Zavedení
Integrovaná technologie tlakového lití- nabízí výhody, jako je vysoká efektivita výroby a nízké výrobní náklady. V současné době je ve fázi rychlého vývoje a má potenciál pro výrobu více velkých komponent, zjednodušení struktury těla a revoluci v procesech výroby karoserie [1]. Integrovaná-odlitá zadní podlaha spojuje více než 70 originálních dílů do jediné součásti, což výrazně snižuje hmotnost vozidla a zlepšuje efektivitu výroby. Formy, procesní, tlakové{7}}licí stroje a materiály bez tepelného-zpracování- představují čtyři základní technologie integrovaného-lití pod tlakem [2-3]. Tlakové-stroje na lití pod tlakem konkrétně odkazují na velkorozměrové{19}stroje s uzavírací silou přesahující 60 000 kN [4]. Materiály bez tepelného -zpracování-hlavně používané dnes jsou vysoce-pevnostní, vysoce-houževnaté hliníkové slitiny [5], známé pro svou vysokou specifickou pevnost, vynikající slévatelnost, nízkou cenu a status primárního materiálu pro současné integrované tlakově lité automobilové komponenty [6-7].
Domácí velké hliníkové odlitky-čelí výzvě snižování výnosů se zvyšující se složitostí integrace. Mezi klíčové faktory ovlivňující míru kvalifikace patří:
1. Nestabilní kvalita v místech kritického zatížení-: Instalační povrchy pro věže tlumičů, pomocné rámy a C-sloupky vyžadují vysoké mechanické vlastnosti. Z těchto oblastí je často obtížné testovat vzorky, nesmějí obsahovat vnitřní póry překračující normy a musí být bez studených uzávěrů zvenčí. Pozoruhodné je, že instalační povrch C-sloupku poblíž okraje kormidelny je náchylný k zavírání za studena.
2. Nestabilní rozměry na kritických dosedacích plochách: Tenkostěnné-instalační plochy bočních panelů na odlévací hraně jsou náchylné k vnitřní nebo vnější deformaci nebo dokonce zkroucení (přední ven, zadní ven). To ohrožuje stabilitu po spojení s protilehlými díly a může způsobit nesouosost předem vytvořených otvorů, což vede k selhání obrábění [8-15].
Tato studie využívá simulaci k předpovědi defektů v integrovaném{0}}odlitku zadní podlahy a optimalizuje systém vtoků a přepadů, aby se zlepšila vnitřní kvalita, s cílem poskytnout referenci pro navrhování podobných velkých odlitků.
1 Konstrukční charakteristiky a technické požadavky
Zadní podlahový odlitek tvoří podlahovou část za prostorem pro cestující a integruje komponenty jako podběhy levého/pravého zadního kola, zadní podélné nosníky, příčné nosníky, podlahové spojovací desky a výztuhy vnitřních nosníků. Odlitek má celkové rozměry 1 630 mm × 1 624 mm × 666 mm, hmotnost 63 kg, průměrnou tloušťku stěny 3 mm a projektovanou plochu 23 000 cm². Vzhledem k velkým rozměrům, tenkým stěnám a značným prostorovým nárokům, dlouhým cyklům a rizikům zkreslení spojeným s tepelným zpracováním je vyžadována hliníková slitina bez tepelného zpracování{12}}.
Proces SPR (Self{0}}Piercing Riveting) je vhodný pro studené spojování rozdílných ocelových-hliníkových materiálů [8]. V důsledku toho jsou přední a zadní konce odlitku připojeny k sestavě přední podlahy a zadní podlahy prostřednictvím SPR. Levá a pravá kormidelna lze také připojit k bočním panelům pomocí SPR. I když tyto čtyři hrany nejsou primárními nosnými-zónami zadní podlahy, vyžadují vysokou integritu těsnění a spojení, odpovídající požadavkům na rovinnost a vysokou pevnost-houževnatost materiálu.
