W artykule przedstawiono wpływ nowoczesnych technologii na rozwój procesu tłoczenia elementów karoserii samochodowej. Przedstawione badania dotyczą wsadów spawanych laserowo, dla których zbudowano model pozwalający przy użyciu MES symulować zachowanie się materiału podczas jego kształtowania. Uwzględniono również najnowsze trendy związane z zastosowaniem materiałów kompozytowych oraz ekologicznych.

Summary
The influence of modern technologies on the development of the stamping process of car body elements
Słowa kluczowe: blachy karoseryjne, spoina laserowa, tłoczenie
Keywords: car body sheets, laser weld, stamping
The article presents the influence of modern technologies on the development of the stamping process of car body elements. The presented research concerns laser-welded blanks for which a model was built that allows using FEM to simulate the behavior of material during its formation. The latest trends related to the use of composite and ecological materials were also taken into account.

Rozwój przetwórstwa blach, a zwłaszcza rozwój motoryzacji i związany z tym rozwój w zakresie nowych technologii oraz nowych materiałów stosowanych do tłoczenia w dużej mierze dotyczy blach przeznaczonych do tłoczenia elementów karoserii (rys. 1). W odniesieniu do blach przemysł motoryzacyjny stawia wymagania, które można ująć w następujących określeniach: tłoczność, możliwość stosowania w automatycznych liniach produkcyjnych, odporność na korozję, wytrzymałość i gwarancja pasywnego bezpieczeństwa wyrobu oraz jego estetyka i funkcjonalność. Wymagania te są podporządkowane dążeniu do uzyskania maksymalnej efektywności działań wytwórczych, co w praktyce sprowadza się do minimalizacji kosztów wytwarzania oraz maksymalizacji wydajności urządzeń i produktywności pracowników, jak również zapewnienia zbytu wyrobom.

Kryteria doboru blachy przeznaczonej do tłoczenia określonego elementu karoserii są determinowane przez charakterystykę jej właściwości mechanicznych wyznaczanych głównie w próbie rozciągania. Podstawową grupę stanowią blachy ze stali o niskiej wytrzymałości (LSS – Light Strength Steel) – w przedziale 150-210 MPa. Istotna w tym względzie jest relacja właściwości wytrzymałościowych do plastycznych. Szereg liczących się producentów [2] oferuje możliwość doboru określonych gatunków stali na podstawie relacji pomiędzy wielkością wydłużenia względnego a granicą plastyczności (rys. 2). Kolejne kryteria klasyfikują wsady, np. względem relacji między wskaźnikami opisującymi cechy anizotropowe blachy (rys. 3), względnie relacji pomiędzy umocnieniem odkształceniowym a anizotropią normalną (rys. 4). Na życzenie klienta w zamówieniu mogą być również ujęte wymagania odnośnie do mikrostruktury stali.

Pod względem poziomu właściwości wytrzymałościowych odrębne grupy w stosunku do omówionych stali o niskiej wytrzymałości (LSS) stanowią blachy
wysokowytrzymałe (HSS – ang. High Strength Steel) oraz blachy o bardzo wysokiej wytrzymałości (UHSS – ang. Ultra-High Strength Steel). Umownie przyjęto [2], że dla stali wysokowytrzymałych granica plastyczności wynosi do 550 MPa, a dla stali ultrawytrzymałych  granica plastyczności zawarta jest w przedziale od 550 MPa do 1500 MPa. Charakterystykę właściwości mechanicznych dla omawianych grup stali stosowanych do tłoczenia przedstawiono na rys. 5.

W odniesieniu do blach tłocznych kolejne etapy rozwoju to: wytwarzanie blach do głębokiego tłoczenia o pożądanych cechach anizotropii właściwości plastycznych, tłoczenie materiałów pokrywanych powłokami metalicznymi, foliami lub lakierami, przetwarzanie blach platerowanych, wielowarstwowych lub perforowanych oraz wprowadzanie nowych gatunków stali o podwyższonej wytrzymałości.

