Introduction
La technologie de moulage sous pression intégrée-offre des avantages tels qu'une efficacité de production élevée et de faibles coûts de fabrication. Actuellement dans une phase de développement rapide, il offre le potentiel de produire plusieurs composants de grande taille, de simplifier les structures de carrosserie et de révolutionner les processus de fabrication de carrosseries [1]. Le plancher arrière moulé sous pression intégré-consolide plus de 70 pièces d'origine en un seul composant, réduisant considérablement le poids du véhicule et améliorant l'efficacité de la production. Les moules, les processus, les -machines de moulage sous pression et les-matériaux sans traitement thermique-constituent les quatre technologies de base du moulage sous pression intégré-[2-3]. Les machines de moulage sous pression-se réfèrent spécifiquement aux machines à grande échelle-avec des forces de serrage supérieures à 60 000 kN [4]. Les matériaux sans -traitement thermique-principalement utilisés aujourd'hui sont des alliages d'aluminium moulés à haute-résistance et haute-ténacité [5], connus pour leur résistance spécifique élevée, leur excellente coulabilité, leur coût modéré et leur statut de matériau principal pour les composants automobiles moulés sous pression intégrés actuels [6-7].
Les grandes pièces moulées sous pression en aluminium-sont confrontées au défi de la diminution des taux de rendement avec une complexité d'intégration croissante. Les principaux facteurs affectant les taux de qualification comprennent :
1. Qualité instable aux points de charge critiques- : les surfaces d'installation des tours d'amortisseurs, des sous-châssis et des piliers C-exigent des propriétés mécaniques élevées. Ces zones sont souvent difficiles à tester par échantillonnage, ne doivent pas contenir de pores internes dépassant les normes et doivent être exemptes de fermetures froides à l'extérieur. Notamment, la surface d'installation du pilier C- près du bord de la timonerie est sujette aux fermetures à froid.
2. Dimensions instables au niveau des surfaces de contact critiques : les surfaces d'installation des panneaux latéraux à paroi mince au niveau du bord de coulée sont susceptibles de se déformer vers l'intérieur ou vers l'extérieur, voire même de se tordre (avant vers l'extérieur, arrière vers l'extérieur). Cela compromet la stabilité après l'accouplement avec les pièces homologues et peut provoquer un désalignement des trous préformés, conduisant à un échec d'usinage [8-15].
Cette étude utilise la simulation pour prédire les défauts d'un composant de plancher arrière moulé sous pression intégré-et optimise le système de déclenchement et de trop-plein pour améliorer la qualité interne, dans le but de fournir une référence pour la conception de pièces moulées de grande taille similaires.
1 Caractéristiques structurelles et exigences techniques
Le moulage du plancher arrière constitue la section de plancher située à l'arrière de l'habitacle, intégrant des composants tels que les passages de roue arrière gauche/droite, les poutres longitudinales arrière, les traverses, les plaques de raccordement au plancher et les renforts de poutre intérieure. Le moulage a des dimensions hors tout de 1 630 mm × 1 624 mm × 666 mm, une masse de 63 kg, une épaisseur de paroi moyenne de 3 mm et une surface projetée de 23 000 cm². En raison de sa grande taille, de ses parois minces, de son encombrement important, de ses longs temps de cycle et des risques de distorsion associés au traitement thermique, un alliage d'aluminium sans -traitement thermique-est obligatoire.
Le procédé SPR (Self-Piercing Riveting) convient à l'assemblage à froid de matériaux différents en acier-aluminium [8]. Par conséquent, les extrémités avant et arrière du moulage se connectent respectivement à l'ensemble de plancher avant et de plancher arrière via SPR. Les timoneries gauche et droite peuvent également se connecter aux panneaux latéraux via SPR. Bien que ces quatre bords ne soient pas des zones porteuses principales-du plancher arrière, ils exigent une étanchéité et une intégrité de connexion élevées, correspondant aux exigences de planéité et de haute résistance-ténacité du matériau.
Exigences d’apparence : Exempt de défauts tels que des fermetures à froid, des fissures et des éclats.
