Dispense 082923 - TECNOLOGIA MECCANICA E QUALITA' Ingegneria Gestionale, Appunti di Tecnologia Meccanica

Scarica Dispense 082923 - TECNOLOGIA MECCANICA E QUALITA' Ingegneria Gestionale e più Appunti in PDF di Tecnologia Meccanica solo su Docsity! 082923 - TECNOLOGIA MECCANICA E QUALITA’ UniPal 2023/2024 Corso di Studi in Ingegneria Gestionale Politecnico di Milano 1 Il Ruolo della Tecnologia in Ambito Industri- ale La tecnologia ha rivoluzionato l’industria in modi significativi, consentendo l’automazione, l’ottimizzazione dei processi e l’aumento della produttività. Gli sviluppi tecnologici hanno portato a nuove macchine, strumenti e metodi che hanno trasformato il modo in cui i prodotti vengono progettati, fabbricati e consegnati al mercato. 2 Quadro delle Tecnologie e Esempi 2.1 Tecnologie di Produzione • Stampa 3D: Questa tecnologia consente la creazione di oggetti tridimen- sionali stratificando materiali. È utilizzata per la prototipazione rapida e la produzione di parti complesse. • CNC (Controllo Numerico Computerizzato): I macchinari CNC permettono la lavorazione di materiali tramite istruzioni precise da un computer. È utilizzata nella produzione di parti di alta precisione. 2.2 Problematiche della Qualità e dell’Analisi dei Costi Garantire la qualità dei prodotti è essenziale per soddisfare le aspettative dei clienti. Tuttavia, la qualità può essere influenzata da vari fattori, come difetti di produzione, variazioni nei materiali e altro. L’analisi dei costi è cruciale per valutare l’equilibrio tra qualità e produzione. 1 2.2.1 Diagramma di Pareto Il diagramma di Pareto è uno strumento che aiuta a identificare le principali cause di problemi nella produzione. Questo diagramma classifica le cause in ordine decrescente di frequenza e mostra come un numero limitato di cause possa contribuire alla maggior parte dei problemi. Causa ACausa BCausa CCausa DCausa E 10 15 20 25 30 30 20 15 10 25 F re q u en za Frequenza 2.2.2 Controllo Statistico del Processo (SPC) Lo SPC coinvolge la raccolta e l’analisi di dati durante la produzione al fine di monitorare e controllare la qualità. Le carte di controllo sono utilizzate per individuare deviazioni dalla norma e prendere provvedimenti correttivi. 3 Specifiche di Prodotto Le specifiche di prodotto definiscono le caratteristiche essenziali che un prodotto deve possedere per soddisfare le esigenze del cliente. Queste specifiche includono aspetti come dimensioni, forma, resistenza e funzionalità. La rappresentazione tecnica di un prodotto avviene attraverso disegni dettagliati, schemi dimension- ali e viste ortogonali. 3.1 Specifiche Geometriche Le specifiche geometriche stabiliscono le tolleranze accettabili per le dimensioni e le forme di un oggetto. Queste specifiche sono spesso indicate attraverso simboli come concentricità, cilindricità, piani di riferimento, posizione delle caratteris- tiche e altro. 2 Materiale A Materiale B Materiale C 150 200 250 300 300 250 180 250 220 160 Materiali V al or e d i D u re zz a Scala Vickers Scala Brinell 4.3 Prova di Impatto La prova di impatto è un test che valuta la capacità di un materiale di assorbire energia sotto un carico improvviso. Questo tipo di prova è particolarmente importante per valutare la fragilità o la tenacità di un materiale, specialmente in situazioni in cui il carico può variare rapidamente. Un comune metodo di prova di impatto è il test Charpy, che coinvolge il colpo di un martello su un campione incassato. La quantità di energia assorbita dal campione durante la rottura è un indicatore della sua resilienza. 4.3.1 Esempio di Grafico per Prova di Impatto Qui di seguito è un esempio di grafico che rappresenta i risultati dei test di impatto Charpy su diversi materiali, evidenziando la loro resilienza: 5 Materiale X Materiale Y Materiale Z 60 80 100 120 120 85 60 Materiali E n er gi a A ss o rb it a Energia Assorbita 5 Struttura dei Materiali Metallici I materiali metallici sono composti da una struttura cristallina che influisce sulle loro proprietà meccaniche. La struttura può essere categorizzata in: • Cristallizzazione: I metalli solidificano in una struttura cristallina. La dimensione e la forma dei cristalli influenzano le proprietà. • Grani: I metalli possono avere una struttura policristallina con confini di grano che influenzano la forza e la duttilità. • Dislocazioni: Le dislocazioni sono difetti nella struttura cristallina che possono influenzare la plasticità e la resistenza. 