Głównym celem wprowadzania nowych gatunków stali do produkcji blach głęboko tłocznych (rys. 1), a zwłaszcza blach tłocznych o podwyższonej wytrzymałości z przeznaczeniem dla motoryzacji, jest zmniejszenie ciężaru elementów tłoczonych konstrukcji pojazdów [1, 2]. W przypadku blach tłocznych o podwyższonej wytrzymałości dotyczy to takich materiałów jak: blachy ze stali mikrostopowej, blachy ze stali umacnianej przez roztwór stały, blachy ze stali umacnianej przez roztwór stały i wydzielenia, blachy ze stali dwoistofazowych oraz ferrytyczno-martenzytyczne. Pokrycia metaliczne lakierowe lub pokrycia foliami stosuje się w celu antykorozyjnego zabezpieczenia blach lub też ze względów estetycznych. Blachy platerowane, wielowarstwowe, a także perforowane [3] znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, a zwłaszcza w: motoryzacji, budownictwie, architekturze, przemyśle wytwórczym i przetwórczym.

Dotychczas panował pogląd, że z technologicznego punktu widzenia pożądaną cechą wspólną dla wszystkich blach stosowanych w tłocznictwie jest jednorodność cech zarówno geometrycznych, jak i właściwości mechanicznych. W wielu wyrobach tłoczonych, zwłaszcza konstrukcjach składanych z elementów o dużych gabarytach, takich jak np. karoserie pojazdów, względy użytkowe wskazują, że korzystnie byłoby zastosować w ramach tej samej wytłoczki jednocześnie blachę lokalnie pogrubioną lub o znacznej wytrzymałości w miejscach decydujących o bezpieczeństwie i wytrzymałości konstrukcji oraz lokalnie pocienioną w miejscach, gdzie stanowi ona jedynie np. fragment poszycia. Nowatorskim rozwiązaniem wprowadzonym na przełomie lat 1999 i 2000 w tym zakresie były blachy noszące w anglojęzycznej literaturze nazwę tailored blanks. Blachy te, zależnie od potrzeb, mogą łączyć odpowiednie cechy wszystkich wymienionych materiałów.

W artykule przedstawiono wyniki doświadczeń w zakresie analizy procesu wytwarzania i przetwórstwa blach łączonych (rys. 6) głównie metodą spawania laserowego [4], z odniesieniem w podsumowaniu artykułu do najnowszych technologii uwzględniających materiały kompozytowe oraz wytworzone przy użyciu najnowszych technologii XXI wieku.

Przebieg badań

Obecnie, idąc z duchem czasu, do tłoczenia współczesnych karoserii samochodowych stosowane są już powszechnie, w zależności od producenta i modelu samochodu, tzw. wsady spawane laserem WSL (rys. 6), co nie zmienia faktu, że nadal poszukiwane są rozwiązania w zakresie dostosowania kształtu tłocznika do coraz bardziej futurystycznych kształtów nadwozia. Koncepcja tworzenia tego rodzaju wsadu do tłoczenia zakłada dokonywanie połączeń metodą spawania różnych blach, których cechy geometryczne oraz fizyczne są dobierane na podstawie analizy konstrukcyjno-ekonomicznej tłoczonych elementów, wobec tego blachy składowe mogą różnić się: grubością, właściwościami mechanicznymi oraz rodzajem pokrycia powierzchni.

Uwzględniając wyniki zaprezentowanego na rys. 7 detalu, należy stwierdzić, że rozwiązanie to pozwala na tworzenie wykrojów wsadowych z blach o różnej grubości, z różnych gatunków stali, o różnych kategoriach tłoczności, a także blach zróżnicowanych pod względem rodzaju pokrycia.

Mając na uwadze fakt, że wprowadzenie do tłoczenia wsadów spawanych laserowo jest uwarunkowane rozwiązaniem wielu problemów technologicznych związanych z projektowaniem procesu tłoczenia i wytworzeniem, a podstawowe niewiadome wynikają z braku wiedzy dotyczącej oddziaływania spoiny na proces plastycznego płynięcia wykroju podczas tłoczenia oraz niejednorodności właściwości tłocznych wsadu spawanego z blach różnej kategorii tłoczności oraz różnych grubości, konieczne było zastosowanie metod numerycznych. Wymienione zagadnienia wprowadzenia do tłoczenia WSL dotyczą ogólnego problemu, a mianowicie opracowania metodyki pozwalającej na podstawie badań właściwości łączonych blach oraz geometrii wyrobu przewidywać zachowanie się wsadu podczas tłoczenia.

