Wykończenie wałka rozrządu i czyszczenie: 66 sekund na dwie części przy 3 mg

Przegląd

Wałek rozrządu to długi, smukły wał z serią profilowanych kulek (tzw. kulek rozrządu), które zostały szlifowane z dokładnością mierzoną setnymi części milimetra. Po wierceniu jest to także element z otworami olejowymi przecinającymi powierzchnie oporowe oraz z wykańczakami znajdującymi się dokładnie tam, gdzie musi przepływać olej.

Usunięcie wykańczaków stanowi więc inny problem niż usunięcie wykańczaków z bloku silnika lub obudowy. Wykańczak jest mały, ale powierzchnia, przy której się znajduje, to gotowy profil – a szczotka lub frez usuwający wykańczak, który dotyka kulki rozrządu, powoduje utratę części. Czyszczenie też stanowi inny problem, ponieważ otwory olejowe są małe, a wał nie może być zalany olejem od zewnątrz.

Komórka opisana tutaj wykonuje obie operacje w jednej obudowie w czasie 66 sekund dla dwóch części, utrzymując masę części na poziomie 3 mg lub niższej. Big Bird Industrial (dawniej Shimada Big Bird Industrial) buduje od 2001 roku systemy do czyszczenia i usuwania wykańczania z elementów układu napędowego pojazdów, a konfiguracja tej komórki jest dostosowana do linii produkcyjnych wałów rozrządu, a nie do układu laboratoryjnego.

1. Co czyni wał rozrządu wyjątkowym

Dwa aspekty odróżniają wał rozrządu od innych elementów poddawanych usuwaniu wykańczania: jest on smukły, a jego powierzchnia robocza trudno dostępna jest bez dotyku.

Smukły element uginający się

Wał rozrządu podparty na obu końcach ugnię się pod własnym ciężarem oraz pod wpływem dowolnej siły docisku. Ma to znaczenie, ponieważ usuwanie wykańczania wymaga kontaktu, a kontakt z takim smukłym wałem zmienia geometrię, jaką uzyskano w procesie szlifowania. Podparcie wału w więcej niż dwóch punktach oraz stosowanie narzędzi z kontrolowaną siłą – a nie wyłącznie z kontrolą położenia – zapewnia zachowanie pierwotnego profilu.

Profil stanowi odniesienie

Na bloku powierzchnia obok wypraski zwykle stanowi ogólną powierzchnię odlewu z dużymi tolerancjami. Na wałku rozrządu powierzchnią obok wypraski jest kula, a właśnie kula decyduje o istnieniu tego elementu. Każdą metodę usuwania wyprasek należy oceniać pod kątem jej zdolności do usuwania materiału z krawędzi bez modyfikowania sąsiedniej powierzchni.

2. Rzeczywiste położenie wyprasek

Wypraski na wałku rozrządu skupiają się w niewielkiej liczbie miejsc, a każde z nich wymaga innego sposobu obróbki.

Przecięcia otworów olejowych

Każdy wiertiony otwór olejowy wyprowadzany jest do łożyska lub do bocznej powierzchni kuli, a krawędź wyprowadzenia posiada wypraskę po wewnętrznej stronie otworu. Jest to najbardziej szkodliwa wypraska na elemencie, ponieważ odłamuje się i dostaje się do przepływu oleju, docierając do powierzchni łożyskowej. Jest ona również najtrudniejsza w dostępie, ponieważ znajduje się wewnątrz otworu o średnicy zaledwie kilku milimetrów.

Krawędzie kul i wpusty

Krawędzie boczne szlifowanej kuli mają drobny zgrzeb po szlifowaniu, a wpust lub wpustowa powierzchnia zębnicy mają grubszy zgrzeb po frezowaniu. Drobny zgrzeb można usunąć szczotką; grubszy wymaga użycia narzędzia, które musi zbliżyć się do krawędzi z kierunku niekontaktującego się z powierzchnią boczną.

