دانش

فرآیند ریخته‌گری تحت فشار پوشش انتهایی محفظه موتور آلیاژ آلومینیوم توسعه داده شد. در مراحل اولیه، راهگاه به طور معقولی مطابق با ساختار محصول چیده شد و تجزیه و تحلیل پر شدن و انجماد سیستم راهگاهی با استفاده از نرم‌افزار شبیه‌سازی عددی انجام شد. در طول فرآیند تولید واقعی، مشخص شد که حذف حفره‌های گازی در ریخته‌گری‌ها دشوار است. با توجه به ساختار محصول، راه‌حل‌های مختلفی برای نواحی مختلف اتخاذ شد. برای حفره‌های گازی در ناحیه دیواره نازک در انتهای محصول که امکان چیدمان دیگ سرباره وجود نداشت، از درج اگزوز و افزایش ضخامت دیواره برای بهبود سیالیت مایع آلومینیوم استفاده شد. برای حفره‌های گازی متراکم در ناحیه دیواره ضخیم در انتهای سیستم راهگاهی، خنک‌سازی تقویت شد تا انجماد موضعی تسریع شود و ضخامت لایه متراکم روی سطح محصول افزایش یابد. برای حفره‌های گاز در ناحیه دیواره ضخیم در دریچه تغذیه، سیستم راهگاهی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و تغذیه به صورت موضعی تقویت شد و غیره. نتایج تولید آزمایشی نشان می‌دهد که حفره‌های گاز کلی محصول با استفاده از طرح بهینه شده بهبود یافته و میزان ضایعات کاهش یافته است. کلمات کلیدی: پوشش انتهایی محفظه موتور؛ فرآیند ریخته‌گری تحت فشار؛ شبیه‌سازی عددی

 

پوشش انتهایی محفظه موتور، جزء مهمی در سیستم محرکه خودروهای انرژی نو است [1-3]. وظیفه اصلی آن پشتیبانی از روتور موتور و ثابت کردن استاتور موتور و در عین حال جلوگیری از ورود مواد خارجی مانند گرد و غبار و بخار آب به موتور است. بنابراین، الزامات خاصی برای استحکام ساختاری و هوابندی محصول وجود دارد. در عین حال، موقعیت سوراخ یاتاقان محصول پس از شکل‌دهی، درج‌های محلی را اتخاذ می‌کند و قالب باید موقعیت و فشار درج‌ها را در نظر بگیرد که این امر دشواری ساخت قالب و اشکال‌زدایی فرآیند تولید را افزایش می‌دهد. بنابراین، اطمینان از تولید پایدار قالب از طریق طراحی اولیه و بهبود فرآیند بعدی قالب بسیار مهم است.

 

 

۱. ساختار ریخته‌گری و الزامات توسعه

 

قسمت پوشش انتهایی محفظه موتور خودروی انرژی نو در شکل 1 نشان داده شده است. این قطعه دارای اندازه کانتور 397.98 میلی‌متر است. × ۶۰ میلی‌متر × ۲۸۶.۴۶ میلی‌متر، وزن ریخته‌گری تحت فشار ۵.۷۱ کیلوگرم، ضخامت دیواره متوسط ​​۸.۰۶ میلی‌متر و مساحت پیش‌بینی‌شده ۷۴۷۵۹ میلی‌متر مربع²جنس ریخته‌گری از آلیاژ آلومینیوم ADC12 است. ضخامت کلی دیواره ریخته‌گری نسبتاً ضخیم است، حداکثر ضخامت دیواره 33 میلی‌متر و حداقل ضخامت دیواره 4 میلی‌متر است و ضخامت دیواره ناهموار است. موقعیت محفظه یاتاقان محصول با درج‌های موضعی تنظیم شده است و جنس درج از فولاد 45# است که کوئنچ و تمپر شده و سختی (HRC) آن 24-30 است. تمام ابعاد خارجی محصول باید الزامات مونتاژ نقشه را برآورده کند. سطح اتصال موتور و سطح نصب صفحه پوشش جعبه سیم‌کشی محصول دارای الزامات آب‌بندی هستند. سوراخ یاتاقان و سوراخ نیم‌محور، روتور موتور را نصب می‌کنند و الزامات خاصی برای سوراخ‌های گاز در معرض پس از پردازش وجود دارد. علاوه بر این، نباید هیچ علامت سوختگی یا خراش آشکاری در گوشه‌ها وجود داشته باشد و محصول نباید هیچ گونه پلیسه یا پلیسه‌ای داشته باشد. این محصول نیاز به آزمایش هوابندی دارد و الزامات خاص هوابندی عبارتند از: فشار آزمایش 22 کیلوپاسکال و نشت مجاز کمتر از 5 میلی‌لیتر در دقیقه است.