Exigences de performances des matériaux (pré-cuisson) :
Emplacements SPR (échantillonnage du corps) : résistance à la traction supérieure ou égale à 215 MPa, limite d'élasticité supérieure ou égale à 115 MPa, allongement supérieur ou égal à 12 %, angle de courbure supérieur ou égal à 20 degrés.
Moitié arrière de la timonerie (légèrement inférieure) : résistance à la traction supérieure ou égale à 215 MPa, limite d'élasticité supérieure ou égale à 110 MPa, allongement supérieur ou égal à 6 %, angle de courbure supérieur ou égal à 20 degrés.
Autres domaines : Exigence d’allongement entre 6% et 12%.
Compte tenu de l'inhomogénéité inhérente des propriétés mécaniques des échantillons de corps moulés sous pression, il est difficile d'obtenir des propriétés mécaniques spécifiées partout dans les zones désignées. Par conséquent, des tests au banc sont nécessaires pour vérifier les principales performances portantes -des tours d'amortisseurs et des poutres longitudinales [9]. Les tests au banc incluent généralement des tests de durabilité et d’écrasement :
Tests de durabilité et d'écrasement dans la direction Z - : simulez la charge de l'amortisseur arrière. La charge moyenne du test de durabilité est de 11,5 kN. Sous l'écrasement dans la direction Z-, le chargement du premier-étage de 38 kN nécessite une déformation du point de chargement inférieure ou égale à 3 mm ; Le chargement de la deuxième-étape de 74 kN ne nécessite aucune fissuration au point de chargement.
Test d'écrasement dans la direction X- : simule le chargement d'une poutre longitudinale. Sous une force de chargement unilatérale supérieure ou égale à 206 kN, aucune fissuration ni déformation inférieure ou égale à 3 mm ne doit se produire au point de chargement.
2 -Conception du processus de moulage sous pression
2.1 Conception du système de contrôle
Le plancher arrière développé comporte une fenêtre de connexion de plaque de recouvrement avant à son extrémité avant. Cependant, son rapport d'aspect élevé (3,14) et son emplacement en bordure rendent le déclenchement central inadapté. Une approche de déclenchement sur un seul côté-, typique des moulages sous pression conventionnels-, a été adoptée. Sur la base des résultats de l'analyse du flux Magma, trois conceptions de canaux (S1, S2, S3) ont été optimisées séquentiellement :
Les conceptions S1 et S2 utilisaient une machine de moulage sous pression de 70 000 kN-.
La conception S3 utilisait une machine de moulage sous pression de 120 000 kN-, incorporait des optimisations structurelles mineures au corps de coulée et augmentait le diamètre du piston, le nombre d'entrées et la zone d'entrée.
2.2 Analyse de simulation de remplissage et de solidification
Le logiciel Magma a simulé le processus de moulage sous pression du plancher arrière-. Le matériau du moule était de l’acier à outils H13 ; le matériau de coulée était un alliage d'aluminium C611 à haute -résistance et haute -ténacité [1]. Ensemble de paramètres : température de fusion 680 degrés, température du piston 200 degrés, température du manchon de tir 250 degrés, température du moule 180 degrés. Les paramètres d’injection variaient selon le schéma.
Résultats de l'analyse du schéma S1 :
À la fin du-remplissage-, la position du bord de la timonerie avait la température la plus basse (~ 618,6 degrés) et s'est solidifiée en premier (fraction solide ~ 1 %). Le moulage réel nécessite une température de fusion plus élevée et une surveillance ciblée de la température de surface du moule dans cette région. En raison des variations de température des moisissures, un risque de fermeture à froid existe au bord de la timonerie de la section médiane.
Lorsque la matière fondue atteignait la moitié arrière de la cavité, la zone d'écoulement restreinte provoquait des vitesses de remplissage allant jusqu'à 60 m/s. Deux flux de matière fondue ont convergé au centre de la traverse d'extrémité. La vitesse élevée provoque un tourbillonnement de la matière fondue, créant un risque élevé de coupures à froid et de fissures, réduisant ainsi les propriétés mécaniques.
