Koelspruitstuk Fabricage met CNC verspanen

De belangrijkste rol van een watergekoeld spruitstuk is het verzamelen of verdelen van vloeistoffen (bijv. koelvloeistoffen) die helpen bij het beheersen van hoge temperaturen. Door koelvloeistoffen te laten circuleren, verbeteren koelverdelers de efficiëntie van de motor, verminderen ze het geluid en beschermen ze de motor en de omringende onderdelen tegen schade door hitte.

Een koelvloeistofverdeler voor auto's is vooral nuttig in moderne complexe systemen, zoals die in elektrische voertuigen met motoren, accu's en vermogenselektronica. Het zorgt voor een goede warmteafvoer om oververhitting te voorkomen.

De drie belangrijkste eigenschappen van het koelmanifold

Het waterkoelingsspruitstuk dient als knooppunt dat de druk en het debiet van koelvloeistof naar specifieke delen van de motor strikt regelt. Het is niet eenvoudig om deze taak uit te voeren met eenvoudige leidingen. Om zijn taak efficiënt uit te voeren, moet een spruitstuk de volgende eigenschappen hebben:

• Temperatuurbestendigheid: Het materiaal en ontwerp van het spruitstuk moeten bestand zijn tegen vervorming of vermoeiing door de hoge temperaturen die worden gegenereerd door de media die het spruitstuk beheert. Het moet ook efficiënt omgaan met thermische cycli (herhaaldelijk opwarmen en afkoelen) gedurende de levensduur van de motor.
• Drukbestendigheid: Voor een veilige en consistente werking moet het spruitstuk gemaakt zijn van materiaal dat bestand is tegen de werkdruk van het koelsysteem zonder defect te raken of te lekken.
• Uniforme stroomverdeling: Het interne ontwerp van de koelvloeistofverdeler van een auto moet zorgen voor een gelijkmatige verdeling en verzameling van vloeistof over alle aansluitpunten.

Gebruikelijke materialen voor de productie van koelmanifolds

Spruitstukken worden gemaakt van sterke materialen vanwege de zware gebruiksomgeving. Aluminiumlegeringen 6061 en 6063 genieten echter meestal de voorkeur vanwege hun lichte gewicht.

• Aluminiumlegering 6061: Heeft een superieure sterkte-gewichtsverhouding en structurele integriteit, waardoor het ideaal is voor spruitstuktoepassingen. Andere eigenschappen die het de ideale keuze maken, zijn de goede lasbaarheid en bewerkbaarheid.
• Aluminiumlegering 6063: Heeft een uitstekende extrudeerbaarheid, superieure oppervlakteafwerking en corrosiebestendigheid. Dit maakt het de ideale keuze voor complexe vormen. De mechanische sterkte is echter iets lager dan die van 6061.

Productietechnieken voor watergekoelde verdelers

De techniek die wordt gebruikt bij de productie van koelverdelers hangt meestal af van de grootte van de batch. Voor kleine series watergekoelde spruitstukken gebruiken fabrikanten meestal CNC-verspaning. Dit proces begint met het maken van een gedetailleerd 3D-model van het beoogde spruitstuk met behulp van CAD-software.

De voltooide gegevens van het 3D-model worden geïmporteerd in CAM-software, waar CNC-ingenieurs de meest efficiënte bewerkingsmethoden plannen om de paden te genereren die het gereedschap zal volgen. CAM-software zet het ontwerp om in G-code, de numerieke instructies die de CNC-machine besturen.

Een massief blok van het gewenste materiaal wordt vastgezet op de werkbank van de CNC machine. De machinebediener stelt het materiaalblok en de gereedschappen in en voert het programma uit voor de CNC bewerking van de koelverdeler.

De geautomatiseerde CNC freesmachine gebruikt verschillende snijgereedschappen om materiaal te verwijderen uit het blok materiaal om de complexe interne kanalen, montagekenmerken en contouren van het spruitstuk te maken. Soms worden diepe boringen of skiving gebruikt voor dunne vinnen.