 

 

2. توسعه و طراحی قالب

 

۲.۱ طراحی خط جدایش محصول

 

طبق تحلیل ساختار محصول، خط جدایش مناسب قالب‌های متحرک و ثابت انتخاب شد. علاوه بر این، سمت محصول در دو جهت قالب‌گیری می‌شود، بنابراین قالب باید با دو لغزنده‌ی کششی هسته برای جدایش طراحی شود. خط جدایش قالب‌های متحرک و ثابت و خط جدایش لغزنده‌ی محصول در شکل ۲ نشان داده شده است.

 

 

 

۲.۲ تحلیل ضخامت دیواره محصول

 

تحلیل ضخامت دیواره پوشش انتهایی محفظه موتور در شکل 3 نشان داده شده است. با توجه به ضخامت دیواره محصول، تحلیل در سمت قالب ثابت محصول انجام شد. سمت چپ دارای ناحیه کوچکی با ضخامت دیواره نسبتاً ضخیم است و نیمه سمت راست دارای ضخامت کلی دیواره نسبتاً ضخیم است (شکل 3a را ببینید). در تحلیل در سمت قالب متحرک محصول، قالب متحرک به طور کلی یک ساختار دنده‌ای است و دنده‌های دیواره ضخیم عمدتاً در سمت چپ قرار دارند (شکل 3b را ببینید). بنابراین، ضخامت دیواره محصول در هر دو طرف بسیار ناهموار است. برای اطمینان از اینکه در موقعیت ضخامت دیواره، مواد آلومینیومی کافی وجود دارد، طرح دروازه در موقعیت ضخامت دیواره باید تقویت شود.

 

 

۲.۳ طراحی سیستم راهگاهی

 

تمرکز طراحی سیستم راهگاهی، انتخاب راهگاه است. به طور کلی، موقعیت و شکل راهگاه باید با توجه به شکل، ساختار و الزامات دقت ریخته‌گری تعیین شود [4]. بر اساس تحلیل ساختاری محصول، محصول می‌تواند از سمت لغزنده 1 و سمت مقابل آن تغذیه شود. با این حال، با توجه به موقعیت‌های بحرانی محصول، به جز سطح جفت شدن موتور که تحت تأثیر کل محیط محصول قرار نمی‌گیرد، سوراخ‌های یاتاقان و سوراخ‌های نیم‌محور از کنار لغزنده ۱ دور هستند و سطح نصب صفحه پوشش جعبه اتصال در پشت لغزنده در سمت قالب متحرک قرار دارد و تحت تأثیر انسداد مواد لغزنده ۱ قرار می‌گیرد. بنابراین، دریچه در طرف مقابل لغزنده ۱ قرار می‌گیرد تا اطمینان حاصل شود که موقعیت تغذیه نزدیک به سوراخ‌های یاتاقان و سوراخ‌های نیم‌محور است و سطح نصب صفحه پوشش جعبه اتصال تحت تأثیر انسداد مواد لغزنده ۱ قرار نمی‌گیرد. طرح دریچه داخلی به شرح زیر است: ۴ دریچه داخلی در قسمت انتهایی ماشینکاری شده در طرف مقابل لغزنده ۱ قرار گرفته‌اند و ۱ دریچه داخلی در هر یک از موقعیت‌های ماشینکاری نشده در هر دو طرف قرار گرفته است تا پر شدن هر دو طرف افزایش یابد. همزمان، یک پل در وسط سوراخ دایره‌ای بیرونی محصول برای عبور مواد ایجاد می‌شود. طرح نهایی سیستم راهگاهی در شکل ۴ نشان داده شده است.

