Guia de projeto de carcaça de sensor automotivo: materiais, espessura de parede e tolerâncias

Quase toda carcaça de sensor automotivo em produção é um invólucro de aço inoxidável estampado por repuxo. Este guia aborda o que isso significa para o repuxo: qual grau é adequado para qual sensor, quão fina pode ser uma parede repuxada, as tolerâncias que determinam se a peça monta, e os pontos de projeto que causam a maior parte do refugo de carcaças de sensor. É escrito para o engenheiro ou comprador que precisa liberar um desenho de carcaça, e é a mesma revisão que a Balford aplica durante o DFM.

Se você já tem um desenho, envie-o para uma revisão de DFM e retornaremos com o material, a sequência de repuxo e as características que precisam de controle.

1. O que uma carcaça de sensor precisa fazer

Uma carcaça de sensor não é uma peça cosmética. Sua função é mecânica e é avaliada em quatro aspectos:

Posicionar o elemento sensor. O elemento deve ficar em uma posição conhecida em relação à rosca de montagem ou boss, sempre, ao longo de milhões de peças.
Vedar contra o meio. Fluido de arrefecimento, óleo, combustível ou gás de escape não devem atingir o elemento nem escapar pela carcaça.
Sobreviver ao ambiente. Sal de estrada, poeira de freio, impacto de pedras, fluido de arrefecimento glicol, misturas de combustível, ciclos térmicos e vibração, durante a vida útil do veículo.
Fazê-lo com uma espessura de parede com a qual o fabricante do sensor possa trabalhar. Paredes finas são o que torna possível um sensor leve e de resposta rápida, e também são o que torna a peça difícil de repuxar.

2. Por que as carcaças de sensores automotivos são quase sempre de aço inoxidável

O número é quase universal porque a alternativa falha de maneira previsível. Uma carcaça de aço carbono precisa ser revestida para sobreviver ao fluido de arrefecimento e ao sal de estrada; o revestimento tem uma tolerância de espessura que se acumula sobre a tolerância da parede; o revestimento é mais fino exatamente onde importa, nas bordas cortadas e nas roscas; e revestir uma peça de alta resistência introduz risco de fragilização por hidrogênio. O aço inoxidável é resistente à corrosão em toda a sua seção, portanto nenhum desses problemas existe.

Requisito	Aço carbono revestido	Aço inoxidável
Resistência à corrosão	Somente onde o revestimento está intacto	Em toda a seção da parede
Tolerância de espessura	Parede + revestimento, duas tolerâncias a manter	Somente parede
Bordas cortadas e roscas	Revestimento mais fino, primeiro a corroer	Não afetadas
Fragilização por hidrogênio	Risco em peças de alta resistência após revestimento	Não aplicável
Etapa extra de processo	Galvanoplastia, mais frete e inspeção de recebimento	Passivação apenas
Uso em escapamento de alta temperatura	Não adequado	304 / 310S classificados para temperaturas de escapamento

3. Qual grau de aço inoxidável para qual sensor

Tipo de sensor	Grau	Motivo
Oxigênio / lambda, montante	304, 310S	Até 900 °C de gás de escapamento e choque térmico na partida
NOx	304, 310S	Alta temperatura mais condensado ácido
Temperatura do gás de escapamento (EGT)	304, 316L, 310S	Alta temperatura contínua com vibração
ABS / velocidade da roda	304, 316L	Sal de estrada, poeira de freio e impacto de pedras; não magnético, portanto não perturba o sinal do alvo
Temperatura do líquido de arrefecimento / água	Latão (C3604, C3771) ou aço inoxidável 304 / 316L	O latão conduz calor cerca de 10× mais rápido que o aço inoxidável, então o poço térmico responde mais cedo - veja carcaças de sensor de temperatura em latão. O aço inoxidável assume o controle onde cloretos ou líquido de arrefecimento agressivo descartam o latão
Pressão de óleo / combustível e pressão de trilho	304, 316L	Compatibilidade com combustível, óleo e aditivos sob pressão
Posição, velocidade, comando ou virabrequim (circuito magnético)	430 / 1.4016	O aço inoxidável ferrítico é magnético e pode formar o caminho de retorno

Magnético ou não magnético é uma decisão de projeto, não uma decisão de custo. 304 e 316L são efetivamente não magnéticos e são a escolha certa onde a carcaça não deve perturbar um campo magnético. Onde a carcaça é parte do circuito magnético, o aço inoxidável ferrítico 430 é o material - e então o desenho técnico deve considerar as propriedades magnéticas, bem como as dimensões.

4. Limites de espessura de parede e taxa de estampagem profunda

A maioria das carcaças de sensores automotivos é estampada com uma parede entre cerca de 0,3 mm e 1,0 mm, dependendo do diâmetro, do grau e se a parede é afinada deliberadamente durante a estampagem.

A espessura inicial é definida pela resistência que a carcaça necessita, não pela estampagem. Um blank mais fino é estampado mais facilmente, mas pode não suportar a rosca ou a face de vedação.
O afinamento da parede (ironing) é usado quando a estampagem exige uma parede mais fina que o blank. Solicite isso explicitamente - se não for especificado, um fornecedor normalmente deixará a parede na espessura do blank e a peça ficará mais pesada do que o desenho pretendia.
A taxa de estampagem decide o número de estágios. O aço inoxidável endurece rapidamente por deformação, então a primeira estampagem geralmente é mais conservadora do que seria para aço de estampagem profunda, e os estágios seguintes absorvem menos.
A recozimento entre estágios é necessário quando a sequência não consegue atingir o diâmetro final sem que o material ultrapasse seu limite de conformação. É um custo de processo, e deve ser planejado em vez de descoberto no tryout.
O raio importa mais que a tonelagem. Um raio de matriz apertado concentra a deformação e trinca a parede reta; um raio muito aberto enruga a flange. A janela de trabalho se estreita à medida que o grau endurece mais por deformação.

