¿Qué piezas de automóvil se fabrican mediante fundición? Guía completa

La fundición es uno de los procesos de fabricación más utilizados en la industria automotriz: más del 70% de todos los componentes metálicos de un vehículo de pasajeros típico se producen mediante algún tipo de fundición. Los bloques de motor, las culatas de cilindros, las carcasas de transmisión, las pinzas de freno, las cajas de diferencial, las manguetas de dirección, los colectores de admisión y los cubos de las ruedas se encuentran entre las piezas fundidas más críticas de los automóviles modernos. Estos componentes comparten un requisito común: geometría interna compleja, alta integridad estructural y producción en masa rentable: todos atributos que la fundición ofrece mejores que la mayoría de los procesos de la competencia.

Componentes del motor fabricados mediante fundición

El motor es el sistema que requiere más fundición en cualquier vehículo. Sus componentes operan bajo estrés térmico y mecánico extremo, lo que requiere materiales y geometrías que solo la fundición puede producir de manera confiable a escala.

Bloque de motor

El bloque motor es la pieza fundida más grande y compleja de un vehículo. Contiene los orificios de los cilindros, los conductos de refrigerante, las galerías de aceite y los soportes de los cojinetes principales, todos formados en una sola pieza fundida. Producido tradicionalmente a partir de hierro fundido gris Al utilizar fundición en arena, los bloques de motor modernos utilizan cada vez más aleación de aluminio (A380, A319 o A356) fundición a presión o molde semipermanente para reducir el peso. Un bloque de motor de aluminio V8 típico pesa aproximadamente 50 a 60 libras , en comparación con 80 a 100 libras para un bloque de hierro fundido equivalente: una reducción de peso que mejora directamente la economía de combustible.

culata

Hoy en día, las culatas de los cilindros se fabrican casi universalmente con aleaciones de aluminio, reemplazando a las culatas de hierro fundido que predominaban antes de la década de 1990. La pieza contiene puertos de admisión y escape, cámaras de combustión, camisas de refrigerante e inserciones de asientos de válvulas: geometrías internas que solo se pueden lograr mediante fundición en arena o fundición a espuma perdida con núcleos de arena precisos. Las culatas de aluminio reducen la masa térmica no suspendida, mejorando el tiempo de calentamiento y permitiendo relaciones de compresión más altas en motores de alto rendimiento.

cigüeñal

Mientras que los cigüeñales de alto rendimiento están forjados, La mayoría de los cigüeñales de los turismos son de fundición. — principalmente de hierro fundido nodular (dúctil) utilizando procesos de arena verde o moldeo en cáscara. Los cigüeñales fundidos son adecuados para la mayoría de las aplicaciones de motores de producción y son significativamente menos costosos que los forjados. Un cigüeñal típico de fundición dúctil de 4 cilindros cuesta 30-50% menos para producir que un equivalente de acero forjado, lo que lo convierte en la opción predeterminada para vehículos económicos y de gama media.

Colector de admisión

Históricamente, los colectores de admisión se fabricaban en aluminio mediante molde permanente o fundición a presión. Hoy en día, muchos están moldeados por inyección a partir de compuestos de nailon para ahorrar aún más peso, pero los colectores de admisión de fundición de aluminio siguen siendo comunes en aplicaciones de camiones y de alto rendimiento donde la resistencia térmica y la estabilidad dimensional son prioridades.

Colector de escape

Los colectores de escape deben soportar temperaturas continuas que excedan 900°C (1650°F) y ciclos térmicos rápidos. El hierro fundido, en particular los grados de molibdeno con alto contenido de silicio (SiMo), es el material dominante, producido mediante métodos ecológicos. fundición en arena . Algunas aplicaciones de alto rendimiento utilizan acero inoxidable fundido o hierro fundido resistente al Ni para una resistencia superior a la oxidación.

Cárter de aceite y tapa de distribución

Los cárteres de aceite de motor en camiones más grandes y vehículos de alto rendimiento a menudo están moldeados a presión de aluminio, lo que proporciona rigidez y la capacidad de integrar deflectores y bandejas de protección contra viento. Las tapas de distribución suelen ser piezas de fundición a presión de aluminio que sellan la parte delantera del bloque del motor y albergan el sello del cigüeñal.

Piezas fundidas de transmisión y transmisión

Caja y carcasa de transmisión

Las carcasas de transmisión automática y manual se encuentran entre las piezas fundidas geométricamente más complejas de un vehículo. Deben ubicar con precisión los orificios de los cojinetes, los túneles del eje y las caras de montaje del cuerpo de la válvula con tolerancias de ±0,05 mm o más apretado . La fundición a presión de aluminio es el proceso dominante, con cajas de transmisión típicas de turismos que pesan 10 a 18 kilogramos . La fundición a presión de alta presión (HPDC) permite tiempos de ciclo inferiores a 2 minutos por pieza, esencial para la producción de gran volumen.