Požadavky na vzhled: Bez vad, jako jsou studené uzávěry, praskliny a třísky.
Požadavky na materiálový výkon (před-pečením):
Umístění SPR (vzorkování těla): Pevnost v tahu větší nebo rovna 215 MPa, mez kluzu větší nebo rovna 115 MPa, prodloužení větší nebo rovné 12 %, úhel ohybu větší nebo roven 20 stupňům.
Zadní polovina podběhu (mírně nižší): Pevnost v tahu větší nebo rovna 215 MPa, mez kluzu větší nebo rovna 110 MPa, prodloužení větší nebo rovné 6 %, úhel ohybu větší nebo roven 20 stupňům.
Ostatní oblasti: Požadavek na prodloužení mezi 6 % a 12 %.
S ohledem na inherentní nehomogenitu mechanických vlastností ve vzorcích těles odlévaných pod tlakem{0} je dosažení specifikovaných mechanických vlastností všude v určených oblastech náročné. Proto jsou vyžadovány testy na zkušební stolici, aby se ověřila klíčová zátěž-provedení věží tlumičů a podélných nosníků [9]. Testy na zkušebním stavu obvykle zahrnují testy odolnosti a deformace:
Odolnost a nárazové testy ve směru Z-: Simulujte zatížení zadního tlumiče. Střední zatížení testu odolnosti je 11,5 kN. Při deformaci ve směru Z-zatížení první-etapy 38 kN vyžaduje deformaci zatěžovacího bodu Menší nebo rovna 3 mm; druhý-stupeň zatížení 74 kN nevyžaduje žádné praskání v místě zatížení.
X-směr Crush Test: Simuluje zatížení podélného nosníku. Při jednostranné zatěžovací síle větší nebo rovné 206 kN nesmí dojít k prasknutí a deformaci v místě zatěžování musí být menší nebo rovna 3 mm.
2-Návrh procesu lití
2.1 Návrh hradlového systému
Vyvinutá zadní podlaha má na svém předním konci okénko pro připojení předního krycího plechu. Jeho vysoký poměr stran (3,14) a umístění okrajů však činí středové vstřikování nevhodným. Byl přijat přístup s jedním-postranním vtokem, typický pro konvenční tlakové lití-. Na základě výsledků analýzy toku magmy byly postupně optimalizovány tři návrhy žlabů (S1, S2, S3):
Konstrukce S1 a S2 využívaly 70 000 kN tlakové licí-stroje.
Design S3 využíval 120 000 kN tlakový licí stroj-, začlenil drobné konstrukční optimalizace do odlévacího těla a zvětšil průměr plunžru, počet vtoků a oblast vtoků.
2.2 Analýza simulace plnění a tuhnutí
Software Magma simuloval proces lití zadní podlahy-. Materiál formy byla nástrojová ocel H13; odlévacím materiálem byla hliníková slitina C611 s vysokou-pevností a vysokou-houževnatostí [1]. Nastavené parametry: Teplota taveniny 680 stupňů, Teplota plunžru 200 stupňů, Teplota výstřelu 250 stupňů, Teplota formy 180 stupňů. Parametry vstřikování se lišily podle schématu.
Výsledky analýzy schématu S1:
Na konci--naplnění měla okrajová poloha kormidelny nejnižší teplotu (~618,6 stupně) a nejprve ztuhla (pevná frakce ~1 %). Skutečné odlévání vyžaduje vyšší teplotu taveniny a cílené sledování teploty povrchu formy v této oblasti. Kvůli kolísání teploty formy existuje riziko studeného uzavření na okraji střední části kormidelny-.
Když tavenina dosáhla poloviny zadní dutiny, omezená oblast toku způsobila rychlost plnění až 60 m/s. Dva proudy taveniny se sbíhaly ve středu koncového příčného nosníku. Vysoká rychlost způsobila víření taveniny, což vytvořilo vysoké riziko studených uzávěrů a prasklin, což snížilo mechanické vlastnosti.
