giriiş
Entegre basınçlı döküm teknolojisi{0}}yüksek üretim verimliliği ve düşük üretim maliyetleri gibi avantajlar sunar. Şu anda hızlı bir gelişme aşamasında olup, birden fazla büyük bileşen üretme, gövde yapılarını basitleştirme ve gövde üretim süreçlerinde devrim yaratma potansiyeline sahiptir [1]. Entegre basınçlı döküm arka zemin, 70'ten fazla orijinal parçayı tek bir bileşende birleştirerek araç ağırlığını önemli ölçüde azaltır ve üretim verimliliğini artırır. Kalıplar, proses, basınçlı-döküm makineleri ve ısıl-işlem-içermeyen malzemeler, entegre basınçlı dökümün dört temel teknolojisini oluşturur [2-3]. Basınçlı döküm makineleri, özellikle 60.000 kN'yi aşan sıkma kuvvetlerine sahip büyük ölçekli makineleri ifade eder [4]. Günümüzde öncelikli olarak ısıl işlem-kullanılan malzemeler, yüksek{22}}dayanımlı, yüksek-tokluklu dökme alüminyum alaşımlarıdır [5]; yüksek özgül dayanımları, mükemmel dökülebilirlikleri, makul maliyetleri ve mevcut entegre basınçlı döküm otomotiv bileşenlerinin birincil malzemesi olma durumları ile bilinirler [6-7].
Yerli büyük alüminyum basınçlı dökümler{0}}artan entegrasyon karmaşıklığıyla birlikte verim oranlarının düşmesi sorunuyla karşı karşıyadır. Yeterlilik oranlarını etkileyen temel faktörler şunlardır:
1. Kritik yük-taşıma noktalarında dengesiz kalite: Amortisör kuleleri, alt çerçeveler ve C-sütunları için montaj yüzeyleri yüksek mekanik özellikler gerektirir. Bu alanlardan numune testi yapılması genellikle zordur, standartları aşan dahili gözenekler içermemeli ve harici olarak soğuk kapanmalardan arındırılmış olmalıdır. Özellikle, kaptan köşkü kenarına yakın C-sütununun montaj yüzeyi soğuk kapanmaya eğilimlidir.
2. Kritik birleşme yüzeylerinde dengesiz boyutlar: Döküm kenarındaki ince-duvarlı yan panel montaj yüzeyleri içe veya dışa doğru deformasyona ve hatta bükülmeye (önden dışarıya, arkadan dışarıya) karşı hassastır. Bu, karşı parçalarla eşleştirildikten sonra stabiliteyi tehlikeye atar ve önceden oluşturulmuş delik yanlış hizalamasına neden olarak işleme hatasına yol açabilir [8-15].
Bu çalışma, entegre bir basınçlı döküm arka zemin bileşenindeki kusurları tahmin etmek için simülasyondan yararlanır ve benzer büyük dökümlerin tasarlanması için bir referans sağlamayı amaçlayarak iç kaliteyi iyileştirmek üzere yolluk ve taşma sistemini optimize eder.
1 Yapısal Özellikler ve Teknik Gereksinimler
Arka zemin dökümü, sol/sağ arka tekerlek yuvası, arka uzunlamasına kirişler, çapraz kirişler, zemin bağlantı plakaları ve iç kiriş takviyeleri gibi bileşenleri entegre ederek yolcu bölmesinin arka tarafındaki zemin bölümünü oluşturur. Dökümün genel boyutları 1.630 mm × 1.624 mm × 666 mm, kütlesi 63 kg, ortalama duvar kalınlığı 3 mm ve öngörülen alanı 23.000 cm²'dir. Büyük boyutu, ince duvarları ve önemli alan gereksinimleri, uzun döngü süreleri ve ısıl işlemle ilişkili bozulma riskleri nedeniyle, ısı-ısıl işlem-içermeyen bir alüminyum alaşımı zorunludur.
SPR (Kendiliğinden-Delen Perçinleme) işlemi, farklı çelik-alüminyum malzemelerin soğuk birleştirilmesi için uygundur [8]. Sonuç olarak, dökümün ön ve arka uçları SPR yoluyla sırasıyla ön zemine ve arka zemin düzeneğine bağlanır. Sol ve sağ tekerlek yuvası da SPR aracılığıyla yan panellere bağlanabilir. Bu dört kenar, arka zeminin birincil yük-taşıma bölgeleri olmasa da, malzemenin düzlüğü ve yüksek mukavemet-tokluğu gereksinimlerine karşılık gelen yüksek sızdırmazlık ve bağlantı bütünlüğü gerektirir.
