Úvod
Integrovaná technológia{0}}odlievania ponúka výhody, ako je vysoká efektívnosť výroby a nízke výrobné náklady. V súčasnosti vo fáze rýchleho vývoja má potenciál na výrobu viacerých veľkých komponentov, zjednodušenie štruktúr tela a prevrat v procesoch výroby karosérie [1]. Integrovaná-odliata zadná podlaha spája viac ako 70 originálnych dielov do jedného komponentu, čím výrazne znižuje hmotnosť vozidla a zvyšuje efektivitu výroby. Formy, procesné, tlakové{7}}stroje na tlakové liatie a materiály bez tepelného-úpravy- predstavujú štyri základné technológie integrovaného-odlievania [2-3]. Stroje na tlakové liatie{14} sa konkrétne týkajú veľkorozmerných{19}strojov s upínacími silami presahujúcimi 60 000 kN [4]. Materiály bez{20}}tepelného spracovania-predovšetkým dnes používané sú vysoko{22}}pevné, vysoko{24}}houževnaté hliníkové zliatiny [5], známe svojou vysokou špecifickou pevnosťou, vynikajúcou zlievateľnosťou, miernou cenou a statusom primárneho materiálu pre súčasné integrované tlakovo liate automobilové komponenty [6-7].
Domáce veľké hliníkové odliatky-čelia výzve znižovania výnosovosti so zvyšujúcou sa zložitosťou integrácie. Medzi kľúčové faktory ovplyvňujúce mieru kvalifikácie patria:
1. Nestabilná kvalita v bodoch kritického zaťaženia-: Inštalačné plochy pre veže tlmičov, pomocné rámy a C-stĺpiky vyžadujú vysoké mechanické vlastnosti. Tieto oblasti sa často ťažko testujú na vzorkách, nesmú obsahovať vnútorné póry presahujúce normy a musia byť bez vonkajších studených uzáverov. Pozoruhodné je, že inštalačný povrch C-stĺpika v blízkosti okraja kormidlovne je náchylný na studené uzávery.
2. Nestabilné rozmery na kritických spojovacích plochách: Tenkostenné inštalačné plochy bočných panelov na odlievacej hrane sú náchylné na vnútornú alebo vonkajšiu deformáciu alebo dokonca na skrútenie (predné smerom von, zadné smerom von). To ohrozuje stabilitu po spojení s protiľahlými dielmi a môže spôsobiť nesúosovosť vopred vytvorených otvorov, čo vedie k poruche obrábania [8-15].
Táto štúdia využíva simuláciu na predpovedanie defektov v integrovanom{0}}odliatkovom komponente zadnej podlahy a optimalizuje vtokový a prepadový systém na zlepšenie vnútornej kvality s cieľom poskytnúť referenciu pre navrhovanie podobných veľkých odliatkov.
1 Štrukturálne charakteristiky a technické požiadavky
Zadný podlahový odliatok tvorí podlahovú časť za priestorom pre cestujúcich, pričom integruje komponenty ako ľavé/pravé zadné podbehy, zadné pozdĺžne nosníky, priečne nosníky, podlahové spojovacie dosky a vnútorné výstuhy nosníkov. Odliatok má celkové rozmery 1 630 mm × 1 624 mm × 666 mm, hmotnosť 63 kg, priemernú hrúbku steny 3 mm a projektovanú plochu 23 000 cm². Vďaka veľkým rozmerom, tenkým stenám a značným priestorovým nárokom, dlhým cyklom a rizikám deformácie spojeným s tepelným spracovaním je hliníková zliatina bez tepelného spracovania{12}}povinná.
Proces SPR (Self{0}}Prepichovacie nitovanie) je vhodný na spájanie rôznych oceľových-hliníkových materiálov za studena [8]. V dôsledku toho je predný a zadný koniec odliatku spojený s prednou podlahou a zadnou zostavou podlahy prostredníctvom SPR. Ľavé a pravé kormidlovne sa tiež dajú pripojiť k bočným panelom cez SPR. Aj keď tieto štyri hrany nie sú primárne nosné-zóny zadnej podlahy, vyžadujú si vysokú integritu tesnenia a spojenia, čo zodpovedá požiadavkám na rovinnosť a vysokú pevnosť-houževnatosti materiálu.
Požiadavky na vzhľad: Bez chýb, ako sú studené uzávery, praskliny a triesky.
