Capitolo 4 Settings e misurazioni

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Capitolo 4

Settings e misurazioni

L'approccio che è stato scelto per iniziare le misurazioni, prevede la ricer- ca di una procedura di calibrazione della macchina di misura per ottimizzare i parametri in base ai componenti da studiare. Il primo step arontato è stato il confronto della stessa supercie in diverse fasi di lavorazione. Per fare ciò si è da prima dovuto vericare l'inuenza dei settaggi di ltraggio e successivamente determinare una procedura di riferimento. Le ipotesi enun- ciate nei capitoli precedenti hanno portato alla scelta, per il tipo di ltraggio, del ltro gaussiano band pass (cfr.App.D) [1], con cuto per alte frequenze di 0,5 mm e 0,125 mm rispettivamente per Cartridge ed Needle.

4.1 Inuenza dei settaggi

Si analizza un lotto di 10 valvole allo stato retticato che identicheremo con inj 1-10. Vogliamo capire se è possibile confrontare campioni di superci di dimensioni molto piccole, prima e dopo la lavorazione di nitura.

Gli obiettivi sono quindi:

• Vericare la sensibilità rispetto alle dimensioni della porzione di super-

cie, dei parametri di rugosità, confrontando i dati ottenuti per i due campionamenti

• Vericare la sensibilità dei parametri di rugosità al variare della po-

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sizione angolare in cui viene eettuata la misura, data l'omogeneità della supercie di ogni componente

• Vericare l'impatto dell'operazione di ltraggio sui parametri, in ra- gione del cuto scelto

4.1.1 Dimensioni del campionamento

Il primo problema che ci siamo posti è l'inuenza delle dimensioni del campione sui risultati delle misurazioni. Infatti l'ultima fase di lavorazione dei componenti (nitura)interessa porzioni molto ridotte della supercie, risulta perciò necessario restringere le dimensioni di campionamento per poter eettuare confronti. Dal punto di vista dei parametri superciali vogliamo però capire come questi variano, andiamo cioè a cercare la sensibilità dei vari parametri rispetto al campionamento.

Abbiamo scelto quindi due campioni di supercie di larghezza a e b (a=2*b), ed abbiamo eettuato 30 rilievi per ciscun campionamento. I risultati ottenuti sono stati messi a confronto, sia per il cartridge che per il needle (g.4.1 e g.4.2)evidenziando alcuni parametri più sensibili alla variabilità del campionamento quali SRz, Rsk ed Rpk. Analizzando in dettaglio tali parametri, per il cartridge, si riscontrano le distribuzioni mostrate in g.4.3,

g.4.4 e g.4.5.

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Capitolo 4. Settings e misurazioni 32

Figura 4.1: Confronto campioni su Cartridge retticati

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Figura 4.2: Confronto campioni su Needle retticati

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Figura 4.3: Distribuzione del parametro SRz su Cartridge per i due campionamenti

Figura 4.4: Distribuzione del parametro Rsk su Cartridge per i due campionamenti

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Figura 4.5: Distribuzione del parametro Rpk su Cartridge per i due campionamenti

Per quanto riguarda il needle, abbiamo considerato SRz e Rpk come parametri signicativi;le distribuzioni caratteristiche di questi due parametri sono mostrate in g.4.6 e g.4.7.

Figura 4.6: Distribuzione del parametro SRz su Needle per i due campionamenti

Le dimensioni del campione di supercie sono legate alla risoluzione laterale, se aumentiamo quest'ultima corriamo il rischio di eettuare misure non corrette di rugosità. Si deve trovare perciò un compromesso tra risoluzione

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Figura 4.7: Distribuzione del parametro Rpk su Needle per i due campionamenti

laterale e ampiezza del campione. Se applicassimo il metodo di stitching¹ in- trodurremmo un errore per considerare una porzione più grande di supercie, quindi per il calcolo della rugosità non possiamo sfruttare questo metodo.

Inoltre, a causa del posizionamento più dicoltoso del needle rispetto al cartridge, il primo risulta instabile.

Sia per il cartridge che per il needle, SRz, Rsk e Rpk risultano sensibili alla variazione delle dimensioni di campionamento. Ciò è evidente dalle curve di distribuzione dove, oltre alla diminuzione del valore della deviazione standard per il campione di a mm, è possibile notare lo shift della media in maniera marcata.

