Automobilių aliuminio liejimo dalys

1. Santrauka

Aliuminis štampas (daugiausia aukšto slėgio liejimas, HPDC) yra subrendęs, didelio našumo gamybos būdas, užtikrinantis beveik tinklo formą, matmenis tikslus, lengvos dalys su gera paviršiaus apdaila, skirtos automobilių pramonei.

Jis plačiai naudojamas korpusams (užkrato pernešimas, Pavarų dėžė, variklis), konstrukciniai laikikliai, galios elektronikos ir siurblių korpusai, ir daug priedų dalių.

Pagrindiniai inžineriniai kompromisai yra: vienos dalies kaina vs. apimtis, poringumo kontrolė vs. produktyvumas, ir mechaninis veikimas vs. proceso/poprocesinio maršruto.

Šiuolaikinės galimybės (vakuuminis HPDC, suspausti, pusiau kietas, HIP ir T6 terminės procedūros) leiskite inžinieriams suderinti lietinių dalių vientisumą su griežtais automobilių reikalavimais, įskaitant saugai svarbias ir nuovargiui jautrias programas.

2. Turgus & inžineriniai vairuotojai, skirti aliuminio liejiniams automobiliams

• Lengvas: pereinant nuo plieno prie aliuminio, dalies masė gali sumažėti ~40–50% tam pačiam tūriui (Al tankis ≈ 2.68–2,71 g·cm⁻³ prieš plieną ≈ 7.85 g · cm⁻³).
  Svorio sumažinimas tiesiogiai pagerina degalų taupymą / EV diapazoną.
• Integracija & dalių konsolidavimas: Liejimas slėginiu būdu leidžia sukurti sudėtingas geometrijas, Integruoti šonkauliai, valdymas ir kanalai, kurie sumažina dalių skaičių ir surinkimo išlaidas.
• Kaina pagal apimtį: HPDC turi mažą vienos dalies kainą nuo vidutinio iki didelio kiekio (tūkstančių iki milijonų).
• Šiluminis & EMI poreikiai: Lieti elektroninių variklių ir galios elektronikos korpusai taip pat veikia kaip aušintuvai ir elektromagnetiniai ekranai.
• Pereikite prie EV: EV varikliai ir inverteriai sukuria naujas didelio tūrio galimybes preciziškai išlietiems aliuminio korpusams.
• Patvarumas & korozija: tinkami lydiniai ir dangos užtikrina automobilių eksploatavimo laiką įvairiomis klimato sąlygomis.

3. Tipiški aliuminio liejimo procesai

Pagrindinis pasirinkimas yra procesų šeima – kiekviena turi skirtingą pajėgumą / kainą:

• Aukšto slėgio štampas (HPDC, šalta kamera): Al automobilių dalių pramonės darbinis arkliukas. Greitas ciklo laikas, Plonos sienos, Puikus pakartojamumas. Geriausiai tinka A380/ADC12 šeimai.
• Vakuuminis HPDC: prideda vakuumą, kad sumažintų dujų poringumą ir pagerintų sandarumą slėgiui – naudojamas hidrauliniams korpusams, alyvos karteriai, saugos dalys.
• Suspausti / HPDC + Suspausti: kietėjimo metu taiko statinį slėgį, kad sumažintų susitraukimo ertmes ir pagerintų vietinį tankį; naudinga lokalizuotiems kritiniams regionams.
• Žemo slėgio štampas liejimas (LPDC): apatinis užpildymas žemu slėgiu; švelnesnis užpildymas – geriau didesnėms/storesnėms dalims, bet lėčiau.
• Pusiau kietas / reokastavimas (dievas): įpurškia pusiau kietą srutą, kad sumažintų turbulenciją ir poringumą; didesnis sudėtingumas / kaina, bet pagerinamas vientisumas.
• Poprocesiniai maršrutai: terminis apdorojimas (T6), Karštas izostatinis presavimas (Hip), apdirbimas ir paviršiaus apdaila yra įprasti, kad atitiktų mechanines ir nuovargio specifikacijas.

