עיצוב תהליך ואופטימיזציה של רצפה אחורית יצוקה במיוחד-משולבת גדולה-

מָבוֹא
טכנולוגיית יציקה-משולבת מציעה יתרונות כמו יעילות ייצור גבוהה ועלויות ייצור נמוכות. כיום בשלב של התפתחות מהירה, יש לו פוטנציאל לייצור רכיבים גדולים מרובים, פישוט מבני גוף ושינוי בתהליכי ייצור הגוף [1]. הרצפה האחורית המשולבת-היצוקה מאגדת למעלה מ-70 חלקים מקוריים לרכיב אחד, מפחיתה משמעותית את משקל הרכב ומשפרת את יעילות הייצור. תבניות, תהליכים, מכונות יציקה- וחומרים ללא-טיפול-בחום מהווים את ארבע טכנולוגיות הליבה של יציקת יציקה-משולבת [2-3]. מכונות ליציקה- מתייחסות ספציפית למכונות-בקנה מידה גדול עם כוחות הידוק העולים על 60,000 קילו-ניין [4]. חומרים ללא-טיפול בחום-המשמשים בעיקר היום הם סגסוגות אלומיניום יצוק-גבוה-וגבוה-קשיחות [5], הידועים בחוזק הספציפי הגבוה שלהן, יציקות מעולה, עלות מתונה ומעמדם כחומר העיקרי לרכיבי רכב משולבים נוכחיים יציקת יציקה [6-7].

יציקות אלומיניום גדולות ביתיות- עומדות בפני האתגר של הפחתת שיעורי התשואה עם מורכבות האינטגרציה הגוברת. גורמים מרכזיים המשפיעים על שיעורי ההסמכה כוללים:
1. איכות לא יציבה בנקודות נשיאת עומס- קריטיות: משטחי התקנה עבור מגדלי בולמי זעזועים, מסגרות משנה ועמודי C- דורשים תכונות מכניות גבוהות. אזורים אלו קשים לרוב לבדיקת דגימה, אסור להם להכיל נקבוביות פנימיות החורגות מהסטנדרטים, וחייבים להיות ללא סגירות קרה חיצונית. יש לציין כי משטח ההתקנה של עמוד C- ליד קצה בית הגלגלים נוטה לסגירה קרה.
2. מידות לא יציבות במשטחי התאמה קריטיים: משטחי התקנת לוח צד דקים-בקצה היציקה רגישים לעיוות פנימי או חיצוני, או אפילו פיתול (קדמי כלפי חוץ, אחורי כלפי חוץ). זה פוגע ביציבות לאחר ההזדווגות עם חלקים מקבילים ועלול לגרום ל-חוסר יישור חור שנוצר מראש, מה שמוביל לכשל בעיבוד [8-15].

מחקר זה משתמש בסימולציה כדי לחזות פגמים ברכיב רצפה אחורית יצוק משולב-ומטב את מערכת השער והגלישה כדי לשפר את האיכות הפנימית, במטרה לספק התייחסות לתכנון יציקות גדולות דומות.

1 מאפיינים מבניים ודרישות טכניות
יציקת הרצפה האחורית מהווה את החלק הרצפה לאחור של תא הנוסעים, ומשלבת רכיבים כמו בתי גלגלים אחוריים שמאל/ימני, קורות אורכיות אחוריות, קורות צולבות, לוחות חיבור לרצפה וחיזוקי קורות פנימיים. ליציקה מידות כוללות של 1,630 מ"מ × 1,624 מ"מ × 666 מ"מ, מסה של 63 ק"ג, עובי דופן ממוצע של 3 מ"מ ושטח מוקרן של 23,000 ס"מ רבוע. בשל גודלו הגדול, הקירות הדקים ודרישות החלל המשמעותיות, זמני מחזור ארוכים וסיכוני עיוות הקשורים לטיפול בחום, חובה לסגסוגת אלומיניום ללא-טיפול-ללא חום.

תהליך SPR (Self-Piercing Riveting) מתאים לחיבור קר של חומרי אלומיניום פלדה- שונים [8]. כתוצאה מכך, הקצוות הקדמיים והאחוריים של היציקה מתחברים למכלול הרצפה הקדמי והרצפה האחורית, בהתאמה, באמצעות SPR. בית הגלגלים השמאלי והימני יכולים גם להתחבר ללוחות הצד באמצעות SPR. בעוד ארבעת הקצוות הללו אינם אזורים נושאי עומס- ראשיים של הרצפה האחורית, הם דורשים שלמות איטום וחיבור גבוהים, התואמים לדרישות לשטיחות ולקשיחות-חוזק גבוהה של החומר.