Possiamo quindi dire che le dimensioni del campione inuenzano i risultati, quindi sarà necessario scegliere un campionamento standard per tutte le misure. Nel nostro caso è preferibile adottare come campione di riferimento quello di larghezza a, anche per il fatto che, per alcune lavorazioni, il testimone di lavorazione ha dimensioni molto minori di b.

1cucire tra loro i campioni di supercie

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4.1.2 Zona da misurare

In un'ottica legata alle dinamiche produttive si dovrebbe cercare di ridurre i tempi delle misurazioni. Vogliamo perciò capire in che misura la posizione angolare in cui eettuiamo il rilievo incide sui parametri, cioè quanto questi ultimi sono sensibili rispetto alla zona misurata. Abbiamo eettua- to tale verica eseguendo misure su posizioni angolari diverse della supecie assialsimmetrica, per ogni componente, rispettivamente a 0ô, 120ô e 240ô.

Confrontando tra loro i rilevamenti sulle tre posizioni angolari (g.4.8 e

g.4.9), per il cartridge e per il needle, decidiamo di analizzare la variabilità del range dei parametri superciali che denotano maggiore sensibilità, quali SRz, Rsk e Rvk per il needle (g.4.10, g.4.11 e g.4.12) e SRz e Rk per il cartridge (g.4.13 e g.4.14).

La variabilità del range sul gruppo è minima quindi possiamo asserire che la posizione angolare in cui viene eettuata la misura non inuenza i risultati ottenuti. Per i successivi confronti decidiamo quindi di ricavare dai dati di ognuna delle tre posizioni angolari, la media di ogni parametro misurato per ogni elemento, così da avere un unico set di dati da usare, rendendo la misura più stabile. Analizzeremo poi il valore medio dei parametri sul lotto.

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Figura 4.8: Confronto posizionamenti con campioni di a mm su Cartridge retticati

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Figura 4.9: Confronto posizionamenti con campioni di a mm su Needle retticati

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Figura 4.10: Range di SRz per Needle per i tre posizionamenti

Figura 4.11: Range di Rsk per Needle per i tre posizionamenti

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Figura 4.12: Range di Rvk per Needle per i tre posizionamenti

Figura 4.13: Range di SRz per Cartridge per i tre posizionamenti

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Figura 4.14: Range di Rk per Cartridge per i tre posizionamenti

4.1.3 Cuto

Il tipo di ltro utililzzato è un gaussiano passa banda [1]; la scelta del cuto da utilizzare è stata quella di 0,5 mm per l'analisi del cartridge che presenta una variabilità minore rispetto al needle per il quale è stato necessario compiere alcune prove prima di determinare il valore opportuno del cuto. Come descritto nel cap.2.2, il valore del cuto determina la lunghezza d'onda limite sopra o sotto la quale le informazioni non passano. Per esempio nel caso di ltro passa basso un cuto troppo grande comporta il passaggio di informazioni relative all'ondulazione, alterando così la misura di rugosità. Dall'altra parte un cuto troppo piccolo comporta una perdita di informazioni che, date le dimensioni ristrette del campione di supercie, sono importanti. Dovremo perciò trovare un compromesso tra queste due situazioni per il valore del cuto. In campo bidimensionale, con le tecnologie in discussione, il cuto è ssato a 0.8 mm per un campione di supercie la cui grandezza è a norma. I campioni di supercie che noi analizziamo hanno dimensioni inferiori a quelle indicate nelle normative e nei nostri dati non sono presenti lunghezze d'onda prossime a 0.8 mm. Abbiamo cercato quindi

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un valore opportuno che si avvicini a quello indicato nelle norme ma che con- sideri anche la grandezza ristretta della porzione di supercie da analizzare:

il cuto di 0.5 mm risulta idoneo e allo stesso tempo si avvicina a quello prescritto dalle normative. Diversamente dagli strumenti bidimensionali non si devono scartare le code perchè l'analsi in frequenza permette di eliminare forma e ondulazione durante l'operazione di ltraggio.