4. Įprasti automobilių liejimo lydiniai

5. Tipiški proceso parametrai & Praktiniai diapazonai (Automobilių HPDC)

Automobilių komponentų liejimas aukštu slėgiu priklauso nuo griežtos lydalo kontrolės, štampavimo ir įpurškimo kintamieji.

Toliau pateikiami inžinerinio lygio praktiniai diapazonai ir kiekvieno parametro loginis pagrindas (naudoti juos kaip parduotuvės bandymų pradžios tašką; galutiniai nustatymai turi būti patvirtinti jūsų lydiniui, štampas ir geometrija).

Metalo paruošimas

Įprastų Al-Si lydinių lydymosi temperatūra paprastai yra tarp 660°C ir 720 °C.

Aukštesnė temperatūra pagerina sklandumą ir padeda užpildyti plonas dalis, tačiau padidina litavimą ir tarpmetalinį augimą; žemesnė temperatūra sumažina susitraukimą, tačiau kyla šaltų ratų rizika.

Krosnies nustatytos vertės dažnai yra laikomos 690–720°C stabilizuoti chemiją ir sumažinti šiluminius svyravimus.

Ištirpęs vandenilis turi būti kontroliuojamas – tiksliniai sukamuoju degazuotu lygiu ≤0,12 ml H2 /100 g Al (mažesnis slėgiui atsparioms arba nuovargiui svarbioms dalims).

Geras nugriebimas ir srautas sumažina apnašų kiekį (pramonės tikslus <0.3% pagal svorį).

Termokontrolė

Išankstinė štampo temperatūra paprastai yra 150–250 ° C. langas automobilių liejiniams.

Temperatūros vienodumas yra labai svarbus – stenkitės, kad šiluminiai gradientai būtų maži (pavyzdžiui, ≤30°C per kritines ertmes) kad išvengtumėte vietinių karštų taškų, susitraukimas arba deformacija.

Purškimo ir aušinimo ciklo laikas (purškimo įjungimas / išjungimas ir aušinimo skysčio srautas) yra sureguliuoti, kad išlaikytų tą pusiausvyrą; purškimo laikas dažnai yra 1– 3,5 s diapazonas per ciklą, priklausomai nuo dalies masės.

Įpurškimo ir šūvio profilis

Šiuolaikinis HPDC naudoja dviejų pakopų šūvio profilį: lėtas pradinis užpildymas, kad būtų išvengta turbulencijos, po to didelio greičio antrasis užpildymas užbaigiamas prieš prasidedant užšalimui.

Tipiški lėto etapo greičiai yra 0.1–0,3 m/s, pereinant prie antrosios pakopos greičių nuo 1.5 iki 4.5 m/s daugumai automobilių plonasienių dalių – labai plonose dalyse galima matyti didžiausią greitį iki maždaug 6 m/s.

Perjungimo taškas paprastai nustatomas ties 40-70% ertmės užpildymas; šio taško optimizavimas sumažina blykstės ir trumpų kadrų skaičių.

Intensyvinimas (arba laikantis) slėgis, skirtas metalui konsoliduoti į miglotą zoną 70–160 MPA, su didesnėmis vertėmis (artėja 200 MPA) naudojami konstrukcijoms, slėgiui atsparūs arba plonasieniai liejiniai.

Vakuuminis ir oro valdymas

Vakuuminė pagalba plačiai naudojama automobilių konstrukcijų liejiniams.

Tipiški pasiekiami ertmės slėgiai yra ≤50 mbar, ir dažnai naudojami svarbūs hidrauliniai arba sandarūs komponentai <10 mbar pildymo metu.

Veiksmingam vakuumo laikui reikia evakuoti prieš pat užpildymą ir palaikyti vakuumą pradinio sukietėjimo metu; Vakuuminio HPDC užpildymo laikas yra greitas (sekundės dalis) todėl vakuuminės sistemos turi būti pajėgios greitai suktis.

