Guía de diseño de carcasas para sensores de automoción: materiales, espesor de pared y tolerancias

Casi todas las carcasas de sensores de automoción en producción son una envolvente de acero inoxidable embutida. Esta guía explica qué implica eso para el embutido: qué grado de acero conviene a cada sensor, hasta qué punto puede reducirse el espesor de pared embutido, las tolerancias que determinan si la pieza se ensambla correctamente y los puntos de diseño que provocan la mayor parte de la chatarra en carcasas de sensores. Está dirigida al ingeniero o comprador que debe aprobar un plano de carcasa, y es la misma revisión que Balford aplica durante el DFM.

Si ya dispone de un plano,enviarlo para una revisión de DFMy volveremos con el material, la secuencia de embutición y las características que deben controlarse.

1. Lo que debe cumplir una carcasa de sensor

Una carcasa para sensor no es una pieza estética. Su función es mecánica y se evalúa en cuatro aspectos:

Localice el elemento sensor.El elemento debe quedar en una posición conocida con respecto a la rosca o el boss de montaje, siempre, a lo largo de millones de piezas.
Estanqueidad frente al fluido.El refrigerante, el aceite, el combustible o los gases de escape no deben alcanzar el elemento ni escapar por la carcasa.
Resista las condiciones del entorno.Sal de carretera, polvo de frenos, impactos de piedras, refrigerante de glicol, mezclas de combustible, ciclos térmicos y vibraciones, durante toda la vida útil del vehículo.
Hágalo con un espesor de pared con el que el fabricante del sensor pueda trabajar.Las paredes delgadas son lo que hace posible un sensor ligero y de respuesta rápida, y también son lo que dificulta el embutido de la pieza.

2. Por qué aproximadamente el 99 % de las carcasas de sensores para automoción son de acero inoxidable

La cifra es prácticamente universal porque la alternativa falla de manera predecible. Una carcasa de acero al carbono debe recubrirse para resistir el refrigerante y la sal de las carreteras; el recubrimiento tiene una tolerancia de espesor que se acumula sobre la tolerancia de pared; el recubrimiento es más delgado justo donde más importa, en los bordes cortados y en las roscas; y recubrir una pieza de alta resistencia introduce el riesgo de fragilización por hidrógeno. El acero inoxidable es resistente a la corrosión en toda su sección, por lo que ninguno de esos problemas existe.

Requisito	Acero al carbono recubierto	Acero inoxidable
Resistencia a la corrosión	Solo donde el recubrimiento esté intacto	A través de toda la sección de pared
Tolerancia de espesor	Pared + recubrimiento, dos tolerancias que cumplir	Solo pared
Bordes cortados y roscas	Recubrimiento más fino, primero en corroerse	Sin afectación
Fragilización por hidrógeno	Riesgo en piezas de alta resistencia después del recubrimiento electrolítico	No aplicable
Paso de proceso adicional	Galvanoplastia, más flete e inspección de recepción	Únicamente pasivación
Uso en escape de alta temperatura	No adecuado	304 / 310S clasificados para temperaturas de escape

3. ¿Qué grado de acero inoxidable para cada sensor?

Tipo de sensor	Grado	Motivo
Oxígeno / lambda, aguas arriba	304, 310S	Gases de escape de hasta 900 °C y choque térmico en el arranque
NOx	304, 310S	Alta temperatura y condensado ácido
Temperatura de los gases de escape (EGT)	304, 316L, 310S	Temperatura elevada continua con vibración
ABS / velocidad de rueda	304, 316L	Sal de carretera, polvo de frenos e impacto de piedras; no magnético, por lo que no interfiere con la señal objetivo
Temperatura del refrigerante / del agua	Latón(C3604, C3771) o acero inoxidable 304 / 316L	El latón conduce el calor aproximadamente 10× más rápido que el acero inoxidable, por lo que el termopozo responde antes - vercarcasas de latón para sensores de temperaturaEl acero inoxidable toma el relevo donde los cloruros o los refrigerantes agresivos descartan el latón
Presión de aceite / combustible y presión de raíl	304, 316L	Compatibilidad con combustible, aceite y aditivos a presión
Posición, velocidad, leva o manivela (circuito magnético)	430 / 1.4016	El acero inoxidable ferrítico es magnético y puede formar el circuito de retorno

