Giới thiệu
Công nghệ đúc khuôn tích hợp-mang lại những lợi thế như hiệu quả sản xuất cao và chi phí sản xuất thấp. Hiện đang trong giai đoạn phát triển nhanh chóng, nó có tiềm năng sản xuất nhiều bộ phận lớn, đơn giản hóa cấu trúc thân xe và cách mạng hóa các quy trình sản xuất thân xe [1]. Sàn sau đúc khuôn tích hợp-hợp nhất hơn 70 bộ phận ban đầu thành một bộ phận duy nhất, giúp giảm đáng kể trọng lượng xe và nâng cao hiệu quả sản xuất. Khuôn mẫu, quy trình, máy-đúc khuôn và vật liệu-không xử lý nhiệt-tạo thành bốn công nghệ cốt lõi của việc đúc khuôn{10}}tích hợp [2-3]. Máy đúc khuôn-cụ thể đề cập đến các máy có quy mô-lớn với lực kẹp vượt quá 60.000 kN [4]. Các vật liệu không cần xử lý nhiệt-được sử dụng chủ yếu ngày nay là các hợp kim nhôm đúc có độ bền-cao, độ bền{24}}cao [5], được biết đến với độ bền riêng cao, khả năng đúc tuyệt vời, chi phí vừa phải và là vật liệu chính cho các bộ phận ô tô đúc khuôn tích hợp hiện nay [6-7].
Khuôn đúc nhôm cỡ lớn trong nước{0}}phải đối mặt với thách thức giảm tỷ lệ sản lượng do độ phức tạp tích hợp ngày càng tăng. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tỷ lệ đủ điều kiện bao gồm:
1. Chất lượng không ổn định tại các điểm chịu tải- tới hạn: Bề mặt lắp đặt cho tháp giảm chấn, khung phụ và cột C- đòi hỏi đặc tính cơ học cao. Những khu vực này thường khó lấy mẫu, không được có lỗ xốp bên trong vượt quá tiêu chuẩn và không được đóng kín bên ngoài. Đáng chú ý là bề mặt lắp đặt trụ C gần mép buồng lái dễ bị đóng nguội.
2. Kích thước không ổn định ở các bề mặt tiếp xúc quan trọng: Các bề mặt lắp đặt bảng điều khiển bên có thành-mỏng ở cạnh đúc dễ bị biến dạng vào trong hoặc ra ngoài hoặc thậm chí bị xoắn (phía trước ra ngoài, phía sau ra ngoài). Điều này làm ảnh hưởng đến độ ổn định sau khi ghép với các bộ phận tương ứng và có thể gây ra sự-lệch lệch của lỗ được hình thành trước, dẫn đến lỗi gia công [8-15].
Nghiên cứu này sử dụng mô phỏng để dự đoán các khiếm khuyết trong thành phần sàn phía sau được đúc khuôn tích hợp-và tối ưu hóa hệ thống cổng và tràn để cải thiện chất lượng bên trong, nhằm cung cấp tài liệu tham khảo cho việc thiết kế các vật đúc lớn tương tự.
1 Đặc điểm kết cấu và yêu cầu kỹ thuật
Sàn đúc phía sau tạo thành phần sàn phía sau khoang hành khách, tích hợp các bộ phận như bánh xe sau bên trái/phải, dầm dọc phía sau, dầm ngang, tấm nối sàn và cốt thép dầm bên trong. Vật đúc có kích thước tổng thể 1.630 mm × 1.624 mm × 666 mm, khối lượng 63 kg, độ dày thành trung bình 3 mm và diện tích dự kiến là 23.000 cm2. Do kích thước lớn, thành mỏng và yêu cầu về không gian đáng kể, thời gian chu kỳ dài cũng như nguy cơ biến dạng liên quan đến xử lý nhiệt, nên bắt buộc phải sử dụng hợp kim nhôm không cần xử lý nhiệt.
Quy trình SPR (Tự-Đâm đinh xuyên thủng) thích hợp cho việc nối nguội các vật liệu nhôm-thép khác nhau [8]. Do đó, mặt trước và mặt sau của vật đúc lần lượt kết nối với cụm sàn trước và sàn phía sau thông qua SPR. Buồng lái bên trái và bên phải cũng có thể kết nối với các tấm bên thông qua SPR. Mặc dù bốn cạnh này không phải là vùng chịu tải chính của sàn phía sau nhưng chúng đòi hỏi độ kín cao và tính toàn vẹn của kết nối, tương ứng với các yêu cầu về độ phẳng và độ bền-độ bền cao của vật liệu.
Yêu cầu về ngoại hình: Không có khuyết tật như đóng nguội, nứt và sứt mẻ.
