Ispezione del cilindro della testata: sedili delle valvole, canali dell'olio e il problema della risoluzione di 0,01 mm

Panoramica

Una testata del cilindro viene ispezionata quotidianamente dall’esterno, ma continua a guastarsi dall’interno. Le superfici che determinano se un motore funziona in modo pulito sono quelle invisibili: gli alesaggi dei sedili delle valvole, gli alesaggi delle guide, le forature dei canali di lubrificazione e la zona di transizione in cui una foratura trasversale si immette in un canale principale.

Big Bird Industrial (in precedenza Shimada Big Bird Industrial) costruisce sistemi di pulizia e ispezione per testate cilindri fin dagli anni 2000, e la lezione ricorrente è sempre la stessa in ogni progetto: se l’alesaggio non viene ispezionato, il processo di pulizia non dispone di alcun riscontro. Questo articolo illustra quali elementi devono essere ispezionati all’interno di una testata, perché un endoscopio non è in grado di gestire volumi produttivi, quale configurazione ottica si adatta a quale alesaggio e come redigere un criterio di accettazione significativo.

1. Quali elementi devono essere ispezionati all’interno di una testata cilindri

L’ambito di ispezione interna è più ristretto rispetto al pezzo ed è molto più complesso rispetto all’ispezione esterna. Quattro caratteristiche concentrano la maggior parte del rischio.

I fori delle sedi delle valvole e la gola sottostante accumulano trucioli e pasta abrasiva durante la lavorazione delle sedi. Un truciolo premuto sulla superficie della sede diventa una perdita di compressione che si manifesta soltanto nel collaudo a caldo. I fori delle guide sono profondi, piccoli e di solito ispezionati al tatto piuttosto che mediante misurazione. I fori dei canali lubrificanti trasportano detriti provenienti dalla lavorazione e dall’operazione di sbavatura; un singolo foro ostruito priva di lubrificazione un supporto dell’albero a camme. Le intersezioni tra fori trasversali rappresentano il caso peggiore: le sbavature si formano sulla parete opposta, dove nessun utensile riesce ad arrivare, e la geometria le nasconde da qualsiasi vista in linea retta.

Queste quattro caratteristiche presentano diametri diversi, profondità diverse e priorità differenti per i difetti, motivo per cui una singola telecamera montata su un singolo braccio raramente copre l’intera testata.

2. Perché un endoscopio non può gestire volumi produttivi

Un endoscopio è uno strumento eccellente per l’ingegneria, ma uno strumento scadente per la produzione. Tre motivi.

Il primo è la copertura. Un operatore decide dove guardare. Due operatori che utilizzano lo stesso capo non ispezioneranno lo stesso insieme di superfici, e nessuno dei due potrà dimostrare successivamente quali superfici sono state effettivamente ispezionate.

Il secondo è il giudizio. Un graffio, un foro da sabbia e una macchia di residuo appaiono simili su un piccolo schermo. Senza un riferimento e senza un occhio addestrato, la valutazione è soggettiva e il risultato registrato consiste in una parola anziché in un’immagine.

Il terzo è la produttività. L’inserimento manuale, la messa a fuoco e la rotazione richiedono decine di secondi per ogni foro, e un capo presenta molti fori. Il campionamento diventa l’unica strategia economicamente praticabile, ma il campionamento non è in grado di rilevare una deriva del processo che interessi un solo capo su cinquanta.

3. Tre configurazioni ottiche e i rispettivi ambiti di applicazione

L’ispezione in linea dei fori è una famiglia di soluzioni ottiche, non un singolo prodotto. La scelta dipende dal diametro del foro, dalla sua profondità e dalle dimensioni del difetto da rilevare.

Il rapporto profondità/diametro è il parametro che determina la fattibilità. Una sonda che deve raggiungere una profondità pari al proprio diametro è uno strumento diverso da una che deve raggiungere una profondità pari a tre volte il proprio diametro. Nella pratica, è tale rapporto, non il diametro, a limitare la profondità massima ispezionabile in una galleria lubrificante.

L’illuminazione è importante quanto l’obiettivo. Una parete forata presenta riflessione speculare; una parete di galleria fusa presenta riflessione diffusa. La prima richiede un’illuminazione controllata che non provochi sovraesposizione; la seconda richiede sufficiente luce per rivelare la texture. Una sonda laser risulta particolarmente adatta nel primo caso, poiché è in gran parte immune alla luce ambientale e alle interferenze da LED, motivo per cui viene impiegata nell’ispezione di gallerie dove una forte riflessione altrimenti nasconderebbe un difetto.

4. Classi di difetti e relativi costi a valle

I difetti rilevanti all’interno di una testata sono pochi e specifici, e non condividono un singolo numero di accettazione perché le loro conseguenze differiscono. Trattarli come una sola classe è la causa più comune per cui una specifica di ispezione risulta o troppo severa per essere applicata o troppo lasca per rilevare qualcosa.

Scheggiature e corpi estranei

Il riscontro più frequente e il più facile da comprendere. Una scheggiatura sulla faccia della sede della valvola provoca una perdita di compressione che si manifesta soltanto nel collaudo a caldo; una scheggiatura in una galleria ne ostruisce il flusso, privando di lubrificazione un cuscinetto. La soglia di rilevamento è generalmente una dimensione del contorno compresa tra 0,25 e 0,5 millimetri, e il materiale è spesso dello stesso colore della parete, motivo per cui la progettazione dell’illuminazione conta più dell’ingrandimento.

