Pressione dello spruzzo per la pulizia: perché 1,0 MPa, 1,5 MPa e 50 MPa sono tre strumenti diversi

Panoramica

Le macchine per la pulizia a spruzzo sono spesso specificate unicamente in base alla pressione della pompa, e tale valore viene poi confrontato tra diverse offerte come se descrivesse effettivamente la capacità di pulizia. Non è così. Due macchine con la stessa pressione nominale possono produrre risultati molto diversi sullo stesso pezzo, perché la pressione è soltanto una delle quattro variabili che determinano se il contaminante viene rimosso da una caratteristica geometrica. Le altre sono la portata, l’angolo di impatto e il tempo di permanenza.

Una macchina a pressione inferiore, dotata di ugelli correttamente posizionati e di un’adeguata filtrazione, può prestarsi meglio di una macchina a pressione superiore costruita attorno a un collettore generico. Big Bird Industrial (in precedenza Shimada Big Bird Industrial) progetta e realizza sistemi per la pulizia e la sbavatura di componenti del powertrain automobilistico dal 2001, e le fasce qui discusse derivano dalle specifiche di produzione misurate rispetto ai criteri di accettazione.

1. La pressione non equivale alla potenza di pulizia

La pressione all’ugello è la pressione statica a monte di un orifizio. Ciò che rimuove un truciolo è l’energia cinetica sulla superficie, che dipende contemporaneamente dalla portata massica e dalla velocità. La velocità del getto varia con la radice quadrata della pressione; quindi raddoppiare la pressione della pompa aumenta la velocità di soli circa il 41 per cento. Se l’orifizio viene ridotto per mantenere tale pressione, la portata diminuisce e la copertura al secondo si riduce.

Ciò che la pressione all’ugello controlla effettivamente

La pressione controlla la penetrazione in caratteristiche strette e la capacità di rimuovere film aderenti, come refrigerante essiccato o lubrificante da trafilatura. Regola inoltre la distanza percorsa da un getto prima che si disperda in gocce. Ciò che non controlla è la velocità con cui il liquido contaminato viene sostituito da liquido filtrato, che dipende dalla portata, dal volume della vasca e dalla capacità di filtrazione.

Le fasce di pressione utilizzate nella produzione

I gruppi di pulizia in produzione si concentrano attorno a un numero ridotto di fasce di pressione, ciascuna associata a un compito specifico piuttosto che a una classe di macchine. Le specifiche per le linee automobilistiche prevedono tipicamente lavaggi a spruzzo e a flusso turbolento con pressione non inferiore a 1,0 MPa e pulizia mirata con pressione non inferiore a 1,5 MPa.

2. Portata, numero di ugelli e tempo di permanenza

Se la pressione determina la penetrazione, la portata determina il ricambio. Un getto che solleva un truciolo non produce alcun effetto utile, a meno che il liquido che lo trasporta non venga rimosso e filtrato prima che il pezzo successivo arrivi. La portata determina anche la velocità con cui un serbatoio raggiunge la saturazione, collegando direttamente la fase di lavaggio a quella di filtrazione.

La portata determina la velocità di ricambio

Pressione e portata descrivono la stessa pompa. Aumentare la pressione senza aumentare la portata significa che il liquido si muove più velocemente, ma ne arriva una quantità minore. Per il lavaggio turbolento di getti, dove l’obiettivo è sciacquare un volume piuttosto che raggiungere una singola superficie, la portata è generalmente il parametro più importante.

Il numero di ugelli è una decisione geometrica

La portata totale è data dal numero di ugelli moltiplicato per la portata per singolo ugello. Una stazione per testate cilindri può utilizzare diverse decine di ugelli, ad esempio 40 posizioni dedicate a fori e superfici specifiche di quella fusione. Il numero non deriva dall’area della parte divisa per la copertura; piuttosto, nasce dall’elenco delle caratteristiche da raggiungere — gallerie dell’olio, aperture del giacimento d’acqua, fori filettati e superfici rivolte verso il basso. Questo spiega perché un collettore progettato per una determinata fusione raramente è riutilizzabile su un’altra, e perché le linee miste richiedono scatole di ugelli intercambiabili o un robot in grado di posizionare con precisione il pezzo.

