توضیح عملی راه‌حل‌های مشکلاتی مانند دانه‌های درشت روی سطح و جوشکاری دشوار پروفیل‌های آلومینیومی برای خودروهای برقی

با افزایش آگاهی در مورد حفاظت از محیط زیست، توسعه و حمایت از انرژی‌های نو در سراسر جهان، ترویج و کاربرد وسایل نقلیه انرژی‌زا را قریب‌الوقوع کرده است. در عین حال، الزامات مربوط به توسعه مواد سبک خودرو، کاربرد ایمن آلیاژهای آلومینیوم و کیفیت سطح، اندازه و خواص مکانیکی آنها روز به روز بیشتر می‌شود. به عنوان مثال، یک خودروی برقی با وزن ۱.۶ تن، حدود ۴۵۰ کیلوگرم وزن دارد که حدود ۳۰٪ از وزن کل را تشکیل می‌دهد. عیوب سطحی که در فرآیند تولید اکستروژن ظاهر می‌شوند، به ویژه مشکل دانه‌های درشت در سطوح داخلی و خارجی، به طور جدی بر پیشرفت تولید پروفیل‌های آلومینیومی تأثیر می‌گذارند و به گلوگاه توسعه کاربرد آنها تبدیل می‌شوند.

برای پروفیل‌های اکسترود شده، طراحی و ساخت قالب‌های اکستروژن از اهمیت بالایی برخوردار است، بنابراین تحقیق و توسعه قالب‌ها برای پروفیل‌های آلومینیومی خودروهای برقی ضروری است. ارائه راه‌حل‌های علمی و منطقی برای قالب‌ها می‌تواند نرخ کیفی و بهره‌وری اکستروژن پروفیل‌های آلومینیومی خودروهای برقی را برای برآورده کردن تقاضای بازار، بهبود بخشد.

۱ استانداردهای محصول

(1) مواد، عملیات سطحی و ضد خوردگی قطعات و اجزا باید با مفاد مربوط به ETS-01-007 «الزامات فنی قطعات پروفیل آلیاژ آلومینیوم» و ETS-01-006 «الزامات فنی عملیات سطحی اکسیداسیون آندی» مطابقت داشته باشد.

(2) عملیات سطحی: اکسیداسیون آندی، سطح نباید دانه‌های درشت داشته باشد.

(3) سطح قطعات نباید دارای عیوبی مانند ترک و چین و چروک باشد. قطعات پس از اکسیداسیون نباید آلوده شوند.

(4) مواد ممنوعه این محصول الزامات Q/JL J160001-2017 «الزامات مربوط به مواد ممنوعه و محدود شده در قطعات و مواد خودرو» را برآورده می‌کند.

(5) الزامات عملکرد مکانیکی: استحکام کششی ≥ 210 مگاپاسکال، استحکام تسلیم ≥ 180 مگاپاسکال، ازدیاد طول پس از شکست A50 ≥ 8٪.

(6) الزامات ترکیب آلیاژ آلومینیوم برای وسایل نقلیه انرژی نو در جدول 1 نشان داده شده است.

۲ بهینه‌سازی و تحلیل مقایسه‌ای ساختار قالب اکستروژن قطع برق در مقیاس بزرگ رخ می‌دهد

(1) راه حل سنتی 1: یعنی بهبود طراحی قالب اکستروژن جلویی، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. طبق ایده طراحی مرسوم، همانطور که با فلش در شکل نشان داده شده است، موقعیت دنده میانی و موقعیت زهکشی زیرزبانه پردازش می‌شوند، زهکشی‌های بالا و پایین در یک طرف 20 درجه هستند و ارتفاع زهکشی H15 میلی‌متر برای تأمین آلومینیوم مذاب به قسمت دنده استفاده می‌شود. چاقوی خالی زیرزبانه با زاویه قائمه منتقل می‌شود و آلومینیوم مذاب در گوشه باقی می‌ماند که به راحتی با سرباره آلومینیوم ایجاد مناطق مرده می‌کند. پس از تولید، با اکسیداسیون تأیید می‌شود که سطح به شدت مستعد مشکلات دانه درشت است.

بهینه‌سازی‌های اولیه زیر در فرآیند تولید قالب سنتی انجام شد:

الف) بر اساس این قالب، ما سعی کردیم با تغذیه، میزان آلومینیوم ورودی به دنده‌ها را افزایش دهیم.

