Ievads
Integrētā pres{0}}liešanas tehnoloģija piedāvā tādas priekšrocības kā augsta ražošanas efektivitāte un zemas ražošanas izmaksas. Pašlaik straujas attīstības fāzē tai ir potenciāls ražot vairākus lielus komponentus, vienkāršot virsbūves struktūras un mainīt virsbūves ražošanas procesus [1]. Integrētā pres{4}}liešanas aizmugurējā grīda apvieno vairāk nekā 70 oriģinālās detaļas vienā komponentā, ievērojami samazinot transportlīdzekļa svaru un uzlabojot ražošanas efektivitāti. Veidnes, apstrādājamās, spiedliešanas mašīnas un bez termiskās -apstrādes-materiāli ir četras integrētās pres{10}lēšanas pamattehnoloģijas [2-3]. Liešanas mašīnas īpaši attiecas uz liela mēroga{19}mašīnām, kuru savilkšanas spēki pārsniedz 60 000 kN [4]. Mūsdienās galvenokārt izmantotie materiāli bez termiskās -apstrādes{21}} ir augstas-izturības, augstas-izturības lietie alumīnija sakausējumi [5], kas pazīstami ar savu augsto īpatnējo stiprību, lielisko liejamību, mērenām izmaksām un pašreizējo integrēto automobiļu spiedienliešanas sastāvdaļu primārā materiāla statusu [6–7].
Sadzīves lielie alumīnija pres{0}lējumi saskaras ar izaicinājumu samazināt ražas līmeni, palielinoties integrācijas sarežģītībai. Galvenie faktori, kas ietekmē kvalifikācijas līmeni, ir:
1. Nestabila kvalitāte kritiskās slodzes{1}}nešanas punktos: amortizatoru torņu, apakšrāmju un C-balstu uzstādīšanas virsmām ir nepieciešamas augstas mehāniskās īpašības. Šajās zonās bieži ir grūti ņemt paraugus, tajās nedrīkst būt iekšējās poras, kas pārsniedz standartus, un tajās nedrīkst būt ārēji aizverami auksti. Konkrēti, C-pilāra uzstādīšanas virsma netālu no stūres mājas malas ir pakļauta aukstumam.
2. Nestabili izmēri pie kritiskām savienojuma virsmām: plānās -sienu sānu paneļu uzstādīšanas virsmas pie liešanas malas ir pakļautas deformācijai uz iekšu vai āru vai pat vērpšanai (priekšpuse uz āru, aizmugurē uz āru). Tas apdraud stabilitāti pēc savienošanas ar līdzīgām daļām un var izraisīt iepriekš-izveidotu caurumu novirzi, izraisot apstrādes kļūmi [8-15].
Šajā pētījumā tiek izmantota simulācija, lai prognozētu defektus integrētā-liešanas aizmugurējās grīdas komponentā, un optimizēta aizbīdņu un pārplūdes sistēma, lai uzlabotu iekšējo kvalitāti, lai nodrošinātu atsauci līdzīgu lielu lējumu projektēšanai.
1 Strukturālie raksturlielumi un tehniskās prasības
Aizmugurējās grīdas lējums veido grīdas daļu aizmugurē no pasažieru nodalījuma, integrējot tādas sastāvdaļas kā kreisās/labās aizmugurējās stūres mājas, aizmugurējās gareniskās sijas, šķērssijas, grīdas savienojuma plāksnes un iekšējo siju pastiprinājumu. Lējuma kopējie izmēri ir 1630 mm × 1624 mm × 666 mm, masa 63 kg, vidējais sienu biezums 3 mm un projicējamais laukums 23 000 cm². Ņemot vērā tā lielo izmēru, plānās sienas un ievērojamās vietas prasības, ilgu cikla laiku un deformācijas risku, kas saistīts ar termisko apstrādi, alumīnija sakausējums ir obligāts bez termiskās -apstrādes{12}.
SPR (Self{0}}piercing Riveting) process ir piemērots atšķirīgu tērauda-alumīnija materiālu aukstai savienošanai [8]. Līdz ar to lējuma priekšējie un aizmugurējie gali savienoti attiecīgi ar priekšējo grīdu un aizmugurējo grīdu, izmantojot SPR. Kreisās un labās stūres mājas var savienot arī ar sānu paneļiem, izmantojot SPR. Lai gan šīs četras malas nav aizmugurējās grīdas primārās slodzes{6}}nesošās zonas, tām ir nepieciešama augsta blīvējuma un savienojuma integritāte, kas atbilst materiāla līdzenuma un augstas izturības{7}}stingrības prasībām.
