ШТАМП ДЛЯ ЖИДКОЙ ШТАМПОВКИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ КАРКАСА КУЗОВА И ВНУТРЕННИХ ПАНЕЛЕЙ НАВЕСНЫХ ДЕТАЛЕЙ КАРКАСА КУЗОВА ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО РАСПЛАВА

Штамп для жидкой штамповки крупногабаритных пространственных деталей каркаса кузова и внутренних навесных деталей из алюминиевого расплава относится к машиностроению, в частности к автомобильной промышленности.
Известны устройства изготовления деталей легкового автомобиля штамповкой из тонколистового малоуглеродистого проката в штампах, которые являются аналогом (Осипов, А.Ф. Контроль процесса вытяжки крупногабаритных деталей /А.Ф. Осипов// Кузнечно-штамповочное производство. - 2003. - №1. С. 44-45).
Известны штампы изготовления деталей легкового автомобиля штамповкой из тонколистового алюминиевого проката в штампах, которые также являются аналогом (Пути снижения массы автомобиля/ Автомобильная интернет-газета // Семь Верст. COPY RGHT© 7VERST 1999. Audi А2 с полностью алюминиевым кузовом).
Известные аналоги имеют недостаток это низкий коэффициент использования материала, средний коэффициент использования материала (КИМ) при холодной листовой штамповке деталей кузова легкового автомобиля равен 0,55;
Известен прототип, литье заготовки детали жидкой штамповкой из дозированного алюминиевого расплава, поданного в подогреваемую матрицу штампа, формуют пуансоном до полного смыкания и кристаллизации отформованной отливки после отключения подогрева штампа (Кирдеев Ю.П., Белоусов И.Я., Ракогон А.И. Изготовление деталей с высокими тонкими стенками штамповкой и кристаллизующего алюминия // Кузнечноштамповочное производство. 2002. №3, 9-11). Недостатком этого прототипа является литье штамповкой малогабаритных отливок деталей.
Известен прототип, литье заготовки детали податливом пуансоном (Патент ПМ RU 165940, автор Осипов А.Ф.) с изменением объема формы за счет пружинения частей пуансона, то есть убрать усадочные напряжения в стенки отливки от кристаллизации, остывания влияющих на обтягивающие силы и как следствие образования трещин и затруднительный съем отливки с пуансона. Недостатком этого прототипа литье штамповкой непосредственно в расплаве алюминия, путем опускания матрицы в ванную с расплавом алюминия.
Задачей заявляемого технического решения штампа для жидкой штамповки крупногабаритных пространственных деталей каркаса кузова и внутренних навесных деталей из алюминиевого расплава заключается в расширении арсенала технических средств в области изготовления деталей кузова из алюминия и его сплава литья жидкой штамповкой с высоким (КИМ) коэффициентом использования материала, более 0,93, разработка новой технологии в области изготовления деталей кузова из алюминия и его сплава литья жидкой штамповкой, которая дает преимущество перед листовой штамповкой из стального автолиста: легкость - снижение удельного расхода топлива и как следствие улучшение экологии; технологичность-снижение расхода производственного материала, снижение стоимости технологии по сравнению штамповки тонколистового проката; рециркулируемость; прочность, повышение пассивной безопасности водителя и пассажиров, стойкость к коррозии. Решение поставленной задачи дает возможность: снижение веса и, в основном, количества изделий и сборочных конструкций каркаса кузова автомобиля; снижение цеховой себестоимости изготовления изделия за счет КИМ, удельного веса, стоимости технологии и потребления энергоресурсов; улучшению пассивной безопасности пассажира; снижение числа деталей конструкции и их веса, а также стоимость конструкции без потери прочности и жесткости изделия.
