Introducción
La tecnología de fundición a presión-integrada ofrece ventajas como una alta eficiencia de producción y bajos costos de fabricación. Actualmente en una fase de rápido desarrollo, tiene potencial para producir múltiples componentes grandes, simplificar las estructuras de la carrocería y revolucionar los procesos de fabricación de la carrocería [1]. El piso trasero integrado de fundición-consolida más de 70 piezas originales en un solo componente, lo que reduce significativamente el peso del vehículo y mejora la eficiencia de producción. Los moldes, el proceso, las máquinas-de fundición a presión y los materiales sin-tratamiento térmico-constituyen las cuatro tecnologías centrales de la fundición-a presión integrada [2-3]. Las máquinas de fundición a presión-se refieren específicamente a máquinas-de gran escala con fuerzas de sujeción superiores a 60 000 kN [4]. Los materiales-libres de tratamiento térmico-que se utilizan principalmente en la actualidad son aleaciones de aluminio fundido de alta-resistencia y alta-tenacidad [5], conocidas por su alta resistencia específica, excelente capacidad de fundición, costo moderado y estatus como material principal para los componentes automotrices de fundición a presión integrados actuales [6-7].
Las grandes fundiciones nacionales-de aluminio se enfrentan al desafío de reducir las tasas de rendimiento con una complejidad de integración cada vez mayor. Los factores clave que afectan las tasas de calificación incluyen:
1. Calidad inestable en puntos de soporte de carga-críticos: las superficies de instalación de torres de amortiguadores, subchasis y pilares C-exigen altas propiedades mecánicas. Estas áreas a menudo son difíciles de tomar muestras, no deben contener poros internos que excedan los estándares y deben estar libres de cierres fríos en el exterior. En particular, la superficie de instalación del pilar C-cerca del borde de la timonera es propensa a cerrarse en frío.
2. Dimensiones inestables en superficies de contacto críticas: Las superficies de instalación de paneles laterales de paredes delgadas-en el borde de fundición son susceptibles a deformarse hacia adentro o hacia afuera, o incluso a torcerse (de adelante hacia afuera, de atrás hacia afuera). Esto compromete la estabilidad después del acoplamiento con las piezas homólogas y puede provocar una desalineación de los orificios preformados, lo que provoca fallos en el mecanizado [8-15].
Este estudio emplea simulación para predecir defectos en un componente integrado del piso trasero de fundición-y optimiza el sistema de compuertas y desbordamiento para mejorar la calidad interna, con el objetivo de proporcionar una referencia para diseñar piezas fundidas de gran tamaño similares.
1 Características estructurales y requisitos técnicos
La fundición del piso trasero constituye la sección del piso detrás del compartimiento de pasajeros, integrando componentes como pasos de rueda traseros izquierdo/derecho, vigas longitudinales traseras, vigas transversales, placas de conexión del piso y refuerzos de las vigas interiores. La pieza fundida tiene unas dimensiones totales de 1.630 mm × 1.624 mm × 666 mm, una masa de 63 kg, un espesor de pared promedio de 3 mm y un área proyectada de 23.000 cm². Debido a su gran tamaño, paredes delgadas y los importantes requisitos de espacio, largos tiempos de ciclo y riesgos de distorsión asociados con el tratamiento térmico, se requiere una aleación de aluminio-sin tratamiento térmico-.
El proceso SPR (remachado autoperforante) es adecuado para unir en frío materiales diferentes de acero-aluminio [8]. En consecuencia, los extremos delantero y trasero de la pieza fundida se conectan al conjunto de piso delantero y trasero, respectivamente, a través de SPR. Los puentes de mando izquierdo y derecho también se pueden conectar a los paneles laterales mediante SPR. Si bien estos cuatro bordes no son zonas de carga principal-del piso trasero, exigen un alto sellado e integridad de conexión, lo que corresponde a los requisitos de planitud y alta resistencia-del material.
Requisitos de apariencia: Libre de defectos como cierres en frío, grietas y astillas.