Per gli strumenti 2D, come già detto nel cap.2.2, le normative prevedono, in una situazione analoga a quella in esame, un cuto di 0.08 mm; abbiamo deciso così di mettere a confronto le misure eettuate sul needle con ltro a LW 0.08 mm e a LW 0.5 mm, su campioni di a mm (g.4.15).

Tale analisi ha permesso di vedere in che misura l'ondulazione è percepita dall'analisi della rugosità: sebbene alcuni parametri, quali SRq, SRz, Rsk e Rk, siano più sensibili degli altri rispetto al cuto, tutti presentano una variabilità rilevante, quindi possiamo dire che il cuto di 0.08 mm attenua troppo i parametri superciali. Per le misurazioni successive utilizzeremo quindi un ltro con LW 0,5 mm.

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Figura 4.15: Confronto ltraggio con cuto diversi con campioni di a mm su Needle retticati

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4.1.4 Stabilità del processo

Abbiamo voluto vericare se tramite lo Zygo, è possibile trovare una correlazione tra caratteristiche superciali di una zona dicilmente misurabile con strumenti 2D, e quelle relative ad una zona facilmente misurabile con gli stessi strumenti. Nel caso non si possa ricorrere ad altri metodi oggettivi questo è un modo alternativo per eettuare previsioni e tenere sotto controllo un processo.

La zona a monte della sede è costituita da una gola la cui grandezza con- sente l'impiego di strumenti 2D per le misurazioni. Tale zona viene generata insieme a quella di sede che noi vogliamo analizzare. Se nella gola il processo scade ci aspetteremo un comportamento analogo anche sul resto della super-

cie sottoposta allo stesso processo, con il vantaggio di aver utilizzato una tecnica di misura più semplice data la geometria della gola stessa.

Per vericare queste condizioni è stata eettuata quindi la misura della gola dell'ago. Sono stati presi due campionamenti, di a e b mm; il ltro applicato utilizza una LW 0.5 mm per i campioni di a mm, mentre per quelli di b mm si utilizza una LW 0.08 mm. Per un confronto coerente con le rilevazioni eettuate sulla testa del needle, considereremo soltanto i campioni di a mm, ltrati con cuto di 0.5 mm (g.4.16).

I graci indicano che la lavorazione di rettica è un processo stabile in quanto le caratteristiche superciali non variano da una zona ad un'altra dello stesso componente. Un risultato immediato di questa prova è l'aver trovato un modo alternativo per controllare la qualità del processo di rettica che, data la geometria dell'ago, potrebbe essere sottoposto a grande variabilità.

Un ulteriore indicatore di stabilità del processo è la Deviazione Standard;

riportiamo quindi in g.4.17 i valori delle deviazioni standard per i parametri di rugosità relativi a Cartridge, Sede del Needle e Gola del Needle.

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Figura 4.16: Omogeneità di zone diverse della stessa supercie retticate

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Figura 4.17: Standard Deviation

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4.1.5 Prime conclusioni

La procedura utilizzata nelle misurazioni non è standardizzata quindi nel corso delle analisi eettuate è stato necessario fare delle scelte in base ai risultati ottenuti, dimostrandole poi grazie alle molteplici prove eettuate.

Sia per il cartridge che per il needle, il confronto tra i dati rilevati con due campionamenti di diverse dimensioni ha dimostrato l'inuenza della grandezza del campione di supercie sui parametri di rugosità, quindi quello preso in esame è stato ssato ad a mm.

Per quanto riguarda poi la scelta della lunghezza d'onda per il ltraggio del needle, il confronto del ltro a 0.08 mm e di quello a 0.5 mm, su campioni di supercie di a mm, dimostra che i parametri sono sensibili a questo set- taggio. La decisione presa è dunque di utilizzare un ltro con low wavelenght di 0.5 mm.

Abbiamo successivamente vericato l'insensibilità dei parametri al variare della posizione: per entrambi i componenti abbiamo eettuato un confronto tra i parametri rilevati su tre diverse posizioni angolari (0ô, 120ô e 240ô): i parametri di rugosità non variano sulla stessa supercie, al variare della posizione in cui viene eseguita la misura. I dati dei tre rilievi risultano omogenei quindi per le analisi successive è stato considerato conveniente usare un solo set di dati composto dalla media dei tre valori di ogni parametro per ogni pezzo misurato.

