Η χύτευση αλουμινίου είναι μια κοινή τεχνική για την κατασκευή περιβλήματος κινητήρα. Είναι αρκετά αποτελεσματική για να νικήσει οποιοδήποτε επίπεδο πολυπλοκότητας σχεδιασμού. Η διαδικασία ξεκινά με τη θέρμανση του αλουμινίου στο σημείο τήξης του και την εισαγωγή του στο καλούπι. Τα περιβλήματα κινητήρων που κατασκευάζονται με αλουμίνιο περιέχουν λιγότερο βάρος από το μέσο όρο, διαρκούν περισσότερο και έχουν εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα.

Ας ανακαλύψουμε πώς η διαδικασία χύτευσης με εκμαγείο κατασκευάζει αυτό το προϊόν χρησιμοποιώντας κατάλληλα κράματα, καθώς και τις εφαρμογές και τα οφέλη του.

Πλεονεκτήματα της χύτευσης αλουμινίου για περιβλήματα κινητήρων

Η χύτευση αλουμινίου για περιβλήματα κινητήρων είναι η ιδανική διαδικασία. Αυτό συμβαίνει επειδή προσδίδει στο εξάρτημα την πραγματική αντοχή και ανθεκτικότητα για να αντέξει στην έντονη θερμότητα.

Κράματα όπως το A380, το ADC12 και το A356 είναι τα καλύτερα υλικά που χρησιμοποιούνται στο περίβλημα του κινητήρα. Αυτό συμβαίνει επειδή υπάρχει μεγάλη αντοχή σε εφελκυσμό 310 MPa στο κράμα A380. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να αντέξει μεγάλα φορτία.

Εν τω μεταξύ, το ADC12 είναι μια άλλη προτιμώμενη επιλογή ακριβώς επειδή περιέχει 96-105 W/m-K θερμική αγωγιμότητα. Αυτό συνήθως βοηθά στην απαγωγή θερμότητας.

Ενώ το A356 προσφέρει όχι μόνο τα καλύτερα ποιοτικά εξαρτήματα αλλά μπορεί να επιτύχει επιμήκυνση έως και 7%. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να αντισταθεί καλύτερα στις κρούσεις. Κατά κάποιο τρόπο, η επιμήκυνση εξαρτάται από τις συνθήκες θερμικής επεξεργασίας.

Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά μαζί καθιστούν το περίβλημα από αλουμίνιο την ιδανική επιλογή για εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία, την αεροδιαστημική και τη βιομηχανία.

Μετρήσεις επιδόσεων

Ελαφρύ:

Όταν εργάζεστε με αλουμίνιο, υπάρχει ένα ελαφρύ χαρακτηριστικό στα εξαρτήματα. Για παράδειγμα, αυτά τα εξαρτήματα είναι 60% λιγότερο βαριά από τον χυτοσίδηρο. Αυτό δείχνει ότι είναι εύκολος ο χειρισμός των περιβλημάτων των κινητήρων και η μεταφορά τους.

Υψηλή ακρίβεια:

Η χύτευση σε μήτρα αναλαμβάνει αποτελεσματικά το προφίλ του προϊόντος και δεν δημιουργεί παραλλαγές. Έτσι, είναι βασικά μια καλή επιλογή για την επίτευξη στενών ανοχών έως και +/- 0,05 mm.

Θερμική αγωγιμότητα:

Οι κινητήρες παράγουν υπερβολική θερμότητα κατά τη λειτουργία. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το αλουμίνιο λειτουργεί γενικά καλύτερα στο περίβλημα του κινητήρα λόγω της καλής θερμική αγωγιμότητα. Διατηρεί τα εξαρτήματα δροσερά. Για παράδειγμα, το κράμα αλουμινίου A356 έχει θερμική αγωγιμότητα 150 W/m-K.

Ηλεκτρική αγωγιμότητα:

Ορισμένα σχέδια κινητήρων χρειάζονται καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Έτσι, το αλουμίνιο είναι επίσης αρκετά καλό για αυτή την ιδιότητα.

Αντοχή σε κόπωση:

Το υλικό των περιβλημάτων των κινητήρων, ωστόσο, πρέπει να αντέχει την επαναλαμβανόμενη καταπόνηση χωρίς να σπάει. Για το σκοπό αυτό, ένα κράμα όπως το A380 είναι κατάλληλο, επειδή παρέχει την απαιτούμενη αντοχή και διαρκεί περισσότερο.

