Какие автомобильные детали изготавливаются методом литья? Полное руководство

Литье является одним из наиболее широко используемых производственных процессов в автомобильной промышленности: более 70% всех металлических компонентов типичного легкового автомобиля производятся посредством той или иной формы литья. Блоки двигателей, головки цилиндров, корпуса трансмиссии, тормозные суппорты, корпуса дифференциалов, поворотные кулаки, впускные коллекторы и ступицы колес являются одними из наиболее важных литых деталей в современных автомобилях. Эти компоненты имеют общие требования: сложная внутренняя геометрия, высокая структурная целостность и экономичное массовое производство — все атрибуты, которые литье обеспечивает лучше, чем большинство конкурирующих процессов.

Детали двигателя, изготовленные методом литья

Двигатель является самой трудоемкой системой в любом автомобиле. Его компоненты работают в условиях экстремальных термических и механических напряжений, требуя материалов и геометрических форм, которые только литье может надежно производить в больших масштабах.

Блок двигателя

Блок двигателя — самая большая и сложная литая деталь автомобиля. Он содержит отверстия цилиндров, каналы охлаждающей жидкости, масляные каналы и седла коренных подшипников — все они отлиты из одной отливки. Традиционно производится из серый чугун с использованием литья в песчаные формы в современных блоках двигателей все чаще используются алюминиевый сплав (A380, A319 или A356) литье под давлением или полупостоянное литье в пресс-форме для снижения веса. Типичный алюминиевый блок двигателя V8 весит примерно 50–60 фунтов , по сравнению с 80–100 фунтов для эквивалентного чугунного блока — снижение веса, которое напрямую улучшает экономию топлива.

Головка цилиндра

Головки цилиндров сегодня почти повсеместно отливаются из алюминиевого сплава, заменяя чугунные головки, доминировавшие до 1990-х годов. Деталь содержит впускные и выпускные каналы, камеры сгорания, рубашки охлаждающей жидкости и вставки седел клапанов — внутреннюю геометрию, достижимую только путем литья в песчаные формы или литья по выплавляемым моделям с точными стержнями из песка. Алюминиевые головки цилиндров уменьшают неподрессоренную тепловую массу, сокращая время прогрева и обеспечивая более высокую степень сжатия в высокопроизводительных двигателях.

Коленчатый вал

Коленчатые валы с высокими эксплуатационными характеристиками изготавливаются коваными, большинство коленчатых валов легковых автомобилей отлиты - в основном из шаровидного (ковкого) чугуна с использованием процессов формования в сырую песчаную форму или ракушку. Литые коленчатые валы подходят для большинства серийных двигателей и значительно дешевле, чем поковки. Стоимость типичного 4-цилиндрового коленчатого вала из ковкого чугуна. Производить на 30–50 % меньше чем эквивалент из кованой стали, что делает его выбором по умолчанию для автомобилей эконом-класса и среднего класса.

Впускной коллектор

Впускные коллекторы исторически отливались из алюминия с использованием несъемных форм или литья под давлением. Сегодня многие из них изготавливаются методом литья под давлением из нейлоновых композитов для дальнейшего снижения веса, но литые впускные коллекторы из алюминия по-прежнему распространены в грузовых автомобилях и высокопроизводительных автомобилях, где термическая стойкость и стабильность размеров являются приоритетами.

Выпускной коллектор

Выпускные коллекторы должны выдерживать длительные температуры, превышающие 900°С (1650°Ф) и быстрое термоциклирование. Чугун, особенно марки с высоким содержанием кремния и молибдена (SiMo), является преобладающим материалом, производимым экологически чистым способом. литье в песок . В некоторых высокопроизводительных приложениях используется литая нержавеющая сталь или чугун с нирезистом для превосходной стойкости к окислению.

Масляный поддон и крышка ГРМ

Масляные поддоны двигателя на более крупных грузовиках и высокопроизводительных автомобилях часто отливаются из алюминия, что обеспечивает жесткость и возможность установки перегородок и парусных поддонов. Крышки ГРМ обычно представляют собой отлитые под давлением алюминиевые детали, которые герметизируют переднюю часть блока двигателя и содержат сальник коленчатого вала.

Литые детали трансмиссии и трансмиссии

Корпус и корпус коробки передач

Картеры автоматических и механических коробок передач являются одними из самых геометрически сложных отливок в автомобиле. Они должны точно располагать отверстия подшипников, туннели вала и монтажные поверхности корпуса клапана с допусками ±0,05 мм или меньше . Литье алюминия под давлением является доминирующим процессом, при этом типичные корпуса трансмиссий легковых автомобилей весят 10–18 кг . Литье под высоким давлением (HPDC) обеспечивает время цикла менее 2 минут на деталь, что важно для крупносерийного производства.