Görünüm Gereksinimleri: Soğuk kapanma, çatlak ve talaş gibi kusurlardan arındırılmış.
Malzeme Performansı Gereksinimleri (Ön-pişirme):
SPR Konumları (Gövde Örneklemesi): Çekme Dayanımı 215 MPa'dan büyük veya ona eşit, Akma Dayanımı 115 MPa'dan büyük veya eşit, Uzama %12'den büyük veya eşit, Bükülme Açısı 20 dereceden büyük veya eşittir.
Tekerlek Köşkünün Arka Yarısı (Biraz Daha Düşük): Çekme Dayanımı 215 MPa'dan büyük veya ona eşit, Akma Dayanımı 110 MPa'dan büyük veya eşit, Uzama %6'dan büyük veya eşit, Bükülme Açısı 20 dereceden büyük veya eşittir.
Diğer Alanlar: %6 ile %12 arası uzama gereksinimi.
Döküm gövde numunelerindeki mekanik özelliklerin doğası gereği homojen olmadığı göz önüne alındığında, belirlenen alanların her yerinde belirli mekanik özelliklere ulaşmak zorlayıcıdır. Bu nedenle, amortisör kulelerinin ve uzunlamasına kirişlerin temel yük-taşıma performansını doğrulamak için tezgah testlerinin yapılması gerekmektedir [9]. Laboratuvar testleri tipik olarak dayanıklılık ve ezilme testlerini içerir:
Dayanıklılık ve Z-yönlü Ezilme Testleri: Arka amortisör yüklemesini simüle edin. Dayanıklılık testi ortalama yükü 11,5 kN'dir. Z-yönündeki ezilme altında, 38 kN'lik ilk-aşama yüklemesi, yükleme noktası deformasyonunu gerektirir. 3 mm'den az veya buna eşit; 74 kN'lik ikinci-aşama yüklemesi, yükleme noktasında herhangi bir çatlama gerektirmez.
X-yönünde Ezilme Testi: Boyuna kiriş yüklemesini simüle eder. 206 kN veya daha büyük tek taraflı yükleme kuvveti altında, yükleme noktasında 3 mm veya daha az çatlama ve deformasyon meydana gelmemelidir.
2 Kalıplı-Döküm Prosesi Tasarımı
2.1 Yolluk Sistemi Tasarımı
Geliştirilen arka zeminin ön ucunda ön kapak plakası bağlantı penceresi bulunmaktadır. Bununla birlikte, yüksek en-boy oranı (3.14) ve kenar konumu, merkez geçitlemeyi uygunsuz kılmaktadır. Geleneksel basınçlı dökümler için tipik olan tek-yan geçit yaklaşımı benimsendi. Magma akış analizi sonuçlarına göre üç yolluk tasarımı (S1, S2, S3) sırayla optimize edildi:
S1 ve S2 tasarımlarında 70.000 kN'lik bir basınçlı döküm makinesi kullanıldı.
S3 tasarımında 120.000 kN basınçlı döküm makinesi kullanılmış, döküm gövdesinde küçük yapısal optimizasyonlar yapılmış ve piston çapı, giriş sayısı ve giriş alanı artırılmıştır.
2.2 Doldurma ve Katılaşma Simülasyon Analizi
Magma yazılımı, arka zemin basınçlı döküm-işlemini simüle etti. Kalıp malzemesi H13 takım çeliğiydi; döküm malzemesi C611 yüksek-mukavemetli, yüksek-tokluklu alüminyum alaşımıydı [1]. Parametre seti: Erime sıcaklığı 680 derece, Piston sıcaklığı 200 derece, Shot manşon sıcaklığı 250 derece, Kalıp sıcaklığı 180 derece. Enjeksiyon parametreleri şemaya göre değişiyordu.
Şema S1 Analiz Sonuçları:
Dolumun-sonunda-, tekerlek yuvası kenar konumu en düşük sıcaklığa sahipti (~618,6 derece) ve ilk önce katılaştı (katı kısım ~%1). Gerçek döküm, daha yüksek erime sıcaklığı ve bu bölgedeki kalıp yüzey sıcaklığının odaklanmış izlenmesini gerektirir. Kalıp sıcaklığı değişimleri nedeniyle, orta kısımdaki kaptan köşkü kenarında soğuk kapanma riski mevcuttur.
Eriyik arka kavite yarısına ulaştığında, kısıtlı akış alanı 60 m/s'ye varan dolum hızlarına neden oldu. İki eriyik akışı uç kirişin merkezinde birleşti. Yüksek hız, eriyik girdabına neden olarak yüksek bir soğuk kapanma ve çatlak riski oluşturarak mekanik özelliklerin azalmasına neden oldu.