Ανάλυση κόστους

Συνολικό κόστος ιδιοκτησίας:

Το αρχικό κόστος των εργαλείων της χύτευσης γίνεται προσιτό λόγω της μακροχρόνιας χρήσης τους. Επίσης, το αλουμίνιο δεν είναι τόσο δαπανηρό όσο ο χάλυβας και η διαδικασία χύτευσης μειώνει τα απόβλητα.

Σύγκριση με άλλες μεθόδους:

Η απλότητα της διαδικασίας, συμπεριλαμβανομένων των λιγότερων βημάτων, την καθιστά λιγότερο δαπανηρή από άλλες μεθόδους χύτευσης και κατεργασίας.

Περιβαλλοντικές επιπτώσεις

Η διαδικασία χύτευσης μετατρέπει το υπερβολικό υλικό σε έργα επαναχρησιμοποίησης. Επειδή το αλουμίνιο είναι 100% ανακυκλώσιμο και δεν επηρεάζει πολύ το περιβάλλον. Εκτός αυτού, το ελαφρύ χαρακτηριστικό του χρησιμοποιεί λιγότερη ενέργεια, εξοικονομώντας εναλλακτικά 25% τη χρήση καυσίμων.

Σκέψεις σχεδιασμού για περιβλήματα κινητήρων χύτευσης αλουμινίου

FEA και προσομοίωση

Η επεξεργασία της ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιεί προσομοιώσεις στον υπολογιστή. Βελτιώνει τα σχέδια και προειδοποιεί για επερχόμενα ελαττώματα πριν από την κατασκευή. Για παράδειγμα, σημεία πίεσης, ροή θερμότητας κ.λπ. Έτσι ώστε το περίβλημα του κινητήρα να λειτουργεί αποτελεσματικά.

Ανάλυση τάσεων/παραμορφώσεων:

Στην περίπτωση της αντοχής σε τάσεις, οι προσομοιώσεις βοηθούν τους κατασκευαστές να εντοπίσουν τα αδύνατα σημεία, ακόμη και τις ενισχυμένες περιοχές που είναι επιρρεπείς σε ρωγμές. Επιπλέον, η χρήση κράματος A380 μπορεί να βοηθήσει στην αντιμετώπιση τάσεων γύρω στα 150-200 MPa. Αυτό είναι συνήθως ίσο με τα εξαρτήματα του κινητήρα αυτοκινήτων.

Θερμική ανάλυση:

Οι προσομοιώσεις υπολογίζουν τις δυνατότητες κίνησης θερμότητας κατά το σχεδιασμό δομών ψύξης. Αυτό συμβαίνει επειδή το περίβλημα του κινητήρα πρέπει να παραμείνει κάτω από τους 150°C χωρίς να απελευθερώνει υπερβολική θερμότητα.

Μείωση ελαττωμάτων:

Τα εργαλεία προσομοίωσης βοηθούν στην εξάλειψη των πιθανοτήτων ελαττωμάτων, όπως το πορώδες του αέρα, κατά περίπου 30-50%.

Σχεδιασμός συστήματος Gating και Runner

Τα συστήματα πύλης χρησιμεύουν ως δίοδοι για το λιωμένο μέταλλο, που ρέει προς το καλούπι. Οι τεχνικές τοποθέτησής τους επηρεάζουν την ποιότητα και την αντοχή των εκροών.

Ταχύτητα ροής:

Το καλούπι πρέπει να γεμίζει ομοιόμορφα, χωρίς να χρειάζεται περισσότερο από 2 έως 5 δευτερόλεπτα. Ο υπερβολικός χρόνος αυξάνει τις πιθανότητες εγκλωβισμού αέρα. Αυτό προκαλεί πορώδες (μικροσκοπικές τρύπες).

Τύποι πυλών:

• Tab Gates: Είναι πάχους 2-5 mm και κατάλληλες για μεγάλα και βαριά εξαρτήματα.
• Pin Gates: πλάτους 1-3 mm. Μπορείτε να τις χρησιμοποιήσετε για εξαρτήματα με λεπτά τοιχώματα, όπως τα καλύμματα του περιβλήματος του κινητήρα.
• Πύλες υπερχείλισης: Μπορούν να συλλάβουν ακαθαρσίες. Αυτές οι πύλες βελτιώνουν επίσης το φινίρισμα της επιφάνειας κατά 20%.

Έλεγχος αναταράξεων:

Ο καλός σχεδιασμός των δρομέων δίνει ισχυρά και ομαλά μέρη. Μειώνει το πορώδες έως και 20-30%.

