Introdução
A tecnologia integrada de-fundição sob pressão oferece vantagens como alta eficiência de produção e baixos custos de fabricação. Atualmente em uma fase de rápido desenvolvimento, possui potencial para produzir múltiplos componentes de grande porte, simplificando estruturas de carrocerias e revolucionando os processos de fabricação de carrocerias [1]. O piso traseiro fundido-integrado consolida mais de 70 peças originais em um único componente, reduzindo significativamente o peso do veículo e melhorando a eficiência da produção. Moldes, processos, máquinas de-fundição sob pressão e materiais isentos de-tratamento térmico-constituem as quatro principais tecnologias de fundição sob-integrada [2-3]. Máquinas de{14}fundição sob pressão referem-se especificamente a máquinas-de grande escala com forças de fixação superiores a 60.000 kN [4]. Os materiais isentos de-tratamento-térmico usados principalmente hoje são ligas de alumínio fundido de alta-resistência e alta{24}}tenacidade [5], conhecidas por sua alta resistência específica, excelente moldabilidade, custo moderado e status como material principal para os atuais componentes automotivos fundidos sob pressão integrados [6-7].
As grandes peças fundidas de alumínio-domésticas enfrentam o desafio de diminuir as taxas de rendimento com o aumento da complexidade de integração. Os principais fatores que afetam as taxas de qualificação incluem:
1. Qualidade instável em pontos de suporte-de carga críticos: superfícies de instalação para torres de amortecedores, chassis auxiliares e pilares-C exigem altas propriedades mecânicas. Essas áreas são muitas vezes difíceis de testar por amostragem, não devem conter poros internos que excedam os padrões e devem estar livres de fechamentos externos a frio. Notavelmente, a superfície de instalação do pilar C- perto da borda da casa do leme é propensa a fechamentos a frio.
2. Dimensões instáveis em superfícies de contato críticas: superfícies de instalação de painéis laterais com paredes-finas na borda de fundição são suscetíveis a deformação interna ou externa, ou até mesmo torção (frente para fora, traseira para fora). Isso compromete a estabilidade após o acoplamento com peças homólogas e pode causar-desalinhamento de furos pré-formados, levando a falhas de usinagem [8-15].
Este estudo emprega simulação para prever defeitos em um componente integrado-do piso traseiro fundido e otimiza o sistema de comporta e transbordamento para melhorar a qualidade interna, com o objetivo de fornecer uma referência para projetar peças fundidas grandes semelhantes.
1 Características Estruturais e Requisitos Técnicos
A peça fundida do piso traseiro constitui a seção do piso atrás do habitáculo, integrando componentes como casas do leme traseiras esquerda/direita, vigas longitudinais traseiras, travessas, placas de conexão do piso e reforços das vigas internas. A peça fundida tem dimensões totais de 1.630 mm × 1.624 mm × 666 mm, massa de 63 kg, espessura média de parede de 3 mm e área projetada de 23.000 cm². Devido ao seu grande tamanho, paredes finas e aos requisitos significativos de espaço, longos tempos de ciclo e riscos de distorção associados ao tratamento térmico, uma liga de alumínio isenta de-tratamento-térmico é obrigatória.
O processo SPR (rebitagem auto{0}perfurante) é adequado para união a frio de materiais diferentes de aço-alumínio [8]. Conseqüentemente, as extremidades dianteira e traseira da peça fundida se conectam ao piso dianteiro e ao conjunto do piso traseiro, respectivamente, via SPR. As casas do leme esquerda e direita também podem ser conectadas aos painéis laterais via SPR. Embora essas quatro bordas não sejam zonas primárias de suporte-de carga do piso traseiro, elas exigem alta vedação e integridade de conexão, correspondendo aos requisitos de planicidade e alta resistência-a tenacidade do material.
Requisitos de aparência: Livre de defeitos como fechamentos a frio, rachaduras e lascas.
Requisitos de desempenho do material (pré{0}}cozimento):
Locais SPR (amostragem corporal): Resistência à tração maior ou igual a 215 MPa, Resistência ao escoamento maior ou igual a 115 MPa, Alongamento maior ou igual a 12%, Ângulo de curvatura maior ou igual a 20 graus.
Metade traseira da casa do leme (ligeiramente inferior): Resistência à tração maior ou igual a 215 MPa, Resistência ao escoamento maior ou igual a 110 MPa, Alongamento maior ou igual a 6%, Ângulo de curvatura maior ou igual a 20 graus.
Outras áreas: Exigência de alongamento entre 6% e 12%.
Considerando a falta de homogeneidade inerente às propriedades mecânicas em amostras-de corpos fundidos sob pressão, é um desafio alcançar propriedades mecânicas especificadas em todos os lugares dentro de áreas designadas. Portanto, testes de bancada são necessários para verificar o desempenho-de suporte de carga chave das torres de amortecedores e vigas longitudinais [9]. Os testes de bancada normalmente incluem testes de durabilidade e esmagamento:
Testes de esmagamento de durabilidade e direção-Z: simulam a carga do amortecedor traseiro. A carga média do teste de durabilidade é de 11,5 kN. Sob esmagamento na direção Z-, o carregamento do primeiro-estágio de 38 kN requer deformação do ponto de carregamento menor ou igual a 3 mm; o carregamento do segundo-estágio de 74 kN não requer rachaduras no ponto de carregamento.