Výrazný schodový rozdíl a silnější stěna v blízkosti zadního podélného nosníku způsobily velké izolované vzduchové kapsy na obou stranách. Obrobené otvory v této zóně způsobují, že defekty poréznosti jsou škodlivé pro výtěžnost.
Poté, co tavenina vstoupila do prahového nosníku, licí tlak plynule rostl na 30 MPa. Na základě projektované plochy odlitku (18 136 cm²) to vyžadovalo upínací sílu 69 000 kN. Při uvážení bezpečnostního faktoru 1,2 a včetně vtokového systému (odhadovaná projektovaná plocha ~25 000 cm²) dosáhla požadovaná upínací síla 90 000 kN, což převyšuje kapacitu stroje 70 000 kN.
Výsledky analýzy schématu S2:
Přidání kluzáku přímo naproti kormidelně zkrátilo dobu plnění kormidelny na 51 ms (oproti . 59 ms pro S1). Celková doba vyplnění byla 86 ms.
Turbulence v obou kormidelnách byly výraznější. Obsah plynu byl nejvyšší v bodě soutoku taveniny v příčném nosníku na konci--výplně, což představovalo vysoké riziko pro poréznost, praskliny a vady smršťování [7].
Problém proudění chladu v oblasti kormidelny nebyl účinně vyřešen.
Výsledky analýzy schématu S3:
Optimalizací oběžného kola na základě předchozích schémat byly přidány přepadové jímky ve středu okraje kormidelny a uprostřed koncového příčníku. Byla zvětšena plocha vstřiku (vyžaduje vyšší vstřikovací sílu pro udržení rychlosti). Upínací síla stroje byla zvýšena na 120 000 kN.
Okrajová teplota kormidelny byla nižší než S1/S2, ale blížila se teplotě likvidu. Tavenina dosáhla ingotů za 305 ms (časování začalo od plnění sušenek), s maximální rychlostí 60 m/s. Dutina se zcela naplnila při 390 ms, což trvalo 85 ms. Licí tlak byl 40 MPa.
Na základě projektované plochy vtokového systému S3 (25 813 cm²) byl maximální licí tlak, který mohl stroj 120 000 kN poskytnout, 46,5 MPa, což splnilo požadavek.
Přepadové šachty přidané vedle kormidelny zlepšily zadržování vzduchu ve srovnání s S2. Blízkost vložky také snížila riziko poréznosti.
Pro výrobu forem bylo vybráno schéma S3.
3 Testovací metody a výsledky
3.1 -Parametry lití a testovací metody
Při výrobě byl použit tlakový-licí stroj Lijin 120 000 kN. Slitina byla materiálem bez tepelného -zpracování- C611 (chemické složení odpovídalo specifikacím). Ve srovnání s tradičními konstrukčními materiály AlSi10MnMg nabízejí slitiny bez tepelného -zpracování{10}} lepší-houževnatost odlitku, což je výhodné pro nýtování. Teplota tání byla 680 stupňů. Dynamické a pevné vakuum formy bylo 10 kPa.
Průtok procesu: Stříkání → Foukání-vypnuto → Zavírání formy → Odlévání → Vakuové odsávání → Vstřikování → Místní vytlačování → Přímé chlazení/bodové chlazení → Otevření formy → Robotická extrakce → Kontrola integrity → Kalení vodou → Ořezávání a rovnání → Značení → Manipulace s robotem → Odlévání offline → Kontrola dalšího procesu Odjehlování a odstraňování otřepů.
Interní kontrola kvality používala Maice FSC těžký-výkonný 9{2}}osý rentgenový kontrolní stroj. Tahové vzorky byly nejprve vyříznuty z tělesa odlitku jako malé polotovary (80-100 mm délka, 15-30 mm šířka), poté obrobeny do standardních tahových vzorků s měrnou délkou 25 mm.
