Преимущества технологии литья под давлением в производстве

В 2020 году была выпущена «Дорожная карта 2.0 по энергосбережению и новым энергетическим транспортным технологиям» компании China Automobile. В 2025, 2030 и 2035 годах средний расход топлива новых легковых автомобилей достигнет 4,6, 3,2 и 2,0 л/100 км, а стандарты энергосбережения и снижения выбросов будут продолжать повышаться. По данным Buhler China, каждые 10% снижения веса автомобиля позволяют сэкономить до 5–10% топлива, а каждые 100 кг снижения веса автомобиля позволяют снизить расход топлива на 0,3–0,6 л на 100 км и сократить выбросы CO2 на 8,5 г/км, средний запас хода электромобилей увеличится на 5–8% на каждые 10% снижения качества автомобиля. Таким образом, облегчение автомобилей стало ключевой технологией развития в области энергосбережения и сокращения выбросов. Основным техническим способом достижения легкости транспортных средств на новых источниках энергии является комплексное литье под давлением кузовов из алюминиевых сплавов.
1
Текущая ситуация в области комплексного литья под давлением алюминиевых сплавов
В июле 2019 года Tesla выпустила новый патент «Многонаправленная машина для интегрального формования кузова для автомобильных рам и соответствующие методы литья». В этом методе набор фиксированных форм размещается в центре, а четыре набора подвижных форм размещаются в четырех разных направлениях. Подвижные формы соответственно прикреплены к неподвижным формам в центре с помощью гидравлического оборудования, образуя вместе закрытую полость. Жидкость из алюминиевого сплава вдавливается в полость формы из литников на четырех движущихся формах соответственно, а алюминиевый сплав течет и затвердевает в полости и, наконец, образует крупномасштабную интегрированную конструкционную деталь, отлитую под давлением.

Тесла является основателем комплексного литья под давлением алюминиевых сплавов для крупногабаритных автомобильных деталей. Компоновку комплексного литья под давлением можно разделить на три этапа. Первый этап: Модель S/X имеет полностью алюминиевый кузов, изготовленный с использованием традиционного процесса штамповки и сварки. Полная разработка автомобиля; второй этап: в модели Y используется машина для литья под давлением мощностью 6 000 тонн для изготовления заднего пола, что позволяет снизить вес нижней части кузова на 10% и снизить себестоимость производства на 40%; третий этап: интегрированная литая под давлением нижняя часть кузова, передняя и задняя интеграция кузова (количество деталей уменьшено со 171 до 2, а количество точек сварки уменьшено более чем на 1 600) и 4 680 аккумуляторных элементов CTC ( аккумуляторный блок интегрирован в кузов автомобиля и напрямую подсоединен к сиденью), вес автомобиля уменьшен на 10%, запас хода увеличился на 14%, количество деталей уменьшилось на 370, стоимость снизилась на 7%, а паевые инвестиции снизились на 8%. В настоящее время он находится в серийном производстве на заводе в Остине, штат Техас.

В 2020 году Tesla начала сотрудничать с итальянским производителем оборудования для литья под давлением Idra, чтобы использовать установку литья под давлением Giga Press мощностью 6000 тонн для производства узла заднего пола Model Y методом интегрального литья под давлением. Согласно плану Tesla, два комплекта комплексного оборудования для литья под давлением Idra IDRA6000t из Италии установлены на заводе во Фримонте в Калифорнии, три комплекта комплексного оборудования для литья под давлением серии LK DCC6000 установлены в Шанхае и один комплект IDRA 8000t класса. На заводе в Техасе установлено комплексное оборудование для литья под давлением. Что касается оборудования для литья под давлением, запланированная производственная мощность берлинского завода составляет 500 000 автомобилей, и будет установлено 8 комплексных установок для литья под давлением. Имея четыре завода и 14 интегрированных установок для литья под давлением, Tesla внедрила интегрированную технологию литья под давлением в качестве стандартного процесса.

Volkswagen планирует начать применять интегрированное литье под давлением на платформе SSP (Scalable Systems Platform). По данным Online EV, в мае 2022 года прототип интегрированной алюминиевой задней части кузова Volkswagen сойдет с производственной линии на заводе в Касселе. Детали производятся на машине для литья под давлением мощностью 4 400 тонн, которая объединяет более 30 деталей и снижает вес примерно на 10 кг. Trinity — одна из первых моделей на платформе SSP.

