Kiểm tra đường kính lỗ nắp xy-lanh: ghế van, khoang dẫn dầu và vấn đề độ phân giải 0,01 mm

Tổng Quan

Mỗi ngày, nắp xy-lanh đều được kiểm tra từ bên ngoài nhưng vẫn thất bại từ bên trong. Các bề mặt quyết định việc động cơ vận hành sạch sẽ lại là những bề mặt không ai nhìn thấy: lỗ ghế van, lỗ dẫn hướng, các lỗ khoan khoang dẫn dầu và vùng chuyển tiếp nơi khoan ngang cắt vào khoang dẫn dầu chính.

Big Bird Industrial (trước đây là Shimada Big Bird Industrial) đã chế tạo các hệ thống làm sạch và kiểm tra đầu xi-lanh từ đầu những năm 2000, và bài học lặp đi lặp lại ở mọi dự án đều giống nhau: nếu không kiểm tra lòng xi-lanh, thì quy trình làm sạch sẽ thiếu phản hồi. Bài viết này đề cập đến những yếu tố cần kiểm tra bên trong đầu xi-lanh, lý do vì sao ống soi nội soi không thể đáp ứng khối lượng sản xuất, cấu hình quang học nào phù hợp với từng loại lòng xi-lanh, và cách thiết lập tiêu chí chấp nhận có ý nghĩa thực tiễn.

1. Những yếu tố cần kiểm tra bên trong đầu xi-lanh

Phạm vi kiểm tra bên trong hẹp hơn chi tiết và khó thực hiện hơn so với kiểm tra bề mặt ngoài. Bốn đặc điểm mang phần lớn rủi ro.

Các lỗ khoan cho ghế van và phần cổ họng bên dưới chúng tích tụ phoi và hợp chất mài trong quá trình gia công ghế van. Một mảnh phoi bị ép dính vào mặt ghế sẽ gây rò rỉ nén, chỉ xuất hiện khi kiểm tra ở nhiệt độ cao. Các lỗ khoan dẫn hướng có độ sâu lớn, kích thước nhỏ và thường được kiểm tra bằng cảm giác thay vì đo đạc. Các lỗ khoan kênh dầu vận chuyển phoi từ quá trình gia công và từ công đoạn vát mép; một lỗ khoan bị tắc duy nhất sẽ làm thiếu dầu bôi trơn cho bạc lót trục cam. Các điểm giao nhau của lỗ khoan ngang là trường hợp nghiêm trọng nhất: ba via hình thành trên thành xa nơi không có dụng cụ nào tiếp cận được, và hình dạng không gian che khuất chúng khỏi mọi góc nhìn thẳng.

Bốn đặc điểm này có đường kính khác nhau, độ sâu khác nhau và mức độ ưu tiên phát hiện khuyết tật cũng khác nhau, do đó một camera duy nhất gắn trên một cần gắp hiếm khi đủ khả năng kiểm tra toàn bộ đầu xy-lanh.

2. Vì sao nội soi không thể đáp ứng khối lượng sản xuất

Nội soi là một công cụ kỹ thuật xuất sắc nhưng lại là một thiết bị sản xuất kém hiệu quả. Có ba lý do.

Thứ nhất là phạm vi kiểm tra. Người vận hành quyết định nơi cần quan sát. Hai người vận hành sử dụng cùng một đầu dò sẽ không kiểm tra cùng một tập bề mặt, và cũng không ai trong số họ có thể chứng minh sau này những phần nào đã được kiểm tra.

Thứ hai là khả năng đánh giá. Một vết xước, một lỗ cát và một vệt dư lượng trông khá giống nhau trên màn hình nhỏ. Nếu thiếu mẫu tham chiếu và mắt được đào tạo bài bản, việc đưa ra kết luận mang tính chủ quan, và kết quả ghi nhận chỉ là một từ chứ không phải một hình ảnh.

Thứ ba là năng suất. Việc chèn thủ công, điều chỉnh tiêu cự và xoay đầu dò mất tới hàng chục giây cho mỗi lỗ khoan, trong khi một đầu dò lại có nhiều lỗ khoan. Do đó, lấy mẫu trở thành chiến lược duy nhất khả thi về mặt kinh tế, nhưng phương pháp lấy mẫu lại không thể phát hiện sự trôi lệch quy trình ảnh hưởng đến chỉ một đầu dò trong số năm mươi đầu dò.

3. Ba cấu hình quang học và phạm vi áp dụng của từng loại

Kiểm tra lỗ khoan trực tuyến là một nhóm các giải pháp quang học, chứ không phải một sản phẩm duy nhất. Việc lựa chọn phụ thuộc vào đường kính lỗ khoan, độ sâu lỗ khoan và kích thước khuyết tật cần phát hiện.

Tỷ lệ chiều sâu trên đường kính là thông số quyết định khả thi. Một đầu dò phải đạt tới độ sâu bằng đúng đường kính của nó sẽ khác biệt về thiết kế so với đầu dò phải đạt tới độ sâu gấp ba lần đường kính. Trên thực tế, chính tỷ lệ này—chứ không phải đường kính—mới là yếu tố giới hạn độ sâu tối đa có thể kiểm tra được trong một buồng chứa dầu.