Kietėjimas, suspaudimas ir ciklo laikas

Kietėjimo / aušinimo laikas skiriasi priklausomai nuo liejimo masės; mažos plonos dalys gali atvėsti 3– 6 s, o sunkesniems korpusams reikia 8–12 s ar daugiau.

Suspaudimo arba fiksavimo jėgos skalėje su projektuojamu plotu – automobiliniai presai svyruoja nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių tonų, priklausomai nuo dalies dydžio.

Tipiški automobilių HPDC paleidimo ciklo laikai ~15–60 s apskritai (užpildyti, kietėti, atidaryti, išstumti), su plonasienėmis, mažos dalys greito pabaigoje.

6. Dizainas liejimui (DFM taisyklės automobilių dalims)

Dizainas lemia produktyvumą ir kainą. Pagrindinės taisyklės:

Sienos storis

• Tikslas vienodas sienos storis. Tipiškas praktinis minimalus 1–1,5 mm; 1.5–3 mm yra įprasta. Venkite staigių pokyčių; Naudokite laipsniškus perėjimus.

Šonkauliai

• Šonkauliai padidina standumą – išlaiko briaunos storį ≈ 0.4–0,6 × vardinis sienelės storis ir venkite, kad briaunelės būtų storesnės už sieną. Norėdami sumažinti streso koncentraciją, naudokite filė.

Bosai

• Laikykite viršininkus paremtus šonkauliais, venkite sunkių viršininkų, kurie sukelia karštas vietas; tipinė iškyšos sienelė ≈ 1,5–2 × vardinis sienelės storis, tačiau esant mažiems vidiniams iškyšams reikia pagrindo atramos.

Juodraštis & Ištempimas

• Pateikite juodraštį: 0.5°–2° priklausomai nuo bruožo gylio ir tekstūros. Daugiau grimzlės tekstūruotiems paviršiams.

Filė & spinduliai

• Venkite aštrių kampų; pateikti filė (min 1.0–3,0 mm priklausomai nuo mastelio) sumažinti streso koncentraciją ir karštą ašarojimą.

Vartai & persipildo

• Suprojektuokite vartus ir perpildymus, kad būtų skatinamas kryptingas kietėjimas. Uždėkite vartus, kad padėtų storoms vietoms, ir suraskite ventiliacijos angas, kad išvengtumėte oro įstrigimo.

Susitraukti & apdirbimo pašalpos

• Paprastai linijiniai susitraukimo leidimai 1.2–1,8 proc.; nurodyti apdirbimo priedus 0.5–2,0 mm priklausomai nuo funkcijos ir apdailos reikalavimų.

Tolerancija & kritinės savybės

• As-cast tolerancijos paprastai ±0,2–1,0 mm; kritinės guolių angos arba sandarinimo paviršiai dažniausiai apdirbami po liejimo.

7. Įprastos automobilių dalys & funkciniai pavyzdžiai

• Užkrato pernešimas / pavarų dėžės korpusai ir dangčiai - sudėtingi vidiniai viršininkai, montavimo vietos; dažnai vakuuminis HPDC sandarumui užtikrinti.
• Variklio komponentai (viršeliai, alyvos siurbliai) - plonos sienos, integruoti viršininkai; reikalauja gero paviršiaus apdailos.
• E-variklio korpusai / statoriaus korpusai — veikia kaip konstrukcinis elementas ir šilumos šalintuvas; dažnai A360/A356 variantai ir T6 po apdorojimo tirpalu, kad atitiktų mechaninius/šiluminius reikalavimus.
• Pakabos laikikliai, Vairavimas (kai kuriose programose) - reikalauja didelio vientisumo; kartais liejamas tada termiškai apdorojamas / apdirbami arba pakeičiami suklastotais komponentais, atsižvelgiant į nuovargio poreikius.
• Stabdžių apkabų korpusai (tam tikri dizainai) — reikalauja aukšto slėgio sandarumo ir nuovargio veikimo; procesai gali sujungti HPDC su HIP arba išspausti.
• Galios elektronikos korpusai / inverterių korpusai - reikalauja puikių savybių, geras šilumos laidumas ir EMI ekranavimas.

