Εισαγωγή
Η ενσωματωμένη τεχνολογία χύτευσης{0}}χύτευσης προσφέρει πλεονεκτήματα όπως υψηλή απόδοση παραγωγής και χαμηλό κόστος κατασκευής. Επί του παρόντος, σε μια φάση ταχείας ανάπτυξης, έχει δυνατότητες για την παραγωγή πολλαπλών μεγάλων εξαρτημάτων, την απλοποίηση των δομών του σώματος και την επανάσταση στις διαδικασίες κατασκευής αμαξώματος [1]. Το ενσωματωμένο χυτό πίσω δάπεδο-ενοποιεί πάνω από 70 αυθεντικά εξαρτήματα σε ένα μόνο εξάρτημα, μειώνοντας σημαντικά το βάρος του οχήματος και βελτιώνοντας την απόδοση παραγωγής. Καλούπια, επεξεργασίες,-μηχανές χύτευσης με μήτρα και ελεύθερα υλικά-επεξεργασίας-με θερμότητα αποτελούν τις τέσσερις βασικές τεχνολογίες της ολοκληρωμένης χύτευσης με καλούπι [2-3]. Οι μηχανές χύτευσης{14}}αναφέρονται συγκεκριμένα σε μηχανές-μεγάλης κλίμακας με δυνάμεις σύσφιξης άνω των 60.000 kN [4]. Τα υλικά χωρίς θερμική-επεξεργασία-που χρησιμοποιούνται κυρίως σήμερα είναι υψηλής-αντοχής, υψηλής{-σκληρότητας χυτά κράματα αλουμινίου [5], γνωστά για την υψηλή ειδική αντοχή, την εξαιρετική δυνατότητα χύτευσης, το μέτριο κόστος και την κατάσταση ως το κύριο υλικό για τα τρέχοντα ενσωματωμένα εξαρτήματα χυτού [6-cast automotive].
Τα εγχώρια μεγάλα χύτευση αλουμινίου- αντιμετωπίζουν την πρόκληση της μείωσης των ποσοστών απόδοσης με αυξανόμενη πολυπλοκότητα ενσωμάτωσης. Οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν τα ποσοστά προσόντων περιλαμβάνουν:
1. Ασταθής ποιότητα σε κρίσιμα σημεία φόρτωσης-: Οι επιφάνειες εγκατάστασης πύργων αμορτισέρ, υποπλαίσια και κολώνες C- απαιτούν υψηλές μηχανικές ιδιότητες. Αυτές οι περιοχές είναι συχνά δύσκολο να δειγματοληπτικά δοκιμάζονται, δεν πρέπει να περιέχουν εσωτερικούς πόρους που υπερβαίνουν τα πρότυπα και πρέπει να είναι απαλλαγμένες από κρύο κλείσιμο εξωτερικά. Συγκεκριμένα, η επιφάνεια εγκατάστασης της κολόνας C- κοντά στην άκρη της τιμονιέρας είναι επιρρεπής σε κρύο κλείσιμο.
2. Ασταθείς διαστάσεις σε κρίσιμες επιφάνειες ζευγαρώματος: Οι επιφάνειες εγκατάστασης πλευρικού πάνελ με λεπτά τοιχώματα στην άκρη χύτευσης είναι επιρρεπείς σε παραμόρφωση προς τα μέσα ή προς τα έξω ή ακόμα και σε συστροφή (μπροστά προς τα έξω, πίσω προς τα έξω). Αυτό θέτει σε κίνδυνο τη σταθερότητα μετά το ζευγάρωμα με τα αντίστοιχα εξαρτήματα και μπορεί να προκαλέσει προ{3}ασχηματισμένη κακή ευθυγράμμιση οπών, οδηγώντας σε αστοχία μηχανικής κατεργασίας [8-15].
Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί προσομοίωση για την πρόβλεψη ελαττωμάτων σε ένα ενσωματωμένο στοιχείο χυτού καλουπιού-πίσω δαπέδου και βελτιστοποιεί το σύστημα πύλης και υπερχείλισης για τη βελτίωση της εσωτερικής ποιότητας, με στόχο να παρέχει μια αναφορά για το σχεδιασμό παρόμοιων μεγάλων χυτών.