Yêu cầu về hiệu suất vật liệu (Trước{0}}nướng):
Vị trí SPR (Lấy mẫu cơ thể): Độ bền kéo Lớn hơn hoặc bằng 215 MPa, Độ bền chảy lớn hơn hoặc bằng 115 MPa, Độ giãn dài lớn hơn hoặc bằng 12%, Góc uốn lớn hơn hoặc bằng 20 độ.
Nửa sau của buồng lái (Thấp hơn một chút): Độ bền kéo Lớn hơn hoặc bằng 215 MPa, Độ bền chảy lớn hơn hoặc bằng 110 MPa, Độ giãn dài lớn hơn hoặc bằng 6%, Góc uốn lớn hơn hoặc bằng 20 độ.
Các lĩnh vực khác: Yêu cầu độ giãn dài từ 6% đến 12%.
Xem xét tính không đồng nhất vốn có của các đặc tính cơ học trong các mẫu vật đúc-, việc đạt được các đặc tính cơ học được chỉ định ở mọi nơi trong khu vực được chỉ định là một thách thức. Do đó, cần phải tiến hành thử nghiệm trên băng ghế để xác minh hiệu suất chịu tải chính-của tháp giảm chấn và dầm dọc [9]. Các bài kiểm tra trên băng ghế dự bị thường bao gồm các bài kiểm tra độ bền và độ nghiền:
Kiểm tra độ bền và lực nén theo hướng Z-: Mô phỏng tải trọng của bộ giảm xóc phía sau. Tải trọng trung bình kiểm tra độ bền là 11,5 kN. Trong quá trình nén theo hướng Z-, tải trọng-giai đoạn đầu tiên là 38 kN yêu cầu biến dạng điểm tải Nhỏ hơn hoặc bằng 3 mm; tải giai đoạn thứ hai-74 kN không cần phải bẻ khóa tại điểm tải.
Kiểm tra lực nén theo hướng X-: Mô phỏng tải chùm tia dọc. Dưới lực tải đơn phương Lớn hơn hoặc bằng 206 kN, không được xảy ra vết nứt và biến dạng Nhỏ hơn hoặc bằng 3 mm tại điểm tải.
2 khuôn-Thiết kế quy trình đúc
2.1 Thiết kế hệ thống cổng
Tầng phía sau được phát triển có cửa sổ kết nối tấm bìa phía trước ở mặt trước. Tuy nhiên, tỷ lệ khung hình cao (3,14) và vị trí cạnh khiến cổng trung tâm không phù hợp. Phương pháp tiếp cận cổng một bên, điển hình cho việc đúc khuôn thông thường, đã được áp dụng. Dựa trên kết quả phân tích dòng Magma, ba thiết kế đường dẫn (S1, S2, S3) được tối ưu hóa tuần tự:
Các thiết kế S1 và S2 sử dụng máy đúc khuôn 70.000 kN.
Thiết kế S3 sử dụng máy đúc khuôn 120.000 kN-, kết hợp các tối ưu hóa cấu trúc nhỏ cho thân đúc và tăng đường kính pít tông, số lượng cửa nạp và diện tích cửa nạp.
2.2 Phân tích mô phỏng làm đầy và hóa rắn
Phần mềm Magma đã mô phỏng quá trình đúc khuôn-sàn phía sau. Vật liệu khuôn là thép công cụ H13; vật liệu đúc là hợp kim nhôm có độ bền cao,-độ bền cao C611 [1]. Bộ thông số: Nhiệt độ nóng chảy 680 độ, Nhiệt độ pít tông 200 độ, Nhiệt độ ống bắn 250 độ, Nhiệt độ khuôn 180 độ. Các thông số tiêm khác nhau tùy theo sơ đồ.
Kết quả phân tích sơ đồ S1:
Khi kết thúc quá trình lấp đầy, vị trí mép buồng lái có nhiệt độ thấp nhất (~618,6 độ ) và đông đặc trước (phần rắn ~1%). Quá trình đúc thực tế đòi hỏi nhiệt độ nóng chảy cao hơn và giám sát tập trung nhiệt độ bề mặt khuôn ở khu vực này. Do sự thay đổi nhiệt độ của khuôn, nguy cơ tắt nguội tồn tại ở phần giữa của buồng lái-.
Khi tan chảy đến nửa khoang phía sau, diện tích dòng chảy bị hạn chế khiến tốc độ làm đầy lên tới 60 m/s. Hai dòng chảy hội tụ tại tâm của thanh ngang cuối. Tốc độ cao gây ra hiện tượng tan chảy xoáy, tạo ra nguy cơ cao bị đóng nguội và nứt, làm giảm tính chất cơ học.
