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Oct 02, 2023

Pruebas de fugas de piezas fundidas de aluminio

En el método de prueba de afuera hacia adentro, se aplica vacío a la pieza y la cámara de prueba se llena con una mezcla de aire y helio. Si hay una fuga, el helio migrará a la pieza donde será

En el método de prueba de afuera hacia adentro, se aplica vacío a la pieza y la cámara de prueba se llena con una mezcla de aire y helio. Si hay una fuga, el helio migrará a la pieza, donde será detectado por el instrumento de prueba. Foto cortesía de KUKA Assembly and Test Corp.

La detección de fugas de componentes en las primeras etapas de fabricación (después de la fundición y antes del ensamblaje) ahorra a los fabricantes de transmisiones un gasto significativo. Foto cortesía de KUKA Assembly and Test Corp.

El “rastro de gusano” y otras cavidades se sellan con un accesorio específico para la pieza mecanizado con tolerancias dimensionales estrictas. Foto cortesía de KUKA Assembly and Test Corp.

Después del motor, la transmisión automática puede ser el subsistema más importante de un automóvil. Desempeña un papel clave en el manejo, el rendimiento y la economía de combustible.

Dado que las transmisiones automáticas dependen de acoplamientos hidráulicos para transmitir potencia mecánica giratoria, es vital que no tengan fugas. La detección de fugas de componentes en las primeras etapas de fabricación (después de la fundición y antes del ensamblaje) ahorra a los fabricantes de transmisiones importantes gastos y dolores de cabeza.

KUKA Assembly and Test Corp. es un integrador de sistemas que se especializa en sistemas de ensamblaje y prueba para los principales subsistemas automotrices, como motores, transmisiones, ejes, componentes de suspensión y componentes de dirección. Nuestros clientes incluyen Ford Motor Co., Borg Warner Inc., Harley-Davidson Inc. y Caterpillar Inc.

Utilizamos detectores de fugas de helio para ayudar en la producción de transmisiones automáticas avanzadas, como las nuevas transmisiones de nueve y 10 velocidades desarrolladas para ayudar a mejorar la economía de combustible. Históricamente, muchas fugas se descubren durante el montaje final o después. Nuestros accesorios y plantillas están equipados con detectores de fugas de helio de Inficon. Esto nos permite detectar la mayoría de las fugas poco después de fundir las piezas, lo que reduce los costos al eliminar las piezas de fundición defectuosas en las primeras etapas del proceso de ensamblaje.

Los procesos de prueba de fugas de KUKA utilizan dispositivos y automatización específicos para cada pieza. Después de la fundición y el mecanizado, las carcasas de la transmisión se cargan robóticamente en la cámara de prueba. Dentro de la cámara, el “rastro de gusano” y otras cavidades se sellan con un accesorio específico para la pieza mecanizado con tolerancias dimensionales estrictas.

Una vez sujeta y sellada la pieza, se evacúa la cámara. Luego se inyecta helio en el recinto, que está conectado a un detector de fugas de helio Inficon LDS3000. Los ventiladores agitan el aire dentro del recinto para crear una mezcla uniforme de 1 por ciento de helio y aire.

El detector de fugas está conectado a la pieza de prueba a través de una válvula y herramientas en el camino del gusano. Cuando se abre la válvula, el helio que rodea el exterior de la pieza puede migrar al interior de la pieza a través de fugas de porosidad, grietas, fugas de roscas y otras vías. Se moverá a través de la carcasa hasta la transmisión, donde será detectado y cuantificado por el detector de fugas. En ese momento, se puede tomar una decisión de aprobación basada en tasas de fuga estandarizadas y se pueden recopilar datos para su trazabilidad. Todos los pasajes se prueban individualmente.

"El detector de fugas de helio de Inficon es más preciso que las pruebas en el aire o bajo el agua para detectar fugas de porosidad", señala Thomas Parker, director de ventas de automóviles de Inficon para Norteamérica. “Por ejemplo, un área de sólo 1 pulgada de diámetro en una pieza fundida de aluminio podría tener hasta un billón de agujeros a través de los cuales pueden migrar las moléculas de helio. Una porosidad de este tipo nunca se detectaría mediante pruebas aéreas o submarinas.

“Las fugas no necesariamente parecen grietas o agujeros circulares perfectos. Pueden parecerse a un sistema similar a una cueva de grietas y bolsas microscópicas dentro del metal. Con las pruebas de presión de aire, el tiempo necesario para detectar una caída de presión (que se necesita para medir las bajas tasas de fuga que ahora exigen los fabricantes de automóviles) podría ser de días”.

La detección de fugas de helio tarda unos segundos, con un tiempo total de prueba entre partes de aproximadamente 30 a 40 segundos. Este breve intervalo hace que la detección de fugas sea tan oportuna como cualquier proceso de producción.

Una tasa de fuga estándar permitida por la industria es de aproximadamente 1 centímetro cúbico estándar por minuto (sccm). A medida que las transmisiones se han vuelto más complejas, también lo han hecho los fluidos en su interior. Los requisitos de rendimiento son mayores y las tasas de fuga son menores. Por ejemplo, las transmisiones más nuevas de nueve y 10 velocidades pueden tener requisitos de tasa de fuga de 0,1 sccm o menos.

