Kā augsspiediena liešana ar matricām un matricu tehnoloģija pārveido automašīnu korpusu ražošanu jaunās enerģijas transportlīdzekļu (JET) vieglo konstrukciju viļņa laikā

Ievads: Vieglās konstrukcijas „būtiskākais“ elements un iespējas liešanai ar matricām elektrisko transportlīdzekļu ērā

Ar globālā jaunās enerģijas transportlīdzekļu (JET) tirgus straujo izaugsmi, nobīdes bailes un energoefektivitātes uzlabošana ir kļuvuši nozarē vissteidzamākie pamata izaicinājumi. Viegluma palielināšana kā viena no tiešākajām un efektīvākajām metodēm, lai palielinātu nobraukumu un samazinātu enerģijas patēriņu, ir pārvērtusies no "vēlamās" funkcijas par absolūtu nozares nepieciešamību.

Nozares statistika rāda, ka, piedziņā iegūstot stimulu no jauno enerģiju izmantojošo transportlīdzekļu (NEV) uzplaukuma, pasaules spiediena liešanas tirgus līdz 2025. gadam, pēc prognozēm, sasniegs aptuveni 185,6 miljardus ASV dolāru. Kad vadošās automašīnu ražotāju uzņēmumu, tostarp Tesla, BYD un Volkswagen, pieņemšana kļūst intensīvāka, lieli integrēti alumīnija liešanas izstrādājumi (industrijā pazīstami arī kā "gigaliekšana") lai aizvietotu tradicionālos tērauda stempļošanas un metināšanas konstrukcijas, augsspiediena liešanas tehnoloģija un tai vajadzīgās veidņu izstrādes un ražošanas spējas ir kļuvušas par lēmēj faktoru šīs "viegluma revolūcijas" panākšanā.

Augsspiediena liešana: no "komponentu ražošanas" līdz "korpuss struktūras pārveidošanai"

Alumīnija sakausējumi ir kļuvuši par automašīnu vieglo konstrukciju izvēles materiālu, jo tiem piemīt zema blīvums, augsta īpatnējā izturība un lieliska korozijas izturība. Tradicionālajā ražošanā sarežģīta autoķermeņa struktūra prasa desmitiem vai pat simtiem presētu detaļu, kas ir savienotas ar metināšanu — process, kas nav tikai darbietilpīgs un dārgs, bet arī ierobežo tālāku svara samazināšanu.

Izcilie sasniegumi augsspiediena liešanas tehnoloģijā, īpaši lielo integrēto liešanas procesu parādīšanās ir pilnībā pārtraukusi šo tradicionālo modeli.

1. Procesa priekšrocības: struktūru pārveidošana, izmaksu samazināšana un efektivitātes paaugstināšana

Augsspiediena liešanas būtība ir "augsts spiediens" un "augsta ātrums" . Kausēts alumīnija sakausējums piepilda veidni ar ļoti augstu injekcijas īpatnējo spiedienu (parasti 30–150 MPa, kur lielām autoķermeņa strukturālām detaļām visbiežāk izmanto 80–120 MPa) un ļoti augstu ātrumu, pēc tam sacietē spiediena ietekmē. Šis process nodrošina būtiskas priekšrocības:

• Integrēts dizains struktūras, kurām sākotnēji bija nepieciešami desmitiem komponentu, tagad var izlietot vienā gabalā ar matricas liešanas metodi, ievērojami samazinot detaļu skaitu un montāžas operācijas. Piemēram, pilnīgu aizmugurējo grīdas montāžu var apvienot no vairāk nekā 70 daļām līdz tikai 1–2 daļām, izmantojot viena reižu formēšanu ar lielu matricas liešanas mašīnu. Šāda integrācija ļauj aizmugurējai grīdas montāžai sasniegt 20–30% masas samazinājumu vienlaikus palielinot korpusa torzijas stingrību par 10%-15%.
• Augstu izmēru precizitāti precīzitāte: Matricas liešanas detaļām ir izmēru novirzes IT11–IT13 vai labākas, kā arī lieliska virsmas kvalitāte. Tās pirms montāžas nepieprasa gandrīz nekādu apstrādi, un materiāla izmantošanas koeficients pārsniedz 90%.
• Pamatoti mehāniskie īpašumi materiāla blīvums un mikrostruktūra: Kausētā metāla sacietēšana augsta spiediena apstākļos rada blīvu mikrostruktūru un smalkgraudainību. Tās stiepšanas izturība ir par 20–35% augstāka nekā tradicionālajām smilšu liešanas detaļām, nodrošinot uzticamāku mehānisko atbalstu korpusa strukturālajām detaļām.

2. Materiāla pielāgojamība: Galveno alumīnija sakausējumu sēriju izvēle

Lai atbilstu NEV prasībām augstas izstiepjamības un augstas izturības strukturālajām daļām, pareizā alumīnija sakausējuma klases izvēle ir būtiska. Piemēram, daži 6. sērijas alumīnija sakausējumi (piemēram, 6463) pēc anodēšanas rada spoguļveidīgu virsmu un piedāvā labu formējamību un korozijas izturību, tādēļ tie ir ideāli ārējām komponentēm.