דרישות מראה: ללא פגמים כמו סגירות קרה, סדקים ושבבים.
דרישות ביצועי חומר (טרום-אפייה):
מיקומי SPR (דגימת גוף): חוזק מתיחה גדול מ-215 MPa או שווה ל-215 MPa, חוזק תפוקה גדול או שווה ל-115 MPa, התארכות גדולה מ-12% או שווה ל-12%, זווית כיפוף גדולה או שווה ל-20 מעלות.
חצי אחורי של בית הגלגלים (קצת נמוך יותר): חוזק מתיחה גדול מ-215 מגפ"ס או שווה ל-215 מגפ"ס, חוזק תפוקה גדול או שווה ל-110 מג"פ, התארכות גדולה מ-6% או שווה ל-6%, זווית כיפוף גדולה או שווה ל-20 מעלות.
תחומים אחרים: דרישת התארכות בין 6% ל-12%.

בהתחשב באי ההומוגניות המובנית של מאפיינים מכניים בדגימות גוף-יצוקות, השגת תכונות מכניות שצוינו בכל מקום באזורים ייעודיים היא מאתגרת. לכן, נדרשות בדיקות ספסל כדי לאמת את ביצועי נושא העומס-של מגדלי בולמי זעזועים וקורות אורך [9]. מבחני ספסל כוללים בדרך כלל מבחני עמידות וריסוק:
מבחני ריסוק עמידות וכיוון Z-: הדמה טעינת בולם זעזועים אחורי. ממוצע העומס של בדיקת עמידות הוא 11.5 קילוואן. תחת ריסוק בכיוון Z-, העמסה- בשלב ראשון של 38 קילו-ניין דורשת עיוות של נקודת הטעינה פחות או שווה ל-3 מ"מ; העמסת-שלב שני של 74 קילו-ניין אינה דורשת פיצוח בנקודת הטעינה.
בדיקת ריסוק בכיוון X-: מדמה טעינת קרן אורכית. תחת כוח העמסה חד צדדי גדול מ-206 קילו-ניין או שווה לו, אין סדקים ועיוותים בנקודת הטעינה חייבים להתרחש פחות או שווה ל-3 מ"מ.

2 עיצוב תהליך יציקה-
 2.1 עיצוב מערכת שערים
לרצפה האחורית המפותחת יש חלון חיבור לוחית כיסוי קדמית בקצה הקדמי שלה. עם זאת, יחס הרוחב-גובה שלו (3.14) ומיקום הקצה הופכים את השער המרכזי ללא מתאים. אומצה גישת דלת- יחידה, אופיינית ליציקות- קונבנציונליות. בהתבסס על תוצאות ניתוח זרימת Magma, שלושה עיצובי רצים (S1, S2, S3) עברו אופטימיזציה ברצף:
עיצובי S1 ו-S2 השתמשו במכונת יציקה של 70,000 קילו-ניטר-.
תכנון S3 השתמש במכונת יציקה של 120,000 קילו-ניטר-, שילבה אופטימיזציות מבניות קלות לגוף היציקה, והגדילו את קוטר הבוכנה, מספר הכניסות ושטח הנכנס.

 2.2 ניתוח סימולציית מילוי והתמצקות
תוכנת Magma דימתה את תהליך היציקה-של הרצפה האחורית. חומר התבנית היה פלדת כלי H13; חומר היציקה היה C611 סגסוגת אלומיניום חוזק-גבוה,-גבוהה [1]. פרמטרים מוגדרים: טמפרטורת התכה 680 מעלות, טמפרטורת בוכנה 200 מעלות, טמפרטורת שרוול זריקה 250 מעלות, טמפרטורת עובש 180 מעלות. פרמטרי הזרקה השתנו לפי סכימה.

