وضعیت توسعه و روندهای آینده زیرفریم های آلیاژ آلومینیوم

به عنوان یک جزء جرمی فنر نشده، وزن سبک فریم فریم می تواند مزایای قابل توجهی را با تلاش نسبتاً کم به همراه داشته باشد. در میان گزینه‌های مختلف مواد، ساختاری و فرآیندی، زیرقاب‌های توخالی (LPDC) یکپارچه آلیاژ آلومینیوم دارای رقابت قوی هستند. این مقاله مزایا و چالش‌های زیرفریم‌های توخالی یکپارچه را از منظر ویژگی‌های ساختاری، فرآیند ساخت و فناوری‌های نوآورانه معرفی می‌کند. بر روی دو گلوگاه تولید-پس از-فرآوری و ماشین‌کاری-و همچنین دو گلوگاه بازده محصول-ریخته‌گری با فشار پایین{9}}و عملیات حرارتی تمرکز دارد. برای هر کدام راه حل هایی پیشنهاد شده است. در نهایت، روند توسعه آینده و چشم‌انداز رقابتی زیرفریم‌ها پیش‌بینی می‌شود.
کلیدواژه ها: زیر چارچوب; آلیاژ آلومینیوم؛ توخالی یکپارچه؛ تنگنا؛ چشم انداز رقابتی

1. پس زمینه
طی دهه گذشته، به دلیل بحران انرژی و قوانین سختگیرانه فزاینده، وسایل نقلیه جدید انرژی (NEV) به سرعت رشد کرده اند. آمار نشان می دهد که از سال 2014 تا 2023، نفوذ NEV از 0.3٪ به 31.6٪ افزایش یافته است. با این حال، NEV ها، به ویژه خودروهای الکتریکی باتری دار، با چالش های قابل توجهی در شارژ و برد مواجه هستند. این امر طراحی سبک وزن را در سطح بی سابقه ای از اهمیت قرار داده است.
جرم وسیله نقلیه به دو دسته فنر و فنر نشده تقسیم می شود. جرم فنر به وزن قابل تحمل توسط سیستم تعلیق و عناصر الاستیک از جمله بدنه، موتور، گیربکس و سرنشینان اشاره دارد. جرم بدون فنر به اجزایی گفته می شود که توسط سیستم تعلیق پشتیبانی نمی شوند، مانند چرخ ها، بازوهای تعلیق، فنرها و دمپرها. به عنوان یک جزء اصلی سیستم تعلیق، فریم فرعی نقش مهمی ایفا می کند و سبک وزن بودن آن می تواند جلوه های متعددی را در عملکرد کلی خودرو ایجاد کند.
فریم فرعی که "شاسی زیر{0}" نیز نامیده می شود، به عنوان ستون فقرات برای محورهای جلو و عقب عمل می کند. از مجموعه محور و سیستم تعلیق پشتیبانی می کند و آنها را به قاب اصلی خودرو متصل می کند. در خودروهای سواری با ساختار مونوکوک، ساب فریم سیستم‌های تعلیق چپ و راست را به یک واحد یکپارچه متصل می‌کند و در نتیجه سختی اتصال را افزایش می‌دهد، نویز و لرزش را جدا می‌کند و عملکرد NVH را بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، مسیرهای بار تکمیلی را برای مدیریت انرژی تصادف فراهم می کند و ایمنی خودرو را افزایش می دهد.
به طور سنتی، فریم های فرعی از فولاد ساخته می شوند. با فشار برای سبک‌سازی و پذیرش NEV، زیرفریم‌های آلیاژ آلومینیوم رشد سریعی را تجربه می‌کنند. زیرفراب‌های آلیاژ آلومینیوم را می‌توان از طریق مهر زنی، هیدروفرمینگ، جوشکاری پروفیل، ریخته‌گری با فشار پایین، ریخته‌گری با فشار پایین، یا اتصال فولاد-آلومینیوم ترکیبی، با انواع ساختاری شامل چند قطعه جوش، ریخته‌گری جامد یکپارچه، و طرح‌های ریخته‌گری توخالی تولید کرد.