Преимущество литья жидкой штамповкой крупногабаритных пространственных деталей каркаса кузова и внутренних навесных деталей из алюминиевого расплава перед листовой штамповкой деталей из автолиста определили из экономического исследовательского анализа. Кузов легкового автомобиля из плоского проката малоуглеродистой стали имеет большую массу, и имеющая масса автомобиля оказывает значительное влияние на его эксплуатацию и экономичность, на сопротивление качению и динамичность, на способность преодолевать подъем. Кузова легковых автомобилей большинство изготавливаются из тонколистового холоднокатаного прока малоуглеродистой стали толщиной от 0,8-2,2 мм. Энергозатраты изготовления штампованных деталей кузова из тонколистового холоднокатаного прока малоуглеродистой стали выше, чем литье из сплава алюминия или магния, что подтверждается проведенными экономическими исследованиями, так вес основания кузова стального малоуглеродистого тонколистового проката ВАЗ -1118 118 кг, вес этого основания кузова из алюминиевого сплава 58,41 кг. Энергозатраты на получение 1 кг углеродистой стали 7 кВт/час, а на тонколистовую малоуглеродистую сталь для штамповки деталей кузова 10 кВт/час. Для получения тонколистового холоднокатаного прока из малоуглеродистой стали энергетические затраты следующие, получить чугун из руды, затем малоуглеродистую сталь, после плоский горячий прокат с отжигом, из отожженного горячего проката плоский холодный прокат малоуглеродистой стали, затем отжиг после холодного проката в печах с непрерывным отжигом или в колпаках - для лучшей штампуемости, и наконец, вырубка заготовок - штамповка. Средний коэффициент использования материалов (КИМ) штампуемых деталей кузова 0,55. Энергозатраты получения 1 кг. алюминиевого сплава 20 квт/час, тогда экономия электроэнергии при внедрении в производство каркаса кузова с алюминиевым основанием (118/0,55) ×10 - (58,41/0,94) ×20=902 кВт/час. Предлагаемая технология литья жидкой штамповкой крупногабаритных пространственных отливок из алюминиевого сплава для деталей кузова автомобиля имеет энергетические затраты на получение алюминия из глинозема, далее отливка детали кузова автомобиля, КИМ 0,93-0,95 (без учета выгора сплава) При этом не учитываются энергозатраты на логистику технологического процесса получения тонколистовой малоуглеродистой стали, пакетирования и транспортировку отходов на металлургический комбинат. Предлагаемая технология имеет рециркулируемость и она энергоэффективная и дешевле по сравнению технологией листовой штамповки. Проведены экономические исследования по сравнению цены технологии формовки 1 кг материала детали (отливки). Цена штамповки 1 кг из автолиста из стали 08Ю равна 29,36 руб., цена литье 1 кг под давлением в пресс-форму из алюминиевого сплава равна 11,29 руб. Данные для расчета цены взяты на ВАЗе по имеющей технологии в металлургическом производстве на ВАЗе в 2010 году. Цена технологии литья 1 кг материала алюминия под давлением в пресс-форму по сравнению с технологией штамповки 1 кг стального проката дешевле в 2,6 раза (минимальная допускаемая толщина при имеющей технология на ВАЗе не менее 3 мм без ребер). В настоящее время большинство автомобильных фирм для изготовления алюминиевых деталей для производства автомобиля используются следующие технологии: литье, ковка, листовая штамповка и сверх пластическое формирование воздухом или жестким пуансоном. Разрабатываемая технология использует известную и малоиспользуемую технологию в технике. Это формовка кристаллизующего алюминиевого расплава пуансоном в подогреваемой матрице, то есть жидкая штамповка, которая близка по формовке отливки к литью под давление в пресс-форму деталей среднего габарита и с высоким КИМ, но с допускаемой минимальной толщиной не менее 0,8-1,2 мм. Основной аспект применения материалов для деталей кузова легкового автомобиля с пониженным удельным весом это снижение веса кузова без потери жесткости конструкции и прочности, долговечности, безопасности - энергопоглощение алюминия при деформации выше стали в два раза.. Например, получить отливку с различной толщиной в местах требуемой прочности, жесткости и долговечности, вместо более сотни штампуемых деталей из автолиста для основания кузова легкового автомобиля достаточно отлить не более 