Fabrico de colectores de arrefecimento com maquinagem CNC

A principal função de um coletor arrefecido a água é recolher ou distribuir fluidos (por exemplo, líquidos de refrigeração) que ajudam a gerir temperaturas elevadas. Ao fazer circular os fluidos de arrefecimento, os colectores de arrefecimento melhoram a eficiência do motor, reduzem o ruído e protegem o motor e os componentes circundantes de danos relacionados com o calor.

O coletor do líquido de refrigeração para automóveis é particularmente útil em sistemas complexos modernos, como os que se encontram em veículos eléctricos com motores, baterias e eletrónica de potência. Garante uma dissipação de calor adequada para evitar o sobreaquecimento.

As três propriedades principais do coletor de arrefecimento

O coletor de arrefecimento de água serve como uma junção que gere rigorosamente a pressão e o fluxo de líquidos de arrefecimento para áreas específicas do motor. Realizar esta tarefa utilizando tubos simples não é uma tarefa fácil. Para desempenhar o seu papel de forma eficiente, um coletor deve ter as seguintes propriedades:

• Resistência à temperatura: O material e a conceção do coletor devem resistir à deformação ou à fadiga provocadas pelas elevadas temperaturas geradas pelos meios que gere. Deve também gerir eficazmente os ciclos térmicos (aquecimento e arrefecimento repetidos) ao longo da vida útil do motor.
• Resistência à pressão: Para um funcionamento seguro e consistente, o coletor deve ser fabricado com um material que possa suportar as pressões de funcionamento do sistema de arrefecimento sem falhas ou fugas.
• Distribuição uniforme do fluxo: O coletor do líquido de refrigeração para automóveis deve ter um design interno que promova uma distribuição e recolha uniformes do líquido em todos os pontos de ligação.

Materiais comuns utilizados no fabrico de colectores de arrefecimento

Os colectores são fabricados com materiais resistentes devido ao ambiente de funcionamento agressivo. No entanto, as ligas de alumínio 6061 e 6063 são normalmente preferidas devido à sua leveza.

• Liga de alumínio 6061: Tem uma relação resistência/peso e integridade estrutural superiores, tornando-o ideal para aplicações em colectores. Outras propriedades que o tornam a escolha ideal incluem boa soldabilidade e maquinabilidade.
• Liga de alumínio 6063: Possui excelente extrudabilidade, acabamento superficial superior e resistência à corrosão. Isto torna-o a escolha ideal para formas complexas. No entanto, a sua resistência mecânica é ligeiramente inferior à do 6061.

Técnicas de fabrico de colectores arrefecidos a água

A técnica utilizada no fabrico de colectores de refrigeração depende normalmente do tamanho do lote. Para o processamento de pequenos lotes de colectores arrefecidos a água, os fabricantes utilizam normalmente a maquinagem CNC. Este processo começa com a criação de um modelo 3D detalhado do coletor pretendido utilizando software CAD.

Os dados do modelo 3D completo são importados para um software CAM, onde os engenheiros CNC planeiam os métodos de maquinação mais eficientes para gerar os percursos que a ferramenta irá seguir. O software CAM converte o desenho em código G, as instruções numéricas que controlam a máquina CNC.

Um bloco sólido do material selecionado é fixado à bancada de trabalho da máquina CNC. O operador da máquina prepara o bloco de material e as ferramentas e executa o programa para a maquinagem CNC do coletor de arrefecimento.

A máquina de fresagem CNC automatizada utiliza diferentes ferramentas de corte para remover material do bloco de material para criar os complexos canais internos, caraterísticas de montagem e contornos do coletor. Por vezes, podem ser utilizadas perfurações profundas ou desbaste para aletas finas.

Para projectos com canais muito complexos, o coletor de arrefecimento pode ser produzido em peças separadas. As peças são depois unidas num forno para formar uma unidade única e selada. Um mecanismo de controlo de qualidade robusto pode inspecionar as operações durante ou após operações específicas para garantir que as tolerâncias e as dimensões são cumpridas.

O pós-processamento e o acabamento da peça são normalmente efectuados através de limpeza por ultra-sons para remover detritos, fresagem de precisão das superfícies de contacto para garantir uma planicidade crítica para uma vedação eficaz com O-rings, ou niquelagem de peças de alumínio para evitar a oxidação e melhorar a durabilidade.

Fabrico de colectores de refrigeração de produção em massa de grande volume

A produção em massa de grande volume começa normalmente com a fundição de ligas de alumínio (por exemplo, fundição sob pressão e fundição a baixa pressão) para criar peças em bruto. O passo seguinte é a maquinação de precisão CNC de interfaces vitais e superfícies de vedação.

Os fabricantes utilizam esta abordagem para reduzir os custos dos lotes, assegurando simultaneamente a precisão dimensional do núcleo. Os colectores refrigerados a água maquinados por CNC existentes no mercado têm normalmente os seguintes requisitos de precisão:

• Tolerância da abertura da interface: ±0,02-0,05mm
• Precisão da planicidade da superfície de vedação: ≤0,01 mm
• Rugosidade da superfície: Ra≤1,6μm
• Coaxialidade da interface: ≤0,03 mm
• Tolerância da posição do furo de montagem: ±0,1mm

Exigências e preocupações do cliente

Uma empresa chinesa abordou a First Mold para um coletor de refrigeração para automóveis com duas preocupações principais. Eles estavam particularmente preocupados com o facto de que se as principais dimensões maquinadas por CNC, incluindo a tolerância da abertura da interface, a planicidade da superfície de vedação e a coaxilidade da interface, não fossem cumpridas de acordo com os padrões desejados ou se a consistência da precisão entre as peças individuais fosse fraca, isso levaria à falha da vedação do coletor.

