Введение
Интегрированная технология-литья под давлением обеспечивает такие преимущества, как высокая эффективность производства и низкие производственные затраты. В настоящее время он находится на этапе быстрого развития и обладает потенциалом для производства множества крупных компонентов, упрощения конструкции кузова и революционного процесса производства кузовов [1]. Встроенный-отлитый под давлением задний пол объединяет более 70 оригинальных деталей в один компонент, что значительно снижает вес автомобиля и повышает эффективность производства. Формы, технологические процессы,-машины для литья под давлением и материалы,-не подвергаемые-термической обработке, составляют четыре основные технологии комплексного-литья под давлением [2-3]. Машины для литья под давлением-относятся к крупным-машинам с усилием зажима, превышающим 60 000 кН [4]. Сегодня в основном используются материалы, не требующие термической-обработки-, — это высоко-прочные и-литые алюминиевые сплавы [5], известные своей высокой удельной прочностью, отличными литейными качествами, умеренной стоимостью и статусом основного материала для современных интегрированных литых под давлением автомобильных компонентов [6-7].
Крупногабаритные алюминиевые отливки в отечественном производстве-сталкиваются с проблемой снижения производительности при возрастающей сложности интеграции. Ключевые факторы, влияющие на уровень квалификации, включают:
1. Нестабильное качество в точках опоры-критической нагрузки. Монтажные поверхности стоек амортизаторов, подрамников и задних стоек требуют высоких механических свойств. Эти области часто трудно отбирать, они не должны содержать внутренние поры, превышающие стандарты, и не должны иметь внешних холодных затворов. Примечательно, что поверхность установки задней стойки рядом с краем рулевой рубки склонна к холодному закрытию.
2. Нестабильные размеры критических сопрягаемых поверхностей. Тонкостенные-установочные поверхности боковой панели на кромке отливки подвержены деформации внутрь или наружу или даже скручиванию (спереди наружу, сзади наружу). Это снижает стабильность после сопряжения с ответными деталями и может вызвать смещение предварительно сформированных отверстий, что приведет к сбою обработки [8-15].
В этом исследовании используется моделирование для прогнозирования дефектов в интегрированном-литом компоненте заднего пола, а также оптимизируется система литников и перелива для улучшения внутреннего качества с целью предоставить основу для проектирования аналогичных крупных отливок.
1 Конструктивные характеристики и технические требования
Задняя часть пола представляет собой секцию пола позади пассажирского салона, объединяющую такие компоненты, как левая и правая задние рулевые рубки, задние продольные балки, поперечины, соединительные пластины пола и элементы усиления внутренней балки. Отливка имеет габаритные размеры 1630×1624×666 мм, массу 63 кг, среднюю толщину стенок 3 мм, проектируемую площадь 23 000 см². Из-за большого размера, тонких стенок, значительных требований к пространству, длительного времени цикла и рисков деформации, связанных с термообработкой, обязательным является использование алюминиевого сплава, -не требующего термической обработки-.
Процесс SPR (само-клепка) подходит для холодного соединения разнородных стальных-алюминиевых материалов [8]. Следовательно, передний и задний концы отливки соединяются с передним полом и задним полом соответственно через SPR. Левая и правая рулевые рубки также могут подключаться к боковым панелям через SPR. Хотя эти четыре края не являются основными -несущими зонами заднего пола, они требуют высокой герметизации и целостности соединения, что соответствует требованиям к плоскостности и высокой прочности-вязкости материала.
Требования к внешнему виду: Без дефектов, таких как холодные замыкания, трещины и сколы.
Требования к характеристикам материала (предварительная-обжиг):
Места SPR (отбор проб тела): предел прочности на разрыв больше или равен 215 МПа, предел текучести больше или равен 115 МПа, удлинение больше или равен 12 %, угол изгиба больше или равен 20 градусам.
Задняя половина рулевой рубки (немного ниже): предел прочности на разрыв не менее 215 МПа, предел текучести не менее 110 МПа, удлинение не менее 6 %, угол изгиба не менее 20 градусов.
Другие области: Требование к удлинению от 6% до 12%.
Учитывая присущую им неоднородность механических свойств-отлитых под давлением образцов кузовов, достижение заданных механических свойств повсюду в пределах обозначенных зон является сложной задачей. Поэтому необходимы стендовые испытания для проверки основных нагрузок-несущих характеристик опор амортизаторов и продольных балок [9]. Стендовые испытания обычно включают испытания на прочность и разрушение:
Испытания на прочность и сжатие в направлении Z-: имитируйте нагрузку на задний амортизатор. Средняя нагрузка испытания на долговечность составляет 11,5 кН. При разрушении в направлении Z-первая-этапная нагрузка в 38 кН требует деформации точки нагрузки менее или равной 3 мм; вторая-этапная нагрузка 74 кН не требует образования трещин в точке нагрузки.