Caja diferencial y portador

La caja del diferencial (carcasa del engranaje de araña) y el soporte están hechos de hierro nodular o, en aplicaciones de vehículos más livianos, de aleación de aluminio. Estas piezas deben soportar cargas de torsión significativas y fuerzas de reacción de engranajes manteniendo al mismo tiempo una geometría precisa del asiento del rodamiento. Las cajas diferenciales de hierro nodular en camiones con tracción trasera son rutinariamente fundidas en arena y clasificadas para capacidades de torque que exceden 500 Nm .

Caja de transferencia

Los vehículos con tracción en las cuatro ruedas y en las cuatro ruedas requieren una caja de transferencia para dividir el par entre los ejes delantero y trasero. Las carcasas de las cajas de transferencia están fundidas a presión a partir de una aleación de aluminio e integran bridas de montaje, resaltes de cojinetes y túneles del eje de salida en una sola pieza, consolidando lo que de otro modo requeriría múltiples componentes mecanizados y soldados.

Componentes fundidos del sistema de frenos

Pinza de freno

Las pinzas de freno están fabricadas en fundición gris o en aleación de aluminio (fundición inyectada A380). Las pinzas de hierro fundido son estándar en la mayoría de los vehículos de producción debido a su bajo costo y excelente resistencia al desgaste. Oferta de pinzas de aluminio, utilizadas en vehículos de alto rendimiento y de lujo 40-50% de reducción de peso sobre equivalentes de hierro, reduciendo el peso no suspendido y mejorando la sensación de frenado. El orificio interno del pistón y los conductos de fluido se forman durante la fundición y se terminan mecanizando para alcanzar tolerancias de orificio de ±0,013 milímetros .

Tambor de freno

Los tambores de freno para los sistemas de frenos de tambor traseros están hechos de hierro gris (ASTM A159 Grado G3000 o G3500), elegidos por sus excelentes propiedades de amortiguación que reducen el chirrido de los frenos y su capacidad para distribuir el calor por fricción a través de la pared del tambor. Un tambor de freno trasero típico para una camioneta liviana pesa 7-12 kilogramos y se produce mediante fundición horizontal en arena verde.

Rotor de freno (disco)

Los rotores de freno se fabrican casi exclusivamente de fundición gris, y la geometría interna de las paletas (en el caso de rotores ventilados) se forma mediante núcleos de arena durante la fundición. La microestructura de grafito del hierro gris proporciona una excelente conductividad térmica y amortiguación por fricción. Algunos rotores de alto rendimiento utilizan compuestos de cerámica de carbono o variantes de hierro fundido perforado/ranurado, pero el material base sigue siendo una fundición en prácticamente todos los casos.

Cuerpo del cilindro maestro

El cuerpo del cilindro maestro del freno, que convierte la fuerza del pedal en presión hidráulica, está fundido a presión de aluminio. El orificio, el saliente de montaje del depósito y los conductos de los puertos se forman en la fundición y luego se mecanizan con tolerancias de precisión hidráulica.

Piezas fundidas de suspensión y dirección

Nudillo de dirección

El muñón de dirección (portahusillo) conecta el cubo de la rueda con el sistema de suspensión y dirección. Debe soportar cargas complejas en varios ejes derivadas de frenadas, curvas e impactos en la carretera. Tradicionalmente emitido desde hierro dúctil , los nudillos modernos utilizan cada vez más Molde permanente de aluminio o fundición a baja presión. para un ahorro de peso de hasta 40% . Marcas de lujo como BMW y Audi han utilizado nudillos de aluminio desde principios de la década de 2000; la adopción generalizada se aceleró durante la década de 2010.

Brazos de control y horquillas

Los brazos de control superior e inferior en vehículos de alto rendimiento y de lujo se funden en aleación de aluminio mediante fundición a presión por gravedad o fundición por compresión. La fundición por compresión produce propiedades mecánicas cercanas al nivel de forja al aplicar presión durante la solidificación, lo que elimina la porosidad, algo fundamental para los componentes de seguridad de la suspensión. Los vehículos económicos suelen utilizar brazos de control de acero estampado; El aluminio fundido es de primera calidad.

Caja del engranaje de dirección

Las carcasas de piñón y cremallera de la dirección asistida están fabricadas en aluminio fundido e integran el orificio de la cremallera, los puntos de montaje del extremo de la barra de dirección y las disposiciones de montaje del motor hidráulico o eléctrico. El orificio debe mecanizarse para ajustarse a tolerancias estrechas después de la fundición para garantizar un desplazamiento suave de la cremallera.

