מחקר יישומי של סגסוגת אלומיניום על משאיות מסוג קופסא

1. מבוא

משקל קל לרכב החל במדינות מפותחות והובל בתחילה על ידי ענקיות רכב מסורתיות. עם פיתוח מתמשך, הוא צבר תאוצה משמעותית. מהתקופה שבה השתמשו ההודים לראשונה בסגסוגת אלומיניום לייצור גל ארכובה לרכב ועד לייצור ההמוני הראשון של אודי של מכוניות אלומיניום ב-1999, סגסוגת האלומיניום ראתה צמיחה חזקה ביישומי רכב בשל יתרונותיה כגון צפיפות נמוכה, חוזק ספציפי וקשיחות גבוהה, גמישות טובה ועמידות בפני פגיעות, יכולת מיחזור גבוהה וקצב התחדשות גבוה. עד 2015, שיעור היישום של סגסוגת אלומיניום במכוניות כבר עלה על 35%.

משקל הרכב הקל של סין התחיל לפני פחות מ-10 שנים, והן הטכנולוגיה והן רמת היישום בפיגור מאחורי מדינות מפותחות כמו גרמניה, ארצות הברית ויפן. עם זאת, עם הפיתוח של רכבי אנרגיה חדשים, קל משקל החומר מתקדם במהירות. תוך מינוף עלייתם של רכבי אנרגיה חדשים, טכנולוגיית קל משקל הרכב של סין מציגה מגמה של השגת מדינות מפותחות.

שוק החומרים הקלים של סין הוא עצום. מצד אחד, בהשוואה למדינות מפותחות בחו"ל, טכנולוגיית קלת המשקל של סין התחילה מאוחר, ומשקל העצמי הכולל של הרכב גדול יותר. בהתחשב במדד של פרופורציה של חומרים קלים במדינות זרות, עדיין יש מספיק מקום לפיתוח בסין. מצד שני, מונע על ידי מדיניות, ההתפתחות המהירה של תעשיית רכב האנרגיה החדשה של סין תגביר את הביקוש לחומרים קלים ויעודד חברות רכב להתקדם לכיוון קל משקל.

השיפור בתקני הפליטה וצריכת הדלק מאלץ את האצה של קלקול הרכב. סין יישמה במלואה את תקני הפליטה של ​​China VI בשנת 2020. על פי "שיטת הערכה ואינדיקטורים לצריכת דלק של מכוניות נוסעים" ו"מפת הדרכים של טכנולוגיית חיסכון באנרגיה ואנרגיה חדשה", תקן צריכת הדלק של 5.0 ליטר/ק"מ. בהתחשב בשטח המצומצם לפריצות דרך משמעותיות בטכנולוגיית המנוע והפחתת פליטות, אימוץ אמצעים לרכיבי רכב קלים יכול להפחית ביעילות את פליטת פליטת הרכב ואת צריכת הדלק. קל משקל של רכבי אנרגיה חדשים הפך לנתיב חיוני לפיתוח התעשייה.

בשנת 2016, החברה להנדסת רכב בסין פרסמה את "מפת הדרכים לחיסכון באנרגיה וטכנולוגיית אנרגיה חדשה לרכב", שתכננה גורמים כמו צריכת אנרגיה, טווח שיוט וייצור חומרים לרכבי אנרגיה חדשים מ-2020 עד 2030. משקל קל יהיה כיוון מרכזי. לפיתוח עתידי של רכבי אנרגיה חדשים. משקל קל יכול להגדיל את טווח השיוט ולטפל ב"חרדת טווח" ברכבי אנרגיה חדשים. עם הביקוש הגובר לטווח שיוט מורחב, קל משקל רכב הופך להיות דחוף, והמכירות של רכבי אנרגיה חדשים גדלו משמעותית בשנים האחרונות. על פי דרישות שיטת הניקוד ו"תוכנית הפיתוח לטווח בינוני-ארוך לתעשיית הרכב", ההערכה היא שעד שנת 2025, מכירות סין של רכבי אנרגיה חדשים יעלו על 6 מיליון יחידות, עם גידול שנתי מורכב. שיעור העולה על 38%.

