مقدمه
فناوری ریختهگری قالب یکپارچه مزایایی مانند راندمان تولید بالا و هزینههای ساخت پایین را ارائه میدهد. در حال حاضر در مرحله توسعه سریع، پتانسیل تولید اجزای متعدد بزرگ، ساده سازی ساختار بدن و متحول کردن فرآیندهای تولید بدن را دارد [1]. کف یکپارچه قالبی{4}}کف پشتی بیش از 70 قطعه اصلی را در یک جزء ادغام میکند و به طور قابل توجهی وزن خودرو را کاهش میدهد و راندمان تولید را بهبود میبخشد. قالبها، فرآیند،-ماشینهای ریختهگری قالب، و{8}}عملیات-گرما{9}}مواد رایگان، چهار فناوری اصلی ریختهگری یکپارچه قالب را تشکیل میدهند [2-3]. ماشینهای ریختهگری به طور خاص به ماشینهای{19}در مقیاس بزرگ با نیروهای گیره بیش از 60000 کیلونیوتن اشاره میکنند [4]. مواد بدون{20}}عملیات حرارتی{21}}که امروزه عمدتاً مورد استفاده قرار میگیرند، آلیاژهای آلومینیوم ریختهگری شده با استحکام{{24} و چقرمگی بالا [5] هستند که به دلیل استحکام ویژه بالا، ریختگریپذیری عالی، هزینه متوسط، و وضعیت به عنوان ماده اولیه برای اجزای یکپارچه یکپارچه [6-7 خودرو] فعلی شناخته میشوند.
قالبهای ریختهگری{0}آلومینیوم بزرگ داخلی با چالش کاهش نرخ بازده همراه با افزایش پیچیدگی یکپارچهسازی مواجه هستند. عوامل کلیدی موثر بر نرخ صلاحیت عبارتند از:
1. کیفیت ناپایدار در -نقاط تحمل بار بحرانی: سطوح نصب برجهای ضربهگیر، زیرفریمها و ستونهای C- خواص مکانیکی بالایی دارند. نمونه برداری از این نواحی اغلب دشوار است، نباید دارای منافذ داخلی بیش از حد استاندارد باشد، و باید عاری از بسته های سرد خارجی باشد. قابل توجه است که سطح نصب ستون C در نزدیکی لبه خانه چرخ مستعد بسته شدن سرد است.
2. ابعاد ناپایدار در سطوح مهم جفت گیری: سطوح نصب پانل جانبی با دیواره نازک-در لبه ریخته گری مستعد تغییر شکل درونی یا بیرونی، یا حتی پیچش (جلو به بیرون، عقب به بیرون) هستند. این امر ثبات را پس از جفت شدن با قطعات همتای خود به خطر می اندازد و می تواند{3}} ناهماهنگی سوراخ های از پیش ایجاد شده، منجر به شکست ماشینکاری شود [8-15].
این مطالعه از شبیهسازی برای پیشبینی عیوب در قالب یکپارچه-قطعه کف عقب ریختهگری استفاده میکند و سیستم دروازه و سرریز را برای بهبود کیفیت داخلی بهینه میکند و هدف آن ارائه مرجعی برای طراحی ریختهگریهای بزرگ مشابه است.
1 ویژگی های سازه ای و الزامات فنی
ریختهگری کف عقب، بخش کف در عقب محفظه سرنشین را تشکیل میدهد و اجزایی مانند چرخخانههای عقب چپ/راست، تیرهای طولی عقب، تیرهای متقاطع، صفحات اتصال کف، و تقویتکنندههای تیر داخلی را تشکیل میدهد. ابعاد کلی ریخته گری 1630 میلی متر × 1624 میلی متر × 666 میلی متر، جرم 63 کیلوگرم، ضخامت دیواره متوسط 3 میلی متر و مساحت پیش بینی شده 23000 سانتی متر مربع است. با توجه به اندازه بزرگ، دیوارهای نازک، و نیازهای فضایی قابل توجه، زمان چرخه طولانی و خطرات اعوجاج مرتبط با عملیات حرارتی، آلیاژ آلومینیوم رایگان{11}}عملیات حرارتی{12}} الزامی است.
فرآیند SPR (Self{0}}Piercing Riveting) برای اتصال سرد فولادهای غیرمشابه- مواد آلومینیومی [8] مناسب است. در نتیجه، انتهای جلو و عقب ریختهگری به ترتیب از طریق SPR به مجموعه طبقه جلو و عقب متصل میشوند. چرخ های چپ و راست نیز می توانند از طریق SPR به پانل های جانبی متصل شوند. در حالی که این چهار لبه -مناطق باربری اولیه کف عقب نیستند، بلکه نیازمند آب بندی و یکپارچگی اتصال بالا هستند که مطابق با الزامات مسطح بودن و استحکام{7}}سختی مواد است.
الزامات ظاهری: عاری از عیوب مانند بسته شدن سرد، ترک و تراشه.
الزامات عملکرد مواد (پیش-پخت):
مکان های SPR (نمونه برداری بدنه): استحکام کششی بیشتر یا مساوی 215 مگاپاسکال، مقاومت تسلیم بیشتر یا مساوی 115 مگاپاسکال، ازدیاد طول بیشتر یا مساوی 12 درصد، زاویه خمش بزرگتر یا مساوی 20 درجه.
نیمه عقب چرخ (کمی پایین تر): استحکام کششی بیشتر یا مساوی 215 مگاپاسکال، مقاومت تسلیم بیشتر یا مساوی 110 مگاپاسکال، ازدیاد طول بیشتر یا مساوی 6 درصد، زاویه خمش بزرگتر یا مساوی 20 درجه.
سایر مناطق: نیاز به کشیدگی بین 6 تا 12 درصد.
با در نظر گرفتن ناهمگنی ذاتی خواص مکانیکی در نمونههای قالبسازی{0}}، دستیابی به خواص مکانیکی مشخص در همه جا در مناطق تعیینشده چالش برانگیز است. بنابراین، آزمایشهای نیمکت برای تأیید عملکرد بار کلیدی برجهای کمک فنر و تیرهای طولی [9] مورد نیاز است. تستهای رومیزی معمولاً شامل تستهای دوام و له شدن میشوند:
دوام و آزمونهای له{0} جهت Z: بارگیری کمک فنر عقب را شبیهسازی کنید. میانگین بار تست دوام 11.5 کیلو نیوتن است. در -له شدن جهت Z، بارگذاری مرحله اول 38 کیلونیوتن نیاز به تغییر شکل نقطه بارگذاری کمتر یا مساوی 3 میلی متر دارد. بارگذاری مرحله دوم 74 کیلونیوتن-به هیچ ترک خوردگی در نقطه بارگیری نیاز ندارد.
X{0}}تست له شدن جهت: بارگذاری پرتو طولی را شبیهسازی میکند. تحت نیروی بارگذاری یک طرفه بزرگتر یا مساوی 206 کیلو نیوتن، بدون ترک و تغییر شکل کمتر یا مساوی 3 میلی متر در نقطه بارگذاری باید رخ دهد.
2 Die-طراحی فرآیند ریخته گری
2.1 طراحی سیستم دروازه
طبقه عقب توسعه یافته دارای یک پنجره اتصال صفحه پوشش جلو در انتهای جلوی خود است. با این حال، نسبت تصویر بالای آن (3.14) و موقعیت لبه، دروازه مرکزی را نامناسب می کند. یک رویکرد یک-دروازه جانبی، معمولی برای ریختهگریهای معمولی-، اتخاذ شد. بر اساس نتایج تجزیه و تحلیل جریان ماگما، سه طرح دونده (S1، S2، S3) به طور متوالی بهینه شدند:
طرح های S1 و S2 از دستگاه ریخته گری 70000 کیلونیوتن استفاده می کردند.
طراحی S3 از یک ماشین ریختهگری 120000 کیلونیوتن استفاده میکند، بهینهسازیهای ساختاری جزئی را در بدنه ریختهگری اعمال میکند و قطر پیستون، تعداد ورودیها و سطح ورودی را افزایش میدهد.
2.2 پر کردن و تجزیه و تحلیل شبیه سازی انجماد
نرمافزار ماگما فرآیند ریختهگری قالب کف عقب را شبیهسازی کرد. مواد قالب فولاد ابزار H13 بود. مواد ریختهگری C611 آلیاژ آلومینیوم با استحکام بالا-و چقرمگی بالا [1] بود. تنظیم پارامترها: دمای مذاب 680 درجه، دمای پیستون 200 درجه، دمای آستین شات 250 درجه، دمای قالب 180 درجه. پارامترهای تزریق در هر طرح متفاوت بود.
نتایج تجزیه و تحلیل طرح S1:
در پایان--پر کردن، موقعیت لبه چرخخانه کمترین دما را داشت (~618.6 درجه) و ابتدا جامد شد (کسر جامد ~1٪). ریخته گری واقعی نیاز به دمای مذاب بالاتر و نظارت متمرکز بر دمای سطح قالب در این منطقه دارد. به دلیل تغییرات دمای قالب، خطر بسته شدن سرد در قسمت وسط-لبه چرخ خانه وجود دارد.
هنگامی که مذاب به نیمه حفره عقب رسید، ناحیه جریان محدود باعث سرعت پر شدن تا 60 متر بر ثانیه شد. دو جریان مذاب در مرکز تیرچه انتهایی همگرا شدند. سرعت بالا باعث چرخش مذاب، ایجاد خطر بالای بسته شدن سرد و ترک و کاهش خواص مکانیکی می شود.
