Introduzione
La tecnologia di pressofusione integrata-offre vantaggi come elevata efficienza produttiva e bassi costi di produzione. Attualmente in una fase di rapido sviluppo, ha il potenziale per produrre molteplici componenti di grandi dimensioni, semplificare le strutture della carrozzeria e rivoluzionare i processi di produzione della carrozzeria [1]. Il pianale posteriore pressofuso integrato-unisce oltre 70 parti originali in un unico componente, riducendo significativamente il peso del veicolo e migliorando l'efficienza della produzione. Stampi, macchine di processo,-macchine per pressofusione e materiali-esenti da trattamenti termici-costituiscono le quattro tecnologie principali della pressofusione-integrata [2-3]. Le macchine per pressofusione-si riferiscono specificamente a macchine su larga-scala con forze di chiusura superiori a 60.000 kN [4]. I materiali esenti da-trattamenti termici-utilizzati oggi principalmente sono leghe di alluminio pressofuso ad alta-resistenza e-tenacità [5], note per la loro elevata resistenza specifica, eccellente colabilità, costi moderati e status di materiale primario per gli attuali componenti automobilistici pressofusi integrati [6-7].
Le grandi pressofusioni domestiche di alluminio-affrontano la sfida di ridurre i tassi di rendimento con una crescente complessità di integrazione. I fattori chiave che influenzano i tassi di qualificazione includono:
1. Qualità instabile nei punti di carico-critici: le superfici di installazione per torri di ammortizzatori, sottotelai e montanti C-richiedono elevate proprietà meccaniche. Queste aree sono spesso difficili da sottoporre a test, non devono contenere pori interni superiori agli standard e devono essere prive di giunture fredde esternamente. In particolare, la superficie di installazione del montante C-vicino al bordo della timoneria è soggetta a chiusure fredde.
2. Dimensioni instabili sulle superfici di accoppiamento critiche: le superfici di installazione dei pannelli laterali a pareti sottili-sul bordo del getto sono soggette a deformazione verso l'interno o verso l'esterno o addirittura a torsioni (anteriore verso l'esterno, posteriore verso l'esterno). Ciò compromette la stabilità dopo l'accoppiamento con le parti controparti e può causare un disallineamento dei fori preformati, con conseguenti errori di lavorazione [8-15].
Questo studio utilizza la simulazione per prevedere i difetti in un componente integrato del pavimento posteriore pressofuso-e ottimizza il sistema di colata e troppo pieno per migliorare la qualità interna, con l'obiettivo di fornire un riferimento per la progettazione di pezzi fusi simili di grandi dimensioni.
1 Caratteristiche Strutturali e Requisiti Tecnici
La fusione del pavimento posteriore costituisce la sezione del pavimento nella parte posteriore dell'abitacolo, integrando componenti come passaruota posteriori sinistro/destro, travi longitudinali posteriori, traverse, piastre di collegamento del pavimento e rinforzi delle travi interne. Il getto ha dimensioni complessive di 1.630 mm × 1.624 mm × 666 mm, una massa di 63 kg, uno spessore medio delle pareti di 3 mm e un'area proiettata di 23.000 cm². A causa delle sue grandi dimensioni, delle pareti sottili, dei notevoli requisiti di spazio, dei lunghi tempi di ciclo e dei rischi di distorsione associati al trattamento termico, è obbligatoria una lega di alluminio priva di-trattamento termico-.
Il processo SPR (Self-Piercing Riveting) è adatto per la giunzione a freddo di materiali diversi in acciaio-alluminio [8]. Di conseguenza, le estremità anteriore e posteriore della fusione si collegano rispettivamente al gruppo del pavimento anteriore e posteriore tramite SPR. Le timonerie sinistra e destra possono anche collegarsi ai pannelli laterali tramite SPR. Sebbene questi quattro bordi non siano le zone portanti principali-del pavimento posteriore, richiedono un'elevata tenuta e integrità della connessione, corrispondenti ai requisiti di planarità e di elevata resistenza-tenacità del materiale.
Requisiti di aspetto: esente da difetti come chiusure fredde, crepe e scheggiature.