5. Tolerâncias que decidem se a carcaça monta

As tolerâncias gerais seguem o desenho. Onde o desenho é omisso, trabalhamos conforme a ISO 2768-m e sinalizamos as características que precisam de controle mais rigoroso na etapa de DFM. Na prática, cinco características decidem se uma carcaça de sensor funciona:

Característica	Por que importa	Como é verificada
Espessura da parede	Resistência, profundidade da rosca, peso e magnéticos	Micrômetros de exterior e de três pontos para furo
Concentricidade / runout	O elemento fica fora do eixo se o furo e o diâmetro externo não forem coaxiais	Medidor de concentricidade
Passo da rosca e medição com calibres	A carcaça precisa ser rosqueada no boss e vedar	Calibres de rosca passa / não passa
Acabamento da face de vedação	A vedação depende do acabamento superficial, não apenas da dimensão	Medidor portátil de rugosidade superficial (Ra)
Comprimento e profundidades de degrau	Define até onde o elemento fica dentro do meio	Medidores digitais de profundidade e altura

6. Pontos de projeto que causam mais refugo de carcaças de sensores

Um raio estampado mais apertado do que o grau permite.A causa única mais comum de paredes retas fissuradas. Abra o raio da matriz ou adicione um estágio.
Uma espessura de parede especificada sem dizer como é obtida. Se o desenho precisa de uma parede de 0,4 mm a partir de um blank de 0,8 mm, diga "estampado por ferro" - caso contrário, a peça chega com 0,8 mm.
Uma rosca indicada em uma parede estampada que é fina demais para ela. O engajamento da rosca precisa de material. Ou engrosse a parede localmente ou mova a rosca para um recurso usinado.
Uma face de vedação deixada como desenhada. Uma superfície estampada geralmente é muito rugosa para vedar; especifique o acabamento e deixe o plano de processo incluir uma passagem de usinagem ou cunhagem.
Requisitos magnéticos que aparecem após o ferramental. Se a carcaça faz parte de um circuito magnético, o grau e a rota de recozimento fazem parte do projeto, não de um ajuste pós-ferramental.
Limites de limpeza e rebarba deixados sem indicação. Elementos sensores são sensíveis a partículas soltas; declare o requisito de limpeza no desenho.

7. O que colocar no desenho

Grau do material, e se a carcaça deve ser não magnética ou magnética
Espessura inicial, espessura final da parede e se a parede é estampada por ferro
Concentricidade ou excentricidade entre o furo e o diâmetro externo
Especificação da rosca e o calibrador que será usado
Acabamento da face de vedação (Ra) e a superfície que deve vedar
Requisitos de limpeza e rebarba
Qualquer requisito de tratamento térmico, recozimento ou passivação
Volume anual e tamanho de lote esperado - isso decide se o ferramental é um projeto progressivo, de transferência ou de operação única

Envie o desenho com esses pontos e a revisão de DFM pode ser específica em vez de genérica. A Balford possui capacidade de prensa de 25 t a 350 t, estampa até Ø250 mm, e constrói seu próprio ferramental, então a revisão volta com uma prensa, um conceito de matriz e uma sequência de estágios em vez de uma lista de perguntas.

Perguntas frequentes

Todas as carcaças de sensores são feitas de aço inoxidável?

Quase todas as carcaças de sensores automotivos são de aço inoxidável. As exceções geralmente são carcaças que não são expostas a um meio corrosivo, ou carcaças de latão para sensores de temperatura do líquido de arrefecimento onde o comportamento térmico e galvânico é aceitável. O alumínio é usado para alguns corpos de sensores de pressão onde o peso importa mais do que a margem de corrosão.

Uma carcaça de sensor de aço inoxidável pode ser estampada em vez de usinada?

Sim, e a estampagem geralmente é muito mais barata em volume. Uma carcaça estampada forma a casca em uma única peça sem cavacos e sem usinagem do perfil externo; a usinagem é então limitada à face de vedação, à rosca ou a um furo que deve ser mantido com uma tolerância mais apertada do que a conformação pode alcançar. A decisão geralmente se resume ao volume anual e quão apertados são os diâmetros críticos.

Quão fina pode ser uma parede de aço inoxidável estampada a fundo?

Carcaças de sensores comumente variam de 0,3 mm a 1,0 mm de espessura de parede. Abaixo de aproximadamente 0,3 mm os fatores limitantes são o manuseio, o engajamento da rosca e o risco de a parede se deformar na montagem, em vez do próprio processo de estampagem.

Qual é a diferença entre 304 e 316L para uma carcaça de sensor?

Ambos são austeníticos e não magnéticos. O 316L adiciona molibdênio, o que melhora a resistência a cloretos e a alguns meios de processo, então é preferido onde a carcaça vê sal de estrada, spray de sal ou química agressiva de líquido de arrefecimento. O 304 é adequado para a maioria das aplicações de líquido de arrefecimento e temperatura e é mais barato. Com o 316L, o maior teor de liga também torna a conformação um pouco mais difícil, o que pode mudar o número de estágios de estampagem.

Uma carcaça de sensor de aço inoxidável precisa de passivação?

Sim, se a peça foi usinada, retificada ou manuseada com ferramentas de aço carbono. A passivação remove o ferro livre da superfície para que a camada de óxido de cromo possa se reformar, e é isso que impede que um pequeno ponto de contaminação se transforme em um pite de corrosão.

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