Com a component de massa no suspendida, la lleugeresa del bastidor auxiliar pot produir beneficis significatius amb un esforç relativament baix. Entre les diverses opcions de materials, estructurals i de procés, els submarcs buits integrals d'aliatge d'alumini de fosa a pressió-de baixa pressió (LPDC) demostren una forta competitivitat. Aquest article presenta els avantatges i els reptes dels submarcs buits integrals des de la perspectiva de les característiques estructurals, el procés de fabricació i les tecnologies innovadores. Se centra en dos colls d'ampolla de producció-post-processament i mecanitzat-a més de dos colls d'ampolla de rendiment del producte-la colada a baixa-pressió i tractament tèrmic. Es proposen solucions per a cadascun. Finalment, es preveuen les tendències de desenvolupament futures i el panorama competitiu dels submarcs.
Paraules clau: submarc; aliatge d'alumini; Buit integral; coll d'ampolla; Paisatge competitiu
1. Antecedents
Durant l'última dècada, impulsats per la crisi energètica i unes regulacions cada cop més estrictes, els vehicles de nova energia (NEV) han crescut ràpidament. Les estadístiques mostren que del 2014 al 2023, la penetració del NEV va augmentar del 0,3% al 31,6%. Tanmateix, els NEV, especialment els vehicles elèctrics amb bateria, s'enfronten a reptes importants en la càrrega i l'autonomia. Això ha posat el disseny lleuger a un nivell d'importància sense precedents.
La massa del vehicle es divideix en massa suspendida i massa no suspendida. La massa suspendida es refereix al pes suportat pel sistema de suspensió i els elements elàstics, inclosos la carrosseria, el motor, la transmissió i els passatgers. La massa no suspendida es refereix a components no suportats pel sistema de suspensió, com ara rodes, braços de suspensió, molles i amortidors. Com a component bàsic de la suspensió, el bastidor auxiliar té un paper crucial, i la seva lleugeresa pot oferir efectes multiplicats en el rendiment global del vehicle.
El bastidor auxiliar, també anomenat "sub-xassís", serveix com a columna vertebral dels eixos davanter i posterior. Suporta els conjunts d'eix i suspensió, connectant-los al bastidor principal del vehicle. En els vehicles de passatgers amb estructures monocascos, el bastidor secundari connecta els sistemes de suspensió esquerre i dret en una unitat integrada, augmentant així la rigidesa de la connexió, aïllant el soroll i la vibració i millorant el rendiment de NVH. A més, proporciona camins de càrrega addicionals per a la gestió de l'energia dels xocs, millorant la seguretat del vehicle.
Tradicionalment, els submarcs estan fets d'acer. Amb l'empenta per la lleugeresa i l'adopció de NEV, els submarcs d'aliatge d'alumini estan experimentant un ràpid creixement. Els submarcs d'aliatge d'alumini es poden fabricar mitjançant estampació, hidroconformat, soldadura de perfils, fosa a pressió, fosa a baixa pressió-o unió híbrida d'acer-alumini, amb tipus estructurals que inclouen dissenys de peces de soldadura de diverses-pieces, fosa sòlida integral i dissenys buits integrals.
2. Característiques dels submarcs buits integrals
2.1 Introducció
Tenint en compte les condicions de càrrega, la lleugeresa, les emissions de carboni i el cost, la fosa buida integral ofereix diferents avantatges. En primer lloc, l'optimització de la topologia en els primers desenvolupaments-basada en els requisits de càrrega, l'espai d'embalatge i la viabilitat de fabricació-maximitza la reducció de pes. En segon lloc, sota la mateixa -àrea de secció transversal, els membres buits de paret-fines ofereixen una rigidesa i una resistència específiques més elevades. En tercer lloc, en comparació amb els submarcs soldats de diverses-peces, les peces de fosa integral eviten les costures de soldadura i la degradació de la zona-afectada per calor relacionada. Finalment, la fosa integral substitueix desenes d'operacions d'estampació i soldadura amb un sol pas de conformació, escurçant dràsticament els cicles de desenvolupament i simplificant la gestió de la cadena de subministrament.
Els submarcs buits integrals es produeixen normalment mitjançant LPDC. Presenten sis característiques definitòries:
Mides grans (. 1000–1200 mm × 800–1000 mm × 300–500 mm aprox.).
Seccions de paret-primes, amb un gruix de la paret de la base de 4-5 mm (localment fins a 3,5 mm).
Cavitats buides que requereixen grans nuclis de sorra, augmentant el nucli-dificultant.
Seccions transversals-complexes amb una variació significativa del gruix de la paret i múltiples punts calents.
Nombroses característiques de mecanitzat-sis cares en les direccions X, Y i Z, que requereixen 20+ eines.
Classificat com a peces crítiques de seguretat-del xassís, amb tolerància zero a fallades.
1.
Aquestes característiques suposen reptes importants durant tot el procés de fabricació.