Chiếu sáng quan trọng ngang bằng ống kính. Bề mặt thành lỗ khoan gia công có tính phản xạ gương; bề mặt thành buồng chứa dầu đúc lại có tính tán xạ. Loại thứ nhất đòi hỏi nguồn sáng điều khiển chính xác để tránh chói lóa; loại thứ hai cần đủ ánh sáng để làm nổi bật kết cấu bề mặt. Đầu dò laser rất phù hợp cho loại thứ nhất vì gần như miễn nhiễm với ánh sáng môi trường và nhiễu từ đèn LED—đây cũng là lý do đầu dò laser thường được dùng trong kiểm tra buồng chứa dầu, nơi phản xạ mạnh có thể che khuất khuyết tật.

4. Các nhóm khuyết tật và chi phí phát sinh do chúng ở các công đoạn sau

Những khuyết tật quan trọng bên trong đầu xi-lanh rất ít và cụ thể, và chúng không chia sẻ một con số chấp nhận chung vì hậu quả của chúng khác nhau. Việc coi chúng như một nhóm duy nhất là nguyên nhân phổ biến nhất khiến đặc tả kiểm tra trở nên quá nghiêm ngặt để thực hiện hoặc quá lỏng lẻo để phát hiện bất cứ điều gì.

Các mảnh vỡ và vật thể lạ

Phát hiện thường gặp nhất và dễ hiểu nhất. Một mảnh vỡ trên mặt ghế van gây rò rỉ nén chỉ xuất hiện khi thử nghiệm ở nhiệt độ cao; một mảnh vỡ trong khoang dẫn làm tắc dòng chảy và khiến bạc đạn bị thiếu dầu bôi trơn. Ngưỡng phát hiện thường là kích thước đường viền trong khoảng từ 0,25 đến 0,5 milimét, và vật liệu thường có cùng màu với thành bộ phận, do đó thiết kế chiếu sáng quan trọng hơn độ phóng đại.

Các ba via tại các điểm giao nhau của lỗ khoan ngang

Các gờ sắc (burrs) hình thành trên thành xa của một điểm giao cắt, nơi không có dụng cụ nào tiếp cận được và cũng không thể quan sát được bằng đường nhìn thẳng. Đây là một khuyết tật trong quá trình sản xuất chứ không phải do làm sạch, nên việc cải thiện bộ rửa (washer) sẽ không loại bỏ được chúng. Nếu quy trình loại bỏ gờ sắc (deburring) không được kiểm soát tốt, hệ thống kiểm tra sẽ chỉ báo cáo cùng một phát hiện trên mọi chi tiết cho đến khi quy trình phía thượng nguồn thay đổi.

Các vết xước và vết trượt trên thành lỗ khoan

Những vết này cho thấy hư hại do thao tác hoặc sự cố liên quan đến dụng cụ; mức độ nghiêm trọng của chúng phụ thuộc vào vị trí. Một vết xước cắt ngang bề mặt chịu tải (bearing surface) là một khuyết tật chức năng; cùng một vết xước đó trên thành kênh dẫn không chịu tải (non-functional gallery wall) có thể chỉ mang tính thẩm mỹ. Do đó, phân loại dựa trên vị trí (position-aware classification) quan trọng ngang bằng với khả năng phát hiện.

Các lỗ cát và độ xốp

Một vấn đề đúc được phơi bày qua gia công. Không có thay đổi nào về làm sạch hoặc vát mép có thể khắc phục được, và quyết định loại bỏ phế phẩm phụ thuộc vào độ dày thành và việc khuyết tật có cắt ngang đường dẫn áp suất hoặc dầu hay không. Việc báo cáo những trường hợp này riêng biệt so với mảnh vụn rời giúp cuộc trao đổi với xưởng đúc bắt đầu từ dữ liệu thay vì từ mẫu vật.

Đây là lập luận nhằm phân loại khuyết tật thay vì chỉ phát hiện chúng. Một hệ thống báo cáo riêng biệt các khuyết tật như vật thể lạ, ba via, vết xước, vết lõm và rỗ khí sẽ cung cấp cho kỹ sư quy trình một cơ sở để hành động. Trong khi đó, một hệ thống chỉ báo đạt hoặc không đạt sẽ chỉ đưa ra tỷ lệ loại bỏ và một cuộc tranh luận.

5. Kiểm tra chỉ hiệu quả khi quá trình làm sạch được kiểm soát

Việc kiểm tra lỗ khoan phát hiện những gì quy trình làm sạch để lại phía sau, do đó hai quy trình này phải được thiết kế đồng bộ. Một đầu xi-lanh được làm sạch đến giới hạn cặn còn lại chỉ vài miligam rồi tiến hành kiểm tra sẽ cho thấy mẫu khuyết tật ổn định. Ngược lại, một đầu xi-lanh được làm sạch mà không chú ý đến các đường dẫn dầu sẽ xuất hiện hàng loạt phát hiện bất thường trong lần kiểm tra đầu tiên, sau đó lại trông có vẻ đạt yêu cầu, bởi vì các đường dẫn này đã xả toàn bộ mảnh vụn vào bể.