Lielām integrētām korpuss strukturālām daļām bez termoapstrādes alumīnija sakausējumi (piemēram, AlSi10MnMg sērija) ir kļuvuši par nozaru galveno virzienu. Šie sakausējumi as-cast stāvoklī var sasniegt mehāniskās īpašības, kas ir līdzvērtīgas T6 termoapstrādātu materiālu īpašībām, novēršot deformācijas un izmaksu problēmas, kas saistītas ar termoapstrādi, un tie ir būtiska tehnoloģija, kas ļauj masveidā ražot ļoti lielus liešanas izstrādājumus. Citām korpuss strukturālām daļām augstākas veiktspējas sakausējumi ļauj sasniegt pat lielāku viegluma priekšrocību.

Spiedliešanas matricas: Galvenais „rīks“, kas nosaka spiedliešanas panākumus

Ja liešanas mašīna ir "scēna", tad liešanas matrica ir neapšaubāmi galvenais aktieris . Bez augstas veiktspējas un ilgstošas matricas nav iespējams ražot vienmērīgas, augstas kvalitātes liešanas izstrādājumus.

Lielu strukturālo daļu liešanas matricas parasti izgatavo no H13 karstās darba rīku tērauda (Ziemeļamerikas standarts) vai 1.2344 tērauda (Eiropas standarts) , kurš pēc vakuuma aukstuma un atkausēšanas sasniedz cietību HRC 44–48. Augstas apjomu ražošanai paredzētām matricām arī pielieto PVD pārklājumus (piemēram, CrN, AlTiN), lai uzlabotu virsmas cietību un termiskās izturības pret izsīkšanu.

Lielu NEV strukturālo daļu ražošanā matricu projektēšana un izgatavošana stāv pretī bezprecedenta izmaiņu izraisītiem izaicinājumiem.

1. Ieejas un izplūdes sistēmu precīza konstruēšana

Formas sadalījuma virsmas konstruēšana tieši nosaka liešanas izstrādājuma izgrūšanas virzienu un izmēru precizitāti. Konstruēšanai jāievēro pamatprincipi: pēc formas atvēršanas liešanas izstrādājumam jāpaliek kustīgajā formas pusē, lai nodrošinātu vieglu izgrūšanu; turklāt jāveicina optimāla ieejas, pārapstrādes un izplūdes sistēmu izvietošana, lai nodrošinātu gludu metāla plūsmu un novērstu gaisa iekļūšanu.

• Piedvesas sistēma : Ieejas šķērsgriezuma laukumam jābūt precīzi aprēķinātam, balstoties uz liešanas izstrādājuma ģeometriju, lai šķidrais metāls piepildītu dobumu ar optimālo ātrumu un plūsmas raksturu, izvairoties no tiešas iedarbības uz kodoliem, lai samazinātu kinētiskās enerģijas zudumu un formas nodilumu.
• Pārapstrādes un izplūdes sistēmas pareizi izstrādāti pārplūdes caurumi un vēdināšanas sloti ir būtiski. Tie efektīvi noņem iekļuvušo gāzi un aukstu, piesārņotu metālu no dobuma, kas ir kritiski svarīgi, lai novērstu liešanas defektus, piemēram, porainību un plūsmas zīmes. Plānās sieniņās un sarežģītās strukturālās daļās nepietiekama vēdināšanas konstrukcija tieši izraisīs atkritumu līmeņa strauju pieaugumu.

2. Formas temperatūras kontrole un termiskā līdzsvara nodrošināšana

Liešanas laikā, veidnes temperatūra ir vēl viena galvena mainīgā lieluma, kas ietekmē gan liešanas kvalitāti, gan formas kalpošanas laiku. Pārāk augsta formas temperatūra izraisa metāla pielīmēšanos (pieķeršanos) un liešanas deformāciju; pārāk zema temperatūra izraisa nepilnas aizpildes un aukstās šuves.

Tāpēc formām nepieciešamas iebūvētas sildīšanas un dzesēšanas sistēmas, lai nodrošinātu termisko līdzsvaru un garantētu, ka forma darbojas optimālā temperatūras diapazonā nepārtrauktas ražošanas laikā. Alumīnija sakausējumu liešanai paredzētām formām darba virsmas temperatūra parasti tiek kontrolēta 180–240 °C robežās, kamēr lielu integrēto strukturālo daļu formām nepieciešama zonālās temperatūras regulēšanas tehnoloģija , kur vietējās maksimālās temperatūras nepārsniedz 280 °C. Pareiza termiskā līdzsvara regulēšana var pagarināt lielu strukturālo daļu veidņu kalpošanas laiku no 100 000 lēcienu līdz vairāk nekā 200 000 lēcieniem, būtiski samazinot ražošanas izmaksas uz vienu vienību.

