Echar un vistazo al interior de una caja de cambios VW revela verdades de fundición a presión

Recientemente, me ofrecieron un Volkswagen Golf de 1997 por el bajo precio de gratis, suponiendo que pudiera llevarlo, ya que sufría de una transmisión automática completamente averiada. Siendo incapaz de decir que no a tal oportunidad, me puse a remolcar la pobre casa descapotable e inmediatamente metí la mecánica para ver qué estaba mal.

Por desgracia, hasta ahora no he podido resucitar a la bestia de Wolfsburg, pero mientras estaba sumergido hasta la muñeca en el líquido de transmisión, vi algo que me llamó la atención. ¡Venga a echar un vistazo al meollo de la fabricación de transmisiones!

Con la bandeja de la transmisión caída y el filtro quitado, tuve una vista clara de las partes internas de la caja de la transmisión. Como antiguo ingeniero de fundición, me llamaron la atención ciertos elementos de la pieza terminada. Varias partes de la carcasa presentaban pequeños bultos y protuberancias: granos gruesos en lo que de otro modo serían superficies planas o bordes redondeados suaves. Estos coincidían con lo que parecía ser una serie de finos patrones similares a grietas en la superficie. Estos defectos son evidencia de imperfecciones en la superficie del troquel, lo que sugiere que el herramental está picado y agrietado donde debería ser liso.

El área afectada no era una sección maquinada, simplemente actuaba como un depósito de fluido. Por lo tanto, las anomalías no tienen un efecto real sobre el rendimiento de la transmisión. Sin embargo, su presencia nos dice un poco sobre el estado de las herramientas utilizadas por Volkswagen para producir las piezas fundidas. Un troquel nuevo recién salido del fabricante de herramientas no suele producir piezas con grietas, hoyos y bultos evidentes en la superficie. La naturaleza áspera de la carcasa de la transmisión 01M en mi Golf 1997 es evidencia de que Volkswagen estaba ejecutando sus troqueles de fundición bien en las decenas de miles de disparos, tal vez incluso en las seis cifras. Dada la naturaleza de las características, que se deben a la condición física inherente del dado, no son una falla única en una fundición singular. En cambio, los ingenieros de línea y los operadores estarían conscientes de que el troquel está envejeciendo y desgastado. Dado que las fallas ocurrieron en una ubicación no crucial, es probable que se haya tomado la decisión consciente de ignorar las fallas y enviar las piezas, dado que era poco probable que el conductor promedio las notara y no desarma su transmisión para matar el tiempo. fin de semana. Los defectos similares en un área visible o funcional podrían en cambio ser "arreglados", donde las protuberancias ofensivas son eliminadas por un operador humano o una máquina.

Dado que los defectos no causan ningún impedimento funcional a la transmisión, se puede entender la decisión de pasar las piezas en aras de mantener bajos los costos. Sin embargo, para comprender cómo ocurrieron los defectos, tomemos un pequeño curso intensivo sobre la fundición a presión de aluminio a alta presión.

Las cajas de transmisión modernas a menudo se fabrican mediante el proceso de fundición a presión de aluminio a alta presión. Este proceso involucra enormes moldes de metal, llamados troqueles, que vienen en dos mitades y se presionan juntas, creando una cavidad entre las dos. Por lo general, luego se aplica vacío para aspirar el aire fuera de la cavidad de la matriz para reducir el atrapamiento de gas. A continuación, el aluminio fundido se vierte en un cilindro y se utiliza un pistón para inyectar el aluminio en la cavidad de la matriz a una presión muy alta. Cada vez que el pistón dispara aluminio fundido en el dado, esto se llama disparo.

Al inyectar metal fundido a alta presión, reduce los problemas causados ​​por la contracción del aluminio a medida que se enfría. Esta contracción puede causar vacíos en el producto final, lo que se conoce como porosidad por contracción. Mantener la presión alta garantiza que los troqueles se llenen por completo con la mayor cantidad de aluminio posible y reduce la cantidad de contracción de la pieza final. Para resistir la alta presión del disparo, las dos mitades del troquel se mantienen juntas con un mecanismo de bloqueo especial que se supone que mantiene el troquel cerrado y evita que el metal se escape alrededor de las costuras donde se unen. Por supuesto, si los troqueles no están perfectamente planos o alineados correctamente, a veces el metal se escapa alrededor de las costuras, lo que se denomina rebaba, que es donde puede ver una pequeña línea de separación en una pieza terminada. En casos extremos, algunos destellos se escapan por completo del dado, y esto da mucho miedo la primera vez que sucede en su turno. Por lo general, los operadores de línea se reirán con ganas cuando te sorprenda el metal punzante.

