Dlaczego odlewy ciśnieniowe aluminium dominują w produkcji części samochodowych
Odlewanie ciśnieniowe aluminium jest wiodącym procesem produkcyjnym elementów konstrukcji samochodowych i układów napędowych, ponieważ pozwala uzyskać części o wysokiej wytrzymałości i dokładności wymiarowej przy niskim koszcie jednostkowym, gdy wielkość produkcji przekracza około 10 000 sztuk. Prawidłowo zaprojektowana część samochodowa odlewana ciśnieniowo łączy w sobie lekkość aluminium – około jedną trzecią gęstości stali – z właściwościami mechanicznymi, które po prawidłowej obróbce cieplnej spełniają lub przekraczają wymagania obudów skrzyń biegów, bloków silnika i elementów konstrukcyjnych podwozia.
W tym artykule wyjaśniono, jak to zrobić części odlewane ciśnieniowo z aluminium są produkowane, dlaczego obróbka cieplna jest niezbędna dla ich wydajności i co powinni ocenić nabywcy i inżynierowie przy zaopatrywaniu się w części samochodowe z odlewów ciśnieniowych do programów produkcyjnych.
Jak działa odlewanie ciśnieniowe aluminium
W procesie odlewania ciśnieniowego stopione aluminium jest wtryskiwane do formy ze stali hartowanej pod ciśnieniem zazwyczaj mieszczącym się w zakresie od 1500 i 25 000 psi wypełniając ubytek w czasie poniżej 100 milisekund. Prędkość ta pozwala na całkowite wypełnienie cienkich ścianek – w niektórych zastosowaniach motoryzacyjnych o grubości zaledwie 1,5 mm – zanim metal stwardnieje, co umożliwia tworzenie lekkich konstrukcji, które byłyby niepraktyczne w przypadku odlewania piaskowego lub grawitacyjnego.
Stosowane powszechnie stopy aluminium
Większość części samochodowych do odlewów ciśnieniowych wykorzystuje Stop A380 lub A383 do ogólnych elementów konstrukcyjnych i obudów ze względu na ich dobrą płynność i lejność, choć są nowsze Silafont-36 i Aural-2 stopy są coraz częściej stosowane w konstrukcyjnych częściach podwozi, ponieważ umożliwiają obróbkę cieplną bez problemów z porowatością, typowych dla starszych stopów o wysokiej zawartości krzemu.
Typowe zastosowania motoryzacyjne dla części z odlewanego ciśnieniowo aluminium
- Obudowy skrzyni biegów i silnika: Złożona geometria wewnętrzna odlana w jednym ujęciu, eliminując zespoły wieloczęściowe
- Elementy konstrukcyjne podwozia: Wieże amortyzatorów i ramy pomocnicze, szczególnie w pojazdach elektrycznych wykorzystujących duże części „gigacastingowe”.
- Obudowy silników elektrycznych: Precyzyjne powierzchnie odprowadzające ciepło do chłodzenia akumulatorów i silników
- Wsporniki i mocowania: Poduszki silnika, wsporniki układu kierowniczego i elementy zawieszenia wymagające dużej wytrzymałości zmęczeniowej
- Elementy wlotu powietrza i chłodzenia: Kolektory dolotowe i obudowy pomp zyskują na odporności na korozję aluminium
Dlaczego obróbka cieplna odlewów aluminiowych ma znaczenie
Odlewane części aluminiowe często nie mają wytrzymałości, twardości i stabilności wymiarowej wymaganej w konstrukcyjnych zastosowaniach motoryzacyjnych. Obróbka cieplna może zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie o 30-50% i znacznie poprawiają wydłużenie, co czyni go krytycznym krokiem, a nie opcjonalnym procesem wykańczania nośnych części odlewanych ciśnieniowo.
