Uvod
Integrirana-tehnologija tlačnog lijevanja nudi prednosti poput visoke učinkovitosti proizvodnje i niskih troškova proizvodnje. Trenutno u fazi brzog razvoja, ima potencijal za proizvodnju višestrukih velikih komponenti, pojednostavljenje karoserijskih struktura i revolucioniranje procesa proizvodnje karoserija [1]. Integrirani-lijevani stražnji pod objedinjuje više od 70 originalnih dijelova u jednu komponentu, značajno smanjujući težinu vozila i poboljšavajući učinkovitost proizvodnje. Kalupi, postupci,-strojevi za tlačno lijevanje i materijali-bez toplinske-obrade čine četiri temeljne tehnologije integriranog-lijevanja pod pritiskom [2-3]. Strojevi-za tlačni lijev posebno se odnose na-strojeve velikih razmjera sa silama stezanja većim od 60 000 kN [4]. Materijali-bez toplinske obrade-koji se danas primarno koriste su legure lijevanog aluminija visoke-čvrstoće, visoke-žilavosti [5], poznate po svojoj visokoj specifičnoj čvrstoći, izvrsnoj livljivosti, umjerenoj cijeni i statusu primarnog materijala za trenutne integrirane tlačno lijevane automobilske komponente [6-7].
Domaći veliki{0}}aluminijski odljevci suočavaju se s izazovom smanjenja stope iskorištenja uz sve veću složenost integracije. Ključni čimbenici koji utječu na stope kvalifikacija uključuju:
1. Nestabilna kvaliteta na kritičnim točkama-nošenja opterećenja: Površine za ugradnju za tornjeve amortizera, podokvir i C-stupove zahtijevaju visoka mehanička svojstva. Ova područja često je teško testirati uzorkom, ne smiju sadržavati unutarnje pore koje prelaze standarde i moraju biti bez hladnih zatvarača izvana. Primjetno je da je površina za postavljanje C-stupa u blizini ruba kormilarnice sklona hladnim zatvaranjima.
2. Nestabilne dimenzije na kritičnim spojnim površinama: Tanko{1}}površine za ugradnju bočnih ploča na rubu lijevanja podložne su deformaciji prema unutra ili prema van, ili čak uvijanju (prednja strana prema van, stražnja strana prema van). To ugrožava stabilnost nakon spajanja s odgovarajućim dijelovima i može uzrokovati neusklađenost prethodno oblikovanih rupa, što dovodi do kvara strojne obrade [8-15].
Ova studija koristi simulaciju za predviđanje nedostataka u integriranoj komponenti tla{0}}lijevanog stražnjeg poda i optimizira sustav preljeva i preljeva za poboljšanje unutarnje kvalitete, s ciljem pružanja reference za projektiranje sličnih velikih odljevaka.
1 Strukturne karakteristike i tehnički zahtjevi
Stražnji podni odljevak čini podni dio iza putničkog prostora, integrirajući komponente kao što su lijevo/desno stražnje kormilarnice, stražnje uzdužne grede, poprečne grede, spojne ploče poda i pojačanja unutarnje grede. Odljevak ima ukupne dimenzije od 1630 mm × 1624 mm × 666 mm, masu od 63 kg, prosječnu debljinu stjenke od 3 mm i predviđenu površinu od 23 000 cm². Zbog svoje velike veličine, tankih stijenki i značajnih zahtjeva za prostorom, dugih vremena ciklusa i rizika od izobličenja povezanih s toplinskom obradom, obavezna je legura aluminija bez toplinske-obrade-.
SPR (Self{0}}Percing Riveting) postupak je prikladan za hladno spajanje različitih čelika-aluminijskih materijala [8]. Posljedično, prednji i stražnji krajevi odljevka povezani su s prednjim podom, odnosno stražnjim podom, putem SPR-a. Lijeva i desna kormilarnica također se mogu spojiti na bočne ploče putem SPR-a. Iako ova četiri ruba nisu primarne zone-nošenja opterećenja stražnjeg poda, oni zahtijevaju visoku cjelovitost brtvljenja i spajanja, što odgovara zahtjevima za ravnost i visoku čvrstoću-žilavosti materijala.
