Fabricación de colectores de refrigeración con mecanizado CNC

La función principal de un colector refrigerado por agua es recoger o distribuir fluidos (por ejemplo, refrigerantes) que ayudan a controlar las altas temperaturas. Al hacer circular los refrigerantes, los colectores de refrigeración mejoran la eficiencia del motor, reducen el ruido y protegen el motor y los componentes circundantes de los daños relacionados con el calor.

El colector de refrigerante para automóviles es especialmente útil en sistemas modernos complejos, como los que se encuentran en vehículos eléctricos con motores, baterías y electrónica de potencia. Garantiza una correcta disipación del calor para evitar el sobrecalentamiento.

Las tres propiedades clave del colector de refrigeración

El colector de refrigeración por agua sirve como una unión que gestiona estrictamente la presión y el flujo de refrigerantes a zonas específicas del motor. Lograr esta tarea utilizando tuberías simples no es una hazaña fácil. Para desempeñar su función con eficacia, un colector debe tener las siguientes propiedades:

• Resistencia a la temperatura: El material y el diseño del colector deben resistir la deformación o la fatiga debidas a las altas temperaturas generadas por los medios que gestiona. También debe gestionar eficazmente los ciclos térmicos (calentamiento y enfriamiento repetidos) a lo largo de la vida útil del motor.
• Resistencia a la presión: Para un funcionamiento seguro y constante, el colector debe estar fabricado con un material que pueda soportar las presiones de funcionamiento del sistema de refrigeración sin fallar ni tener fugas.
• Distribución uniforme del flujo: El colector de refrigerante para automóviles debe tener un diseño interno que favorezca una distribución y recogida uniformes del líquido en todos los puntos de conexión.

Materiales habituales en la fabricación de colectores de refrigeración

Los colectores se fabrican con materiales resistentes debido a las duras condiciones de funcionamiento. Sin embargo, las aleaciones de aluminio 6061 y 6063 suelen ser las preferidas por su ligereza.

• Aleación de aluminio 6061: Tiene una relación resistencia-peso e integridad estructural superiores, lo que lo hace ideal para aplicaciones en colectores. Otras propiedades que lo convierten en la opción ideal son su buena soldabilidad y mecanizabilidad.
• Aleación de aluminio 6063: Tiene una excelente extrudabilidad, un acabado superficial superior y resistencia a la corrosión. Esto lo convierte en la opción ideal para formas complejas. Sin embargo, su resistencia mecánica es ligeramente inferior a la del 6061.

Técnicas de fabricación de colectores refrigerados por agua

La técnica utilizada en la fabricación de colectores de refrigeración suele depender del tamaño del lote. Para el procesamiento de lotes pequeños de colectores refrigerados por agua, los fabricantes suelen utilizar el mecanizado CNC. Este proceso comienza con la creación de un modelo 3D detallado del colector previsto mediante software CAD.

Los datos completos del modelo 3D se importan a un software CAM, donde los ingenieros de CNC planifican los métodos de mecanizado más eficaces para generar las trayectorias que seguirá la herramienta. El software CAM convierte el diseño en código G, las instrucciones numéricas que controlan la máquina CNC.

Se fija un bloque macizo del material elegido al banco de trabajo de la máquina CNC. El operario de la máquina configura el bloque de material y las herramientas y ejecuta el programa para el mecanizado CNC del colector de refrigeración.

La fresadora CNC automatizada utiliza diferentes herramientas de corte para eliminar material del bloque de material y crear los complejos canales internos, las características de montaje y los contornos del colector. En ocasiones, para las aletas finas puede recurrirse al taladrado profundo o al pelado.

Para diseños con canales muy complejos, el colector de refrigeración puede fabricarse en piezas separadas. A continuación, las piezas se unen en un horno para formar una única unidad sellada. Un sólido mecanismo de control de calidad puede inspeccionar las operaciones durante o después de determinadas operaciones para garantizar el cumplimiento de las tolerancias y dimensiones.

El postprocesado y acabado de la pieza suele realizarse mediante limpieza por ultrasonidos para eliminar restos, fresado de precisión de las superficies de contacto para garantizar la planitud crítica para un sellado eficaz con juntas tóricas, o niquelado de piezas de aluminio para evitar la oxidación y mejorar la durabilidad.

Fabricación en serie de colectores de refrigeración de gran volumen

La producción en serie de grandes volúmenes suele comenzar con la fundición de aleaciones de aluminio (por ejemplo, fundición a presión y fundición a baja presión) para crear piezas en bruto. El siguiente paso es el mecanizado de precisión CNC de las interfaces vitales y las superficies de sellado.

Los fabricantes utilizan este enfoque para reducir los costes de los lotes al tiempo que garantizan la precisión dimensional del núcleo. Los colectores refrigerados por agua mecanizados por CNC del mercado suelen tener los siguientes requisitos de precisión:

• Tolerancia de apertura de la interfaz: ±0,02-0,05 mm
• Precisión de la planitud de la superficie de sellado: ≤0,01 mm
• Rugosidad de la superficie: Ra≤1,6μm
• Coaxialidad de la interfaz: ≤0,03 mm
• Tolerancia de la posición del orificio de montaje: ±0,1 mm

Requisitos y preocupaciones del cliente

Una empresa china se puso en contacto con First Mold para solicitar un colector de refrigerante para automóviles con dos preocupaciones principales. En particular, les preocupaba que si las dimensiones clave mecanizadas por CNC, incluida la tolerancia de la abertura de la interfaz, la planitud de la superficie de sellado y la coaxilidad de la interfaz, no se cumplían con los estándares deseados o la consistencia de la precisión entre las piezas individuales era deficiente, se produciría un fallo en el sellado del colector.