По данным Auto-evolution News, Volvo объявила об инвестициях в размере 20 миллиардов шведских крон в модернизацию своего завода в Торсланде, включая интегрированную технологию литья под давлением. Компания также построит завод по литью алюминия годовой мощностью 55 000 тонн в Торсланде и в конечном итоге планирует внедрить интегрированную технологию литья под давлением на всех своих заводах. Ожидается, что к 2025 году начнется массовое производство автомобилей комплексного литья под давлением.

В январе 2022 года Mercedes-Benz выпустил новый концепт-кар VISIONEQXX. В задней части корпуса и верхней части амортизирующей башни спереди используются те же структурные компоненты бионической инженерии, что и у Tesla. Весь корпус состоит из трех частей: отлитой под давлением передней и задней частей, а также структурного аккумуляторного блока посередине. Такая конструкция позволяет снизить вес кузова автомобиля на 15–20%. Потребление энергии VISION EQXX может достигать менее 10 кВт·ч/100 км, а фактический пробег на электротяге превышает 1000 км.

Среди новых отечественных сил в декабре 2021 года NIO объявила на пресс-конференции ET5, что начнет использовать интегрированный процесс литья. В ET5 используется сверхпрочный стально-алюминиевый гибридный кузов, который снижает вес задней части кузова на 30% и увеличивает объем багажника на 7 литров. , крутильная жесткость автомобиля достигает 34 000 Н·м/град.

На конференции по производительности 2021 года Xiaopeng Motors объявила, что выпустит две новые платформы и свою первую модель в 2023 году, а также будет использовать новый сверхкрупный интегрированный процесс литья под давлением. Ожидается, что проект промышленной базы Xiaopeng Motors в Ухане будет введен в эксплуатацию в октябре 2022 года, включая интегрированный цех литья под давлением. Завод Xpeng Motors в Ухане также представит несколько комплектов сверхбольших участков для литья под давлением и автоматизированных производственных линий.

25 февраля 2022 года интегрированная сверхбольшая задняя кабина грузоподъемностью 7200 тонн, отлитая под давлением, совместно разработанная Gaohe Automobile и Tuopu Group, успешно сошла с конвейера. В этой детали используется сплав Шанхайского университета Цзяо Тонг, что позволяет снизить вес на 15–20%, а весь цикл разработки сокращается на одну треть. Эта машина для литья под давлением является крупнейшей из известных комплексных машин для литья под давлением алюминиевых сплавов в области автозапчастей. Многие отечественные поставщики ускорили темпы внедрения крупномасштабного оборудования для литья под давлением и разработки безтермических материалов и вошли в индустрию комплексного литья под давлением.

2 барьера на пути к интегрированной технологии литья под давлением

В настоящее время барьеры на пути интегрированной технологии литья под давлением в основном отражаются в четырех аспектах: крупномасштабные машины для литья под давлением, формула материала из термостойкого алюминиевого сплава, конструкция формы для литья под давлением и процесс вакуумного литья под давлением.