Sự chênh lệch bậc đáng kể và thành dày hơn gần đầu vào của dầm dọc phía sau đã gây ra các túi khí lớn bị cô lập ở cả hai bên. Các lỗ gia công trong vùng này tạo ra các khiếm khuyết về độ xốp gây bất lợi cho năng suất.
Sau khi tan chảy vào dầm bệ, áp suất đúc tăng dần lên 30 MPa. Dựa trên diện tích dự kiến của thân đúc (18.136 cm2), điều này đòi hỏi lực kẹp là 69.000 kN. Xét hệ số an toàn là 1,2 và bao gồm cả hệ thống cổng (diện tích ước tính ~25.000 cm2), lực kẹp cần thiết đạt 90.000 kN, vượt công suất của máy 70.000 kN.
Kết quả phân tích sơ đồ S2:
Việc thêm người chạy đối diện trực tiếp với buồng lái đã giảm thời gian lấp đầy buồng lái xuống còn 51 mili giây (so với. 59 mili giây đối với S1). Tổng thời gian lấp đầy là 86 mili giây.
Sự hỗn loạn ở cả hai bánh xe rõ ràng hơn. Hàm lượng khí cao nhất tại điểm hợp lưu tan chảy trong thanh ngang ở cuối{1}}của-lấp đầy, tạo ra rủi ro cao về độ xốp, vết nứt và khuyết tật co ngót [7].
Vấn đề dòng lạnh ở khu vực buồng lái chưa được giải quyết một cách hiệu quả.
Kết quả phân tích sơ đồ S3:
Tối ưu hóa đường dẫn dựa trên các sơ đồ trước đó, các giếng tràn đã được thêm vào ở tâm mép buồng lái và tâm xà ngang cuối. Diện tích cửa vào được tăng lên (đòi hỏi lực phun cao hơn để duy trì tốc độ). Lực kẹp máy được nâng cấp lên 120.000 kN.
Nhiệt độ mép buồng lái thấp hơn S1/S2 nhưng gần nhiệt độ chất lỏng. Tốc độ tan chảy đạt đến đầu vào là 305 ms (thời gian bắt đầu từ lúc đổ bánh quy), với tốc độ tối đa là 60 m/s. Khoang được lấp đầy hoàn toàn ở tốc độ 390 ms, mất 85 ms. Áp suất đúc là 40 MPa.
Dựa trên diện tích dự kiến của hệ thống cổng S3 (25.813 cm2), áp suất đúc tối đa mà máy 120.000 kN có thể cung cấp là 46,5 MPa, đáp ứng yêu cầu.
Các giếng tràn được bổ sung bên cạnh buồng lái đã cải thiện khả năng bẫy không khí so với S2. Khoảng cách gần với cửa vào cũng làm giảm nguy cơ độ xốp.
Sơ đồ S3 đã được chọn để sản xuất khuôn mẫu.
3 phương pháp và kết quả kiểm tra
3.1 Khuôn-Thông số đúc và phương pháp thử nghiệm
Quá trình sản xuất sử dụng máy đúc khuôn Lijin 120.000 kN. Hợp kim là vật liệu không cần-xử lý nhiệt-C611 (thành phần hóa học đáp ứng thông số kỹ thuật). So với các vật liệu kết cấu AlSi10MnMg truyền thống, hợp kim-không cần xử lý nhiệt{10}}mang lại độ bền-đúc tốt hơn, có lợi cho việc tán đinh. Nhiệt độ nóng chảy là 680 độ. Chân không khuôn động và cố định là 10 kPa.
Quy trình quy trình: Phun → Thổi-tắt → Đóng khuôn → Đổ → Hút chân không → Phun → Ép cục bộ → Làm mát trực tiếp/Làm mát tại chỗ → Mở khuôn → Chiết xuất robot → Kiểm tra tính toàn vẹn → Làm nguội nước → Cắt tỉa & làm thẳng → Đánh dấu → Xử lý robot → Đúc ngoại tuyến → Gỡ lỗi thủ công → Kiểm tra hình thức & kích thước → Chuyển sang quy trình tiếp theo.
Kiểm tra chất lượng nội bộ đã sử dụng máy kiểm tra tia X 9{2}}trục hạng nặng Maice FSC. Các mẫu kéo trước tiên được cắt từ thân đúc dưới dạng phôi nhỏ (dài 80-100 mm, rộng 15-30 mm), sau đó được gia công thành mẫu kéo tiêu chuẩn có chiều dài đo 25 mm.