3. Angolo di impatto e distanza di stand-off

Due parti lavate alla medesima pressione e portata possono comunque presentare risultati diversi, poiché l’angolo e la distanza influenzano la quantità effettiva di energia che raggiunge la superficie.

Perché i getti perpendicolari mancano il bersaglio

Un getto a 90 gradi esercita la massima pressione d’impatto, e per superfici piane ed esposte ciò è corretto. Lo stesso getto non riesce però a pulire la parete opposta di una cavità, la faccia inferiore di una flangia o una sezione cava situata dietro un passaggio intersecante. Queste posizioni creano un’ombra rispetto al getto, e aumentare la pressione serve solo a riscaldare tale ombra. Ugelli inclinati o un dispositivo che ruota il pezzo tra diverse posizioni raggiungono zone che un collettore perpendicolare non può toccare.

Distanza di lavoro e densità energetica

Un getto libero si espande mentre avanza, quindi l’energia per unità di superficie diminuisce approssimativamente con il quadrato della distanza di lavoro, mentre la zona coperta aumenta. La finestra operativa utile è ristretta e determinata dalla caratteristica da trattare. Per le caratteristiche irraggiungibili dall’esterno, la soluzione non è aumentare la pressione, bensì adottare un metodo di erogazione diverso: una lancia inseribile, una testa di tenuta a tappo o un’apposita scatola ugelli.

4. Abbinamento del metodo alla caratteristica

Una volta che le quattro variabili sono comprese come decisioni distinte, la progettazione diventa un problema di mappatura: per ogni caratteristica, scegliere il metodo che la raggiunge effettivamente.

Flusso turbolento per volumi

La pulizia a flusso turbolento immerge il pezzo e muove grandi volumi di liquido su tutte le superfici contemporaneamente. Non dipende dalla visibilità diretta, il che la rende efficace su contorni complessi, ma eroga un’energia moderata e relativamente uniforme; pertanto, i film aderenti e le cavità cieche richiedono solitamente una seconda fase.

Getti mirati per caratteristiche identificate

La pulizia mirata posiziona ugelli opposti ai fori e alle facce che devono soddisfare un requisito di pulizia. L’energia viene impiegata esclusivamente dove viene misurato il criterio, ed è questa la fase in cui si utilizzano normalmente pressioni pari o superiori a 1,5 MPa. Il costo è meccanico: ogni variante richiede il proprio box di ugelli oppure un robot in grado di posizionare il pezzo.

Sigillatura con tappo quando la caratteristica è chiusa

I giubbetti d'acqua e i canali di raffreddamento sono volumi chiusi con aperture di piccole dimensioni. La pulizia mediante spruzzatura all'apertura elimina lo sporco dalla superficie e riempie la cavità con liquido contaminato, che quindi defluisce lentamente. La tappatura ermetica chiude l'apertura con una testa che obbliga il flusso a passare attraverso il condotto interno, trasformando un'area interna inaccessibile in un percorso di flusso.

5. Filtrazione: La metà della pressione di sistema non è sufficiente

Un getto sotto pressione eroga il liquido, e il liquido trasporta qualsiasi residuo lasciato dalla fase precedente. Se la catena di filtrazione ha una granulometria più grossolana rispetto alle particelle misurate dal criterio, la macchina continua a spruzzare contaminanti su parti già pulite, e una pressione aggiuntiva spinge le particelle fini più in profondità nelle caratteristiche geometriche prima che vengano drenate.