Λεπτομέρειες σχεδιασμού μήτρας

Το καλούπι είναι ένα σημαντικό συστατικό της χύτευσης. Διαμορφώνει το λιωμένο μέταλλο στο τελικό τεμάχιο. Οι τεχνικές σχεδιασμού τους έχουν πραγματικά σημαντικό αντίκτυπο στην παραγωγή. Για παράδειγμα, οι ολισθήσεις και οι πυρήνες στη μήτρα κάνουν δηλωμένα χαρακτηριστικά όπως πτερύγια ψύξης. Αλλά κατά κάποιο τρόπο, η προσθήκη 3 έως 5 στρώσεων αυξάνει τις τιμές κατά 10 έως 15%.

Παρομοίως, η τοποθέτηση ακίδων εκτίναξης, με απόσταση μεταξύ τους 10-15 mm, εμποδίζει την κάμψη των τεμαχίων κατά τη διαδικασία.

Μιλώντας για τα κανάλια ψύξης, πρέπει να έχουν πλάτος περίπου 5-10 mm. Αυτό συμβαίνει επειδή η μείωση του χρόνου ψύξης επιταχύνει την ταχύτητα παραγωγής.

Διαχείριση θερμότητας

Η αποτελεσματική θερμική διαχείριση είναι σημαντική κατά τη διάρκεια της χύτευσης για να σταματήσει η υπερθέρμανση. Για παράδειγμα, η χρήση ψύκτρων και πτερυγίων στο σχεδιασμό της μήτρας δημιουργεί αρκετές επιφάνειες (50-70%) από τις οποίες μπορεί να διαφύγει η υπερβολική θερμότητα στα εξαρτήματα.

Εκτός αυτού, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται κανάλια ψύξης με χαμηλότερες θερμοκρασίες (20-30°C).

Επιπλέον, οι μήτρες που βασίζονται στην ψύξη με νερό ψύχονται γρήγορα από τους 600°C στους 200°C, διαρκώντας όχι περισσότερο από 1-2 λεπτά. Αυτό βοηθά περαιτέρω στην κυκλική λειτουργία και την αποδοτικότητα της παραγωγής.

Διαδικασία κατασκευής των περιβλημάτων κινητήρων χύτευσης αλουμινίου

Σε μια διαδικασία όπως χύτευση αλουμινίου το περίβλημα του κινητήρα, τα μέρη περιέχουν ισχυρό, δηλωμένο φινίρισμα. Αυτό είναι το αποτέλεσμα της χρήσης έγχυσης λιωμένου κράματος υψηλής πίεσης.

Οι μηχανές χύτευσης διοχετεύουν το θερμαινόμενο μέταλλο στη μήτρα χρησιμοποιώντας ένα έμβολο και ένα χιτώνιο βολής. Ενώ η πλάκα λειτουργεί ως εργαλείο συγκράτησης. Ο σφικτήρας γάντζου την ασφαλίζει σφιχτά.

Επίσης, οι κατασκευαστές δίνουν στη χύτευση την απαιτούμενη πίεση μέσω ενός συσσωρευτή αερίου/λαδιού για να κάνουν τη διαδικασία πιο ομαλή.

Τύποι μηχανών χύτευσης

Μηχανές θερμού θαλάμου:

Η χύτευση σε καυτό θάλαμο είναι κατάλληλη για κράματα που δεν έχουν υψηλά σημεία τήξης. Για παράδειγμα, ψευδάργυρος ή μόλυβδος. Αυτό συμβαίνει επειδή τα μέταλλα με υψηλό σημείο τήξης, όπως το αλουμίνιο, μπορούν να προκαλέσουν ζημιά στον εξοπλισμό των μηχανών.

Στην περίπτωση της διαδικασίας θερμού θαλάμου, οι κατασκευαστές διατηρούν το μέταλλο σε θερμαινόμενο θάλαμο. Όπου το ρίχνουν απευθείας στο καλούπι.

Μηχανές ψυχρού θαλάμου:

Αυτές οι μηχανές είναι ιδανικές για τη χύτευση κραμάτων μέτριου έως υψηλότερου σημείου τήξης. Για παράδειγμα, αλουμίνιο, χαλκός, τιτάνιο κ.λπ. Κατά τη διάρκεια αυτής της τεχνικής, οι κατασκευαστές χρησιμοποιούν ξεχωριστούς θαλάμους για την τήξη του επιλεγμένου κράματος. Στη συνέχεια, το μεταφέρουν στο καλούπι χρησιμοποιώντας μια κουτάλα. Η μηχανή λειτουργεί με πίεση έγχυσης 10-175 MPa. Έτσι ώστε το υγρό μέταλλο να απλώνεται ομοιόμορφα στο εσωτερικό των χώρων.

