Muodon toistotarkkuus autojen AHSS-osissa: kattava lähestymistapa

AHSS-/UHSS-teräslaatujen lujuuden lisääntyminen mahdollistaa optimoidut ja monimutkaiset rakenteet (jotka parantavat esimerkiksi törmäyssuojausta) ja ohuemmat paksuudet (painon keventämistä varten). Samalla kuitenkin valmistajille on yhä haasteellisempaa tuottaa tasalaatuisia komponentteja.

Valmistajien asettamat sallitut poikkeamat voivat olla vain ±0,2–0,5 mm, jotta voidaan varmistaa tarkkuus robottihitsauksessa ja pystyä asentamaan osiin yhä enemmän elektroniikkaa, johtoja ja antureita. Kun osien toistotarkkuus ei ole riittävä, osien valmistajat häviävät neljällä tavalla:
1) Tuotantoresurssien hukkaaminen osiin, jotka eivät kelpaa.
2) Henkilöresurssien hukkaaminen osien lajitteluun.
3) Hukkaosiin tuhlattu materiaali ja mikä tärkeämpää, pyrkimys ymmärtää miksi vaatimusten mukaisesta AHSS-/UHSS-materiaalista syntyy epäkelpoja osia.
4) Suunnitteluresurssien hukkaaminen ja yleisesti matalampi tuotannon tehokkuus tuotannon hidastumisen ja katkeamisen vuoksi.

Jos muovausprossissa ei ole mitään vikaa, voisivatko epäkelvot osat johtua epätasalaatuisuudesta AHSS-/UHSS-teräksessä?

AHSS-/UHSS-teräksen tasalaatuisuus kattaa tietenkin teräksen paksuuden ja tasomaisuuden. Muut seikat jäävät helposti vähemmälle huomiolle. Esimerkiksi epätasalaatuisuus materiaalin ominaisuuksissa (myötölujuus, murtolujuus, venymä yms.) voi aiheuttaa ongelmia, kuten merkittäviä jännityksiä, joka voi puolestaan aiheuttaa epätasaisuutta. Epätasalaatuisuus voi myös johtaa ei-toivottuun tai odottamattomaan käyttäytymiseen takaisinjouston suhteen. AHSS-/UHSS-teräs voi täyttää kaikki mittoja ja mekaanisia ominaisuuksia koskevat vaatimukset, mutta osien valmistaja saa silti lopputulokseksi epäkelpoja osia. Mistä on kyse?

Yllä kuvatussa tilanteessa valmistajan on kysyttävä itseltään seuraavat kysymykset: Onko epäkelvoissa osissa havaittavissa säännönmukaisuutta? Jos on, voidaanko asiaa korjata säätämällä muovausprosessia? 

Jos voidaan, seuraava kysymys on, toimivatko uudet säädöt koko AHSS-/UHSS-kelan mitalta? (Toisin sanoen, onko samassa kelassa materiaaliominaisuuksien vaihtelua?) Onko kelojen välillä vaihtelua? 

Eri valmistajilta tulevien AHSS-/UHSS-kelojen välillä on lähes varmasti vaihtelua. Osien valmistajalla on siis oltava eri työvälineet kunkin valmistajan teräkselle. Tämä lähestymistapa käy nopeasti monimutkaiseksi ja on altis epätasalaatuisuudelle aina, kun välineitä säädetään.

Mitä tästä opimme: Mitä tasalaatuisempaa AHSS-materiaali on, sitä helpompi osista on valmistaa vaadittujen mittojen mukaisia.

AHSS-/UHSS-teräksen tasomaisuuden vaihtelut ovat yksi merkittävimmistä syistä sille, että osat ylittävät määritellyt toleranssit. Poiss toleransseista olevia ominaisuuksia ovat profiilin suoruus, loppuosan leveneminen, asemoinnin säätöongelmat ja reiät ja aukot, jotka eivät kohdistu kunnolla osan etu- ja takaosassa. Onko tarkkuusoikaisulaitteistosta apua?

Tarkkuusoikaisulaitteistoa käytetään tasomaisuuden varmistamiseen AHSS-keloissa, ja esimerkiksi pitkittäis- ja poikittaiskaarevuuden ja niin kutsuttuihin ”lämpötaskuihin” liittyvien ongelmien ratkaisemiseen. Tarkkuusoikaisulaitteistoilla on paikkansa metallien työstössä, mutta hiljattaista WorldAutoSteel-artikkelia mukaillen:

”Reunan aaltoilun ja muodonmuutoksen oikaisu vaatii AHSS-teräsnauhan myötölujuuden ylittämistä vähintään 50 prosentilla nauhan poikkileikkauskohdassa. Tämä voi nostaa teräsnauhan muokkauslujittumismahdollisuutta ja vaikuttaa heikentävästi muovattavuuteen. Yhä korkeampi AHSS-terästen myötölujuus haastaa sellaisten suoristus- ja tarkkuusoikaisulaitteiden suorituskyvyn, joita ei ole suunniteltu erikoislujien materiaalien käsittelyyn.”

Yhä korkeampi AHSS-terästen myötölujuus haastaa sellaisten suoristus- ja tarkkuusoikaisulaitteiden suorituskyvyn, joita ei ole suunniteltu erikoislujien materiaalien käsittelyyn.

