Indledning
Integreret-støbeteknologi giver fordele som høj produktionseffektivitet og lave produktionsomkostninger. I øjeblikket i en fase med hurtig udvikling rummer det potentiale til at producere flere store komponenter, forenkle kropsstrukturer og revolutionere kropsfremstillingsprocesser [1]. Det integrerede-støbte baggulv samler over 70 originale dele i en enkelt komponent, hvilket reducerer køretøjets vægt betydeligt og forbedrer produktionseffektiviteten. Forme, proces-,-støbemaskiner og varme-behandlings-fri materialer udgør de fire kerneteknologier inden for integreret-støbning [2-3]. Trykstøbemaskiner refererer specifikt til store-maskiner med spændekræfter på over 60.000 kN [4]. Varme-frie-materialer, der primært anvendes i dag, er høj-styrke, høj-sejhed støbte aluminiumlegeringer [5], kendt for deres høje specifikke styrke, fremragende støbeevne, moderate omkostninger og status som det primære materiale til nuværende integrerede trykstøbte bilkomponenter [6-7].
Indenlandske store aluminiumsstøbegods- står over for udfordringen med at reducere udbyttet med stigende integrationskompleksitet. Nøglefaktorer, der påvirker kvalifikationssatserne omfatter:
1. Ustabil kvalitet ved kritiske belastnings-bærende punkter: Installationsoverflader til støddæmpertårne, underrammer og C-stolper kræver høje mekaniske egenskaber. Disse områder er ofte svære at prøveprøver, må ikke indeholde interne porer, der overstiger standarder, og skal være fri for kolde lukker udvendigt. Især C--søjlens installationsoverflade nær styrehuskanten er tilbøjelig til at blive kold.
2. Ustabile dimensioner ved kritiske sammenkoblingsflader: Tyndvæggede sidepanelinstallationsflader ved støbekanten er modtagelige for indad- eller udadgående deformation eller endda vridning (foran udad, bagud udad). Dette kompromitterer stabiliteten efter sammenkobling med modpartsdele og kan forårsage for-formede huller, hvilket fører til bearbejdningsfejl [8-15].
Denne undersøgelse anvender simulering til at forudsige defekter i en integreret-støbt baggulvskomponent og optimerer gating- og overløbssystemet for at forbedre den indre kvalitet med det formål at give en reference til design af lignende store støbegods.
1 Strukturelle egenskaber og tekniske krav
Den bagerste gulvstøbning udgør gulvsektionen bagved kabinen, der integrerer komponenter som venstre/højre bageste styrehuse, bageste langsgående bjælker, tværbjælker, gulvforbindelsesplader og indvendige bjælkeforstærkninger. Støbningen har overordnede dimensioner på 1.630 mm × 1.624 mm × 666 mm, en masse på 63 kg, en gennemsnitlig vægtykkelse på 3 mm og et projekteret areal på 23.000 cm². På grund af dens store størrelse, tynde vægge og det betydelige pladsbehov, lange cyklustider og forvrængningsrisici forbundet med varmebehandling, er en varme{11}}behandlingsfri- aluminiumslegering påkrævet.
SPR-processen (Self-Piercing Riveting) er velegnet til koldsammenføjning af uens stål-aluminiumsmaterialer [8]. Som følge heraf forbindes støbningens for- og bagende til henholdsvis forreste gulv og bageste gulvsamling via SPR. Venstre og højre styrehus kan også tilsluttes sidepanelerne via SPR. Selvom disse fire kanter ikke er primære-bærende zoner på baggulvet, kræver de høj tætning og forbindelsesintegritet, svarende til kravene til fladhed og høj styrke-sejhed af materialet.
Udseendekrav: Fri for defekter som kolde lukker, revner og spåner.
Materialeydelseskrav (for-bagning):
SPR-placeringer (kropsprøveudtagning): Trækstyrke større end eller lig med 215 MPa, flydestyrke større end eller lig med 115 MPa, forlængelse større end eller lig med 12 %, bøjningsvinkel større end eller lig med 20 grader.
Bagerste halvdel af styrehuset (lidt lavere): Trækstyrke større end eller lig med 215 MPa, flydestyrke større end eller lig med 110 MPa, forlængelse større end eller lig med 6 %, bøjningsvinkel større end eller lig med 20 grader.
Andre områder: Forlængelseskrav mellem 6% og 12%.
I betragtning af den iboende inhomogenitet af mekaniske egenskaber i-støbte kropsprøver er det en udfordring at opnå specificerede mekaniske egenskaber overalt inden for de udpegede områder. Derfor er bænktest påkrævet for at verificere den centrale belastningsbærende ydeevne af støddæmpertårne og langsgående bjælker [9]. Bænktest inkluderer typisk holdbarheds- og knusningstest:
Holdbarhed og Z-retning Crush Tests: Simuler bagstøddæmperbelastning. Holdbarhedstestens gennemsnitlige belastning er 11,5 kN. Under Z--retningstryk kræver første-belastning på 38 kN lastpunktsdeformation Mindre end eller lig med 3 mm; anden-belastning på 74 kN kræver ingen revnedannelse ved læssepunktet.