Požiadavky na materiálový výkon (pred-pečením):
Umiestnenie SPR (odber vzoriek tela): Pevnosť v ťahu väčšia alebo rovná 215 MPa, medza klzu väčšia alebo rovná 115 MPa, predĺženie väčšie alebo rovné 12 %, uhol ohybu väčší alebo rovný 20 stupňom.
Zadná polovica podbehu (mierne nižšia): Pevnosť v ťahu väčšia alebo rovná 215 MPa, medza klzu väčšia alebo rovná 110 MPa, predĺženie väčšie alebo rovné 6 %, uhol ohybu väčší alebo rovný 20 stupňom.
Ostatné oblasti: Požiadavka na predĺženie medzi 6% a 12%.
Vzhľadom na inherentnú nehomogenitu mechanických vlastností vo vzorkách karosérií odlievaných pod tlakom{0} je dosiahnutie špecifikovaných mechanických vlastností všade v určených oblastiach náročné. Preto sú potrebné testy na skúšobnej stolici, aby sa overila kľúčová záťaž-výkonnosti veží tlmičov a pozdĺžnych nosníkov [9]. Testy na skúšobnom zariadení zvyčajne zahŕňajú testy odolnosti a deformácie:
Odolnosť a nárazové testy v smere Z{0}}: Simulujte zaťaženie zadného tlmiča. Stredné zaťaženie testu odolnosti je 11,5 kN. Pri deformácii v smere Z-zaťaženie v prvej-fáze 38 kN vyžaduje deformáciu bodu zaťaženia 3 mm alebo menej; druhá-etapa zaťaženia 74 kN nevyžaduje žiadne praskanie v mieste zaťaženia.
X-smer Crush Test: Simuluje pozdĺžne zaťaženie nosníka. Pri jednostrannej zaťažovacej sile väčšej alebo rovnej 206 kN nesmie dôjsť k prasknutiu a deformácii V bode zaťaženia nesmie dôjsť k prasknutiu a deformácii rovnajúcej sa alebo menšej ako 3 mm.
2-Návrh procesu odlievania
2.1 Návrh hradlového systému
Vyvinutá zadná podlaha má na svojom prednom konci okienko na pripojenie prednej krycej dosky. Avšak jeho vysoký pomer strán (3,14) a umiestnenie okrajov spôsobujú, že centrovanie nie je vhodné. Bol prijatý prístup s jedným-postranným vtokom, typický pre konvenčné tlakové-odliatky. Na základe výsledkov analýzy toku magmy boli postupne optimalizované tri návrhy bežcov (S1, S2, S3):
Konštrukcie S1 a S2 využívali 70 000 kN tlakové liatie-stroje.
Konštrukcia S3 využívala 120 000 kN odlievací stroj-, začlenila menšie konštrukčné optimalizácie do tela odliatku a zväčšený priemer piestu, počet vtokov a oblasť vtoku.
2.2 Analýza simulácie plnenia a tuhnutia
Softvér Magma simuloval proces odlievania zadnej podlahy-. Materiál formy bola nástrojová oceľ H13; odlievacím materiálom bola hliníková zliatina C611 s vysokou-pevnosťou a vysokou{5}}húževnatosťou [1]. Nastavené parametre: Teplota taveniny 680 stupňov, Teplota piestu 200 stupňov, Teplota výstrelu 250 stupňov, Teplota formy 180 stupňov. Parametre vstrekovania sa líšili podľa schémy.
Výsledky analýzy schémy S1:
Na konci--naplnenia mala okrajová poloha kormidlovne najnižšiu teplotu (~618,6 stupňa) a najskôr stuhla (pevná frakcia ~1 %). Aktuálne odlievanie vyžaduje vyššiu teplotu taveniny a cielené sledovanie teploty povrchu formy v tejto oblasti. V dôsledku kolísania teploty formy existuje riziko studeného uzavretia na okraji stredovej-sekcie kormidlovne.
Keď tavenina dosiahla polovicu zadnej dutiny, obmedzená oblasť toku spôsobila rýchlosť plnenia až 60 m/s. Dva prúdy taveniny sa zbiehali v strede koncového nosníka. Vysoká rýchlosť spôsobovala vírenie taveniny, čím vzniklo vysoké riziko studených uzáverov a trhlín, čím sa znížili mechanické vlastnosti.