Испытание на разрушение в направлении X-: имитирует нагрузку на продольную балку. При односторонней силе нагрузки, превышающей или равной 206 кН, в точке нагрузки не должно возникать растрескиваний и деформаций менее или равной 3 мм.
2. Проектирование-процесса литья под давлением
2.1 Проектирование литниковой системы
Развернутый задний пол имеет на переднем конце окно для подключения передней крышки. Однако его высокое соотношение сторон (3,14) и краевое расположение делают центральные ворота непригодными. Был принят односторонний-подход с литниками, типичный для обычного-литья под давлением. По результатам анализа магматического потока были последовательно оптимизированы три конструкции каналов (S1, S2, S3):
В конструкциях S1 и S2 использовалась машина для литья под давлением 70 000 кН-.
В конструкции S3 использовалась машина для литья под давлением 120 000 кН-, были внесены незначительные конструктивные оптимизации в литейный корпус, а также увеличен диаметр плунжера, количество впускных отверстий и площадь впускных отверстий.
2.2 Анализ моделирования наполнения и затвердевания
Программное обеспечение Magma моделировало процесс литья под давлением-заднего пола. Материалом формы была инструментальная сталь H13; Литейным материалом служил высоко-прочный и-алюминиевый сплав высокой вязкости C611 [1]. Набор параметров: температура расплава 680 градусов, температура плунжера 200 градусов, температура выстреловой гильзы 250 градусов, температура пресс-формы 180 градусов. Параметры впрыска варьировались в зависимости от схемы.
Результаты анализа схемы S1:
В конце--заливки край рулевой рубки имел самую низкую температуру (~618,6 градуса) и затвердевал первым (доля твердых частиц ~1%). Фактическое литье требует более высокой температуры расплава и целенаправленного контроля температуры поверхности формы в этой области. Из-за колебаний температуры формы существует риск холодного закрытия на краю рулевой рубки средней-секции.
Когда расплав достигал задней половины полости, ограниченная зона потока вызывала скорость заполнения до 60 м/с. Два потока расплава сходились в центре концевой перекладины. Высокая скорость вызвала завихрение расплава, что создало высокий риск холодных замыканий и трещин, что привело к снижению механических свойств.
Значительная разница в шагах и более толстая стенка в районе ворот задней продольной балки привели к появлению больших изолированных воздушных карманов с обеих сторон. Обработанные отверстия в этой зоне делают дефекты пористости вредными для текучести.
После попадания расплава в подоконную балку давление литья стабильно возрастало до 30 МПа. Учитывая площадь проекции отливки (18 136 см²), для этого потребовалось усилие зажима 69 000 кН. С учетом коэффициента запаса прочности 1,2 и с учетом литниковой системы (расчетная проектная площадь ~25 000 см²) требуемая сила зажима достигла 90 000 кН, что превышает мощность машины на 70 000 кН.
Результаты анализа схемы S2:
Добавление бегуна прямо напротив рулевой рубки сократило время заполнения рулевой рубки до 51 мс (по сравнению с . 59 мс для S1). Общее время заполнения составило 86 мс.
Турбулентность в обеих рубках была более выраженной. Содержание газа было самым высоким в точке слияния расплава в перекладине на конце--заполнителя, создавая высокий риск образования пористости, трещин и дефектов усадки [7].
Проблема холодного течения в районе рулевой рубки не была эффективно решена.
Результаты анализа схемы S3:
В целях оптимизации бегуна на основе предыдущих схем были добавлены переливные колодцы в центре края рулевой рубки и в центре концевой поперечины. Площадь входа была увеличена (требуется более высокая сила впрыска для поддержания скорости). Усилие зажима машины было увеличено до 120 000 кН.
Температура кромки рулевой рубки была ниже, чем S1/S2, но близка к температуре ликвидуса. Плав достиг входных ворот за 305 мс (отсчет времени начинался с наполнения печеньем) с максимальной скоростью 60 м/с. Полость заполнялась за 390 мс, что заняло 85 мс. Давление литья составляло 40 МПа.
Учитывая расчетную площадь литниковой системы S3 (25 813 см²), максимальное давление литья, которое могла обеспечить машина с усилием 120 000 кН, составило 46,5 МПа, что соответствует требованию.
Переливные колодцы, добавленные рядом с рулевой рубкой, улучшили захват воздуха по сравнению с S2. Близость к затвору также снижает риск пористости.
Для изготовления пресс-форм была выбрана схема S3.