12 отливок (рамка радиатора с поперечиной и панелью, брызговик переднего крыла с лонжероном и опорой подвески правый и левый, щиток передка, панель пола передний с лонжеронными и с поперечинами пола, панель пола средняя, каркас заднего пола, панель пола задняя, опоры пружины задней подвески с аркой заднего колеса, панель задка с поперечиной). И самый важный аспект в настоящее время - снижение удельного расхода топлива. А, как следствие, снижение С02 согласно требованиям по охране окружающей среды автомобиль становится более безопасным. Удельный расход топлива зависит от уровня совершенствования двигателя, трансмиссии автомобиля, но главная зависимость это снижение инерционных масс всех видов движения. Следовательно, требуется снижение веса сборочных узлов автомобиля имеющих большую массу. Это кузов, диски колес, двигатель, подвеска в сборе, сидения. Снижение удельного расхода топлива является второй производной эффективности энергозатрат. Таким образом, предлагаемая технология литья жидкой штамповкой тонкостенных пространственных отливок транспортных средств более энергоэффективная по сравнению технологии холодной листовой штамповки и экономичная за счет снижения удельного веса применяемого материала для производства автомобиля, за счет высокого коэффициента использования материала (КИМ) при производстве автомобиля и за счет снижения цены технологии. Разрабатываемая технология предлагает технологию литья из алюминиевого сплава деталей кузова автомобиля, которая состоит из технологии литья жидкой штамповкой дозированного расплава поданного в подогреваемую матрицу сборным податливым пуансоном с элементами компенсации усадки до полного смыкания. Расплав алюминия остается только в зазорах между матрицей и пуансоном, величина зазора определяет толщину отформованной отливки детали кузова транспортных средств. Инновационность разрабатываемой технологии в следующем: применение в предлагаемом технологическом процессе литья отливки, это формующий пуансон с податливой формой к внутренним остаточным напряжениям, то есть при кристаллизации и усадке при остывании за счет податливой формы пуансона в отливке происходит релаксация напряжений, которая также способствует съему отливки детали с этого пуансона. Легкий кузов - залог экологического автомобиля. Мы живем на Земле, в мире, в котором действуют законы природы. Современное человечество старается стабилизировать эти законы природы, призывает, государства бережливо относиться к окружающей его среде. Так в ноябре 2015 года в Париже ООН провела климатическую конференцию. Саммит - обязывающий выполнять соглашения по сокращению выбросов «парниковых газов», где выступил президент РФ Путин В.В.: «Россия продолжит вносить вклад в совместные усилия по предотвращению глобального потепления. К 2030 году рассчитываем уменьшить выбросы парникового газа до 70% от базового уровня 1990-го года. Будем добиваться этого за счет прорывных решений в сфере энергосбережения, в том числе за счет новых нанотехнологий. Так, например, в России разработана технология использования добавок на основе углеродных нанотрубок. По оценкам экспертов, применение этой технологии только в России снизит эмиссию углекислого газа к 2030 -му году на 160-180 млн. тонн». С добавлением в расплав алюминия лигатуры углеродных нанотрубок менее 0,01% отливка становится по механическим характеристикам на уровне титана. Одна из передовых мировых разработок - производство алюминиевого металла с использованием инертного анода. Эта уникальная революционная технология позволит алюминщикам отказаться от использования угольных анодов. Инертный анод, упрощенно говоря, вечен, но что самое важное - при его использовании в атмосферу выделяется не углекислый газ, а чистейший кислород. Причем 1 электролизная ванна сможет вырабатывать столько же кислорода, сколько 70 га леса. Пока эта технология секретна и проходит промышленные испытания, но кто знает - может быть, в будущем она сделает из алюминиевой промышленности еще одни легкие нашей планеты aluminiumleader.ru/production/how_aluminium_is_produced/. Таким образом, производство алюминиевого металла становится экологическим, чем производство стального холодного прокат автолиста. Разрабатываемая технология несет энергоэффективность и энергосбережение.
