Water jackets cleaning

One of the more difficult areas to clean in the cylinder heads and cylinder blocks of the automobile engines is the water jackets,Why?

1) The internal volumes of the water jackets are complex and very often with narrow passages. By one side the cylinder head designers wants to have a minimum water jacket volume in order that the engine can rise in temperature rapidly to have the optimum engine performance. By other side is important to refrigerate all the areas of the cylinder head , mainly around the combustion chambers , but the number of valves per cylinder create narrow passages inside the water jackets.

2) On the machining of the aluminium alloys the cutting speed are more and more elevate and create longs chips . The cycles times on the machines are more and more shorts and there is not too much time to break the chips.On the transfer lines it was easier to do than in the present CNC flexible lines.

3)As consequence of the cutting speeds and short cycle times the chips are very often pushed inside the water jackets by the final milling tools.

4) The consequence of long spring chips inside small pockets and narrow passages  is chips trapped inside the water jackets.

The cylinder head is more sensitive to this problem but some cylinder block too. Here joint you can see what you can find inside a cylinder head water jacket:

       There is a clear test : If we cut a supposed clean cylinder head in slices it will allows us to see if there are some chips trapped inside the water jacket. I’ll say that the majority of clean cylinder heads have chips inside.

Is dangerous for the engine run? Well, first you have to assembly your engine (cylinder head , cylinder block , camshafts, crankshaft..). During the automatic assemply this remaining chips can fall down of the parts and goes to the assembly machine or between the parts to be assembled blocking the operation and stopping the machine and the line.

Second if you assembly your engine with no problem but the chip remain inside , is possible than during the engine run with the vibrations and , temperature changes , the chips goes out of the water chamber and arrives to the water pump causing the failure of the water pump , heating the engine and stopping the car engine.

Another added problem is the remaining sand balls remaining inside the water jackets coming from the cast process:

 

 

 

Since many years this water jacket problem has been the major nightmare for the equipment suppliers and for the automotive industry .

The process to remove the remaining sand inside the water jackets  is called “desandind” and will be considered in a further post . today we will concentrate only in the chips removal :

Some suppliers were using a contact jet at 20/30 bars to flush inside the water jackets( ICOM, Hafroy). Or” injection flood” ( Dürr) injecting 10/15 bars jet against the waster jacket on immersion of the part . Or the “Aqua cannon”(Valiant) with a medium pressure short discharge inside the part pulsing the water inside. 

Or the High pressure ( 200 bars) target injection trough the part openings (Agullo).

Or a mixture of systems like Sugino .

In any case the problem is a difficult problem and needs test with real parts to achieve an acceptable process. Of course the automobile client is also an important part. If the cleanliness test to control the cleanliness of the cylinder head is a manual flushing of a solvent trough the part( and water jacket ) is probably than the flushing (normally at 1 to 3 bars) will not be able to remove the blocked chips inside the water jackets and the test can give a result of accepted clean part when it has trapped chips inside the water jackets.

Some cleanliness tests in the automobile have added operations to the cleanliness test procedure to verify these water jackets. One is the manual hammer percussion by the operator of the cylinder head in a certain position in order to detach the chips balls inside . I remember than years ago in an european engine manufacturer the company Hafroy supplied one transfer machine that had a pneumatic hammer in one of the Ferris wheel wash stations to reproduce the operator cleanliness test operation and try to remove this balls. I remember that the line operators call the machine the “Bell” ( a “dong” each 30 secs was not appreciated by the operators around the line).

Another system is the manual checking of the water jackets with a small  endoscope . This system is of course the more efficient but some times you can not reach all the internal areas. Only cutting the cylinder head you can really check it.

To reduce the chips and traps inside the water jackets is necessary a close work between the cylinder head designers ,cylinder head  machining engineers and the “cleaning” engineers to avoid narrow passages inside the water jackets design , to avoid big and spring chips during the machining, to have high coolant volume during the machining , or cover plates during machining . If you diminish the size of the chips , if you avoid the spring chips , if you avoid narrow passages and traps inside the water jacket , if you have more than one opening of the cylinder head water chambers you will have more opportunities to remove the inside trapped chips.