2. מאפיינים ויישומים של סגסוגת אלומיניום

2.1 מאפיינים של סגסוגת אלומיניום

צפיפות האלומיניום היא שליש מזו של פלדה, מה שהופך אותו לקלה יותר. יש לו חוזק ספציפי גבוה יותר, יכולת שחול טובה, עמידות בפני קורוזיה חזקה ויכולת מיחזור גבוהה. סגסוגות אלומיניום מאופיינות בכך שהן מורכבות בעיקר ממגנזיום, מציגות עמידות טובה בחום, תכונות ריתוך טובות, חוזק עייפות טוב, חוסר יכולת להתחזק על ידי טיפול בחום, ויכולת להגביר חוזק באמצעות עבודה קרה. סדרת 6 מאופיינת בכך שהיא מורכבת בעיקר ממגנזיום וסיליקון, כאשר Mg2Si הוא שלב החיזוק העיקרי. הסגסוגות הנפוצות ביותר בקטגוריה זו הן 6063, 6061 ו-6005A. פלטת אלומיניום 5052 היא לוחית אלומיניום מסגסוגת מסדרת AL-Mg, עם מגנזיום כאלמנט הסגסוג העיקרי. זוהי סגסוגת האלומיניום נגד חלודה הנפוצה ביותר. לסגסוגת זו חוזק גבוה, חוזק עייפות גבוה, פלסטיות טובה ועמידות בפני קורוזיה, לא ניתנת לחיזוק על ידי טיפול בחום, בעלת פלסטיות טובה בהתקשות עבודה קרה למחצה, פלסטיות נמוכה בהתקשות בעבודה קרה, עמידות טובה בפני קורוזיה ותכונות ריתוך טובות. הוא משמש בעיקר לרכיבים כגון לוחות צד, כיסויי גג ולוחות דלתות. סגסוגת אלומיניום 6063 היא סגסוגת חיזוק הניתנת לטיפול בחום בסדרת AL-Mg-Si, עם מגנזיום וסיליקון כמרכיבי הסגסוג העיקריים. זהו פרופיל סגסוגת אלומיניום מחזק הניתן לטיפול בחום בעל חוזק בינוני, המשמש בעיקר ברכיבים מבניים כגון עמודים ולוחות צד לשאת חוזק. מבוא לדרגות סגסוגת אלומיניום מוצג בטבלה 1.

2.2 שחול היא שיטת גיבוש חשובה של סגסוגת אלומיניום

שחול מסגסוגת אלומיניום היא שיטת יצירה חמה, וכל תהליך הייצור כולל יצירת סגסוגת אלומיניום תחת לחץ דחיסה תלת כיווני. ניתן לתאר את כל תהליך הייצור באופן הבא: א. אלומיניום וסגסוגות אחרות נמסים ויוצקים לתוך כדורי סגסוגת אלומיניום הנדרשים; ב. הבילטים המחוממים מראש מוכנסים לציוד האקסטרוזיה לשחול. תחת פעולת הגליל הראשי, הבילט מסגסוגת האלומיניום נוצר לפרופילים הנדרשים דרך חלל התבנית; ג. על מנת לשפר את המאפיינים המכאניים של פרופילי אלומיניום, טיפול בתמיסה מתבצע במהלך או לאחר האקסטרוזיה, ולאחר מכן טיפול הזדקנות. התכונות המכניות לאחר טיפול ההזדקנות משתנות בהתאם לחומרים ומשטרי ההזדקנות השונים. מצב הטיפול בחום של פרופילי משאיות מסוג קופסה מוצג בטבלה 2.

למוצרי שחול מסגסוגת אלומיניום יש מספר יתרונות על פני שיטות גיבוש אחרות:

א. במהלך האקסטרוזיה, המתכת שחולצה משיגה מתח דחיסה תלת כיווני חזק ואחיד יותר באזור העיוות מאשר גלגול וחישול, כך שהיא יכולה לשחק באופן מלא את הפלסטיות של המתכת המעובדת. זה יכול לשמש לעיבוד מתכות קשות לעיוות שלא ניתן לעבד על ידי גלגול או חישול וניתן להשתמש בו לייצור רכיבי חתך חלולים או מוצקים שונים ומורכבים.

ב. מכיוון שניתן לגוון את הגיאומטריה של פרופילי אלומיניום, לרכיבים שלהם קשיחות גבוהה, מה שיכול לשפר את קשיחות מרכב הרכב, להפחית את מאפייני ה-NVH שלו ולשפר את מאפייני הבקרה הדינמיים של הרכב.