Prasības pēc izskata: bez defektiem, piemēram, aukstiem aizvērumiem, plaisām un šķembām.
Materiāla veiktspējas prasības (priekš-cepšana):
SPR atrašanās vietas (ķermeņa paraugu ņemšana): stiepes izturība ir lielāka vai vienāda ar 215 MPa, ražības izturība ir lielāka vai vienāda ar 115 MPa, pagarinājums ir lielāks vai vienāds ar 12%, lieces leņķis ir lielāks vai vienāds ar 20 grādiem.
Stūres mājas aizmugurējā puse (nedaudz zemāka): stiepes izturība ir lielāka vai vienāda ar 215 MPa, ražības izturība ir lielāka vai vienāda ar 110 MPa, pagarinājums ir lielāks vai vienāds ar 6%, lieces leņķis ir lielāks vai vienāds ar 20 grādiem.
Citas jomas: pagarinājuma prasība no 6% līdz 12%.
Ņemot vērā mehānisko īpašību raksturīgo neviendabīgumu pres{0}}liemeņu korpusu paraugos, noteiktu mehānisko īpašību sasniegšana visur norādītajās vietās ir izaicinājums. Tāpēc ir jāveic stenda testi, lai pārbaudītu amortizatoru torņu un garenisko siju atslēgas slodzes-nestspēju [9]. Testi stendā parasti ietver izturības un saspiešanas testus:
Izturības un Z-virziena saspiešanas testi: simulējiet aizmugurējo amortizatora slodzi. Izturības testa vidējā slodze ir 11,5 kN. Saspiešanas virzienā Z-pirmā-pakāpes 38 kN slodzei nepieciešama slodzes punkta deformācija, kas ir mazāka vai vienāda ar 3 mm; Otrās-posma slodzes gadījumā 74 kN nav nepieciešama plaisāšana slodzes punktā.
X-virziena saspiešanas tests: simulē staru garenisko slodzi. Pie vienpusējas slodzes spēka, kas ir lielāks vai vienāds ar 206 kN, nav plaisāšanas un deformācijas Slogošanas punktā nedrīkst būt mazāka par 3 mm vai vienāda ar to.
2 die{1}}liešanas procesa dizains
2.1. Vārtu sistēmas projektēšana
Izstrādātajai aizmugurējai grīdai priekšējā galā ir priekšējās pārsega plāksnes savienojuma logs. Tomēr tā augstā malu attiecība (3,14) un malu atrašanās vieta padara centra vārtus nepiemērotu. Tika pieņemta viena-sānu vadu pieeja, kas raksturīga parastajiem spiedes-lējumu veidiem. Pamatojoties uz Magma plūsmas analīzes rezultātiem, secīgi tika optimizēti trīs skrējēju modeļi (S1, S2, S3):
S1 un S2 konstrukcijās tika izmantota 70 000 kN spiedliešanas mašīna.
S3 dizainā tika izmantota 120 000 kN spiedlešanas iekārta, iestrādāta neliela liešanas korpusa struktūras optimizācija un palielināts virzuļa diametrs, uzgaļu skaits un uzgaļu laukums.
2.2. Pildīšanas un cietināšanas simulācijas analīze
Programmatūra Magma simulēja aizmugurējās grīdas presēšanas{0}}liešanas procesu. Veidnes materiāls bija H13 instrumentu tērauds; liešanas materiāls bija C611 augstas-stiprības, augstas-izturības alumīnija sakausējums [1]. Iestatītie parametri: kušanas temperatūra 680 grādi, virzuļa temperatūra 200 grādi, šāviena uzmavas temperatūra 250 grādi, veidnes temperatūra 180 grādi. Injekcijas parametri mainījās atkarībā no shēmas.
Shēmas S1 analīzes rezultāti:
Uzpildīšanas--beigās stūres mājas malas pozīcijai bija viszemākā temperatūra (~618,6 grādi), un tā vispirms sacietēja (cietā daļa ~1%). Faktiskajai liešanai ir nepieciešama augstāka kušanas temperatūra un mērķtiecīga veidņu virsmas temperatūras uzraudzība šajā reģionā. Pelējuma temperatūras svārstību dēļ stūres mājas malas vidusdaļā{6}} pastāv aukstās slēgšanas risks.
Kad kausējums sasniedza aizmugures dobuma pusi, ierobežotā plūsmas zona izraisīja uzpildes ātrumu līdz 60 m/s. Divas kausējuma plūsmas saplūda gala šķērssijas centrā. Liels ātrums izraisīja kausējuma virpuļošanu, radot augstu aukstuma aizvēršanās un plaisu risku, samazinot mehāniskās īpašības.
