Wstęp
Zintegrowana technologia-odlewania ciśnieniowego oferuje takie korzyści, jak wysoka wydajność produkcji i niskie koszty produkcji. Obecnie, w fazie szybkiego rozwoju, posiada potencjał do wytwarzania wielu dużych komponentów, upraszczania konstrukcji nadwozia i rewolucjonizowania procesów wytwarzania nadwozi [1]. Zintegrowana-odlewana tylna podłoga łączy ponad 70 oryginalnych części w jeden element, znacznie zmniejszając masę pojazdu i poprawiając wydajność produkcji. Formy, procesy,-maszyny do odlewania ciśnieniowego i-materiały-niepodlegające obróbce cieplnej to cztery podstawowe technologie zintegrowanego-odlewania ciśnieniowego [2-3). Do-maszyn do odlewania ciśnieniowego odnosi się w szczególności-maszyny wielkogabarytowe o siłach zwarcia przekraczających 60 000 kN [4]. Obecnie stosowanymi materiałami-niepoddawanymi{21}}obróbce cieplnej są głównie odlewane stopy aluminium o wysokiej-wytrzymałości i-ciągliwości [5], znane ze swojej wysokiej wytrzymałości właściwej, doskonałej lejności, umiarkowanego kosztu i statusu podstawowego materiału dla obecnie zintegrowanych, odlewanych ciśnieniowo komponentów samochodowych [6-7].
Krajowe duże odlewy ciśnieniowe-aluminiowe stoją przed wyzwaniem zmniejszenia wydajności wraz ze wzrostem złożoności integracji. Kluczowe czynniki wpływające na wskaźniki kwalifikacji obejmują:
1. Niestabilna jakość w krytycznych-punktach obciążenia: Powierzchnie montażowe kolumn amortyzatorów, ram pomocniczych i słupków-C wymagają wysokich właściwości mechanicznych. Obszary te są często trudne do zbadania, nie mogą zawierać porów wewnętrznych przekraczających normy i muszą być wolne od zewnętrznych zaskórników. Warto zauważyć, że powierzchnia montażowa słupka C-w pobliżu krawędzi sterówki jest podatna na zamarzanie.
2. Niestabilne wymiary na krytycznych powierzchniach współpracujących: Cienkie-powierzchnie montażowe paneli bocznych na krawędzi odlewu są podatne na odkształcenie do wewnątrz lub na zewnątrz, a nawet skręcenie (przód na zewnątrz, tył na zewnątrz). Pogarsza to stabilność po połączeniu z odpowiednimi częściami i może powodować-niewspółosiowość wstępnie uformowanego otworu, prowadząc do błędów w obróbce [8-15].
W tym badaniu wykorzystano symulację do przewidywania defektów w zintegrowanym-odlewanym ciśnieniowo elemencie tylnej podłogi oraz optymalizowano system wlewowy i przelewowy w celu poprawy jakości wewnętrznej, mając na celu zapewnienie punktu odniesienia przy projektowaniu podobnych dużych odlewów.
1 Charakterystyka konstrukcyjna i wymagania techniczne
Odlew tylnej podłogi stanowi część podłogi znajdującą się za przedziałem pasażerskim, integrującą takie elementy, jak lewe/prawe tylne nadkola, tylne belki wzdłużne, belki poprzeczne, płyty łączące podłogę i wzmocnienia belek wewnętrznych. Odlew ma wymiary całkowite 1630 mm × 1624 mm × 666 mm, masę 63 kg, średnią grubość ścianki 3 mm i przewidywaną powierzchnię 23 000 cm². Ze względu na duże rozmiary, cienkie ścianki i duże wymagania przestrzenne, długie czasy cykli i ryzyko odkształcenia związane z obróbką cieplną, wymagany jest stop aluminium niepoddawany-obróbce cieplnej-.
Proces SPR (nitowanie samoprzebijające) jest odpowiedni do łączenia na zimno różnych materiałów stalowych-aluminiowych [8]. W rezultacie przednie i tylne końce odlewu łączą się odpowiednio z przednią i tylną podłogą za pomocą SPR. Lewą i prawą sterówkę można również połączyć z panelami bocznymi za pomocą SPR. Chociaż te cztery krawędzie nie są głównymi-strefami nośnymi tylnej podłogi, wymagają one wysokiej szczelności i integralności połączenia, odpowiadającej wymaganiom dotyczącym płaskości i wysokiej wytrzymałości-ciągliwości materiału.