2. ویژگی های زیرقاب های توخالی انتگرال
2.1 مقدمه
با در نظر گرفتن شرایط بار، سبک وزن، انتشار کربن و هزینه، ریخته گری توخالی یکپارچه مزایای مشخصی را ارائه می دهد. اول، بهینه‌سازی توپولوژی در توسعه اولیه-بر اساس الزامات بارگیری، فضای بسته‌بندی، و امکان‌سنجی ساخت{2}}کاهش وزن را به حداکثر می‌رساند. دوم، در زیر سطح مقطع مساوی-، اعضای توخالی با دیواره نازک-سختی و استحکام ویژه بالاتری ارائه می‌دهند. سوم، در مقایسه با زیرقاب‌های چند تکه جوش داده شده، ریخته‌گری‌های یکپارچه از درزهای جوش و گرمای مربوطه- بر تخریب ناحیه تأثیر می‌گذارند. در نهایت، ریخته‌گری انتگرال ده‌ها عملیات مهر زنی و جوشکاری را با یک مرحله شکل‌دهی جایگزین می‌کند و چرخه‌های توسعه را به‌طور چشمگیری کوتاه می‌کند و مدیریت زنجیره تامین را ساده می‌کند.
فریم های توخالی انتگرال معمولاً از طریق LPDC تولید می شوند. آنها دارای شش ویژگی تعیین کننده هستند:
ابعاد بزرگ (تقریباً{0}}–1200 میلی‌متر × 800–1000 میلی‌متر × 300–500 میلی‌متر).
بخش‌های دیواره نازک، با ضخامت دیواره پایه 4 تا 5 میلی‌متر (محلی به نازکی 3.5 میلی‌متر).
حفره‌های توخالی که به هسته‌های شنی بزرگ نیاز دارند، که هسته را افزایش می‌دهد-مشکل ایجاد می‌کند.
مقاطع پیچیده- با تغییرات ضخامت دیواره و نقاط داغ متعدد.
ویژگی‌های ماشین‌کاری متعدد-شش وجه در جهت‌های X، Y و Z که به ابزارهای 20+ نیاز دارند.
به‌عنوان قطعات حیاتی{0}ایمنی شاسی طبقه‌بندی می‌شوند، با تحمل صفر برای خرابی.
1.
این ویژگی ها چالش های مهمی را در سراسر فرآیند تولید ایجاد می کند.
2.2 فرآیند تولید
ساخت فریم های توخالی یکپارچه شامل پنج ماژول اصلی است: آماده سازی،-ریخته گری با فشار کم، تمیز کردن، عملیات حرارتی و پردازش{1}}.
آماده سازی: ساخت هسته (هسته های معدنی به دلایل زیست محیطی در حال تبدیل شدن به جریان اصلی هستند)، ذوب آلیاژ (با استفاده از A356، A356.2، AlSi7Mg، ZL101A با محتوای بازیافتی کمتر یا مساوی 40 درصد)، و آماده سازی قالب (پوشش، نگهداری، تعمیر).
ریخته‌گری با فشار پایین{{0}: پارامترهای ریخته‌گری و مدیریت حرارتی قالب مستقیماً بر کیفیت محصول تأثیر می‌گذارند (مثلاً تخلخل، آخال‌ها، تغییر شکل).
تمیز کردن: شامل برداشتن شن، برش دروازه و بالابر، بازرسی اشعه ایکس- و سنگ زنی است. کارایی و کنترل ابعاد بسیار مهم است.
عملیات حرارتی: شامل حل کردن، خاموش کردن و پیری است. اعوجاج خاموش کردن یک مسئله اصلی است که نیاز به کاهش از طریق طراحی قالب، بهینه سازی فیکسچر و تنظیمات فرآیند دارد.
پردازش پست{0}}: عمدتاً ماشین‌کاری، تمیز کردن و مونتاژ. ماشین‌کاری گلوگاه است، با تمرین اصلی با استفاده از ماشین‌های پنج محور افقی، که 30 دقیقه در هر قطعه به دست می‌آید.