2.1 Большая машина для литья под давлением

Крупномасштабная индустрия машин для литья под давлением имеет высокие входные барьеры и высокие требования к теории, опыту и производственным процессам. В то же время цикл разработки крупномасштабных машин для литья под давлением очень длительный, с большими первоначальными инвестициями и высокими затратами (на одну машину для литья под давлением требуется в среднем 100 миллионов юаней). Комплексное литье под давлением требует, чтобы усилие смыкания машины для литья под давлением было как минимум более 6000 т (усилие смыкания при традиционном литье под высоким давлением обычно ниже 5000 т). В октябре 2021 года компания Buhler, Швейцария, выпустила сверхбольшую двухплитную машину для литья под давлением Carat 840/920 (рис. 2) с усилием смыкания до 92 000 кН. Два комплекта островков для литья под давлением Carat 840 были доставлены на завод Volvo в Торсланде для реализации комплексного литья под давлением. Машина для литья под давлением OL6200CS, разработанная итальянской компанией IDRA (дочерней компанией LK), имеет длину 19,5 м, ширину 5,9 м и высоту 5,32 м, что соответствует площадке для бадминтона. Эффективный размер платформы составляет 2,35 м в длину и ширину. Пространство верстака позволяет разместить любые детали, длина, ширина и высота которых не превышает 2 м, и может обеспечить максимальное усилие зажима 6218 т. Согласно патенту, поданному швейцарской компанией Buhler в 2011 году, он может образовывать полость между литейными формами, впрыскивать в полость алюминиевую жидкость и создавать отрицательное давление в полости формы после вакуумирования, что может эффективно устранять турбулентность, вызванную литьем. . Пористость, которая помогает улучшить внутреннюю компактность отлитых под давлением деталей. LK, отечественный завод по производству машин для литья под давлением, занимает более 40% мирового рынка машин для литья под давлением. Компания взяла на себя инициативу в разработке машины для литья под давлением усилием 6000 тонн (рис. 3), а теперь разработала машину для литья под давлением мощностью 12 000 тонн. В апреле 2021 года компания Haitian Metals запустила в Чунцине Милисон первую в мире машину для литья под давлением HDC8800 t, которая может реализовать интеграцию крупных структурных деталей, таких как кузов и шасси, включая автомобили на новых источниках энергии. Скоро будет собрана и машина для литья под давлением Yizumi грузоподъемностью 7000 тонн.

2.2 Сплав для литья под высоким давлением без термообработки

Сплав без термообработки относится к специальной формуле сплава, после завершения литья под давлением отливка может получить идеальные механические свойства без термообработки и избежать деформации заготовки во время термообработки (высокотемпературный раствор и обработка старением). По состоянию на 2021 год отечественные и зарубежные компании, в том числе Alcoa, Rheinland, Tesla, Шанхайский университет Цзяотун, NIO и Lizhong Group, разрабатывают и продвигают безтермические материалы, которые делают возможным комплексное литье под давлением.

Продукт Alcoa представляет собой алюминиевый сплав AI-Si, отлитый под давлением, серии EZCAST C611, который был успешно разработан Alcoa в 1990-х годах и применен для изготовления полностью алюминиевого кузова Audi A8. Shuaiyichi Group подписала эксклюзивное агентское соглашение с Alcoa о представлении высокопрочных, жаропрочных литых алюминиевых сплавов Alcoa. Кроме того, немецкая компания Rheinmetall также разработала термостойкие высокопрочные и вязкие сплавы серии Al-Si и серии Al-Mg, такие как алюминиевые сплавы для литья под давлением Castasil-37; Канадская алюминиевая корпорация разработала алюминиевые сплавы для литья под давлением, такие как материал Aural-2 и Aural-3. Материал из термостойкого сплава ЛДХМ-02, разработанный Lizhong Group, получил соответствующие патенты и поставляется серийно. Согласно последнему соответствующему патенту «Высокопрочный и жесткий безтермический материал из алюминиевого сплава и метод его получения», поданному в заявке дочерней компании Lizhong Group, материал из алюминиевого сплава, разработанный компанией, имеет предел текучести 130 МПа. прочность на разрыв 250 МПа и степень удлинения 250 МПа. Более 10%, чтобы удовлетворить потребности клиентов, Lizhong Group достигла стратегического сотрудничества с Wencan. В декабре 2021 года Центр легких сплавов Шанхайского университета Цзяотун и Human Horizons Gaohe Automobile заключили соглашение о стратегическом сотрудничестве: первый в мире низкоуглеродистый алюминиевый сплав Tech CastTM для сверхбольших отливок, который будет использоваться в больших количествах в последующих моделях Gaohe Automobile. .

Состав и технология получения безтермических сплавов сложны и имеют высокие технические барьеры. Среди них дизайн состава сплавов является основным техническим барьером на пути разработки жаропрочных сплавов. Обычно используемыми алюминиевыми сплавами для литья под давлением являются серии Al-Si, серии Al-Mg, серии Al-Si-Cu и серии Al-Si-Mg. Распределение основных компонентов влияет на механические свойства сплава, такие как прочность и твердость, и в то же время влияет на текучесть, затвердевание и т. д. характеристики литья.