1 Δομικά Χαρακτηριστικά και Τεχνικές Απαιτήσεις
Η χύτευση πίσω δαπέδου αποτελεί το τμήμα δαπέδου προς τα πίσω της καμπίνας επιβατών, ενσωματώνοντας εξαρτήματα όπως αριστερό/δεξιό πίσω θάλαμο τροχών, πίσω διαμήκεις δοκούς, εγκάρσιες δοκούς, πλάκες σύνδεσης δαπέδου και εσωτερικές ενισχύσεις δοκών. Το χυτό έχει συνολικές διαστάσεις 1.630 mm × 1.624 mm × 666 mm, μάζα 63 kg, μέσο πάχος τοιχώματος 3 mm και προβλεπόμενη επιφάνεια 23.000 cm². Λόγω του μεγάλου μεγέθους, των λεπτών τοιχωμάτων και των σημαντικών απαιτήσεων χώρου, των μεγάλων χρόνων κύκλου και των κινδύνων παραμόρφωσης που σχετίζονται με τη θερμική επεξεργασία, επιβάλλεται ένα κράμα αλουμινίου χωρίς θερμική επεξεργασία.
Η διαδικασία SPR (Self-Piercing Riveting) είναι κατάλληλη για εν ψυχρή ένωση ανόμοιων υλικών από χάλυβα-αλουμινίου [8]. Κατά συνέπεια, το μπροστινό και το πίσω άκρο του καλουπιού συνδέονται με το μπροστινό και το πίσω συγκρότημα δαπέδου, αντίστοιχα, μέσω SPR. Η αριστερή και η δεξιά τιμονιέρα μπορούν επίσης να συνδεθούν στα πλαϊνά πάνελ μέσω SPR. Αν και αυτές οι τέσσερις ακμές δεν είναι κύριες ζώνες που φέρουν φορτίο-του πίσω δαπέδου, απαιτούν υψηλή στεγανότητα και ακεραιότητα σύνδεσης, που αντιστοιχεί στις απαιτήσεις για επιπεδότητα και υψηλή αντοχή-σκληρότητα του υλικού.
Απαιτήσεις εμφάνισης: Χωρίς ελαττώματα όπως κρύο κλείσιμο, ρωγμές και τσιπς.
Απαιτήσεις απόδοσης υλικού (Πριν-ψήσιμο):
Θέσεις SPR (Δειγματοληψία σώματος): Αντοχή σε εφελκυσμό μεγαλύτερη από ή ίση με 215 MPa, Αντοχή διαρροής μεγαλύτερη ή ίση με 115 MPa, Επιμήκυνση μεγαλύτερη ή ίση με 12%, Γωνία κάμψης μεγαλύτερη ή ίση με 20 μοίρες .
Πίσω μισό του τιμονιού (ελαφρώς χαμηλότερο): Αντοχή σε εφελκυσμό μεγαλύτερη από ή ίση με 215 MPa, Αντοχή διαρροής μεγαλύτερη ή ίση με 110 MPa, Επιμήκυνση μεγαλύτερη ή ίση με 6%, Γωνία κάμψης μεγαλύτερη ή ίση με 20 μοίρες.
Άλλες περιοχές: Απαίτηση επιμήκυνσης μεταξύ 6% και 12%.
Λαμβάνοντας υπόψη την εγγενή ανομοιογένεια των μηχανικών ιδιοτήτων σε δείγματα χυτού σώματος-, η επίτευξη συγκεκριμένων μηχανικών ιδιοτήτων παντού εντός καθορισμένων περιοχών είναι πρόκληση. Επομένως, απαιτούνται δοκιμές πάγκου για την επαλήθευση της απόδοσης του φορτίου του κλειδιού-των πύργων αμορτισέρ και των διαμήκων δοκών [9]. Οι δοκιμές πάγκου περιλαμβάνουν συνήθως δοκιμές αντοχής και σύνθλιψης:
Δοκιμές σύνθλιψης αντοχής και Z-κατεύθυνσης: Προσομοίωση φόρτισης του πίσω αμορτισέρ. Το μέσο φορτίο δοκιμής αντοχής είναι 11,5 kN. Κάτω από τη σύνθλιψη με κατεύθυνση Z, το πρώτο-στάδιο φόρτισης 38 kN απαιτεί παραμόρφωση σημείου φόρτωσης Λιγότερο ή ίσο με 3 mm. Το δεύτερο-στάδιο φόρτισης 74 kN δεν απαιτεί ρωγμές στο σημείο φόρτωσης.