4.2 Prime applicazioni della procedura di misura

Per vericare l'inuenza della stabilità di processo abbiamo preso a riferimento una situazione in cui il processo è stabile. Abbiamo preso cioè le sedi di un tipo di iniettore diverso da quello da noi studiato, già in produzione di serie; questi componenti che sono i corrispettivi del Cartridge per l'iniettore Piezo, presentano una qualità superciale ottima e di conseguenza saranno presi come riferimento per le nostre analisi. L'analisi è stata eettuata su 5

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sedi appartenenti a due lotti di iniettori prodotti in tempi diversi e che hanno presentato leak rate diverso, lotto n^o1 e lotto n^o2.

L'analisi dimensionale dei due campioni per la misura di rugosità non evidenziava dierenze, per il fatto che con uno strumento 2D il segnale subisce una attenuazione più marcata. Con l'analisi prolometrica 3D invece, il segnale non si aevolisce molto ed è possibile ottenere maggiori informazioni.

Inoltre, l'analisi prolometrca 3D ed i parametri che abbiamo individuato (SRz e Rvk), hanno permesso di trovare una correlazione tra parametri superciali ed il leak rate: Rvk e SRz presentano rispettivamente un aumento ed un decremento per quei campioni per cui il leak rate è aumentato: lotto n^o2 (g.4.18). Ciò è in linea con il signicato di questi parametri che sono cor- relabili con la funzione di tenuta in quanto Rvk dà una misura della presenza di vuoti sulla tessitura superciale e SRz è un indice di picco. Analizzando con microscopio ottico è stato possibile rilevare la presenza di una supercie deteriorata in corrispondenza del peggioramento degli indici sopradetti.

Inoltre, questa esperienza su componenti con processi stabili e sotto controllo, permette di determinare alcuni primi valori di riferimento per lavorazioni analoghe che devono essere sviluppate per l'iniettore Piezo.

Abbiamo poi eettuato misure di rugosità su un lotto di aghi utilizzati con le sedi precedentemente misurate, per il test di leak, con campionamento di a e b mm (g.4.19). Abbiamo eseguito inoltre misurazioni su tre posizioni angolari, come già è stato fatto nel cap.4.1 per i componenti retticati (g.4.20). I settaggi della macchina di misura usati per queste misure sono:

ltro gaussiano passa banda con cuto per lunghezze d'onda basse a 0,5 mm.

Per un'analisi più cautelativa prendiamo come valori di riferimento la media di ogni parametro di ognuna delle tre famiglie; per i successivi studi avremo quindi un solo set di dati da considerare.

I dati relativi a questo tipo di aghi, rappresentativi del processo di nitura, saranno successivamente usati come riferimento per eettuare dei confronti con altri processi di nitura.

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Figura 4.18: Confronto tra le sedi dei due lotti

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Figura 4.19: Parameri relativi a due campionamenti su aghi superniti

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Figura 4.20: Parametri relativi a tre posizionamenti su aghi superniti

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Avere un riferimento attendibile per una certa tecnologia, signica poter individuare una correlazione tra lo stato superciale, il processo utilizzato per ottenerla e le funzioni, in modo da poter fare dei confronti non più qualitativi soltanto, tra i componenti e su lotti diversi, ottenuti con tecnologie diverse.

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4.3 Eetto dei processi

4.3.1 Analisi di processo

Una volta analizzato il lotto di valvole allo stato retticato inj 1-10, si esegue su di esse la lavorazione di lappatura. In particolare dividiamo il lotto in due parti che verranno lavorate con diversi settaggi del parametro di controllo delle lappatura in modo da evidenziare la correlazione tra lavorazione e

nitura superciale. Tale parametro di processo è il segnale d'onda secondo il quale viene eseguita la movimentazione.

Le valvole del gruppo 1-5sono sottoposte a lappatura con segnale ad onda quadra, quelle del gruppo 6-10 invece, subiscono una lappatura con segnale ad onda sinusoidale. I settaggi dello macchina di misura rimangono invariati rispetto a quelli precedentemente usati per un confronto coerente:

ltro gaussiano passa banda con cuto a 0.5mm per il Cartridge. Per quanto riguarda il Needle, successivamente abbiamo deciso di utilizzare un cuto

di 0.125mm (ltro più robusto), invece che 0.5mm, a causa dei troppo marcati errori introdotti per eetto di un cuto troppo elevato, e per la scarsa robustezza dei dati a causa della curvatura.

