Hur aluminiumbearbetning kan optimeras inom fordonsindustrin

När fordonssektorn i allt högre grad övergår till att använda aluminium för komponenter i motorer, drivlinor, vattenpumpar och bromssystem, ställs stora krav på att originaldelstillverkarna och deras underleverantörer ska öka produktiviteten i fräsoperationerna. Verktygsvalet är avgörande för att skilja sig från mängden i det här segmentet, där korrekt tillämpning av optimerade fräsar i tillverkningsprocesserna för alla motorkomponenter kan löna sig kraftigt.
Varje år ökar antalet tillverkade aluminiummotorer, för både konventionella bilar och hybridpersonbilar. Varje år tillverkas närmare 100 miljoner sådana motorer. Motorerna rymmer delar som har komplicerade former och som, efter gjutningen, måste genomgå en sekvens av olika fräsoperationer.
Sandvik Coromant har ett komplett utbud för aluminiumbearbetning inom fordonsindustrin, från inledande cubing till grovbearbetning, medelgrov finbearbetning och finbearbetning. Varje specialtillverkat fräsverktyg – totalt fem stycken – är utformat för att leverera optimal kvalitet och kostnad per detalj. För att uppnå det senare är vissa verktyg i sortimentet avsedda för en kombination av uppgifter, exempelvis både grovbearbetning och finbearbetning i en enda operation, vilket förkortar cykeltiderna.

Ett bra exempel är M5C90, en innovativ fräs som kombinerar grovbearbetning och medelgrovbearbetning i ett enda verktyg. M5C90 är en specialbyggd planfräs som klarar hög hastighet och eliminerar långa riggtider hos kunden. M5C90 har färre tänder än konventionella fräsar, främst som resultat av den unika radiella och axiella skärpositioneringen i finbearbetningsraden/på innerdiametern (ingen skärjustering krävs). Skärpositioneringen ger gradfri fräsning och optimal ytjämnhet på cylinderhuvuden, cylinderblock, bromssystemdelar och alla aluminiumkomponenter där brett ingrepp kan användas (ej tillämpligt för tunnväggiga detaljer).
Ett aktuellt kundexempel, där en bromssystemventil av AlSi12Cu1 bearbetades, får illustrera vilka potentiella vinster som kan uppnås när M5C90 används. Verktyget har en ytterdiameter med 10 hårdmetallskär och en innerdiameter med fyra skär (plus ett wiperskär), och används vid ett spindelvarvtal på 8 000 varv/min, en skärhastighet på 4 021 m/min och en matning på 0,25 mm/tand. Det axiella skärdjupet är 2 mm med ett radiellt skärdjup på 140 mm, och metallavverkningshastigheten är 5 600 cm3/min. Total verktygslivslängd har inte fastställts än, men samma verktyg är kvar i maskinen efter 18 månaders användning.
För den som behöver en fräs som även kan finbearbeta tunnväggiga aluminiumdetaljer som växellådshus och kåpor, har Sandvik Coromant en annan fräs, M5F90, som är lika effektiv. M5F90 är en fräs med kombinerad grov- och finbearbetning i en enda operation. Den specialtillverkade fräskroppen (25–80 mm i diameter) för tunnväggiga aluminiumdetaljer har lödda PCD-skäreggar. Varje skär har en egg för grovbearbetning och en egg för finbearbetning. Grovbearbetningsområdet fungerar som en konventionell fräs, och alla skäreggar för grovbearbetning har samma diameter och höjd. Finbearbetningsområdet består av radiella och axiella skäreggar i steg. Konstruktionen ger tät tandning med gradfri bearbetning och oöverträffad ytjämnhet.
Imponerande tidsbesparingar kan uppnås, som i exemplet med en kund som behövde planfräsa aluminiumcylinderhuvuden (högt kiselinnehåll). Där kunde M5F90, till skillnad mot en särskild PCD-fräs från en våra konkurrenter, förkorta cykeltiden med 150 % men även eliminera gradbildning. Följande skärdata användes: spindelvarvtal 15 915 varv/min; skärhastighet 2000 m/min (6562 ft/min); en matningshastighet på 0,16 mm/tand (0,006 tum/tand); ett skärdjup på 1,5 mm (0,06 tum).