Ievērojama pakāpienu atšķirība un biezāka siena pie aizmugures gareniskās sijas malas radīja lielas izolētas gaisa kabatas abās pusēs. Mehāniski apstrādāti caurumi šajā zonā rada porainības defektus, kas negatīvi ietekmē ražu.
Pēc kausējuma nokļūšanas palodzes sijā liešanas spiediens nepārtraukti palielinājās līdz 30 MPa. Pamatojoties uz lējuma korpusa projicējamo laukumu (18 136 cm²), tam bija nepieciešams 69 000 kN saspiešanas spēks. Ņemot vērā drošības koeficientu 1,2 un iekļaujot vārtu sistēmu (paredzamais projektētais laukums ~25 000 cm²), nepieciešamais savilkšanas spēks sasniedza 90 000 kN, pārsniedzot 70 000 kN iekārtas jaudu.
Shēmas S2 analīzes rezultāti:
Pievienojot sliedi tieši pretī stūres mājai, stūres mājas aizpildīšanas laiks tika samazināts līdz 51 ms (salīdzinājumā ar . 59 ms S1). Kopējais aizpildīšanas laiks bija 86 ms.
Turbulence abās stūres mājās bija izteiktāka. Gāzes saturs bija visaugstākais kušanas saplūšanas punktā šķērssijā pildījuma beigās-, -izraisot lielu porainības, plaisu un saraušanās defektu risku [7].
Aukstās plūsmas problēma stūres mājas zonā netika efektīvi atrisināta.
Shēmas S3 analīzes rezultāti:
Optimizējot sliedi, pamatojoties uz iepriekšējām shēmām, stūres mājas malas centrā un gala šķērssijas centrā tika pievienotas pārplūdes akas. Tika palielināts spraugas laukums (lai uzturētu ātrumu, nepieciešams lielāks iesmidzināšanas spēks). Mašīnas saspiešanas spēks tika palielināts līdz 120 000 kN.
Stūres mājas malas temperatūra bija zemāka par S1/S2, bet tuvu likvidusa temperatūrai. Kausējums sasniedza sprauslas ar ātrumu 305 ms (laiks sākās ar cepumu pildījumu), ar maksimālo ātrumu 60 m/s. Dobums pilnībā piepildījās pēc 390 ms, aizņemot 85 ms. Liešanas spiediens bija 40 MPa.
Pamatojoties uz S3 vārtu sistēmas paredzēto laukumu (25 813 cm²), maksimālais liešanas spiediens, ko varēja nodrošināt 120 000 kN iekārta, bija 46,5 MPa, kas atbilst prasībām.
Pārplūdes akas, kas pievienotas blakus stūres mājai, uzlaboja gaisa aizķeršanos salīdzinājumā ar S2. Porainības risku samazināja arī tā tuvums.
S3 shēma tika izvēlēta veidņu ražošanai.
3 Testa metodes un rezultāti
3.1. Izliešanas-parametri un pārbaudes metodes
Ražošanā tika izmantota Lijin 120 000 kN spiedliešanas iekārta. Sakausējums bija C611 bez termiskās-apstrādes-materiāls (ķīmiskais sastāvs atbilda specifikācijām). Salīdzinot ar tradicionālajiem AlSi10MnMg strukturālajiem materiāliem, sakausējumi bez termiskās apstrādes{10}{10}{101} nodrošina labāku stingrību, kas ir labvēlīga kniedēšanai. Kušanas temperatūra bija 680 grādi. Dinamiskais un fiksētais veidņu vakuums bija 10 kPa.
Procesa plūsma: izsmidzināšana → izpūšana-izslēgts → veidnes aizvēršana → ieliešana → vakuuma evakuācija → iesmidzināšana → lokālā saspiešana → tieša dzesēšana/punkta dzesēšana → veidnes atvēršana → robota ekstrakcija → integritātes pārbaude → ūdens dzēšana → apgriešana un iztaisnošana → marķēšana → pārvietošanas ierīce → pārseguma pārbaude → atdalīšanas līnija Nākamais process.
Iekšējā kvalitātes pārbaudē tika izmantota Maice FSC lieljaudas-9-ass rentgena pārbaudes iekārta. Stiepes paraugi vispirms tika izgriezti no liešanas korpusa kā mazas sagataves (80-100 mm garums, 15-30 mm platums), pēc tam apstrādāti standarta stiepes paraugos ar 25 mm garumu.