Requisitos de rendimiento del material (pre-horneado):
Ubicaciones de SPR (muestreo corporal): resistencia a la tracción mayor o igual a 215 MPa, límite elástico mayor o igual a 115 MPa, alargamiento mayor o igual al 12%, ángulo de flexión mayor o igual a 20 grados.
Mitad trasera de la timonera (ligeramente inferior): Resistencia a la tracción mayor o igual a 215 MPa, límite elástico mayor o igual a 110 MPa, alargamiento mayor o igual al 6%, ángulo de curvatura mayor o igual a 20 grados.
Otras Áreas: Requisito de elongación entre 6% y 12%.
Teniendo en cuenta la falta de homogeneidad inherente de las propiedades mecánicas en las muestras de cuerpos fundidos-, lograr propiedades mecánicas específicas en todas partes dentro de las áreas designadas es un desafío. Por lo tanto, se requieren pruebas de banco para verificar el rendimiento de carga clave-de las torres amortiguadoras y las vigas longitudinales [9]. Las pruebas de banco suelen incluir pruebas de durabilidad y aplastamiento:
Pruebas de durabilidad y aplastamiento en dirección Z-: simula la carga del amortiguador trasero. La carga media del ensayo de durabilidad es de 11,5 kN. Bajo aplastamiento en dirección Z-, la carga de la primera-etapa de 38 kN requiere una deformación del punto de carga menor o igual a 3 mm; La carga de segunda-etapa de 74 kN no requiere grietas en el punto de carga.
Prueba de aplastamiento en dirección X-: simula la carga de una viga longitudinal. Bajo una fuerza de carga unilateral mayor o igual a 206 kN, no deben ocurrir grietas ni deformaciones menores o iguales a 3 mm en el punto de carga.
2 Diseño del proceso de fundición a presión-
2.1 Diseño del sistema de compuerta
El suelo trasero desarrollado tiene en su extremo frontal una ventana de conexión de placa de cubierta frontal. Sin embargo, su alta relación de aspecto (3,14) y su ubicación en los bordes hacen que la puerta central no sea adecuada. Se adoptó un enfoque de entrada de un solo-lado, típico de las piezas de fundición a presión-convencionales. Según los resultados del análisis de flujo de Magma, se optimizaron secuencialmente tres diseños de canales (S1, S2, S3):
Los diseños S1 y S2 utilizaron una máquina de fundición a presión de 70 000 kN.
El diseño S3 utilizó una máquina de fundición a presión-de 120 000 kN, incorporó optimizaciones estructurales menores al cuerpo de fundición y aumentó el diámetro del émbolo, el número de entradas y el área de entrada.
2.2 Análisis de simulación de llenado y solidificación
El software Magma simuló el proceso de fundición-del piso trasero. El material del molde era acero para herramientas H13; El material de fundición era una aleación de aluminio C611 de alta-resistencia y alta-resistencia [1]. Conjunto de parámetros: temperatura de fusión 680 grados, temperatura del émbolo 200 grados, temperatura de la manga de disparo 250 grados, temperatura del molde 180 grados. Los parámetros de inyección variaron según el esquema.
Resultados del análisis del esquema S1:
Al final-del-llenado, la posición del borde de la timonera tenía la temperatura más baja (~618,6 grados) y se solidificó primero (fracción sólida ~1%). La fundición real requiere una temperatura de fusión más alta y un monitoreo enfocado de la temperatura de la superficie del molde en esta región. Debido a las variaciones de temperatura del molde, existe riesgo de cierre en frío en el borde de la timonera de la sección media-.
Cuando la masa fundida alcanzó la mitad trasera de la cavidad, el área de flujo restringido provocó velocidades de llenado de hasta 60 m/s. En el centro del travesaño final convergían dos corrientes de material fundido. La alta velocidad provocaba remolinos en la masa fundida, lo que creaba un alto riesgo de cierres en frío y grietas, lo que reducía las propiedades mecánicas.
