Ce este turnarea sub presiune a carcasei cutiei de viteze?

Carcasa cutiei de viteze turnare sub presiune este un proces de fabricație de înaltă presiune care injectează aliaj de aluminiu topit într-o matriță de oțel de precizie pentru a produce carcase de transmisie complexe, ușoare și cu precizie dimensională. Acest proces permite producerea de geometrii complicate - inclusiv aripioare de răcire, boturi de montare și structuri interne ale nervurilor - care ar fi dificil sau cu costuri prohibitive de realizat prin prelucrare sau alte metode de turnare.

Procesul utilizează în mod obișnuit mașini de turnare sub presiune (HPDC) cu cameră rece, cu o forță de strângere cuprinsă între 500 și 4.000 de tone, capabile să producă carcase cutie de viteze cu grosimi de perete de 0,8-1,5 mm, menținând în același timp toleranțe dimensionale strânse de ± 0,01 mm după prelucrarea CNC. Timpii ciclului variază de la 30 de secunde la 3 minute, în funcție de dimensiunea piesei, ceea ce îl face ideal pentru producția de automobile de mare volum, unde volumele anuale depășesc 50.000 de unități.

Componentele rezultate oferă raporturi excelente rezistență-greutate, cu carcase tipice ale cutiei de viteze din aluminiu turnat sub presiune care cântăresc cu 30–40% mai puțin decât piesele turnate echivalente din fier, oferind în același timp suficientă rigiditate pentru a menține alinierea angrenajului la sarcini operaționale de 200–500 Nm.

Materiale de turnare sub presiune utilizate în mod obișnuit

Aliajele de aluminiu domină aplicațiile carcasei cutiei de viteze, A380, ADC12 și A360 reprezentând cele trei alegeri de materiale primare, fiecare oferind caracteristici de performanță distincte, potrivite cerințelor operaționale specifice.

Aliaje primare de aluminiu pentru carcasele cutiei de viteze

Ghid de selecție a aliajelor

• Alegeți A380 atunci când căutați echilibrul optim între cost, turnabilitate și proprietăți mecanice pentru carcasele cutiei de viteze auto standard cu grosimi de perete de 1,0–3,0 mm.
• Specificați ADC12 pentru geometrii complexe care necesită pereți mai subțiri de 1,0 mm sau când este necesară o finisare superioară a suprafeței pentru componentele vizibile.
• Selectați A360 pentru aplicații expuse la medii corozive (marin, pulverizare de sare) sau unde etanșeitatea la presiune este critică (circuite hidraulice din carcasă).

Metode comune de inspecție a calității

Asigurarea calității pentru turnarea sub presiune a carcasei cutiei de viteze se bazează pe o abordare de inspecție pe mai multe straturi care combină metode de testare vizuală, dimensională și nedistructivă (NDT) pentru a detecta atât defectele de suprafață, cât și cele interne. Având în vedere că carcasele cutiei de viteze trebuie să mențină integritatea presiunii și fiabilitatea structurală în condiții de încărcare ciclică, protocoalele de inspecție realizează de obicei rate de detectare a defectelor care depășesc 99,5% pentru caracteristicile critice de siguranță.

Inspecție vizuală și dimensională

• Inspecție vizuală: Screeningul de primă linie identifică defectele de suprafață, inclusiv închiderea la rece, urmele de curgere, veziculele, urmele de tragere și petele de oxidare. Deși este limitată la detectarea doar la suprafață, această metodă este rapidă, cu costuri reduse și identifică 80-90% din respingerea produselor cosmetice.
• Mașină de măsurat coordonate (CMM): Verifică toleranțele geometrice la ±0,005–0,01 mm, verificând caracteristicile critice de împerechere, cum ar fi planeitatea flanșei, concentricitatea alezajului lagărului și pozițiile orificiilor de montare.
• Testarea rugozității suprafeței: Asigură că suprafețele de etanșare ating Ra 1,6–3,2 μm pentru a preveni scurgerile de lichid la interfețele garniturii.