X-retning Crush Test: Simulerer langsgående strålebelastning. Ved ensidig belastningskraft Større end eller lig med 206 kN må der ikke forekomme revner og deformationer Mindre end eller lig med 3 mm må forekomme ved belastningspunktet.
2 Die-Støbeprocesdesign
2.1 Portsystemdesign
Det udviklede baggulv har et frontdækseltilslutningsvindue i forenden. Det høje billedformat (3,14) og kantplacering gør imidlertid centerporten uegnet. En enkelt-sideindgang, typisk for konventionelle-støbninger, blev vedtaget. Baseret på resultaterne af Magma-flowanalyse blev tre løberdesigns (S1, S2, S3) sekventielt optimeret:
S1 og S2 designs brugte en 70.000 kN støbemaskine-.
S3-designet brugte en 120.000 kN støbemaskine-, inkorporerede mindre strukturelle optimeringer til støbelegemet og øget stempeldiameter, antal indstikninger og indløbsareal.
2.2 Fyldnings- og størkningssimuleringsanalyse
Magma-software simulerede støbeprocessen for baggulvs-matrice. Formmaterialet var H13 værktøjsstål; støbematerialet var C611 høj-styrke, høj-sejhed aluminiumslegering [1]. Parametre indstillet: Smeltetemperatur 680 grader, Stempeltemperatur 200 grader, Shot sleeve-temperatur 250 grader, Formtemperatur 180 grader. Injektionsparametre varierede efter skema.
Skema S1-analyseresultater:
Ved afslutningen-af-påfyldningen havde styrehusets kantposition den laveste temperatur (~618,6 grader) og størknet først (fast fraktion ~1%). Faktisk støbning kræver højere smeltetemperatur og fokuseret overvågning af støbeformens overfladetemperatur i dette område. På grund af temperaturvariationer i skimmelsvampe er der risiko for kold lukning ved den midterste- styrehuskant.
Når smelten nåede den bagerste hulrumshalvdel, forårsagede det begrænsede flowområde påfyldningshastigheder op til 60 m/s. To smeltestrømme konvergerede i midten af endetværbjælken. Høj hastighed forårsagede smeltehvirvling, hvilket skabte en høj risiko for kolde lukninger og revner, hvilket reducerede mekaniske egenskaber.
En betydelig trinforskel og tykkere væg nær indløbet af den bagerste langsgående bjælke forårsagede store isolerede luftlommer på begge sider. Maskinbearbejdede huller i denne zone gør porøsitetsdefekter skadelige for udbyttet.
Efter at smelten er kommet ind i karmbjælken, steg støbetrykket støt til 30 MPa. Baseret på støbelegemets projicerede areal (18.136 cm²) krævede dette en spændekraft på 69.000 kN. I betragtning af en sikkerhedsfaktor på 1,2 og inklusive portsystemet (estimeret projekteret areal ~25.000 cm²), nåede den nødvendige spændekraft 90.000 kN, hvilket oversteg 70.000 kN maskinens kapacitet.
Skema S2-analyseresultater:
Tilføjelse af en løber direkte overfor styrehuset reducerede styrehusets fyldetid til 51 ms (i forhold til . 59 ms for S1). Den samlede opfyldningstid var 86 ms.
Turbulensen i begge styrehuse var mere udtalt. Gasindholdet var højest ved smeltesammenløbspunktet i tværbjælken ved slutningen-af-påfyldningen, hvilket skabte høje risici for porøsitet, revner og krympningsdefekter [7].
Problemet med kold flow i styrehusområdet blev ikke effektivt løst.
Skema S3-analyseresultater:
Ved at optimere løberen baseret på tidligere skemaer blev der tilføjet overløbsbrønde i midten af styrehusets kant og midterste tværbjælke. Indløbsarealet blev øget (krævede højere indsprøjtningskraft for at opretholde hastigheden). Maskinens spændekraft blev opgraderet til 120.000 kN.
Styrehusets kanttemperatur var lavere end S1/S2, men nær likvidustemperaturen. Smelten nåede indgangene ved 305 ms (timing startede fra kikspåfyldning) med en maksimal hastighed på 60 m/s. Hulrummet fyldtes fuldstændigt ved 390 ms, hvilket tog 85 ms. Støbetrykket var 40 MPa.
Baseret på S3-portsystemets projicerede areal (25.813 cm²) var det maksimale støbetryk, som 120.000 kN maskinen kunne levere, 46,5 MPa, hvilket opfylder kravet.
Overløbsbrønde tilføjet ved siden af styrehuset forbedrede luftindfangningen sammenlignet med S2. Nærhed til indløbet reducerede også porøsitetsrisikoen.
S3-ordningen blev valgt til fremstilling af forme.
