Като нересорен масов компонент, олекотяването на подрамката може да доведе до значителни ползи с относително малко усилие. Сред различните материали, структурни и технологични опции, интегралните кухи подрамки от алуминиева сплав-излято под-налягане под налягане демонстрират силна конкурентоспособност. Тази статия представя предимствата и предизвикателствата на интегралните кухи подрамки от гледна точка на структурни характеристики, производствен процес и иновативни технологии. Той се фокусира върху две тесни места в производството-след-обработка и машинна обработка-както и две тесни места по отношение на добива на продукти-леене под ниско-налягане и термична обработка. Предлагат се решения за всеки. Накрая се прогнозират бъдещите тенденции на развитие и конкурентния пейзаж на подрамките.
Ключови думи: Подрамка; Алуминиева сплав; Интегрална куха; Тясно място; Конкурентен пейзаж
1. Предистория
През последното десетилетие, водени от енергийната криза и все по-строгите регулации, новите енергийни превозни средства (NEV) нараснаха бързо. Статистиката показва, че от 2014 до 2023 г. проникването на NEV е скочило от 0,3% на 31,6%. Въпреки това, NEVs, особено електрическите превозни средства с батерии, са изправени пред значителни предизвикателства по отношение на зареждането и пробега. Това постави олекотения дизайн на безпрецедентно ниво на важност.
Масата на превозното средство се разделя на ресорна и нересорна маса. Ресорната маса се отнася до теглото, поддържано от системата за окачване и еластичните елементи, включително каросерията, двигателя, трансмисията и пътниците. Нересорната маса се отнася до компоненти, които не се поддържат от системата на окачването, като колела, рамена на окачването, пружини и амортисьори. Като основен компонент на окачването, подрамата играе решаваща роля и нейното олекотяване може да осигури множество ефекти върху цялостното представяне на автомобила.
Подрамата, наричана още „под-шаси“, служи като гръбнак за предния и задния мост. Той поддържа блоковете на оста и окачването, като ги свързва с основната рама на превозното средство. В пътническите превозни средства с монококови конструкции подрамата свързва лявата и дясната система на окачване в интегрирана единица, като по този начин увеличава твърдостта на връзката, изолира шума и вибрациите и подобрява NVH производителността. В допълнение, той осигурява допълнителни пътища за натоварване за управление на енергията при сблъсък, повишавайки безопасността на превозното средство.
Традиционно подрамките са изработени от стомана. С натиска за олекотяване и приемане на NEV, подрамките от алуминиева сплав преживяват бърз растеж. Подрамките от алуминиева сплав могат да се произвеждат чрез щамповане, хидроформоване, заваряване на профили, леене под налягане, леене под ниско-налягане или хибридно свързване стомана-алуминий, със структурни типове, включително много-заварени конструкции, интегрални твърди отливки и интегрални кухи конструкции.
2. Характеристики на интегралните кухи подрамки
2.1 Въведение
Като се имат предвид условията на натоварване, лекото тегло, въглеродните емисии и цената, интегралното кухо отливане осигурява различни предимства. Първо, оптимизирането на топологията в ранна разработка-въз основа на изискванията за товарене, пространството за опаковане и осъществимостта на производството-максимизира намаляването на теглото. Второ, при еднаква площ на напречното-сечение тънкостенните-кухи елементи осигуряват по-висока специфична твърдост и здравина. Трето, в сравнение с много-заварените подрамки, интегралните отливки избягват заваръчните шевове и свързаната с това деградация-засегната от топлина зона. И накрая, интегралното леене замества десетки операции по щамповане и заваряване с една стъпка на формоване, драстично съкращавайки циклите на разработка и опростявайки управлението на веригата за доставки.
Интегралните кухи подрамки обикновено се произвеждат чрез LPDC. Те имат шест определящи характеристики:
Големи размери (приблизително. 1000–1200 mm × 800–1000 mm × 300–500 mm).
Тънкостенни секции, с дебелина на основната стена 4–5 mm (локално тънка до 3,5 mm).
Кухи кухини, изискващи големи пясъчни сърцевини, увеличаващи{0}}затрудненията при направата на сърцевини.
Сложни напречни-сечения със значителна вариация на дебелината на стените и множество горещи точки.
Многобройни функции за обработка-шест лица в посоки X, Y и Z, изискващи 20+ инструменти.
Класифицирани като критични-части за безопасността на шасито, с нулева толерантност към повреда.
1.
Тези характеристики поставят значителни предизвикателства през целия производствен процес.
2.2 Производствен процес
Производството на интегрални кухи подрамки включва пет основни модула: подготовка, леене под ниско{0}}налягане, почистване, термична обработка и последваща{1}}обработка.