Le linee di produzione utilizzano una catena graduata anziché un singolo filtro. Per una specifica della testata del cilindro viene impiegato prima un filtro a tamburo da 50 micrometri, quindi un separatore a vortice, poi un filtro automatico con spurgo inverso da 30 micrometri e infine un filtro a sacco da 10 micrometri; lo stadio del filtro a sacco è duplicato in modo che un sacco intasato possa essere sostituito senza interrompere la produzione. Il circuito di risciacquo viene filtrato separatamente, poiché l’acqua di risciacquo trasporta un carico minore e un filtro grossolano in tale circuito reintrodurrebbe contaminazioni provenienti dalla fase di lavaggio.

6. Cinque errori di progettazione che si manifestano come insuccessi nella pulizia

La maggior parte dei problemi di pulizia con getto rilevati dopo l'installazione risale alla configurazione, non alla pompa. Confrontare le macchine in base alla sola pressione premia orifizi piccoli e penalizza la portata. Dimensionare il numero di ugelli sulla base dell'area del pezzo invece che su un elenco di caratteristiche lascia lacune. Montare ogni ugello perpendicolarmente alla superficie più vicina lascia pareti in ombra non trattate. Specificare il filtraggio per abitudine anziché in base alla dimensione effettiva delle particelle causa il ricircolo di particelle fini. Trattare l'essiccazione come un semplice passaggio a bassa pressione lascia del liquido nei fori ciechi, che fallisce il controllo con la stessa affidabilità di un chip.

Ciascuno di questi errori è economico da correggere nella fase di progettazione, ma costoso dopo il collaudo finale. Una specifica che indichi contemporaneamente pressione, portata, filtraggio e metodo di campionamento vale molto di più di una specifica che indichi soltanto la prima.

Domande frequenti

Una pressione maggiore sugli ugelli è sempre preferibile?

No. Oltre alla pressione richiesta per la specifica caratteristica, una pressione aggiuntiva introduce energia dove non è necessaria, aumenta la formazione di nebbia e l’usura della pompa, e può spingere contaminanti nelle fessure. La pressione deve essere scelta in base alla caratteristica da trattare, il che significa che la macchina deve consentire l’impostazione di diverse pressioni in diverse stazioni.

Quale pressione è necessaria per la pulizia dei canali dell’olio?

I canali vengono puliti con una lancia inserita, anziché con un getto esterno, a pressioni comprese tra 48 e 50 MPa, poiché il passaggio deve essere seguito dall’interno. Spruzzare l’apertura del canale dall’esterno, a qualsiasi pressione, pulisce soltanto l’ingresso e ben poco altro.

Come posso capire se il problema è dovuto alla pressione o al posizionamento dell’ugello?

Analizzare le caratteristiche che presentano difetti, piuttosto che il pezzo nel suo complesso. Se i difetti si concentrano su pareti in ombra, fondi di tasche o passaggi chiusi, la causa risiede nel posizionamento e nel metodo di erogazione. Se invece sono distribuiti su tutte le superfici e correlati all’età del bagno, alla filtrazione e al flusso, quest’ultimi fattori risultano più probabili.

La pressione influisce sulle prestazioni di asciugatura?

Solo in modo indiretto. L’essiccazione ad aria avviene a una pressione molto più bassa, tipicamente compresa tra 0,2 e 0,4 MPa, poiché ciò che conta è la secchezza dell’aria, la sua temperatura e la sua portata. Aumentare la pressione dell’aria senza migliorare la portata sposta semplicemente l’acqua anziché rimuoverla.

Conclusione

Pressione, portata, angolo di impatto e distanza di stand-off sono quattro parametri distinti; una specifica che considera soltanto il primo è incompleta. Il modo più utile per analizzare un preventivo consiste nel chiedersi quale funzione sia associata a ciascuna fascia di pressione, quanti ugelli siano dedicati a tale fascia e a quale stadio di filtrazione sia sottoposto il liquido erogato.

Una macchina che abbinia il metodo alla caratteristica richiesta ha generalmente un costo operativo inferiore rispetto a una macchina che compensa una distribuzione inefficace aumentando la pressione. Questa differenza emerge chiaramente durante la prova di accettazione, quando il risultato misurato soddisfa oppure no il criterio stabilito nella specifica.