Bave alle intersezioni di forature trasversali

I bordi taglienti si formano sulla parete opposta di un'intersezione, dove nessun utensile riesce ad arrivare e nessuna vista in linea retta li individua. Si tratta di un difetto di produzione, non di pulizia; pertanto, migliorare il sistema di lavaggio non li eliminerà. Se il processo di sbavatura non è sotto controllo, il sistema di ispezione segnalerà lo stesso difetto su ogni pezzo finché non verrà modificato il processo a monte.

Scratch e solchi sulle pareti dei fori

Questi indicano danni da manipolazione o un problema legato all’utensile; la loro rilevanza dipende dalla posizione. Uno scratch che attraversa una superficie di appoggio per cuscinetti costituisce un difetto funzionale; lo stesso scratch su una parete non funzionale di una galleria potrebbe essere puramente estetico. La classificazione basata sulla posizione è quindi altrettanto importante quanto il rilevamento.

Fori da sabbia e porosità

Un problema di fusione rivelato dalla lavorazione meccanica. Nessuna modifica della pulitura o della sbavatura lo risolverà, e la decisione di scarto dipende dallo spessore della parete e dal fatto che il difetto intersechi un circuito di pressione o di olio. Segnalare questi difetti separatamente dai detriti liberi consente di avviare la conversazione con la fonderia basandosi su dati anziché su campioni.

Questo è l’argomento a favore della classificazione dei difetti, piuttosto che della semplice rilevazione. Un sistema che segnala separatamente corpi estranei, sbavature, graffi, ammaccature e porosità fornisce all’ingegnere di processo un elemento su cui intervenire. Un sistema che segnala soltanto ‘approvato’ o ‘scartato’ fornisce solo un tasso di rifiuti e un motivo di contesa.

5. L’ispezione funziona soltanto quando la pulitura è controllata

L’ispezione del foro rileva ciò che la pulizia lascia indietro, quindi i due processi devono essere progettati congiuntamente. Una testata pulita fino a un limite di residui di pochi milligrammi e poi ispezionata mostrerà un modello stabile di difetti. Una testata pulita senza prestare attenzione ai canali dell’olio produrrà un’esplosione di riscontri alla prima ispezione per poi apparire accettabile, perché il canale avrà già scaricato i propri detriti nella vasca.

Il lato pulizia dello stesso problema è ben compreso: la pulizia con tappi sigillati costringe il flusso a passare attraverso i canali anziché intorno ad essi, e la pulizia mirata ad alta pressione raggiunge la parete opposta di una foratura trasversale. Quando pulizia e ispezione sono collocate sulla stessa linea, il risultato dell’ispezione diventa il registro del processo di pulizia, e una deriva nei residui si manifesta come una variazione nei riscontri anziché come un reclamo da parte del cliente.

6. Stesura dei criteri di accettazione

Una specifica di ispezione per una testata cilindri deve rispondere a quattro domande: cosa viene ispezionato, con quale risoluzione, con quale tasso di mancata rilevazione e in quanto tempo. Qualsiasi informazione in meno impedisce di accettare o rifiutare il sistema in modo oggettivo.

Un obiettivo realistico di risoluzione per le pareti delle gallerie è un contorno di difetto compreso tra 0,25 e 0,5 millimetri, con una risoluzione ottica di un ordine di grandezza superiore, in modo che la classificazione abbia qualcosa su cui lavorare. Tassi di mancata rilevazione inferiori a un decimo di percentuale sono raggiungibili su un insieme definito di difetti, ma tale insieme deve essere concordato prima della prova di accettazione, non dopo.

Domande frequenti

Un singolo sensore può ispezionare sia i sedili delle valvole sia le gallerie dell’olio?

Raramente. I fori dei sedili sono corti e larghi, mentre le gallerie sono lunghe e strette, e il rapporto richiesto tra profondità e diametro è diverso. La maggior parte delle teste è servita da due configurazioni su una stessa piattaforma, con cambio utensile tra l’una e l’altra.

La radiografia o la tomografia computerizzata (CT) possono sostituire questo metodo?

Rispondono a domande diverse. La CT individua porosità e vuoti interni nel materiale; l’ispezione ottica dei fori rileva condizioni superficiali e detriti mobili all’interno dei canali. Per i rischi legati al montaggio, la visione superficiale è di solito quella più diretta.

Come gestisce il sistema una galleria ostruita?

Un passaggio ostruito non presenta alcuna parete visibile da ispezionare, quindi viene normalmente rilevato tramite test di flusso o di pressione, piuttosto che con ispezione ottica. Combinare un controllo del flusso con l’ispezione ottica copre sia il caso di ostruzione sia quello di residui.

Che cosa accade alle immagini?

Vengono archiviate associandole al numero seriale del componente, in modo che un riscontro possa essere riesaminato in un secondo momento. Questa è la differenza pratica tra la visione in linea e un endoscopio: le prove esistono anche dopo la fine del turno.

Conclusione

La qualità della testata cilindri è determinata nelle zone più difficili da osservare. I fori delle sedi valvola, i fori delle guide e le gallerie lubrificanti contengono i detriti responsabili di perdite di compressione, carenza di lubrificazione e usura dei cuscinetti dell’albero a camme; sono proprio queste le superfici ispezionate in modo meno affidabile dall’ispezione manuale.

La sequenza pratica consiste nel definire i fori, scegliere le ottiche che li raggiungono, concordare l’insieme dei difetti e il tasso di mancata rilevazione prima dell’installazione e posizionare il sistema a valle di un processo di pulizia che sia esso stesso sotto controllo. Eseguendo questi passaggi in tale ordine, l’ispezione dei fori cessa di essere una soglia di qualità e diventa un feedback sul processo.