Дифференциальный случай и носитель

Корпус дифференциала (корпус крестовины) и корпус отлиты из чугуна с шаровидным графитом или, в более легких транспортных средствах, из алюминиевого сплава. Эти детали должны выдерживать значительные крутящие нагрузки и силы реакции шестерни, сохраняя при этом точную геометрию посадочного места подшипника. Корпуса дифференциалов из чугуна с шаровидным графитом в заднеприводных грузовиках обычно отливаются в песчаную форму и рассчитаны на крутящий момент, превышающий 500 Нм .

Корпус раздаточной коробки

Для полноприводных и полноприводных автомобилей требуется раздаточная коробка, которая распределяет крутящий момент между передней и задней осями. Корпуса раздаточной коробки отлиты под давлением из алюминиевого сплава, объединяя монтажные фланцы, втулки подшипников и туннели выходного вала в единую деталь, объединяя то, что в противном случае потребовало бы обработки нескольких механически обработанных и сваренных компонентов.

Литые компоненты тормозной системы

Тормозной суппорт

Тормозные суппорты отлиты из серого чугуна или алюминиевого сплава (литье под давлением A380). Чугунные суппорты входят в стандартную комплектацию большинства серийных автомобилей из-за их низкой стоимости и превосходной износостойкости. Алюминиевые суппорты, используемые на мощных и роскошных автомобилях, предлагают Снижение веса на 40–50 % по сравнению с железными аналогами, уменьшая неподрессоренную массу и улучшая ощущение тормозов. Внутреннее отверстие поршня и каналы для жидкости формируются во время литья и обрабатываются механической обработкой с допуском отверстия ±0,013 мм .

Тормозной барабан

Тормозные барабаны для задних барабанных тормозных систем отлиты из серого чугуна (ASTM A159 класса G3000 или G3500), выбранного из-за его превосходных демпфирующих свойств, которые уменьшают визг тормозов, и его способности распределять тепло от трения по стенкам барабана. Типичный задний тормозной барабан легкого грузовика весит 7–12 кг и производится методом горизонтального литья в сырые песчаные формы.

Тормозной ротор (диск)

Тормозные роторы почти всегда отливаются из серого чугуна, при этом внутренняя геометрия лопаток (для вентилируемых роторов) формируется песчаными сердечниками во время литья. Графитовая микроструктура серого чугуна обеспечивает превосходную теплопроводность и демпфирование трения. В некоторых высокопроизводительных роторах используются варианты из углеродно-керамического композита или чугуна с отверстиями и прорезями, но практически во всех случаях основным материалом остается отливка.

Корпус главного цилиндра

Корпус главного тормозного цилиндра, который преобразует усилие на педали в гидравлическое давление, отлит под давлением из алюминия. Отверстие, монтажная втулка резервуара и каналы отверстий отлиты, а затем подвергнуты окончательной механической обработке с соблюдением прецизионных гидравлических допусков.

Литые детали подвески и рулевого управления

Поворотный кулак

Поворотный кулак (балка шпинделя) соединяет ступицу колеса с системой подвески и рулевого управления. Он должен выдерживать сложные многоосные нагрузки от торможения, прохождения поворотов и дорожных ударов. Традиционно отливают из ковкий чугун , современные кастеты все чаще используют алюминиевая постоянная форма или литье под низким давлением для экономии веса до 40% . Люксовые бренды, такие как BMW и Audi, используют алюминиевые поворотные кулаки с начала 2000-х годов; массовое внедрение ускорилось в 2010-е годы.

Рычаги управления и поперечные рычаги

Верхние и нижние рычаги подвески в автомобилях класса Performance и Luxury отливаются из алюминиевого сплава методом гравитационного литья или литья под давлением. Литье под давлением обеспечивает механические свойства, близкие к ковке, за счет приложения давления во время затвердевания, устраняя пористость, что критически важно для компонентов безопасности подвески. В автомобилях эконом-класса обычно используются рычаги управления из штампованной стали; литой алюминий премиум класса.

Корпус рулевого механизма

Корпуса рулевой рейки и шестерни с гидроусилителем отлиты под давлением из алюминия и включают в себя отверстие рейки, точки крепления концов рулевой тяги, а также приспособления для крепления гидравлического или электродвигателя. После отливки отверстие должно быть обработано с жесткими допусками, чтобы обеспечить плавное перемещение рейки.