X-Δοκιμή σύνθλιψης κατεύθυνσης: Προσομοιώνει τη διαμήκη φόρτιση δέσμης. Υπό μονόπλευρη δύναμη φόρτισης Μεγαλύτερη ή ίση με 206 kN, καμία ρωγμή και παραμόρφωση Πρέπει να σημειωθεί μικρότερη ή ίση με 3 mm στο σημείο φόρτωσης.
2 Die-Σχεδιασμός διαδικασίας χύτευσης
2.1 Σχεδιασμός συστήματος πύλης
Το αναπτυγμένο πίσω δάπεδο έχει ένα παράθυρο σύνδεσης μπροστινής πλάκας καλύμματος στο μπροστινό άκρο του. Ωστόσο, ο υψηλός λόγος διαστάσεων (3,14) και η θέση του στην άκρη καθιστούν την κεντρική πύλη ακατάλληλη. Υιοθετήθηκε μια προσέγγιση μονής-πλευρικής πύλης, τυπική για συμβατικά χύτευση με μήτρα-. Με βάση τα αποτελέσματα της ανάλυσης ροής Magma, τρία σχέδια δρομέων (S1, S2, S3) βελτιστοποιήθηκαν διαδοχικά:
Τα σχέδια S1 και S2 χρησιμοποίησαν μια μηχανή χύτευσης 70.000 kN.
Ο σχεδιασμός S3 χρησιμοποίησε μια μηχανή χύτευσης 120.000 kN-, ενσωμάτωσε μικρές δομικές βελτιστοποιήσεις στο σώμα χύτευσης και αυξημένη διάμετρο εμβόλου, αριθμό εισαγωγών και περιοχή εισόδου.
2.2 Ανάλυση προσομοίωσης πλήρωσης και στερεοποίησης
Το λογισμικό Magma προσομοίωσε τη διαδικασία χύτευσης του πίσω δαπέδου-. Το υλικό καλουπιού ήταν χάλυβας εργαλείων H13. Το υλικό χύτευσης ήταν C611 υψηλής-αντοχής, υψηλής-σκληρότητας κράμα αλουμινίου [1]. Σετ παραμέτρων: Θερμοκρασία τήξης 680 μοίρες, Θερμοκρασία εμβόλου 200 μοίρες, θερμοκρασία περιβλήματος 250 μοίρες, θερμοκρασία καλουπιού 180 μοίρες. Οι παράμετροι έγχυσης διέφεραν ανά σχήμα.
Αποτελέσματα ανάλυσης σχήματος S1:
Στο τέλος-του-γεμίσματος, η θέση του άκρου της τιμονιέρας είχε τη χαμηλότερη θερμοκρασία (~618,6 μοίρες ) και στερεοποιήθηκε πρώτη (στερεό κλάσμα ~1%). Η πραγματική χύτευση απαιτεί υψηλότερη θερμοκρασία τήγματος και εστιασμένη παρακολούθηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας του καλουπιού σε αυτήν την περιοχή. Λόγω των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας του καλουπιού, υπάρχει κίνδυνος κρύου κλεισίματος στο μεσαίο-άκρο της τιμονιέρας.
Όταν το τήγμα έφτασε στο μισό της πίσω κοιλότητας, η περιοχή περιορισμένης ροής προκάλεσε ταχύτητες πλήρωσης έως και 60 m/s. Δύο ρεύματα τήγματος συνέκλιναν στο κέντρο της ακραίας εγκάρσιας δοκού. Η υψηλή ταχύτητα προκάλεσε στροβιλισμό τήγματος, δημιουργώντας υψηλό κίνδυνο κρύου κλεισίματος και ρωγμών, μειώνοντας τις μηχανικές ιδιότητες.