El resultado más común del fallo del colector de refrigeración es la fuga de refrigerante. Dado que el refrigerante es un componente importante de la gestión térmica del automóvil, la fuga aumentará el riesgo de sobrecalentamiento de la batería/motor y el posible fallo del sistema. Esto representa un defecto fatal crítico para la seguridad.

La segunda preocupación del cliente era el prolongado tiempo de ciclo del mecanizado CNC de lotes pequeños. El largo tiempo de procesamiento de estructuras complejas de gran precisión retrasa las posteriores pruebas de ajuste del sistema de gestión térmica y el proceso de validación de la instalación en el vehículo. Se trata de una preocupación crítica y justificable, ya que los plazos de los proyectos de creación de prototipos de automoción suelen ser muy ajustados.

Desafíos

El principal reto que tuvo que superar First Mold fue cómo reducir el tiempo de fabricación del colector de refrigeración CNC para cumplir el apretado calendario del cliente. La máquina CNC trabaja a un ritmo definido que no se puede acelerar sin afectar negativamente a la precisión. Por tanto, cualquier solución que se aplicara no debía ir en detrimento de la calidad.

Un mecanizado deficiente dará lugar a reprocesados y desguaces de la pieza defectuosa, lo que a su vez provocará pérdidas de tiempo y material. En cualquier caso, aumentará los costes de fabricación del cliente. Para hacer frente a estos retos, el equipo de expertos en mecanizado de First Mold se vio obligado a pensar de forma innovadora para encontrar soluciones que aumentaran la eficacia y resolvieran todos los problemas planteados por el cliente.

Solución

El equipo de ingenieros de First Mold estudió intensamente el plano de diseño del cliente y propuso tres estrategias clave de fabricación CNC de colectores de refrigeración que, una vez armonizadas, resolverán todas las preocupaciones que había planteado el fabricante. Los ingenieros de First Mold aprovecharon sus conocimientos en el suministro de Servicios de mecanizado CNC durante más de una década para desarrollar la triple solución.

1. Tratamiento previo del material

Los ingenieros de First Mold establecieron que era importante preprocesar la aleación de aluminio 6061 utilizada para este proyecto para aliviar la tensión y evitar la deformación, una preocupación clave en las piezas de alta precisión. El paso exacto que First Mold llevó a cabo para el preprocesamiento del material se destaca a continuación.

• Selección del temple del material: Se eligió el temple 6061-T6/T651 porque ha sido sometido a tratamiento térmico y envejecimiento artificial para conseguir una gran resistencia. Sin embargo, el temple suele introducir tensiones residuales.
• Alivia el estrés: Esto puede hacerse de una de estas cuatro maneras: método mecánico, método térmico, alivio de tensión vibratorio y tratamiento criogénico.
• Limpieza: El bloque de aleación de aluminio 6061 en bruto se limpia para eliminar cualquier resto de suciedad, grasa u óxido que pueda haber en la superficie.

2. Mecanizado CNC simultáneo en cinco ejes

A diferencia de las máquinas CNC de tres ejes normales, la máquina CNC de cinco ejes simultáneos utilizada por First Mold corta a lo largo de cinco ejes (a saber, el eje lineal [X, Y y Z] y el eje giratorio [A, B/C]) a la vez. Esto permite crear piezas muy complejas en una sola configuración.

La máquina CNC de cinco ejes simultáneos aborda la pieza desde prácticamente cualquier ángulo, lo que aumenta significativamente la eficacia, la precisión y el acabado superficial, en comparación con las máquinas CNC tradicionales. A continuación se resume el funcionamiento de una máquina CNC simultánea de cinco ejes para la fabricación de colectores de refrigeración.

• La máquina desplaza la pieza linealmente a lo largo de los ejes X (izquierda y derecha), Y (arriba y abajo) y Z (delante y detrás).
• Dispone de dos ejes giratorios adicionales (A, B o C) que permiten que la pieza se incline y gire, añadiendo movimiento angular a la trayectoria tradicional conocida.
• Dado que los cinco ejes pueden moverse al mismo tiempo, permite a la máquina crear un colector de refrigeración con contornos y curvas suaves y complejos.

3. Inspección completa con máquina de medición por coordenadas (MMC)

Cada pieza de la producción del colector de refrigeración se mide con una MMC, empezando por el material limpio. La inspección en la MMC 100% se realiza para verificar que cumplen las dimensiones, características geométricas y tolerancias especificadas en los datos de diseño digital. Esto es necesario porque cualquier desviación puede provocar fallos o una costosa reelaboración.

La tecnología MMC se ha convertido en el “patrón oro” de la inspección dimensional por su gran precisión. El dispositivo captura miles de puntos de datos en toda la superficie de la pieza para crear un modelo 3D completo de las dimensiones reales de la pieza.

Las MMC avanzadas para máquinas CNC utilizadas por First Mold pueden automatizarse. El operario carga varias piezas en la máquina y ésta ejecuta automáticamente el ciclo de inspección preprogramado para cada pieza sin intervención externa. Esta máquina avanzada permite inspeccionar grandes lotes de colectores de refrigeración de forma eficaz.

Al final de la operación, el software de la MMC genera automáticamente un informe de inspección detallado y objetivo para cada pieza. El informe se compara con el plano de diseño del cliente para detectar cualquier desviación. Esto proporciona al cliente una prueba basada en datos de conformidad o no conformidad. Este informe también es valioso para el cumplimiento de la normativa.

PREGUNTAS FRECUENTES