Сплав SJTU-A-Mg-Si-Mn представляет собой сплав для литья под давлением, не требующий термической обработки, разработанный Шанхайским университетом Цзяотун. Его цель — повысить предел текучести при сохранении хорошей ударной вязкости материала. Современные сплавы серии Al-Si и серии Al-Mg обычно имеют среднюю прочность и вязкость. В связи с постоянным улучшением требований к интеграции и легкости конструкционных деталей из алюминиевых сплавов, отлитых под давлением, разработка новых сплавов для литья под давлением должна быть направлена ​​на повышение предела текучести или вязкости при хорошем направлении текучести литья.

2.3 Форма для литья под давлением

Интегрированное литье под давлением предъявляет более высокие требования к прочности и ударной вязкости формы, а также требует ударной вязкости и стабильности отпуска, хорошей теплопроводности и усталостной прочности, небольшого коэффициента теплового расширения и

устойчивость к высокотемпературному окислению. Литье под давлением требует высокоскоростного заполнения и высокоскоростного затвердевания, а требования к температуре формы для литья под давлением, степени вакуума, схеме формования, параметрам процесса и последующей обработке выше. Для комплексного литья под давлением требуется большая форма, форма более сложная, а конструкция формы более сложная. При проектировании формы необходимо спроектировать систему выхлопа и сбора шлака, а для моделирования процесса наполнения необходимо использовать технологию моделирования CAE. Плохой выхлоп приведет к появлению пор в деталях и образованию отходов. Когда деталь охлаждается после литья под давлением, размер уменьшается. Необходимо точно смоделировать процесс охлаждения отливки, установить подающий стояк на детали окончательного охлаждения и избегать термических островов, иначе в процессе охлаждающей усадки в детали возникнут усадочные полости, пористость, трещины. Производители конструкций пресс-форм должны иметь возможность моделировать и анализировать заполнение форм для литья под давлением. Это могут сделать только несколько отечественных интегрированных форм для литья под давлением, таких как Guangzhou Cavity, Ningbo Zhenzhi, Feiwang, Beilun Saiweida, Xiangshan Heli, Beilun Zhenzhi и т. д. Набор форм может поддерживать от 60 000 до 80 000 комплектов производственной мощности в год. а цена за единицу каждого комплекта форм составляет около 10 миллионов юаней. Первый комплект сверхкрупных интегрированных форм для литья под давлением из алюминиевого сплава емкостью 6 800 тонн в Китае был успешно изготовлен в ходе испытаний в компании Hongtu Technology. Форма разработана независимой компанией Guangzhou Cavity Mold, а вес формы превышает 140 тонн. Интегрированные конструктивные детали автомобильного шасси компании Guangdong Hongtu изготовлены из высокопрочных, вязких и термостойких алюминиевых сплавов собственной разработки. Размер отливки составляет около 1,7 м в длину, 1,5 м в ширину и 0,7 м в высоту, вес заливки около 100 кг. В настоящее время это самый крупный алюминиевый сплав. Одна из отливок с высокой прочностью и вязкостью. Первая партия Wencan Group из крупномасштабных интегрированных литых под давлением деталей заднего пола объемом 9 000 тонн была успешно сошла с производственной линии в Тяньцзине, а формы были предоставлены компанией Ningbo Saiweida. В настоящее время Saivida и Heli Technology разрабатывают пресс-формы емкостью 12 000–20 000 тонн для изготовления цельных деталей кузова.