Teste de esmagamento na direção-X: simula carregamento de viga longitudinal. Sob força de carga unilateral maior ou igual a 206 kN, nenhuma fissura e deformação menor ou igual a 3 mm deve ocorrer no ponto de carga.
2 Die-Projeto do processo de fundição
2.1 Projeto do Sistema de Gating
O piso traseiro desenvolvido possui uma janela de conexão da placa de cobertura frontal em sua extremidade frontal. No entanto, sua alta proporção (3,14) e localização nas bordas tornam o gate central inadequado. Foi adotada uma abordagem de controle-de lado único, típica para peças fundidas-convencionais. Com base nos resultados da análise de fluxo Magma, três projetos de canais (S1, S2, S3) foram otimizados sequencialmente:
Os projetos S1 e S2 utilizaram uma máquina de fundição-de 70.000 kN.
O projeto S3 utilizou uma máquina de fundição-de 120.000 kN, incorporou pequenas otimizações estruturais no corpo de fundição e aumentou o diâmetro do êmbolo, o número de entradas e a área de entrada.
2.2 Análise de Simulação de Enchimento e Solidificação
O software Magma simulou o processo de fundição-do piso traseiro. O material do molde era aço ferramenta H13; o material de fundição era liga de alumínio C611 de alta-resistência e alta-tenacidade [1]. Conjunto de parâmetros: temperatura de fusão 680 graus, temperatura do êmbolo 200 graus, temperatura da manga de tiro 250 graus, temperatura do molde 180 graus. Os parâmetros de injeção variaram de acordo com o esquema.
Resultados da análise do esquema S1:
No final-do-preenchimento, a posição da borda da casa do leme teve a temperatura mais baixa (~618,6 graus) e solidificou primeiro (fração sólida ~1%). A fundição real requer temperatura de fusão mais alta e monitoramento focado da temperatura da superfície do molde nesta região. Devido às variações de temperatura do molde, existe risco de fechamento a frio na borda da seção intermediária da casa do leme.
Quando o fundido atingiu a metade traseira da cavidade, a área de fluxo restrita causou velocidades de enchimento de até 60 m/s. Duas correntes de fusão convergiram no centro da viga transversal final. A alta velocidade causou turbilhão no derretimento, criando um alto risco de fechamentos a frio e rachaduras, reduzindo as propriedades mecânicas.
Uma diferença significativa de degrau e uma parede mais espessa perto da entrada da viga longitudinal traseira causaram grandes bolsas de ar isoladas em ambos os lados. Furos usinados nesta zona tornam os defeitos de porosidade prejudiciais ao rendimento.
Depois que o fundido entrou na viga da soleira, a pressão de fundição aumentou continuamente para 30 MPa. Com base na área projetada do corpo fundido (18.136 cm²), foi necessária uma força de fixação de 69.000 kN. Considerando um fator de segurança de 1,2 e incluindo o sistema de comporta (área projetada estimada ~25.000 cm²), a força de fixação necessária atingiu 90.000 kN, superando a capacidade de 70.000 kN da máquina.
Resultados da análise do esquema S2:
Adicionar um corredor diretamente oposto à casa do leme reduziu o tempo de preenchimento da casa do leme para 51 ms (vs. 59 ms para S1). O tempo total de preenchimento foi de 86 ms.
A turbulência em ambas as casas do leme foi mais pronunciada. O conteúdo de gás foi mais alto no ponto de confluência de fusão na viga transversal no final-do-preenchimento, criando altos riscos de porosidade, rachaduras e defeitos de contração [7].
O problema do fluxo frio na área da casa do leme não foi efetivamente resolvido.
Resultados da análise do esquema S3:
Otimizando o corredor com base em esquemas anteriores, poços de transbordamento foram adicionados no centro da borda da casa do leme e no centro da viga transversal final. A área de entrada foi aumentada (exigindo maior força de injeção para manter a velocidade). A força de fixação da máquina foi atualizada para 120.000 kN.
A temperatura da borda da casa do leme foi inferior a S1/S2, mas próxima da temperatura liquidus. O derretimento atingiu os portões em 305 ms (o tempo começou a partir do enchimento do biscoito), com velocidade máxima de 60 m/s. A cavidade foi preenchida completamente em 390 ms, demorando 85 ms. A pressão de fundição foi de 40 MPa.
Com base na área projetada do sistema de comporta S3 (25.813 cm²), a pressão máxima de fundição que a máquina de 120.000 kN poderia fornecer era de 46,5 MPa, atendendo ao requisito.
Poços de transbordamento adicionados ao lado da casa do leme melhoraram a retenção de ar em comparação com S2. A proximidade do portão também reduziu o risco de porosidade.
O esquema S3 foi selecionado para fabricação de moldes.