3. Usuwanie wykańczania bez dotykania profilu

Metoda ta musi usuwać materiał z krawędzi, pozostawiając sąsiednią powierzchnię nietkniętą; na wałku rozrządu te dwie powierzchnie oddzielone są od siebie o milimetry.

Sterowanie siłą zamiast sterowanie położeniem

Robot naprowadzany do określonego położenia wcisnąłby szczotkę w wałek rozrządu z siłą zależną od błędu położenia. Robot ze sterowaniem siłą śledzi krawędź z zadaną siłą kontaktu, dzięki czemu szczotka pozostaje na wykańczaniu niezależnie od rzeczywistego położenia przetworzonej powierzchni. W przypadku cienkiego elementu różnica ta decyduje o tym, czy wałek rozrządu zostanie poprawnie oczyśćony z wykańczania, czy też trzeba go będzie odrzucić.

Mokre usuwanie wykańczania w tej samej komórce

Usuwanie wykańczania wewnątrz komórki czyszczącej przy zanurzeniu operacji w cieczy zapobiega rozpraszaniu drobnych odłamków do powietrza – zamiast tego są one chwycone przez ciecz. W przypadku wałka rozrządu ma to większe znaczenie niż w przypadku bloku silnika, ponieważ odłamki są bardzo drobne, a otwory olejowe znajdują się blisko miejsca, w którym pracuje szczotka.

4. Czyszczenie otworów olejowych

Otwór olejowy na wałku rozrządu jest mały, często nachylony i wyprowadzony na powierzchnię, która musi pozostać czysta. Zewnętrzne natryskiwanie wałka zwilża go, ale nie przepłukuje otworów.

Przepłukiwanie przez otwór

Skutecznym podejściem jest dostarczenie cieczy do otworu w taki sposób, aby wypływała ona przez jego wyjście, unosząc przy tym fragment grzbietu. Wymaga to dyszy uszczelniającej wejście lub sondy wchodzącej do niego oraz odpowiednio wysokiego ciśnienia, by przesunąć fragment wzdłuż ścianki małego otworu.

Dlaczego kolejność ma znaczenie

Przepłukiwanie przed usuwaniem grzbietów jest marnowaniem wysiłku, ponieważ grzbiety powstają właśnie podczas usuwania. Przepłukiwanie po usunięciu grzbietów, ale przed płukaniem, pozostawia fragmenty w otworze olejowym aż do momentu, gdy płukanie je rozcieńczy. Skuteczna kolejność działań to: usunięcie grzbietów → przepłukanie → płukanie → suszenie; przy czym ciecz do przepłukiwania musi być oddzielnie filtrowana, aby nie przenosiła zanieczyszczeń z poprzedniej części.

5. Cykl dwuczęściowy trwający 66 sekund

Komórka przetwarza dwa wałki rozrządu w jednym cyklu trwającym 66 sekund, utrzymując masę detalu na poziomie 3 mg lub niższym. Przetwarzanie dwóch detali w jednym cyklu nie wynika przypadkowo z rozmiaru maszyny: zapewnia ono równowagę między czasem usuwania wyprasek a czasem czyszczenia, dzięki czemu żadna z tych faz nie musi czekać na drugą.

Dlaczego metoda parowania sprawdza się przy smukłych detalach

Wałek rozrządu zajmuje niewielką objętość względem swojej długości, więc komora zaprojektowana na jeden taki detal jest w większości pusta. Umieszczenie w niej dwóch wałków rozrządu – podpartych na końcach i oddzielonych od siebie – wykorzystuje tę objętość bez konieczności zwiększania rozmiarów komory, co poprawia wydajność na jednostkę objętości obudowy, a nie na jednostkę zużytej energii.

