Решение по анализу и оптимизации технологии литья под давлением корпуса автоматической трансмиссии для транспортных средств на новых источниках энергии

Транспортные средства на новой энергии подразумевают использование нетрадиционного автомобильного топлива в качестве источника энергии (или использование обычного автомобильного топлива, использование новых силовых агрегатов транспортных средств), а также интеграцию передовых технологий в управление мощностью и приводом транспортных средств. Новая технология, новая конструкция автомобиля. В основном включают в себя: гибридные электромобили (HEV), чистые электромобили (BEV, включая автомобили на солнечных батареях), электромобили на топливных элементах (FCEV), автомобили с водородными двигателями, другие транспортные средства с новыми источниками энергии (например, высокоэффективные накопители энергии, диметиловый эфир), транспортные средства, и т.п. категория товар.

В настоящее время, под двойным давлением энергетики и защиты окружающей среды, новые энергетические автомобили, несомненно, станут направлением развития будущих транспортных средств во всем мире. В моей стране в период «Двенадцатой пятилетки» автомобили на новой энергии официально вступят в стадию индустриализации: с 2011 по 2015 год она вступит в стадию индустриализации и будет продвигать городские автобусы и гибридные автомобили на новой энергии. и малые электромобили во всем обществе. транспортное средство. В период «13-й пятилетки» с 2016 по 2020 год моя страна будет и дальше популяризировать транспортные средства на новых источниках энергии и мультиэнергетические гибридные автомобили, а электромобили с подключаемыми модулями и автомобили на водородных топливных элементах постепенно станут частью обычных семей. Поэтому, согласно соответствующим планам, автомобили на новой энергетике наверняка станут основным направлением развития автомобильной промышленности.

1. Конструктивная форма автоматической коробки передач для транспортных средств на новой энергетике.


Трансмиссия является важной частью трансмиссии обычных и гибридных электромобилей. Производительность трансмиссии оказывает важное влияние на мощность, экономичность и комфорт автомобиля. Поскольку транспортные средства на новых источниках энергии напрямую или в основном приводятся в движение электродвигателями, структура трансмиссии, ключевого компонента системы передачи энергии, претерпит значительные изменения по сравнению с традиционными транспортными средствами с топливными двигателями. Из-за большого крутящего момента на низких оборотах и ​​широкого диапазона рабочих скоростей электродвигателя на обычных автомобилях изначально требовались 5- и 6-ступенчатые коробки передач, а на электромобилях только 2-ступенчатые и 1-ступенчатые. Двигатель необходимо перевернуть. Функциональное упрощение часто приводит к структурной сложности. В транспортных средствах на новой энергии устройство распределения мощности, используемое для реализации распределения и интеграции энергии, представляет собой набор механизмов планетарной передачи, в которых водило сателлитов соединено с выходным валом двигателя, кольцевая шестерня соединена с валом двигателя. , а также подключен к выходной шестерне. Мощность от вала-шестерни приводит в движение генератор для выработки электроэнергии, а середина соединена со сцеплением. При включении питания солнечная шестерня блокируется, так что механизм планетарной передачи работает с определенным передаточным числом. Конструкция планетарной передачи нового энергетического автомобиля показана на рисунке 1.

Что касается тенденций развития, трансмиссия транспортных средств на новой энергии имеет характеристики простой общей структуры и сложной частичной структуры. Простая общая конструкция означает, что трансмиссия упрощена как трансмиссия или в трансмиссии имеется зубчатая передача. Частичная конструкция сложна, и планетарная конструкция должна быть расположена в корпусе сцепления, чтобы обеспечить бесступенчатое изменение скорости. Если реализовать такую ​​частично сложную конструкцию, необходимо решить проблему цельного формования корпуса трансмиссии с внутренней шестерней. Что касается технологии его производства, то на данный момент существуют три проблемы.