Une différence de marche significative et une paroi plus épaisse près de l'entrée de la poutre longitudinale arrière ont provoqué de grandes poches d'air isolées des deux côtés. Les trous usinés dans cette zone rendent les défauts de porosité préjudiciables au rendement.
Une fois que la matière fondue est entrée dans la poutre de seuil, la pression de coulée a augmenté régulièrement jusqu'à 30 MPa. Sur la base de la surface projetée du corps coulé (18 136 cm²), cela nécessitait une force de serrage de 69 000 kN. En considérant un facteur de sécurité de 1,2 et en incluant le système de portes (surface projetée estimée ~25 000 cm²), la force de serrage requise a atteint 90 000 kN, dépassant la capacité de la machine de 70 000 kN.
Résultats de l'analyse du schéma S2 :
L'ajout d'un coureur juste en face de la timonerie a réduit le temps de remplissage de la timonerie à 51 ms (contre . 59 ms pour S1). Le temps de remplissage global était de 86 ms.
Les turbulences dans les deux timoneries étaient plus prononcées. La teneur en gaz était la plus élevée au point de confluence de la matière fondue dans la traverse à la fin-du-remplissage, créant des risques élevés de porosité, de fissures et de défauts de retrait [7].
Le problème de flux froid dans la zone de la timonerie n’a pas été résolu efficacement.
Résultats de l'analyse du schéma S3 :
En optimisant la canalisation sur la base des schémas précédents, des puits de trop-plein ont été ajoutés au centre du bord de la timonerie et au centre de la traverse d'extrémité. La zone d'entrée a été augmentée (nécessitant une force d'injection plus élevée pour maintenir la vitesse). La force de serrage de la machine a été portée à 120 000 kN.
La température aux bords de la timonerie était inférieure à S1/S2 mais proche de la température du liquidus. La fonte a atteint les portes à 305 ms (synchronisation démarrée à partir du remplissage du biscuit), avec une vitesse maximale de 60 m/s. La cavité s'est complètement remplie en 390 ms, en 85 ms. La pression de coulée était de 40 MPa.
Sur la base de la surface projetée du système de déclenchement S3 (25 813 cm²), la pression de coulée maximale que la machine de 120 000 kN pouvait fournir était de 46,5 MPa, répondant ainsi aux exigences.
Des puits de trop-plein ajoutés à côté de la timonerie ont amélioré le piégeage de l'air par rapport au S2. La proximité de l'entrée réduit également le risque de porosité.
Le schéma S3 a été choisi pour la fabrication de moules.
3 Méthodes de test et résultats
3.1-Paramètres de moulage sous pression et méthodes de test
La production a utilisé une machine de moulage sous pression Lijin de 120 000 kN-. L'alliage était un matériau sans traitement thermique C611-- (la composition chimique répondait aux spécifications). Par rapport aux matériaux structurels AlSi10MnMg traditionnels, les alliages sans -traitement thermique-offrent une meilleure résistance à la coulée-, bénéfique pour le rivetage. La température de fusion était de 680 degrés. Le vide du moule dynamique et fixe était de 10 kPa.
Flux de processus : Pulvérisation → Soufflage-off → Fermeture du moule → Versage → Évacuation sous vide → Injection → Compression locale → Refroidissement direct/Refroidissement localisé → Ouverture du moule → Extraction par robot → Contrôle d'intégrité → Trempe à l'eau → Découpage et redressage → Marquage → Manipulation du robot → Coulée hors ligne → Ébavurage manuel → Contrôle d'apparence et dimensionnel → Transfert au processus suivant.
L'inspection qualité interne a utilisé une machine d'inspection à rayons X à 9 -axes robuste Maice FSC. Les éprouvettes de traction ont d'abord été découpées dans le corps de coulée sous forme de petites ébauches (longueur 80-100 mm, largeur 15-30 mm), puis usinées en éprouvettes de traction standard d'une longueur de jauge de 25 mm.