Testare nedistructivă (NDT)

• Radiografia cu raze X (RT): Pătrunde secțiuni groase de aluminiu (până la 50 mm) pentru a dezvălui porozitatea internă, cavitățile de contracție și incluziunile. Radiografia digitală oferă imagini electronice imediate, în timp ce scanarea CT generează reconstrucții 3D pentru localizarea precisă a defectelor.
• Testare cu ultrasunete (UT): Utilizează unde sonore de înaltă frecvență (1–15 MHz) pentru a detecta discontinuități interne în piese turnate cu secțiune groasă unde accesul la raze X este limitat. Deosebit de eficient pentru inspectarea bofurilor de montaj portante și a intersecțiilor nervurilor.
• Testarea presiunii: Testarea pneumatică sau hidrostatică automată (de obicei 0,3–0,6 MPa) identifică căile de scurgere cauzate de porozitatea interconectată. Acest lucru este obligatoriu pentru carcasele care conțin circuite de lubrifiere.

Verificarea materialului

• Analiza compoziției: Spectrometria verifică conținutul de siliciu (8,5–11,5%), cupru (2,0–4,0%) și fier (<1,3%) pentru a asigura conformitatea aliajului cu specificațiile A380 sau ADC12.
• Testarea indicelui de densitate: Măsoară densitatea probei față de maximul teoretic pentru a cuantifica nivelurile de porozitate internă; limitele acceptabile necesită de obicei o densitate >98,5% din teoretică pentru carcasele structurale.

Abordarea și prevenirea problemelor de porozitate

Porozitatea turnării sub presiune a carcasei cutiei de viteze din aluminiu se manifestă în primul rând ca porozitate de gaz (goluri sferice de 5-50 μm cauzate de hidrogenul prins) și porozitate de contracție (goluri neregulate 10-200 μm cauzate de contracția solidificării), cu prevenirea eficientă care necesită o abordare la nivel de sisteme, o abordare a procesului de topire și combinare de procesare de turnare.

Controlul calității topiturii

• Degazare rotativă: Purjarea cu argon sau azot reduce conținutul de hidrogen dizolvat la ≤0,12 cm³/100g Al, obținând Reducerea cu 70-85% a porozității gazului . Aceasta este cea mai eficientă metodă de prevenire.
• Test de presiune redusă (RPT): Monitorizează calitatea topiturii în timp real; probele care prezintă un indice de densitate <2% indică niveluri acceptabile de hidrogen pentru piese turnate critice.
• filtrare: Filtrele de spumă ceramică (20–30 ppi) îndepărtează incluziunile de oxid care servesc drept locuri de nucleare pentru porozitate.

Optimizarea parametrilor de proces

• Profil de fotografiere în etape: Lovitura inițială lentă (0,3–0,5 m/s) urmată de comutatorul de mare viteză (2,5–4,0 m/s) previne solidificarea prematură, reducând în același timp turbulențele și antrenarea aerului.
• Presiunea de intensificare: Aplicarea unei presiuni de 80–120 MPa în timpul forțelor de solidificare alimentează metalul în cavitățile de contracție, reducând porozitatea cu 30–50% în secțiuni groase.
• Design poarta: Porțile conice (raport 1:10, 10–15% din secțiunea transversală a părții) promovează fluxul laminar, reducând porozitatea cu 30–40% în comparație cu tranzițiile bruște.

Tehnologii avansate de proces

• Turnare sub presiune asistată de vid (V-HPDC): Evacuarea cavității matriței la 50–100 mbar înainte de injectarea metalului elimină aerul prins, reducând porozitatea totală cu 70–80% și permiterea tratamentului termic T6 pentru aplicații structurale.
• Turnare prin strângere: Combină turnarea sub presiune cu forjarea prin aplicarea unei presiuni susținute (100–150 MPa) în timpul solidificării, producând componente cu porozitate aproape de zero cu proprietăți mecanice apropiate de aluminiu forjat.
• Răcire conformă: Inserțiile de matriță imprimate 3D cu canale de răcire optimizate reduc punctele fierbinți și problemele de solidificare direcțională care cauzează contracția porozității.

Remediere post-turnare

• impregnare: Etanșarea sub vid cu rășină anaerobă etanșează porozitatea conectată la suprafață pentru aplicații etanșe la fluide, fără a îmbunătăți proprietățile mecanice.
• Presare izostatică la cald (HIP): Supunerea pieselor turnate la o presiune de argon de 100 MPa la 500°C colapsează golurile interne, realizând 99,99% densitate pentru componente aerospațiale critice pentru siguranță sau componente auto de înaltă performanță.

Materiale alternative dincolo de aliajele de aluminiu

În timp ce aliajele de aluminiu domină producția de carcase de cutie de viteze, aliajele de magneziu și zinc oferă alternative convingătoare pentru aplicații specifice în care reducerea greutății, capacitatea de amortizare sau considerațiile de cost au prioritate.