Zagadnienia te wskazują na konieczność wprowadzenia do projektowania technologii tłoczenia analizy procesu metodą symulacji komputerowej. W pierwszej kolejności niezbędne było opracowanie modelu wsadu spawanego laserem uwzględniającego zróżnicowanie właściwości mechanicznych oraz cechy geometryczne łączonych blach i spoiny. Kolejnym etapem podczas prac badawczych nad wprowadzeniem nowoczesnych materiałów przeznaczonych na karoserie samochodowe było stworzenie narzędzia analizy dowolnego procesu tłoczenia na bazie metod symulacyjnych, w których podstawową niewiadomą jest geometria wyrobu i tłoczników, natomiast kinematyka płynięcia materiału jest funkcją modelu strefy odkształcenia, wprowadzanych charakterystyk materiałowych oraz modelu strefy złącza i sposobu przykładania obciążeń kształtujących blachę. Sposób połączenia, rodzaj i kategoria blachy, sposób ułożenia poszczególnych blach składowych (w tym dobór orientacji pasa względem kierunku walcowania określający wpływ anizotropii właściwości na charakter płynięcia materiału) mogą być dobierane na podstawie konstrukcyjno-technologicznej analizy tłoczonego wyrobu.

Uwzględniając aplikacyjno-poznawczy charakter badań, przyjęto, że model przydatny w projektowaniu procesu tłoczenia wsadów spawanych laserem powinien spełniać następujące wymagania:
−    uwzględniać warunki technologiczne procesu tłoczenia, zwłaszcza niejednorodnych wsadów łączonych laserowo,
−    ujmować geometrię strefy połączenia,
−    uwzględniać właściwości odkształcanego materiału, tzn. relacje zmian naprężenia uplastyczniającego oraz lokalnych wielkości odkształcenia,
−    umożliwić przeprowadzenie obliczeń w praktycznym do przyjęcia czasie.

Wykorzystanie metody elementów skończonych do symulacji procesu tłoczenia wsadów spawanych laserem z możliwością wprowadzania odpowiednich charakterystyk materiałowych oraz tworzenia dowolnych konfiguracji połączeń formatów i grubości blach składowych daje rozwiązanie problemu płynięcia materiału o charakterze uniwersalnym oraz stwarza podstawy do projektowania dowolnej technologii tłoczenia. Jest to szczególnie ważne, ponieważ każdy przypadek przygotowania wsadu spawanego laserem wymaga indywidualnego rozpatrywania w odniesieniu do konkretnego wyrobu.

W celu stworzenia podstaw numerycznej symulacji procesu tłoczenia WSL przeprowadzono badania obejmujące:
−    modelowanie procesu tłoczenia materiałowego na próbach laboratoryjnych,
−    budowę materiałowego modelu strefy połączenia,
−    numeryczną symulację procesu tłoczenia WSL przy użyciu opracowanego modelu materiałowego,
−    weryfikację obliczeń numerycznych przy użyciu laboratoryjnych i przemysłowych prób tłoczenia.

W ramach badań podstawowych, oprócz statycznej próby rozciągania, wykonano technologiczne próby oceny tłoczności [5, 6] takie jak: próba miseczkowania wg Swifta, próba Erichsena wg PN-68/H-04400, próba KWI (rozpęczania otworu), próba wybrzuszania ciśnieniem cieczy oraz wybrzuszania stemplem Φ 75 krążków z blach o średnicy 160 mm z naniesioną siatką podziałową. Przeprowadzone badania tłoczności wsadów spawanych laserem pozwoliły, w oparciu o wyniki z przeprowadzonych prób technologicznych, na opracowanie modelu złącza laserowego. Opracowany model zweryfikowano na podstawie porównania pomiarów z wynikami obliczeń symulacji dla prób laboratoryjnych oraz przemysłowych.