Bylos pastaba: EV variklių korpusuose dažnai sujungiami ploni aušinimo briaunelės, stori viršeliai guoliams, ir reikalauja tikslaus angų apvalumo – projekte turi būti atsižvelgiama į skirtingą sukietėjimą ir apdirbimo sekas.

8. Mikrostruktūra, Mechaninės savybės & Post apdorojimas

Aliuminis Liejamos detalės pasižymi glaudžia tarpusavio sąveika (a) Lieta mikrostruktūra, pagaminta greitai užpildant ir aušinant, (b) lydinio chemija, (c) su procesu susiję defektai (pirmiausia poringumas), ir (d) pasirinktas papildomo apdorojimo būdas (terminis apdorojimas, Hip, apdirbimas, paviršiaus procedūros).

Tipiška liejimo mikrostruktūra – ko tikėtis

• Atšalusi oda / smulki mikrostruktūra štampavimo paviršiuje. Greitas sukietėjimas štampo sąsajoje sukuria baudą, plonas "šaldymo" sluoksnis (labai smulkūs dendritai, rafinuota eutektika) kuris paprastai turi didesnį kietumą ir turi gerą paviršiaus stiprumą bei atsparumą dilimui.
• Nuo tarpinės stulpelio iki lygiagrečios zonos. Po šalčio sluoksniu struktūra pereina į stambesnius lygiagrečius grūdelius ir pirminius aliuminio dendritus su interdendritine eutektika (Al - taip) ir intermetaliniai elementai.
• Intermetalinės fazės. Fe turtingas (Al-Fe-Si) trombocitai / adatos ir Cu- arba Mg turinčios nuosėdos susidaro priklausomai nuo chemijos; šios fazės paprastai yra trapios ir kontroliuoja plastiškumą, lūžio pradžia ir apdirbamumas.
• Silicio morfologija. Al-Si lydiniuose, silicis pasirodo kaip eutektinė fazė; jo morfologija (akytas/trombocitas vs. modifikuotas pluoštinis) stipriai veikia plastiškumą.
  Sr modifikacija ir kontroliuojamas aušinimas sukuria smulkesnę, labiau suapvalintas silicis, kuris pagerina tvirtumą ir pailgėjimą.
• Dendrito rankų atstumas (SDAS). Greitesnis aušinimas → smulkesnis SDAS → didesnis stiprumas / lankstumas.
  Plonos sekcijos kietėja greičiau, todėl paprastai pasižymi geresnėmis mechaninėmis savybėmis nei storos įvorės ar juostos.

Tipiškos mechaninės savybės

Toliau pateiktos vertės yra reprezentatyvūs inžinerijos tikslai; tikrieji skaičiai priklauso nuo poringumo, SDAS, terminio apdorojimo ir bandymo kupono vieta, palyginti su liejimu.

• A380 (tipiškas HPDC lydinys)

• • As-cast UTS: ~200–320 MPa
  • Pailgėjimas: ~1–6 %
  • Brinelio kietumas (Hb): ~70–95

• A356 / A360 (Al-Si-Mg šeima, dažnai naudojamas, kai reikalingas didesnis plastiškumas/senėjimas)

• • As-cast UTS: ~180–300 MPa
  • T6 (Sprendimas + dirbtinis amžius) UTS: ~250–360 MPa (bendras inžinerinis diapazonas ~260–320 MPa)
  • Derliaus stiprumas (T6): ~200–260 MPa
  • Pailgėjimas (T6): ~4–10 proc. priklausomai nuo poringumo
  • Kietumas (Hb, T6): ~85–120

• A413 / didelio Si kiekio variantai — panašios UTS juostos kaip A356 kaip liejimas; sukurtas storesnėms sekcijoms ir šiluminiam stabilumui.

Svarbus įspėjimas: poringumas (dujos + susitraukimas) yra dominuojantis modifikatorius.

