金型設計ソフトウェアは、エネルギー吸収と重量目標の最適化に役立ちます

軽量化を実現する金型設計ソフトウェア。 ゲッティイメージズ

GNS North America は、プレス硬化鋼 (PHS) またはホットスタンプの Tier 1 サプライヤーです。 コールドスタンプされたコンポーネント。 自動車産業向けの溶接サブアセンブリ。

1971 年に韓国で設立された同社は、約 550 人の従業員を擁し、16 のアクティブな PHS スタンプ ライン、10 のコールドスタンプ ライン、およびさまざまな組み立ておよび溶接セルを運営しています。 工場はミシガン州オランダ、ミシガン州カントン、メキシコのサンノゼ・イトゥルビデにあります。

GNS North America のエンジニアリング チームは、エネルギー吸収と重量の目標を達成するために部品を製造する際に課題を経験しました。

GNS の日々の生産と見積もりの​​課題は次のとおりです。

PHSの部品。コンポーネントは、その形状と軽量化・薄型化の取り組みの両方で、より複雑になっています。 この組み合わせにより、ツールとプロセスの開発に独特の課題が生じます。 業界は常に軽量化に努めており、GNS North America は、PHS またはボロンマンガン鋼 (s) からより多くの部品をホットスタンプするよう推進しています。ee ホットスタンプスチールプライマーサイドバー）。

ホットスタンピングにより、残留応力がなく、高降伏特性と引張強度特性の両方を備えたコンポーネントが製造されます。 ただし、結果として生じる硬度のため、公差の厳しい穴やスロットの形状、トリムエッジは二次プロセスでレーザーカットする必要があり、コストがかかる可能性があります。

テーラードブランク。また、顧客は、重量目標だけでなく、安全目標のために最適化されたエネルギー吸収性能を備えたコンポーネントも求めています。 これらの要件により、GNS 設計は、複数の材料の厚さ、さらには複数の材料タイプのコンポーネントに進化するようになりました。 これらのテーラー設計の製造を可能にするために現在使用されている 3 つのプロセスは、テーラー溶接ブランク、テーラーロールドブランク、およびテーラーパッチブランクです。

テーラーウェルデッドブランク (TWB) は、厚さ、強度、コーティングが異なる個々の鋼板をレーザー溶接して作られています。 このプロセスにより、適切なプロパティを持つマテリアルが適切な場所に配置されます (図1を参照）。

テーラーロールドブランク (TRB) は、ある厚さから別の厚さに連続的に移行するシートです。 冷間圧延機で製造されます。

テーラーウェルデッドブランク (TWB) は、厚さ、強度、コーティングが異なる個々の鋼板をレーザー溶接して作られています。 このプロセスにより、適切な特性を持つマテリアルが適切な場所に配置されます。 画像: AutoForm Engineering GmbH

テーラー パッチ ブランクは、スポット溶接またはレーザー溶接によって小さな 2D ブランク (パッチ) を取り付けることで局所的に強化された 2D ブランクです (図 2 を参照)。 パッチはブランク上に余分な厚みのゾーンを作成します。

独自のツール設計、スポット溶接の位置決め、および材料の厚さのデルタが必要です。 設計者は、この厚さの変化を考慮し、材料の厚さが 2 倍の材料の厚さから 1 つの厚さに戻るダイ キャビティ表面への遷移ゾーンをモデル化する必要があります。 パッチをブランクに接着するスポット溶接の位置は、部品の故障だけでなくスポット溶接自体の故障も防ぐために重要です。

これらの課題により、GNS North America の設計開発チームがプロセスと工具の設計時にコンポーネントの成形性を自信を持って予測できるようにするためのシミュレーション ツールの必要性が高まりました。

競争力のある評価の後、スタンピングメーカーは、プロセス予測ツールとして AutoForm シミュレーション ソフトウェア スイートをリースすることを選択しました。 そうすれば、エンジニアリング チームは成形性の結果を迅速かつ正確に計算できるようになります。 GNS はまた、シミュレーション ソフトウェアを使用して、プレスを閉じる速度を微調整しました。 チームはブランクのトリムラインも変更した。

プラントの経験豊富なオペレータは、ソフトウェアの習得に時間がかかりました。 ソフトウェアに慣れていない人は包括的な基本トレーニングを受け、一部の人はホットスタンプに関する高度なトレーニングを受けました。

チームがシミュレーション ツールを理解し、物理的な結果と予測された結果の間の相関関係に自信を持てるようになると、ソフトウェアはすべての操作に対して貴重な洞察を提供しました。

GNS 北米チームは、北米の OEM 向けに、カントンおよびサンノゼ イトゥルビデの施設でホワイトのボディ コンポーネントを大量生産しています。 チームは、シミュレーション ソフトウェア スイートの複数のツールを使用して、部品の製造における問題や課題を解決しました。

初期シミュレーションをレビューすると、設計者は、成形されたコンポーネントの予測された厚みと厚みを確認できました。 この時点で、チームはプロセスを改善する方法、つまりバインダーを追加する、クラッシュ フォームではなく描画プロセスにするなど、デザイン プロセスを変更する必要があるかどうかを決定する必要がありました。 チームが検討したもう 1 つのアプローチは、クラッシュ フォームにパッドを追加してシートの特定の領域を制御し、材料の流れを減らしたり促進したりすることで、クラッシュ フォームと描画オプションを組み合わせることでした。 これらの調整は設計プロセスの早い段階で行うことができます。