3 метода испытаний и результаты
3.1-Параметры литья под давлением и методы испытаний
При производстве использовалась литейная машина Lijin с усилием 120 000 кН-. Сплав C611 не подвергался термообработке--(химический состав соответствовал спецификациям). По сравнению с традиционными конструкционными материалами AlSi10MnMg, сплавы,-не требующие термической обработки-, обладают более высокой-прочностью при литье, что полезно для клепки. Температура плавления составила 680 градусов. Динамический и фиксированный вакуум в форме составлял 10 кПа.
Технологическая схема: Распыление → Продувка-от → Закрытие формы → Заливка → Вакуумная откачка → Инъекция → Местное сжатие → Прямое/точечное охлаждение → Открытие формы → Извлечение роботом → Проверка целостности → Закалка в воде → Обрезка и выпрямление → Маркировка → Управление роботом → Отливка в автономном режиме → Ручное удаление заусенцев → Проверка внешнего вида и размеров → Переход к следующему процессу.
Для внутренней проверки качества использовалась сверхмощная-9--осевая рентгеновская инспекционная машина Maice FSC. Образцы на растяжение сначала вырезались из отливки в виде небольших заготовок (длина 80-100 мм, ширина 15-30 мм), затем подвергались механической обработке в стандартные образцы на растяжение с рабочей длиной 25 мм.
3.2 Внутренняя проверка качества
Результаты рентгеновского контроля-не выявили значительных дефектов пористости на входных участках, задней поперечине или боковых рулевых рубках отливки заднего пола. Внутреннее качество соответствует стандартам ASTM E505 Level 2. Из-за более толстых стенок бобышки обрабатываемых отверстий были склонны к пористости, что требовало дальнейших проверок на наличие открытых пор и соответствие стандартам внешнего вида. Испытания на выдерживание нагрузки для резьбовых вставок или саморезов-были выполнены с использованием машины для испытаний на растяжение CMT5305.
3.3 Механические свойства на растяжение по результатам отбора проб тела
Механические свойства были проверены в 39 местах отливки. Точки отбора проб были распределены симметрично (L: левая сторона тела, R: правая сторона тела), охватывая ключевые области:
Позиции 1-10: Край рулевой рубки (боковая клепка).
Позиции 11-20: Средняя часть рулевой рубки.
Позиции 21–23: область ворот (клепочная кромка заднего пола).
Позиции 31–34: Край соединения передней крышки.
Позиции 35-37: кромка клепки переднего пола в конце-наполнителя.
Результаты:
Предел прочности (TS) и предел текучести (YS) были относительно стабильными в разных местах. Среднее значение TS составило 237 МПа; средний YS составил 118,9 МПа.
Удлинение значительно варьировалось в зависимости от местоположения, составляя в среднем всего 6,5%, а в некоторых точках оно было ниже 6%. Среднее значение удлинения зависит от места и количества отбора проб и служит лишь ориентиром [9]. Для сравнения, другой задний пол, изготовленный из того же материала, достиг среднего удлинения 9%.
Судя по первоначальным требованиям заказчика к разработке, свойства кузова (особенно удлинение в некоторых местах) не удалось полностью удовлетворить. Таким образом, результаты отбора проб тела сами по себе не могут быть единственным критерием квалификации продукта. Об общих характеристиках необходимо судить на основе результатов стендовых испытаний и полной проверки автомобиля.
4 Заключение
(1) Программное обеспечение Magma использовалось для проектирования и оптимизации литниковой системы для отливки заднего пола из алюминиевого сплава C611. Моделирование показало, что значительные изменения толщины стенок в ступенчатых областях в сочетании с низкой температурой расплава, проходящего через эти области, создают риски захвата воздуха, холодных замыканий и трещин. Анализ давления наполнения в области концевой поперечины показал, что для полного формирования заднего пола необходима машина для литья под давлением с усилием смыкания более 90 000 кН.
(2) Выбор машины для литья под давлением 120 000 кН-в сочетании с оптимизацией на основе моделирования-эффективно устранил дефекты пористости и усадочной пористости. Однако трещины, склонные возникать в структурных переходных зонах и областях со значительными изменениями толщины стенок, влияли на механические свойства. Средний предел текучести, предел прочности и удлинение образцов, вырезанных из отливки заднего пола C611, составили 118,9 МПа, 237 МПа и 6,5 % соответственно, что по существу соответствует основным проектным целевым показателям (TS больше или равно 215 МПа, YS больше или равно 115 МПа, удлинение больше или равно 6%).
(3) По сравнению с традиционными процессами формовки, такими как клепка и штамповка, интегрированное-отлитое под давлением заднее днище позволило снизить вес более чем на 10 %. Будущее внедрение машин для литья под давлением 200 000 кН- обещает обеспечить короткий-цикл, низкую-затраты и высокую-прочность/высокую-стойкость производства цельных отливок автомобильных кузовов.