No „liešanas piemērotības“ līdz „pēcapstrādei“: pilna tehnoloģiju kaskāde nodrošina kvalitāti

Augstas kvalitātes liešana nav nosakāma tikai ar liešanas procesu.

1. Lietņa konstrukcijas projektēšana : Liešanas procesa piemērotība jāņem vērā jau agrīnajos projektēšanas posmos. Piemēram: izvairīties no pārāk plānām veidņu daļām, kas izraisa agrīnu bojājumu; optimizēt iegrieztās formas elementus, lai vienkāršotu kodolu izvelkšanas mehānismus; un nodrošināt pietiekamu izvilkuma leņķi. Šādas projektēšanas optimizācijas būtiski pagarina veidņu kalpošanas laiku un nodrošina liešanas precizitāti.
2. Virsmas apstrāde un korozijas izturība : Parasti eksponētām šasijas sastāvdaļām vai akumulatoru komplektu korpusiem nepieciešama virsmas apstrāde, piemēram, anodēšana vai ķīmiskās pārveidošanas pārklājumi. retās zemes bohmīta slāņa process , piemēram, rāda perspektīvas lietojumprogrammas savas netoksiskās, videi draudzīgās dabas un izcilās korozijas izturības dēļ. Komponentiem, kas ir pakļauti korozīvai videi, stingra sāls miglas izmēģināšana (piemēram, GB/T 10125-2021, ekvivalents ISO 9227:2017 ) ir nepieciešams validācijas solis.
3. Tīra ražošana : Visā virsmas apstrādes procesā — vai nu priekšapstrādē (tīrīšana no eļļas, skābju ēšana) vai pēcapstrādē (pasivizācija, noslēgšana) — procesi un ķīmiskās vielas ir jāatbilst vides standartiem un automobiļu ierobežoto vielu prasībām (piemēram, GB/T 30512-2014, kas atbilst ES ELV Direktīvai 2000/53/EK ) lai nodrošinātu zaļus un atbilstošus produktus.

Uzlabotie procesi: Ļauj sasniegt augstāku liešanas integritāti

Tā kā prasības pēc liešanas kvalitātes turpina pieaugt, augsspiediena liešanas uzlabotie atvasinātie procesi kļūst par jaunām tehnoloģiskām robežām.

• Augstvakuumā veikta liešana ar veidojot augstu vakuumu (<10 mbar, rūpniecībā līderiski līmeņi sasniedz <5 mbar) formas dobumā, porainības defekti ievērojami samazinās. Tas ļauj liešanai veikt T6 termoapstrādi bez pūslīšu veidošanās, nodrošinot augstāku izturību un izstiepjamību, lai atbilstu stingrākajām prasībām drošības kritiskiem strukturāliem komponentiem.
• Vietējā spiediena tehnoloģija vietējiem biezajiem karstajiem punktiem liešanā sarukšanas dobumi un porainība efektīvi tiek novērsti, izmantojot vietējos spiediena stieņus, kas parasti pieliek spiedienu 100–200 MPa. Tas uzlabo iekšējo liešanas kvalitāti, īpaši komponentiem ar augstām hermētiskuma prasībām.
  

Secinājums: dziļa tehniska ekspertīze ir rūpnieciskās modernizācijas pamats

NEV vieglošanās viļņa laikā augsspiediena liešanas tehnoloģija un veidņu izstrādes spējas kopā veido divus galvenos dzinējus, kas virza inovācijas automašīnu korpusu ražošanā. No lielu integrētu strukturālo detaļu veidošanas līdz sarežģītu plānās sieniņās izgatavotu komponentu augstas veiktspējas liešanai katrs tehnoloģiskais progresākais solis ir atkarīgs no procesa parametru precīzas kontroles, dziļas izpratnes par veidnes termisko līdzsvaru un materiālu īpašību precīzas pielietošanas.

Kad tirgus prasības pēc liešanas stipruma, izstiepjamības, blīvuma un termiskās apstrādes iespējamības turpina pieaugt, augstas vakuuma liešanas un lokālās spiediena tehnoloģijas, piemēram, lokālā spiediena iedarbība, pārvietojas no „neobligātajām papildinājumiem“ uz nopietniekām standarti . Visi šie faktori galu galā atgriežas pie pamata saites — veidņu konstruēšanas un ražošanas: augstas kvalitātes veidnes ir pamats nepārtrauktai liešanas kvalitātei un ilgstošai ražošanas efektivitātei.

Nākotnē automašīnu vieglošanas sacensības arvien vairāk pārbaudīs uzņēmumu vispārējās spējas tehniskajā dziļumā un sistēmu integrācijā. Tikai atradis optimālo līdzsvaru starp veidņu izstrādi, procesu optimizāciju un lielapjomīgu ražošanu, uzņēmums var iegūt ilgstošu konkurences priekšrocību globālajā tirgū.