3.2 Interní kontrola kvality
Výsledky rentgenové kontroly neukázaly žádné významné vady pórovitosti v oblastech vhozu, zadního příčníku nebo bočních podběhů zadního podlahového odlitku. Vnitřní kvalita splňuje normy ASTM E505 Level 2. Kvůli silnějším stěnám byly nálitky obráběcích otvorů náchylné k poréznosti, což vyžadovalo další kontroly na odhalené póry a dodržování standardů vzhledu. Testy udržení zatížení pro závitové vložky nebo samořezné šrouby{6}} byly provedeny pomocí stroje CMT5305 pro testování tahem.
3.3 Mechanické vlastnosti v tahu ze vzorkování těles
Mechanické vlastnosti byly testovány na 39 místech odlitku. Body odběru vzorků byly symetricky rozmístěny (L: levá strana těla, R: pravá strana těla), pokrývající klíčové oblasti:
Pozice 1-10: Hrana kormidelny (boční nýtovací hrana).
Pozice 11-20: Střední část kormidelny.
Pozice 21-23: Oblast Ingate (nýtovací hrana sestavy zadní podlahy).
Pozice 31-34: Připojovací hrana přední krycí desky.
Pozice 35-37: Přední nýtovací okraj podlahy na konci-výplně.
Výsledky:
Pevnost v tahu (TS) a mez kluzu (YS) byly na různých místech relativně stabilní. Průměrný TS byl 237 MPa; průměrná YS byla 118,9 MPa.
Prodloužení se výrazně lišilo podle místa, v průměru pouze 6,5 %, s některými body pod 6 %. Průměrná hodnota prodloužení je ovlivněna místem odběru a množstvím a slouží pouze jako referenční [9]. Pro srovnání, další zadní podlaha s použitím stejného materiálu dosáhla průměrného prodloužení 9 %.
Na základě počátečních požadavků zákazníka na vývoj nebylo možné plně splnit vlastnosti karoserie (zejména tažnost na některých místech). Samotné výsledky odběru vzorků z těla proto nemohou být jediným kritériem pro kvalifikaci produktu. Celkový výkon musí být posouzen na základě výsledků zkoušek na zkušební stolici a úplného ověření vozidla.
4 Závěr
(1) Software Magma byl použit k návrhu a optimalizaci vtokového systému pro odlitek zadní podlahy z hliníkové slitiny C611. Simulace odhalila, že výrazné změny tloušťky stěny ve stupňovitých oblastech v kombinaci s nízkou teplotou taveniny protékající těmito oblastmi vytvářejí rizika pro zachycení vzduchu, studené uzávěry a trhliny. Analýza plnicího tlaku v oblasti koncového příčníku ukázala, že pro úplné vytvarování zadní podlahy je nutný tlakový licí stroj s uzavírací silou přesahující 90 000 kN.
(2) Výběr 120 000 kN tlakového licího stroje pro výrobu-ve spojení s optimalizací založenou na simulaci- účinně eliminovaly defekty pórovitosti a smršťování. Praskliny náchylné k výskytu v přechodových zónách struktury a oblastech s významnými změnami tloušťky stěny však ovlivnily mechanické vlastnosti. Průměrná mez kluzu, pevnost v tahu a prodloužení ze vzorků vyříznutých z tělesa zadního podlahového odlitku C611 byly 118,9 MPa, 237 MPa a 6,5 %, v uvedeném pořadí, což v podstatě splnilo hlavní cíle návrhu (TS větší nebo rovno 215 MPa, YS větší nebo rovno 115 MPa, délka větší než 6, E. %)
(3) Ve srovnání s tradičními tvářecími procesy, jako je nýtování a lisování, dosáhla integrovaná-litá zadní podlaha snížení hmotnosti o více než 10 %. Budoucí přijetí 200 000 kN tlakových-licích strojů je příslibem pro dosažení krátkého-cyklu, nízkých-nákladů a vysoké-pevnosti/vysoké{10}}houževnatosti integrovaných odlitků automobilových karoserií.