Pavyzdžiui, net nedidelis vidutinio poringumo padidėjimas (0.5 → 1.0 tūrio %) gali sumažinti tariamą tempimą ir, ypač, žymiai sumažina nuovargio jėgą – tipiškas nuovargio stiprumo sumažėjimas 20–50% yra dažni, atsižvelgiant į porų dydį / padėtį ir bandymo sąlygas.

Po apdorojimo maršrutai ir jų poveikis

Tirpalo šilumos apdorojimas & dirbtinis senėjimas (T6)

• Kas juo naudojasi: pirmiausia Al-Si-Mg lydiniai (A356/A360) padidinti stiprumą ir lankstumą.
• Tipiškas ciklas (inžinerinės gairės): išspręsti ~520–540°C (≈ 6–8 val) priklausomai nuo liejimo sekcijos dydžio, greitai gesinti (vanduo), Tada amžius 155–175°C 4–8 val (Laikas / temperatūra optimizuota kiekvienam lydiniui).
• Efektas: padidina UTS ir derlių, pagerina lankstumą, bet pabrėžia bet kokio likusio poringumo mechanines pasekmes (Y., Po T6 poros tampa labiau žalingos, nes matricos stiprumas yra didesnis).
• Dizaino reikšmė: mažas poringumas turi būti pasiektas prieš T6, jei nuovargis yra kritinis.

Karštas izostatinis presavimas (Hip / tankinimas)

• Tikslas: uždaryti vidinį susitraukimo poringumą ir mikroertmes, kad būtų atkurtas beveik visas tankis ir pagerėtų nuovargio tarnavimo laikas bei kietumas.
• Tipiškas inžinerinis HIP langas, skirtas Al lydiniams:~450–540°C at ~ 100–200 MPa 1-4 valandas (pasirinktas procesas ir ciklas, kad būtų išvengta per didelio senėjimo ar žalingo mikrostruktūros šiurkštėjimo).
• Efektas: gali žymiai padidinti lankstumą ir nuovargį; naudojami pasirinktinai, kai išlaidos pateisinamos (Pvz., saugai svarbių arba aviacijos ir kosmoso automobilių komponentų).

Suspausti / vidinis spaudimas

• Efektas: kietėjimo metu taiko statinį slėgį, kad sumažintų susitraukimo poringumą, vietinio tankio gerinimas storuose regionuose be HIP.

Nušauti peening / paviršiaus mechaninis apdorojimas

• Efektas: sukelia liekamąjį gniuždymo įtempį šalia paviršiaus ir pagerina atsparumą didelio ciklo nuovargiui; dažniausiai naudojamas ant kritinių filė, varžtų skyles arba apdirbtus paviršius.

Dangos & paviršiaus apdaila

• Anodavimas, e-paltai, dažai apsaugo nuo korozijos ir gali užmaskuoti mažas paviršiaus poras, bet neatstatyti struktūrinio poringumo. Anodinių plėvelių sandarinimas pagerina atsparumą korozijai agresyvioje aplinkoje.

Atkaitina stresą

• Lengvas streso mažinimas (Pvz., senėjimas žemoje temperatūroje arba streso mažinimas esant ~200–300°C) gali sumažinti liekamuosius liejimo įtempius dėl šiluminių gradientų, pagerinti matmenų stabilumą ir sumažinti SCC riziką jautriuose lydiniuose.

9. Bendri trūkumai, Pagrindinės priežastys & Gynimo priemonės

10. Ekonomika & programos svarstymai

• Įrankių kaina: štampavimo kaina svyruoja nuo nuo dešimčių iki šimtų tūkstančių USD priklausomai nuo sudėtingumo ir įdėklų. Pristatymo laikas nuo savaičių iki mėnesių.
• Dalies išlaidų vairuotojai: lydinio kaina, ciklo laikas, laužo norma, apdirbimas, apdaila ir bandymai.
• Neatlygintinas tūris: didelės įrankių kainos reiškia, kad liejimas slėginiu būdu yra ekonomiškas nuo tūkstančių iki daugelio dešimčių/šimtų tūkstančių dalių – priklauso nuo dalių masės ir apdirbimo poreikių.
• Tiekimo grandinės svarstymai: saugus žaliavinio lydinio tiekimas; terminio apdorojimo ir apdirbimo pajėgumai; NDT galimybė; štampų peržiūrų rizika. Projektavimas, kad būtų galima naudoti ir gaminti ankstyvą.