Maybe one of the Automobile manufacturers that pay more attention to the water jackets has been Fiat . In their wash process specification the request several water jacket wash operations in each of the washers of the cylinder head line. More water jacket wash operation you have with the part in different positions and injecting the water by different areas to create different flows inside the water jackets allows them to have more opportunities to remove the chips. Of course this redundant system is expensive and the present tendency in the Automotive industry is to reduce the number of washers in the lines.

In any case the miracles are impossible and if you really check inside your cylinder head water jackets(or cylinder block water jackets) you have to pay attention to the whole manufacturing process including the more effective wash processes to remove the trapped chips and to have a really clean part.

 

A good system is to collect and classify all the chips shape produced in the machining line , operation by operation .  

And then looking to the chip type remaining inside the W.J. you can identify in which machining operation the chip is produced and penetrates in the W.J. Working with the machining process engineers it comes very often the possibility to reduce the size of the chip or to eliminate the quantity remaining in the parts

 

The automobile cleanliness tests procedures are also an interesting point to be examined in a further post. They are the reason why some time one washing machines that is a good machine for an automotive manufacturer but fails in another manufacturer.

Cylinderhead Brush deburring(1)

Many components of the automobile engine are in aluminium .When the aluminium parts are machined it remain on the edges small parts of material that we call burrs.

These burrs have to be removed to avoid problems during the part assembly or for the good mechanical function of the part.

The action to remove these burrs is known as “deburring”. According with the areas where are located these burrs there are several ways to removed it in high production processes: by brush deburring , by abrasive blast , by high water jets, electrolytic, walnut shell, thermal deburring, paste deburring, vibratory bowl abrasive deburring…

The most used in the automotive  industrie for the cylinder heads are the brush deburring and the high pressure water deburring.

There are a lot of suppliers for the deburring equipments but to have a cost productive process the best solution is to include the deburring process on the wash process. Why? . Because the parts after machining or after deburing have to be washed as well and because the brush deburring with aluminum parts has to be made in wet conditions .

The brush deburring and the high pressure deburring have been the two technologies better integrated in the wash lines.

The first integrator of brush deburring in the wash lines was the company AGULLO in the late 70’s. The first machines were supplied to RENAULT in France for the deburring of aluminium cylinder heads at high production (300 p/h). The cylinder head combustion , cam and manifold faces were deburred with automatic brush deburring units located at the entrance of an in line lift and carry transfer washing machine.

The brush deburring units to increase their deburring efficiency have evolved to planetary brushes where several brushes rotated on their shaft at the same time that theirs shafts rotated around the main shaft. These planetary heads have been for many years a reference on the brush deburring having a combined action to remove the burrs of the edges.

In a cylinder head machining line there are normally three wash operations : Primary,intermediate and final . The deburring operations are incorporated generally on the intermediate and the final washers.

 In the  intermediate washer there is the brush deburring of the cylinder head camsahft face , and the complete wash of the cylinder head before the bearing cap assembly .

On the final washer the machine  incorporates the deburring of the remaining faces ( combustion , manifolds, and extremities faces) . According with the production rate and the number of faces to be debured  the final washers became big machines (till  13 mts. long) and the PLC softwares complex. For these reason it was a tendency in late 80’s to separate this last brush deburring operation of the final wash operation in two machines: one machine for deburring with brushes and one for high pressure final wash-deburr.

The cylinder heads had more and more areas to deburr and the final cylinder head deburring became a self transfer complete machine.

 

Late 80’s the high pressure water deburring was also applied in high production cylinder heads . The first high production machine in Europe was supplied by AGULLO in Ford UK with 600 HP power and four high pressure pumps.

The high pressure water deburring can deburr faces but also has the advantage to allow to deburr oil galleries intersections and in the final washers the high pressure wash become also a standard to allow high cleanliness levels . In consequence the high pressure deburr is used in the final washers as a complement of the final wash operation.Having then the high pressure pack on the final washer why not to use the HP water for a complete deburring of the cylinder head? 

Of course this could be an option but the operational cost of a high pressure deburring operation is 2 to 3 times more expensive that for the brush deburring . In consequence anything that can be effectively brush deburred is better to do it with brushes than with high pressure water.