Co determinuje czas 66 sekund

Czas cyklu określony jest ruchem narzędzia do usuwania wyprasek, a nie procesem mycia. Program sterujący szczotką, która przesuwa się po kilku kielichach oraz kilku otworach olejowych na dwóch wałkach rozrządu, jest długi; etapy mycia są krótsze niż etap usuwania wyprasek. To właśnie takie rozłożenie czasu powoduje, że komórka do wałków rozrządu wygląda inaczej niż komórka do korpusów, gdzie dominuje proces mycia.

6. Weryfikacja

Weryfikacja wałka rozrządowego składa się z dwóch elementów, które często są mylone: usuwanie wyprasek (burr) i czystość. Część może nie mieć wyprasek, ale nie spełniać limitu masy, ponieważ odłamki powstałe w trakcie usuwania wyprasek pozostają wewnątrz otworów olejowych. Część może spełniać limit masy, ale nadal posiadać wypraskę, która w przyszłości się oderwie.

Praktyczna weryfikacja polega na wizualnym sprawdzeniu określonych krawędzi przy użyciu powiększenia oraz pomiarze wnętrza otworów olejowych potwierdzającym przejście przez nie strumienia (flush). Sprawdzanie wyłącznie zewnętrznej powierzchni wałka dotyczy obszarów, których klient nigdy nie zobaczy. Na wałku rozrządowym oba te badania przeprowadza się również w różnych momentach: sprawdzenie krawędzi można wykonać na pierwszej części partii, natomiast test przejścia strumienia (flush) wykonuje się na próbkach pobranych ze środka i końca partii, ponieważ szczotka zużywa się w trakcie obróbki partii, co wpływa na to, co dociera do otworów.

Najczęściej zadawane pytania

Czy wałki rozrządowe można usuwać wypraski w tej samej maszynie co bloki?

Rzadko w tym samym cyklu. Komórka blokowa wykorzystuje wysokie ciśnienie i duży przepływ na masywnym elemencie, podczas gdy wałek rozrządu wymaga narzędzi sterowanych siłą na smukłym elemencie. Mogą one współdzielić budynek i filozofię filtracji, ale nie komorę.

W jaki sposób kula jest chroniona przed szczotką?

Poprzez kontrolę siły kontaktu zamiast położenia oraz poprzez dobór szczotki o wystarczająco niskiej sztywności, aby nie pozostawiła śladów na powierzchni szlifowanej przy tej sile. Te dwa ustawienia dobiera się łącznie.

Czy 3 mg jest realistyczne dla części o takiej długości?

Jest to realistyczne, gdy otwory olejowe są przemywane, a nie natryskiwane, oraz gdy obwód płuczący jest utrzymywany osobno. Większość awarii wałków rozrządu wynika z otworów, a nie z powierzchni zewnętrznej.

Co ogranicza czas cyklu?

Program usuwania wykańczania. Przesuwanie sterowanego narzędzia po kilku kulach i kilku wyjściach otworów trwa dłużej niż mycie tej samej części, co stanowi odmienność w stosunku do linii obudów.

Wniosek

Walec rozrządu jest oswajany na powierzchni wykończonej, a nie na szorstkiej, i to właśnie ogranicza tę metodę. Sterowanie siłą narzędzi, obróbka mokra oraz przepłukiwanie każdego otworu olejowego to trzy decyzje umożliwiające skuteczne działanie komórki zintegrowanej.

W specyfikacji należy określić krawędzie do oswajania, otwory olejowe do przepłukiwania, limit czystości oraz jednostkę cyklu. Komórkę do wałków rozrządu podaną jako dwie sztuki na cykl przy czasie 66 sekund można porównywać tylko wtedy, gdy druga wartość jest podana razem z nią. Tak samo jest z komórką podaną jako trzy miligramy, ponieważ obszar, do którego ta wartość się odnosi, jest tak samo ważny jak sama wartość. Wynik pomiaru wykonany na zewnętrznej powierzchni wałka opisuje inny element niż wynik uzyskany wewnątrz otworów olejowych.