ب. بر اساس عمق اصلی، عمق چاقوی خالی زیرزبانی عمیق‌تر می‌شود، یعنی 5 میلی‌متر به 15 میلی‌متر اصلی اضافه می‌شود.

ج. عرض تیغه خالی زیرزبانی بر اساس ۱۴ میلی‌متر اولیه، ۲ میلی‌متر افزایش یافته است. تصویر واقعی پس از بهینه‌سازی در شکل ۳ نشان داده شده است.

نتایج تأیید نشان می‌دهد که پس از سه بهبود اولیه فوق، نقص‌های دانه درشت هنوز در پروفیل‌ها پس از عملیات اکسیداسیون وجود دارند و به طور منطقی برطرف نشده‌اند. این نشان می‌دهد که طرح بهبود اولیه هنوز نمی‌تواند الزامات تولید مواد آلیاژ آلومینیوم برای خودروهای برقی را برآورده کند.

(2) طرح جدید 2 بر اساس بهینه‌سازی اولیه پیشنهاد شد. طراحی قالب طرح جدید 2 در شکل 4 نشان داده شده است. طبق "اصل سیالیت فلز" و "قانون کمترین مقاومت"، قالب قطعات خودرو بهبود یافته، طرح طراحی "سوراخ پشتی باز" را اتخاذ می‌کند. موقعیت دنده در ضربه مستقیم نقش دارد و مقاومت اصطکاک را کاهش می‌دهد. سطح تغذیه به صورت "پوشش گلدانی شکل" طراحی شده است و موقعیت پل به نوع دامنه پردازش می‌شود، هدف کاهش مقاومت اصطکاک، بهبود همجوشی و کاهش فشار اکستروژن است. پل تا حد امکان فرو رفته است تا از مشکل دانه‌های درشت در پایین پل جلوگیری شود و عرض تیغه خالی زیر زبانه کف پل ≤3 میلی‌متر است. اختلاف گام بین تسمه کاری و تسمه کاری قالب پایینی ≤1.0 میلی‌متر است. تیغه خالی زیر زبانه قالب بالایی صاف و به طور یکنواخت منتقل می‌شود، بدون اینکه مانع جریانی باقی بگذارد و سوراخ شکل‌دهی تا حد امکان مستقیم پانچ می‌شود. تسمه کاری بین دو سر در قسمت میانی داخلی تا حد امکان کوتاه است و عموماً مقداری معادل ۱.۵ تا ۲ برابر ضخامت دیواره را در نظر می‌گیرد. شیار زهکشی دارای یک انتقال نرم است تا نیاز به جریان کافی آب فلز آلومینیوم به داخل حفره را برآورده کند، حالت کاملاً ذوب شده را ارائه دهد و هیچ ناحیه مرده‌ای در هیچ مکانی باقی نگذارد (چاقوی خالی پشت قالب بالایی از ۲ تا ۲.۵ میلی‌متر تجاوز نمی‌کند). مقایسه ساختار قالب اکستروژن قبل و بعد از بهبود در شکل ۵ نشان داده شده است.

(3) به بهبود جزئیات پردازش توجه کنید. موقعیت پل صیقل داده شده و به طور یکنواخت متصل شده است، تسمه‌های کاری قالب بالا و پایین صاف هستند، مقاومت در برابر تغییر شکل کاهش یافته و جریان فلز بهبود یافته است تا تغییر شکل ناهموار کاهش یابد. این می‌تواند به طور موثر مشکلاتی مانند دانه‌های درشت و جوش را سرکوب کند، در نتیجه تضمین می‌کند که موقعیت تخلیه دنده و سرعت ریشه پل با سایر قطعات هماهنگ شده و به طور منطقی و علمی مشکلات سطحی مانند جوش دانه‌های درشت روی سطح پروفیل آلومینیوم را سرکوب می‌کند. مقایسه قبل و بعد از بهبود زهکشی قالب در شکل 6 نشان داده شده است.

۳ فرآیند اکستروژن

برای آلیاژ آلومینیوم 6063-T6 برای خودروهای برقی، نسبت اکستروژن قالب دو تکه 20-80 محاسبه شده است و نسبت اکستروژن این ماده آلومینیومی در دستگاه 1800t برابر با 23 است که الزامات عملکرد تولید دستگاه را برآورده می‌کند. فرآیند اکستروژن در جدول 2 نشان داده شده است.