 

تحلیل شبیه‌سازی ماگما اتخاذ شد و شرایط اولیه برای تحلیل جریان قالب در جدول 1 نشان داده شده است. نمودار pQ برای تأیید منطقی بودن فرآیندهای مربوطه استفاده شد و تنظیمات فرآیند مربوطه همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، منطقی هستند.

 

فرآیند پر شدن کل محصول ریخته‌گری توسط شرکت ماگما شبیه‌سازی و تجزیه و تحلیل شد، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است. مشاهده می‌شود که وقتی مایع آلومینیوم به مدت 2.604 ثانیه پر می‌شود، مایع فلزی ابتدا از دو دریچه داخلی نزدیک راهگاه اصلی حفره را پر می‌کند (شکل 6a را ببینید)؛ وقتی به مدت 2.625 ثانیه پر می‌شود، تمام دریچه‌های داخلی شروع به پر شدن حفره می‌کنند (شکل 6b را ببینید)؛ وقتی به مدت 2.658 ثانیه پر می‌شود، کل ریخته‌گری پر می‌شود (شکل 6c را ببینید). در طول کل فرآیند پر شدن، زمان پر شدن مایع فلزی از طریق دریچه‌های داخلی 44 میلی‌ثانیه است و مایع فلزی در موقعیت دیواره ضخیم محصول ابتدا پر می‌شود، بدون هیچ کمبودی در پر شدن. سیستم راهگاهی الزامات پر شدن محصول را برآورده می‌کند.

 

توزیع کلی فشار گاز در قطعه ریخته‌گری در شکل 7 نشان داده شده است. نواحی با مقادیر فشار گاز بالاتر در محفظه سرباره و شیار سرریز سیستم راهگاهی و دنده‌های دیواره ضخیم محصول قرار دارند که نشان می‌دهد احتمال تخلخل در این موقعیت‌ها بیشتر است. فرآیند انجماد محصول در شکل 8 نشان داده شده است. مشاهده می‌شود که 3 ثانیه پس از تکمیل پر شدن، چند لبه جامد می‌شوند (شکل 8a را ببینید)؛ 12 ثانیه پس از تکمیل پر شدن، بیشتر آن جامد شده است (شکل 8b را ببینید)؛ موقعیت‌های انجماد آهسته، نواحی دیواره ضخیم محصول هستند.

 

با توجه به نتایج شبیه‌سازی، می‌توان مشاهده کرد که این سیستم راهگاهی اساساً می‌تواند به پر شدن ماده آلومینیومی در حفره دست یابد. در عین حال، فشار گاز عمدتاً در دیگ سرباره و برخی از دنده‌های محلی غیر ماشینکاری شده محصول متمرکز می‌شود. انتخاب این طرح راهگاهی و زهکشی از قبل تعیین شده است. علاوه بر این، به دلیل ضخامت کلی نسبتاً زیاد دیواره محصول و توزیع ناهموار ضخامت دیواره، خنک‌سازی غیر یکنواخت موضعی رخ می‌دهد که می‌تواند به عنوان مرجعی برای طراحی سیستم خنک‌کننده قالب مورد استفاده قرار گیرد.

 

۲.۴ طراحی انتقال آب قالب

 

آب خنک‌کننده در ناحیه دیواره ضخیم ریخته‌گری قرار داده می‌شود تا اثر خنک‌کنندگی ناحیه دیواره ضخیم تضمین شود و از بروز تخلخل انقباضی و حفره‌های انقباضی در این ناحیه جلوگیری شود. محیط محصول از انتقال مستقیم آب خنک‌کننده استفاده می‌کند و خنک‌کاری نقطه‌ای برای سایر موقعیت‌ها طراحی شده است. در عین حال، پین‌های خنک‌کننده نقطه‌ای برای پین‌های مغزی با قطر ϕ5 میلی‌متر یا بیشتر استفاده می‌شوند. سیستم خنک‌کننده نهایی در شکل 9 نشان داده شده است.