3 Testmetoder og resultater
3.1 Støbeparametre og testmetoder-
Produktionen brugte en Lijin 120.000 kN die-støbemaskine. Legeringen var C611 varme-behandlingsfrit-materiale (kemisk sammensætning opfyldte specifikationerne). Sammenlignet med traditionelle AlSi10MnMg-strukturmaterialer tilbyder varme-behandlingsfrie{10}}legeringer bedre som-støbesejhed, hvilket er gavnligt til nitning. Smeltetemperaturen var 680 grader. Dynamisk og fast formvakuum var 10 kPa.
Procesflow: Sprøjtning → Blæs-af → Formlukning → Hældning → Vakuumevakuering → Injektion → Lokal klemning → Direkte køling/punktkøling → Formåbning → Robotudvinding → Integritetstjek → Vandbekæmpelse → Trimning og udretning → Manuel udstøbning → Robot-udstøbning → Håndtering Udseende og dimensionskontrol → Overfør til næste proces.
Intern kvalitetsinspektion brugte en Maice FSC heavy-duty 9-akse røntgeninspektionsmaskine. Trækprøver blev først skåret fra støbelegemet som små emner (80-100 mm længde, 15-30 mm bredde), derefter bearbejdet til standard trækprøver med en 25 mm gauge længde.
3.2 Intern kvalitetskontrol
Røntgeninspektionsresultater viste ingen signifikante porøsitetsdefekter ved indsugningsområderne, bageste tværbjælke eller sidestyrhuse af den bageste gulvstøbning. Intern kvalitet opfyldte ASTM E505 Level 2 standarder. På grund af tykkere vægge var bearbejdningshulsnavser tilbøjelige til at blive porøs, hvilket krævede yderligere kontrol for udsatte porer og overholdelse af udseendestandarder. Belastningsfastholdelsestest for gevindindsatser eller selvskærende skruer blev udført ved hjælp af en CMT5305 trækprøvemaskine.
3.3 Trækstyrke mekaniske egenskaber fra kropsprøvetagning
Mekaniske egenskaber blev testet 39 steder på støbelegemet. Prøveudtagningspunkter var symmetrisk fordelt (L: venstre kropsside, R: højre kropsside), og dækkede nøgleområder:
Position 1-10: Styrehuskant (nittekant i siden).
Position 11-20: Styrehus midtersektion.
Positioner 21-23: Indløbsområde (bageste gulvsamlings nittekant).
Positioner 31-34: Forreste dækplade tilslutningskant.
Positioner 35-37: Forreste gulvnittekant for enden-af fyldningen.
Resultater:
Trækstyrke (TS) og flydespænding (YS) var relativt stabile på tværs af lokationer. Gennemsnitlig TS var 237 MPa; gennemsnitlig YS var 118,9 MPa.
Forlængelsen varierede betydeligt afhængigt af sted, i gennemsnit kun 6,5 %, med nogle point under 6 %. Den gennemsnitlige forlængelsesværdi er påvirket af prøveudtagningssted og -mængde og tjener kun som reference [9]. Til sammenligning opnåede et andet baggulv med samme materiale en gennemsnitlig forlængelse på 9 %.
Baseret på kundens indledende udviklingskrav kunne kropsegenskaber (især forlængelse nogle steder) ikke opfyldes fuldt ud. Derfor kan kropsprøveresultater alene ikke være det eneste kriterium for produktkvalificering. Den samlede præstation skal bedømmes baseret på prøvebænk og fuld køretøjsvalidering.
4 Konklusion
(1) Magma-software blev brugt til at designe og optimere portsystemet til C611 aluminiumslegering baggulvstøbning. Simulering afslørede, at betydelige vægtykkelsesvariationer i trinområder, kombineret med lav smeltetemperatur, der strømmer gennem disse områder, skaber risici for luftindfangning, kolde lukker og revner. Analyse af påfyldningstryk i endetværbjælkeområdet viste, at en støbemaskine- med en klemkraft på over 90.000 kN er nødvendig for fuldstændig formning af det bagerste gulv.
(2) Valg af en 120.000 kN støbemaskine til produktion, kombineret med simuleringsbaseret optimering, eliminerede effektivt porøsitets- og krympeporøsitetsdefekter. Imidlertid påvirkede revner, der er tilbøjelige til at forekomme i strukturelle overgangszoner og områder med betydelige vægtykkelsesvariationer, de mekaniske egenskaber. Gennemsnitlig flydestyrke, trækstyrke og forlængelse fra prøver skåret fra C611 bageste gulvstøbelegeme var henholdsvis 118,9 MPa, 237 MPa og 6,5 %, hvilket i det væsentlige opfyldte hoveddesignmålene (TS større end eller lig med 215 MPa, YS større end eller lig med eller lig med 115 MPa %).
(3) Sammenlignet med traditionelle formningsprocesser som nitning og stansning opnåede det integrerede-støbte baggulv en vægtreduktion på over 10 %. Fremtidig anvendelse af 200.000 kN trykstøbemaskiner giver løfte om at opnå kort-cyklus, lave-omkostninger og høj-styrke/høj{10}}fremstilling af integrerede karosseristøbegods til biler.