Requisiti prestazionali dei materiali (pre-cottura):
Posizioni SPR (campionamento del corpo): resistenza alla trazione maggiore o uguale a 215 MPa, resistenza allo snervamento maggiore o uguale a 115 MPa, allungamento maggiore o uguale al 12%, angolo di piegatura maggiore o uguale a 20 gradi.
Metà posteriore della timoneria (leggermente inferiore): resistenza alla trazione maggiore o uguale a 215 MPa, resistenza allo snervamento maggiore o uguale a 110 MPa, allungamento maggiore o uguale al 6%, angolo di piega maggiore o uguale a 20 gradi.
Altre aree: requisito di allungamento compreso tra il 6% e il 12%.
Considerando la disomogeneità intrinseca delle proprietà meccaniche nei campioni di carrozzeria pressofusa-, è difficile ottenere proprietà meccaniche specifiche ovunque all'interno delle aree designate. Pertanto, sono necessari test al banco per verificare le principali prestazioni di carico-delle torri ammortizzatrici e delle travi longitudinali [9]. I test al banco includono tipicamente prove di durabilità e schiacciamento:
Test di resistenza e schiacciamento in direzione Z-: simula il carico dell'ammortizzatore posteriore. Il carico medio del test di durata è di 11,5 kN. Sotto lo schiacciamento nella direzione Z-, il primo-carico di fase di 38 kN richiede una deformazione del punto di carico inferiore o uguale a 3 mm; il carico della seconda-fase di 74 kN non richiede fessurazioni nel punto di carico.
Test di schiacciamento nella direzione X-: simula il carico longitudinale della trave. Con una forza di carico unilaterale Maggiore o uguale a 206 kN, nel punto di carico non devono verificarsi fessurazioni e deformazioni Minori o uguali a 3 mm.
2 Progettazione-del processo di pressofusione
2.1 Progettazione del sistema di accesso
Il pavimento posteriore sviluppato ha una finestra di collegamento della piastra di copertura anteriore nella parte anteriore. Tuttavia, il suo rapporto d'aspetto elevato (3,14) e la posizione sul bordo rendono inadatto il gating centrale. È stato adottato un approccio di colata su un lato-tipico delle pressofusioni convenzionali-. Sulla base dei risultati dell'analisi del flusso di magma, sono stati ottimizzati in sequenza tre progetti di canali (S1, S2, S3):
I progetti S1 e S2 hanno utilizzato una macchina per pressofusione da 70.000 kN-.
Il progetto S3 utilizzava una macchina per pressofusione da 120.000 kN-, incorporava piccole ottimizzazioni strutturali al corpo di fusione e diametro dello stantuffo, numero di ingressi e area di ingresso aumentati.
2.2 Analisi di simulazione di riempimento e solidificazione
Il software Magma ha simulato il processo di pressofusione del pavimento posteriore-. Il materiale dello stampo era acciaio per utensili H13; il materiale di fusione era la lega di alluminio C611 ad alta-resistenza ed elevata-tenacità [1]. Parametri impostati: temperatura di fusione 680 gradi, temperatura dello stantuffo 200 gradi, temperatura del manicotto di iniezione 250 gradi, temperatura dello stampo 180 gradi. I parametri di iniezione variavano in base allo schema.
Risultati dell'analisi dello schema S1:
Alla fine-del-riempimento, la posizione del bordo della timoneria presentava la temperatura più bassa (~618,6 gradi) e si è solidificata per prima (frazione solida ~1%). La fusione effettiva richiede una temperatura di fusione più elevata e un monitoraggio mirato della temperatura della superficie dello stampo in questa regione. A causa delle variazioni di temperatura dello stampo, esiste il rischio di chiusura a freddo al bordo della timoneria della sezione centrale-.
Quando il materiale fuso ha raggiunto la metà posteriore della cavità, l'area di flusso ristretta ha causato velocità di riempimento fino a 60 m/s. Due flussi di fusione convergevano al centro della traversa terminale. L'alta velocità ha causato vortici di fusione, creando un alto rischio di arresti freddi e cricche, riducendo le proprietà meccaniche.