 

۳- فرآیند تولید آزمایشی ریخته‌گری تحت فشار و مشکلات آن

 

طبق تطابق طراحی قالب، از یک دستگاه ریخته‌گری دایکاست Idra با ظرفیت ۱۶۰۰۰ کیلونیوتن برای تولید استفاده شد. قطر پانچ ۱۲۰ میلی‌متر و کورس مؤثر تزریق ۶۲۰ میلی‌متر انتخاب شد. جرم مایع آلومینیومی که از دریچه داخلی عبور می‌کرد ۶.۱۵ کیلوگرم بود. موقعیت سرعت بالای تئوری روی ۳۸۰ میلی‌متر، سرعت ارتفاع پانچ تزریق ۴ متر بر ثانیه و موقعیت فشار بالا روی ۵۶۰ میلی‌متر تنظیم شد. این پارامترها به عنوان پارامترهای اساسی برای اشکال‌زدایی و تولید استفاده شدند. تجهیزات اطراف دستگاه، تجهیزات تولید کاملاً اتوماتیک بودند که می‌توانستند به طور مؤثر پایداری فرآیند تولید را تضمین کنند. در طول اشکال‌زدایی واقعی تولید، موقعیت سرعت بالا به طور مناسب تنظیم شد تا کیفیت محصول تأیید شود. در نهایت، هنگامی که موقعیت سرعت بالا ۴۲۰ میلی‌متر، سرعت سرعت بالا ۴.۲ متر بر ثانیه و موقعیت فشار بالا ۵۶۰ میلی‌متر بود، کیفیت محصول ایده‌آل بود. با این حال، از طریق تشخیص نقص با اشعه ایکس، مشخص شد که هنوز تخلخل ناپایدار در برخی از مناطق محلی وجود دارد. وضعیت تخلخل محصول در شکل 10 نشان داده شده است. استاندارد برای سوراخ‌های انقباض گاز داخلی در محصول: در موقعیت 1، ضخامت دیواره در انتهای ریخته‌گری کمتر از 9.5 میلی‌متر است؛ در موقعیت‌های 2 تا 4، ضخامت دیواره محلی از 9.5 میلی‌متر فراتر می‌رود و استاندارد محلی مطابق با استاندارد درجه 2 برای ضخامت دیواره آلیاژ آلومینیوم و سوراخ‌های گازی است. استاندارد ظاهر پس از پردازش: در موقعیت‌های 1 و 4، هیچ محدودیتی برای تعداد سوراخ‌های گاز غیر متصل کمتر از ϕ0.25 میلی‌متر و برای سوراخ‌های غیر متصل کمتر از ϕ2 میلی‌متر وجود ندارد.×با عمق ۲ میلی‌متر، بیش از ۲ عدد در هر ۱۰۰ میلی‌متر طول وجود ندارد؛ در موقعیت‌های ۲ و ۳، هیچ محدودیتی برای تعداد حفره‌های گازی غیرمتصل کمتر از ϕ۰.۲۵ میلی‌متر و برای حفره‌های غیرمتصل کمتر از ϕ۱ میلی‌متر وجود ندارد.×با عمق ۱ میلی‌متر، بیش از ۲ عدد در هر ۱۰۰ میلی‌متر طول وجود ندارد. می‌توان مشاهده کرد که استاندارد ظاهری پس از پردازش، سختگیرانه‌تر از استاندارد داخلی است. پس از تولید در این حالت و بازرسی پردازش CNC، مشخص شد که سوراخ‌های گازی شناسایی شده توسط اشعه ایکس پس از پردازش تا حدی نمایان شده‌اند (شکل ۱۱ را ببینید)، بنابراین بهبود بیشتری برای سوراخ‌های گازی محصول مورد نیاز است.