W badaniach symulujących wykorzystano komercyjne programy Stampack [7-10] oraz Marc Mentat K&.3.2 [11]. Są to programy pozwalające symulować procesy tłoczenia z możliwością wprowadzania zarówno różnych parametrów technologicznych procesu, jak i własnych modeli materiałowych. Celowo przyjęto dwa różne programy, aby stworzyć uniwersalne narzędzie symulacji procesu tłoczenia WSL pozwalające metodą elementów skończonych symulować proces przy użyciu dowolnego z nich.

W celu weryfikacji wyników numerycznej symulacji przeprowadzono laboratoryjne i przemysłowe próby tłoczenia [4, 5]. Weryfikacja polegała na tym, że do obliczeń numerycznych wprowadzono te same warunki technologiczne, geometryczne, materiałowe i kinematyczne, jakie były stosowane w rzeczywistych próbach tłoczenia. Podstawą weryfikacji były: geometria uzyskanych wytłoczek, charakter przemieszczenia spoiny oraz porównanie zmierzonych na wytłoczce wielkości odkształceń lokalnych z wynikami obliczeń numerycznych. Jako podstawę ilościowej oceny przyjęto badania rozkładu odkształceń lokalnych stref krytycznych (miejsce pękania wytłoczek) elementu tłoczonego odniesione do granicznej krzywej tłoczenia GKT. Do rozwiązania analizowanych w pracy problemów wykorzystano zarówno wyniki badań własnych [4], jak i wyniki zamieszczone w pracach [12-20].

Piśmiennictwo zostanie opublikowane wraz z kolejną częścią artykułu.

 



Rys. 1. Charakterystyka rozwoju blach stalowych stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym:
DP (ang. dual phase) – stal dwoistofazowa ferrytyczno-martenzytyczna; TRIP
(ang. transformation-inducted plasticity) – blachy wykazujące wzrost intensywności umocnienia w zakresie dużych odkształceń; SULC (ang. super ultra-low carbon) – stale o bardzo małej zawartości węgla na poziomie 0,002%; WH (ang. work hardening) oraz BH (ang. bake hardening) – stale, w których wzrost granicy plastyczności osiąga się podczas tłoczenia oraz wypalania lakieru, CP (ang. complex phase) – stale o zwiększonej zdolności do amortyzowania uderzeń, mikroskopowe – z dodatkiem Nb, Ti
i/lub V [1]

 



Rys. 2.  Relacja pomiędzy wydłużeniem względnym i granicą plastyczności dla różnych blach cynkowanych ogniowo, przeznaczonych do obróbki plastycznej na zimno

 



Rys. 3.  Relacja pomiędzy anizotropią normalną i anizotropią płaską dla różnych gatunków blach cynkowanych ogniowo

 



Rys. 4.  Relacja pomiędzy anizotropią normalną i współczynnikiem umocnienia dla różnych gatunków blach tłocznych cynkowanych ogniowo

 



Rys. 5.  Charakterystyka właściwości mechanicznych stalowych blach tłocznych, współcześnie stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym do tłoczenia elementów karoserii samochodowych oraz zawieszenia [4]

 



Tab. 1.  Charakterystyka podstawowych właściwości badanych blach. Próbę rozciągania wykonano dla próbek ułożonych zgodnie z kierunkiem rozciągania. W przypadku próby Erichsena (wg PN-ISO 8490:2000) podano wynik 5 najmniejszych pomiarów. m – współczynnik miseczkowania wg Swifta (zalecenia wg INOP-Z/2001-12-78)

 



Rys. 6.  Elementy karoserii pojazdu wykonane z wsadów spawanych laserem [4]

 



Rys. 7.  Przykłady WSL z blach o różnych kategoriach tłoczności oraz różnych grubościach, przeznaczonych do tłoczenia boku samochodu Audi A3, rocznik produkcji: 2002 [4]




W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij