Ce piese auto sunt fabricate prin turnare? Ghid complet

Turnarea este unul dintre cele mai utilizate procese de fabricație în industria auto – peste 70% din toate componentele metalice dintr-un vehicul tipic sunt produse printr-o formă de turnare. Blocurile motoare, chiulasele, carcasele transmisiei, etrierele de frână, carcasele diferențialelor, fuzetele de direcție, galeriile de admisie și butucii roților sunt printre cele mai critice piese turnate ale automobilelor moderne. Aceste componente au o cerință comună: geometrie internă complexă, integritate structurală ridicată și producție de masă rentabilă - toate atributele pe care turnarea le oferă mai bine decât majoritatea proceselor concurente.

Componentele motorului fabricate prin turnare

Motorul este cel mai intens sistem de turnare din orice vehicul. Componentele sale funcționează sub solicitări termice și mecanice extreme, necesitând materiale și geometrii pe care numai turnarea le poate produce în mod fiabil la scară.

Bloc motor

Blocul motor este cea mai mare și mai complexă piesă turnată dintr-un vehicul. Conține alezajele cilindrilor, pasajele de lichid de răcire, galeriile de ulei și șaile rulmenților principale - toate formate într-o singură turnare. Produs în mod tradițional din fontă gri folosind turnarea cu nisip, blocurile de motor moderne folosesc din ce în ce mai mult aliaj de aluminiu (A380, A319 sau A356) turnat sub presiune sau turnat semi-permanent pentru a reduce greutatea. Un bloc motor tipic din aluminiu V8 cântărește aproximativ 50-60 lbs , comparativ cu 80-100 lbs pentru un bloc echivalent din fontă — o reducere a greutății care îmbunătățește direct economia de combustibil.

Chiulasă

Chiulele sunt turnate aproape universal din aliaj de aluminiu astăzi, înlocuind capetele din fontă dominante înainte de anii 1990. Piesa conține orificii de admisie și evacuare, camere de combustie, cămăși de lichid de răcire și inserții pentru scaunul supapei - geometrii interne care pot fi realizate numai prin turnare cu nisip sau turnare cu spumă pierdută cu miezuri precise de nisip. Chiulele din aluminiu reduc masa termica nesuscata, imbunatatind timpul de incalzire si permitand rapoarte de compresie mai mari la motoarele performante.

Arborele cotit

În timp ce arborii cotiți de înaltă performanță sunt forjați, majoritatea arborilor cotiți pentru autoturisme sunt turnate — în principal din fontă nodulară (ductilă) folosind procese de turnare cu nisip verde sau coajă. Arborii cotiți turnați sunt adecvați pentru majoritatea aplicațiilor motoarelor de producție și sunt semnificativ mai puțin costisitoare decât piesele forjate. Un arbore cotit tipic din fontă ductilă cu 4 cilindri costă 30-50% mai puțin de produs decât un echivalent din oțel forjat, ceea ce îl face alegerea implicită pentru vehiculele economice și de gamă medie.

galeria de admisie

În trecut, galeriile de admisie au fost turnate din aluminiu folosind matriță permanentă sau turnare sub presiune. Astăzi, multe sunt turnate prin injecție din compozite de nailon pentru mai multe economii de greutate, dar galeriile de admisie din aluminiu turnat rămân comune în aplicațiile de camioane și de performanță în care rezistența termică și stabilitatea dimensională sunt priorități.

Colector de evacuare

Colectivele de evacuare trebuie să reziste la temperaturi continue care depășesc 900°C (1.650°F) și ciclu termic rapid. Fonta - în special calitatea de molibden cu conținut ridicat de siliciu (SiMo) - este materialul dominant, produs prin verde turnare cu nisip . Unele aplicații de înaltă performanță folosesc oțel inoxidabil turnat sau fontă rezistentă la Ni pentru o rezistență superioară la oxidare.

Baia de ulei și capacul de distribuție

Baiele de ulei de motor ale camioanelor mai mari și vehiculelor de performanță sunt adesea turnate sub presiune din aluminiu, oferind rigiditate și capacitatea de a integra deflectoare și tăvi de vânt. Capacele de sincronizare sunt de obicei piese turnate sub presiune din aluminiu care etanșează partea din față a blocului motor și adăpostesc etanșarea arborelui cotit.

Piese turnate pentru transmisie și transmisie

Carcasa și carcasa transmisiei

Carcasele transmisiei automate și manuale sunt printre cele mai complexe din punct de vedere geometric turnate dintr-un vehicul. Acestea trebuie să găsească cu precizie alezajele lagărelor, tunelurile arborelui și fețele de montare ale corpului supapei la toleranțe de ±0,05 mm sau mai strâns . Turnarea sub presiune a aluminiului este procesul dominant, cu carcase tipice de transmisie pentru mașinile de pasageri 10-18 kg . Turnarea sub presiune de înaltă presiune (HPDC) permite timpi de ciclu sub 2 minute pe piesă, esențial pentru producția de volum mare.

Carcasă și suport diferențial

Carcasa diferențialului (carcasa angrenajului spider) și suportul sunt turnate din fontă nodulară sau, în aplicațiile pentru vehicule mai ușoare, aliaj de aluminiu. Aceste piese trebuie să suporte sarcini semnificative de cuplu și forțe de reacție a angrenajului, menținând în același timp geometria precisă a scaunului rulmentului. Carcasele diferențialelor din fier nodular ale camioanelor cu tracțiune spate sunt în mod obișnuit turnate cu nisip și evaluate pentru capacități de cuplu care depășesc 500 Nm .

Carcasă de transfer

Vehiculele cu tracțiune integrală și cu tracțiune integrală necesită o cutie de transfer pentru a împărți cuplul între axele față și spate. Carcasele cutiei de transfer sunt turnate sub presiune din aliaj de aluminiu, integrând flanșe de montare, boturi de rulment și tuneluri ale arborelui de ieșire într-o singură piesă - consolidând ceea ce altfel ar necesita mai multe componente prelucrate și sudate.

Componente turnate ale sistemului de frânare

Etrier de frana

Etrierele de frână sunt turnate fie din fontă gri, fie din aliaj de aluminiu (A380 turnat sub presiune). Etrierele din fontă sunt standard la majoritatea vehiculelor de producție datorită costului redus și rezistenței excelente la uzură. Etriere din aluminiu — utilizate la vehiculele de performanță și de lux — oferă Reducere în greutate cu 40-50%. peste echivalentele de fier, reducând greutatea nesurată și îmbunătățind senzația de frână. Alezajul intern al pistonului și canalele de fluid sunt formate în timpul turnării și finisate prin prelucrare la toleranțe ale alezajului de ±0,013 mm .

Tambur de frana

Tamburele de frână pentru sistemele de frână cu tambur din spate sunt turnate din fontă gri (ASTM A159 Grade G3000 sau G3500), alese pentru proprietățile sale excelente de amortizare care reduc scârțâitul frânei și capacitatea sa de a distribui căldura de frecare pe peretele tamburului. Un tambur de frână din spate tipic pentru un camion ușor cântărește 7-12 kg și este produs prin turnare orizontală cu nisip verde.

Rotor de frână (disc)

Rotoarele de frână sunt turnate aproape exclusiv din fontă gri, cu geometria interioară a paletei (pentru rotoarele ventilate) formată din miezuri de nisip în timpul turnării. Microstructura de grafit a fierului gri oferă o conductivitate termică excelentă și amortizare la frecare. Unele rotoare de performanță folosesc variante de compozit carbon-ceramică sau fontă forată/canelată, dar materialul de bază rămâne o turnare în aproape toate cazurile.

Corpul cilindrului principal

Corpul cilindrului principal de frână, care transformă forța pedalei în presiune hidraulică, este turnat sub presiune din aluminiu. Alezajul, boful de montare al rezervorului și pasajele portului sunt toate formate în turnare, apoi prelucrate finisat la toleranțe de precizie hidraulică.

Piese turnate pentru suspensie și direcție

articulație de direcție

Fusa de direcție (suportul axului) conectează butucul roții la suspensie și sistemul de direcție. Trebuie să reziste la sarcini complexe pe mai multe axe de la frânare, viraje și impacturi rutiere. În mod tradițional turnat din fontă ductilă , nodurile moderne folosesc din ce în ce mai mult matriță permanentă din aluminiu sau turnare sub presiune la joasă presiune pentru economii de greutate de până la 40% . Mărcile de lux precum BMW și Audi au folosit articulații din aluminiu încă de la începutul anilor 2000; Adopția generală s-a accelerat în anii 2010.

Brațe de control și brațe

Brațele de control superioare și inferioare la vehiculele de performanță și de lux sunt turnate din aliaj de aluminiu folosind turnare prin gravitație sau turnare prin presare. Turnarea prin presare produce proprietăți mecanice aproape de forjare prin aplicarea presiunii în timpul solidificării, eliminând porozitatea - critică pentru componentele de siguranță a suspensiei. Vehiculele economice folosesc de obicei brațe de control din oțel ștanțat; aluminiul turnat este premium.

Carcasa mecanismului de directie

Carcasele cremalierei și pinionului servodirecției sunt turnate sub presiune din aluminiu, integrând orificiul cremalierei, punctele de fixare a capului de tirant și dispozițiile de montare a motorului hidraulic sau electric. Alezajul trebuie prelucrat la toleranțe strânse după turnare pentru a asigura o deplasare lină a rackului.

Butucul roții și suportul rulmenților

Butucii roților - care poartă rulmentul, rotorul și roata - sunt turnați din fier nodular pe majoritatea vehiculelor de producție, oferind rezistența necesară pentru a face față sarcinilor radiale și axiale ale roților. Unele vehicule de performanță folosesc butuci din aluminiu forjat sau turnat pentru a reduce greutatea nesurată.

Componente structurale și caroserie turnate

Noduri structurale din aluminiu și turnuri de șoc

O tendință în creștere în arhitectura modernă a vehiculelor este utilizarea piese turnate sub presiune mari din aluminiu ca noduri structurale care înlocuiesc mai multe componente din oțel ștanțate și sudate. Abordarea „Gigacasting” de la Tesla, introdusă odată cu Modelul Y în 2020, folosește o singură turnare sub caroserie din spate care a înlocuit 70 de piese timbrate individuale si eliminat peste 700 suduri . Turnarea rezultată cântărește aproximativ 66 kg și reduce costul de fabricație al caroseriei din spate cu o estimare 40% . Alți producători de automobile, inclusiv Volvo, Toyota și General Motors, au anunțat strategii similare de mega-casting.

Subcadru și leagăn

Subcadrele față și spate ale vehiculelor de lux și de performanță sunt uneori turnate din aluminiu, mai degrabă decât fabricate din tuburi de oțel. Cadrele auxiliare din aluminiu turnat permit o geometrie interioară complexă a nervurilor care optimizează raportul rigiditate-greutate și pot integra șefurile de montare a motorului, punctele de preluare a suspensiei și suporturile pentru cremalierele de direcție într-o singură piesă.

Procese de turnare utilizate în producția de automobile

Sunt selectate diferite procese de turnare pe baza complexității piesei, proprietăților mecanice necesare, volumului de producție și materialului. Industria auto folosește mai multe metode distincte de turnare:

Materiale utilizate în turnarea auto

Alegerea materialului de turnare determină greutatea piesei, rezistența, rezistența termică și costul. Industria auto folosește patru materiale primare de turnare:

• Fontă gri — cel mai utilizat pentru rotoarele de frână, tamburi, colectoare de evacuare; amortizare și prelucrabilitate excelente; densitate ~7,2 g/cm³
• Fier nodular (ductil). — folosit pentru arbori cotiți, carcase diferențiale, fuzete de direcție; rezistenta la tractiune pana la 800 MPa ; superioară fierului cenușiu ca rezistență la impact
• Aliaje de aluminiu (A380, A319, A356, A357) — dominantă în blocurile motoare, chiulasele, carcasele transmisiei, nodurile structurale; densitate ~2,7 g/cm³ față de 7,8 g/cm³ pentru oțel — permițând 65% economie de greutate peste piese de fier echivalente
• Aliaje de magneziu (AZ91D, AM60B) — utilizat pentru cadrele tabloului de bord, carcasele cutiei de transfer, capacele supapelor; Cu 33% mai ușor decât aluminiul ; cost-prima limitează adoptarea pe scară largă
• Aliaje de zinc (seria Zamak) — pentru piese mici, de precizie: mânere de uși, carcase de lacăt, corpuri de carburator; capacitate de detalii extrem de fine în turnarea sub presiune

Referință completă: Piese turnate majore pentru automobile în funcție de sistem

De ce turnarea domină producția de piese auto

Turnarea persistă ca proces dominant pentru componentele metalice pentru automobile, deoarece satisface în mod unic mai multe cerințe de inginerie simultane:

• Geometrie internă complexă — pasaje de lichid de răcire, galerii de ulei și structuri goale imposibil de realizat prin forjare sau prelucrare din material solid
• Consolidarea părților — o singură turnare poate înlocui ansambluri de 10–70 de piese individuale ștanțate și sudate, reducând greutatea, costul și timpul de asamblare
• Eficiența materialului — turnarea în formă aproape de plasă reduce îndepărtarea materialului de prelucrare la 5–20% din volumul piesei față de până la 80% pentru unele componente prelucrate din billet
• Economie de mare volum — costurile instrumentelor de turnare sub presiune de 200.000 USD–2.000.000 USD per unealtă sunt amortizate pe sute de mii de piese, aducând costul pe piesă sub orice proces concurent la volum
• Flexibilitatea alegerii materialelor — aceeași intenție de proiectare poate fi executată în fier, aluminiu, magneziu sau zinc prin schimbarea aliajului și a procesului, permițând optimizarea platformei pe segmentele de vehicule

Trecerea industriei către vehiculele electrice accelerează inovația de turnare, mai degrabă decât o diminuează. Carcase pentru baterii EV, carcase pentru motor și carcase pentru invertor sunt acum produse ca piese turnate sub presiune de aluminiu mari, aplicând aceleași principii care au guvernat turnarea grupului de propulsie timp de peste un secol la noua arhitectură a transportului electrificat.