Подготовка: Изработване на сърцевини (неорганичните сърцевини стават масови поради екологични причини), топене на сплав (използване на A356, A356.2, AlSi7Mg, ZL101A с по-малко или равно на 40% рециклирано съдържание) и подготовка на формата (покритие, поддръжка, ремонт).
Леене под-налягане: Параметрите на леене и термичното управление на формата влияят пряко върху качеството на продукта (напр. порьозност, включвания, деформация).
Почистване: Включва отстраняване на пясък, рязане на врата и щранг, рентгенова проверка и шлайфане. Ефективността и контролът на размерите са критични.
Топлинна обработка: Включва разтваряне, закаляване и стареене. Охлаждащото изкривяване е основен проблем, изискващ смекчаване чрез дизайн на формата, оптимизиране на приспособленията и корекции на процеса.
Пост{0}}обработка: Основно механична обработка, почистване и сглобяване. Машинната обработка е тясното място, като масовата практика използва хоризонтални машини с пет-оси, постигайки ~30 минути на детайл.
3. Предизвикателства на интегралните кухи подрамки
3.1 Вътрешни проблеми
Основната пречка пред по-широкото приемане е цената, която остава много по-висока от тази на стоманените подрамки поради ниските нива на добив, дългите времена на цикъла и използването на суровини.
Добив на продукта: Дефекти възникват от леене (напр. порьозност, свиване, включвания, пукнатини) и топлинна обработка (напр. изкривяване при охлаждане). Те не се толерират в-критичните за безопасността компоненти на шасито. Решенията включват пречистване на стопилката, контрол на температурата на матрицата, оптимизиран литник и усъвършенстване на стратегията за охлаждане.
Производствен цикъл: LPDC обикновено изисква 360–420 секунди на отливка. Процесите на почистване отнемат 240–300 секунди на парче, докато машинната обработка може да изисква 20–60 минути (в най-добри случаи ~10 минути). Тези дълги цикли ограничават производителността.
Други фактори: Използването на материала и гъвкавостта на производствената линия също играят роля. NEV често изискват много-разнообразни продукти с малък-обем, което намалява ефективността на силно автоматизираните линии.
3.2 Конкурентни технологии
Няколко нововъзникващи технологии представляват както предизвикателства, така и възможности:
Интегрирано леене под налягане: Комбиниране на кухи профили и топологично-оптимизирани черупки в една структура с високо-вакуумно{2}}отливане, което позволява допълнително спестяване на тегло и повишаване на производителността.
Електромагнитно леене: Използва електромагнитни сили вместо газово налягане, за да управлява пълненето на стопилката, предлагайки прецизен контрол на нивото, по-високо използване на материала и пригодност за големи отливки.
Хибридно леене с пълнеж (HFC): Комбинира газ и хидравлично налягане за усъвършенстване на микроструктурата и премахване на порьозността, произвеждайки превъзходно металургично качество и механични свойства.
3D-отпечатани пясъчни ядра: Позволете гъвкави и евтини-инструменти за производство на прототипи или малки-серии, намалявайки първоначалните разходи за разработка.
3.3 Конкурентни стратегии
Според данни от индустрията, проникването на подрамката от алуминиева сплав се очаква да нарасне от 8% през 2020 г. до над 30% до 2025 г., като интегралните кухи конструкции ще нараснат от 5% на 28%. Дали този потенциал може да бъде реализиран зависи от стратегии в три измерения:
Material: Aluminum alloys offer excellent formability and recyclability (>95% степен на възстановяване,<1% melt loss), lowering lifecycle costs and carbon footprint.
Процес: LPDC осигурява стабилно пълнене и високо металургично качество, осигурявайки якост на опън от 280–320 MPa, граница на провлачване от 220–250 MPa и удължение от 6–8%, подходящо за компоненти за безопасност на шасито.
Структура: Кухият дизайн намалява стъпките на процеса и разходите, като същевременно увеличава максимално твърдостта и здравината. Квадратните тръбни секции с тънки-стени демонстрират най-висока относителна твърдост и здравина сред типичните геометрии на напречно{2}}сечение.
4. Заключение
С ускоряващото се приемане на NEV, подрамките от алуминиева сплав-особено интегралните кухи варианти LPDC-са готови за значителен пазарен растеж. Техните структурни и технологични предимства ги правят силно конкурентни. Въпреки това преодоляването на предизвикателствата по отношение на добива и времето на производствения цикъл остава от решаващо значение за намаляване на разходите и постигане на широко разпространение. Постоянните иновации в структурата и производството ще бъдат ключът към бъдещата конкурентоспособност.