Magnético o no magnético es una decisión de diseño, no una decisión de coste.El 304 y el 316L son efectivamente no magnéticos y constituyen la elección adecuada cuando la carcasa no debe alterar un campo magnético. Cuando la carcasaesparte del circuito magnético, el acero inoxidable ferrítico 430 es el material, y luego el diseño debe tener en cuenta tanto las propiedades magnéticas como las dimensiones.

4. Límites de espesor de pared y relación de embutición

La mayoría de las carcasas de sensores para automoción se embuten con una pared de entre aproximadamente0,3 mm y 1,0 mm, en función del diámetro, la calidad del material y de si la pared se adelgaza deliberadamente durante el embutido.

Espesor inicialviene determinado por la resistencia que requiere la carcasa, no por el embutido. Un blank más delgado se embute con mayor facilidad, pero puede no soportar la rosca ni la cara de sellado.
Adelgazamiento de pared
(el planchado o ironing) se utiliza cuando el plano exige una pared más delgada que el blank. Solicítelo de forma explícita: si no se especifica, el proveedor normalmente dejará la pared con el espesor del blank y la pieza resultará más pesada de lo previsto en el plano.
Relación de embuticióndetermina el número de etapas. El acero inoxidable se endurece por deformación rápidamente, por lo que el primer embutido suele ser más conservador que en el caso del acero para embutición profunda, y las etapas siguientes admiten una mayor reducción.
Recocido entre etapases necesaria cuando la secuencia no puede alcanzar el diámetro final sin que el material supere su límite de conformado. Es un costo del proceso y debe planificarse en lugar de descubrirse durante la prueba.
El radio importa más que el tonelaje.Un radio de matriz ajustado concentra la deformación y agrieta la pared recta; un radio demasiado abierto arruga la brida. La ventana de trabajo se estrecha a medida que el grado se endurece más por deformación.

5. Tolerancias que determinan si la carcasa se ensambla correctamente

Las tolerancias generales se rigen por el plano. Cuando el plano no especifica nada, trabajamos conforme a ISO 2768-m y señalamos en la etapa de DFM las características que requieren un control más estricto. En la práctica, cinco características determinan si una carcasa de sensor funciona:

Característica	Por qué es importante	Cómo se verifica
Espesor de pared	Resistencia, profundidad de rosca, peso y propiedades magnéticas	Micrómetros de exteriores y de interiores de tres puntos
Concentricidad / excentricidad de giro	El elemento queda descentrado si el diámetro interior y el diámetro exterior no son coaxiales.	Calibrador de concentricidad
Paso de rosca y verificación por calibres	La carcasa debe enroscarse en el jefe y sellar	Calibres de rosca pasa / no pasa
Acabado de la cara de sellado	El sellado depende del acabado superficial, no solo de la dimensión	Medidor portátil de rugosidad superficial (Ra)
Longitudes y profundidades de escalón	Define la profundidad de inserción del elemento en el medio	Calibradores digitales de profundidad y altura

6. Puntos de diseño que provocan más desperdicio en las carcasas de sensores

Un radio trazado más cerrado de lo que permite la tolerancia.La causa más común de paredes rectas agrietadas. Aumente el radio del troquel o añada una etapa.
Un espesor de pared especificado sin indicar cómo se logra.Si el plano requiere una pared de 0,4 mm a partir de un disco de 0,8 mm, indique "embutido con pared reducida" (ironed); de lo contrario, la pieza llegará con 0,8 mm.
Una rosca especificada en una pared embutida demasiado delgada para soportarla.El roscado necesita material para garantizar el agarre. O bien se engrosa la pared localmente, o bien se traslada la rosca a un elemento mecanizado.
Una cara de sellado tal como se dibujó.Una superficie embutida suele ser demasiado rugosa para sellar; especifique el acabado y haga que el plan de proceso incluya una pasada de mecanizado o acuñado.
Requisitos magnéticos que surgen después del utillaje.Si la carcasa forma parte de un circuito magnético, el grado del material y la ruta de recocido son parte del diseño, no un ajuste posterior al utillaje.
Límites de limpieza y rebabas no especificados.Los elementos sensores son sensibles a las partículas sueltas; indique el requisito de limpieza en el plano.