De la misma manera que rastreamos las millas recorridas como una estimación del desgaste de un automóvil, las máquinas de fundición a presión rastrean la cantidad de disparos realizados. Cada ciclo de llenado del pistón, inyección de aluminio en el troquel y extracción de la pieza desgasta la máquina y los troqueles. Las matrices pesan muchas toneladas y están construidas con acero para herramientas de alta resistencia. La producción de una matriz puede costar muchos cientos de miles de dólares y, por lo tanto, debe pagarse sola produciendo decenas de miles de piezas. Los ingenieros trabajan arduamente para garantizar que los troqueles duren el mayor tiempo posible a fin de ejecutar una operación de fundición rentable.

Un troquel típico puede durar más de 100.000 disparos con mantenimiento y reparación regulares. Pero con el tiempo, el desgaste puede llegar a ser demasiado y la matriz debe ser reemplazada. Hay muchas formas en que un troquel puede fallar en la producción de piezas de calidad; un resumen completo llenaría un libro de texto pesado y está más allá del alcance de este artículo. En su lugar, veamos las causas de las grietas, líneas y golpes que encontramos en nuestra fundición Volkswagen 01M.

El agrietamiento de la superficie del troquel y el defecto resultante en las superficies de la pieza se suele denominar control de calor. Cuando el metal líquido caliente se inyecta en la matriz, golpea ciertas superficies de la matriz antes que otras. Estas áreas de la matriz se calientan más que sus alrededores y experimentan una mayor expansión y contracción térmica con cada inyección de aluminio fundido. Estos ciclos causan grietas y daños con el tiempo. La causa es térmica, de ahí el nombre. La reparación es posible puliendo las superficies agrietadas de la matriz, o soldando metal nuevo sobre la matriz y esmerilando hasta obtener el perfil original. Sin embargo, dicha reparación no trata la causa raíz, y la verificación de calor volverá a ocurrir a medida que acumule más disparos.

Las picaduras del dado tienden a ser causadas por cavitación. A medida que el metal caliente fluye hacia el dado a alta velocidad, se pueden formar pequeñas burbujas o bolsas de vacío y luego colapsar. Esto sucede en áreas específicas debido a la naturaleza del flujo de fluido a través de la cavidad de la matriz. Por lo general, se encuentra en una región donde la dirección del flujo cambia o encuentra una obstrucción, y un área de baja presión está rodeada de metal líquido a alta presión. A medida que aumenta la presión alrededor de la burbuja de baja presión, finalmente colapsa. La burbuja que colapsa puede generar una onda de choque intensa y altas temperaturas localizadas, dañando la superficie de la matriz. Esto comienza a nivel microscópico, pero con el tiempo, el daño aumenta y los pozos se hacen más profundos a medida que aumenta el número de disparos realizados en el dado. De manera similar a la prueba de calor, el daño se puede reparar soldando metal fresco para llenar el área picada. Pero sin rediseñar la geometría de la matriz para reducir el problema de la cavitación, no es una solución permanente y el daño volverá a ocurrir.

El daño a los troqueles evidente en nuestra carcasa de transmisión terminada es comprensible en contexto. La transmisión 01M se usó en una multitud de vehículos Volkswagen en la década de 1990 y principios de la de 2000, y terminó en cientos de miles, si no millones de automóviles. Es probable que Volkswagen tuviera varias máquinas de fundición funcionando las 24 horas del día con muchos troqueles disponibles para bombear las piezas necesarias a lo largo de los años. Es de esperar cierto desgaste con estos altos niveles de producción. Dado que las anomalías detectadas se encontraban en una ubicación no funcional, los ingenieros habrían despejado el flujo de las piezas a lo largo de la línea mientras monitoreaban la condición de la matriz en busca de problemas adicionales.

Esperamos que este artículo le haya enseñado algo sobre cómo se fabrican las piezas de fundición a presión de alta presión, y le permitirá presumir de manera inteligente ante sus amigos la próxima vez que esté en el depósito de chatarra. Para aquellos interesados ​​en el control de procesos, la mecánica de fluidos y la eficiencia de fabricación, la fundición a presión puede ser un campo interesante en el que trabajar. El mundo ama las piezas de aluminio, por lo que las habilidades que aprenda le servirán en el futuro.