Výrazný schodový rozdiel a hrubšia stena pri vstupe zadného pozdĺžneho nosníka spôsobili veľké izolované vzduchové kapsy na oboch stranách. Opracované otvory v tejto zóne spôsobujú, že defekty pórovitosti poškodzujú výťažnosť.
Po vstupe taveniny do prahového nosníka sa tlak liatia plynule zvýšil na 30 MPa. Na základe projektovanej plochy odlievacieho telesa (18 136 cm²) to vyžadovalo upínaciu silu 69 000 kN. Pri zohľadnení bezpečnostného faktora 1,2 a vrátane vtokového systému (odhadovaná projektovaná plocha ~25 000 cm²) dosiahla požadovaná upínacia sila 90 000 kN, čím prekročila kapacitu stroja 70 000 kN.
Výsledky analýzy schémy S2:
Pridanie vodiacej lišty priamo oproti kormidlovni skrátilo čas naplnenia kormidlovne na 51 ms (oproti . 59 ms pre S1). Celkový čas plnenia bol 86 ms.
Turbulencie v oboch kormidlovniach boli výraznejšie. Obsah plynu bol najvyšší v bode sútoku taveniny v priečnom nosníku na konci--výplne, čo vytváralo vysoké riziko pre pórovitosť, praskliny a chyby zmršťovania [7].
Problém prúdenia chladu v oblasti kormidlovne nebol účinne vyriešený.
Výsledky analýzy schémy S3:
Optimalizáciou bežca na základe predchádzajúcich schém boli pridané prepadové šachty do stredu okraja kormidlovne a do stredu koncového priečnika. Zväčšila sa oblasť vniknutia (vyžaduje vyššiu vstrekovaciu silu na udržanie rýchlosti). Upínacia sila stroja bola zvýšená na 120 000 kN.
Okrajová teplota kormidlovne bola nižšia ako S1/S2, ale blízka teplote likvidu. Tavenina sa dostala k prímesi za 305 ms (časovanie začalo od plnenia sušienok), s maximálnou rýchlosťou 60 m/s. Dutina sa úplne naplnila pri 390 ms, čo trvalo 85 ms. Liací tlak bol 40 MPa.
Na základe projektovanej plochy vtokového systému S3 (25 813 cm²), maximálny lejací tlak, ktorý mohol stroj s výkonom 120 000 kN poskytnúť, bol 46,5 MPa, čo spĺňa požiadavku.
Prepadové šachty pridané vedľa kormidlovne zlepšili zachytenie vzduchu v porovnaní s S2. Blízkosť vložky tiež znížila riziko pórovitosti.
Na výrobu foriem bola zvolená schéma S3.
3 Testovacie metódy a výsledky
3.1 -Parametre odlievania a testovacie metódy
Na výrobu sa použil lis Lijin s výkonom 120 000 kN-odlievacích strojov. Zliatina bola bez tepelného -spracovania- C611 (chemické zloženie spĺňalo špecifikácie). V porovnaní s tradičnými konštrukčnými materiálmi AlSi10MnMg ponúkajú zliatiny bez tepelného -úpravy{10}}lepšiu-pevnosť odliatku, čo je výhodné pri nitovaní. Teplota topenia bola 680 stupňov. Dynamické a pevné vákuum formy bolo 10 kPa.
Priebeh procesu: Striekanie → Fúkanie-vypnuté → Uzavretie formy → Nalievanie → Vákuové odsávanie → Vstrekovanie → Miestne stlačenie → Priame chladenie/bodové chladenie → Otvorenie formy → Extrakcia robotom → Kontrola integrity → Kalenie vodou → Orezávanie a vyrovnávanie → Značenie → Manipulácia s robotom → Odlievanie offline → Kontrola ďalšieho procesu odstraňovanie otrepov.
Na internú kontrolu kvality sa použil ťažký-výkonný 9{2}} röntgenový kontrolný stroj Maice FSC. Ťahové vzorky boli najskôr vyrezané z odlievacieho tela ako malé polotovary (dĺžka 80-100 mm, šírka 15-30 mm), potom boli opracované na štandardné ťahané vzorky s meranou dĺžkou 25 mm.