ג. למוצרים בעלי יעילות אקסטרוזיה, לאחר כיבוי ויישון, יש חוזק אורכי גבוה משמעותית (R, Raz) מאשר למוצרים המעובדים בשיטות אחרות.

ד. פני השטח של מוצרים לאחר שחול הם בעלי צבע טוב ועמידות בפני קורוזיה טובה, מה שמבטל את הצורך בטיפול משטח אחר נגד קורוזיה.

ה. לעיבוד שחול יש גמישות רבה, עלויות נמוכות של כלי עבודה ועובש, ועלויות נמוכות של שינוי עיצובי.

ו. בשל יכולת השליטה של ​​חתכי פרופיל אלומיניום, ניתן להגדיל את מידת שילוב הרכיבים, להפחית את מספר הרכיבים, ועיצובי חתך שונים יכולים להשיג מיקום ריתוך מדויק.

השוואת הביצועים בין פרופילי אלומיניום משופשפים למשאיות מסוג קופסה ופלדת פחמן רגילה מוצגת בטבלה 3.

כיוון הפיתוח הבא של פרופילי סגסוגת אלומיניום למשאיות מסוג קופסאות: שיפור נוסף בחוזק הפרופיל ושיפור ביצועי האקסטרוזיה. כיוון המחקר של חומרים חדשים עבור פרופילי סגסוגת אלומיניום למשאיות מסוג קופסה מוצג באיור 1.

3. מבנה משאית סגסוגת אלומיניום, ניתוח חוזק ואימות

מבנה משאית 3.1 סגסוגת אלומיניום

מיכל משאית הארגז מורכב בעיקר ממכלול פאנל קדמי, מכלול פאנל צד שמאל וימין, מכלול לוח צד דלת אחורית, מכלול רצפה, מכלול גג, כמו גם ברגים בצורת U, מגני צד, מגנים אחוריים, דשי בוץ ואביזרים אחרים מחובר לשלדה מחלקה ב'. קורות גוף, עמודים, קורות צד ולוחות דלתות של גוף התיבה עשויים מפרופילים מחולצים מסגסוגת אלומיניום, ואילו לוחות הרצפה והגג עשויים מלוחות שטוחים מסגסוגת אלומיניום 5052. המבנה של משאית קופסת סגסוגת אלומיניום מוצג באיור 2.

שימוש בתהליך האקסטרוזיה החמה של סגסוגת האלומיניום מסדרה 6 יכול ליצור חתכים חלולים מורכבים, עיצוב של פרופילי אלומיניום עם חתכים מורכבים יכול לחסוך בחומרים, לעמוד בדרישות חוזק וקשיחות המוצר, ולעמוד בדרישות של חיבור הדדי בין רכיבים שונים. לכן, מבנה התכנון של הקורה הראשית ומומנטי החתך של האינרציה I ומומנטי ההתנגדות W מוצגים באיור 3.

השוואה של הנתונים העיקריים בטבלה 4 מראה כי מומנטי האינרציה החתכיים ומומנטי ההתנגדות של פרופיל האלומיניום המעוצב טובים יותר מהנתונים המקבילים של פרופיל הקורה מתוצרת ברזל. נתוני מקדם הקשיחות זהים בערך לאלו של פרופיל הקורה המתאים מתוצרת ברזל, וכולם עומדים בדרישות הדפורמציה.

3.2 חישוב מתח מרבי

אם לוקחים את הרכיב נושא העומס המפתח, הקורה הצולבת, כאובייקט, המתח המרבי מחושב. העומס המדורג הוא 1.5 ט', והקורה הצולבת עשויה מפרופיל סגסוגת אלומיניום 6063-T6 עם תכונות מכניות כפי שמוצג בטבלה 5. הקורה מפושטת כמבנה שלוחה לחישוב כוח, כפי שמוצג באיור 4.

אם לוקחים קרן טווח של 344 מ"מ, עומס הדחיסה על הקורה מחושב כ-F=3757 N בהתבסס על 4.5t, שהם פי שלושה מהעומס הסטטי הסטנדרטי. q=F/L

כאשר q הוא המתח הפנימי של הקורה תחת העומס, N/mm; F הוא העומס שנושא הקורה, מחושב על בסיס פי 3 מהעומס הסטטי הסטנדרטי, שהוא 4.5 ט'; L הוא אורך הקורה, מ"מ.