In the present the aluminum cylinderheads or the aluminium cylinder block flat faces are preferably deburred with brushes keeping the high pressure water for the oil galleries intersections , or other small deburring operations (oil galleries , bearing cap intersections, oil feed…)

 For a new part project ( i.e. cylinderhead) is possible to identify areas where the burrs will be present after machining and that have to be removed. But you can not identify 100% of the areas .Some times due to machined areas intersections with cast areas the burrs are present but not  in an predefined position .For this reason is useful on the cylinder head final washers to have a high pressure water jet programable with CNC or robotic  and a reserve of several seconds on the cycle time to can solve these unexpected burrs .

The brush deburring for flat surfaces is the more cost efficient solution compared with the high pressure water , but the high pressure water can reach areas where the brushes can’t.

Now in the market there are several companies proposing the planetary brush deburring heads .

The recommended brushes are the cups with stainless steel wire , but for certain aluminium the abrasive wire is also wellcome.

In  next post we will explain how to manage the brush wire wear compensation.

De-sanding /Lavado de bloques y culatas(o cabezas) de motor de automóvil después de la fundición y pre-mecanizados( cubing o Hypercubing)2/2

(Edición en español)(English versión will be edited later) .

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 Continuo con el examen de los puntos problemáticos indicados en mi anterior Post.

 

3) Acumulación de contaminación en el fondo de la cuba. 

Se produce por el propio efecto que se busca, es decir la eliminación de la contaminación de las piezas, la cual queda depositada en el fondo de la cuba de lavado por ultrasonidos.

La contaminación como la energía, es proporcional a la producción y las dificultades para eliminarla es considerable.

Además hay que tener en cuenta que cuanta más contaminación hay en el baño, mas energía se necesita para el lavado de las piezas ya que parte de la misma se deriva para el “lavado” de la contaminación depositada en la cuba.

Hay también diversos métodos para eliminar la contaminación del fondo de la cuba, pero ninguno de ellos da una satisfacción completa.

La utilización de transportadores dragantes, aumenta la masa a poner en vibración y al mismo tiempo el paso de las palas de la draga provoca distorsiones en las ondas ultrasónicas, lo que crea frecuencias audibles que aparte  de ser muy molestas, pueden fácilmente aumentar el nivel de ruido permitido en el edificio donde se ubica la máquina, creando en consecuencia la necesidad de insonorizar abundantemente la máquina.

El utilizar una bomba para la filtración en derivación del baño, crea además de los problemas expuestos anteriormente para la bomba de refrigeración, la dificultad de que no se puede garantizar la filtración de la totalidad del líquido con lo que siempre queda una contaminación residual en suspensión en el baño, que en determinadas circunstancias puede contaminar una pieza considerada limpia.

Cuando la pieza salga del baño puede volver a ser contaminada con la suciedad en suspensión en el baño.

La filtración no es un filtración en línea sino sólo una filtración en paralelo o derivación.

 

4) Generación de ondas de frecuencia audible.

Debido a que los ultrasonidos utilizan frecuencias próximas al umbral audible, los armónicos de estas frecuencias entran el campo de frecuencias audibles, siendo este fenómeno más acusado a medida que se aumenta la potencia del generador de ultrasonidos.

Este fenómeno que es sobradamente conocido por los especialistas, obliga a insonorizar los equipos con las consiguientes consecuencias de dificultad en la accesibilidad a los equipos.

Si debido a la masa y cantidad de piezas a lavar, la instalación necesita de una alta potencia de ultrasonidos, necesita en consecuencia una insonorización muy completa, con el consiguiente coste de inversión y superficie utilizada.

Hay que construir una “caja insonorizante “ completa alrededor de la maquina.