 תוצאות ניתוח סכימה S1:
בסיום-המילוי, למיקום קצה בית ההגה היה הטמפרטורה הנמוכה ביותר (~618.6 מעלות) והוא התמצק ראשון (שבר מוצק ~1%). יציקה בפועל דורשת טמפרטורת התכה גבוהה יותר וניטור ממוקד של טמפרטורת פני העובש באזור זה. עקב שינויים בטמפרטורת העובש, קיים סיכון לסגירה קרה בקצה ה-אמצעי של בית הגלגלים.
כשההתכה הגיעה לחצי החלל האחורי, אזור הזרימה המוגבל גרם למהירויות מילוי של עד 60 מ"ש. שני זרמי נמס התכנסו במרכז קורת הקצה. מהירות גבוהה גרמה לסחרור נמס, יצירת סיכון גבוה לסגירות קרות וסדקים, והפחתת תכונות מכניות.
הבדל מדרגות משמעותי וקיר עבה יותר ליד הפתח של הקורה האורכית האחורית גרמו לכיסי אוויר גדולים מבודדים משני הצדדים. חורים מעובדים באזור זה הופכים את פגמי הנקבוביות לפוגעים בתפוקה.
לאחר שהמסה נכנסה אל קורת הסף, לחץ היציקה עלה בהתמדה ל-30 MPa. בהתבסס על השטח המוקרן של גוף היציקה (18,136 ס"מ רבוע), זה דרש כוח הידוק של 69,000 קילו-ניין. בהתחשב במקדם בטיחות של 1.2 וכולל את מערכת השער (שטח משוער מוערך של ~25,000 ס"מ), כוח ההידוק הנדרש הגיע ל-90,000 קילו-ניין, חורג מיכולת המכונה של 70,000 קילו-ניין.

 תוצאות ניתוח סכימה S2:
הוספת רץ ישירות מול בית ההגה צמצמה את זמן המילוי של בית ההגה ל-51 אלפיות השנייה (לעומת . 59 אלפיות השנייה עבור S1). זמן המילוי הכולל היה 86 אלפיות השנייה.
המערבולת בשני בתי הגלגלים הייתה בולטת יותר. תכולת הגז הייתה הגבוהה ביותר בנקודת מפגש ההיתוך בקורה הצולבת בקצה-של-המילוי, מה שיצר סיכונים גבוהים לנקבוביות, סדקים ופגמי התכווצות [7].
בעיית הזרימה הקרה באזור בית הגלגלים לא נפתרה ביעילות.

 תוצאות ניתוח Scheme S3:
אופטימיזציה של הרץ בהתבסס על תוכניות קודמות, נוספו בארות הצפת במרכז הקצוות של בית ההגה ובמרכז הקורה הצולבת. שטח ה-Ingate הוגדל (מצריך כוח הזרקה גבוה יותר כדי לשמור על מהירות). כוח הידוק המכונה שודרג ל-120,000 קילוואן.
טמפרטורת קצה בית הגלגלים הייתה נמוכה מ-S1/S2 אך קרובה לטמפרטורת הליקווידוס. ההמסה הגיעה ל-ingates ב-305 ms (התזמון התחיל ממילוי ביסקוויטים), עם מהירות מקסימלית של 60 m/s. החלל התמלא לחלוטין ב-390 אלפיות השנייה, תוך 85 אלפיות השנייה. לחץ היציקה היה 40 MPa.
בהתבסס על השטח המוקרן של מערכת השערים S3 (25,813 ס"מ רבוע), לחץ היציקה המקסימלי שהמכונה של 120,000 קילו-ניין יכולה לספק היה 46.5 MPa, מה שעומד בדרישה.
בארות הצפת שנוספו לצד בית הגלגלים שיפרו את לכידת האוויר בהשוואה ל-S2. קרבה לכניסה הפחיתה גם את הסיכון לנקבוביות.
ערכת S3 נבחרה לייצור עובש.

3 שיטות ותוצאות בדיקה
 3.1 פרמטרים של יציקה- ושיטות בדיקה
הייצור השתמש במכונת יציקת קוביות- של Lijin 120,000 kN. הסגסוגת הייתה חומר ללא-טיפול בחום- C611 (הרכב כימי עמד במפרטים). בהשוואה לחומרים מבניים מסורתיים של AlSi10MnMg, סגסוגות ללא-טיפול בחום מציעות קשיחות-טובה יותר, מועילות למסמרות. טמפרטורת ההיתוך הייתה 680 מעלות. ואקום תבנית דינמי וקבוע היה 10 kPa.

זרימת תהליך: ריסוס → נשיפה-כבוי → סגירת עובש → יציקה → פינוי ואקום → הזרקה → סחיטה מקומית → קירור ישיר/קירור נקודתי → פתיחת עובש → מיצוי רובוט → בדיקת תקינות → כיבוי מים → זמירה ויישור לא מקוון → יציקה ידנית → יציקה ידנית → סימון ידני בדיקת מראה ומידות ← העבר לתהליך הבא.

בדיקת איכות פנימית השתמשה במכונת בדיקת רנטגן כבדה- של Maice FSC עם 9- צירים. דגימות מתיחה נחתכו תחילה מגוף היציקה כחסרים קטנים (80-100 מ"מ אורך, 15-30 מ"מ רוחב), ולאחר מכן עברו במכונה לדגימות מתיחה סטנדרטיות באורך 25 מ"מ.

