Инновационные методы формирования для производства легких структурных компонентов

Растущий спрос на легкие структурные компоненты

В аэрокосмической, автомобильной и строительной отраслях давление на снижение веса при сохранении прочности никогда не было большим. Более строгие правила выбросов, более высокие затраты на топливо и толчок для электромобилей требуют компонентов, которые теряют все возможные граммы. В то же время безопасность и долговечность не могут быть скомпрометированы. Это двойное требование привело к интенсивным исследованиям методов формирования, которые могут производить более легкие, прочные и более эффективные структурные части. Инновации в металлоформлении - некоторые строятся на вековых методах, другие используют совершенно новую физику - позволяют инженерам достигать геометрии и свойств материала, которые ранее были недоступны.

В этой статье рассматривается эволюция от традиционного формирования до новых передовых методов, подробно описывается, как работает каждая техника, ее преимущества и где она применяется сегодня. Понимая эти инновации, инженеры-конструкторы и специалисты по производству могут принимать обоснованные решения о том, какие процессы наилучшим образом соответствуют их легким структурным потребностям.

Традиционные методы формирования и их ограничения

В течение десятилетий основой производства структурных компонентов были ковка, литье, штамповка и изгиб. Хотя эти методы хорошо изучены и широко распространены, они накладывают неотъемлемые ограничения, когда цель состоит в том, чтобы минимизировать вес при максимизации прочности.

• Ковка производит плотные, прочные детали путем молотка или прессования металла, но часто требует массивных штампов и значительного ввода энергии. Сложные полые геометрии трудно достичь без вторичной обработки, добавления затрат и материальных отходов.
• Кастирование позволяет создавать формы, близкие к сетке, но может вносить пористость или микроструктурные дефекты, которые снижают конструктивные характеристики. Толщина стенок должна быть относительно толстой, чтобы обеспечить заполнение формы, увеличивая вес детали.
• Штамповка является быстрой и недорогой для производства больших объемов, но она генерирует значительный лом - до 40% в некоторых операциях заготовки - и ограничена по глубине и сложности форм, которые она может производить без расщепления или морщинивания.
• Изгиб и формирование крена эффективны для простых профилей, но борются с плотными радиусами и переменными поперечными сечениями. Изменения толинга дороги и трудоемки.

Все эти методы также несут высокие тепловые или механические нагрузки, которые могут повлиять на свойства материала.Поскольку легкие материалы, такие как высокопрочный алюминий, магний и передовые высокопрочные стали (AHSS), становятся более распространенными, эти традиционные процессы часто не имеют точности и мягкости, необходимых для их формирования без трещин или возврата.

Новые инновационные методы формирования

Недавние прорывы дали производителям набор новых способов формирования металлов с меньшим количеством материала, меньшей энергией и большей свободой проектирования. Эти методы часто используют гидравлическое давление, электромагнитные поля или контролируемую температуру для достижения того, что когда-то было невозможно. Ниже приведены пять самых эффективных инноваций.

гидроформирующий

Гидроформирование использует жидкость высокого давления (обычно воду, смешанную с растворимым маслом) для прижатия металлического заготовки к патрубку. Существуют два основных варианта: гидроформирование листа, где резиновая диафрагма или прямое давление жидкости вынуждает лист в односторонний кристалл, и гидроформирование трубки, где полые трубки расширяются в сложные поперечные сечения под внутренним давлением. Результатом является компонент с отличной точностью размеров, минимальным истончением и практически отсутствием сварных линий, потому что многие части могут быть сделаны из одной трубки.

По сравнению с штамповкой гидроформирование снижает стоимость оснастки, потому что требуется только одна половина штамповки. Это также устраняет несколько этапов формирования и связанную с ними обработку. Автомобильные подкадры, выпускные коллекторы и аэрокосмические топливные баки являются общими приложениями. Процесс может образовывать материалы, такие как алюминий, нержавеющая сталь и даже титан с диаметрами до 200 мм. Статья 2022 года в Инженерное производство подчеркивает, как гидроформирование в настоящее время способствует облегчению конструкций шасси, которые уменьшают массу транспортного средства на 15-20% по сравнению со сварными сборками.