اختلاف پله قابل توجه و دیوار ضخیم تر در نزدیکی ورودی پرتو طولی عقب باعث ایجاد حفره های بزرگ هوای جدا شده در دو طرف شد. سوراخهای ماشینکاری شده در این ناحیه، نقصهای تخلخل را برای عملکرد مضر میسازد.
پس از ورود مذاب به پرتو آستانه، فشار ریخته گری به طور پیوسته به 30 مگاپاسکال افزایش یافت. بر اساس سطح پیش بینی شده بدنه ریخته گری (18136 سانتی متر مربع)، این به نیروی گیره 69000 کیلو نیوتن نیاز داشت. با در نظر گرفتن ضریب ایمنی 1.2 و با احتساب سیستم دروازه (مساحت پیش بینی شده 25000 سانتی متر مربع)، نیروی گیره مورد نیاز به 90000 کیلو نیوتن رسید که از ظرفیت 70000 کیلونیوتن بیشتر می شود.
نتایج تجزیه و تحلیل طرح S2:
افزودن یک دونده دقیقاً در مقابل چرخخانه، زمان پر شدن چرخخانه را به 51 میلیثانیه کاهش داد (در مقایسه با{1}} ثانیه برای S1). زمان کلی پر شدن 86 ثانیه بود.
تلاطم در هر دو چرخ خانه بارزتر بود. محتوای گاز در نقطه تلاقی مذاب در تیر متقاطع در انتهای--پر شدن، بیشترین خطر را برای تخلخل، ترکها و عیوب انقباض ایجاد میکند [7].
مسئله جریان سرد در منطقه چرخخانه به طور موثر حل نشد.
نتایج تجزیه و تحلیل طرح S3:
با بهینه سازی دونده بر اساس طرح های قبلی، چاه های سرریز در مرکز لبه خانه چرخ و مرکز تیرهای متقاطع انتهایی اضافه شدند. سطح ورودی افزایش یافته است (نیاز به نیروی تزریق بالاتر برای حفظ سرعت). نیروی گیره ماشین به 120000 کیلو نیوتن ارتقا یافت.
دمای لبه چرخ ها کمتر از S1/S2 اما نزدیک به دمای مایع بود. مذاب در 305 ms (زمان بندی از پر کردن بیسکویت شروع شد)، با حداکثر سرعت 60 متر بر ثانیه به دهانه ها رسید. حفره به طور کامل در 390 میلی ثانیه پر شد و 85 میلی ثانیه طول کشید. فشار ریخته گری 40 مگاپاسکال بود.
بر اساس مساحت پیشبینیشده سیستم دروازهبندی S3 (25813 سانتیمتر مربع)، حداکثر فشار ریختهگری که ماشین 120000 کیلونیوتن میتوانست فراهم کند، 46.5 مگاپاسکال بود که نیاز را برآورده میکرد.
چاههای سرریز اضافه شده در کنار چرخخانه، گیر افتادن هوا را در مقایسه با S2 بهبود بخشید. نزدیکی به ورودی نیز خطر تخلخل را کاهش می دهد.
طرح S3 برای ساخت قالب انتخاب شد.
3 روش و نتایج آزمون
3.1 قالب{1}}پارامترهای ریخته گری و روش های آزمایش
در تولید از یک ماشین ریخته گری 120000 کیلونیوتن لیجین استفاده شد. آلیاژ C611 مواد بدون حرارت-تصفیه- بود (ترکیب شیمیایی مطابق با مشخصات بود). در مقایسه با مواد ساختاری سنتی AlSi10MnMg، آلیاژهای رایگان{9}}درمان حرارتی{10}}بهعنوان چقرمگی{11}}و برای پرچکاری مفیدتر هستند. دمای ذوب 680 درجه بود. وکیوم قالب پویا و ثابت 10 کیلو پاسکال بود.
جریان فرآیند: پاشش ← دمیدن-خاموش ← بسته شدن قالب ← ریختن ← تخلیه خلاء ← تزریق ← فشار موضعی ← خنک کننده مستقیم/سرمش نقطه ای ← باز شدن قالب → استخراج ربات ← بررسی یکپارچگی ← خاموش کردن آب ← ربات خاموش کردن ← برش دادن و صاف کردن ← دبر زدایی دستی ← بررسی ظاهر و ابعاد ← انتقال به فرآیند بعدی.
بازرسی کیفیت داخلی از یک دستگاه بازرسی اشعه ایکس محور -سنگین{0}}{2}}محور Maice FSC استفاده کرد. نمونه های کششی ابتدا از بدنه ریخته گری به صورت قطعات کوچک (طول 80-100 میلی متر، عرض 15-30 میلی متر) بریده شدند، سپس به نمونه های کششی استاندارد با طول گیج 25 میلی متر تبدیل شدند.