Una differenza di gradino significativa e una parete più spessa vicino all'ingresso della trave longitudinale posteriore hanno causato grandi sacche d'aria isolate su entrambi i lati. I fori lavorati in questa zona rendono i difetti di porosità dannosi per la resa.
Dopo che la fusione è entrata nella trave della soglia, la pressione di colata è aumentata costantemente fino a 30 MPa. Considerando l'area proiettata del corpo fuso (18.136 cm²), è stata necessaria una forza di chiusura di 69.000 kN. Considerando un fattore di sicurezza di 1,2 e includendo il sistema di colata (area stimata stimata di ~25.000 cm²), la forza di bloccaggio richiesta ha raggiunto 90.000 kN, superando la capacità della macchina di 70.000 kN.
Risultati dell'analisi dello schema S2:
L'aggiunta di un corridore direttamente di fronte alla timoneria ha ridotto il tempo di riempimento della timoneria a 51 ms (rispetto a . 59 ms per S1). Il tempo di riempimento complessivo è stato di 86 ms.
La turbolenza in entrambe le timonerie era più pronunciata. Il contenuto di gas era massimo nel punto di confluenza della fusione nella traversa alla fine-del-riempimento, creando elevati rischi di porosità, crepe e difetti di ritiro [7].
Il problema del flusso freddo nella zona della timoneria non è stato risolto in modo efficace.
Risultati dell'analisi dello schema S3:
Ottimizzando la guida in base agli schemi precedenti, sono stati aggiunti pozzetti di troppopieno al centro del bordo della timoneria e al centro dell'estremità della traversa. L'area di ingresso è stata aumentata (richiedendo una forza di iniezione maggiore per mantenere la velocità). La forza di bloccaggio della macchina è stata aumentata a 120.000 kN.
La temperatura del bordo della timoneria era inferiore a S1/S2 ma vicina alla temperatura del liquidus. La fusione ha raggiunto gli ingate a 305 ms (il tempo partiva dal riempimento del biscotto), con una velocità massima di 60 m/s. La cavità si è riempita completamente in 390 ms, impiegando 85 ms. La pressione di colata era di 40 MPa.
Sulla base dell'area proiettata del sistema di colata S3 (25.813 cm²), la pressione di colata massima che la macchina da 120.000 kN poteva fornire era di 46,5 MPa, soddisfacendo i requisiti.
I pozzetti di troppopieno aggiunti accanto alla timoneria hanno migliorato l'intrappolamento dell'aria rispetto a S2. La vicinanza all'ingato riduce anche il rischio di porosità.
Per la produzione degli stampi è stato scelto lo schema S3.
3 Metodi di prova e risultati
3.1 Parametri-della pressofusione e metodi di prova
La produzione ha utilizzato una macchina per pressofusione Lijin da 120.000 kN-. La lega era un materiale privo di-trattamenti termici-C611 (la composizione chimica soddisfaceva le specifiche). Rispetto ai tradizionali materiali strutturali AlSi10MnMg, le leghe-esenti da trattamenti termici-offrono una migliore tenacità come-colata, vantaggiosa per la rivettatura. La temperatura di fusione era di 680 gradi. Il vuoto dello stampo dinamico e fisso era di 10 kPa.
Flusso del processo: Spruzzatura → Soffio- → Chiusura dello stampo → Versamento → Evacuazione sotto vuoto → Iniezione → Compressione locale → Raffreddamento diretto/Raffreddamento spot → Apertura dello stampo → Estrazione robot → Controllo integrità → Tempra in acqua → Rifilatura e raddrizzatura → Marcatura → Movimentazione robot → Colata offline → Sbavatura manuale → Controllo aspetto e dimensionale → Trasferimento al processo successivo.
L'ispezione di qualità interna ha utilizzato una macchina di ispezione a raggi X a 9-assi per carichi pesanti Maice FSC. I provini di trazione sono stati prima tagliati dal corpo di fusione come piccoli pezzi grezzi (lunghezza 80-100 mm, larghezza 15-30 mm), quindi lavorati a macchina in provini di trazione standard con una lunghezza di riferimento di 25 mm.