3.2. Iekšējā kvalitātes pārbaude
Rentgenstaru pārbaužu rezultāti neliecināja par būtisku porainības defektu aizmugures grīdas lējuma sprauslu zonās, aizmugurējā šķērssijā vai sānu stūres mājās. Iekšējā kvalitāte atbilst ASTM E505 2. līmeņa standartiem. Biezāku sienu dēļ apstrādes caurumu uzgaļi bija pakļauti porainībai, tāpēc bija nepieciešama turpmāka atklāto poru pārbaude un atbilstība izskata standartiem. Slodzes noturības testi vītņotiem ieliktņiem vai pašvītņojošām skrūvēm{6}} tika veikti, izmantojot CMT5305 stiepes pārbaudes iekārtu.
3.3. Stiepes mehāniskās īpašības no ķermeņa paraugu ņemšanas
Mehāniskās īpašības tika pārbaudītas 39 vietās uz liešanas korpusa. Paraugu ņemšanas punkti bija simetriski sadalīti (L: ķermeņa kreisā puse, R: korpusa labā puse), aptverot galvenās jomas:
Pozīcijas 1-10: Stūres mājas mala (sānu kniedēšanas mala).
Pozīcijas 11-20: Stūres mājas vidējā daļa.
21.–23. pozīcijas: aizdedzes zona (aizmugurējās grīdas montāžas kniedēšanas mala).
Pozīcijas 31-34: Priekšējās pārsega plāksnes savienojuma mala.
Pozīcijas 35-37: priekšējās grīdas kniedēšanas mala pildījuma-galā.
Rezultāti:
Stiepes izturība (TS) un tecēšanas robeža (YS) bija relatīvi stabilas dažādās vietās. Vidējais TS bija 237 MPa; vidējais YS bija 118,9 MPa.
Pagarinājums ievērojami atšķīrās atkarībā no atrašanās vietas, vidēji tikai 6,5%, dažos punktos zem 6%. Vidējo pagarinājuma vērtību ietekmē paraugu ņemšanas vieta un daudzums, un tā kalpo tikai kā atsauce [9]. Salīdzinājumam, cita aizmugurējā grīda, izmantojot to pašu materiālu, sasniedza vidējo pagarinājumu par 9%.
Pamatojoties uz klienta sākotnējām izstrādes prasībām, korpusa īpašības (īpaši pagarinājumu dažās vietās) nevarēja pilnībā izpildīt. Tāpēc ķermeņa paraugu ņemšanas rezultāti vien nevar būt vienīgais produkta kvalifikācijas kritērijs. Kopējais sniegums jāvērtē, pamatojoties uz stenda testu un pilniem transportlīdzekļa validācijas rezultātiem.
4 Secinājums
(1) Programmatūra Magma tika izmantota, lai izstrādātu un optimizētu C611 alumīnija sakausējuma aizmugures grīdas lējuma vārtu sistēmu. Simulācija atklāja, ka ievērojamas sienu biezuma atšķirības pakāpju reģionos apvienojumā ar zemu kušanas temperatūru, kas plūst cauri šīm zonām, rada gaisa aizķeršanās, aukstuma aizvēršanās un plaisu risku. Uzpildes spiediena analīze gala šķērssijas apgabalā liecināja, ka pilnīgai aizmugures grīdas veidošanai ir nepieciešama spiedliešanas iekārta ar saspiešanas spēku, kas pārsniedz 90 000 kN.
(2) Izvēloties ražošanai 120 000 kN spiedlešanas iekārtu, kas apvienota ar simulāciju-balstītu optimizāciju, kas efektīvi novērš porainības un saraušanās porainības defektus. Tomēr plaisas, kurām ir tendence rasties strukturālās pārejas zonās un apgabalos ar ievērojamām sienu biezuma izmaiņām, ietekmēja mehāniskās īpašības. Vidējā tecēšanas robeža, stiepes izturība un pagarinājums no paraugiem, kas izgriezti no C611 aizmugurējās grīdas liešanas korpusa, bija attiecīgi 118,9 MPa, 237 MPa un 6,5%, kas būtībā sasniedza galvenos konstrukcijas mērķus (TS ir lielāks vai vienāds ar 215 MPa, YS lielāks vai vienāds ar 115 MPa, vai E garums ir vienāds ar lielāku līdz 6 MPa).
(3) Salīdzinājumā ar tradicionālajiem formēšanas procesiem, piemēram, kniedēšanu un štancēšanu, integrētā pres{1}}liešana aizmugurējā grīda panāca svara samazinājumu, kas pārsniedz 10%. Nākotnē 200 000 kN pres{6}}liešanas mašīnu ieviešana sola nodrošināt īsu-ciklu, zemas{8}}izmaksas un augstas-stiprības/augstas{10}}stingrības integrētu automobiļu virsbūves lējumu ražošanu.
