Cum funcționează turnarea sub presiune? Procesul din spatele pieselor de turnare auto

Turnarea sub presiune funcționează prin forțarea metalului topit într-o matriță de oțel reutilizabilă la presiune ridicată, unde se solidifică în câteva secunde într-o piesă precisă, aproape finisată. Metalul topit, de obicei aluminiu, zinc sau magneziu, este injectat la presiuni care variază de la aproximativ 1.000 până la 20.000 psi (7 până la 138 MPa), umple fiecare detaliu al cavității matriței, se răcește rapid și este aruncat ca o piesă care adesea necesită puțin mai mult decât tăierea înainte de a fi gata de utilizare. Această combinație de viteză, repetabilitate și acuratețe dimensională este exact motivul pentru care turnarea sub presiune este procesul standard din spatele majorității piese de turnare auto , de la blocurile motoare la carcasele transmisiei.

Secțiunile de mai jos parcurg fiecare etapă a procesului, diferența dintre mașinile cu cameră caldă și mașinile cu cameră rece, aliajele și presiunile utilizate în special pentru piese de turnare auto și cum să judeci calitatea turnării.

Procesul de turnare sub presiune, pas cu pas

Fiecare ciclu de turnare sub presiune urmează aceeași secvență de miez, indiferent de tipul specific de mașină sau aliajul utilizat. Înțelegerea acestor pași explică de ce turnarea sub presiune poate produce mii de piese identice pe zi, cu variații minime între ele.

Etapele de bază ale producției

1. Curățați și lubrifiați cele două jumătăți ale matriței de oțel, apoi închideți-le și strângeți-le împreună
2. Topiți lingourile de metal într-un cuptor și mențineți-le la temperatura ideală de turnare pentru fluiditate
3. Dozați metalul topit în camera de împușcare pentru acel ciclu al mașinii
4. Injectați metalul în cavitatea matriței folosind un piston hidraulic la presiune și viteză ridicate
5. Mențineți presiunea în timp ce matrița este răcită cu apă și metalul se solidifică, adesea în mai puțin de o secundă
6. Deschideți matrița și scoateți turnarea finită folosind știfturi de evacuare
7. Tăiați excesul de fulger și curele, apoi aplicați orice finisaj necesar, cum ar fi anodizarea sau acoperirea cu pulbere

Întreaga porțiune de injecție până la solidificare a ciclului poate dura doar câteva milisecunde până la câteva secunde , ceea ce permite unei singure mașini de turnare sub presiune să producă mii de piese identice într-o singură tură.

Camera fierbinte vs. turnare sub presiune cu camera rece

Cele două familii de turnare sunt împărțite în funcție de locul unde metalul se topește. În turnare sub presiune cu camera fierbinte , cuptorul este construit direct în mașină și un piston împinge metalul topit printr-un tub scufundat „gât de găină” în matriță. În turnare sub presiune cu camera rece , metalul topit este introdus dintr-un cuptor separat într-o cameră de împușcare neîncălzită înainte ca un piston hidraulic să-l forțeze în matriță la presiune ridicată.

Diferențele cheie dintr-o privire

Punctul de topire ridicat al aluminiului ar deteriora în timp gâtul de găină scufundat al unei camere fierbinți, motiv pentru care aproape toate piesele de turnare auto din aluminiu, inclusiv blocurile motoare și carcasele transmisiei, sunt produse folosind turnare sub presiune cu cameră rece mai degrabă decât metoda cu cameră fierbinte rezervată zincului și altor aliaje cu punct de topire scăzut.

Turnare sub presiune de înaltă presiune vs. de joasă presiune pentru piese auto

Dincolo de separarea camerei calde/rece, turnarea sub presiune este clasificată și în funcție de cât de multă presiune forțează metalul în matriță, iar această alegere afectează în mod semnificativ piesele de turnare automată pentru care este potrivit un proces.

Turnare sub presiune la înaltă presiune (HPDC)

HPDC injectează metal topit la 10.000 până la 20.000 psi (aproximativ 30 până la 70 MPa) , oferindu-i cei mai rapidi timpi de ciclu și cele mai mari rate de producție dintre orice metodă de turnare sub presiune. Este alegerea implicită pentru piese de turnare auto de mare volum, cum ar fi suporturile motorului, carcasele senzorilor și carcasele motorului, unde viteza și costul pe piesă contează cel mai mult.

Turnare sub presiune la joasă presiune (LPDC)

LPDC utilizează de obicei presiuni mult mai blânde 2 până la 15 psi (15 până la 100 kPa) , împingând metalul topit în sus în matriță printr-un tub de ridicare cu turbulență scăzută. Această umplere mai lentă și mai calmă produce piese turnate cu mai puține defecte interne, motiv pentru care LPDC este procesul standard pentru roți de aluminiu și alte componente structurale unde integritatea mecanică sub sarcină contează mai mult decât viteza brută de ieșire.