Μια σημαντική διαφορά βημάτων και το παχύτερο τοίχωμα κοντά στην είσοδο της πίσω διαμήκους δοκού προκάλεσαν μεγάλες απομονωμένες θήκες αέρα και στις δύο πλευρές. Οι επεξεργασμένες οπές σε αυτή τη ζώνη κάνουν τα ελαττώματα πορώδους επιζήμια για την απόδοση.
Μετά την είσοδο του τήγματος στη δέσμη του περβάζι, η πίεση χύτευσης αυξήθηκε σταθερά στα 30 MPa. Με βάση την προβαλλόμενη περιοχή του σώματος χύτευσης (18.136 cm²), αυτό απαιτούσε δύναμη σύσφιξης 69.000 kN. Λαμβάνοντας υπόψη τον συντελεστή ασφαλείας 1,2 και συμπεριλαμβανομένου του συστήματος πύλης (εκτιμώμενη προβλεπόμενη περιοχή ~25.000 cm²), η απαιτούμενη δύναμη σύσφιξης έφτασε τα 90.000 kN, υπερβαίνοντας τη χωρητικότητα της μηχανής 70.000 kN.
Αποτελέσματα ανάλυσης σχήματος S2:
Η προσθήκη ενός δρομέα ακριβώς απέναντι από την τιμονιέρα μείωσε τον χρόνο πλήρωσης της τιμονιέρας στα 51 ms (έναντι. 59 ms για το S1). Ο συνολικός χρόνος πλήρωσης ήταν 86 ms.
Οι αναταράξεις και στις δύο τιμονιέρες ήταν πιο έντονες. Η περιεκτικότητα σε αέριο ήταν υψηλότερη στο σημείο συρροής τήγματος στην εγκάρσια δοκό στο άκρο-του-πλήρωσης, δημιουργώντας υψηλούς κινδύνους για πορώδες, ρωγμές και ελαττώματα συρρίκνωσης [7].
Το ζήτημα της ψυχρής ροής στην περιοχή της τιμονιέρας δεν επιλύθηκε αποτελεσματικά.
Αποτελέσματα ανάλυσης σχήματος S3:
Βελτιστοποιώντας τον δρομέα με βάση τα προηγούμενα σχήματα, προστέθηκαν φρεάτια υπερχείλισης στο κέντρο του άκρου της τιμονιέρας και στο κέντρο της ακραίας εγκάρσιας δοκού. Η περιοχή εισόδου αυξήθηκε (απαιτείται μεγαλύτερη δύναμη έγχυσης για να διατηρηθεί η ταχύτητα). Η δύναμη σύσφιξης της μηχανής αναβαθμίστηκε στα 120.000 kN.
Η θερμοκρασία της ακμής του τιμονιού ήταν χαμηλότερη από το S1/S2 αλλά κοντά στη θερμοκρασία του υγρού. Το τήγμα έφτασε στις εισόδους στα 305 ms (ο χρονισμός ξεκίνησε από το γέμισμα μπισκότου), με μέγιστη ταχύτητα 60 m/s. Η κοιλότητα γέμισε πλήρως στα 390 ms, χρειάζοντας 85 ms. Η πίεση χύτευσης ήταν 40 MPa.
Με βάση την προβλεπόμενη περιοχή του συστήματος πύλης S3 (25.813 cm²), η μέγιστη πίεση χύτευσης που μπορούσε να προσφέρει το μηχάνημα 120.000 kN ήταν 46,5 MPa, ικανοποιώντας την απαίτηση.
Τα φρεάτια υπερχείλισης που προστέθηκαν δίπλα στην τιμονιέρα βελτίωσαν την παγίδευση αέρα σε σύγκριση με το S2. Η εγγύτητα στην είσοδο μείωσε επίσης τον κίνδυνο πορώδους.