Una diferencia de escalón significativa y una pared más gruesa cerca de la entrada de la viga longitudinal trasera provocaron grandes bolsas de aire aisladas en ambos lados. Los agujeros maquinados en esta zona hacen que los defectos de porosidad sean perjudiciales para el rendimiento.
Después de que la masa fundida entró en la viga del alféizar, la presión de fundición aumentó constantemente hasta 30 MPa. Según la superficie proyectada del cuerpo de fundición (18.136 cm²), esto requirió una fuerza de sujeción de 69.000 kN. Considerando un factor de seguridad de 1,2 e incluyendo el sistema de compuerta (área proyectada estimada ~25 000 cm²), la fuerza de sujeción requerida alcanzó los 90 000 kN, superando la capacidad de la máquina de 70 000 kN.
Resultados del análisis del esquema S2:
Agregar un corredor directamente enfrente de la timonera redujo el tiempo de llenado de la timonera a 51 ms (frente a . 59 ms para S1). El tiempo de llenado total fue de 86 ms.
Las turbulencias en ambas timones fueron más pronunciadas. El contenido de gas era mayor en el punto de confluencia del material fundido en la viga transversal al final-del-relleno, lo que genera altos riesgos de porosidad, grietas y defectos de contracción [7].
El problema del flujo de frío en la zona de la timonera no se resolvió de forma efectiva.
Resultados del análisis del esquema S3:
Para optimizar el corredor en base a esquemas anteriores, se agregaron pozos de desbordamiento en el centro del borde de la timonera y en el centro del travesaño final. Se aumentó el área de entrada (lo que requiere una mayor fuerza de inyección para mantener la velocidad). La fuerza de sujeción de la máquina se aumentó a 120.000 kN.
La temperatura del borde de la timonera era inferior a S1/S2 pero cercana a la temperatura del líquido. Melt llegó a las puertas de entrada a 305 ms (el cronometraje comenzó desde el llenado de galletas), con una velocidad máxima de 60 m/s. La cavidad se llenó completamente a los 390 ms, tardando 85 ms. La presión de fundición fue de 40 MPa.
Según el área proyectada del sistema de compuerta S3 (25.813 cm²), la presión máxima de fundición que la máquina de 120.000 kN podía proporcionar era de 46,5 MPa, cumpliendo con el requisito.
Los pozos de desbordamiento agregados junto a la timonera mejoraron el atrapamiento de aire en comparación con el S2. La proximidad a la entrada también redujo el riesgo de porosidad.
Se seleccionó el esquema S3 para la fabricación de moldes.
3 métodos de prueba y resultados
3.1 Parámetros de fundición a presión y métodos de prueba
La producción utilizó una máquina de fundición a presión-Lijin de 120.000 kN. La aleación era un material libre de -tratamiento térmico-C611 (la composición química cumplía con las especificaciones). En comparación con los materiales estructurales tradicionales de AlSi10MnMg, las aleaciones sin-tratamiento térmico-ofrecen una mejor tenacidad-de fundición, lo que resulta beneficioso para el remachado. La temperatura de fusión fue de 680 grados. El vacío del molde fijo y dinámico fue de 10 kPa.
Flujo del proceso: Pulverización → Soplado → Cierre del molde → Vertido → Evacuación al vacío → Inyección → Exprimido local → Enfriamiento directo/enfriamiento puntual → Apertura del molde → Extracción del robot → Verificación de integridad → Enfriamiento con agua → Recorte y enderezamiento → Marcado → Manipulación del robot → Fundición fuera de línea → Desbarbado manual → Verificación de apariencia y dimensiones → Transferir al siguiente proceso.
La inspección de calidad interna utilizó una máquina de inspección por rayos X de 9-ejes Maice FSC-de servicio pesado. Primero se cortaron muestras de tracción del cuerpo de fundición como pequeños espacios en blanco (80-100 mm de largo, 15-30 mm de ancho), luego se mecanizaron en muestras de tracción estándar con una longitud de calibre de 25 mm.