Δύναμη σύσφιξης & χρόνος κύκλου:

Το μηχάνημα, ωστόσο, χρησιμοποιεί δύναμη σύσφιξης 1.000-5.000 kN για να κλείσει καλά το καλούπι. Κάθε κύκλος, συμπεριλαμβανομένων της έγχυσης, της ψύξης και της εκτόξευσης, είναι πλήρης και δεν διαρκεί περισσότερο από 30-120 δευτερόλεπτα. Αυτό εξαρτάται από το μέγεθος και την πολυπλοκότητα του τεμαχίου.

Προετοιμασία λιωμένου μετάλλου

• Λιώσιμο: στους 680-750°C σε κλίβανο. Η θερμοκρασία δεν πρέπει να αποκλίνει από αυτήν για να αποφευχθεί η υπερβολική οξείδωση και να διατηρηθεί η ρευστότητα.
• Απαέρωση: Η διαδικασία αυτή είναι σημαντική σε περίπτωση που σταματήσει το λιωμένο κράμα να απορροφά υδρογόνο από τον αέρα. Ως αποτέλεσμα εμφανίζεται το πορώδες. Για το λόγο αυτό, η απαέρωση απομακρύνει κυρίως το αέριο υδρογόνο. Επομένως, αποτρέπει το πορώδες και καθιστά τη χύτευση ισχυρότερη.
• Φιλτράρισμα: Υπάρχουν ακαθαρσίες στο μέταλλο, όπως οξείδια και μη μεταλλικά σωματίδια. Αυτό αποδυναμώνει τη χύτευση. Αυτό μπορεί να αφαιρεθεί με τη χρήση ενός κεραμικού φίλτρου. Η απομάκρυνση των ακαθαρσιών καθιστά το μέταλλο πιο καθαρό (15-25%) και δημιουργεί ένα λείο φινίρισμα.

Έλεγχος θερμοκρασίας μήτρας

Η διαχείριση της θερμοκρασίας της μήτρας είναι απαραίτητη για την εξάλειψη των ελαττωμάτων και την κατασκευή καλύτερων εξαρτημάτων. Για παράδειγμα, τα κανάλια ψύξης στο εσωτερικό της μήτρας κυκλοφορούν νερό ή λάδι. Αποτρέποντας τη στρέβλωση και τη συρρίκνωση, ψύχουν ομοιόμορφα το μέταλλο.

Ομοίως, τα θερμαντικά στοιχεία καλύπτουν τις ανάγκες ορισμένων καλουπιών να είναι ζεστά. Έτσι, σταθεροποιούν τη θερμοκρασία και αποφεύγουν τις ρωγμές.

Επίσης, τα συστήματα ελέγχου της θερμοκρασίας διατηρούν τη θερμοκρασία της μήτρας στους 150-250°C περίπου. Μειώνουν το κρύο κλείσιμο ή την υπερβολική συρρίκνωση.

Αυτοματοποίηση στη χύτευση υπό πίεση

Ρομποτικός χειρισμός:

Η ενσωμάτωση ρομπότ συμβάλλει στη μείωση του συνολικού χρόνου κύκλου (10-20%). Επειδή χειρίζονται εργασίες που ξεκινούν από την τήξη έως τα τελικά προϊόντα. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχουν λιγότερες πιθανότητες λάθους και τα αποτελέσματα είναι πιο αποτελεσματικά.

Αυτοματοποιημένος ψεκασμός μήτρας:

Για την ομοιόμορφη κατανομή των λιπαντικών στη μήτρα, ο αυτοματισμός είναι χρήσιμος. Ψεκάζει τις κρυφές περιοχές και παρατείνει τη διάρκεια ζωής του εξαρτήματος κατά 15-30%.

Ποιοτικός έλεγχος και δοκιμές των περιβλημάτων κινητήρων χύτευσης αλουμινίου

Μη καταστροφικός έλεγχος (NDT)

Μέθοδος παλμικής ηχούς:

Ένας μετατροπέας μεταδίδει υπερηχητικά κύματα στο περίβλημα. Τα κύματα αυτά ανακλώνται από τα ελαττώματα όταν δεν τα διαπερνούν. Επικεντρώνεται σε μέρη σχεδόν για να υποδείξει ελαττώματα στο μέταλλο.