3.2 بازرسی کیفیت داخلی
نتایج بازرسی اشعه ایکس نشان داد که هیچ نقص تخلخل قابل توجهی در نواحی ورودی، تیرهای متقاطع عقب، یا چرخ های کناری ریخته گری کف عقب وجود ندارد. کیفیت داخلی مطابق با استانداردهای ASTM E505 سطح 2 است. به دلیل ضخیمتر بودن دیوارهها، سوراخهای ماشینکاری مستعد تخلخل بودند که نیاز به بررسی بیشتر برای منافذ در معرض دید و مطابقت با استانداردهای ظاهری داشتند. آزمایشهای حفظ بار برای درجهای رزوهدار یا پیچهای خود{6} با استفاده از دستگاه تست کشش CMT5305 انجام شد.
3.3 خواص مکانیکی کششی از نمونه برداری بدنه
خواص مکانیکی در 39 مکان روی بدنه ریخته گری آزمایش شد. نقاط نمونه برداری به طور متقارن توزیع شده است (L: سمت چپ بدن، R: سمت راست بدن)، مناطق کلیدی را پوشش می دهد:
موقعیت های 1-10: لبه چرخ (لبه پرچین کناری).
موقعیت های 11-20: بخش وسط چرخ.
موقعیت های 21-23: ناحیه ورودی (لبه پرچین مجموعه کف عقب).
موقعیت های 31-34: لبه اتصال صفحه پوشش جلو.
موقعیت 35-37: لبه پرچین کف جلو در انتهای-پر.
نتایج:
استحکام کششی (TS) و استحکام تسلیم (YS) در سراسر مکان ها نسبتاً پایدار بودند. میانگین TS 237 مگاپاسکال بود. میانگین YS 118.9 مگاپاسکال بود.
ازدیاد طول به طور قابل توجهی بر اساس مکان متفاوت است، به طور متوسط تنها 6.5٪، با برخی از نقاط زیر 6٪. مقدار متوسط ازدیاد طول تحت تأثیر مکان و کمیت نمونه گیری قرار می گیرد و تنها به عنوان مرجع عمل می کند [9]. برای مقایسه، یک طبقه عقب دیگر با استفاده از مواد مشابه به میانگین کشیدگی 9 درصد دست یافت.
بر اساس نیازهای توسعه اولیه مشتری، ویژگی های بدنه (به ویژه کشیدگی در برخی مکان ها) به طور کامل برآورده نمی شود. بنابراین، نتایج نمونه برداری از بدن به تنهایی نمی تواند تنها معیار صلاحیت محصول باشد. عملکرد کلی باید بر اساس تست نیمکت و نتایج تایید کامل خودرو قضاوت شود.
4 نتیجه گیری
(1) از نرم افزار Magma برای طراحی و بهینه سازی سیستم دروازه برای ریخته گری کف آلیاژ آلومینیوم C611 استفاده شد. شبیهسازی نشان داد که تغییرات قابلتوجه ضخامت دیواره در نواحی پلهای، همراه با دمای مذاب پایین که در این مناطق جریان مییابد، خطراتی را برای گیر افتادن هوا، بستههای سرد و ترک ایجاد میکند. تجزیه و تحلیل فشار پر کردن در ناحیه تیر متقاطع انتهایی نشان داد که یک ماشین ریختهگری با نیروی گیره بیش از 90000 کیلونیوتن برای شکلدهی کامل کف عقب ضروری است.
(2) انتخاب یک دستگاه قالبگیری 120000 کیلونیوتن-برای تولید، همراه با بهینهسازی مبتنی بر شبیهسازی، به طور موثری نقصهای تخلخل و انقباض را از بین برد. با این حال، ترک های مستعد رخ دادن در مناطق انتقال سازه و مناطق با تغییرات قابل توجه ضخامت دیواره بر خواص مکانیکی تأثیر می گذارد. میانگین استحکام تسلیم، استحکام کششی و ازدیاد طول نمونههای برشخورده از بدنه ریختهگری کف C611 به ترتیب 118.9 مگاپاسکال، 237 مگاپاسکال و 6.5 درصد بود که اساساً اهداف طراحی اصلی را برآورده میکنند (TS بزرگتر یا مساوی 215 مگاپاسکال، YS بزرگتر یا مساوی 6 مگاپاسکال، بزرگتر از 5 یا 1.1%).
(3) در مقایسه با فرآیندهای شکلدهی سنتی مانند پرچکاری و مهر زنی، قالب یکپارچه-کف پشتی به کاهش وزن بیش از 10 درصد دست یافت. استفاده از ماشینهای ریختهگری 200,000 کیلونیوتن-برای دستیابی به چرخه کوتاه-کم هزینه-و{9}}استحکام/سختی{10} بالا{10}}ساخت قطعات ریختهگری یکپارچه بدنه خودرو نویدبخش است.