לכן, המתח הפנימי q הוא:

נוסחת חישוב המתח היא כדלקמן:

הרגע המקסימלי הוא:

אם לוקחים את הערך המוחלט של הרגע, M=274283 N·mm, המתח המרבי σ=M/(1.05×w)=18.78 MPa, וערך המתח המרבי σ<215 MPa, העומד בדרישות.

3.3 מאפייני חיבור של רכיבים שונים

לסגסוגת האלומיניום תכונות ריתוך גרועות, וחוזק נקודת הריתוך שלה הוא רק 60% מחוזק חומר הבסיס. בשל כיסוי שכבת Al2O3 על משטח סגסוגת האלומיניום, נקודת ההיתוך של Al2O3 גבוהה, בעוד שנקודת ההיתוך של האלומיניום נמוכה. כאשר סגסוגת אלומיניום מרותכת, יש לשבור במהירות את ה-Al2O3 על פני השטח כדי לבצע ריתוך. במקביל, השאריות של Al2O3 יישארו בתמיסת סגסוגת האלומיניום, משפיעה על מבנה סגסוגת האלומיניום ומפחיתה את חוזק נקודת הריתוך של סגסוגת האלומיניום. לכן, בעת תכנון מיכל עשוי אלומיניום, מאפיינים אלה נשקלים במלואם. ריתוך הוא שיטת המיקום העיקרית, והרכיבים הנושאים את העומס העיקריים מחוברים באמצעות ברגים. חיבורים כגון מסמרות ומבנה זנב יונים מוצגים באיורים 5 ו-6.

המבנה העיקרי של גוף קופסת האלומיניום מאמץ מבנה עם קורות אופקיות, עמודים אנכיים, קורות צד וקורות קצה המשתלבות זו בזו. ישנן ארבע נקודות חיבור בין כל קורה אופקית ועמוד אנכי. נקודות החיבור מצוידות באטמים משוננים שישתלבו עם הקצה המשונן של הקורה האופקית, ובכך למעשה מונעים החלקה. שמונה נקודות הפינה מחוברות בעיקר על ידי תוספות ליבת פלדה, קבועות עם ברגים ומסמרות נעילה עצמית, ומחוזקות על ידי לוחות אלומיניום משולשים בגודל 5 מ"מ מרותכים בתוך הקופסה כדי לחזק את עמדות הפינות הפנימיות. למראה החיצוני של הקופסה אין ריתוך או נקודות חיבור חשופות, מה שמבטיח את המראה הכללי של הקופסה.

3.4 SE Synchronous Engineering Technology

טכנולוגיית הנדסה סינכרונית של SE משמשת לפתרון הבעיות הנגרמות כתוצאה מסטיות גדולות בגודל המצטבר עבור התאמת רכיבים בגוף הקופסה והקשיים במציאת הגורמים לפערים וכשלי שטוחות. באמצעות ניתוח CAE (ראה איור 7-8), מתבצע ניתוח השוואה עם גופי קופסה מתוצרת ברזל כדי לבדוק את החוזק והקשיחות הכוללים של גוף הקופסה, למצוא נקודות תורפה ולנקוט באמצעים לייעול ולשפר את ערכת התכנון בצורה יעילה יותר. .

4. אפקט קל משקל של משאית תיבת סגסוגת אלומיניום

בנוסף לגוף הארגז, ניתן להשתמש בסגסוגות אלומיניום כדי להחליף פלדה עבור רכיבים שונים של מכולות משאיות מסוג ארגז, כגון מגני בוץ, מגנים אחוריים, מגני צד, תפסי דלת, צירי דלת וקצוות סינר אחורי, להשגת הפחתת משקל. של 30% עד 40% עבור תא המטען. אפקט הפחתת המשקל עבור מיכל מטען ריק בגודל 4080 מ"מ × 2300 מ"מ × 2200 מ"מ מוצג בטבלה 6. זה פותר ביסודו את הבעיות של משקל יתר, אי ציות להודעות וסיכונים רגולטוריים של תאי מטען מסורתיים מתוצרת ברזל.