 5) Fiabilidad de los sistemas de transporte continuo

Las maquinas de lavado de pequeñas piezas trabajan habitualmente con las piezas en cestas y lo que se manipulan son cestas .Para pequeñas producciones se pueden utilizar entonces manipuladores, “gantry” o rodillos  para automatizar las cargas y descargas. pero para altas producciones los sistemas mas utilizados son los de cadena “pater noster” que trasladan y sumergen las piezas en las cubas en continuo . Estos transportadores tienen problemas ya que son de elevada longitud , no son precisos y se estiran con el tiempo 

 

6) Fiabilidad de los sistemas de carga/descarga para producción elevada 

Para las producciónes habituales de unas 100 piezas / hora es necesario cargar como mínimo 2 piezas en cada carga para tener un mínimo mayor a 1 minuto de tratamiento . Como el sistema de transporte no es preciso y la pieza no está totalmente mecanizada, el método de carga y descarga debe ser empujando las piezas en la carga y extrayéndolas en la descarga, guiándolas lateralmente. Este sistema tiene forzosamente juegos mecánicos para que pueda funcionar y ello produce inevitablemente atascos y averías. 

7) Alta energía instalada.

Es evidente que una instalación para el desarenado de piezas de motor a una cadencia de 100 piezas por hora o más necesita una gran cantidad de energía  en una maquina de ultrasonidos teniendo en cuenta la necesidad de potencia para los ultrasonidos , la calefacción necesaria , las bombas de filtración , transportadores y eventual refrigeración de los baños . que aplicada de otra manera, por ejemplo con agua a alta presión, produce los mismos o mejores resultados sin tener que soportar los inconvenientes mencionados anteriormente. 

 

8) Imposibilidad de control automático de la eficiencia de los transductores de ultrasonidos.

Las ondas de ultrasonidos en los baños  de lavado son creadas por unos “Generadores de Ultrasonidos “ o unidades de potencia situadas en el armario eléctrico de la máquina o en un armario aparte , que generan unas ondas eléctricas convertidas en ondas ultrasonoras por unas placas que se sumergen en el baño de lavado . Estas placas se llaman “Transductores” y pueden ser planos o tubulares en función de la potencia a transmitir .

Los transductores sumergidos en el liquido generan las ondas ultrasónicas que van a alcanzar las piezas que se introduzcan en los baños.

Sin embargo para el control del proceso es fácil el controlar eléctricamente que el generador funcione pero no es tan fácil controlar que el transductor en la cuba genere las ondas a pleno rendimiento . Estos transductores pierden eficacia con el tiempo y es necesario el cambiarlos periódicamente .

Para controlar su eficiencia durante los últimos 50 años se ha intentado encontrar algún sistema que permitiera el control en automático de su eficacia del mismo modo que por ejemplo se controla la presión  de una bomba con un manómetro .

Sin embargo hasta ahora no parece que haya sido posible encontrarlo y el único método fiable sigue siendo el de sumergir en el baño una fina hoja de papel metálico que debido al efecto de las ondas de ultrasonidos se produce una cavitación en la superficie de la hoja y la misma se micro perfora .

Comparando el numero de perforaciones en la hoja de metal con un  transductor nuevo con el numero de perforaciones obtenidas en una hoja similar pero con el transductor que queremos controlar podemos evaluar su estado .

Como se entiende este sistema para máquinas de gran producción es muy engorroso y poco práctico. Por ello se considera uno de los problemas típicos de mantenimiento  de estas maquinas al no poderse controlar en automático.

 

CONCLUSIONES

Por todas estas razones consideramos que si bien el sistema de lavado con ultrasonidos es un sistema que funciona bien tanto con agua como con solventes o hidrocarburos para pequeñas piezas o pequeñas producciones es una técnica que en la aplicación de desarenado y alta producción necesita de un gran mantenimiento , superficie ocupada ,potencia instalada y bajo rendimiento ,con una dificultad grave de no poder controlar la calidad del proceso de un modo automático y por lo tanto desaconseja su utilización en el desarenado a alta producción .

 

 

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Edicion en español ( English edition will be edit later)

 

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Recibo la consulta de un manufacturero de culatas y bloques motor en fundición de aluminio que desea limpiar las piezas de las virutas del mecanizado y de la arena procedente de la fundición.

Tiene dudas sobre la utilización de ultrasonidos en vez de la aspersión y alta presión para el lavado de estas piezas.  

Como este tema, es un tema que resurge repetitivamente en el tiempo entre la Industria de la Fundición de Aluminio he decidido publicar mi parecer en el Blog. Este estudio constará de varias partes que irán saliendo en días sucesivos.