Zahtjevi za izgled: Bez nedostataka poput hladnog zatvaranja, pukotina i krhotina.
Zahtjevi za performanse materijala (pre-pečenje):
Lokacije SPR-a (uzorkovanje tijela): vlačna čvrstoća veća ili jednaka 215 MPa, čvrstoća istezanja veća ili jednaka 115 MPa, istezanje veće ili jednako 12%, kut savijanja veći ili jednak 20 stupnjeva.
Stražnja polovica kormilarnice (malo niža): vlačna čvrstoća veća ili jednaka 215 MPa, čvrstoća istezanja veća ili jednaka 110 MPa, istezanje veće ili jednako 6%, kut savijanja veći ili jednak 20 stupnjeva.
Ostala područja: Zahtjevi istezanja između 6% i 12%.
Uzimajući u obzir inherentnu nehomogenost mehaničkih svojstava u -uzorcima tlačno lijevanog tijela, postizanje određenih mehaničkih svojstava posvuda unutar označenih područja je izazovno. Stoga su potrebna ispitivanja na stolu za provjeru nosivosti-ključnog opterećenja tornjeva amortizera i uzdužnih greda [9]. Testovi na stolu obično uključuju testove izdržljivosti i razbijanja:
Izdržljivost i Z-testovi sudara: Simulirajte opterećenje stražnjeg amortizera. Srednje opterećenje pri ispitivanju izdržljivosti iznosi 11,5 kN. U Z-smjeru gnječenja, prvo-fazno opterećenje od 38 kN zahtijeva deformaciju točke opterećenja manju ili jednaku 3 mm; drugo-fazno opterećenje od 74 kN ne zahtijeva pukotine na točki opterećenja.
Ispitivanje smrzavanjem u smjeru X-: simulira uzdužno opterećenje grede. Pod jednostranom silom opterećenja većom ili jednakom 206 kN, na točki opterećenja ne smiju se pojaviti pukotine i deformacije manje od ili jednake 3 mm.
2 Dizajn-procesa tlačnog lijevanja
2.1 Projektiranje sustava vrata
Razvijeni stražnji pod ima prozor za spajanje prednje pokrovne ploče na prednjem kraju. Međutim, njegov visok omjer širine i visine (3,14) i položaj na rubu čine središnje usmjeravanje neprikladnim. Usvojen je pristup s jednom-stranom, tipičan za konvencionalne-odljevke. Na temelju rezultata analize protoka magme, tri dizajna klizača (S1, S2, S3) su sekvencijalno optimizirana:
Dizajni S1 i S2 koristili su stroj za-lijevanje pod pritiskom od 70 000 kN.
Dizajn S3 koristio je stroj za-lijevanje pod pritiskom od 120.000 kN, uključio je manje strukturne optimizacije tijela odljevka i povećao promjer klipa, broj otvora i površinu otvora.
2.2 Analiza simulacije punjenja i skrućivanja
Softver Magma simulirao je proces-lijevanja pod pritiskom. Materijal kalupa bio je alatni čelik H13; materijal za lijevanje je C611 aluminijska legura visoke-čvrstoće, visoke-žilavosti [1]. Postavljeni parametri: temperatura taline 680 stupnjeva, temperatura klipa 200 stupnjeva, temperatura čahure 250 stupnjeva, temperatura kalupa 180 stupnjeva. Parametri ubrizgavanja varirali su po shemi.
Rezultati analize sheme S1:
Na kraju--punjenja položaj ruba kormilarnice imao je najnižu temperaturu (~618,6 stupnjeva) i prvi se skrutio (kruti udio ~1%). Stvarno lijevanje zahtijeva višu temperaturu taline i fokusirano praćenje temperature površine kalupa u ovom području. Zbog varijacija temperature kalupa, rizik od hladnog zatvaranja postoji na rubu kormilarnice srednje-sekcije.
Kada je talina dosegla stražnju polovicu šupljine, ograničeno područje protoka uzrokovalo je brzine punjenja do 60 m/s. Dvije struje taline konvergirale su u središtu krajnje poprečne grede. Velika brzina uzrokovala je vrtloženje taline, stvarajući visok rizik od hladnih zatvaranja i pukotina, smanjujući mehanička svojstva.