Μέσω της μεθόδου μετάδοσης:

Κατά τη διάρκεια αυτής της τεχνικής, το προσωπικό στους δύο μετατροπείς και στις δύο πλευρές του χύτευσης. Εάν υπάρχει κάποιο ελάττωμα, τα κύματα δεν θα περάσουν ή θα εξασθενήσουν.

Τεχνικές επιθεώρησης

Επιθεώρηση με ακτίνες Χ:

Αυτές οι επιθεωρήσεις αναλύουν τα εσωτερικά ελαττώματα της χύτευσης, όπως το πορώδες ή η συρρίκνωση. Αυτό θα μπορούσε να θέσει σε κίνδυνο την πραγματική απόδοση. Για παράδειγμα, η εξέταση με υπερήχους βρίσκει κρυφές ρωγμές μέσω ηχητικών κυμάτων υψηλής συχνότητας. Εν τω μεταξύ, η επιθεώρηση με διεισδυτική χρωστική βοηθά στον εντοπισμό επιφανειακών ελαττωμάτων με μια συγκεκριμένη χρωστική.

Στατιστικός έλεγχος διεργασιών (SPC)

Οι προσαρτημένοι αισθητήρες αυτοματισμού σε μηχανήματα όπως το SPC προσδιορίζουν την πίεση, τη θερμότητα, τους ρυθμούς ψύξης και τους χρόνους κύκλου σε πραγματικό χρόνο. Μπορείτε να προσαρμόσετε αμέσως τις παραμέτρους για καλύτερη απόδοση. Επίσης, βοηθούν στη μείωση των ελαττωμάτων κατά 20-40% και της σπατάλης υλικών. Δίνει συνέπεια στην ποιότητα κάθε παρτίδας.

Μεταλλουργική αξιολόγηση

• Ανάλυση μικροδομής: Βοηθά στην αναγνώριση του πραγματικού σχηματισμού των κόκκων και της κατανομής των μετάλλων για την ανθεκτικότητα.
• Έλεγχοι συμμόρφωσης: B85 για μηχανική αντοχή.

Εφαρμογές και βιομηχανίες που χρησιμοποιούν περιβλήματα κινητήρων χύτευσης αλουμινίου

Αυτοκίνητο:

Τα περιβλήματα κινητήρων αλουμινίου χρησιμοποιούνται σε κινητήρες ηλεκτρικών οχημάτων (EV). Συνεχίζουν να λειτουργούν αποτελεσματικά, περιέχοντας μικρότερο βάρος. Επίσης, η θερμική διαχείριση γίνεται καλύτερη και η μπαταρία διαρκεί περισσότερο.

Αεροδιαστημική & Drones:

Το περίβλημα σε συστήματα προώθησης μη επανδρωμένων αεροσκαφών σταματά να επηρεάζει ακραίες θερμοκρασίες και δονήσεις. Λειτουργεί ομαλά.

Βιομηχανικά μηχανήματα:

Πολλοί ρομποτικοί βραχίονες, ιμάντες μεταφοράς και αυτοματοποιημένα συστήματα χρησιμοποιούν περίβλημα κινητήρα. Αυτό συμβαίνει επειδή προσδίδει δομική ακεραιότητα και διαχέει τη θερμότητα για σταθερή απόδοση.

Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας:

Σε διαφορετικές καιρικές συνθήκες, αυτά τα χυτά βοηθούν στη διατήρηση της απόδοσης του κινητήρα για ανεμογεννήτριες και συστήματα παρακολούθησης ηλιακής ενέργειας.

Ιατρικός εξοπλισμός:

Το περίβλημα κινητήρα έχει ολοένα και μεγαλύτερη ζήτηση στον ιατρικό εξοπλισμό. Αυτό οφείλεται στο σχεδιασμό ακριβείας, το συμπαγές μέγεθος και την ανθεκτικότητά του.

Συμπέρασμα:

Τα πιο σημαντικά πράγματα σχετικά με το περίβλημα του κινητήρα από χυτό αλουμίνιο είναι η αντοχή, η ανθεκτικότητα και η εξαιρετική απαγωγή θερμότητας. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αποτελεί την καλύτερη επιλογή για εξαρτήματα κινητήρων, όπου το ελαφρύ χαρακτηριστικό του βελτιώνει την ενεργειακή απόδοση. Επιπλέον, οι βελτιώσεις στα κράματα και τις τεχνικές το οδηγούν σε ισχυρότερες, αποδοτικότερες και φιλικότερες προς το περιβάλλον λύσεις.