3.2 Kiểm tra chất lượng nội bộ
Kết quả kiểm tra bằng tia X{0}}cho thấy không có khiếm khuyết đáng kể nào về độ xốp ở khu vực cửa vào, dầm ngang phía sau hoặc bánh xe bên của khối đúc sàn phía sau. Chất lượng bên trong đạt tiêu chuẩn ASTM E505 Cấp 2. Do thành dày hơn, phần trùm lỗ gia công dễ bị xốp, cần phải kiểm tra thêm xem các lỗ hở có lộ ra hay không và tuân thủ các tiêu chuẩn về hình thức. Các thử nghiệm duy trì tải đối với các hạt dao có ren hoặc vít tự khai thác-được thực hiện bằng máy kiểm tra độ bền kéo CMT5305.
3.3 Đặc tính cơ học kéo từ việc lấy mẫu cơ thể
Tính chất cơ học được thử nghiệm tại 39 vị trí trên thân vật đúc. Các điểm lấy mẫu được phân bố đối xứng (L: Bên trái, R: Bên phải), bao gồm các khu vực chính:
Vị trí 1-10: Cạnh bánh xe (cạnh tán đinh bên).
Vị trí 11-20: Phần giữa buồng lái.
Vị trí 21-23: Khu vực cửa vào (cạnh tán đinh của cụm sàn phía sau).
Vị trí 31-34: Cạnh nối tấm bìa trước.
Vị trí 35-37: Cạnh tán đinh của tầng trước ở cuối-lấp đầy.
Kết quả:
Độ bền kéo (TS) và độ bền chảy (YS) tương đối ổn định ở các vị trí. TS trung bình là 237 MPa; YS trung bình là 118,9 MPa.
Độ giãn dài thay đổi đáng kể theo vị trí, trung bình chỉ 6,5%, có điểm dưới 6%. Giá trị độ giãn dài trung bình bị ảnh hưởng bởi vị trí và số lượng lấy mẫu và chỉ dùng để tham khảo [9]. Để so sánh, một sàn phía sau khác sử dụng cùng loại vật liệu đạt được độ giãn dài trung bình là 9%.
Dựa trên yêu cầu phát triển ban đầu của khách hàng, các đặc tính của thân (đặc biệt là độ giãn dài ở một số vị trí) không thể được đáp ứng đầy đủ. Do đó, chỉ riêng kết quả lấy mẫu cơ thể không thể là tiêu chí duy nhất để đánh giá chất lượng sản phẩm. Hiệu suất tổng thể phải được đánh giá dựa trên bài kiểm tra trên băng ghế dự bị và kết quả xác nhận toàn bộ xe.
4 Kết luận
(1) Phần mềm Magma được sử dụng để thiết kế và tối ưu hệ thống gát cho sàn sau đúc bằng hợp kim nhôm C611. Mô phỏng cho thấy sự thay đổi đáng kể độ dày thành ở các vùng bậc thang, kết hợp với nhiệt độ nóng chảy thấp chảy qua các khu vực này, tạo ra rủi ro về bẫy không khí, đóng nguội và nứt. Phân tích áp suất lấp đầy ở vùng cuối của dầm ngang chỉ ra rằng cần có máy đúc khuôn-có lực kẹp vượt quá 90.000 kN để tạo hình hoàn chỉnh cho sàn phía sau.
(2) Chọn máy đúc khuôn 120.000 kN-để sản xuất, kết hợp với tối ưu hóa dựa trên mô phỏng-, loại bỏ một cách hiệu quả các khuyết tật về độ xốp và độ xốp do co ngót. Tuy nhiên, các vết nứt dễ xảy ra ở các vùng chuyển tiếp cấu trúc và các khu vực có độ dày thành thay đổi đáng kể đã ảnh hưởng đến tính chất cơ học. Độ bền chảy trung bình, độ bền kéo và độ giãn dài từ các mẫu được cắt từ thân đúc sàn phía sau C611 lần lượt là 118,9 MPa, 237 MPa và 6,5%, về cơ bản đáp ứng các mục tiêu thiết kế chính (TS Lớn hơn hoặc bằng 215 MPa, YS Lớn hơn hoặc bằng 115 MPa, Độ giãn dài Lớn hơn hoặc bằng 6%).
(3) So với các quy trình tạo hình truyền thống như tán đinh và dập, sàn sau-đúc khuôn tích hợp đã giảm được trọng lượng hơn 10%. Việc áp dụng máy đúc khuôn 200.000 kN trong tương lai hứa hẹn đạt được chu kỳ-ngắn, chi phí-thấp và độ bền-cao/độ dẻo dai cao{10}}của vật đúc thân ô tô tích hợp.