1) В качестве основного механизма передачи мощности автомобиля конструкция зубчатой ​​передачи требует чрезвычайно высокой точности, чтобы обеспечить плавную работу и плавное ускорение автомобиля. В процессе работы шестерни подвергаются высокоинтенсивным циклическим нагрузкам, частота которых часто достигает нескольких тысяч об/мин. При наличии обычных дефектов, таких как поры, усадочные отверстия и микротрещины внутри шестерни, шестерня выйдет из строя из-за усталостного разрушения, что приведет к нарушению передачи мощности. Неустойчиво, да ещё и авария. Но как повысить точность, избежать деформации и уменьшить дефекты литья под давлением, является основной проблемой.

2) В процессе передачи мощности конструкция шестерни должна выдерживать большую силу для зацепления зубьев и зубьев, что требует, чтобы поверхность шестерни имела хорошую износостойкость, а износостойкость зависит от твердости. . Твердость материала в основном определяется составом сплава. Но как мы все знаем, ADC12 и Al-Si9Cu3, используемые при обычном литье под давлением, далеки от удовлетворения требований износостойкости. Поэтому необходимо решить проблему материалов для литья под давлением.

3) Поскольку конструкция шестерни подвергается высоким переменным нагрузкам, зубья шестерни при зацеплении испытывают большое давление. Трудно значительно улучшить твердость поверхности путем простой оптимизации алюминиевого сплава, литого под давлением. Какую технологию использовать для локального упрочнения поверхности внутренней шестерни, также стала актуальной проблемой, требующей решения.

2 Неотложные проблемы, требующие решения при литье под давлением корпусов трансмиссий новых энергетических транспортных средств

В настоящее время технология формования усовершенствованных корпусов коробок передач для транспортных средств на новых источниках энергии монополизирована на мировом рынке иностранными компаниями, такими как Bosch в Германии, ZF, Eaton в США, Fuji в Японии и Torotrak в Великобритании. Хотя в последние годы моя страна уделяет все больше внимания исследованиям и разработкам технологии формования корпуса коробки передач для транспортных средств на новых источниках энергии, достижения в этом отношении все еще отстают. Ключевые моменты, на которые необходимо обратить внимание и решить, в основном сосредоточены на ключевом процессе литья под давлением, исследовании и разработке новых материалов из алюминиевых сплавов для литья под давлением, а также технологии локального упрочнения внутренней поверхности шестерни.

2.1 Основной процесс литья под давлением


1) Конструкция пресс-формы и технология оптимизации процесса


Из-за особенностей высокой температуры и высокого давления при литье под давлением алюминиевых сплавов форма заполнения расплавленным металлом во время литья под давлением тесно связана с такими факторами качества, как плотность отливки, пористость и шероховатость поверхности. Причем процесс пломбирования осуществляется в закрытой полости, которую сложно визуализировать. Трудно получить данные о процессе, например, можно ли осуществлять процесс наполнения плавно, разумна ли система разлива и разгрузки и покрыт ли процесс литья под давлением воздухом. На основе фактического процесса литья под давлением, после получения тепловых и физических свойств материала, с помощью метода конечных элементов создается модель литья под давлением для анализа поля течения, температурного поля и затвердевания сплава детали, отлитой под давлением. изучить закон его наполнения и оптимизировать систему литья. По результатам расчета следует прогнозировать такие дефекты, как поры, хладоизоляция и усадочные отверстия отливок под давлением. Кроме того, метод конечных элементов также может динамически отображать процесс заполнения формы и изменение температурного поля формы. Используя результаты моделирования температурного поля, извлекают кривую изменения температурного поля важных узлов на поверхности полости формы, анализируют температуру узла, рассчитывают термическое напряжение узла, оценивают термический удар формы, и окончательно оценивают термическую трещину на поверхности полости формы для литья под давлением. . Таким образом, необходимо смоделировать и оптимизировать процесс литья под давлением корпуса трансмиссии для транспортных средств на новой энергии с помощью программного обеспечения конечных элементов, а также определить оптимальное открытие затвора и окончательную формовочную часть формы для литья под давлением корпуса трансмиссии с помощью Внутренняя конструкция зубчатой ​​передачи. В месте формования установлена ​​большая вытяжка, чтобы решить проблему холодоизоляции и воздушных отверстий. Кроме того, в процессе литья под давлением выполняется анализ текучести пресс-формы для определения текучести жидкого металла, затвердевания и термического напряжения в пресс-форме.