Aliaje de magneziu (AZ91D, AM60B)

Turnarea sub presiune de magneziu oferă Densitate cu 33% mai mică decât aluminiul (1,8 g/cm³ față de 2,7 g/cm³), ceea ce le face atractive pentru cutiile de viteze EV, unde fiecare kilogram afectează autonomia. AZ91D oferă o calitate excelentă și rezistență la coroziune, în timp ce AM60B oferă o ductilitate superioară și rezistență la impact pentru aplicații critice în caz de impact.

• Aplicatii: Carcase de transmisie EV de înaltă performanță, cutii de viteze de curse, echipamente portabile.
• Limitări: Cost mai mare al materialului (2-3× aluminiu), probleme de inflamabilitate în timpul prelucrării și rezistență la coroziune inferioară fără acoperiri de protecție.

Aliaje de zinc (Zamak 3, Zamak 5)

Aliajele de zinc oferă o fluiditate excepțională, permițând grosimi de perete de până la 0,4 mm și geometrii complexe în formă de plasă, cu unghiuri de tragere minime. Zamak 3 oferă o rezistență la tracțiune de 280 MPa cu o ductilitate superioară (alungire de 10%) comparativ cu turnarea sub presiune din aluminiu.

• Aplicatii: Cutii de viteze auxiliare mici, transmisii pentru scule electrice, carcase decorative.
• Limitări: Densitatea 6,6 g/cm³ (2,4× aluminiu) limitează utilizarea în aplicații sensibile la greutate; temperatura maximă de funcționare ~120°C restricționează utilizarea în medii de transmisie cu temperaturi ridicate.

Matricea de selecție a materialelor

Întrebări frecvente despre turnarea sub presiune a carcasei cutiei de viteze

Ce grosime a peretelui poate fi obținută în turnarea sub presiune a carcasei cutiei de viteze?

Turnarea sub presiune din aluminiu standard atinge grosimi de perete de 0,8–1,5 mm pentru zonele generale și 2,0–4,0 mm pentru bofurile de montaj structurale. Cu aliajul ADC12 și porțile optimizate, sunt posibile secțiuni subțiri de 0,6 mm pentru caracteristici non-structurale.

Carcasele cutiei de viteze turnate sub presiune pot fi tratate termic?

Piesele turnate sub presiune convenționale nu pot fi tratate termic T6 din cauza porozității interne, cauzând formarea de vezicule. Cu toate acestea, piese turnate sub vid cu niveluri de porozitate <0,3% pot suferi cu succes tratament T6 , realizând rezistențe la tracțiune de până la 380 MPa.

Care este pragul tipic al volumului de producție pentru economia turnării sub presiune?

Turnarea sub presiune devine competitivă din punct de vedere al costurilor la volume anuale care depășesc 5.000–10.000 de unități , cu eficienta economica maxima la 50.000 de unitati. Sub acest prag, turnarea cu nisip sau prelucrarea CNC pot fi mai economice, în ciuda costurilor pe unitate mai mari.

Cum afectează turnarea în vid sub presiune costul pieselor?

Sistemele de vid adaugă 15–25% la costurile cu scule și 10–15% la timpul ciclului, dar reduc ratele deșeurilor de la 8–12% la 2–4%, permițând în același timp tratamentul termic și sudarea. Pentru componentele structurale de automobile, impactul total al costului este de obicei neutru sau pozitiv atunci când sunt luate în considerare îmbunătățirile calității.

Ce finisaje de suprafață sunt disponibile pentru carcasele cutiei de viteze turnate sub presiune?

Suprafețele standard turnate ating Ra 3,2–6,3 μm. Opțiunile secundare de finisare includ sablare (Ra 1,6–3,2 μm), anodizare (decorativ de tip II sau strat dur de tip III), acoperire cu pulbere, acoperire electronică și acoperire de conversie cromat pentru protecție împotriva coroziunii.

Cum se verifică cerințele de etanșare?

Testarea scăderii presiunii aplică o presiune a aerului de 0,3–0,6 MPa cavităților sigilate, monitorizând căderea presiunii <5% în 30 de secunde. Testarea scurgerilor cu heliu (sensibilitate de 10⁻⁶ mbar·l/s) este utilizată pentru cerințe extreme, cum ar fi carcasele bateriilor EV sau carcasele ermetice de transmisie .