על ידי החלפת פלדה מסורתית בסגסוגות אלומיניום עבור רכיבי רכב, לא רק שניתן להשיג אפקטי קל משקל מצוינים, אלא שהיא יכולה גם לתרום לחיסכון בדלק, הפחתת פליטת פליטות ושיפור ביצועי הרכב. כיום קיימות דעות שונות על תרומת הקלת משקל לחיסכון בדלק. תוצאות המחקר של מכון האלומיניום הבינלאומי מוצגות באיור 9. כל 10% הפחתה במשקל הרכב יכולה להפחית את צריכת הדלק ב-6% עד 8%. בהתבסס על סטטיסטיקה מקומית, הפחתת המשקל של כל מכונית נוסעים ב-100 ק"ג יכולה להפחית את צריכת הדלק ב-0.4 ליטר/100 ק"מ. התרומה של קל משקל לחיסכון בדלק מבוססת על תוצאות המתקבלות משיטות מחקר שונות, ולכן יש שונות. עם זאת, לקלות הרכב יש השפעה משמעותית על הפחתת צריכת הדלק.

עבור כלי רכב חשמליים, אפקט הקל משקל בולט עוד יותר. נכון לעכשיו, צפיפות האנרגיה של יחידת הסוללות לרכב חשמלי שונה באופן משמעותי מזו של רכבי דלק נוזלי מסורתיים. משקל מערכת החשמל (כולל הסוללה) של כלי רכב חשמליים מהווה לרוב 20% עד 30% ממשקל הרכב הכולל. במקביל, פריצת צוואר הבקבוק של הסוללות היא אתגר עולמי. לפני שיש פריצת דרך גדולה בטכנולוגיית סוללה בעלת ביצועים גבוהים, קל משקל הוא דרך יעילה לשפר את טווח השיוט של כלי רכב חשמליים. על כל ירידה של 100 ק"ג במשקל, ניתן להגדיל את טווח השיוט של כלי רכב חשמליים ב-6% עד 11% (הקשר בין הפחתת משקל וטווח שיוט מוצג באיור 10). נכון להיום, טווח השיוט של רכבים חשמליים טהורים אינו יכול לענות על הצרכים של רוב האנשים, אך הפחתת משקל בכמות מסוימת יכולה לשפר משמעותית את טווח השיוט, להקל על חרדת הטווחים ולשפר את חווית המשתמש.

5.מסקנה

בנוסף למבנה האלומיניום המלא של משאית הארגז מסגסוגת האלומיניום שהוצג במאמר זה, ישנם סוגים שונים של משאיות ארגז, כגון לוחות חלת דבש מאלומיניום, לוחות אבזם אלומיניום, מסגרות אלומיניום + עורות אלומיניום, ומיכלי מטען היברידיים מברזל-אלומיניום . יש להם את היתרונות של משקל קל, חוזק סגולי גבוה ועמידות טובה בפני קורוזיה, ואינם דורשים צבע אלקטרופורטי להגנה מפני קורוזיה, מה שמפחית את ההשפעה הסביבתית של צבע אלקטרופורטי. משאית קופסת סגסוגת אלומיניום פותרת ביסודה את הבעיות של משקל מופרז, אי ציות להודעות וסיכונים רגולטוריים של תאי מטען מסורתיים מתוצרת ברזל.

שחול היא שיטת עיבוד חיונית לסגסוגות אלומיניום, ולפרופילי אלומיניום יש תכונות מכניות מצוינות, ולכן קשיחות החתך של רכיבים גבוהה יחסית. בשל החתך המשתנה, סגסוגות אלומיניום יכולות להשיג את השילוב של מספר פונקציות של רכיבים, מה שהופך אותו לחומר טוב עבור קל משקל רכב. עם זאת, היישום הנרחב של סגסוגות אלומיניום מתמודד עם אתגרים כמו יכולת עיצוב לא מספקת עבור תאי מטען מסגסוגת אלומיניום, בעיות גיבוש וריתוך ועלויות פיתוח וקידום גבוהות של מוצרים חדשים. הסיבה העיקרית היא עדיין שסגסוגת האלומיניום עולה יותר מפלדה לפני שהאקולוגיה המיחזורית של סגסוגות האלומיניום הופכת בשלה.

לסיכום, היקף היישום של סגסוגות אלומיניום במכוניות יהפוך רחב יותר, והשימוש בהן ימשיך לגדול. במגמות הנוכחיות של חיסכון באנרגיה, הפחתת פליטות ופיתוח תעשיית רכבי האנרגיה החדשה, עם העמקת ההבנה של תכונות סגסוגת אלומיניום ופתרונות יעילים לבעיות יישומי סגסוגת אלומיניום, חומרי שחול אלומיניום יהיו בשימוש נרחב יותר בהקלת משקל רכב.

עריכה מאי ג'יאנג מ-MAT Aluminium