Wyjaśniono obróbkę cieplną T5 i T6
Obróbka T5 polega na sztucznym starzeniu bezpośrednio na podstawie temperatury odlewania i jest stosowana w celu uzyskania umiarkowanego przyrostu wytrzymałości bez pełnej obróbki roztworem. Obróbka T6 — obróbka cieplna przesycająca, a następnie sztuczne starzenie — zapewnia najwyższą wytrzymałość i jest standardem w przypadku części konstrukcyjnych, chociaż wymaga odlewania ciśnieniowego pod ciśnieniem lub stopów o niskiej porowatości, aby uniknąć powstawania pęcherzy na etapie rozpuszczania w wysokiej temperaturze.
Odprężenie i stabilność wymiarowa
Nawet części, które nie wymagają poprawy wytrzymałości, często poddaje się wyżarzaniu odprężającemu 200-260°C w celu zmniejszenia wewnętrznych naprężeń szczątkowych wynikających z szybkiego krzepnięcia, co zapobiega wypaczeniu podczas późniejszej obróbki — powszechny wymóg w przypadku obudów przekładni z precyzyjnym otworem.
Porównanie obróbki cieplnej części z odlewanego ciśnieniowo aluminium
| Leczenie | Proces | Typowa wytrzymałość na rozciąganie | Powszechne zastosowanie |
|---|---|---|---|
| W stanie surowym (F) | Żadnego leczenia | 160-230 MPa | Wsporniki niekonstrukcyjne, osłony |
| T5 | Tylko sztuczne starzenie | 230-260 MPa | Obudowy o umiarkowanym obciążeniu |
| T6 | Rozwiązanie leczy starzenie się | 290-330 MPa | Elementy konstrukcyjne podwozia |
| Ulga w stresie | Wyżarzanie w niskiej temperaturze | Niezmienione | Części wymagające precyzyjnej obróbki |
Kontrole jakości części odlewanych pod ciśnieniem w samochodach
Części odlewane ciśnieniowo do zastosowań motoryzacyjnych zazwyczaj przechodzą kilka etapów kontroli przed zatwierdzeniem do użytku produkcyjnego:
- Skanowanie rentgenowskie lub tomograficzne w celu wykrycia porowatości wewnętrznej, która ma kluczowe znaczenie w przypadku obudów uszczelnionych ciśnieniowo
- Kontrola wymiarowa przy użyciu CMM (współrzędnościowych maszyn pomiarowych) w zakresie typowych tolerancji ±0,1 mm na krytycznych cechach
- Wykonano badania twardości po obróbce cieplnej w celu potwierdzenia docelowych właściwości mechanicznych
- Testowanie szczelności płynów uszczelniających części, takie jak obudowy przekładni i silnika
- Kontrola wykończenia powierzchni przed obróbką skrawaniem, powlekaniem lub malowaniem
Względy projektowe dotyczące wykonalności
Grubość ścianki powinna pozostać możliwie jednolita, zazwyczaj pomiędzy 2 mm i 4 mm , aby uniknąć porowatości skurczowej i skrócić czas cyklu. Aby umożliwić czysty wyrzut z matrycy, konieczne są kąty pochylenia wynoszące co najmniej 1-2 stopnie na powierzchniach pionowych, a duże zaokrąglenia w narożnikach wewnętrznych zmniejszają koncentrację naprężeń, które mogą prowadzić do pęknięć pod obciążeniami wibracyjnymi powszechnymi w motoryzacji.
Inżynierowie współpracujący z dostawcą odlewów ciśnieniowych powinni również zaplanować operacje po odlewaniu na wczesnym etapie projektowania — naddatki na obróbkę, odkształcenia związane z obróbką cieplną i wymagania dotyczące obróbki powierzchni wpływają na ostateczne tolerancje i powinny zostać określone przed wycięciem oprzyrządowania, ponieważ modyfikacje matryc po zakończeniu oprzyrządowania są kosztowne i mogą wydłużyć harmonogram programu o kilka tygodni.