Voor ontwerpen met zeer complexe kanalen kan de koelverdeler in afzonderlijke stukken worden geproduceerd. De stukken worden dan in een oven samengevoegd tot een enkele, afgedichte eenheid. Een robuust kwaliteitscontrolemechanisme kan de bewerkingen tijdens of na specifieke bewerkingen inspecteren om er zeker van te zijn dat de toleranties en afmetingen worden nageleefd.

De nabewerking en afwerking van het onderdeel gebeurt meestal door ultrasone reiniging om vuil te verwijderen, precisie-frezen van paringvlakken om kritieke vlakheid te garanderen voor effectieve afdichting met O-ringen, of vernikkelen van aluminium onderdelen om oxidatie te voorkomen en de duurzaamheid te verbeteren.

Productie van grote volumes koelmanifolds

Massaproductie in grote aantallen begint meestal met het gieten van aluminiumlegeringen (bijv. spuitgieten en lagedrukgieten) om vormstukken te maken. De volgende stap is de CNC precisiebewerking van vitale interfaces en afdichtingsoppervlakken.

Fabrikanten gebruiken deze aanpak om de batchkosten te verlagen en tegelijkertijd de belangrijkste maatnauwkeurigheid te garanderen. CNC-bewerkte watergekoelde spruitstukken op de markt hebben meestal de volgende precisievereisten:

• Interface openingstolerantie: ±0,02-0,05mm
• Nauwkeurigheid afdichtend oppervlak: ≤0,01mm
• Oppervlakteruwheid: Ra≤1.6μm
• Interface coaxialiteit: ≤0,03mm
• Tolerantie montagegatpositie: ±0,1 mm

Eisen en zorgen van de klant

Een Chinees bedrijf benaderde First Mold voor een koelspruitstuk voor auto's met twee belangrijke zorgen. Ze waren vooral bezorgd dat als de belangrijkste CNC-bewerkte afmetingen, zoals de tolerantie van de interfaceopening, de vlakheid van het afdichtingsoppervlak en de coaxiliteit van de interface, niet aan de gewenste normen zouden voldoen of als de precisie tussen de afzonderlijke onderdelen slecht zou zijn, de afdichting van het spruitstuk zou falen.

Het meest voorkomende gevolg van een defect aan het koelspruitstuk is lekkage van koelvloeistof. Aangezien koelvloeistof een belangrijk onderdeel is van het thermisch beheer in auto's, verhoogt lekkage het risico op oververhitting van de accu/motor en mogelijk systeemfalen. Dit is een fataal defect dat cruciaal is voor de veiligheid.

De tweede zorg van de klant was de lange cyclustijd voor CNC-bewerking in kleine series. De lange bewerkingstijd voor complexe structuren met een hoge precisie vertraagt de latere tests van het thermisch managementsysteem en het validatieproces voor de installatie in het voertuig. Dit is een kritieke en gerechtvaardigde zorg omdat de tijdlijnen voor prototypingprojecten in de auto-industrie vaak erg krap zijn.

Uitdagingen

De belangrijkste uitdaging voor First Mold was hoe de CNC-productie van koelverdelers sneller kon verlopen dan het strakke schema van de klant. De CNC-machine werkt in een bepaald tempo dat niet kan worden versneld zonder de precisie negatief te beïnvloeden. Daarom mocht de oplossing niet ten koste gaan van de kwaliteit.

Slechte bewerking leidt tot herbewerkingen en schrapen van het mislukte onderdeel, wat weer leidt tot tijd- en materiaalverlies. Hoe dan ook zullen de productiekosten van de klant stijgen. Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, moest het team van bewerkingsexperts van First Mold buiten de gebaande paden denken om met oplossingen te komen die de efficiëntie zouden verhogen en aan alle zorgen van de klant tegemoet zouden komen.

Oplossing

Het team van First Mold-ingenieurs bestudeerde de blauwdruk van het ontwerp van de klant intensief en kwam met drie belangrijke CNC-productiestrategieën voor koelspruitstukken die, als ze op elkaar zijn afgestemd, alle problemen oplossen die de fabrikant naar voren had gebracht. De ingenieurs van First Mold gebruikten hun kennis van het leveren van CNC-bewerkingsservices meer dan tien jaar om de drieledige oplossing te ontwikkelen.