これはテーラーパッチワークのブランクを表現したものです。

レーザートリミングを排除します。チームは、ソフトウェアの反復機能を使用して、必要なパッドとバインダーの配置とタイミングを最適化することでプロセスを開始しました。 この反復的なアプローチにより、複数のシミュレーション試行を迅速に連続して完了することができました。

次に、シミュレーション ソフトウェアの反復トリム開発機能を使用して、顧客の要求するトリム エッジ公差を遵守する最適化された 2D ブランク プロファイルを生成しました。 ソフトウェアは、ターゲット境界に「最適に適合」するようにシート境界を分析し、定義されたプロファイル公差内に収まる仕上げ境界を達成するために自動調整を行いました。 これらの反復ループにより、スタンパーは装置の処理効率を最大化する機会が得られました。 また、より多くの部品を完全に開発できるようになり、レーザー トリミングの必要性が減りました。 その後、メーカーは競争力を維持するためにその情報を顧客と共有しました。

GNS は、ソフトウェアを使用してほとんどのサイド インパクト ビームのトリム ラインを開発しました (「図3）。

インダイピアス。これらのプロセスの最適化中に、チームはインダイピアス技術を組み込む追加の機会があることに気づきました。 PHS ダイ セットは複雑になりますが、このハードウェアにより、ホットスタンピング操作中に重要な位置決め基準穴とスロット フィーチャを追加できるようになり、二次レーザー操作が回避されます。

テーラードパッチブランク。 さらに、OEM はコンポーネントの重量を最小限に抑え、テーラードな厚さのブランクを使用することを要求しました。 これには、従来の技術を使用した、費用のかかる先行開発が必要でした。 しかし、チームはシミュレーション ソフトウェアの経験を応用して、最適化を迅速化し、コストを抑えることができました。

GNS チームは、ソフトウェアのパッチ シミュレーション機能を使用して、パッチブランク スポット溶接パターンを確立しました。 パッチをブランクに接着するスポット溶接も評価して、その配置が成形プロセス中に必要な材料の流れや破損を妨げないことを確認する必要がありました。 シミュレーションを設定するために、チームはスポット溶接の数と位置を定義しました。 この初期セットアップの結果により、チームは成形プロセス中に各スポット溶接にかかる法線方向の力と接線方向の力を視覚化する機会が得られました。 これらの分析結果により、チームは界面溶接の破損を予測し、スポット溶接パターンを修正して望ましくない状態を排除することができました。

このソフトウェアのグラフィカル ユーザー インターフェイスにより、メーカーは複数のシミュレーションを迅速にスケジュールおよび処理し、大規模な RFQ の処理を​​サポートし、より困難なコンポーネントを研究および微調整し、ブランク プロファイルを開発する時間を得ることができました。 AutoForm-ThermoSolver を使用すると、チームは 22MnB5 材料ブランクの加熱によって引き起こされる膨張を確認できました。 連続冷却変態状態図の順守、プレス成形、および焼入れ速度を参照しながら、加熱されたブランクがオーブンから工具まで移動する時間の影響を研究できます。 これらのツールはすべて、より効率的なサイクルタイムに従ってプロセスを最適化するために使用できる情報をチームに提供しました。

GNS North America は、シミュレーション ソフトウェア スイートの反復最適化機能を使用して、サイド インパクト ビームとボディの両方で初期の材料要求日をサポートするために、最初のヒットとバイオフで 80% 以上の初期顧客品質要件に合わせて開発されたトリム エッジと穴を達成できるようになりました。白色のコンポーネント。 これにより、高価な二次レーザー操作に関連する時間と費用の両方が節約され、企業はそれを顧客に渡すことができます。

ホットスタンプ部品は、プレス硬化性鋼 (PHS) から形成されます。 PHS には 0.001% ～ 0.005% のホウ素炭素/マンガンが含まれています。 最も一般的には 22MnB5 として知られています。

シングルハットセクションのサイドインパクトビームの一般的な画像。 この部品には、完全に開発された外周トリムと穴およびスロットのフィーチャーがあることに注意してください。

前処理された材料は、広く使用されている HSLA 300 および 340 グレードの鋼と同様の機械的特性を備えており、引張強度は 1500 グレードで約 400 MPa、600 MPa です。 ただし、22MnB5 を熱機械加工すると微細構造が変化し、マルテンサイト微細構造が生じます。 この変化は一般に相転移と呼ばれます。

プロセスに関しては、最初に鋼が約 950 ℃に加熱され、次にロボットのエンドオブアーム ツールを使用して炉から金型とプレスに搬送されます。 ブランクが金型キャビティに適切に配置されると、プレスサイクルが行われ、金型の上半分が金型の下半分に閉じて部品が最終形状に形成され、保持されます。同時に、金型内の特別な水冷チャネルが熱を急速に抽出します。空白から（参照画像1）。

高温と急速冷却の組み合わせにより、材料は 100% マルテンサイト部品に変化し、最終引張強度は最大 2,000 MPa になります。 これらすべてが正確に行われれば、部品は 100% の公差内でスプリングバックなしで製造できます。

画像 2 は、完成したマルテンサイト鋼の引張強さと伸びを他の鋼の上に重ねて示し、違いを視覚的に示しています。 これは、全体的なパフォーマンスのために高強度の機械的特性を維持しながら、同時に目標重量を達成するために行われます。 この独自の材料挙動は、安全ケージ、A ピラー、B ピラーの軽量化の鍵となります。

このユニークな鋼は、1980 年代初頭からボルボを皮切りに自動車用途に使用されており、自動車の衝撃や白ボディのコンポーネントやサブアセンブリに選ばれる好ましい材料であり続けています。