2) Технология контроля температуры


Контроль температуры процесса литья под давлением корпуса трансмиссии из алюминиевого сплава для получения новой энергии заключается в основном в контроле температуры литья и температуры формы. В процессе литья под давлением корпуса трансмиссии из алюминиевого сплава контроль температуры оказывает важное влияние на тепловое состояние и эффективность процесса заполнения и является важным фактором для получения высококачественных отливок. Вообще говоря, температура литья не должна быть слишком высокой или слишком низкой. Если температура литья слишком высока, жидкий сплав будет склонен к турбулентному течению, вихревым токам, вадозе и другим явлениям под действием высокой скорости, что повлияет на качество заливки. Однако если температура литья слишком низкая, состав будет неравномерным, а текучесть будет плохой, что повлияет на условия наполнения и приведет к дефектам отливки.

Температура формы является еще одним важным фактором в процессе литья под давлением. Если температура формы слишком высока, температура охлаждения сплава снижается, толщина мелкозернистого слоя уменьшается, зерна становятся крупнее, поэтому прочность снижается. Кроме того, склонны к возникновению усадочных депрессий. Когда температура формы слишком низкая, поверхностный слой конденсируется, а затем разрушается высокоскоростным потоком жидкости, что приводит к дефектам поверхностного слоя и даже невозможности его формирования. Температура формы оказывает большое влияние на срок службы формы. Резкое изменение температуры формирует сложное напряженное состояние, а частое изменение напряжений приводит к растрескиванию формы. Влияние температуры формы на размерные допуски отливок: если температура формы стабильна, степень размерной усадки отливок также стабильна. Как правило, температуру формы можно контролировать, контролируя следующие факторы: контролируйте температуру отливки сплава, объем отливки, теплоемкость и теплопроводность; контролировать конструкцию литниковой системы и переливной емкости для регулирования состояния теплового равновесия; контролировать давление впрыска и скорость впрыска; контролировать материал формы: чем лучше теплопроводность материала формы, тем более равномерным будет распределение температуры для улучшения теплового баланса.

1) Технология контроля времени


Контроль времени в основном относится к контролю времени наполнения, времени нарастания давления, времени выдерживания давления и времени удерживания формы. Определение этого времени в основном является результатом сочетания таких факторов, как давление, скорость, температура, физические свойства расплавленного металла, структура отливки и структура формы. Таким образом, время имеет решающее значение в процессе литья под давлением. Однако из-за множества факторов контролировать его очень сложно. Время, необходимое расплавленному металлу для входа в полость под давлением до ее заполнения, называется временем заполнения, которое является комплексным отражением степени координации различных факторов процесса заполнения. Время заполнения определяется на основе следующих факторов: при высокой температуре литья сплава время заполнения может быть больше; когда температура формы высокая, время заполнения может быть больше; когда толстостенная часть отливки находится далеко от внутреннего затвора, время заполнения может быть больше; Для сплавов с высокой скрытой теплотой и удельной теплотой плавления время заполнения может быть больше. Время нарастания давления наддува относится к стадии наддува расплавленного металла в процессе заполнения, начиная с момента заполнения полости, до тех пор, пока давление наддува не достигнет заданного значения, то есть до увеличения удельного давления впрыска. Время, необходимое для того, чтобы давление нарастало. После заполнения полости расплавленным металлом период времени, в течение которого расплавленный металл затвердевает под действием удельного давления бустера, называется временем выдержки. Функция удержания давления заключается в том, чтобы литьевой пуансон передавал давление в полость через незатвердевший материал и металл в литниковой части, так что затвердевающий металл кристаллизуется под высоким давлением, чтобы получить плотную отливку.

