Как развитие литья под давлением произвело революцию в автомобильной промышленности

Некоторое время назад производитель электромобилей из Северной Америки объявил о новом плане по производству и сборке своих автомобилей. Технология цельного формования устраняет необходимость собирать большую деталь из более мелких — литьё под давлением (ЛПД) даёт возможность изготовить её за один процесс. Благодаря развитию гигантских литейных машин эта технология может произвести в автомобильной промышленности революцию.

В 2019 году компания LK MACHINERY INTERNATIONAL LIMITED (Корея) разработала для литья под давлением гигантскую машину 6000T. Сегодня она является самой большой установкой такого типа в мире и предназначена для изготовления крупногабаритных деталей по технологии монолитного литья.

Ист: http://www.lk.world/ru/news_detail.php?type=&nid=220

Применение литья под давлением в автомобильной промышленности

Магниевые и алюминиевые сплавы широко используются в автомобильной промышленности для изготовления кузова и других компонентов. Их начали применять в автомобилях в Германии ещё в 1920-е и 1930-е годы. После разработки высокопрочных магниевых и алюминиевых сплавов из них постепенно начали изготавливать и конструктивные элементы. Основной метод производства таких деталей — литьё под давлением.

Раньше таким способом изготавливались только относительно мелкие детали, такие как колёсные диски, блоки двигателя, картеры трансмиссии и др. Их применение в автомобиле не приводило к заметному снижению его массы. С развитием технологии методом ЛПД начали отливать и более крупные детали, такие как автомобильные двери и шасси. Широкое внедрение лёгких материалов позволило значительно уменьшить массу автомобиля и благодаря этому снизить расход топлива.

Облегчение автомобилей было горячей темой в течение многих лет, и с учётом все более строгих стандартов выбросов и ужесточения мер по экономии топлива работа над этой задачей становится все более и более целенаправленной. Автомобильная промышленность также отреагировала на эту тенденцию, постепенно заменяя стальные детали алюминиевыми, что стимулировало увеличение спроса на этот металл.

Масса автомобиля и расход топлива

Как уже отмечалось, в автомобильной промышленности очень важно использовать лёгкие сплавы, поскольку снижение массы позволяет снизить расход топлива без ущерба для жёсткости и безопасности конструкции. Исследования показывают, что уменьшение массы на 10% повышает эффективность использования топлива на 6–8%. В абсолютных цифрах снижение веса на 100 кг дает экономию топлива 0,3–0,6 л на 100 км пробега. Ещё одно преимущество лёгких автомашин — повышение безопасности вождения.

Алюминий и магний в автомобильной промышленности

Автомобильная промышленность — один из основных рынков деталей из алюминиевого сплава. Возьмем, к примеру, Японию. Более 70% выпускаемых алюминиевых деталей предназначены для автомобильной промышленности, среди них блоки цилиндров, поршни, воздухозаборники, поперечные рычаги, картеры трансмиссии, картеры сцепления, колёса и так далее.

Плотность магния составляет примерно 2/3 плотности алюминия, это самый лёгкий металл среди всех используемых. Магниевые сплавы хорошо поглощают удары, пригодны для резки и литья под давлением. Магниевое литьё используются в автомобильной промышленности наравне с алюминиевым. Производительность литья из магния может быть на 30–50% выше, чем у литья из алюминиевых сплавов.

Применение магниевых сплавов вместо стали, цинковых или алюминиевых сплавов позволяет значительно снизить вес автомобильных компонентов (таких, как рулевая колона, блок двигателя и картер сцепления) при одновременном повышении жесткости конструкции. 

Инновации в литье цельных деталей

Преимущество технологии ЛПД в том, что появляется возможность отлить одну большую деталь вместо отливки и последующей сборки в единое целое более мелких. Это достигается изменением дизайна деталей.

Такой приём даёт несколько преимуществ. Во-первых, сокращается количество деталей — сборочная линия упрощается, что экономит человеческие ресурсы и сокращает время производства. Кроме того, уменьшается количество стыков между деталями — это означает лучшую жёсткость конструкции, меньшее трение и меньший износ. Наконец, появляется возможность лучше спроектировать деталь, так как отпадает проблема сборки, крепёжных отверстий и фланцев.

Короче говоря, за счёт правильного литья одной детали можно оптимизировать производство, включая снижение капитальных затрат, сроков производства, эксплуатационных расходов, производственных площадей и стоимости инструмента. Такое сокращение означает, что может быть достигнута более высокая эффективность, а это критично для новой автомобильной промышленности. Однако на практике для получения этих преимуществ требуется мощная научная и конструкторская поддержка.