11. Tvarumas & perdirbimas

• Aliuminio perdirbamumas: aliuminio laužas yra labai gerai perdirbamas; perdirbtas aliuminis (antrinis) apytiksliai naudoja ~5% energijos reikalingas pirminiam lydymui (ilgametė inžinerinė sąmata).
  Perdirbto turinio naudojimas žymiai sumažina įkūnytą energiją.
• Medžiagos efektyvumas: Beveik tinklinės formos liejimas sumažina apdirbimo atliekas, palyginti su ruošinių apdirbimu.
• Proceso energija: lydymas reikalauja daug energijos; efektyvi lydymosi praktika, atliekinės šilumos atgavimas ir didesnis perdirbto kiekis padeda sumažinti pėdsaką.
• Gyvenimo pabaiga: Lietos dalys yra perdirbamos; laužo atskyrimas (švarus Al vs padengtas) padeda perdirbti.
• Lengva gyvavimo ciklo nauda: transporto priemonių svorio taupymas sumažina degalų / energijos suvartojimą per visą gyvavimo ciklą; kiekybiškai įvertinkite su LCA programos sprendimams.

12. Aliuminio liejimas vs. Alternatyvios automobilių medžiagos

13. Išvada

Automobilių aliuminio liejimas yra transformuojanti technologija, leidžianti lengvinti, elektrifikavimas, ir pasaulinės automobilių pramonės tvarumo tikslai.

Jo unikalus didelio tūrio efektyvumo derinys, dalių integracija, ir dėl kaštų konkurencingumo jis yra nepakeičiamas jėgos agregatams, struktūrinis, ir EV specifiniai komponentai.

Spartėjant EV pritaikymui ir didėjant mastams, aliuminio liejimas išliks automobilių inovacijų – vairavimo lengvesnio – kertiniu akmeniu, efektyvesnis, ir tvarios transporto priemonės ateinančius dešimtmečius.

 

DUK

Koks lydinys geriausiai tinka EV variklio korpusui?

Dažni pasirinkimai yra A356/A360 (Al-Si-Mg) kai reikia T6 stiprumo ir šiluminių savybių; A380 naudojamas mažesnio įtempimo korpusams.

Galutinis pasirinkimas priklauso nuo poringumo tolerancijos, terminio apdorojimo galimybės ir apdirbimo reikalavimai.

Kokios plonos sienos gali būti liejamos?

Tipiškas praktinis minimumas yra ~1,0–1,5 mm; pasiekiamas iki ~1 mm naudojant optimizuotus įrankius ir procesą, tačiau tikimasi griežtesnės kontrolės.

Ar vakuuminis HPDC pašalina poringumą?

Tai žymiai sumažina dujų poringumas ir pagerina sandarumą slėgiui, tačiau visiškai nepanaikina susitraukimo poringumo; suspausti, Norint pasiekti beveik visą tankį, gali prireikti HIP arba patobulintų vartų.

Kiek laiko trunka mirtis?

Mirties gyvenimas labai įvairus –nuo tūkstančių iki kelių šimtų tūkstančių šūvių- priklausomai nuo lydinio, štampuoti plieną, dangos, aušinimas ir priežiūra.

Ar liejimas slėginiu būdu yra tvarus?

Taip, ypač kai naudojamas didelis perdirbto aliuminio kiekis ir beveik tinklinė forma sumažina apdirbimo atliekas.

Tačiau lydymas ir štampų gamyba sunaudoja energiją; Proceso optimizavimas yra būtinas siekiant geriausio gyvavimo ciklo veikimo.