Ступица колеса и держатель подшипника

Ступицы колес, на которых установлен подшипник, ротор и колесо, на большинстве серийных автомобилей отливаются из чугуна с шаровидным графитом, что обеспечивает прочность, необходимую для выдерживания радиальных и осевых нагрузок на колеса. В некоторых высокопроизводительных автомобилях для уменьшения неподрессоренной массы используются ступицы из кованого или литого алюминия.

Структурные и литые компоненты кузова

Алюминиевые конструктивные узлы и ударные башни

Растущей тенденцией в современной автомобильной архитектуре является использование крупные алюминиевые отливки в качестве узлов конструкции которые заменяют несколько штампованных и сварных стальных компонентов. Подход Tesla «Gigacasting», представленный в модели Y в 2020 году, использует единую отливку задней части днища, которая заменила 70 отдельных штампованных деталей и устранено более 700 сварных швов . Полученная отливка весит примерно 66 кг и снижает затраты на производство задней части днища примерно на 40% . Другие автопроизводители, в том числе Volvo, Toyota и General Motors, объявили об аналогичных стратегиях мегакастинга.

Подрамник и люлька

Передний и задний подрамники на роскошных и мощных автомобилях иногда отливаются из алюминия, а не изготавливаются из стальных труб. Подрамники из литого алюминия обеспечивают сложную геометрию внутренних ребер, которая оптимизирует соотношение жесткости и веса, и они могут объединять выступы опор двигателя, точки подвески и крепления рулевой рейки в одной детали.

Процессы литья, используемые в автомобильном производстве

Различные процессы литья выбираются в зависимости от сложности детали, требуемых механических свойств, объема производства и материала. В автомобильной промышленности используется несколько различных методов литья:

Материалы, используемые в автомобильном литье

Выбор литейного материала определяет вес, прочность, термостойкость и стоимость детали. В автомобильной промышленности используются четыре основных литейных материала:

• Серый чугун — наиболее широко применяется для тормозных роторов, барабанов, выпускных коллекторов; отличное демпфирование и обрабатываемость; плотность ~7,2 г/см³
• Чугун с шаровидным графитом (ковкий) — применяется для коленчатых валов, корпусов дифференциалов, поворотных кулаков; предел прочности до 800 МПа ; превосходит серый чугун по ударопрочности
• Алюминиевые сплавы (А380, А319, А356, А357) — доминирует в блоках двигателей, головках цилиндров, корпусах трансмиссии, узлах конструкции; плотность ~2,7 г/см³ против 7,8 г/см³ для стали — позволяет 65% экономия веса по сравнению с эквивалентными железными частями
• Магниевые сплавы (АЗ91Д, АМ60Б) — применяется для каркасов приборной панели, корпусов раздаточной коробки, клапанных крышек; На 33% легче алюминия ; надбавка к стоимости ограничивает широкое распространение
• Цинковые сплавы (серия Замак) — для мелких, прецизионных деталей: дверных ручек, корпусов замков, корпусов карбюраторов; возможность чрезвычайно мелкой детализации при литье под давлением

Полный справочник: основные автомобильные литые детали по системам

Почему литье доминирует в производстве автомобильных деталей

Литье по-прежнему остается доминирующим процессом изготовления металлических компонентов автомобилей, поскольку оно уникальным образом удовлетворяет одновременно нескольким инженерным требованиям:

• Сложная внутренняя геометрия — каналы для охлаждающей жидкости, масляные галереи и полые конструкции, которые невозможно получить ковкой или механической обработкой из цельной заготовки.
• Консолидация деталей — одна отливка позволяет заменить сборки из 10–70 отдельных штампованных и сварных деталей, снижая массу, стоимость и время сборки.
• Эффективность материала — отливка по форме, близкой к заданной, снижает съем материала при обработке до 5–20% объема детали против до 80% для некоторых деталей, изготовленных из заготовок
• Экономика больших объемов — Затраты на инструменты для литья под давлением в размере 200 000–2 000 000 долларов США на инструмент амортизируются в течение сотен тысяч деталей, в результате чего стоимость каждой детали ниже любого конкурирующего процесса по объему.
• Гибкость выбора материала — один и тот же проектный замысел может быть реализован из железа, алюминия, магния или цинка путем изменения сплава и процесса, что позволяет оптимизировать платформу для разных сегментов транспортных средств.

Переход отрасли к электромобилям ускоряет внедрение инноваций, а не уменьшает его. Корпуса аккумуляторов электромобилей, корпуса двигателей и корпуса инверторов теперь производятся в виде крупных отливок алюминия под давлением, применяя те же принципы, которые применялись к литью силовых агрегатов на протяжении более века, к новой архитектуре электрифицированного транспорта.