Wymagania dotyczące wyglądu: Wolne od wad, takich jak zimne zatrzaski, pęknięcia i odpryski.
Wymagania dotyczące materiału (-przed pieczeniem):
Lokalizacje SPR (pobieranie próbek ciała): Wytrzymałość na rozciąganie większa lub równa 215 MPa, granica plastyczności większa lub równa 115 MPa, Wydłużenie większe lub równe 12%, Kąt zgięcia większy lub równy 20 stopni.
Tylna połowa sterówki (nieco niższa): wytrzymałość na rozciąganie większa lub równa 215 MPa, granica plastyczności większa lub równa 110 MPa, wydłużenie większe lub równe 6%, kąt zgięcia większy lub równy 20 stopni.
Inne obszary: Wymóg wydłużenia od 6% do 12%.
Biorąc pod uwagę nieodłączną niejednorodność właściwości mechanicznych-próbek korpusów odlewanych ciśnieniowo, osiągnięcie określonych właściwości mechanicznych w dowolnym miejscu w wyznaczonych obszarach stanowi wyzwanie. Dlatego wymagane są badania laboratoryjne w celu zweryfikowania kluczowej-nośności wież amortyzatorów i belek wzdłużnych [9]. Testy na stanowisku badawczym obejmują zazwyczaj testy wytrzymałości i zgniatania:
Testy wytrzymałości i zgniatania w kierunku Z-: symulują obciążenie tylnego amortyzatora. Średnie obciążenie w badaniu trwałości wynosi 11,5 kN. W przypadku zgniecenia w kierunku Z-w pierwszym etapie obciążenie 38 kN wymaga odkształcenia punktu obciążenia mniejszego lub równego 3 mm; drugi-etap obciążenia 74 kN nie wymaga pękania w miejscu obciążenia.
Test zgniatania w kierunku X-: symuluje obciążenie belki wzdłużnej. Przy jednostronnej sile obciążenia większej lub równej 206 kN w miejscu obciążenia nie mogą wystąpić żadne pęknięcia i odkształcenia mniejsze lub równe 3 mm.
2 matryce-Projekt procesu odlewania
2.1 Projekt systemu wlewowego
Rozbudowana tylna podłoga posiada w przedniej części okno łączące przednią osłonę. Jednak jego wysoki współczynnik kształtu (3,14) i położenie na krawędzi sprawiają, że bramkowanie środkowe jest nieodpowiednie. Zastosowano podejście z wlewem jednostronnym-, typowe dla konwencjonalnych-odlewów kokilowych. Na podstawie wyników analizy przepływu Magmy zoptymalizowano sekwencyjnie trzy konstrukcje kanałów (S1, S2, S3):
W projektach S1 i S2 wykorzystano maszynę do odlewania ciśnieniowego-70 000 kN.
W projekcie S3 wykorzystano maszynę do odlewania kokilowego o sile 120 000 kN-, wprowadzono drobne optymalizacje konstrukcyjne korpusu odlewniczego oraz zwiększono średnicę tłoka, liczbę wlotów i powierzchnię wlotów.
2.2 Analiza symulacji napełniania i krzepnięcia
Oprogramowanie Magma symulowało proces odlewania-tylnej podłogi. Materiałem formy była stal narzędziowa H13; materiałem odlewniczym był stop aluminium C611 o-wytrzymałości i-wysokiej wytrzymałości [1]. Zestaw parametrów: temperatura topnienia 680 stopni, temperatura tłoka 200 stopni, temperatura tulei wtryskowej 250 stopni, temperatura formy 180 stopni. Parametry wtrysku różniły się w zależności od schematu.
Wyniki analizy schematu S1:
Pod koniec--napełnienia, położenie krawędzi sterówki miało najniższą temperaturę (~618,6 stopnia) i jako pierwsze uległo zestaleniu (frakcja stała ~1%). Rzeczywiste odlewanie wymaga wyższej temperatury stopu i dokładnego monitorowania temperatury powierzchni formy w tym obszarze. Ze względu na wahania temperatury formy istnieje ryzyko zimnego zamknięcia na krawędzi sterówki środkowej-sekcji.
Kiedy stop osiągnął tylną połowę wnęki, ograniczony obszar przepływu powodował, że prędkość napełniania sięgała 60 m/s. Dwa strumienie stopu zbiegły się w środku końcowej belki poprzecznej. Wysoka prędkość powodowała wirowanie stopionego materiału, stwarzając duże ryzyko zamrożeń i pęknięć na zimno, zmniejszając właściwości mechaniczne.