 3.2 בדיקת איכות פנימית
תוצאות בדיקת -רנטגן לא הראו פגמים משמעותיים בנקבוביות באזורי הכניסה, הקורה האחורית או בתי הגלגלים הצדדיים של יציקת הרצפה האחורית. איכות פנימית עמדה בתקני ASTM E505 רמה 2. בשל קירות עבים יותר, ראשי חורי עיבוד היו מועדים לנקבוביות, מה שדרש בדיקות נוספות עבור נקבוביות חשופות ועמידה בתקני המראה. בדיקות שימור עומס עבור תוספות הברגה או ברגים-עצמיים בוצעו באמצעות מכונת בדיקת מתיחה CMT5305.

 3.3 מאפייני מתיחה מכאניים מדגימת גוף
מאפיינים מכניים נבדקו ב-39 מקומות על גוף היציקה. נקודות הדגימה חולקו באופן סימטרי (L: צד גוף שמאל, R: צד ימין), מכסות אזורי מפתח:
מיקומים 1-10: קצה בית גלגלים (קצה מרותק צדדי).
עמדות 11-20: חלק אמצע בית גלגלים.
מיקומים 21-23: אזור היציאה (קצה המרתק של מכלול הרצפה האחורי).
מיקומים 31-34: קצה חיבור לוחית הכיסוי הקדמי.
מיקומים 35-37: קצה המרתק של הרצפה הקדמית בקצה-המילוי.

תוצאות:
חוזק מתיחה (TS) וחוזק תפוקה (YS) היו יציבים יחסית במקומות שונים. TS ממוצע היה 237 MPa; YS הממוצע היה 118.9 MPa.
ההתארכות השתנתה באופן משמעותי לפי מיקום, בממוצע של 6.5% בלבד, עם כמה נקודות מתחת ל-6%. ערך ההתארכות הממוצע מושפע ממיקום וכמות הדגימה ומשמש רק כאסמכתא [9]. לשם השוואה, רצפה אחורית נוספת המשתמשת באותו חומר השיגה התארכות ממוצעת של 9%.
בהתבסס על דרישות הפיתוח הראשוניות של הלקוח, לא ניתן היה לעמוד במלואו במאפייני הגוף (במיוחד התארכות במקומות מסוימים). לכן, תוצאות דגימת גוף לבדן אינן יכולות להיות הקריטריון היחיד להסמכת המוצר. יש לשפוט את הביצועים הכוללים על סמך בדיקת ספסל ותוצאות אימות מלאות של הרכב.

4 מסקנה
(1) תוכנת Magma שימשה לתכנון ואופטימיזציה של מערכת השער עבור יציקת הרצפה האחורית מסגסוגת אלומיניום C611. סימולציה גילתה כי שינויים משמעותיים בעובי הדופן באזורי הצעדים, בשילוב עם טמפרטורת התכה נמוכה הזורמת דרך אזורים אלה, יוצרים סיכונים ללכידת אוויר, סגירות קרה וסדקים. ניתוח לחץ המילוי באזור הקורה הצולבת הצביע על כך שמכונת יציקת קוביות- בעלת כוח הידוק העולה על 90,000 קילו-ניין נחוצה להיווצרות מלאה של הרצפה האחורית.
(2) בחירת מכונת יציקת קוביות- של 120,000 קילוטון לייצור, יחד עם אופטימיזציה מבוססת סימולציה-, ביטלו למעשה פגמים בנקבוביות והתכווצות. עם זאת, סדקים המועדים להתרחש באזורי מעבר מבניים ובאזורים עם שינויים משמעותיים בעובי הדופן השפיעו על המאפיינים המכניים. חוזק תפוקה ממוצע, חוזק מתיחה והתארכות מדגימות שנגזרו מגוף יציקת הרצפה האחורית של C611 היו 118.9 MPa, 237 MPa ו-6.5% בהתאמה, ובעצם עמדו ביעדי התכנון העיקריים (TS גדול מ-215 MPa או שווה ל-215 MPa, YS Elong גדול מ- או שווה ל- 115 MPa שווה או שווה ל- 115 MPa%).
(3) בהשוואה לתהליכי גיבוש מסורתיים כמו ריתוק והטבעה, הרצפה האחורית המשולבת-היצוקה השיגה הפחתת משקל העולה על 10%. אימוץ עתידי של מכונות יציקה- של 200,000 kN טומן בחובו הבטחה להשגת-מחזור קצר, עלות- נמוכה וייצור-חוזק/גבוה{10}}גבוהה של יציקות משולבות למרכבי רכב.