Önemli bir adım farkı ve arka uzunlamasına kirişin girişinin yakınındaki daha kalın duvar, her iki tarafta da büyük izole hava ceplerine neden oldu. Bu bölgedeki makineyle işlenmiş delikler gözeneklilik kusurlarını akmaya zarar verir.
Eriyik eşik kirişine girdikten sonra döküm basıncı sürekli olarak 30 MPa'ya yükseldi. Döküm gövdesinin öngörülen alanına (18.136 cm²) göre bu, 69.000 kN'lik bir sıkma kuvveti gerektiriyordu. 1,2 güvenlik faktörü dikkate alındığında ve yolluk sistemi dahil (tahmini öngörülen alan ~25.000 cm²) gerekli kenetleme kuvveti, 70.000 kN makinenin kapasitesini aşarak 90.000 kN'ye ulaştı.
Şema S2 Analiz Sonuçları:
Kaptan köşkünün tam karşısına bir koşucu eklemek, kaptan köşkü doldurma süresini 51 ms'ye düşürdü (S1 için . 59 ms'ye kıyasla). Genel dolum süresi 86 ms idi.
Her iki tekerlek yuvasındaki türbülans daha belirgindi. Gaz içeriği, dolgunun-sonunda çapraz kirişteki erime birleşme noktasında en yüksek düzeydeydi ve gözeneklilik, çatlaklar ve büzülme kusurları açısından yüksek riskler oluşturuyordu [7].
Kaptan köşkü alanındaki soğuk akış sorunu etkili bir şekilde çözülmedi.
Şema S3 Analiz Sonuçları:
Önceki şemalara göre koşucuyu optimize ederek tekerlek yuvası kenar merkezine ve kirişin uç merkezine taşma kuyuları eklendi. Giriş alanı artırıldı (hızı korumak için daha yüksek enjeksiyon kuvveti gerektiriyordu). Makine sıkma kuvveti 120.000 kN'ye yükseltildi.
Tekerlek yuvası kenar sıcaklığı S1/S2'den düşüktü ancak sıvılaşma sıcaklığına yakındı. Erime, girişlere 305 ms'de (zamanlama bisküvi dolumundan başlayarak) maksimum 60 m/s'lik bir hızla ulaştı. Boşluk 390 ms'de tamamen doldu ve 85 ms sürdü. Döküm basıncı 40 MPa idi.
S3 yolluk sisteminin öngörülen alanı (25.813 cm²) temel alındığında, 120.000 kN'lik makinenin sağlayabileceği maksimum döküm basıncı 46,5 MPa olup gereksinimi karşılıyordu.
Kaptan köşkünün yanına eklenen taşma kuyuları, S2'ye kıyasla hava sıkışmasını iyileştirdi. Giriş kapısına yakınlık aynı zamanda gözeneklilik riskini de azaltmıştır.
Kalıp üretimi için S3 şeması seçildi.
3 Test Yöntemleri ve Sonuçları
3.1 Basınçlı-Döküm Parametreleri ve Test Yöntemleri
Üretimde Lijin 120.000 kN basınçlı-döküm makinesi kullanıldı. Alaşım, C611 ısıl-işlem-içermeyen bir malzemeydi (kimyasal bileşim spesifikasyonları karşılıyordu). Geleneksel AlSi10MnMg yapısal malzemelerle karşılaştırıldığında, ısıl-işlem görmemiş-alaşımlar daha iyi döküm dayanıklılığı sunar ve perçinleme için faydalıdır. Erime sıcaklığı 680 dereceydi. Dinamik ve sabit kalıp vakumu 10 kPa idi.
Proses Akışı: Püskürtme → Üfleme-kapalı → Kalıp Kapatma → Dökme → Vakum Tahliye → Enjeksiyon → Yerel Sıkma → Doğrudan Soğutma/Nokta Soğutma → Kalıp Açma → Robot Çıkarma → Bütünlük Kontrolü → Suyla Söndürme → Kırpma ve Düzeltme → Markalama → Robot İşleme → Çevrimdışı Döküm → Manuel Çapak Alma → Görünüm ve Boyut Kontrolü → Sonraki İşleme Aktarma.
Dahili kalite denetiminde, Maice FSC ağır-işe uygun 9-eksenli X-ışını inceleme makinesi kullanıldı. Çekme numuneleri ilk olarak döküm gövdesinden küçük parçalar halinde (80-100 mm uzunluk, 15-30 mm genişlik) kesildi, ardından 25 mm ölçü uzunluğunda standart çekme numuneleri halinde işlendi.