2.2 Procés de fabricació
La fabricació de submarcs buits integrals inclou cinc mòduls principals: preparació, fosa-a baixa pressió, neteja, tractament tèrmic i post-processament.
Preparació: fabricació de nuclis (els nuclis inorgànics s'estan convertint en corrent per raons ambientals), fusió d'aliatges (utilitzant A356, A356.2, AlSi7Mg, ZL101A amb menys o igual al 40% de contingut reciclat) i preparació de motlles (revestiment, manteniment, reparació).
Colada a baixa-pressió: els paràmetres de colada i la gestió tèrmica del motlle afecten directament la qualitat del producte (p. ex., porositat, inclusions, deformació).
Neteja: implica l'eliminació de la sorra, el tall de la porta i la columna, la inspecció de raigs X-i la mòlta. L'eficiència i el control dimensional són crítics.
Tractament tèrmic: inclou solucions, extinció i envelliment. La distorsió d'extinció és un problema important que requereix mitigació mitjançant el disseny del motlle, l'optimització de l'aparell i els ajustos del procés.
Post{0}}processament: principalment mecanitzat, neteja i muntatge. El mecanitzat és el coll d'ampolla, amb la pràctica generalitzada amb màquines horitzontals de cinc -eixos, que aconsegueixen uns 30 minuts per peça.
3. Reptes dels submarcs buits integrals
3.1 Problemes intrínsecs
El principal obstacle per a una adopció més àmplia és el cost, que segueix sent molt més alt que els submarcs d'acer a causa de baixes taxes de rendiment, cicles llargs i utilització de matèries primeres.
Rendiment del producte: els defectes sorgeixen de la fosa (p. ex., porositat, contracció, inclusions, esquerdes) i tractament tèrmic (p. ex., distorsió d'extinció). No es toleren en components-crítics del xassís de seguretat. Les solucions inclouen la purificació de la massa fosa, el control de la temperatura del motlle, l'obtenció optimitzada i el refinament de l'estratègia d'extinció.
Cicle de producció: LPDC normalment requereix de 360 a 420 segons per fosa. Els processos de neteja triguen entre 240 i 300 segons per peça, mentre que el mecanitzat pot requerir de 20 a 60 minuts (el millor dels casos és de 10 minuts). Aquests cicles llargs restringeixen el rendiment.
Altres factors: la utilització del material i la flexibilitat de la línia de producció també tenen un paper important. Els NEV sovint demanen productes multi-varietats i de baix-volum, cosa que redueix l'eficiència en línies altament automatitzades.
3.2 Tecnologies competidores
Diverses tecnologies emergents presenten reptes i oportunitats:
Funció a pressió integrada: combinació de perfils buits i carcassa{0}}optimitzada de topologia en una única estructura de fosa a pressió alta-buit-, que permet estalviar més pes i augmentar la productivitat.
Colada electromagnètica: utilitza forces electromagnètiques en comptes de la pressió del gas per impulsar l'ompliment de la fosa, oferint un control de nivell precís, una major utilització del material i adequació per a peces de fosa grans.
Fosa de farciment híbrid (HFC): combina gas i pressió hidràulica per refinar la microestructura i eliminar la porositat, produint una qualitat metal·lúrgica i propietats mecàniques superiors.
Nuclis de sorra impresos-en 3D: permeteu eines flexibles i de baix cost-per a la producció de prototips o lots petits-, reduint els costos inicials de desenvolupament.
3.3 Estratègies competitives
Segons dades de la indústria, s'espera que la penetració del submarc d'aliatge d'alumini augmenti del 8% el 2020 a més del 30% el 2025, i els dissenys buits integrals creixen del 5% al 28%. Que aquest potencial es pugui realitzar depèn de les estratègies en tres dimensions:
Material: Aluminum alloys offer excellent formability and recyclability (>95% de taxa de recuperació,<1% melt loss), lowering lifecycle costs and carbon footprint.
Procés: LPDC garanteix un farcit estable i una alta qualitat metal·lúrgica, proporcionant resistències a la tracció de 280-320 MPa, límits de fluència de 220-250 MPa i un allargament del 6-8%, adequat per a components de seguretat del xassís.
Estructura: el disseny buit redueix els passos i el cost del procés alhora que maximitza la rigidesa i la resistència. Les seccions de tub quadrades de paret fines-mostreuen la rigidesa i la resistència relatives més altes entre les geometries de secció transversal-típiques.
4. Conclusió
Amb l'acceleració de l'adopció dels NEV, els submarcs d'aliatge d'alumini-variants LPDC buits integrals-s'estan preparant per a un creixement important del mercat. Els seus avantatges estructurals i de procés els fan altament competitius. No obstant això, la superació dels reptes en el rendiment i el temps del cicle de producció segueix sent fonamental per reduir costos i aconseguir una adopció generalitzada. La innovació contínua en l'estructura i la fabricació serà la clau de la competitivitat futura.