Инкрементальное формирование листового металла (ISMF)

ISMF деформирует листовой металл локально с помощью небольшого, управляемого компьютером инструмента, который движется по заранее определенному пути. Каждый шаг слегка отодвигает лист, постепенно создавая окончательную форму без выделенного штампа. Этот подход идеально подходит для производства малообъемных, прототипирования и пользовательских деталей, где традиционные штамповочные штампы будут чрезмерно дорогими.

Инструмент может быть простым полусферическим наконечником, а лист удерживается в зажимной раме. Одноточечное инкрементальное формирование (SPIF) и двухточечное инкрементальное формирование (TPIF) являются распространенными вариантами. ISMF предлагает исключительную гибкость - возможны сложные геометрии, переменная толщина и такие функции, как ребра и ямочки. Поскольку инструмент перемещается по поверхности несколько раз, материал испытывает постепенное напряжение, снижая риск разрушения даже в менее пластичных сплавах.

Исследования, проведенные в журнале производственных процессов (FLT:0:1) (2023), показывают, что ISMF может образовывать 7075-T6 алюминий, общеизвестно трудно формируемый аэрокосмический сплав, в легкие структурные панели без предварительного нагрева. Однако скорость производства остается ограничением - ISMF обычно на порядок медленнее, чем штамповка.

Суперпластическое образование (SPF)

Некоторые сплавы, в частности титан 6Al-4V и некоторые алюминиевые сорта, демонстрируют сверхпластичность: они могут растягиваться до нескольких сотен процентов от их первоначальной длины до шеи или перелома при формировании при повышенных температурах (обычно выше половины их температуры плавления) и при медленных скоростях деформации. Суперпластичное образование использует это поведение для создания глубоких, подробных форм в одной операции с использованием газа низкого давления для выдувания листа в женский штамп.

Преимущества убедительны: форма ближнего сетки без рессорного хода, отличная отделка поверхности и способность формировать сложные функции, такие как жесткие ребра, шуршания и сложные кривые. Экономия веса происходит от устранения крепежных элементов и заклепок - панели, которые ранее требовали нескольких частей, теперь могут быть сделаны как одна монолитная структура. Например, гондолы авиационного двигателя и передние края крыла обычно SPF-образные, экономя 20-30% веса клепаной сборки.

Подробный обзор, опубликованный в журнале International Journal of Advanced Manufacturing Technology, отмечает, что SPF-инструменты (обычно керамические или термостойкие стали) являются дорогостоящими, а время цикла может быть длительным (часто 30–60 минут на деталь).

Электромагнитное образование (EMF)

ЭМП использует сильное импульсное магнитное поле для прикладывания сил непосредственно к заготовке без механического контакта. Банк конденсатора разряжается через формирующую катушку, генерируя переходное магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи в металле. Полученные силы Лоренца ускоряют лист или трубку против кристалла со скоростью до 300 м/с, образуя деталь в микросекундах.

Процесс исключительно чистый - нет смазки, нет жидкости, нет меток инструмента. Он лучше всего работает с высокопроводящими материалами, такими как медь, алюминий и латунь, хотя низкопроводящие стали могут быть сформированы с помощью проводящего листа водителя. ЭМП особенно эффективен для операций переключения, выпуклости и тиснения, и он может одновременно присоединяться к разнородным металлам (магнитная импульсная сварка). Поскольку силы формирования распределены электромагнитно, обратная связь практически устранена, и очень высокие скорости деформации улучшают формуемость в противном случае хрупкие сплавы.

Согласно ASTM Standardization News, текущие исследования направлены на масштабирование процесса до более крупных частей, подходящих для космических аппаратов и спутников, где каждый килограмм сэкономленного превращается непосредственно в снижение стоимости запуска.