3.2 Contrôle qualité interne
Les résultats de l'inspection aux rayons X -n'ont montré aucun défaut de porosité significatif au niveau des zones d'entrée, de la traverse arrière ou des passages de roue latéraux du moulage du plancher arrière. La qualité interne répond aux normes ASTM E505 niveau 2. En raison de parois plus épaisses, les bossages des trous d'usinage étaient sujets à la porosité, ce qui nécessitait des contrôles supplémentaires pour détecter les pores exposés et le respect des normes d'apparence. Des tests de rétention de charge pour les inserts filetés ou les vis autotaraudeuses - ont été effectués à l'aide d'une machine d'essai de traction CMT5305.
3.3 Propriétés mécaniques en traction issues de l'échantillonnage du corps
Les propriétés mécaniques ont été testées à 39 endroits sur le corps de coulée. Les points d'échantillonnage étaient répartis symétriquement (L : côté gauche du corps, R : côté droit du corps), couvrant des zones clés :
Positions 1-10 : Bord de la timonerie (bord de rivetage latéral).
Positions 11-20 : Section médiane de la timonerie.
Positions 21 à 23 : zone d'entrée (bord de rivetage de l'assemblage du plancher arrière).
Positions 31-34 : Bord de connexion de la plaque de recouvrement avant.
Positions 35-37 : Bord de rivetage du plancher avant en fin-de remplissage.
Résultats:
La résistance à la traction (TS) et la limite d'élasticité (YS) étaient relativement stables d'un endroit à l'autre. La TS moyenne était de 237 MPa ; la YS moyenne était de 118,9 MPa.
L'allongement variait considérablement selon l'emplacement, avec une moyenne de seulement 6,5 %, avec certains points inférieurs à 6 %. La valeur moyenne de l'allongement est influencée par le lieu et la quantité d'échantillonnage et sert uniquement de référence [9]. A titre de comparaison, un autre plancher arrière utilisant le même matériau a atteint un allongement moyen de 9 %.
Sur la base des exigences de développement initiales du client, les propriétés du corps (en particulier l'allongement à certains endroits) n'ont pas pu être entièrement satisfaites. Par conséquent, les résultats des prélèvements corporels ne peuvent à eux seuls constituer le seul critère de qualification du produit. La performance globale doit être jugée sur la base de tests au banc et des résultats de validation complets du véhicule.
4 Conclusion
(1) Le logiciel Magma a été utilisé pour concevoir et optimiser le système de déclenchement du plancher arrière moulé en alliage d'aluminium C611. La simulation a révélé que des variations significatives de l'épaisseur des parois dans les zones de marche, combinées à une faible température de fusion traversant ces zones, créent des risques d'emprisonnement d'air, de fermetures à froid et de fissures. L'analyse de la pression de remplissage dans la région de la traverse d'extrémité a indiqué qu'une machine de moulage sous pression avec une force de serrage supérieure à 90 000 kN est nécessaire pour le formage complet du plancher arrière.
(2) La sélection d'une machine de moulage sous pression de 120 000 kN-pour la production, associée à une optimisation basée sur la simulation-, a efficacement éliminé les défauts de porosité et de porosité de retrait. Cependant, les fissures susceptibles de se produire dans les zones de transition structurelles et dans les zones présentant des variations importantes d'épaisseur de paroi ont eu un impact sur les propriétés mécaniques. La limite d'élasticité moyenne, la résistance à la traction et l'allongement des éprouvettes découpées dans le corps moulé du plancher arrière C611 étaient respectivement de 118,9 MPa, 237 MPa et 6,5 %, répondant essentiellement aux principaux objectifs de conception (TS supérieur ou égal à 215 MPa, YS supérieur ou égal à 115 MPa, allongement supérieur ou égal à 6 %).
(3) Par rapport aux processus de formage traditionnels tels que le rivetage et l'estampage, le plancher arrière moulé sous pression intégré-a permis une réduction de poids supérieure à 10 %. L'adoption future de machines de moulage sous pression de 200 000 kN{{6}est prometteuse pour parvenir à une fabrication à cycle court-, à faible-coût et à haute-résistance/haute-ténacité de pièces moulées intégrées pour carrosserie automobile.