Znaczna różnica uskoku oraz grubsza ściana w pobliżu wlotu tylnej belki wzdłużnej spowodowały powstanie dużych izolowanych kieszeni powietrznych po obu stronach. Obrobione maszynowo otwory w tej strefie powodują defekty porowatości szkodliwe dla wydajności.
Po wejściu stopu do belki progowej ciśnienie odlewania stale wzrastało do 30 MPa. Biorąc pod uwagę powierzchnię rzutu korpusu odlewu (18 136 cm²), wymagana była siła zwarcia wynosząca 69 000 kN. Biorąc pod uwagę współczynnik bezpieczeństwa 1,2 i uwzględniając system wlewowy (szacowana przewidywana powierzchnia ~25 000 cm²), wymagana siła zwarcia osiągnęła 90 000 kN, przekraczając możliwości maszyny 70 000 kN.
Wyniki analizy schematu S2:
Dodanie płozy bezpośrednio naprzeciw sterówki skróciło czas napełniania sterówki do 51 ms (w porównaniu z . 59 ms w przypadku S1). Całkowity czas wypełniania wyniósł 86 ms.
Turbulencje w obu sterówkach były bardziej wyraźne. Zawartość gazu była najwyższa w punkcie zlewania się stopu w belce poprzecznej na końcu--wypełnienia, co stwarzało duże ryzyko porowatości, pęknięć i wad skurczowych [7].
Problem przepływu zimnego powietrza w obszarze sterówki nie został skutecznie rozwiązany.
Wyniki analizy schematu S3:
Optymalizując prowadnicę w oparciu o poprzednie schematy, dodano studnie przelewowe w środku krawędzi sterówki i na środku końcowej belki poprzecznej. Zwiększono obszar wlotu (wymagając większej siły wtrysku, aby utrzymać prędkość). Siłę zwarcia maszyny zwiększono do 120 000 kN.
Temperatura krawędzi sterówki była niższa niż S1/S2, ale bliska temperatury likwidusu. Stop dotarł do wlewu po 305 ms (czas rozpoczynał się od napełnienia ciastkiem), przy maksymalnej prędkości 60 m/s. Wnęka wypełniła się całkowicie po 390 ms, co zajęło 85 ms. Ciśnienie odlewania wynosiło 40 MPa.
W oparciu o przewidywaną powierzchnię systemu wlewowego S3 (25 813 cm²), maksymalne ciśnienie odlewania, jakie mogła zapewnić maszyna o nacisku 120 000 kN, wyniosło 46,5 MPa, co spełniało wymagania.
Studnie przelewowe dodane obok sterówki poprawiły uwięzienie powietrza w porównaniu do S2. Bliskość wlotu również zmniejszyła ryzyko porowatości.
Do produkcji form wybrano schemat S3.
3 Metody testowania i wyniki
3.1-Parametry odlewania i metody testowania
Do produkcji wykorzystano maszynę do odlewania kokilowego Lijin o sile-120 000 kN. Stop C611 był materiałem-niepoddawanym-obróbce cieplnej (skład chemiczny zgodny ze specyfikacjami). W porównaniu z tradycyjnymi materiałami konstrukcyjnymi AlSi10MnMg, stopy niepoddawane-obróbce cieplnej- oferują lepszą-ciągliwość odlewu, co jest korzystne przy nitowaniu. Temperatura topnienia wynosiła 680 stopni. Dynamiczna i stała próżnia formy wynosiła 10 kPa.
Przebieg procesu: natryskiwanie → przedmuch- → zamykanie formy → nalewanie → odsysanie próżniowe → wtrysk → lokalne wyciskanie → bezpośrednie chłodzenie/chłodzenie punktowe → otwieranie formy → ekstrakcja za pomocą robota → kontrola integralności → hartowanie wodą → przycinanie i prostowanie → znakowanie → obsługa robota → odlewanie offline → ręczne gratowanie → kontrola wyglądu i wymiarów → przejście do następnego procesu.
Do wewnętrznej kontroli jakości wykorzystano wysokowydajną-9-osiową maszynę do kontroli rentgenowskiej Maice FSC. Próbki do rozciągania najpierw wycinano z korpusu odlewu w postaci małych półfabrykatów (długość 80-100 mm, szerokość 15-30 mm), a następnie obrabiano w standardowe próbki do rozciągania o długości pomiarowej 25 mm.