Ca regulă generală, dacă presiunea este prea mică pentru grosimea peretelui piesei, este posibil ca metalul să nu umple complet matrița înainte de a se răci, lăsând secțiuni incomplete sau o turnare mai slabă. Obținerea presiunii potrivite cu geometria piesei este una dintre cele mai importante decizii de proces pe care le ia un turnător sub presiune.

Piese de turnare auto obișnuite și aliajele din spatele lor

Aluminiul domină turnarea sub presiune pentru automobile, deoarece oferă raportul rezistență-greutate, rezistența la coroziune și conductivitatea termică de care au nevoie vehiculele moderne. Numai în Japonia, 76% din piese turnate din aluminiu și 77% din componentele turnate sub presiune sunt folosite în industria auto , subliniind cât de central este acest proces pentru modul în care sunt construite efectiv mașinile.

Frecvent piese auto turnate sub presiune și aliajele acestora

O turnare sub presiune carcasa transmisiei din aluminiu realizează o reducere a greutății cu aproximativ 40% față de un echivalent tradițional din fontă , păstrând în continuare integritatea structurală în cazul unor sarcini de cuplu care depășesc 200 Nm. Acea reducere a greutății nu este doar un detaliu de fabricație: reducerea greutății unei mașini de 1,3 tone cu 10% reduce consumul de combustibil cu aproximativ 8%, motiv pentru care producătorii auto continuă să împingă mai multe componente de la oțel la aluminiu turnat sub presiune.

Cum se verifică calitatea pieselor de turnare auto

Deoarece piesele de turnare auto poartă adesea sarcini structurale sau fluide de etanșare sub presiune, controlul calității nu este opțional. Producătorii validează acuratețea dimensională și soliditatea internă înainte ca piesele să ajungă vreodată la o linie de asamblare.

Criterii de referință tipice de calitate

• Stabilitatea dimensională s-a menținut la aproximativ ±0,05 mm pe carcasele auto de precizie
• Țintele de finisare a suprafeței în jur Ra ≤1,6 um pentru piese care necesită suprafețe netede de împerechere
• Nivelurile de porozitate validate mai jos aproximativ 0,1% prin CMM și inspecție cu raze X
• Etanșeitatea confirmată cu un detector de scurgeri, cu praguri tipice ale industriei de aproximativ 12 ml/min pentru camerele de joasă presiune și 8 ml/min pentru camerele de înaltă presiune

Aceste verificări contează deoarece o turnare poate trece un test de rezistență statică, dar totuși eșuează odată instalată. Vibrațiile de la transmisia angrenajului și ciclurile termice în timpul condusului în lumea reală pot dezvălui porozitatea sau căile de scurgere pe care doar un test pe banc le-ar pierde, motiv pentru care componentele sigilate, cum ar fi carcasele transmisiei, sunt de obicei testate cu mult peste specificațiile lor nominale de proiectare înainte de aprobare.

De ce producătorii de automobile se bazează pe turnarea sub presiune față de alte metode

În comparație cu turnarea cu nisip sau prelucrarea CNC din țagle, turnarea sub presiune oferă o combinație de avantaje greu de egalat pentru piesele necesare în volum mare.

Avantaje pentru producția de automobile

• Piese în formă aproape de plasă care necesită prelucrare secundară minimă, forță de muncă de tăiere și deșeuri de materiale
• Geometrii complexe dintr-o singură bucată , înlocuind ansamblurile din mai multe piese cu o singură turnare
• Repetabilitate ridicată , cu o singură matriță capabilă să ruleze pentru sute de mii de cicluri
• Reciclabilitate puternică , deoarece mai mult de 90% din piesele turnate din aluminiu pot fi reutilizate, iar până la 95% din piesele auto din aluminiu turnat provin deja din material reciclat
• Capacitate de perete subțire , cu unele procese care ating grosimi de perete de până la 2 mm, păstrând în același timp rezistența la tracțiune de până la 250 MPa, în funcție de aliaj

Utilizarea pe scară largă a turnării sub presiune a aluminiului în vehicule este estimată pentru a ajuta la economisire 50 de milioane de tone de emisii de CO2 în fiecare an prin economiile de combustibil care provin de la vehiculele mai ușoare. Acea scară a impactului este rezultatul direct al unui proces de fabricație la care majoritatea șoferilor nu se gândesc niciodată, modelând în liniște piesele de sub capotă de fiecare dată când un model nou intră în producție.