Phía làm sạch của cùng vấn đề này đã được hiểu rõ: làm sạch bằng cách bịt kín các lỗ nút buộc dòng chảy đi xuyên qua các đường dẫn thay vì đi vòng quanh chúng, và làm sạch có áp suất cao tập trung vào sẽ tiếp cận được thành xa của lỗ khoan ngang. Khi quy trình làm sạch và kiểm tra nằm trên cùng một dây chuyền, kết quả kiểm tra trở thành hồ sơ ghi chép cho quy trình làm sạch, và sự sai lệch về lượng cặn sẽ thể hiện dưới dạng thay đổi trong số lượng phát hiện chứ không phải dưới dạng khiếu nại từ khách hàng.

6. Thiết lập các tiêu chí chấp nhận

Một đặc tả kiểm tra đầu xy-lanh phải trả lời bốn câu hỏi: kiểm tra cái gì, với độ phân giải nào, tỷ lệ bỏ sót là bao nhiêu và trong thời gian bao lâu. Thiếu bất kỳ yếu tố nào trong số này thì hệ thống không thể được chấp nhận hay loại bỏ một cách khách quan.

Mục tiêu độ phân giải thực tế cho tường gallery là đường viền khuyết tật trong khoảng từ 0,25 đến 0,5 milimét, với độ phân giải quang học tinh vi hơn một bậc độ lớn để việc phân loại có dữ liệu đủ tin cậy. Tỷ lệ bỏ sót dưới một phần mười phần trăm có thể đạt được trên một tập hợp khuyết tật đã xác định, nhưng tập hợp này phải được thống nhất trước khi tiến hành kiểm tra nghiệm thu, chứ không phải sau đó.

Các câu hỏi thường gặp

Một đầu dò duy nhất có thể kiểm tra cả hai bề mặt van và các kênh dẫn dầu không?

Hiếm khi. Lỗ khoan bề mặt van ngắn và rộng, trong khi các kênh dẫn dầu dài và hẹp; tỷ lệ chiều sâu trên đường kính yêu cầu cũng khác nhau. Phần lớn các đầu máy được phục vụ bởi hai cấu hình trên cùng một nền tảng, với việc thay đổi công cụ giữa hai cấu hình đó.

Liệu chụp X-quang hoặc chụp CT có thể thay thế được không?

Chúng trả lời những câu hỏi khác nhau. CT phát hiện độ xốp và các lỗ rỗng bên trong vật liệu; còn kiểm tra quang học bên trong lỗ khoan lại phát hiện điều kiện bề mặt và các mảnh vụn lỏng lẻo bên trong các đường dẫn. Đối với rủi ro lắp ráp, góc nhìn bề mặt thường là góc nhìn trực tiếp.

Hệ thống xử lý trường hợp khoang chứa bị tắc như thế nào?

Một khoang chứa bị tắc không có tường chắn nào nhìn thấy được để kiểm tra, do đó thường được phát hiện bằng thử nghiệm lưu lượng hoặc áp suất thay vì bằng quang học. Việc kết hợp kiểm tra lưu lượng với kiểm tra quang học giúp bao quát cả hai trường hợp: tắc nghẽn và tồn dư.

Các hình ảnh sẽ được xử lý như thế nào?

Chúng được lưu trữ kèm theo số sê-ri của chi tiết để người dùng có thể xem lại phát hiện sau này. Đó chính là sự khác biệt thực tiễn giữa hệ thống thị giác tích hợp (inline vision) và ống soi nội soi (borescope): bằng chứng vẫn còn tồn tại sau khi ca làm việc kết thúc.

Kết luận

Chất lượng nắp xy-lanh được xác định tại những vị trí khó quan sát nhất. Các khoang lắp ghế van, khoang lắp bạc dẫn hướng và các khoang dẫn dầu chứa các mảnh vụn gây rò rỉ áp suất nén, thiếu dầu bôi trơn và mài mòn bạc lót trục cam — đồng thời đây cũng chính là những bề mặt mà kiểm tra thủ công thực hiện kém đáng tin cậy nhất.

Trình tự thực tế là xác định các lỗ khoan, chọn các bộ phận quang học có thể tiếp cận được các lỗ đó, thống nhất tập hợp các khuyết tật và tỷ lệ bỏ sót trước khi lắp đặt, đồng thời bố trí hệ thống ở vị trí phía hạ lưu của quy trình làm sạch – bản thân quy trình này cũng phải được kiểm soát. Khi thực hiện theo đúng trình tự đó, việc kiểm tra lỗ khoan sẽ không còn là một cổng kiểm soát chất lượng mà trở thành phản hồi về quy trình.