جدول 2 فرآیند تولید اکستروژن پروفیل‌های آلومینیومی برای نصب تیرهای باتری خودروهای برقی جدید

هنگام اکسترود کردن به نکات زیر توجه کنید:

(1) گرم کردن قالب‌ها در یک کوره ممنوع است، در غیر این صورت دمای قالب ناهموار خواهد بود و تبلور به راحتی رخ می‌دهد.

(2) اگر در طول فرآیند اکستروژن، خاموش شدن غیرعادی رخ دهد، زمان خاموش شدن نباید بیش از 3 دقیقه باشد، در غیر این صورت قالب باید برداشته شود.

(3) بازگشت به کوره برای گرم کردن و سپس اکسترود کردن مستقیم پس از خارج کردن از قالب ممنوع است.

۴. اقدامات تعمیر کپک و اثربخشی آنها

پس از ده‌ها مورد تعمیر قالب و بهبودهای آزمایشی قالب، طرح تعمیر قالب معقول زیر پیشنهاد می‌شود.

(1) اولین اصلاح و تنظیم را روی قالب اصلی انجام دهید:

① سعی کنید تا حد امکان پل را فرو ببرید و عرض کف پل باید ≤3 میلی‌متر باشد.

② اختلاف گام بین تسمه کاری سر و تسمه کاری قالب پایینی باید ≤1.0 میلی‌متر باشد.

③ مانع جریان ایجاد نکنید؛

④ تسمه کاری بین دو سر نر در دنده‌های داخلی باید تا حد امکان کوتاه باشد و انتقال شیار زهکشی باید صاف، تا حد امکان بزرگ و صاف باشد.

⑤ تسمه کاری قالب پایینی باید تا حد امکان کوتاه باشد.

⑥ هیچ نقطه کوری نباید در هیچ مکانی باقی بماند (چاقوی خالی پشت نباید از 2 میلی‌متر تجاوز کند)؛

⑦ قالب بالایی را با دانه‌های درشت در حفره داخلی تعمیر کنید، کمربند کاری قالب پایینی را کاهش دهید و بلوک جریان را صاف کنید، یا بلوک جریان نداشته باشید و کمربند کاری قالب پایینی را کوتاه کنید.

(2) بر اساس اصلاح و بهبود بیشتر قالب فوق، اصلاحات قالب زیر انجام می‌شود:

۱. نواحی مرده دو سر نر را از بین ببرید.

② بلوک جریان را بتراشید؛

③ اختلاف ارتفاع بین سر قالب و ناحیه کاری پایینی قالب را کاهش دهید.

④ ناحیه کاری قالب پایینی را کوتاه کنید.

(3) پس از تعمیر و بهبود قالب، کیفیت سطح محصول نهایی به حالت ایده‌آل، با سطحی درخشان و بدون دانه‌های درشت می‌رسد که به طور مؤثر مشکلات دانه‌های درشت، جوش و سایر نقص‌های موجود در سطح پروفیل‌های آلومینیومی برای خودروهای برقی را حل می‌کند.

(4) حجم اکستروژن از 5 تن در روز اولیه به 15 تن در روز افزایش یافت که باعث بهبود چشمگیر راندمان تولید شد.

۵ نتیجه‌گیری

با بهینه‌سازی و بهبود مکرر قالب اصلی، یک مشکل عمده مربوط به دانه‌بندی درشت روی سطح و جوشکاری پروفیل‌های آلومینیومی برای خودروهای برقی به طور کامل حل شد.

(1) نقطه ضعف قالب اصلی، یعنی خط موقعیت دنده میانی، به طور منطقی بهینه شد. با حذف نواحی مرده دو سر قالب، مسطح کردن بلوک جریان، کاهش اختلاف ارتفاع بین سر قالب و ناحیه کاری قالب پایینی و کوتاه کردن ناحیه کاری قالب پایینی، عیوب سطحی آلیاژ آلومینیوم 6063 مورد استفاده در این نوع خودرو، مانند دانه‌های درشت و جوشکاری، با موفقیت برطرف شدند.

(2) حجم اکستروژن از 5 تن در روز به 15 تن در روز افزایش یافت که باعث بهبود چشمگیر راندمان تولید شد.

(3) این مورد موفق از طراحی و ساخت قالب اکستروژن، نمونه‌ای بارز و قابل ارجاع در تولید پروفیل‌های مشابه است و ارزش تبلیغ دارد.