Το σχήμα S3 επιλέχθηκε για την κατασκευή καλουπιών.
3 Μέθοδοι δοκιμής και αποτελέσματα
3.1 Die-Παράμετροι χύτευσης και μέθοδοι δοκιμής
Η παραγωγή χρησιμοποίησε μια μηχανή χύτευσης Lijin 120.000 kN-. Το κράμα ήταν C611 υλικό χωρίς θερμική-επεξεργασία- (η χημική σύνθεση πληρούσε τις προδιαγραφές). Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά δομικά υλικά AlSi10MnMg, τα ελεύθερα κράματα-επεξεργασίας{10}}με θερμική επεξεργασία προσφέρουν καλύτερα ως-σκληρότητα χύτευσης, ευεργετικά για το κάρφωμα. Η θερμοκρασία τήξης ήταν 680 βαθμοί. Το δυναμικό και σταθερό κενό καλουπιού ήταν 10 kPa.
Ροή διεργασίας: Ψεκασμός → Φούσκωμα-απενεργοποίηση → Κλείσιμο καλουπιού → Έκχυση → Εκκένωση κενού → Έγχυση → Τοπική συμπίεση → Άμεση ψύξη/Σημική ψύξη → Άνοιγμα καλουπιού → Εξαγωγή ρομπότ → Έλεγχος ακεραιότητας → Σβήσιμο νερού → Σήμανση χύτευσης και ίσιωμα → Χειροκίνητη αφαίρεση γρεζιών → Έλεγχος εμφάνισης & διαστάσεων → Μεταφορά στην επόμενη διαδικασία.
Η εσωτερική επιθεώρηση ποιότητας χρησιμοποίησε ένα μηχάνημα επιθεώρησης ακτίνων Χ βαρέως-άξονα 9-Maice FSC. Τα δείγματα εφελκυσμού αρχικά κόπηκαν από το σώμα χύτευσης ως μικρά κενά (μήκος 80-100 mm, πλάτος 15-30 mm), στη συνέχεια κατεργάστηκαν σε τυπικά δείγματα εφελκυσμού με μήκος μετρητή 25 mm.
3.2 Εσωτερικός ποιοτικός έλεγχος
Τα αποτελέσματα της επιθεώρησης με ακτίνες Χ-δεν έδειξαν σημαντικά ελαττώματα πορώδους στις περιοχές εισόδου, στην πίσω εγκάρσια δοκό ή στους πλευρικούς τροχούς του πίσω χυτού δαπέδου. Η εσωτερική ποιότητα πληροί τα πρότυπα ASTM E505 Level 2. Λόγω των παχύτερων τοίχων, οι προεξοχές οπών κατεργασίας ήταν επιρρεπείς σε πορώδες, απαιτώντας περαιτέρω ελέγχους για εκτεθειμένους πόρους και συμμόρφωση με τα πρότυπα εμφάνισης. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές συγκράτησης φορτίου για ένθετα με σπείρωμα ή αυτο{6}}βίδες με τη χρήση μιας μηχανής δοκιμής εφελκυσμού CMT5305.
3.3 Μηχανικές ιδιότητες εφελκυσμού από τη δειγματοληψία σώματος
Οι μηχανικές ιδιότητες δοκιμάστηκαν σε 39 θέσεις στο σώμα χύτευσης. Τα σημεία δειγματοληψίας κατανεμήθηκαν συμμετρικά (L: αριστερή πλευρά σώματος, R: δεξιά πλευρά σώματος), καλύπτοντας βασικές περιοχές:
Θέσεις 1-10: Χείλος τιμονιού (πλευρική ακμή πριτσίνωσης).
Θέσεις 11-20: Μέσο τμήμα τιμονιού.
Θέσεις 21-23: Περιοχή εισόδου (πίσω άκρο διάταξης δαπέδου).
Θέσεις 31-34: Άκρη σύνδεσης μπροστινής πλάκας καλύμματος.
Θέσεις 35-37: Μπροστινή άκρη δαπέδου στο άκρο-του γεμίσματος.