2.2 Исследования и разработка новых алюминиевых сплавов для литья под давлением


Существует множество типов традиционных алюминиевых сплавов для литья под давлением. Что касается их систем, они в основном включают серии Al-Si, серии Al-Si-Cu, серии Al-Si-Mg и серии Al-Mg. Физические свойства, механические свойства и технологические свойства каждой системы существенно различаются. Алюминиевые сплавы для литья под давлением серии Al-Si, как правило, представляют собой эвтектические алюминиевые сплавы, которые обладают хорошей стойкостью к термическому растрескиванию и текучестью, но не могут быть упрочнены термообработкой и имеют низкую прочность на разрыв; Алюминиевые сплавы для литья под давлением серии Al-Si-Mg, как правило, являются доэвтектическими. Алюминиевый сплав обладает хорошей коррозионной стойкостью, высокой ударной вязкостью и пределом текучести, но литейные характеристики материала плохие. Система Al-Mg аналогична системе Al-Si-Mg, ее коррозионная стойкость и ударная вязкость относительно хорошие, но литейные качества плохие. Из-за сложной локальной структуры корпуса трансмиссии с внутренней конструкцией шестерен для транспортных средств на новой энергии, рассматриваемых в этой статье, используемый алюминиевый сплав должен иметь хорошую текучесть в процессе литья под давлением; Чтобы шестерни были износостойкими, твердость алюминиевого сплава должна быть высокой. Все вышеупомянутые системы на основе Al-Si, Al-Si-Mg и Al-Mg трудно одновременно удовлетворить требованиям к продукции. Для системы Al-Si-Cu, будь то доэвтектическая YL112 или заэвтектическая YL113 и YL117, свойства текучести очень хорошие, что может удовлетворить потребности в формовании сложных отливок под давлением, и ее можно сравнить со сложными частями полость формы. Хорошо заполнен. Кроме того, алюминиевые сплавы на основе Al-Si-Cu обладают лучшей воздухонепроницаемостью и стойкостью к горячему растрескиванию. Кроме того, коэффициент теплового расширения низкий, а отливка под давлением нелегко деформируется после формования. Наиболее заметным преимуществом системы Al-Si-Cu является лучшая износостойкость.

Таким образом, в случае трансмиссии для транспортных средств на новой энергии, которая связана с локальной сложной структурой, точностью размеров и высокой износостойкостью, только система Al-Si-Cu может одновременно отвечать комплексным требованиям по нескольким аспектам.

Типичная марка серии Al-Si-Cu, которая более выражена по твердости, - YL117 (YZAlSi17Cu5Mg), а ее значение твердости по Бринеллю составляет около HB100-110; для литья под давлением алюминиевого сплава серии Al-Zn значение твердости относительно велико. ZL401, его твердость составляет около HB80–90. ZL401 обладает отличными литейными свойствами, низкой линейной усадкой и хорошими механическими свойствами при комнатной температуре, обрабатываемостью и свариваемостью. Основным недостатком является невысокая термическая прочность сплава, высокая плотность и низкая коррозионная стойкость. Таким образом, из-за требований коррозионной стойкости и снижения веса ZL401 трудно удовлетворить требованиям продукта.

Но твердости YL117 недостаточно для решения проблемы износостойкости внутренних шестерен. Поэтому для решения проблемы износостойкости литого под давлением алюминиевого сплава необходимо оптимизировать разработку его состава на основе системы Al-Si-Cu. Прежде всего, исходя из требований износостойкости и улучшения текучести, содержание кремния в сплаве необходимо увеличить. Когда содержание кремния превышает 12%, образуется заэвтектическая бинарная система сплавов Al-Si, которая имеет превосходные свойства текучести и может отвечать сложным требованиям. Требования к заполнению отливок под давлением; во-вторых, увеличение содержания кремния позволяет значительно повысить износостойкость сплава. Кроме того, увеличение содержания кремния может также снизить склонность к термическому растрескиванию и усадке, а также улучшить плотность отливок. Чисто с точки зрения повышения износостойкости содержание кремния может достигать даже 25-28%. Однако избыточное содержание кремния вызовет множество проблем. Полигональный первичный кремний и вытянутый эвтектический кремний часто встречаются в заэвтектических высококремнистых сплавах Al-Si. Однако эвтектический кремний легко принимает игольчатую или удлиненную форму, что серьезно ослабляет механические свойства сплава, а поскольку локальное значение твердости эвтектического кремния слишком велико, это приведет к серьезному ухудшению последующих характеристик резания. Тем не менее, мировая тенденция разработки алюминиевых сплавов для литья под давлением с высоким содержанием кремния необратима. И Чунцинский научно-исследовательский институт цветных металлов, и Пекинский научно-исследовательский институт авиационных материалов разработали новые износостойкие алюминиевые сплавы с высоким содержанием кремния. Самое высокое содержание элемента Si составляет 28%, а его износостойкость значительно улучшена по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами для литья под давлением. Немецкая компания BENZ также разработала литый под давлением алюминиевый сплав с высоким содержанием кремния, который в основном используется в гильзах цилиндров двигателя V6, а его износостойкость эквивалентна износостойкости чугунной гильзы цилиндра.