7. Qué incluir en el plano

Grado del material y si la carcasa debe ser no magnética o magnética
Espesor inicial, espesor final de pared y si la pared es sometida a estirado por hierro
Concentricidad o excentricidad entre el diámetro interior y el diámetro exterior
Especificación de rosca y el calibre que se utilizará
Acabado superficial de la cara de sellado (Ra) y la superficie que debe sellar
Requisitos de limpieza y rebabas
Cualquier requisito de tratamiento térmico, recocido o pasivado
Volumen anual y tamaño de lote previsto: esto determina si el utillaje se diseña como progresivo, de transferencia o de operación única

Envíe el plano con esos puntos y la revisión de DFM podrá ser específica en lugar de genérica. Balford dispone de capacidad de prensado de 25 t a 350 t, realiza embuticiones de hasta Ø250 mm y fabrica su propia utillaje, por lo que la revisión se devuelve con una prensa, un concepto de troquel y una secuencia de etapas en lugar de una lista de preguntas.

Preguntas frecuentes

¿Todos los alojamientos de sensores están fabricados en acero inoxidable?

Alrededor del 99% de las carcasas de sensores de automoción son de acero inoxidable. Las excepciones suelen ser carcasas que no están expuestas a un medio corrosivo, o carcasas de latón para sensores de temperatura del refrigerante, donde el comportamiento térmico y galvánico es aceptable. El aluminio se utiliza en algunos cuerpos de sensores de presión, donde el peso importa más que el margen frente a la corrosión.

¿Se puede conformar por embutición un alojamiento de sensor de acero inoxidable en lugar de mecanizarlo?

Sí, y el embutido profundo suele ser mucho más económico en grandes volúmenes. Una carcasa embutida conforma la envolvente en una sola pieza, sin virutas ni mecanizado del perfil exterior; el mecanizado se limita entonces a la cara de sellado, la rosca o un taladro que deba mantenerse con una tolerancia más ajustada de la que el conformado puede alcanzar. La decisión suele depender del volumen anual y de lo ajustados que sean los diámetros críticos.

¿Qué tan delgada puede ser una pared de acero inoxidable embutida en profundidad?

Las carcasas de sensores suelen tener un espesor de pared de entre 0,3 mm y 1,0 mm. Por debajo de aproximadamente 0,3 mm, los factores limitantes son la manipulación, el agarre de la rosca y el riesgo de que la pared se deforme durante el montaje, más que el propio proceso de embutición profunda.

¿Cuál es la diferencia entre el 304 y el 316L para una carcasa de sensor?

Ambos son austeníticos y no magnéticos. El 316L incorpora molibdeno, lo que mejora la resistencia a los cloruros y a algunos medios de proceso, por lo que se prefiere cuando la carcasa está expuesta a sal de carretera, niebla salina o química agresiva de refrigerante. El 304 es adecuado para la mayoría de aplicaciones con refrigerante y temperatura, y es más económico. Con el 316L, el mayor contenido de aleación también dificulta ligeramente la conformación, lo que puede modificar el número de etapas de embutición.

¿Necesita pasivación una carcasa de sensor de acero inoxidable?

Sí, si la pieza ha sido mecanizada, rectificada o manipulada con utillaje de acero al carbono. La pasivación elimina el hierro libre de la superficie para que la capa de óxido de cromo pueda regenerarse, y es lo que evita que un pequeño punto de contaminación se convierta en una picadura de corrosión.