Tarkkuusoikaisulaitteet ovat myös erittäin suuria, joten niiden asettelu leikkauslaitteiston eteen on hankalaa. Tarkkuusoikaisun ulkoistamisella on myös omat haittapuolensa: Osan valmistaja ei voi olla varma, että AHSS-/UHSS-teräksen mekaaniset ominaisuudet säilyvät (esimerkiksi ei muokkauslujittumista) ulkoisella toimittajalla.

SSAB parantaa jatkuvasti työstöprosessejaan, jotta Docol® AHSS/UHSS -teräskelojen ostajien ei tarvitse käyttää tarkkuusoikaisulaitteistoja. Esimerkiksi ”lämpötaskuja”, eli karkaisuprosessin aikaansaamia sisäisen jännityksen aiheuttamia poikkeamia tasomaisuudessa, varten olemme kehittäneet useita toimintatapoja, jotka vähentävät jännitystä. 

SSAB tarjoaa myös omia palveluitaan Docol AHSS-/UHSS -kelojen tarkkaan jatkoprosessointiin levyiksi tai rainakeloiksi. Näin muovattavuuden heikentyminen minimoidaan.  Asiakkaille tästä palvelusta on hyötyä etenkin erikoislujien martensiittisten teräslaatujen kohdalla.

”Usein eteen tulee ongelmia, joita ei voida täysin ratkaista autonvalmistajien vaatimusten mukaan”, SSAB:n kylmävalssattujen Docol AHSS -terästen tuotepäällikkö José Puente Cabrero kertoo. ”Kun katsotaan koko tuotantoprosessia, AHSS-vaatimukset kattavat noin 20 % haasteista, joihin materiaalin täytyy vastata.”
 
”Esimerkiksi kun keskustelemme valmistajan osalle asettamista venymä- tai taivutettavuusvaatimuksista, saattaakin käydä ilmi, että valmistajaa kiinnostaa lähinnä se, kuinka osa toimii törmäystestissä. Tätä on erittäin vaikeaa ilmaista yhdellä vaatimuksella.

”Pelkkien vaatimusten sijaan SSAB tarvitsee AHSS-toimittajana kattavan ymmärryksen tuotettavan osan tehtävästä. Meidän on ymmärrettävä, kuinka osa toimii yhdessä sitä ympäröivien osien kanssa. Miten se liitetään? Mitkä törmäystestit on otettava huomioon? Mitkä ovat kyseisten törmäystestien kuormat? Mitkä ovat relevantit kriteerit testeissä?

”Ihanteellisessa tilanteessa autonvalmistaja, osien valmistaja ja AHSS-/UHSS-tuottaja tekevät yhteistyötä jo varhaisesta ajoneuvon suunnitteluvaiheesta alkaen. Toisin sanoen: Mikä on autonvalmistajan lopullinen tavoite kyseiselle osalle? Jos tunnemme valmistajan lopputavoitteet, voimme ottaa  ne huomioon ja laatia yhdessä ihanteellisen rakenteen ja valmistustavan ja valita sopivan AHSS-teräksen.

”SSAB:n kokemuksen mukaan, kun asiakkaalla on erittäin tiukat toleranssit, meidän on kysyttävä: Mikä on tämän vaatimuksen taustalla? Pyrkiikö valmistaja vastaamaan tuotannon ongelmaan, kuten muodon toistotarkkuuteen, nostamalla toimittajalle asettamiaan vaatimuksia?

”Mikä toimii paremmin kaikille, koko prosessin ja lopputuloksen kannalta, on se, että aivan osan suunnittelun alussa mietitään, mitä materiaalia käytetään, kuinka se muovataan ja miten se käyttäytyy muovausprosessissa. Kun suunnittelijat pitävät tätä lähtökohtana, suunnitelmista tulee optimoituja. Tämä siirtyy myös muovausprosessiin ja lopullisen osan toistotarkkuuteen.”

Puente Cabrero jatkaa: ”Mitä tasalaatuisempaa tuottamamme Docol AHSS -teräs on, sitä enemmän ongelmia vältetään koko toimitusketjussa ja kokoonpanoprosessissa.

”Jatkuva tavoitteemme AHSS-valmistajana on tuottaa tasaista laatua massatuotantoon. SSAB:llä on joitakin etuja: Rautamalmin lähteemme Pohjois-Ruotsissa on erittäin laadukas ja tasalaatuinen. Jokainen Docol-teräslaatu tuotetaan erittäin toistettavaksi, riippumatta siitä, missä SSAB:n tehtaassa se on tuotettu.

”Asiakkaamme todistavat, että Docol AHSS on jo nyt erittäin tasalaatuista. Elämme kuitenkin digitalisaation aikakautta, joten olemme valmiita tarjoamaan enemmän. Pystymmekö esimerkiksi ylittämään alan nykystandardin rajamuovattavuuspiirroksista (FLC)? Mitä jos pystyisimme ennustamaan AHSS-teräksen ominaisuudet niin tarkasti, että pystyisimme tuottamaan asiakkaillemme digitaalisia kopioita? 

”Kuvittele: Digitaalinen kopio kustakin AHSS-kelasta, jonka avulla osien valmistajat voivat muuttaa työstölaitteiden asetuksia ja saada siten entistä tarkempia ja tasalaatuisempia osia.

”Pysy kuulolla”, Puente Cabrero sanoo.