3.2 Wewnętrzna kontrola jakości
Wyniki kontroli rentgenowskiej nie wykazały żadnych znaczących defektów porowatości w obszarach wlotów, tylnej belki poprzecznej ani bocznych nadkolach odlewu tylnej podłogi. Jakość wewnętrzna zgodna ze standardami ASTM E505 poziom 2. Ze względu na grubsze ścianki, występy otworów obróbczych były podatne na porowatość, co wymagało dalszych kontroli pod kątem odsłoniętych porów i zgodności z normami dotyczącymi wyglądu. Testy utrzymywania obciążenia dla wkładek gwintowanych lub-wkrętów samogwintujących przeprowadzono przy użyciu maszyny do prób rozciągania CMT5305.
3.3 Właściwości mechaniczne przy rozciąganiu na podstawie próbek ciała
Właściwości mechaniczne testowano w 39 miejscach korpusu odlewu. Punkty poboru próbek zostały rozmieszczone symetrycznie (L: lewa strona ciała, R: prawa strona ciała), obejmując kluczowe obszary:
Pozycje 1-10: Krawędź sterówki (boczna krawędź nitowana).
Pozycje 11-20: Środkowa część sterówki.
Pozycje 21-23: Obszar wlotu (krawędź nitowania tylnej podłogi).
Pozycje 31-34: Krawędź połączenia przedniej pokrywy.
Pozycje 35-37: Przednia krawędź nitowania podłogi na końcu-wypełnienia.
Wyniki:
Wytrzymałość na rozciąganie (TS) i granica plastyczności (YS) były względnie stabilne w różnych lokalizacjach. Średnia TS wynosiła 237 MPa; średni YS wynosił 118,9 MPa.
Wydłużenie różniło się znacznie w zależności od lokalizacji, średnio tylko 6,5%, a w niektórych punktach poniżej 6%. Na średnią wartość wydłużenia wpływa miejsce i ilość próbek i służy ona jedynie jako odniesienie [9]. Dla porównania, inna tylna podłoga wykonana z tego samego materiału uzyskała średnie wydłużenie na poziomie 9%.
W oparciu o początkowe wymagania klienta dotyczące rozwoju, właściwości nadwozia (zwłaszcza wydłużenie w niektórych miejscach) nie mogły być w pełni spełnione. Dlatego też same wyniki pobierania próbek ciała nie mogą być jedynym kryterium kwalifikacji produktu. Ogólną wydajność należy ocenić na podstawie testów laboratoryjnych i wyników pełnej walidacji pojazdu.
4 Wniosek
(1) Do zaprojektowania i optymalizacji układu wlewowego dla odlewu tylnej podłogi ze stopu aluminium C611 wykorzystano oprogramowanie Magma. Symulacja wykazała, że znaczne różnice w grubości ścianek w obszarach schodkowych, w połączeniu z niską temperaturą stopu przepływającą przez te obszary, stwarzają ryzyko uwięzienia powietrza, zimnych zamków i pęknięć. Analiza ciśnienia wypełnienia w rejonie końcowej belki poprzecznej wykazała, że do pełnego ukształtowania tylnej podłogi konieczna jest-maszyna do odlewania ciśnieniowego o sile zwarcia przekraczającej 90 000 kN.
(2) Wybór do produkcji maszyny do odlewania kokilowego o wytrzymałości-120 000 kN w połączeniu z optymalizacją opartą na symulacji- skutecznie wyeliminował defekty porowatości i porowatości skurczowej. Jednakże pęknięcia podatne na występowanie w strefach przejściowych konstrukcji i obszarach o znacznych różnicach grubości ścianek miały wpływ na właściwości mechaniczne. Średnia granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie próbek wyciętych z korpusu odlewniczego tylnej podłogi C611 wyniosły odpowiednio 118,9 MPa, 237 MPa i 6,5%, zasadniczo spełniając główne cele projektowe (TS większe lub równe 215 MPa, YS większe lub równe 115 MPa, wydłużenie większe lub równe 6%).
(3) W porównaniu z tradycyjnymi procesami formowania, takimi jak nitowanie i tłoczenie, w zintegrowanej-odlewanej ciśnieniowo tylnej podłodze uzyskano redukcję masy przekraczającą 10%. Przyszłe przyjęcie maszyn-do odlewania kokilowego o masie 200 000 kN daje nadzieję na osiągnięcie krótkich-cykli, niskich-kosztów i wysokiej-wytrzymałości/wysokiej-ciągliwości produkcji zintegrowanych odlewów nadwozi samochodowych.