3.2 Ispezione interna della qualità
I risultati dell'ispezione a raggi X- non hanno mostrato difetti di porosità significativi nelle aree dell'ingresso, della traversa posteriore o dei passaruota laterali della fusione del pavimento posteriore. La qualità interna soddisfa gli standard ASTM E505 Livello 2. A causa delle pareti più spesse, le sporgenze dei fori di lavorazione erano soggette a porosità, richiedendo ulteriori controlli per i pori esposti e il rispetto degli standard estetici. I test di ritenzione del carico per inserti filettati o viti autofilettanti- sono stati eseguiti utilizzando una macchina per prove di trazione CMT5305.
3.3 Proprietà meccaniche di trazione dal campionamento del corpo
Le proprietà meccaniche sono state testate in 39 punti del corpo fuso. I punti di campionamento sono stati distribuiti simmetricamente (L: lato sinistro del corpo, R: lato destro del corpo), coprendo le aree chiave:
Posizioni 1-10: Bordo della timoneria (bordo rivettatura laterale).
Posizioni 11-20: sezione centrale della timoneria.
Posizioni 21-23: Area di ingresso (bordo di rivettatura del gruppo pavimento posteriore).
Posizioni 31-34: Bordo di collegamento della piastra di copertura anteriore.
Posizioni 35-37: bordo di rivettatura del pavimento anteriore all'estremità-del riempimento.
Risultati:
La resistenza alla trazione (TS) e la resistenza allo snervamento (YS) erano relativamente stabili in tutte le località. La TS media era di 237 MPa; la YS media era di 118,9 MPa.
L'allungamento variava significativamente in base alla località, con una media solo del 6,5%, con alcuni punti inferiori al 6%. Il valore di allungamento medio è influenzato dalla posizione e dalla quantità di campionamento e serve solo come riferimento [9]. Per fare un confronto, un altro pianale posteriore utilizzando lo stesso materiale ha raggiunto un allungamento medio del 9%.
A causa dei requisiti di sviluppo iniziali del cliente, le proprietà della carrozzeria (in particolare l'allungamento in alcuni punti) non potevano essere completamente soddisfatte. Pertanto, i soli risultati del campionamento corporeo non possono costituire l’unico criterio per la qualificazione del prodotto. Le prestazioni complessive devono essere giudicate sulla base dei test al banco e dei risultati della validazione completa del veicolo.
4 Conclusione
(1) Il software Magma è stato utilizzato per progettare e ottimizzare il sistema di colata per la fusione del pianale posteriore in lega di alluminio C611. La simulazione ha rivelato che variazioni significative dello spessore delle pareti nelle regioni a gradini, combinate con la bassa temperatura di fusione che scorre attraverso queste aree, creano rischi di intrappolamento di aria, chiusure fredde e crepe. L'analisi della pressione di riempimento nella zona terminale della traversa ha indicato che per la formatura completa del pianale posteriore è necessaria una macchina per pressofusione con una forza di chiusura superiore a 90.000 kN.
(2) La scelta di una macchina per pressofusione da 120.000 kN-per la produzione, abbinata all'ottimizzazione basata sulla simulazione-, ha eliminato in modo efficace i difetti di porosità e di porosità da ritiro. Tuttavia, le crepe che tendono a verificarsi nelle zone di transizione strutturale e nelle aree con variazioni significative dello spessore delle pareti hanno influito sulle proprietà meccaniche. Il carico di snervamento medio, il carico di rottura e l'allungamento dei provini tagliati dal corpo di fusione del pianale posteriore C611 sono stati rispettivamente di 118,9 MPa, 237 MPa e 6,5%, sostanzialmente soddisfacendo i principali obiettivi di progettazione (TS maggiore o uguale a 215 MPa, YS maggiore o uguale a 115 MPa, allungamento maggiore o uguale al 6%).
(3) Rispetto ai tradizionali processi di formatura come rivettatura e stampaggio, il pianale posteriore pressofuso integrato-ha ottenuto una riduzione di peso superiore al 10%. La futura adozione di macchine per pressofusione da 200.000 kN-promette di ottenere una produzione a ciclo breve, a basso costo-e ad alta-resistenza/alta-tenacità di pezzi fusi integrati per carrozzerie automobilistiche.
