Въведение
Интегрираната -технология за леене под налягане предлага предимства като висока производствена ефективност и ниски производствени разходи. Понастоящем във фаза на бързо развитие, той има потенциал за производство на множество големи компоненти, опростяване на структурите на каросерията и революционизиране на процесите за производство на каросерии [1]. Интегрираният-лят заден под обединява над 70 оригинални части в един компонент, като значително намалява теглото на автомобила и подобрява ефективността на производството. Форми, процес,-машини за леене под налягане и материали без-обработка-съставляват четирите основни технологии на интегрираното-леене под налягане [2-3]. -Машините за леене под налягане конкретно се отнасят до широкомащабни-машини със сили на затягане над 60 000 kN [4]. Материалите без -термична{21}}обработка, които се използват предимно днес, са високо{22}}здрави, с висока-твърдост ляти алуминиеви сплави [5], известни със своята висока специфична якост, отлична леярска способност, умерена цена и статут на основен материал за настоящите интегрирани отляти под налягане автомобилни компоненти [6-7].
Домашните големи алуминиеви -отливки са изправени пред предизвикателството да намаляват нивата на добив с нарастваща сложност на интегриране. Ключовите фактори, влияещи върху степента на квалификация, включват:
1. Нестабилно качество в точки на-поемане на критично натоварване: Монтажните повърхности за кули на амортисьори, подрамки и C-колони изискват високи механични свойства. Тези зони често са трудни за тестване на проби, не трябва да съдържат вътрешни пори, надвишаващи стандартите, и трябва да нямат студени затвори отвън. Трябва да се отбележи, че монтажната повърхност на колоната C- близо до ръба на рулевата рубка е предразположена към студено затваряне.
2. Нестабилни размери при критични свързващи повърхности: Монтажните повърхности на тънкостенните странични панели на ръба на отливката са податливи на деформация навътре или навън или дори на усукване (отпред навън, отзад навън). Това компрометира стабилността след свързване с противоположни части и може да причини несъответствие на предварително оформените отвори, водещо до повреда при обработката [8-15].
Това проучване използва симулация за предсказване на дефекти в интегриран-излят под налягане заден подов компонент и оптимизира литниковата и преливна система, за да подобри вътрешното качество, с цел да предостави референция за проектиране на подобни големи отливки.
1 Конструктивни характеристики и технически изисквания
Задната подова отливка съставлява подовата секция зад купето, интегрирайки компоненти като лява/дясна задна рулева рубка, задни надлъжни греди, напречни греди, плочи за свързване на пода и подсилвания на вътрешната греда. Отливката има габаритни размери от 1630 mm × 1624 mm × 666 mm, маса от 63 kg, средна дебелина на стената от 3 mm и проектирана площ от 23 000 cm². Поради големия си размер, тънките стени и значителните изисквания за пространство, дългите времена на цикъла и рисковете от изкривяване, свързани с термичната обработка, е задължителна алуминиева сплав без-термична обработка-.
Процесът SPR (само-пиърсинг занитване) е подходящ за студено свързване на различни стоманени-алуминиеви материали [8]. Следователно, предният и задният край на отливката се свързват съответно с предния и задния подов модул чрез SPR. Лявата и дясната рулева рубка също могат да се свържат със страничните панели чрез SPR. Въпреки че тези четири ръба не са основни-носещи зони на задния под, те изискват високо уплътнение и цялост на връзката, съответстващи на изискванията за плоскост и висока якост-издръжливост на материала.
Изисквания за външен вид: Без дефекти като студено затваряне, пукнатини и стружки.
Изисквания за експлоатационни характеристики на материала (пред-изпичане):
Места на SPR (вземане на проби от тялото): якост на опън по-голяма или равна на 215 MPa, якост на провлачване по-голяма или равна на 115 MPa, удължение по-голямо или равно на 12%, ъгъл на огъване по-голям или равен на 20 градуса.
Задна половина на рулевата рубка (малко по-ниска): якост на опън по-голяма или равна на 215 MPa, якост на провлачване по-голяма или равна на 110 MPa, удължение по-голямо или равно на 6%, ъгъл на огъване по-голям или равен на 20 градуса.
Други области: Изискване за удължение между 6% и 12%.
Като се има предвид присъщата нехомогенност на механичните свойства в-пробите от лято тяло, постигането на определени механични свойства навсякъде в определените зони е предизвикателство. Следователно са необходими стендови тестове, за да се провери ефективността-поемане на ключово натоварване на кулите на амортисьорите и надлъжните греди [9]. Стендовите тестове обикновено включват тестове за издръжливост и смачкване:
Издръжливост и тестове за смачкване в посока Z-: Симулирайте натоварването на задния амортисьор. Средното натоварване при теста за издръжливост е 11,5 kN. При смачкване в посока Z-натоварване от първи-етап от 38 kN изисква деформация в точката на натоварване По-малка или равна на 3 mm; второ{8}}натоварване от 74 kN не изисква напукване в точката на натоварване.