I ett annat exempel med M5F90 för bearbetning av en aluminiumkedjekåpa, uppnåddes cykeltidsförkortningar på 44 % jämfört med när konkurrentens indexerbara fräs (63 mm diameter) med sex PCD-skär användes. Lösningen eliminerade dessutom behovet av en efterföljande avgradningsoperation, som var nödvändig tidigare.
Ett annat nytt specialverktyg är M610, som har utvecklats för fräsning av blocksidor/överdelen av motorcylinderblock med bimetallytor, som normalt är av aluminium och grått gjutjärn (CGI).
En rad termiska och mekaniska egenskaper gör att fräsning i bimetallmaterial är en utmaning. Befintliga fräsar för den här applikationen är komplicerade och kräver justering, vilket innebär mindre genomströmning i produktionen. Sådana verktyg orsakar dessutom ofta urflisning på komponentens GCI-delar.
fMed M610 krävs ingen förinställning eller justering, och verktyget ger möjlighet att använda höga matningar utan urflisning, gradbildning eller repning som resultat. Det är en viktig förmåga, eftersom ytdefekter har potential att leda till läckage mellan cylinderblocket och huvudet, vilket i sin tur äventyrar funktionen. Vissa globala originaldelstillverkare inom fordonsindustrin har redan börjat använda M610.
En av våra kunder har uppnått stora fördelar vid finbearbetning av förbränningsytan på bimetallmotorblock. Vid jämförelse med en konkurrents justerbara fräs med inbyggnadshållare, uppnådde M610 en livslängdsförbättring på 833 %, och färdigställde mer än 4 000 detaljer (i stället för endast 400 detaljer, som med konkurrentens fräs). Dessutom kunde M610 arbeta med 10 gånger så hög hastighet. För detta M610-verktyg med 15 skär användes följande skärdata: skärhastighet på 3 000 m/min (9 843 fot/min); matningshastighet på 5 720 mm/min (225 tum/min); spindelhastighet på 3 820 varv/min; matningshastighet på 0,15 mm/tand (0,006 tum/tand); skärdjup i aluminium på 0,5 mm (0,02 tum), respektive 0,05 mm (0,002 tum) i gjutjärn.

Ett annat verktyg i familjen är den tangentiella grovfräsen M5Q90, som utför cubing i första steget (första bearbetningen av ytorna efter gjutning) i en enda operation, utan gradbildning. Verktyget har tangentiellt positionerade PCD-skär som ger ett mjukt och stabilt skärförlopp vilket minskar effektförbrukningen och eliminerar vibrationer.
Cylinderhuvuden och block av aluminium är komponenter där det finns mycket att vinna på att använda M5Q90. Som exempel skulle cubing på ett gjutet cylinderhuvud innefatta bearbetning av kamaxelns yta och förbränningsytan. I ett kundexempel där gjutna cylinderhuvuden av AS-9-aluminiumlegering grovfrästes på en horisontell fleroperationsmaskin, uppnåddes imponerande resultat beträffande verktygslivslängd. Fler än 10 000 komponenter bearbetades, vid en skärhastighet på 3 000 m/min (9 843 tum/min), en matning per tand på 0,2 mm (0,008 tum) och ett axiellt skärdjup på 2,0 mm (0,079 tum) (fullt ingrepp till 40 mm (1,57 tum).
Ytterligare ett verktyg är M5R90 för grovbearbetning/medelgrov bearbetning i andra steget. Denna standardfräs har justerbara inbyggnadshållare och stöder skärdjup upp till 8 mm (0,315 tum) med radien 0,4 mm eller 0,8 mm (0,016 tum eller 0,031 tum) beroende på vilken inbyggnadshållare som används. Lättjusterade inbyggnadshållare är en fördel i många fordonsapplikationer, vilket blev tydligt i ett färskt exempel med en kund som planfräste gjutna motorkåpor av MRHB Si12-aluminiumlegering. M5R90 presterade extremt bra jämfört med den konkurrentfräs som hade använts dittills. M5R90 förlängde verktygslivslängden från 8 000 till 10 000 arbetsstycken vid identiska skärdata för de båda fräsarna. Konkurrentens fräs behövde dessutom justeras efter 1 000 detaljer. Detta eftersom inbyggnadshållaren hade förflyttats, vilket riskerade att försämrade ytjämnheten. Som jämförelse producerade M5R90 8000 delar innan man behövde justera inbyggnadshållaren.
I familjen ingår även planfräsen M5B90, för superfin bearbetning och med unik axiell och radiell positionering av skären. Denna konfiguration, i kombination med ett wiperskär, ger gradfri bearbetning med enastående ytkvalitet, som en tillverkare av cylinderhuvuden för personbilar upptäckte nyligen. Företaget upplevde instabila processer, gradbildning och oförutsägbar skärlivslängd, på grund av att inbyggnadshållaren måste justeras mellan olika konfigurationer. En övergång till MB590-fräsen ledde till smidig finbearbetning med förutsägbar förslitning och utan gradbildning. Verktyget genererar endast mycket tunna spånor, som enkelt avlägsnas under fräsprocessen för att undvika risken för skador på komponentytan. Med M5B90 förbättrades verktygslivslängden från 30 000 till 45 000 detaljer i genomsnitt.
CoroDrill ®- och CoroTap ®-familjen av borr- och gängverktyg kan också erbjudas som en del av samma lösningssortiment för bearbetning av aluminiumkomponenter i fordon, liksom finfräsen CoroMill ® Century 590 av standardtyp.
Att förkorta cykeltiderna och minska kostnaden per detalj, och samtidigt förbättra verktygslivslängden och bearbetningens kvalitet, är en högst reell möjlighet, vilket framgår av de nämnda kundexemplen. Inom fordonsindustrin, där produktionsvolymerna ofta är stora, kan även marginella förkortningar av cykeltiden leda till stora finansiella besparingar. Varje teknik som kan bidra till ökad lönsamheten är svår att bortse från.