Горячая штамповка и тепловое образование

Хотя это не совсем новое, горячее штамповка (также известное как закалка пресса) в последние годы значительно улучшилось. В горячем штамповке заготовки из бора-стальной стали нагреваются до температуры аустенизации (≈ 930 ° C), переносятся на пресс с водяным охлаждением и одновременно образуются и закаляются. Результатом является деталь с очень высокой прочностью (до 1500 МПа) и низким весом, потому что могут использоваться тонкие датчики.

Современные варианты включают специальное закалку (с использованием различных скоростей охлаждения в разных зонах) для объединения мягких, пластичных областей для поглощения энергии с жесткими, сильными областями для путей нагрузки. Раньше это было невозможно с обычным холодным образованием. Этот процесс теперь стандартен для B-столбов, рельсов крыши и бамперных балок во многих моделях автомобилей.

Для алюминия теплообразование (150-250 °C) улучшает формуемость сплавов серии 6xxx и 7xxx, что позволяет создавать сложные глубоко натянутые детали с уменьшенным возвратом. В сочетании с термической обработкой раствора и упрочнением возраста эти детали достигают высокой конечной прочности.

Преимущества инновационных методов формирования

Переход на эти передовые методы приносит измеримые преимущества на протяжении всего жизненного цикла продукта.

• Снижение веса на 20-40%. Части могут быть спроектированы с более тонкими стенками, полыми секциями и переменной толщиной, которая соответствует локальному напряжению поля. Гидроформированные трубки, например, следуют нейтральной оси пути нагрузки, устраняя избыток материала.
• Материальная эффективность.] Скорость деформации падает с 30-40% (штамповка) до 5-10% (гидроформирование). ISMF практически не производит лом, потому что заготовка деформируется только локально.
• Конструкция гибкости. Подрезы, глубокие углубления и сложная кривизна возможны без перепроектирования инструментов. Инженеры могут создавать органические формы, которые оптимизируют соотношение веса к силе — благо для генеративного подхода к проектированию.
• Сбережения по шкале. Сокращение оснастки (один гибнет для гидроформирования вместо нескольких штамповочных станций) снижает капитальные затраты. Для низких объемов ISMF полностью устраняет гибнущие.
• Улучшенные механические свойства. Такие процессы, как ЭМП и СПФ, вызывают тонкие зерновые структуры и полезные остаточные структуры напряжения. Горячая штамповка достигает полностью мартенситной микроструктуры без необходимости термообработки после формы.

Реальные приложения World

аэрокосмическая

Вес является единственным величайшим драйвером стоимости и производительности в аэрокосмической промышленности. Суперпластичное образование титана стало стандартом для впускных каналов истребителей, дверей вертолетов и переборок коммерческих самолетов. ЭМП используется для сборки бесшовных топливных каналов на спутниках. Инкрементное формирование используется НАСА для одноразовых деталей на марсоходах, где штампы были бы абсурдно дороги. Внутренний технический отчет НАСА (2022) подробно описывает, как ISMF уменьшил массу кронштейна, используемого в космическом корабле Orion, на 28% по сравнению с обработкой заготовки.

автомобильный

Автомобильный сектор подталкивает легкое формирование к пределам экономической эффективности. Гидроформирование - это зрелая технология для алюминиевых подрамников, колыбелей двигателя и подвесных звеньев - Ford F-150 2024 года использует гидроформованный алюминиевый передний крестовик, который экономит 5 кг по сравнению с предыдущей конструкцией стальной сварки. Горячая штамповка доминирует в белых приложениях: BMW i7 включает 35% горячекатаных стальных компонентов по массе.

EMF теперь проникает в корпуса аккумуляторов EV большого объема. Исследование 2023 года Коалицией по электрификации показало, что электромагнитное формирование лотков алюминиевых батарей уменьшало толщину стенок с 3,5 мм до 2,2 мм при прохождении того же моделирования аварии. Теплое образование алюминия 7xxx используется для рельсов аварий, которые должны поглощать энергию высокого удара.