2.4 Процесс литья под давлением

Интегрированное литье под давлением на самом деле представляет собой систему управления высоким вакуумом, добавленную к процессу вакуумного литья под давлением, которая требует высокоточных датчиков для управления процессом вакуумирования. Технологический процесс состоит из закрытия формы, заливки, открытия вакуума, вакуумирования и вакуумирования полости, впрыска, открытия формы, подбора, распыления, повторного закрытия формы и т. д. В процессе литья под давлением вакуумный резервуар, выпускной клапан заливки и Выпускной клапан полости контролируется высокоточными датчиками вакуума, а четыре точки контакта срабатывают при настройке параметров: начало разливки вакуума, окончание разливки вакуума, начало вакуума полости и полость вакуумируется. Высокоскоростное заполнение литья под давлением легко может привести к невозможности полного сброса газа в барокамеру или полость. Газ, содержащийся в расплавленном металле, будет существовать в отливке в виде пор, которые не поддаются сварке и снижают механические свойства. Поэтому комплексное литье под давлением должно быть оснащено системой вакуумирования полости. система. Процесс литья под давлением очень важен для производства качественных деталей. Для различных структур деталей параметры процесса литья под давлением необходимо отлаживать и исследовать в течение длительного времени. Правильный режим впрыска и параметры литья под давлением способствуют снижению дефектности отливок. Большая часть газа при литье под давлением поступает из металлической жидкости на этапе предварительного заполнения в камере давления, необходимо неоднократно оптимизировать параметры медленного впрыска, чтобы избежать попадания газа в расплавленный металл во время процесса литья под давлением. . Для выплавки сплавов и дегидрирующей обработки необходимо использовать в процессе плавки электролитические металлические ингредиенты высокой чистоты во избежание загрязнения металлическими примесями; во время плавки, чтобы предотвратить окисление и сегрегацию расплавленного металла, его необходимо быстро расплавить, а расплавленный алюминий необходимо дегидрировать и удалить шлак после плавления. Для обработки обычно используется газообразный азот или аргон для удаления водорода, а время удаления водорода составляет 10–15 минут, что эквивалентно AlSi10MnMg. Время выдержки не должно быть слишком длительным во избежание горения модификации Sr. Температура плавления составляет (730±10) °С и не должна превышать 780 °С. Метод разливки обычно предполагает впрыскивание через дно, чтобы избежать дефектов включений в отливках. Необходимо проверить время распыления, угол и дальность распыления, количество распыления, угол обдува и выбор типа разделительного агента (малое газообразование, хорошая летучесть). Перед закрытием формы в полости не должно быть остаточной влаги. Температура литья под давлением составляет 700–710 ℃, что примерно на 20 ℃ выше, чем у AlSi10MnMg. Для контроля температуры формы необходимо использовать специальный регулятор температуры формы, а температура формы обычно контролируется на уровне 120 ~ 180 ℃. В процессе литья под давлением необходимо вовремя запустить систему вакуумной откачки. После того, как пуансон запечатает литник, следует немедленно начать вакуумную откачку. Прежде чем камера давления заполнится, необходимо достичь степени вакуума. Время вакуумной откачки должно быть максимально увеличено, а вакуумный клапан должен быть закрыт как можно позже. Качество интегрированных деталей, отлитых под давлением, очень важно, а вакуумный клапан в основном зависит от импорта. Процент прохождения первого интегрированного литья под давлением Tesla составлял 65–72%, а валовая прибыль могла достигать 30%. После пересмотра стандарта качества литья в феврале 2022 года процент прохождения достиг более 80%.

 

3 Заключение
Интегрированный процесс литья под давлением алюминиевых сплавов является важнейшей революционной технологией в производстве деталей автомобильных конструкций. За последние 50 лет в процессе производства автомобильных кузовов всегда доминировала роботизированная сварка после штамповки листового металла. Интегрированная технология литья под давлением привела к серьезным изменениям в процессе производства автомобильных кузовов. Машины для литья под давлением заменят сварочных роботов в качестве основного оборудования для производства автомобилей в новой энергетической сфере. В рамках продвижения цели «двойного углерода» интегрированная технология литья под давлением имеет очевидные преимущества с точки зрения эффективности производства, снижения затрат и уменьшения веса. Комплексное проектирование и производство литья под давлением алюминиевых сплавов представляет собой комплексную интегрированную технологию с высокими техническими барьерами, включая разработку и применение программного обеспечения, проектирование структуры компонентов, разработку безтермических материалов, процесс формования литьем под давлением, производительность установки литья под давлением и крупномасштабный дизайн пресс-формы. инновации. В частности, при проектировании и изготовлении пресс-форм следует учитывать не только текучесть литейных материалов, тепловой баланс, срок службы формы, процесс формования деталей и обеспечение качества, но также учитывать оптимизацию технологии последующей обработки деталей. «Интегрированный процесс и оборудование для литья под давлением» были включены в национальный ключевой план исследований и разработок. Постоянное развитие индустрии транспортных средств на новых источниках энергии будет в значительной степени способствовать развитию технологии комплексного литья под давлением алюминиевых сплавов, а комплексное литье под давлением из алюминиевых сплавов станет предпочтительным производственным процессом для компаний, производящих автомобили на новых источниках энергии.