1. Materiaal voorbewerking

De technici van First Mold stelden vast dat het belangrijk was om de aluminiumlegering 6061 die voor dit project werd gebruikt, voor te bewerken om spanningen te verlichten en vervorming te voorkomen. De exacte stap die First Mold ondernam voor de voorbewerking van het materiaal wordt hieronder toegelicht.

• Selectie van materiaaltemperaturen: Er is gekozen voor de kleurtemperatuur 6061-T6/T651 omdat deze een warmtebehandeling en kunstmatige veroudering heeft ondergaan om een hoge sterkte te bereiken. Afschrikken introduceert echter vaak restspanningen.
• Stressverlagend: Dit kan op een van de volgende vier manieren, namelijk mechanisch, thermisch, door trillen ontlast en cryogeen.
• Schoonmaken: Het onbewerkte blok van aluminiumlegering 6061 wordt gereinigd om vuil, vet of oxides te verwijderen die mogelijk op het oppervlak liggen.

2. Vijf-assig simultaan CNC verspanen

In tegenstelling tot gewone CNC machines met drie assen, snijdt de vijfassige simultaan CNC machine van First Mold langs vijf assen (namelijk de lineaire as [X, Y en Z] en de roterende as [A, B/C]) tegelijk. Hierdoor kunnen zeer complexe onderdelen in één opstelling worden gemaakt.

Een vijfassige simultaan CNC machine benadert het werkstuk vanuit vrijwel elke hoek, wat de efficiëntie, nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking aanzienlijk verbetert in vergelijking met traditionele CNC machines. Hieronder staat een overzicht van hoe een vijfassige simultaan CNC machine werkt voor de productie van koelverdelers.

• De machine beweegt het onderdeel lineair langs de X- (links en rechts), Y- (op en neer) en Z-as (voor en achter).
• Het heeft twee extra roterende assen (A, B of C) waarmee het onderdeel kan kantelen en roteren, waardoor hoekbewegingen worden toegevoegd aan het traditionele bekende pad.
• Omdat alle vijf de assen tegelijkertijd kunnen bewegen, kan de machine een koelverdeler maken met gladde, complexe contouren en rondingen.

3. Volledige inspectie met coördinatenmeetmachine (CMM)

Elk onderdeel van de productie van de koelverdeler wordt gemeten met een CMM, te beginnen met het gereinigde materiaal. De 100% CMM inspectie wordt gedaan om te controleren of ze voldoen aan de gespecificeerde afmetingen, geometrische kenmerken en toleranties van de digitale ontwerpgegevens. Dit is nodig omdat elke afwijking kan leiden tot falen of kostbaar herstelwerk.

CMM-technologie is de “gouden standaard” geworden voor dimensionale inspectie vanwege de hoge nauwkeurigheid. Het apparaat registreert duizenden gegevenspunten over het hele oppervlak van het onderdeel om een compleet 3D-model te maken van de werkelijke afmetingen van het onderdeel.

Geavanceerde CMM's voor CNC machines die First Mold gebruikt, kunnen geautomatiseerd worden. De operator laadt meerdere onderdelen op de machine en deze zal automatisch de voorgeprogrammeerde inspectiecyclus voor elk onderdeel uitvoeren zonder tussenkomst van buitenaf. Deze geavanceerde machine maakt het mogelijk om grote batches koelingsspruitstukken efficiënt te inspecteren.

Aan het einde van de bewerking genereert de CMM software automatisch een gedetailleerd, objectief inspectierapport voor elk onderdeel. Het rapport wordt vergeleken met de blauwdruk van het ontwerp van de klant om eventuele afwijkingen op te sporen. Dit leverde de klant een gegevensgestuurd bewijs van conformiteit of non-conformiteit. Dit rapport is ook waardevol voor naleving van de regelgeving.

FAQ