 

 

۴. بهبود مشکلات تولید آزمایشی

۴.۱ بهبود حفره‌های گاز روی دیواره جانبی حفره مربعی

 

ساختار موضعی سوراخ مربعی در شکل ۱۲ نشان داده شده است. سوراخ مربعی در محل دم آب سیستم ریخته‌گری و تزریق، در وسط محصول قرار دارد. ضخامت دیواره موضعی سوراخ مربعی ۲.۸ میلی‌متر است. به دلیل عدم امکان چیدمان بسته‌های سرباره در اطراف سوراخ مربعی، خروج گاز موضعی دشوار است. در عین حال، ضخامت دیواره محصول در مقایسه با کل محصول نسبتاً نازک است، بنابراین سیالیت موضعی ماده آلومینیومی نسبتاً ضعیف است و احتمالاً تجمع مواد سرد رخ می‌دهد. برای رفع مشکل اگزوز و کاهش تجمع مواد سرد، تجزیه و تحلیل شده است که استفاده از بسته‌های سرباره برای حذف اگزوز و سرباره مؤثرترین روش است. با توجه به محدودیت‌های ساختار محصول، افزودن مستقیم بسته‌های سرباره غیرممکن است، بنابراین یک راه‌حل جامع اتخاذ شده است. شکل ۱۳ اقدامات بهبود برای سوراخ‌های گاز روی دیواره جانبی سوراخ مربعی را نشان می‌دهد. اقدام ۱، انجام عملیات برش و درج روی دیواره جانبی است که در آن حفره‌های گاز پس از پردازش نمایان می‌شوند (شکل ۱۳a را ببینید)، با استفاده از سطح جدایش جفت‌شونده قالب برای تخلیه؛ اقدام ۲، ضخیم کردن ضخامت دیواره موضعی تا ۳.۸ میلی‌متر است (شکل ۱۳b را ببینید)، در نتیجه سیالیت پرکننده مایع آلومینیوم بهبود یافته و تجمع موضعی مواد سرد کاهش می‌یابد. پس از اجرای اقدامات جامع، مشخص شد که حفره‌های گاز موضعی به خوبی بهبود یافته و الزامات کیفیت محصول را برآورده کرده‌اند.

 

 

۴.۲ بهبود سوراخ‌های گاز روی سطح اتصال موتور

 

سوراخ‌های گاز در موقعیت‌های ۲ و ۳، همانطور که در شکل ۱۴ نشان داده شده است، روی یک سطح از محصول قرار دارند و در سمت انتهای آب سیستم ریخته‌گری و تزریق محصول قرار دارند که یک موقعیت دیواره نسبتاً ضخیم نیز هست. برای موقعیت‌های دیواره ضخیم محصول، انجماد موضعی عموماً کندتر است. هنگامی که موقعیت‌های دیواره نازک اطراف جامد می‌شوند، کانال تغذیه موضعی قطع می‌شود و تخلخل انقباضی داخلی احتمالاً رخ می‌دهد. علاوه بر این، طبق تولید، کیفیت سوراخ گاز داخلی الزامات استاندارد را برآورده می‌کند، اما قرار گرفتن سوراخ‌های گاز در معرض فرآیند مطابق با استاندارد نیست. بنابراین، جهت بهبود عمدتاً جلوگیری از قرار گرفتن در معرض است. برای مشکل سوراخ‌های گاز در معرض در سطح فرآیند و در انتهای آب، الگوی مش روی سطح شناور می‌تواند در خروج و حذف مواد سرد نقش داشته باشد. روش بهبود ۱، اضافه کردن یک الگوی مش روی سطح انتهایی موضعی است، اما اثر بهبود آشکار نیست. بنابراین، برای تخلخل انقباضی در موقعیت دیواره ضخیم، لازم است اکستروژن به صورت موضعی افزایش یابد. وقتی محصول کاملاً جامد نشده باشد، از پین‌های اکستروژن برای تغذیه استفاده می‌شود. این روش از نظر تئوری امکان‌پذیر است، اما سوراخ‌های گازی متراکم در محصول نسبتاً پراکنده هستند و یک پین اکستروژن نمی‌تواند کل ناحیه را پوشش دهد، در حالی که پین‌های اکستروژن چندگانه عملی نیستند. بنابراین، این راه حل امکان‌پذیر نیست. با توجه به استفاده از کاهش دمای قالب موضعی، روش بهبود ۲، افزودن خنک‌سازی نقطه‌ای در سطح انتهایی در معرض دید برای افزایش خنک‌سازی و انجماد موضعی، کاهش تخلخل انقباض موضعی و در عین حال، کاهش دمای سطح قالب برای ایجاد یک لایه متراکم‌تر ضخیم‌تر روی سطح محصول است که در نتیجه خطر قرار گرفتن در معرض مواد در حین پردازش را کاهش می‌دهد. شکل ۱۵ اقدامات بهبود برای سوراخ‌های گازی روی سطح اتصال موتور را نشان می‌دهد. پس از اتخاذ روش ۲، کیفیت داخلی محصول بهبود یافت و مشکل سوراخ‌های گازی در معرض دید در حین پردازش حل شد و الزامات کیفیت پردازش محصول برآورده شد.