3. چالش های زیرفریم های توخالی یکپارچه
3.1 مسائل ذاتی
مانع اصلی برای پذیرش گسترده‌تر، هزینه است که به دلیل نرخ بازده پایین، زمان چرخه طولانی و استفاده از مواد خام، بسیار بالاتر از زیرشاخه‌های فولادی باقی می‌ماند.
بازده محصول: عیوب ناشی از ریخته‌گری (مانند تخلخل، انقباض، انقباضات، ترک‌ها) و عملیات حرارتی (مانند رفع اعوجاج) است. این موارد در ایمنی{5}}قطعات حیاتی شاسی قابل تحمل نیستند. راه حل ها عبارتند از تصفیه مذاب، کنترل دمای قالب، دروازه بهینه و اصلاح استراتژی خاموش کردن.
چرخه تولید: LPDC معمولاً به 360-420 ثانیه در هر ریخته گری نیاز دارد. فرآیندهای تمیز کردن 240 تا 300 ثانیه در هر قطعه طول می کشد، در حالی که ماشینکاری ممکن است به 20 تا 60 دقیقه نیاز داشته باشد (بهترین موارد ~ 10 دقیقه). این چرخه های طولانی توان عملیاتی را محدود می کند.
عوامل دیگر: استفاده از مواد و انعطاف پذیری خط تولید نیز نقش دارند. NEVها اغلب به محصولات چندتنوع و کم حجم می‌خواهند که کارایی را در خطوط بسیار خودکار کاهش می‌دهد.
3.2 فن آوری های رقیب
چندین فناوری نوظهور هم چالش ها و هم فرصت ها را ارائه می دهند:
ریخته‌گری یکپارچه: ترکیب نمایه‌های توخالی و پوسته‌های بهینه‌شده-در یک ساختار ریخته‌گری با خلاء{{2}، که باعث کاهش وزن و افزایش بهره‌وری می‌شود.
ریخته‌گری الکترومغناطیسی: از نیروهای الکترومغناطیسی به جای فشار گاز برای پر کردن مذاب استفاده می‌کند، کنترل سطح دقیق، استفاده بالاتر از مواد و مناسب بودن برای ریخته‌گری‌های بزرگ را ارائه می‌دهد.
ریخته گری پر هیبرید (HFC): گاز و فشار هیدرولیک را برای پالایش ریزساختار و از بین بردن تخلخل ترکیب می کند و کیفیت متالورژی و خواص مکانیکی برتر را ایجاد می کند.
هسته‌های ماسه‌ای چاپ‌شده سه بعدی-: ابزار انعطاف‌پذیر و کم هزینه-برای تولید نمونه اولیه یا کوچک-را فعال می‌کند و هزینه‌های توسعه اولیه را کاهش می‌دهد.
3.3 استراتژی های رقابتی
طبق داده‌های صنعت، انتظار می‌رود نفوذ زیرفریم آلیاژ آلومینیوم از 8 درصد در سال 2020 به بیش از 30 درصد تا سال 2025 افزایش یابد و طرح‌های توخالی یکپارچه از 5 درصد به 28 درصد افزایش یابد. اینکه آیا این پتانسیل می تواند محقق شود به استراتژی هایی در سه بعد بستگی دارد:
Material: Aluminum alloys offer excellent formability and recyclability (>نرخ بازیابی 95٪،<1% melt loss), lowering lifecycle costs and carbon footprint.
فرآیند: LPDC پر شدن پایدار و کیفیت متالورژیکی بالا را تضمین می‌کند، استحکام کششی 280-320 مگاپاسکال، استحکام تسلیم 220-250 مگاپاسکال و کشیدگی 6-8 درصد، مناسب برای اجزای ایمنی شاسی است.
ساختار: طراحی توخالی مراحل فرآیند و هزینه را کاهش می دهد و در عین حال سختی و استحکام را به حداکثر می رساند. مقاطع لوله مربعی نازک-سختی و استحکام نسبی بالاترین را در بین هندسه‌های مقطعی- معمولی نشان می‌دهند.

4. نتیجه گیری
با پذیرش شتابان NEVها، زیرفراب‌های آلیاژ آلومینیوم-به‌ویژه انواع LPDC توخالی یکپارچه-برای رشد چشمگیر بازار آماده شده‌اند. مزیت‌های ساختاری و فرآیندی آن‌ها را به شدت رقابتی می‌سازد. با این حال، غلبه بر چالش‌ها در بازده و زمان چرخه تولید برای کاهش هزینه‌ها و دستیابی به پذیرش گسترده حیاتی است. نوآوری مستمر در ساختار و ساخت، کلید رقابت آتی خواهد بود.