Сущность заявляемого технического решение штампа для жидкой штамповки крупногабаритных пространственных деталей каркаса кузова и внутренних навесных деталей из алюминиевого расплава полезной модели в том, что литье жидкой штамповкой производят в штампе из глины с последующим обжигом для повышения твердости, так как линейное расширение материала глины при нагреве очень низкое 1/ град. 0,000005. Цельная матрица и сборный податливой пуансон с элементами компенсации усадки из каленой глины по причине подогрева расплава в матрице штампа при формовки детали током высокой частоты через индуктор (глина - материал, токами высокой частоты не греется), подогревают расплав алюминия, залитый в матрицу, и опускают податливый пуансон из глины с закладками элемента компенсации усадки от кристаллизации и усадки отливки, и формуют отливку, кристаллизация отформованного изделия происходит с отключенным индуктором высокочастотного подогрева - штамп с отформованной отливкой детали освобождают от токоотводов высокой частоты, и ставят для остывания. Если компенсационные закладки полностью сами от усадки не разрушились, то их разрушают и извлекают отливку. Для следующей отливки детали податливый пуансон собирают с новыми элементами компенсации усадки, вставки элемента компенсации устанавливаются между частями разделенного пуансона, толщина вставки элемента компенсации равна толщине части разделенного пуансона, ширина вставки элемента компенсации зависит от разделенного размера части пуансона по стороне отливаемой детали, вставки элемента компенсации на радиусных участках изготавливают по чертежу детали, прямолинейные участки между частями разделенного пуансона закрывают несколькими вставками элемента компенсации 4 (фиг.1), элемент компенсации имеет концентратор напряжения 1, а по бокам с обеих сторон с конусными поверхностями с вершиной по центру толщины вставки 4 и встречно по толщине стенки частей 2 и 3 разделенного пуансона, крепление разделенных частей 2 и 3 формующей стенки пустотелого пуансона с элементами компенсации 4 за счет кронштейнов с отверстиями, изготовленных на внутренних стенках разделенных частей 2 и 3 пуансона (на чертеже не показано), делается стяжкой веревкой (Fiberfrax GR) из керамического волокна. Концентратор напряжения 1 вставки элемента компенсации усадки 4 при линейной усадки отформованной стороны отливаемой отливки детали жидкой штамповкой разрушается силами стяжки линейной усадки расплава стороны отливки при кристаллизации остывание.
Технический результат штамп для жидкой штамповки крупногабаритных пространственных деталей каркаса кузова и внутренних навесных деталей из алюминиевого расплава полезной модели в том, что обеспечиваем приведенной совокупностью признаков указанных сущностью заявляемого технического решения, является получение качественной отливки тонколистовой пространственной и большого габарита детали кузова легкового автомобиля, а также с высоким КИМ.
Штамп для жидкой штамповки крупногабаритных пространственных деталей каркаса кузова и внутренних навесных деталей из алюминиевого расплава для изготовления деталей кузова работает следующим образом: гидравлическим цилиндром поднимаем пуансон относительно матрицы до полного раскрытия и формующие части матрицы и пуансона смазываем технологической смазкой, затем дозированное количество расплава алюминия заливается для формовки отливки в матрицу, включают подогрев матрицы и опускают пуансон в матрицу до полного смыкания (излишки сплава по специальным каналам сливается в подогреваемый сборник), формуется деталь, отключают подогрев, снимают токопроводники индуктора, снимают штамп для кристаллизации и остывания.
После охлажденияштампа, его раскрывают и если компенсационные закладки полностью сами от усадки не разрушились, то их разрушают и извлекают отливку. Для следующей отливки детали податливый пуансон собирают с новыми элементами компенсации усадки.
Экономический эффект от внедрения навесных внутренних деталей из алюминиевого сплава ВА3-1118
Фиг. 2 Схема узлования кузова. 10 - внутренняя панель капота; 40 - внутренняя панель передней правой и левой двери; 60 - внутренняя панель задней правой и левой двери; 100 - внутренняя панель багажника.
Итого шесть внутренних панелей и 16 усилителей (на схеме узлования кузова не указано). Всего штампованных из автолиста 22 детали внутренних панелей навесных деталей и их усилителей черного кузова автомобиля. Стоимость технологии 1 кг литья в пресс-форму из алюминиевого сплава состоит из цеховой себестоимости за минусом стоимости материала, затем деленное на вес отливки (отливка 2109- 1601015-70 карт, сцепл.):
Цех.технологии 1 кг из сплава А1=[1070-(150,14х6.12)]: 6,12=24,69 руб.
Стоимость технологии 1 кг штампуемой детали будет, из себестоимости за минусом стоимости материала, затем деленное на вес детали (среднее значение: цеховой себестоимости, цена 1 кг автолиста; и веса детали из всех деталей внутренних панелей):
Цех.технологии детали штампуемой из автолиста 1 кг Fe=[193,00-(38,50х2,24)]: 2,24=47,7 руб.
В стоимость цеховой технологии 1 кг входит стоимость технологии, затраты на электроэнергию и производственные накладные расходы.