۴.۳ بهبود حفره‌های گاز در حفره نیم‌محورthe

سوراخ‌های گاز در موقعیت پردازش ۴ بررسی شدند. مشخص شد که میزان مجاز ماشینکاری محصول ۰.۶ تا ۰.۸ میلی‌متر است که در محدوده مجاز ماشینکاری معمول قرار دارد. ضخامت دیواره اطراف تقریباً ۱۲ میلی‌متر بود. سوراخ‌های گاز در دهانه تغذیه سیستم راهگاهی قرار داشتند و هیچ مشکلی از نظر مواد سرد محبوس شده در انتها وجود نداشت. علاوه بر این، سازه‌های خنک‌کننده آب در داخل سوراخ قرار داده شدند تا خنک‌سازی ناحیه دیواره ضخیم را بهبود بخشیده و از تخلخل ناشی از انقباض جلوگیری کنند. تجزیه و تحلیل بیشتر سیستم راهگاهی محصول نشان داد که اگرچه در این موقعیت یک راهگاه وجود دارد، اما همانطور که در شکل ۱۶ نشان داده شده است، مستقیماً در مقابل میزان مجاز کشش محصول قرار دارد. این امر مانع از پر شدن مایع آلومینیوم در آن ناحیه شده است که ممکن است به دلیل پر شدن ناکافی باعث ایجاد سوراخ‌های گاز در آن ناحیه شده باشد.

 

برای رفع مشکل پر شدن ناکافی مایع آلومینیوم و کاهش قالب متحرک و اصلاح سیستم راهگاهی، تغذیه در موقعیت سوراخ نیم شفت تقویت شد. روش ۱ شامل گشاد کردن دریچه راهگاه محلی برای عبور از حد مجاز نیروی کشش مربوطه بود. با این حال، این امر منجر به برخورد مستقیم محصول به پین ​​هسته ثابت قالب شد که باعث ضربه خوردن و گرم شدن پین هسته شد و منجر به ایجاد حفره‌های انقباضی در اطراف آن و شکستگی مکرر پین هسته شد و میزان خرابی قالب را افزایش داد. روش ۲ شامل دور زدن پین هسته ثابت قالب و پین هسته متحرک با اضافه کردن یک راهگاه بین آنها و قطع سرریز برای جلوگیری از جریان مستقیم مایع آلومینیوم در امتداد سرریز و ایجاد جریان برگشتی و گیر افتادن بود. اقدامات بهبود در شکل ۱۷ نشان داده شده است.

پس از بهبود دروازه و پل طبق روش ۲، سوراخ‌های گاز در سوراخ نیم‌شفت به طور قابل توجهی بهبود یافتند.

 

نتیجه گیری 5

 

از طریق توسعه فرآیند ریخته‌گری تحت فشار برای پوشش انتهایی محفظه موتور آلیاژ آلومینیوم، یک طرح تغذیه عملی بر اساس ساختار جدایش و اصول تغذیه محصول انتخاب شد. منطقی بودن طرح تغذیه و سیستم راهگاهی محصول با استفاده از شبیه‌سازی عددی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. اقدامات مربوطه روی قالب انجام شد تا چرخه توسعه پروژه کوتاه شود. با مقایسه مشکلاتی که در طول تولید واقعی رخ داد با نتایج شبیه‌سازی، سیستم راهگاهی محصول بیشتر بهینه شد، شرایط فرآیند شکل‌دهی بهبود یافت و کیفیت ریخته‌گری افزایش یافت.