При добавлении элемента Cu в заэвтектический алюминиевый сплав с высоким содержанием кремния, помимо рассмотрения эффекта упрочнения твердого раствора элемента Cu, также считается, что элемент Cu легко создает фазу интерметаллического соединения и эвтектическую структуру других легирующих элементов, которые используются как упрочняющий эффект в сплаве. Фаза и износостойкая фаза могут эффективно улучшить твердость и прочность алюминиевого сплава, литого под давлением. После добавления Mg в заэвтектический сплав Al-Si, за исключением небольшого количества для образования твердого раствора с алюминием, он в основном образует фазу выделения Mg2Si с Si, что улучшает комплексные свойства алюминиевых сплавов, литых под давлением, за счет механизма усиление дисперсии. Кроме того, Mg также подавляет вредное воздействие фазы Fe. При увеличении содержания Fe могут образовываться соединения Al-Fe-Si-Mg, тем самым снижается вред Fe. Однако добавление избыточного количества элементов Cu и Mg может легко вызвать сегрегацию компонентов и сделать свойства сплава неравномерными. Кроме того, добавление избыточного элемента Cu серьезно снизит коррозионную стойкость сплава.

Редкоземельные элементы широко ценятся при применении металлических материалов благодаря своим уникальным свойствам. Добавление соответствующего количества редкоземельных элементов позволяет улучшить стабильность структуры и улучшить комплексные свойства сплава. Упрочняющее действие редкоземельных элементов в алюминиевых сплавах проявляется главным образом в твердорастворном упрочнении, мелкозернистом и дисперсионном упрочнении при выделении второй фазы. Исследования показали, что добавление соответствующего количества Ce может, с одной стороны, измельчить зерна сплава; с другой стороны, он может образовывать игольчатые выделения и улучшать износостойкость сплава. Однако при изнашивании сплава с избытком редкоземельных элементов на его поверхности образуется большое количество отколов, что напрямую связано с большим количеством выделений. Оксиды редкоземельных элементов имеют высокую температуру плавления и большой удельный вес. Добавление соответствующего количества оксидов редкоземельных элементов позволяет повысить износостойкость алюминиевых сплавов более чем на 20%.

Добавляя элементы Cu, Mg, редкоземельные элементы и редкоземельные оксиды в заэвтектическую систему алюминиевых сплавов Al-Si с высоким содержанием кремния, износостойкость и комплексные механические свойства алюминиевых сплавов, литых под давлением, могут быть значительно улучшены, и это неизбежно станет выбор износостойких литых деталей. Или неизбежная тенденция дизайна сплавов.

2.3 Технология локального упрочнения внутренней поверхности шестерни


Существует три важных метода локального поверхностного упрочнения внутренней шестерни корпуса трансмиссии из литого под давлением алюминиевого сплава для транспортных средств на новых источниках энергии.