O resultado mais comum da falha do coletor de arrefecimento é a fuga de líquido de arrefecimento. Uma vez que o líquido de arrefecimento é um componente importante da gestão térmica do automóvel, as fugas aumentam o risco de sobreaquecimento da bateria/motor e de potencial falha do sistema. Isto representa um defeito fatal crítico para a segurança.

A segunda preocupação do cliente era o tempo de ciclo prolongado para a maquinação CNC de pequenos lotes. O longo tempo de processamento de estruturas complexas com elevada precisão atrasa os subsequentes testes de correspondência do sistema de gestão térmica e o processo de validação da instalação do veículo. Esta é uma preocupação crítica e justificável, uma vez que os prazos dos projectos de prototipagem automóvel são frequentemente muito apertados.

Desafios

O principal desafio que a First Mold teve de superar foi a forma de reduzir o tempo de fabrico CNC do coletor de arrefecimento para cumprir o calendário apertado do cliente. A máquina CNC trabalha a um ritmo definido que não pode ser acelerado sem afetar negativamente a precisão. Por conseguinte, qualquer que seja a solução a adotar, não deve ser feita à custa da qualidade.

Uma maquinagem deficiente conduzirá a retrabalhos e à raspagem da peça avariada, o que levará ainda a perdas de tempo e de material. De qualquer forma, aumentará os custos de fabrico do cliente. Para lidar com estes desafios, a equipa de especialistas em maquinação da First Mold foi forçada a pensar de forma inovadora para encontrar soluções que aumentassem a eficiência e resolvessem todas as preocupações levantadas pelo cliente.

Solução

A equipa de engenheiros da First Mold estudou intensivamente o projeto de design do cliente e apresentou três estratégias-chave de fabrico CNC de colectores de arrefecimento que, quando harmonizadas, resolverão todas as preocupações que o fabricante tinha levantado. Os engenheiros da First Mold aproveitaram os seus conhecimentos no fornecimento de Serviços de maquinagem CNC durante mais de uma década para desenvolver a solução em três vertentes.

1. Pré-processamento do material

Os engenheiros da First Mold estabeleceram que era importante pré-processar a liga de alumínio 6061 utilizada neste projeto para aliviar as tensões e evitar a deformação, uma preocupação fundamental em peças de alta precisão. O passo exato que a First Mold deu para o pré-processamento do material é destacado abaixo.

• Seleção da têmpera do material: A têmpera 6061-T6/T651 foi escolhida porque foi submetida a um tratamento térmico e a um envelhecimento artificial para obter uma resistência elevada. No entanto, a têmpera introduz frequentemente tensões residuais.
• Aliviar o stress: Isto pode ser feito de quatro formas, nomeadamente, método mecânico, método térmico, alívio de tensões por vibração e tratamento criogénico.
• Limpeza: O bloco de liga de alumínio 6061 em bruto é limpo para remover qualquer sujidade, gordura ou óxidos que possam estar na superfície.

2. Maquinação CNC simultânea de cinco eixos

Ao contrário das máquinas CNC normais de três eixos, a máquina CNC simultânea de cinco eixos utilizada pela First Mold corta ao longo de cinco eixos (nomeadamente o eixo linear [X, Y e Z] e o eixo rotativo [A, B/C]), de uma só vez. Isto permite a criação de peças altamente complexas numa única configuração.

A máquina CNC simultânea de cinco eixos aproxima-se da peça de trabalho a partir de praticamente qualquer ângulo, o que aumenta significativamente a eficiência, a precisão e o acabamento da superfície, em comparação com as máquinas CNC tradicionais. Segue-se um resumo do funcionamento de uma máquina CNC de cinco eixos simultâneos para o fabrico de colectores de refrigeração.

• A máquina desloca a peça linearmente ao longo dos eixos X (esquerda e direita), Y (para cima e para baixo) e Z (frente e trás)
• Tem dois eixos rotativos adicionais (A, B ou C) que permitem que a peça se incline e rode, acrescentando movimento angular ao percurso familiar tradicional
• Uma vez que os cinco eixos se podem mover ao mesmo tempo, permite à máquina criar um coletor de arrefecimento com contornos e curvas suaves e complexos.

3. Inspeção completa da máquina de medição por coordenadas (CMM)

Cada parte da produção do coletor de arrefecimento é medida com uma CMM, começando pelo material limpo. A inspeção da 100% CMM é feita para verificar se cumprem as dimensões, caraterísticas geométricas e tolerâncias especificadas nos dados do desenho digital. Isto é necessário porque qualquer desvio pode levar a uma falha ou a um retrabalho dispendioso.

A tecnologia CMM tornou-se o “padrão de ouro” para a inspeção dimensional devido à sua elevada precisão. O dispositivo capta milhares de pontos de dados em toda a superfície da peça para criar um modelo 3D completo das dimensões reais da peça.

As CMMs avançadas para máquinas CNC utilizadas pela First Mold podem ser automatizadas. O operador carrega várias peças para a máquina e esta executa automaticamente o ciclo de inspeção pré-programado para cada peça sem intervenção externa. Esta máquina avançada permite inspecionar eficazmente grandes lotes de colectores de arrefecimento.

No final da operação, o software da CMM gera automaticamente um relatório de inspeção detalhado e objetivo para cada peça. O relatório é comparado com o projeto de design do cliente para detetar quaisquer desvios. Isto forneceu ao cliente uma prova de conformidade ou não-conformidade baseada em dados. Este relatório também é valioso para a conformidade regulamentar.

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