Αποτελέσματα:
Η αντοχή εφελκυσμού (TS) και η αντοχή διαρροής (YS) ήταν σχετικά σταθερές σε όλες τις τοποθεσίες. Ο μέσος όρος TS ήταν 237 MPa. Το μέσο YS ήταν 118,9 MPa.
Η επιμήκυνση ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με την τοποθεσία, κατά μέσο όρο μόνο 6,5%, με ορισμένα σημεία κάτω από 6%. Η μέση τιμή επιμήκυνσης επηρεάζεται από τη θέση και την ποσότητα δειγματοληψίας και χρησιμεύει μόνο ως αναφορά [9]. Για σύγκριση, ένα άλλο πίσω δάπεδο χρησιμοποιώντας το ίδιο υλικό πέτυχε μέση επιμήκυνση 9%.
Με βάση τις αρχικές απαιτήσεις ανάπτυξης του πελάτη, οι ιδιότητες του αμαξώματος (ειδικά η επιμήκυνση σε ορισμένες τοποθεσίες) δεν μπορούσαν να ικανοποιηθούν πλήρως. Επομένως, τα αποτελέσματα δειγματοληψίας σώματος από μόνα τους δεν μπορούν να είναι το μοναδικό κριτήριο για την πιστοποίηση του προϊόντος. Η συνολική απόδοση πρέπει να κριθεί με βάση τις δοκιμές πάγκου και τα αποτελέσματα πλήρους επικύρωσης του οχήματος.
4 Συμπέρασμα
(1) Το λογισμικό Magma χρησιμοποιήθηκε για το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση του συστήματος πύλης για τη χύτευση πίσω δαπέδου από κράμα αλουμινίου C611. Η προσομοίωση αποκάλυψε ότι σημαντικές διακυμάνσεις στο πάχος του τοιχώματος στις περιοχές των βημάτων, σε συνδυασμό με τη χαμηλή θερμοκρασία τήγματος που ρέει μέσω αυτών των περιοχών, δημιουργούν κινδύνους για παγίδευση αέρα, κρύα κλεισίματα και ρωγμές. Η ανάλυση της πίεσης πλήρωσης στην ακραία περιοχή εγκάρσιας δοκού έδειξε ότι μια μηχανή χύτευσης{4}με δύναμη σύσφιξης άνω των 90.000 kN είναι απαραίτητη για την πλήρη διαμόρφωση του πίσω δαπέδου.
(2) Η επιλογή μιας μηχανής χύτευσης μήτρας 120.000 kN για παραγωγή, σε συνδυασμό με βελτιστοποίηση βάσει προσομοίωσης-, εξάλειψε αποτελεσματικά τα ελαττώματα πορώδους και πορώδους συρρίκνωσης. Ωστόσο, οι ρωγμές που είναι επιρρεπείς σε δομικές μεταβατικές ζώνες και περιοχές με σημαντικές διακυμάνσεις πάχους τοιχώματος επηρέασαν τις μηχανικές ιδιότητες. Η μέση αντοχή διαρροής, η αντοχή σε εφελκυσμό και η επιμήκυνση από τα δείγματα που κόπηκαν από το πίσω σώμα χύτευσης δαπέδου C611 ήταν 118,9 MPa, 237 MPa και 6,5% αντίστοιχα, ικανοποιώντας ουσιαστικά τους κύριους σχεδιαστικούς στόχους (TS μεγαλύτερο ή ίσο με 215 MPa, YS μεγαλύτερο ή ίσο με 5 MPa, ή ίσο με El1).
(3) Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές διαδικασίες διαμόρφωσης, όπως το πριτσίνωμα και το σφράγισμα, το ενσωματωμένο χυτό πίσω δάπεδο με καλούπι-πέτυχε μείωση βάρους άνω του 10%. Η μελλοντική υιοθέτηση μηχανών χύτευσης 200.000 kN υπόσχεται την επίτευξη σύντομου-κύκλου, χαμηλού-κόστους και υψηλής-αντοχής/υψηλής{10}} κατασκευής ολοκληρωμένων χυτών αμαξωμάτων αυτοκινήτου.