Značajna razlika koraka i deblji zid u blizini ulaza stražnje uzdužne grede uzrokovali su velike izolirane zračne džepove s obje strane. Strojno obrađene rupe u ovoj zoni čine defekte poroznosti štetnim za prinos.
Nakon što je talina ušla u prag, tlak lijevanja je postojano rastao do 30 MPa. Na temelju projektirane površine tijela lijeva (18.136 cm²), to je zahtijevalo silu stezanja od 69.000 kN. Uzimajući u obzir faktor sigurnosti od 1,2 i uključujući sustav oklopa (procijenjena projektirana površina ~25 000 cm²), potrebna sila stezanja dosegla je 90 000 kN, premašujući kapacitet stroja od 70 000 kN.
Rezultati analize sheme S2:
Dodavanje klizača izravno nasuprot kormilarnici smanjilo je vrijeme punjenja kormilarnice na 51 ms (nasuprot . 59 ms za S1). Ukupno vrijeme popunjavanja bilo je 86 ms.
Turbulencije u obje kormilarnice bile su izraženije. Sadržaj plina bio je najveći na točki ušća taline u poprečnu gredu na kraju--ispune, stvarajući visoke rizike za poroznost, pukotine i defekte skupljanja [7].
Problem hladnog protoka u području kormilarnice nije učinkovito riješen.
Rezultati analize sheme S3:
Optimizirajući vodilicu na temelju prethodnih shema, dodani su preljevni bunari u središtu ruba kormilarnice i središtu krajnje poprečne grede. Ulazna površina je povećana (zahtijeva veću silu ubrizgavanja za održavanje brzine). Sila stezanja stroja povećana je na 120.000 kN.
Temperatura ruba kormilarnice bila je niža od S1/S2, ali blizu temperature likvidusa. Talina je stigla do otvora za 305 ms (vrijeme je počelo od punjenja keksa), s maksimalnom brzinom od 60 m/s. Šupljina se potpuno ispunila nakon 390 ms, što je trajalo 85 ms. Tlak lijevanja bio je 40 MPa.
Na temelju projicirane površine S3 sustava zatvarača (25.813 cm²), maksimalni pritisak lijevanja koji je stroj od 120.000 kN mogao pružiti bio je 46,5 MPa, ispunjavajući zahtjev.
Preljevni bunari dodani pored kormilarnice poboljšali su zarobljavanje zraka u usporedbi sa S2. Blizina otvora također je smanjila rizik od poroznosti.
Za izradu kalupa odabrana je S3 shema.
3 Ispitne metode i rezultati
3.1 Parametri-lijevanja pod pritiskom i metode ispitivanja
Za proizvodnju je korišten Lijin stroj za-lijevanje pod pritiskom od 120.000 kN. Legura je C611 materijal bez toplinske -obrade- (kemijski sastav zadovoljava specifikacije). U usporedbi s tradicionalnim konstrukcijskim materijalima AlSi10MnMg, legure-bez toplinske{10}}obrade nude bolju žilavost-livanja, što je povoljno za zakivanje. Temperatura taline bila je 680 stupnjeva. Dinamički i fiksni vakuum kalupa bio je 10 kPa.
Tijek procesa: raspršivanje → Otpuhavanje → Zatvaranje kalupa → Izlijevanje → Vakuumsko pražnjenje → Ubrizgavanje → Lokalno stiskanje → Izravno hlađenje/točkasto hlađenje → Otvaranje kalupa → Vađenje robota → Provjera integriteta → Kaljenje vodom → Podrezivanje i ravnanje → Označavanje → Rukovanje robotom → Lijevanje izvan mreže → Ručno skidanje srha → Provjera izgleda i dimenzija → Prijenos do sljedećeg procesa.
Unutarnja kontrola kvalitete koristila je Maice FSC teški-stroj za rendgensku inspekciju s 9-osi. Vlačni uzorci su najprije izrezani iz tijela odljevka kao mali prizvoci (80-100 mm duljine, 15-30 mm širine), zatim strojno obrađeni u standardne vlačne uzorke s mjernom duljinom od 25 mm.