а) Метод окисления на месте


Методы окисления на месте в основном включают химическое окисление, анодное окисление, микродуговое окисление и другие методы. Метод химического оксидирования заключается в формировании тонкой оксидной пленки на поверхности алюминиевого сплава посредством химической реакции при определенной температуре. Этот вид пленки очень тонкий, слой пленки мягкий, а износостойкость очень низкая, поэтому ее нельзя использовать отдельно. Обычное анодирование использует алюминиевый сплав в качестве анода и свинец, углеродистую или нержавеющую сталь в качестве катода и окисляет его в электролите, таком как щавелевая кислота, серная кислота и хромовая кислота, для получения пористой анодной пленки оксида алюминия с высокоупорядоченными нанопорами. Мембрана представляет собой двухслойную структуру, состоящую из плотного барьерного слоя и пористого слоя столбчатой ​​структуры. Микродуговое оксидирование, также известное как плазменное оксидирование, представляет собой технологию обработки поверхности для выращивания керамических слоев на металлических поверхностях на месте на основе анодного оксидирования. Принцип заключается в том, что в щелочном растворе под действием внешнего электрического поля, создаваемого специальным источником питания для микродугового оксидирования, на поверхности анодной заготовки генерируется микродуговой разряд в зоне микродуги выше, чем Будет создана зона разряда Фарадея, и в то же время будет создана мгновенная высокая температура и высокое давление. Под действием электричества, тепла, плазмы и других факторов в результате реакции образуется тонкий слой глиноземной керамики, толщина которого может составлять от 1 мкм до 200 мкм и даже больше, и имеет высокую твердость, износостойкость и высокую термостойкость. .

б) Метод поверхностного фрезерования (SMAT)


За счет действия высокочастотной и разнонаправленной нагрузки на поверхности металлического материала за счет сильной пластической деформации получается нанокристаллический слой без пор, загрязнений и без связи с матрицей, то есть нанокристаллический слой материала. реализована поверхность. Благодаря нанометризации поверхности поверхность и общие комплексные свойства материала могут быть значительно улучшены за счет оптимизации организации поверхности, это легко реализовать в промышленности и, как ожидается, найдет практическое применение. Однако, поскольку исследования поверхностной нанокристаллизации только начались, в последние годы появилась литература, в которой успешно были приготовлены слои нанокристаллической структуры на различных металлических поверхностях с помощью технологии поверхностного механического шлифования, включая алюминиевые сплавы, низкоуглеродистые стали, нержавеющие стали, промышленные чистые титан и другие кубические структуры. Материал. В настоящее время механизм деформации поверхностного фрезерования до конца не изучен. Кроме того, для сложных форм поверхностного шлифования деталей технологии и технологии пока трудно реально применить.

в) Внешнее введение метода твердого покрытия


Метод нанесения твердого или сверхтвердого покрытия на поверхность алюминиевого сплава снаружи с использованием таких методов, как физическое осаждение из паровой фазы, химическое осаждение из паровой фазы и напыление. Однако существующими методами, как правило, трудно добиться локальной подготовки покрытия на поверхности сложных отливок.

3. Заключение


1) Необходимо использовать метод конечных элементов для моделирования и расчета литья под давлением корпуса трансмиссии транспортных средств на новой энергетике. Структура полости, литниковая и дренажная система, заполнение расплавом, затвердевание и термическое напряжение формы для литья под давлением могут быть оптимизированы и рассчитаны. Кроме того, необходимо строго контролировать ключевые параметры процесса, такие как температура и время литья под давлением;

2) Для удовлетворения требований по износостойкости внутренней шестерни корпуса трансмиссии транспортных средств на новых источниках энергии следует использовать заэвтектический алюминиевый сплав с высоким содержанием кремния. На основе контроля содержания элементов Cu и Mg следует добавлять редкоземельные элементы или оксиды редкоземельных элементов для снижения износостойкости. Улучшить комплексные свойства алюминиевых сплавов, литых под давлением;

3) Использование технологии микродугового окисления может локально укрепить внутреннюю шестерню корпуса трансмиссии из алюминиевого сплава для транспортных средств на новых источниках энергии, чтобы сформировать твердый и толстый слой оксида алюминия, который может удовлетворить требования к внутренней шестерне и легко достичь. Индустриальное производство.