Тест за смачкване в посока X-: Симулира надлъжно натоварване на греда. При сила на едностранно натоварване, по-голяма или равна на 206 kN, в точката на натоварване не трябва да има пукнатини и деформации, по-малки или равни на 3 mm.
2 Проектиране на-процеса на леене под налягане
2.1 Проектиране на стробираща система
Разработеният заден под има прозорец за свързване на предния капак в предния си край. Високото му аспектно съотношение (3,14) и местоположението на ръбовете обаче правят централното стробиране неподходящо. Беше възприет подход с едностранно-отливане, типичен за конвенционалните-отливки. Въз основа на резултатите от анализа на потока от магма, три дизайна на канали (S1, S2, S3) бяха последователно оптимизирани:
Проектите S1 и S2 използват машина за-леене под налягане със 70 000 kN.
Дизайнът на S3 използва 120 000 kN-машина за леене под налягане, включва незначителни структурни оптимизации на леярското тяло и увеличен диаметър на буталото, брой на входните отвори и входната площ.
2.2 Симулационен анализ на запълване и втвърдяване
Софтуерът Magma симулира процеса-на леене под налягане на задния под. Материалът на матрицата е инструментална стомана H13; материалът за отливане беше алуминиева сплав с висока -здравост и висока-твърдост C611 [1]. Зададени параметри: температура на топене 680 градуса, температура на буталото 200 градуса, температура на изстреляната втулка 250 градуса, температура на матрицата 180 градуса. Параметрите на инжектиране варират според схемата.
Резултати от анализа на схема S1:
В края-на-напълването позицията на ръба на рулевата рубка имаше най-ниската температура (~618,6 градуса) и се втвърди първа (твърда фракция ~1%). Действителното леене изисква по-висока температура на стопилката и целенасочен мониторинг на температурата на повърхността на формата в този регион. Поради колебанията в температурата на матрицата съществува риск от студено затваряне в средната-секция на ръба на рулевата рубка.
Когато стопилката достигне задната половина на кухината, ограничената зона на потока доведе до скорости на пълнене до 60 m/s. Два потока стопилка се събират в центъра на крайната напречна греда. Високата скорост причинява завихряне на стопилката, създавайки висок риск от студено затваряне и пукнатини, намалявайки механичните свойства.
Значителна разлика в стъпалата и по-дебела стена близо до входа на задната надлъжна греда причини големи изолирани въздушни джобове от двете страни. Обработените отвори в тази зона правят дефектите на порьозността вредни за добива.
След като стопилката навлезе в гредата на прага, налягането при леене се увеличи стабилно до 30 MPa. Въз основа на проектираната площ на леярското тяло (18 136 cm²), това изисква сила на затягане от 69 000 kN. Като се има предвид коефициент на безопасност от 1,2 и включително системата за стробиране (приблизителна проектирана площ ~25 000 cm²), необходимата сила на затягане достигна 90 000 kN, надвишавайки капацитета на машината от 70 000 kN.
Резултати от анализа на схема S2:
Добавянето на плъзгач точно срещу рулевата рубка намали времето за запълване на рулевата рубка до 51 ms (срещу . 59 ms за S1). Общото време за запълване беше 86 ms.
Турбуленцията в двете рулеви рубки беше по-изразена. Съдържанието на газ е най-високо в точката на сливане на стопилката в напречната греда в края-на-пълнежа, създавайки висок риск от порьозност, пукнатини и дефекти при свиване [7].
Проблемът със студения поток в зоната на рулевата рубка не беше ефективно разрешен.
Резултати от анализа на схема S3:
Оптимизирайки плъзгача въз основа на предишни схеми, бяха добавени преливни кладенци в центъра на ръба на рулевата рубка и центъра на крайната напречна греда. Входната площ беше увеличена (изискваща по-голяма сила на инжектиране за поддържане на скоростта). Силата на затягане на машината е подобрена до 120 000 kN.
Температурата на ръба на рулевата рубка беше по-ниска от S1/S2, но близо до температурата на ликвидус. Топенето достига затворите при 305 ms (времето започва от пълненето на бисквитите), с максимална скорост от 60 m/s. Кухината се запълни напълно при 390 ms, отнемайки 85 ms. Налягането при леене е 40 MPa.
Въз основа на проектираната площ на литниковата система S3 (25 813 cm²), максималното налягане на леене, което машината от 120 000 kN може да осигури, е 46,5 MPa, което отговаря на изискването.
Преливни кладенци, добавени до рулевата рубка, подобриха въздушното улавяне в сравнение със S2. Близостта до входа също намалява риска от порьозност.
Схемата S3 беше избрана за производство на матрици.
