Ferramentas e Estratégias de Usinagem Otimizadas para Peças de Veículos Elétricos

À medida que o boom dos veículos elétricos acelera, novos materiais estão sendo usados para fabricar componentes de veículos, apresentando um desafio de usinagem para fornecedores automotivos. Aqui está o porquê de ferramentas de corte de diamante policristalino estarem se tornando rapidamente o melhor amigo de um fabricante de automóveis.

Desde que existem carros, fabricantes têm usado alumínio para construí-los. De fato, o pioneiro automotivo Carl Benz introduziu as primeiras peças de motor de alumínio em 1901, seguido pelo uso de chassi e componentes de carroceria de alumínio pela Bugatti em 1908 e motor supercarregado da Alfa Romeo em 1934, também de alumínio.

Desde então, o alumínio e suas muitas ligas continuaram a crescer em popularidade, um dos exemplos mais recentes e notáveis sendo a introdução pela Ford Motor Co. de uma picape F-150 com carroceria de alumínio em 2015. Esta tendência está prestes a dar um salto massivo para frente, no entanto, dado o plano da General Motors de oferecer 30 novos modelos de veículos elétricos (EV) até 2025, seguido pela eliminação total de motores de combustão interna (IC) 10 anos depois. Outros fabricantes certamente seguirão o caminho inovador da GM.

O que a eletrificação de veículos tem a ver com alumínio? Muito. Onde este metal forte e leve já era querido da indústria automotiva por seu papel útil em atender a rigorosos padrões de eficiência de combustível, uma pesquisa recente da empresa de pesquisa DuckerFrontier sugere que o alumínio médio usado em veículos elétricos e não elétricos na América do Norte deve aumentar 24% até 2030.

Parte deste consumo será devido a rodas, corpos de bomba, cabeçotes de cilindro e carcaças de transmissão já em uso mas gradualmente se expandirá para incluir bandejas de bateria e componentes de motores elétricos como estatores e carcaças. Há apenas um problema, porém: Onde a maioria das ligas de alumínio forjadas e laminadas são relativamente fáceis de usinar, os materiais fundidos usados em algumas dessas peças podem ser muito abrasivos, levando a vida útil ruim da ferramenta e tempo de inatividade aumentado. Dado os volumes de produção notoriamente altos da indústria, isso pareceria apresentar uma séria preocupação para fabricantes e seus fornecedores de nível 1.

Enfrentando Questões Difíceis

Felizmente, há um material de ferramenta de corte à altura da tarefa. Chama-se diamante policristalino (PCD), e como aponta Gerald Fitch, especialista em aplicações automotivas da Kyocera Precision Tools, há uma ampla gama de brocas e fresas de topo PCD brasadas disponíveis, bem como fresas indexáveis e soluções customizadas, todas servindo para reduzir custos e aumentar produtividade para qualquer oficina que rotineiramente usina alumínio.

"Para um fabricante de automóveis, custo por aresta é tudo, e mesmo que uma ferramenta PCD possa custar 10 vezes seu equivalente em metal duro, o tempo de ciclo mais curto e a vida útil da ferramenta grandemente aumentada que ela proporciona mais do que compensa a diferença de preço", diz ele.

Fitch aponta para as fresas de fresamento MFAH e MEAS da empresa como duas possíveis soluções. Ambas dizem proporcionar forças de corte baixas que minimizam rebarbas e lascas na peça enquanto geram um acabamento de alta qualidade, todos críticos na usinagem de alumínio de alto volume. Ferramentas indexáveis como estas também são adequadas para fresar os topos de blocos de motor onde camisas de cilindro de ferro fundido ou metal sinterizado estão presentes, uma ocorrência comum mas desafiadora no mercado automotivo.

Alargamento Profundo

Rick With vê muitos dos mesmos desafios. O gerente de produto e supervisor de engenharia da divisão PCD/PCBN da Guhring Inc., ele aponta que tolerâncias e acabamentos superficiais de peças automotivas são frequentemente bastante rigorosos, e no caso de furos de estator de motor elétrico, razões comprimento-diâmetro longas também podem ser esperadas.

"Um exemplo seria o furo do estator em um motor elétrico, que pode tipicamente medir bem mais de 200 milímetros de diâmetro (7,87 polegadas) e talvez 1 a 1,5 vezes isso em profundidade", diz With. "A abordagem de usinagem é bastante similar à de uma carcaça de transmissão convencional, que pode realmente requerer alcance significativamente maior. Isso requer um processo de usinagem de três etapas com operações de desbaste, semiacabamento e acabamento por alargamento. A diferença aqui é o material do corpo da ferramenta e sistema de ajuste."

A solução da Guhring para esta peça específica foi uma fresa customizada cujo corpo é, algo ironicamente, ele mesmo feito de alumínio. A ferramenta de alargamento tem interface de fuso HSK e é equipada com seis ou mais pastilhas PCD, cada uma montada em um cartucho ajustável para controle de tamanho. "Como é comum com muitas ferramentas de corte automotivas, este era um especial completo onde você pode usinar múltiplos diâmetros e características da peça com uma ferramenta", diz With.

Alimentando Mais Rápido com PCD

Chad Hefflinger é o gerente de produto PCD/PCBN da Kennametal Inc. Ele explica que, embora fabricantes tenham usado ferramentas PCD por décadas para melhorar suas operações de usinagem de alumínio, seus fornecedores de nível 1 ficaram para trás durante grande parte desse tempo. Tudo isso mudou nos últimos anos dada a ampla disponibilidade de máquinas CNC de custo relativamente baixo que ostentam as velocidades de fuso e avanços mais altos necessários para PCD, trazendo sua maior produtividade ao alcance até das menores oficinas.

Outra coisa que mudou é o desenvolvimento de ferramentas PCD "veinadas" (veined). "O PCD na maioria das ferramentas de corte é produzido a partir de um disco plano que é recortado e brasado sobre um substrato de metal duro", diz Hefflinger. "A desvantagem aqui é que você não pode fazer uma forma curva como com ferramentas de corte de metal duro. Com ferramentas veinadas, no entanto, o PCD é sinterizado em ranhuras curvas dentro de um blank de metal duro preparado, permitindo seu uso em brocas e fresas de topo helicoidais."

Hefflinger também sugere que alumínio não é o único jogo na cidade automotiva. Um número crescente de fabricantes está se voltando para plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) e outros compósitos para painéis de carroceria, componentes de chassi, para-choques, e no caso de veículos elétricos, bandejas de bateria. Aqui novamente, ferramentas PCD são a primeira e às vezes única escolha para usinar esses materiais de grau aeroespacial.

"CFRP não é apenas bastante abrasivo mas também propenso a lascamento e delaminação", diz ele. "Esta é parte da razão pela qual ferramentas PCD veinadas são frequentemente preferidas para esses materiais, particularmente na indústria aeroespacial mas também na automotiva em certa medida. Você obtém a extrema resistência ao desgaste do PCD junto com opções de geometria mais flexíveis, o que ajuda a eliminar alguns dos problemas encontrados ao usinar compósitos assim como algumas ligas de alumínio."

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Usando as Melhores Ferramentas e Estratégias de Usinagem para Peças Automotivas

À medida que o boom dos veículos elétricos (EV) acelera, novos materiais estão sendo usados para fabricar componentes de veículos, apresentando um desafio de usinagem para fornecedores automotivos. Felizmente, há um material de ferramenta de corte à altura da tarefa: diamante policristalino, ou PCD. Quais passos você está tomando para acelerar suas capacidades de produção de EV? Participe de nossa enquete para compartilhar seus insights sobre este tópico.

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