Cerca del final de la línea de montaje, las transmisiones suelen volver a someterse a pruebas de fugas, esta vez de adentro hacia afuera. En lugar de hacer vacío en la pieza y llenar la cámara de prueba con helio, el procedimiento se invierte. Se crea un vacío en la cámara de prueba y la transmisión se llena con helio.

El proceso funciona así: la transmisión completamente ensamblada se coloca en la cámara y se sella. A continuación, se evacuan simultáneamente la transmisión y la cámara de prueba y se rellena la transmisión con helio. Debido a que el diferencial de presión en los sellos de la transmisión no puede exceder los 4 psi, la transmisión está presurizada internamente con 100 por ciento de helio a aproximadamente 3 psi.

Si hay una fuga, el helio saldrá de la carcasa de la transmisión y entrará en la cámara de prueba, donde será detectado por el instrumento Inficon LDS3000.

La prueba de adentro hacia afuera se realiza porque los fabricantes prefieren realizar pruebas dentro de los criterios de diseño del artículo que se está probando. Para una transmisión automática, las presiones de los fluidos se ejercen desde el interior hacia el exterior. La prueba de adentro hacia afuera con helio replica esas condiciones operativas. Si, bajo presión, se aprietan los conductos o se expanden las juntas, el helio puede escapar de la misma manera que se fugan los fluidos. A pesar de la complejidad de una transmisión (con sus válvulas solenoides, convertidores de par, gusanos y otras vías), el helio puede pasar rápidamente al vacío si hay fugas.

"El proceso con helio es una prueba más repetible en comparación con otros métodos de prueba y no depende de la temperatura", explica Parker. "La detección de fugas de helio elimina muchas variables de la ecuación de prueba, logrando una alta repetibilidad y reproducibilidad del calibre".

En comparación con los métodos de prueba con aire, las pruebas con helio ofrecen varias ventajas. Por un lado, las pruebas de aire se ven significativamente afectadas por la temperatura. Las piezas calientes o las piezas enfriadas pueden hacer que una prueba de flujo másico sea inexacta e irrepetible. En segundo lugar, las pruebas de fugas de gas trazador no dependen del volumen de la pieza. Los métodos de prueba de aire, como el flujo másico y la caída de presión, están influenciados por el volumen parcial. Volúmenes más grandes equivalen a tiempos de prueba más largos y sensibilidad reducida.

Las pruebas de caída de presión requieren tiempo de estabilización. En algunos casos, es posible que sea necesario "completar" la presión en la pieza varias veces. Sin embargo, agregar presión también agrega calor, lo que puede afectar la precisión de la prueba.

La detección de fugas de helio se realiza a presiones más bajas. Esto ahorra tiempo y mejora la seguridad. Debido a la sensibilidad de los detectores de fugas de helio de Inficon, sólo se requiere una pequeña cantidad de helio para probar una pieza. Dependiendo de la pieza, una prueba típica de helio cuesta aproximadamente $0,09 por pieza. Incluso a bajas presiones, el helio puede revelar fugas basadas en el tiempo, como largueros y porosidad, que podrían pasarse por alto en las pruebas de flujo másico y caída de presión.

"Si se tiene una condición de porosidad en la que hay un billón de agujeros diminutos, el gas trazador es el único método que puede encontrar la fuga", dice Parker. “Es posible que se pase por alto una fuga con las pruebas de caída de presión o de flujo másico, porque no van a encontrar... millones de fugas de tamaño casi molecular. Los defectos suelen estar en los puntos de refuerzo de una pieza fundida. El proceso de fundición provoca inclusiones en el aluminio, lo que crea una vía de fuga. Las paredes delgadas que ahorran peso también pueden crear posibles problemas de porosidad”.

Otro problema al probar piezas fundidas de aluminio es la suciedad. Aunque las piezas están fundidas hasta alcanzar una forma casi neta, es posible que aún requieran algo de mecanizado. El mecanizado es un proceso sucio y las piezas sucias no son propicias para la caída de presión o las pruebas de flujo másico. Al realizar pruebas con esos métodos, las piezas deben limpiarse con un solvente para eliminar los fluidos de corte.

La limpieza de piezas añade un paso al proceso, sin mencionar las preocupaciones relacionadas con el disolvente en sí, como la recuperación, las emisiones y el reciclaje. En algunos casos, las piezas también necesitan pasar tiempo en un horno para eliminar el disolvente y la humedad residuales, ya que el agua y la humedad afectan los resultados de las pruebas.

La detección de fugas de helio se ve menos afectada por los fluidos de corte y otros residuos. Se requiere una limpieza mínima de las piezas, lo que simplifica la operación de prueba.

Para obtener más información sobre equipos de prueba de fugas, visite www.inficon.com.

Para obtener más información sobre sistemas automatizados de prueba y ensamblaje, visite www.kuka-at.com.

Por Steve Kurzava, especialista técnico, KUKA Assembly and Test Corp. Saginaw, MI