 Voy a intentar ayudar en sus decisiones:

 El lavado de piezas metálicas por ultrasonidos, es un método utilizado industrialmente desde hace unos 50 años y que da buenos resultados especialmente en piezas pequeñas y con cantidades de contaminación reducidas comparadas con el peso de la pieza, asimismo los sistemas están concebidos para tiempos de ciclo de varios minutos. 

En lo que respecta al lavado de piezas de grandes dimensiones y masa tal como es el caso de culatas(cabezas) o bloques de motor, las dificultades aparecen como consecuencia de la industrialización del proceso, es decir el tratar altas producciones del orden de 80 piezas / hora o superiores y con cantidades de contaminación horaria elevadas.

  

Las Instalaciones de Ultrasonidos en estas aplicaciones según mi parecer presentan varios problemas  

 

 

Ø       Calentamiento progresivo del baño de ultrasonidos.

Ø       Necesidad de rotar las piezas en inmersión en la cuba.

Ø       Acumulación de contaminación en el fondo de la cuba

Ø       Generación de ondas de frecuencia audible

Ø       Fiabilidad de los sistemas de transporte continuo.

Ø       Fiabilidad de los sistemas de carga/descarga para producción elevada.

Ø       Alta energía instalada.

Ø       Imposibilidad de control automático de la eficiencia de los transductores

 

Veamos uno a uno estos problemas: 

1) Calentamiento progresivo del baño.

Para el funcionamiento de la limpieza con  ultrasonidos es necesario que el baño de lavado esté caliente y por lo tanto es necesario calentar el baño hasta una temperatura determinada a partir de la cual se tiene el efecto limpiador de la  cavitación.

Sin embargo esta temperatura tiende a aumentar con el funcionamiento de la máquina.

Esto se produce debido a que la energía necesaria para generar los ultrasonidos que hacen entrar en vibración la pieza a lavar se transforma en calor (ley de Joule) y teniendo en cuenta que la energía es proporcional a la masa de las piezas y a la producción, cuanta más masa o producción se tenga más energía se necesitará y más calor se generará en el baño.

Las piezas que se lavan absorben una parte de este calentamiento calentándose ellas mismas pero si la producción es elevada no es suficiente y los baños tienden a aumentar de temperatura.

Evidentemente hay soluciones diversas para resolver este problema pero todas tienen sus inconvenientes.

Si se aumenta el volumen del baño, para tener la misma intensidad de energía ultrasónica (Watios/litro) como hay más liquido, hay más volumen y masa, y por lo tanto es necesario aumentar la potencia de ultrasonidos con lo que el problema subsiste.

Si se instala un intercambiador de calor en el baño, aparte de aumentar la masa del mismo, el intercambiador sufre las consecuencias de los ultrasonidos con lo que su vida es corta.

La solución más simple es la de bombear el líquido a un intercambiador exterior a la cuba, pero con objeto de no distorsionar las ondas ultrasónicas, la bomba de trasvase solo puede funcionar durante el tiempo de transferencia de las piezas, con lo cual hay que hacerlo cíclicamente, perdiendo eficacia. 

 

2) Necesidad de rotar las piezas en inmersión. 

Los ultrasonidos deben tener la energía suficiente para que la energía vibrante llegue al interior de las cámaras de las piezas (cámara de agua y conductos de aceite). Por otra parte es necesario que la suciedad desprendida de las paredes de la pieza sea conducida al exterior de las cámaras y otras cavidades de la pieza, para ello es necesario una rotación de la pieza durante la inmersión en la cuba.

Frecuentemente para extraer esta suciedad desprendida por los ultrasonidos, hacia el exterior de las piezas se utilizan una o dos fases suplementarias en cubas separadas que se pueden llamar enjuagues ( “rinse “ ) y cuya función es con una corriente de liquido en forma de turbulencia o por aspersión el arrastrar la suciedad desprendida por los ultrasonidos pero que continua en el interior de las piezas.

Estas etapas de enjuague están también dotadas de rotación de las piezas.

Estas rotaciones, debido a efectuarse con la pieza en inmersión pueden crear problemas de fiabilidad y mantenimiento si la máquina es de alta producción.

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( continuará)