Dal confronto dei parametri misurati dopo l'operazione di lappatura, per il Cartridge, si notano risultati analoghi per i due gruppi di componenti, ognuno lavorato con segnale diverso: si conclude quindi che il parametro di processo ha un eetto trascurabile.

Le dierenze più marcate si rilevano nell'accostare i parametri della retti-

ca a quelli della lappatura. Si nota infatti, nel passare da stato retticato a lappato, i parametri di SRz, Rk, Rpk e Rvk presentano un aumento ben mar- cato, sintomo di un peggioramento dello stato superciale (g.4.21), sebbene il valore di Rsk mostri un lieve miglioramento.

Per il Needle vediamo che, a dierenza del Cartridge, abbiamo un evidente miglioramento dello stato superciale, nel passaggio dallo stato retticato a quello lappato. Ciò è evidenziato dai parametri SRq, SRz, Rk, Rpk e Rvk

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Figura 4.21: Confronto tra lappatura e rettica su Cartridge

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Figura 4.22: Confronto tra lappatura e rettica su Needle

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Figura 4.23: Confronto Needle lappati e aghi di riferimento

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che presentano una netta diminuzione.

Per quanto riguarda il confronto tra i due tipi di lappatura, in questo caso ci sono delle dierenze: i parametri risultanti dalla lappatura con segnale ad onda quadra sono migliori rispetto a quelli derivanti dalla stessa lavorazione però con segnale sinusoidale (g.4.22).

La lavorazione di lappatura porta nel caso del Cartridge, ad un peggioramento dello stato superciale in quanto è evidente l'aumento dei parametri misurati. Al contrario, il Needle presenta un miglioramento della supercie, evidenziato dalla diminuzione marcata dei parametri SRq, SRz, Ra, Rk, Rpk e Rvk. Mettendo poi a confronto i risultati delle misurazioni degli aghi di riferimento (superniti) con quelli del Needle allo stato lappato, è possibile vedere lo scostamento tra le due lavorazioni, supernitura e lappatura, in particolare per i parametri Rk, SRz e Rsk (g.4.23), indici di peggiore stato superciale da parte del Needle sottoposto a lappatura.

4.3.2 Analisi di processi diversi

Abbiamo preso due lotti di 10 valvole ciascuno, aventi le seguenti carat- teristiche: lotto n^o1 composto da sedi e aghi superniti; lotto n^o2 composto da sedi supernite e aghi retticati. I dati ottenuti da queste misurazioni saranno utilizzati per analisi comparative con i dati degli altri lotti, si esegue quindi una media dei parametri rilevati sulle 3 posizioni angolari di riferimento per una migliore accuratezza e precisione. Per la coerenza dei dati, le misurazioni sono state eettuate con i seguenti settaggi della macchina:

campione di a mm, ltro gaussiano passa banda con LW 0.5 mm e 0.125 mm, rispettivamente per Cartridge e Needle. Mettiamo a confronto i 20 Cartridge superniti (lotto nô1 e nô2) con quelli lappati precedentemente misurati (inj 1-10) (g.4.24). Poiché le sedi di entrambi i lotti sono supernite, considereremo un unico set di dati per i 20 Cartridge. Passiamo poi al confronto dei dati relativi ai 10 Needle superniti (lotto nô1), ai 10 needle retticati (lotto nô2) e ai 10 needle lappati (inj 1-10) (g.4.25).

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I parametri del processo di supernitura, rispetto a quelli della lappatura, risultano migliori per il Cartridge. In particolar modo presentano una netta diminuzione SRz, Rk, Rpk, Rvk e Mr2. Per quanto riguarda il Needle, non abbiamo rilevato marcate dierenze tra i parametri dei due lotti lavo- rati rispettivamente per supernitura e lappatura; tali parametri indicano comunque una migliore qualità superciale rispetto alla rettica.

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Figura 4.24: Parametri relativi a Cartridge Finiti e Lappati

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Figura 4.25: Parametri relativi a Needle Finiti, Retticati e Lappati