3 Методи за изпитване и резултати
3.1 Параметри-на леене под налягане и методи за изпитване
Производството използва машина за-леене под налягане Lijin 120 000 kN. Сплавта е C611 материал без термична -обработка- (химическият състав отговаря на спецификациите). В сравнение с традиционните структурни материали AlSi10MnMg, сплавите-без термична{10}}обработка предлагат по-добра издръжливост на-леене, благоприятна за занитване. Температурата на топене е 680 градуса. Динамичният и фиксиран вакуум на формата беше 10 kPa.
Поток на процеса: Пръскане → Издухване → Затваряне на матрица → Изливане → Вакуумна евакуация → Инжектиране → Локално изстискване → Директно охлаждане/точково охлаждане → Отваряне на матрица → Извличане на робот → Проверка на целостта → Закаляване с вода → Подстригване и изправяне → Маркиране → Боравене с роботи → Отливане офлайн → Ръчно отстраняване на грапаве → Проверка на външен вид и размери → Трансфер към следващия процес.
Вътрешната проверка на качеството използва Maice FSC тежко-мощна 9-осова рентгенова инспекционна машина. Образците за опън първо бяха изрязани от тялото на отливката като малки заготовки (80-100 mm дължина, 15-30 mm ширина), след което машинно обработени в стандартни образци за опън с 25 mm дължина.
3.2 Вътрешна проверка на качеството
Резултатите от рентгеновата инспекция не показаха значителни дефекти на порьозността в зоните на входа, задната напречна греда или страничните рулеви рубки на отливката на задния под. Вътрешното качество отговаря на стандартите ASTM E505 ниво 2. Поради по-дебелите стени, издатините на отворите за обработка бяха склонни към порьозност, което изискваше допълнителни проверки за открити пори и съответствие със стандартите за външен вид. Тестовете за задържане на натоварване за вложки с резба или самонарезни винтове бяха извършени с помощта на машина за изпитване на опън CMT5305.
3.3 Механични свойства на опън от вземане на проби от тялото
Механичните свойства бяха тествани на 39 места върху тялото на отливката. Точките за вземане на проби бяха симетрично разпределени (L: лявата страна на тялото, R: дясната страна на тялото), покривайки ключови области:
Позиции 1-10: Ръб на рулевата рубка (страничен занитващ ръб).
Позиции 11-20: Средна секция на рулевата рубка.
Позиции 21-23: Зона на входа (занитващ ръб на сглобката на пода).
Позиции 31-34: Съединителен ръб на предния капак.
Позиции 35-37: Занитващ ръб на предния под в края-на запълването.
Резултати:
Якостта на опън (TS) и границата на провлачване (YS) бяха относително стабилни на различни места. Средното TS е 237 MPa; средният YS беше 118,9 MPa.
Удължението варира значително според местоположението, средно само 6,5%, като някои точки са под 6%. Средната стойност на удължението се влияе от мястото на вземане на проби и количеството и служи само като ориентир [9]. За сравнение, друг заден под, използващ същия материал, постигна средно удължение от 9%.
Въз основа на първоначалните изисквания за разработка на клиента, свойствата на тялото (особено удължението на някои места) не могат да бъдат напълно изпълнени. Поради това само резултатите от вземането на проби от тялото не могат да бъдат единственият критерий за квалификация на продукта. Цялостното представяне трябва да се прецени въз основа на стендови тестове и пълни резултати от валидирането на превозното средство.
4 Заключение
(1) Софтуерът Magma беше използван за проектиране и оптимизиране на системата за стробиране за отливката на задния под от алуминиева сплав C611. Симулацията разкрива, че значителни вариации на дебелината на стените в стъпаловидни региони, съчетани с ниска температура на стопилка, протичаща през тези зони, създават рискове от улавяне на въздух, студено затваряне и пукнатини. Анализът на налягането на пълнене в областта на крайната напречна греда показа, че е необходима-машина за леене под налягане със сила на затягане над 90 000 kN за пълно формоване на задния под.
(2) Изборът на 120 000 kN-машина за леене под налягане за производство, съчетан с оптимизация,-базирана на симулация, ефективно елиминира порьозността и дефектите на порьозността при свиване. Въпреки това, пукнатини, склонни да се появят в структурни преходни зони и зони със значителни вариации в дебелината на стените, повлияха на механичните свойства. Средната якост на провлачване, якостта на опън и удължението от образци, изрязани от отливката на задния под на C611, бяха съответно 118,9 MPa, 237 MPa и 6,5%, като по същество отговаряха на основните проектни цели (TS по-голямо или равно на 215 MPa, YS по-голямо или равно на 115 MPa, удължение по-голямо или равно на 6%).
(3) В сравнение с традиционните процеси на формоване като занитване и щамповане, интегрираният -отлят под налягане заден под постигна намаляване на теглото с над 10%. Бъдещото внедряване на 200 000 kN-машини за леене под налягане е обещаващо за постигане на кратък-цикъл, ниска-цена и висока-якост/висока-твърдост на производството на интегрирани автомобилни отливки.