3.2 Interná kontrola kvality
Výsledky röntgenovej kontroly nepreukázali žiadne významné chyby pórovitosti v oblasti vstupných otvorov, zadného priečneho nosníka alebo bočných podbehov odliatku zadnej podlahy. Vnútorná kvalita spĺňa normy ASTM E505 Level 2. Kvôli hrubším stenám boli náliatky obrábacích otvorov náchylné na pórovitosť, čo si vyžadovalo ďalšie kontroly odkrytých pórov a dodržiavania noriem vzhľadu. Testy zachovania zaťaženia pre závitové vložky alebo samorezné skrutky{6}} sa vykonali pomocou stroja na skúšanie ťahom CMT5305.
3.3 Mechanické vlastnosti v ťahu z odberu vzoriek karosérie
Mechanické vlastnosti boli testované na 39 miestach na odliatku. Body odberu vzoriek boli symetricky rozmiestnené (L: ľavá strana tela, R: pravá strana tela), pokrývajúc kľúčové oblasti:
Pozície 1-10: Hrana kormidlovne (bočná nitovacia hrana).
Pozície 11-20: Stredná časť kormidlovne.
Pozície 21-23: Oblasť Ingate (nitovacia hrana zostavy zadnej podlahy).
Polohy 31-34: Spojovacia hrana prednej krycej dosky.
Pozície 35-37: Predná nitovacia hrana podlahy na konci-výplne.
Výsledky:
Pevnosť v ťahu (TS) a medza klzu (YS) boli na rôznych miestach relatívne stabilné. Priemerný TS bol 237 MPa; priemerný YS bol 118,9 MPa.
Predĺženie sa výrazne líšilo podľa miesta, v priemere len 6,5 %, s niektorými bodmi pod 6 %. Priemerná hodnota predĺženia je ovplyvnená miestom odberu a množstvom a slúži len ako referencia [9]. Pre porovnanie, ďalšia zadná podlaha s použitím rovnakého materiálu dosiahla priemerné predĺženie 9 %.
Na základe počiatočných požiadaviek zákazníka na vývoj nebolo možné úplne splniť vlastnosti karosérie (najmä predĺženie na niektorých miestach). Preto samotné výsledky odberu vzoriek z tela nemôžu byť jediným kritériom kvalifikácie produktu. Celkový výkon sa musí posúdiť na základe výsledkov skúšky na skúšobnej stolici a úplného overenia vozidla.
4 Záver
(1) Softvér Magma bol použitý na návrh a optimalizáciu vtokového systému pre odliatok zadnej podlahy z hliníkovej zliatiny C611. Simulácia odhalila, že výrazné zmeny hrúbky steny v stupňovitých oblastiach v kombinácii s nízkou teplotou taveniny pretekajúcej týmito oblasťami vytvárajú riziká pre zachytenie vzduchu, studené uzávery a praskliny. Analýza plniaceho tlaku v oblasti koncového priečnika ukázala, že na kompletné vytvarovanie zadnej podlahy je potrebný stroj na tlakové liatie s upínacou silou presahujúcou 90 000 kN.
(2) Výber 120 000 kN tlakového-odlievacieho stroja na výrobu v spojení s optimalizáciou založenou na simulácii- účinne eliminoval defekty pórovitosti a zmršťovacej pórovitosti. Avšak praskliny náchylné na výskyt v štrukturálnych prechodových zónach a oblastiach s výraznými zmenami hrúbky steny ovplyvnili mechanické vlastnosti. Priemerná medza klzu, pevnosť v ťahu a predĺženie zo vzoriek vyrezaných z telesa zadného podlahového odliatku C611 boli 118,9 MPa, 237 MPa a 6,5 %, v uvedenom poradí, čo v podstate splnilo hlavné konštrukčné ciele (TS Väčšie alebo rovné 215 MPa, YS Väčšie alebo rovné 115 MPa, E. %) Predĺženie väčšie ako 6 alebo E.
(3) V porovnaní s tradičnými procesmi tvarovania, ako je nitovanie a lisovanie, integrovaná-liata zadná podlaha dosiahla zníženie hmotnosti o viac ako 10 %. Budúce prijatie 200 000 kN tlakových-strojov na tlakové liatie je prísľubom dosiahnutia krátkych-cyklov, nízkych{8}}nákladov a vysokej-pevnosti/vysokej{10}}húževnatosti integrovaných odliatkov karosérií automobilov.