3.2 Inspección de calidad interna
Los resultados de la inspección por rayos X-no mostraron defectos de porosidad significativos en las áreas de entrada, la viga transversal trasera o las timoneras laterales de la fundición del piso trasero. La calidad interna cumplió con los estándares ASTM E505 Nivel 2. Debido a las paredes más gruesas, los jefes de los orificios de mecanizado eran propensos a la porosidad, lo que requería controles adicionales para detectar poros expuestos y cumplir con los estándares de apariencia. Las pruebas de retención de carga para insertos roscados o tornillos autorroscantes se realizaron utilizando una máquina de prueba de tracción CMT5305.
3.3 Propiedades mecánicas de tracción a partir del muestreo del cuerpo
Se probaron las propiedades mecánicas en 39 lugares del cuerpo de fundición. Los puntos de muestreo se distribuyeron simétricamente (L: lado izquierdo del cuerpo, R: lado derecho del cuerpo), cubriendo áreas clave:
Posiciones 1-10: Borde de la caseta del timón (borde de remachado lateral).
Posiciones 11-20: sección central de la timonera.
Posiciones 21-23: Área de entrada (borde de remachado del conjunto del piso trasero).
Posiciones 31-34: Borde de conexión de la placa de cubierta frontal.
Posiciones 35-37: Borde de remachado del piso delantero al final-del relleno.
Resultados:
La resistencia a la tracción (TS) y el límite elástico (YS) fueron relativamente estables en todas las ubicaciones. El TS promedio fue de 237 MPa; El YS promedio fue de 118,9 MPa.
El alargamiento varió significativamente según la ubicación, con un promedio de sólo el 6,5%, con algunos puntos por debajo del 6%. El valor de alargamiento promedio está influenciado por la ubicación y la cantidad del muestreo y sirve solo como referencia [9]. En comparación, otro piso trasero que utilizó el mismo material logró un alargamiento promedio del 9%.
Según los requisitos de desarrollo iniciales del cliente, las propiedades de la carrocería (especialmente el alargamiento en algunos lugares) no se pudieron cumplir por completo. Por lo tanto, los resultados de las muestras corporales por sí solos no pueden ser el único criterio para la calificación del producto. El rendimiento general debe juzgarse en función de los resultados de las pruebas en banco y de la validación completa del vehículo.
4 Conclusión
(1) Se utilizó el software Magma para diseñar y optimizar el sistema de compuertas para la fundición del piso trasero de aleación de aluminio C611. La simulación reveló que las variaciones significativas del espesor de la pared en las regiones escalonadas, combinadas con la baja temperatura de fusión que fluye a través de estas áreas, crean riesgos de atrapamiento de aire, cierres fríos y grietas. El análisis de la presión de llenado en la región del extremo del travesaño indicó que se necesita una máquina de fundición a presión-con una fuerza de sujeción superior a 90.000 kN para formar completamente el piso trasero.
(2) La selección de una máquina de fundición a presión-de 120 000 kN para la producción, junto con una optimización basada en simulación-, eliminó eficazmente la porosidad y los defectos de porosidad por contracción. Sin embargo, las grietas propensas a ocurrir en zonas de transición estructural y áreas con variaciones significativas en el espesor de la pared afectaron las propiedades mecánicas. El límite elástico, la resistencia a la tracción y el alargamiento promedio de las muestras cortadas del cuerpo de fundición del piso trasero C611 fueron 118,9 MPa, 237 MPa y 6,5% respectivamente, cumpliendo esencialmente con los principales objetivos de diseño (TS mayor o igual a 215 MPa, YS mayor o igual a 115 MPa, alargamiento mayor o igual al 6%).
(3) En comparación con los procesos de formado tradicionales como remachado y estampado, el piso trasero fundido-integrado logró una reducción de peso superior al 10%. La adopción futura de máquinas de fundición a presión-de 200.000 kN es prometedora para lograr una fabricación de ciclos cortos-, bajo-coste y alta-resistencia/alta-resistencia de piezas fundidas integradas de carrocerías de automóviles.