3.2 Dahili Kalite Denetimi
X-ışını inceleme sonuçları, arka zemin dökümünün giriş alanlarında, arka çapraz kirişte veya yan tekerlek yuvalarında önemli bir gözeneklilik kusuru göstermedi. İç kalite ASTM E505 Seviye 2 standartlarını karşıladı. Daha kalın duvarlar nedeniyle, işleme deliği çıkıntıları gözenekliliğe eğilimliydi ve açıkta kalan gözenekler ve görünüm standartlarına uygunluk açısından daha fazla kontrol yapılması gerekiyordu. Dişli ekler veya kendinden kılavuzlu vidalar için yük tutma testleri bir CMT5305 çekme testi makinesi kullanılarak-gerçekleştirildi.
3.3 Gövde Numune Almadan Çekme Mekanik Özellikleri
Mekanik özellikler döküm gövdesinin 39 noktasında test edildi. Örnekleme noktaları anahtar alanları kapsayacak şekilde simetrik olarak dağıtılmıştır (L: Gövdenin sol tarafı, R: Sağ gövde tarafı):
1-10 arası konumlar: Tekerlek yuvası kenarı (yan perçinleme kenarı).
Pozisyonlar 11-20: Kaptan köşkü orta bölümü.
Pozisyon 21-23: Giriş alanı (arka zemin aksamının perçinleme kenarı).
Pozisyon 31-34: Ön kapak plakası bağlantı kenarı.
Konum 35-37: Dolgunun sonunda-ön zemin perçinleme kenarı.
Sonuçlar:
Çekme mukavemeti (TS) ve akma mukavemeti (YS) konumlar arasında nispeten istikrarlıydı. Ortalama TS 237 MPa idi; ortalama YS 118,9 MPa idi.
Uzama konuma göre önemli ölçüde değişiklik gösterdi; ortalama yalnızca %6,5, bazı noktalar ise %6'nın altındaydı. Ortalama uzama değeri numune alma yeri ve miktarından etkilenir ve yalnızca referans olarak hizmet eder [9]. Karşılaştırma yapmak gerekirse, aynı malzemeyi kullanan başka bir arka zeminde ortalama %9 uzama elde edildi.
Müşterinin ilk geliştirme gereksinimleri nedeniyle gövde özellikleri (özellikle bazı yerlerdeki uzama) tam olarak karşılanamamıştır. Bu nedenle, vücut numunesi alma sonuçları tek başına ürün kalifikasyonu için tek kriter olamaz. Genel performans, karşılaştırma testi ve tam araç doğrulama sonuçlarına göre değerlendirilmelidir.
4 Sonuç
(1) C611 alüminyum alaşımlı arka zemin dökümü için yolluk sistemini tasarlamak ve optimize etmek amacıyla Magma yazılımı kullanıldı. Simülasyon, basamak bölgelerindeki önemli duvar kalınlığı değişikliklerinin, bu alanlardan geçen düşük erime sıcaklığıyla birleştiğinde, hava sıkışması, soğuk kapanma ve çatlaklar için risk oluşturduğunu ortaya çıkardı. Çapraz kirişin uç bölgesindeki doldurma basıncının analizi, arka zeminin tamamen şekillendirilmesi için 90.000 kN'yi aşan bir sıkıştırma kuvvetine sahip bir basınçlı döküm makinesinin gerekli olduğunu gösterdi.
(2) Üretim için 120.000 kN basınçlı döküm makinesinin seçilmesi ve simülasyon-tabanlı optimizasyonla birlikte gözeneklilik ve büzülme gözenekliliği kusurları etkili bir şekilde ortadan kaldırıldı. Ancak yapısal geçiş bölgelerinde ve önemli duvar kalınlığı değişimlerinin olduğu alanlarda oluşmaya yatkın çatlaklar, mekanik özellikleri etkilemiştir. C611 arka taban döküm gövdesinden kesilen numunelerden alınan ortalama akma mukavemeti, çekme mukavemeti ve uzama sırasıyla 118,9 MPa, 237 MPa ve %6,5 olup, temel olarak ana tasarım hedeflerini karşılamıştır (TS 215 MPa'dan büyük veya eşit, YS 115 MPa'dan büyük veya eşit, Uzama %6'dan büyük veya eşit).
(3) Perçinleme ve damgalama gibi geleneksel şekillendirme işlemleriyle karşılaştırıldığında, entegre basınçlı döküm arka zemin %10'u aşan bir ağırlık azalması sağladı. 200.000 kN basınçlı döküm makinelerinin gelecekte benimsenmesi, entegre otomotiv gövde dökümlerinin kısa-döngülü, düşük-maliyetli ve yüksek-mukavemetli/yüksek-tokluklu üretimine ulaşma konusunda umut vaat ediyor.