Цели и задачи при монолитном литье

В технологии монолитного литья можно выделить две задачи: проектирование и производство. Цельная конструкция отливки означает проектирование детали, которая будет отлита за один раз вместо последующей сборки из нескольких деталей. Что касается собственно процесса отливки, речь идёт о конструировании формы, включая структуру, охлаждение, заполнение расплавом и т.д.

Проблемы монолитного литья больше связаны с оборудованием. Большие размеры и более сложная конструкция повышают требования к машине. Важны различные параметры, такие как усилия смыкания и удержания пресс-форм, размер плит, масса запрессовываемой порции металла, давление и скорость прессования. Здесь можно провести аналогию: отношения между проектированием цельных отливок и изготовлением цельных отливок похожи на отношения программного и аппаратного обеспечений.

На практике технология цельного литья применяется давно, но для изготовления небольших по размеру деталей, где к оборудованию предъявляются существенно меньшие требования. Если мы собираемся использовать монолитное литьё в автомобилестроении, требования к оборудованию становятся гораздо более строгими. Отливка таких деталей как рама автомобиля или шасси связана с более высоким усилием смыкания, большим размером пресс-форм и массой отливки. Традиционные машины для литья под давлением не могут удовлетворить такие высокие требования.

Подводя итог, можно сказать, что именно возможности оборудования для литья под давлением определяют, как оно будет использовано в автомобильной промышленности. Все говорит о том, что будущее технологии зависит от разработки и постройки необходимых установок.

Прорыв в цельнолитом литье

Успешный запуск установки LK 6000T стал прорывом. Решено сразу несколько проблем, включая проектирование, производство и управление. Компания потратила много времени на исследования и разработку и, наконец, запустила гигантскую машину 6000T, удовлетворяющую существующую уже много лет потребность в гигантских машинах.

Первая задача: дизайн

Первой задачей при создании гигантской машины для литья под давлением является дизайн. Команде инженеров пришлось спроектировать и выбрать с нуля такие параметры, как размеры и материал, а также провести анализ напряжений, анализ траектории и т. д. Одновременно разработчики приложили все усилия, чтобы такая машина была способна адаптироваться к постоянно меняющимся задачам.

Вторая задача: производство и сборка.

После разработки проекта возникает еще одна задача — производство и сборка. Машина для литья под давлением имеет три плиты, две из которых подвижные. Система питания должна приводить плиты в движение, чтобы они открывались и закрывались.

В гигантских машинах для литья под давлением размер каждой плиты составляет примерно 4×4 м, а масса доходит до 60 тонн. Каждая из 10-метровых колонн, на которых крепятся плиты, имеет химические и прочностные свойства  близкие к остальным колоннам, установленным в машине. Поскольку они при смыкании пресс-форм несут основную нагрузку, чтобы не допустить аварии, необходимо обеспечить одинаковое их растяжение (удлинение). Во время работы плиты постоянно перемещаются, что предъявляет дополнительные требования к точности и стабильности их позиционирования. 

На заводе Fuxin пришлось внести изменения в часть существующего оборудования, и в конечном итоге на нём были успешно изготовлены компоненты гигантской машины 6000T. Кроме того, были оптимизированы некоторые компоненты, например, линейная направляющая для подвижной задней плиты. Достигнуты низкое трение и низкий износ, что помогло устранить деформацию плиты.

Третья задача: интеллектуальная система управления

Существующие машины литья под давлением обладают системой управления, позволяющей контролировать и изменять множеств аспектов процесса. Например, существует более 10 настроек скорости прессования и управления положением, более 6 видов настроек давления прессования и подпрессовки и т.п. Максимальная скорость прессования достигает >10 м/с при общем времени заполнения  <30 мс. Такие ЛПД машины хорошо подходят для изготовления крупногабаритных деталей с тонкими стенками.

Перспективы технологии цельного литья в автомобильной промышленности

Размер и габариты конечных продуктов постоянно увеличиваются, благодаря появлению новых моделей оборудования для цельного литья, таких как LK DCC5000, 5500 и 6000. Ожидается, что всё больше и больше деталей будут изготавливаться с использованием технологии цельного литья, например, автомобильные кузова, корпуса двигателей и аккумуляторных батарей. Масса автомобиля продолжит снижаться, одновременно будет сокращаться длительность производственного цикла. Технология монолитного литья, несомненно, выведет автомобильную промышленность на новый уровень.