則地供電。該技術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使用排出的油來驅動單元來反饋到生產過程中,這些單元通過電動機來發電。


壓??梢酝ㄟ^使用自動和優化的快速換模方法來提高整體設備效率(OEE)。例如,在Tower Automotive的最新安裝準備在不到15分鐘的時間內進行模具更換。(見圖2)。

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圖2 

壓??梢允褂米詣雍蛢灮目焖贀Q模方法來提高其熱沖壓過程中的整體設備效率(OEE),就像塔塔汽車公司在密歇根州埃爾克頓的工廠一樣。一級供應商準備在不到15分鐘的時間內完成熱沖壓過程中的模具更換。


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隨著輕量化壓力的提高,熱成型技術將繼續發展。原始設備制造商預測,將來,熱沖壓的結構性車身零件的百分比可能會上升到30%至40%。


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


許多創新即將到來,包括更多的線下和線上發展。生產線的前端將變得更加靈活,以便可以將不同類型的零件組合在同一生產批次中。在生產線的末端,集成零件架而不是當前使用的手動系統將成為標準。除鋼以外,其他金屬的使用也會增加。目前,正在評估鋁熱成型的不同工藝;在接下來的一年,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,我們會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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