Portacubos y cojinetes de rueda

Los cubos de las ruedas, que soportan el cojinete, el rotor y la rueda, están fundidos en hierro nodular en la mayoría de los vehículos de producción, lo que proporciona la resistencia necesaria para soportar cargas radiales y axiales de las ruedas. Algunos vehículos de alto rendimiento utilizan bujes de aluminio forjado o fundido para reducir el peso no suspendido.

Componentes estructurales y de carrocería

Nodos estructurales de aluminio y torres de choque.

Una tendencia creciente en la arquitectura de vehículos modernos es el uso de Grandes piezas de fundición de aluminio como nodos estructurales. que reemplazan múltiples componentes de acero estampado y soldado. El enfoque "Gigacasting" de Tesla, introducido con el Modelo Y en 2020, utiliza una única fundición trasera para los bajos que reemplazó 70 piezas estampadas individuales y eliminado sobre 700 soldaduras . La pieza resultante pesa aproximadamente 66 kilos y reduce el costo de fabricación de los bajos traseros en un estimado 40% . Otros fabricantes de automóviles, incluidos Volvo, Toyota y General Motors, han anunciado estrategias similares de megacasting.

Subchasis y cuna

Los subchasis delantero y trasero de los vehículos de lujo y de alto rendimiento a veces se funden en aluminio en lugar de fabricarse con tubos de acero. Los subchasis de aluminio fundido permiten una compleja geometría de nervaduras internas que optimiza la relación rigidez-peso y pueden integrar salientes de soporte del motor, puntos de recogida de la suspensión y soportes de la cremallera de dirección en una sola pieza.

Procesos de fundición utilizados en la fabricación de automóviles

Se seleccionan diferentes procesos de fundición en función de la complejidad de la pieza, las propiedades mecánicas requeridas, el volumen de producción y el material. La industria automotriz utiliza varios métodos de fundición distintos:

Materiales utilizados en piezas fundidas para automóviles

La elección del material de fundición determina el peso, la resistencia, la resistencia térmica y el costo de la pieza. La industria automotriz utiliza cuatro materiales de fundición principales:

• Hierro fundido gris — más utilizado para rotores de freno, tambores y colectores de escape; excelente amortiguación y maquinabilidad; densidad ~7,2 g/cm³
• Hierro nodular (dúctil) — se utiliza para cigüeñales, cajas de diferenciales y muñones de dirección; resistencia a la tracción hasta 800 MPa ; Superior al hierro gris en resistencia al impacto.
• Aleaciones de aluminio (A380, A319, A356, A357) — dominante en bloques de motor, culatas, cajas de transmisión y conjuntos estructurales; densidad ~2,7 g/cm³ frente a 7,8 g/cm³ para el acero, lo que permite 65% de ahorro de peso sobre piezas de hierro equivalentes
• Aleaciones de magnesio (AZ91D, AM60B) — utilizado para marcos de paneles de instrumentos, cajas de transferencia y tapas de válvulas; 33% más ligero que el aluminio ; La prima de costo limita la adopción generalizada.
• Aleaciones de zinc (serie Zamak) — para piezas pequeñas de precisión: manijas de puertas, cajas de cerraduras, cuerpos de carburadores; Capacidad de detalle extremadamente fino en fundición a presión.

Referencia completa: principales piezas fundidas de automóviles por sistema

Por qué la fundición domina la fabricación de piezas de automóviles

La fundición persiste como el proceso dominante para los componentes metálicos de automóviles porque satisface de manera única varios requisitos de ingeniería simultáneos:

• Geometría interna compleja — pasajes de refrigerante, galerías de aceite y estructuras huecas imposibles de lograr mediante forjado o mecanizado a partir de material sólido
• Consolidación de piezas — una sola pieza fundida puede reemplazar conjuntos de entre 10 y 70 piezas individuales estampadas y soldadas, lo que reduce el peso, el costo y el tiempo de ensamblaje
• Eficiencia de materiales — La fundición con forma casi neta reduce la eliminación de material de mecanizado a 5-20% del volumen de la pieza versus hasta el 80% para algunos componentes mecanizados a partir de palanquillas
• Economía de alto volumen — los costos de herramientas de fundición a presión de $200 000 a $2 000 000 por herramienta se amortizan en cientos de miles de piezas, lo que sitúa el costo por pieza por debajo de cualquier proceso competitivo en volumen
• Flexibilidad en la elección de materiales — La misma intención de diseño se puede ejecutar en hierro, aluminio, magnesio o zinc cambiando la aleación y el proceso, lo que permite la optimización de la plataforma en todos los segmentos de vehículos.

El cambio de la industria hacia los vehículos eléctricos está acelerando la innovación en fundición en lugar de disminuirla. Cajas de baterías para vehículos eléctricos, carcasas de motores y cajas de inversores ahora se producen como grandes piezas de fundición de aluminio, aplicando los mismos principios que han regido la fundición de sistemas de propulsión durante más de un siglo a la nueva arquitectura del transporte electrificado.