3 métodos de teste e resultados
3.1 Die-Parâmetros de fundição e métodos de teste
A produção usou uma máquina de fundição- sob pressão Lijin de 120.000 kN. A liga era um material isento de-tratamento-térmico C611 (a composição química atendeu às especificações). Em comparação com os materiais estruturais tradicionais de AlSi10MnMg, as ligas isentas de-tratamento térmico-oferecem melhor-resistência fundida, benéfica para rebitagem. A temperatura de fusão foi de 680 graus. O vácuo do molde dinâmico e fixo foi de 10 kPa.
Fluxo do processo: Pulverização → Sopro- → Fechamento do molde → Verter → Evacuação a vácuo → Injeção → Aperto local → Resfriamento direto/resfriamento local → Abertura do molde → Extração do robô → Verificação de integridade → Têmpera com água → Corte e endireitamento → Marcação → Manuseio do robô → Fundição off-line → Rebarbação manual → Aparência e verificação dimensional → Transferência para o próximo processo.
A inspeção de qualidade interna usou uma máquina de inspeção por raios X de 9-eixos para serviço pesado Maice FSC. As amostras de tração foram primeiro cortadas do corpo fundido como pequenas peças brutas (80-100 mm de comprimento, 15-30 mm de largura), depois usinadas em amostras de tração padrão com um comprimento de referência de 25 mm.
3.2 Inspeção Interna de Qualidade
Os-resultados da inspeção por raios X não mostraram defeitos significativos de porosidade nas áreas internas, na viga transversal traseira ou nas casas do leme laterais da peça fundida do piso traseiro. A qualidade interna atendeu aos padrões ASTM E505 Nível 2. Devido às paredes mais espessas, as saliências dos furos de usinagem eram propensas à porosidade, exigindo verificações adicionais de poros expostos e conformidade com os padrões de aparência. Os testes de retenção de carga para insertos roscados ou parafusos auto-roscantes foram realizados usando uma máquina de teste de tração CMT5305.
3.3 Propriedades Mecânicas de Tração da Amostragem Corporal
As propriedades mecânicas foram testadas em 39 locais do corpo fundido. Os pontos de amostragem foram distribuídos simetricamente (L: lado esquerdo do corpo, R: lado direito do corpo), cobrindo áreas principais:
Posições 1-10: Borda da casa do leme (borda de rebitagem lateral).
Posições 11-20: Seção intermediária da casa do leme.
Posições 21-23: Área de entrada (borda de rebitagem do conjunto do piso traseiro).
Posições 31-34: Borda de conexão da placa de cobertura frontal.
Posições 35-37: Borda de rebitagem do piso frontal no final-do preenchimento.
Resultados:
A resistência à tração (TS) e a resistência ao escoamento (YS) permaneceram relativamente estáveis em todos os locais. O TS médio foi de 237 MPa; o YS médio foi de 118,9 MPa.
O alongamento variou significativamente por local, com média de apenas 6,5%, com alguns pontos abaixo de 6%. O valor do alongamento médio é influenciado pelo local e quantidade de amostragem e serve apenas como referência [9]. Para efeito de comparação, outro piso traseiro utilizando o mesmo material obteve um alongamento médio de 9%.
Com base nos requisitos iniciais de desenvolvimento do cliente, as propriedades do corpo (especialmente o alongamento em alguns locais) não puderam ser totalmente atendidas. Portanto, os resultados da amostragem corporal por si só não podem ser o único critério para a qualificação do produto. O desempenho geral deve ser avaliado com base em testes de bancada e resultados completos de validação do veículo.
4 Conclusão
(1) O software Magma foi usado para projetar e otimizar o sistema de comporta para a fundição do piso traseiro em liga de alumínio C611. A simulação revelou que variações significativas na espessura da parede em regiões escalonadas, combinadas com a baixa temperatura de fusão fluindo através dessas áreas, criam riscos de aprisionamento de ar, fechamentos a frio e rachaduras. A análise da pressão de enchimento na região final da viga mestra indicou que uma máquina de fundição-com força de fixação superior a 90.000 kN é necessária para a conformação completa do piso traseiro.
(2) A seleção de uma máquina de fundição-de 120.000 kN para produção, juntamente com a otimização-baseada em simulação, eliminou efetivamente os defeitos de porosidade e porosidade de contração. No entanto, fissuras propensas a ocorrer em zonas de transição estrutural e áreas com variações significativas de espessura de parede impactaram as propriedades mecânicas. A resistência média ao escoamento, a resistência à tração e o alongamento das amostras cortadas do corpo fundido do piso traseiro C611 foram 118,9 MPa, 237 MPa e 6,5%, respectivamente, atendendo essencialmente às principais metas do projeto (TS maior ou igual a 215 MPa, YS maior ou igual a 115 MPa, alongamento maior ou igual a 6%).
(3) Em comparação com processos de conformação tradicionais, como rebitagem e estampagem, o piso traseiro fundido-integrado obteve uma redução de peso superior a 10%. A adoção futura de máquinas de fundição-de 200.000 kN é uma promessa para a obtenção de ciclos curtos, baixo-custo e alta-resistência/alta{10}}fabricação de peças fundidas integradas de carrocerias automotivas.