3.2 Interna inspekcija kvalitete
Rezultati pregleda rendgenskim zrakama nisu pokazali značajne nedostatke poroznosti na područjima ulaza, stražnjoj poprečnoj gredi ili bočnim kormilarnicama stražnjeg lijevanog poda. Unutarnja kvaliteta zadovoljava standarde ASTM E505 razine 2. Zbog debljih stijenki, izbočine rupa za strojnu obradu bile su sklone poroznosti, što je zahtijevalo daljnje provjere za otkrivene pore i usklađenost sa standardima izgleda. Ispitivanja zadržavanja opterećenja za navojne umetke ili samo-vijke provedena su pomoću CMT5305 stroja za ispitivanje rastezanja.
3.3 Vlačna mehanička svojstva iz uzorkovanja tijela
Mehanička svojstva ispitana su na 39 mjesta na tijelu odljevka. Točke uzorkovanja bile su simetrično raspoređene (L: lijeva strana tijela, R: desna strana tijela), pokrivajući ključna područja:
Pozicije 1-10: rub kormilarnice (bočni rub za zakivanje).
Pozicije 11-20: srednji dio kormilarnice.
Pozicije 21-23: Područje ulaza (rub za zakivanje sklopa stražnjeg poda).
Pozicije 31-34: spojni rub prednje pokrovne ploče.
Pozicije 35-37: Prednji rub za zakivanje poda na kraju-ispune.
Rezultati:
Vlačna čvrstoća (TS) i granica tečenja (YS) bile su relativno stabilne na svim lokacijama. Prosječni TS bio je 237 MPa; prosječni YS bio je 118,9 MPa.
Istezanje je značajno variralo ovisno o lokaciji, u prosjeku samo 6,5%, s nekim točkama ispod 6%. Na prosječnu vrijednost istezanja utječu mjesto i količina uzorkovanja i služi samo kao referenca [9]. Za usporedbu, drugi stražnji pod s istim materijalom postigao je prosječno istezanje od 9%.
Na temelju početnih razvojnih zahtjeva kupca, svojstva karoserije (osobito istezanje na nekim mjestima) nisu se mogla u potpunosti zadovoljiti. Stoga samo rezultati uzorkovanja tijela ne mogu biti jedini kriterij za kvalifikaciju proizvoda. Ukupna izvedba mora se procijeniti na temelju testa na stolu i rezultata pune validacije vozila.
4 Zaključak
(1) Softver Magma korišten je za projektiranje i optimizaciju sustava za zatvaranje stražnjeg poda od aluminijske legure C611. Simulacija je otkrila da značajne varijacije debljine stjenke u područjima koraka, u kombinaciji s niskom temperaturom taline koja teče kroz ta područja, stvaraju rizike od zarobljavanja zraka, hladnih zatvaranja i pukotina. Analiza tlaka punjenja u području krajnje poprečne grede pokazala je da je za potpuno oblikovanje stražnjeg poda neophodan stroj-za tlačni lijev sa silom stezanja većom od 90.000 kN.
(2) Odabirom stroja-za tlačni lijev od 120.000 kN za proizvodnju, zajedno s optimizacijom-temeljenom na simulaciji, učinkovito su eliminirani nedostaci poroznosti i poroznosti zbog skupljanja. Međutim, pukotine sklone pojavi u strukturnim prijelaznim zonama i područjima sa značajnim varijacijama debljine stijenki utjecale su na mehanička svojstva. Prosječna granica razvlačenja, vlačna čvrstoća i istezanje uzoraka izrezanih iz tijela odljevka stražnjeg poda C611 iznosili su 118,9 MPa, 237 MPa i 6,5%, u biti zadovoljavajući glavne projektne ciljeve (TS veći ili jednak 215 MPa, YS veći ili jednak 115 MPa, istezanje veće ili jednako 6%).
(3) U usporedbi s tradicionalnim procesima oblikovanja kao što su zakivanje i utiskivanje, integrirani tlačno{1}}lijevani stražnji pod postigao je smanjenje težine veće od 10%. Buduće usvajanje strojeva za-lijevanje pod pritiskom od 200.000 kN obećava postizanje kratkog-ciklusa, niske-troškove i visoke-čvrstoće/visoke-žilavosti proizvodnje integriranih odljevaka karoserije automobila.