6 Deformazione Plastica - Concetti Base della Plasticità La deformazione plastica si verifica quando un materiale cambia forma in modo permanente senza ritornare alla sua forma originale dopo la rimozione dello sforzo. Questo fenomeno è influenzato da concetti chiave della plasticità: 6.1 Punto di Snervamento: Definizione e Significato Il punto di snervamento è un parametro cruciale nella meccanica dei materiali che evidenzia il passaggio dal comportamento elastico al comportamento plas- tico. Rappresenta lo sforzo massimo σy che un materiale può sopportare prima 6 di iniziare a deformarsi plasticamente. Per capire meglio questo concetto, con- sideriamo un filo di metallo sottoposto a uno sforzo crescente. Inizialmente, quando lo sforzo è basso, il materiale subisce una deformazione elastica, ma oltre il punto di snervamento, la deformazione diventa permanente. 6.1.1 Esempio del Punto di Snervamento Supponiamo di avere una barra di acciaio sottoposta a uno sforzo di trazione. Fino a quando lo sforzo è al di sotto del punto di snervamento, la barra tornerà alla sua forma originale dopo la rimozione dello sforzo. Tuttavia, quando lo sforzo supera il punto di snervamento, la barra si allungherà in modo permanente e non tornerà alla sua lunghezza iniziale. Questo è dovuto al movimento delle dislocazioni all’interno della struttura cristallina del materiale, che causa una deformazione plastica. 6.2 Rottura: Meccanismi e Implicazioni La rottura è il punto critico in cui il materiale non può più sopportare lo sforzo applicato e cede. Esistono due modi principali in cui può verificarsi la rottura: rottura fragile e rottura duttile. 6.2.1 Rottura Fragile e Esempio Nella rottura fragile, il materiale si spezza improvvisamente e senza segni ev- identi di deformazione plastica. Questo tipo di rottura è tipico dei materiali ceramici e di alcuni metalli, come il vetro. Ad esempio, una lastra di vetro sottoposta a uno sforzo improvviso si spezzerà senza alcun preavviso. 6.2.2 Rottura Duttile e Esempio Nella rottura duttile, il materiale si deforma prima di cedere. Questo compor- tamento permette una maggiore assorbimento di energia e una migliore seg- nalazione di eventuali guasti imminenti. Ad esempio, un filo di rame sottoposto a uno sforzo crescente subirà una deformazione plastica significativa prima di spezzarsi, fornendo un avvertimento visibile. 6.3 Implicazioni nell’Ingegneria e nella Progettazione La comprensione di questi concetti è fondamentale per l’ingegneria e la proget- tazione. I punti di snervamento e rottura influenzano la scelta dei materiali e la progettazione di componenti. La progettazione di un componente dovrebbe tenere conto del comportamento plastico, in modo da evitare deformazioni per- manenti indesiderate. Inoltre, la scelta del materiale dovrebbe considerare se una rottura fragile o duttile sia preferibile, a seconda dell’applicazione. 7 7.4 Trafila La trafilatura è un altro processo di deformazione plastica utilizzato per la produzione di fili o tubi con dimensioni precise e superfici di alta qualità. Questo processo è ampiamente utilizzato nell’industria metalmeccanica per produrre cavi elettrici, chiodi, viti e altri componenti di piccole dimensioni. 7.4.1 Funzionamento della Trafila Il processo di trafilatura coinvolge il passaggio di un materiale attraverso una trafile, che è una matrice con un foro conico. Man mano che il materiale passa attraverso il foro, viene sottoposto a una pressione che lo fa fluire attraverso il foro conico, riducendo gradualmente il suo diametro. Questo processo può essere ripetuto attraverso diverse trafile di dimensioni sempre più piccole, fino a ottenere il diametro desiderato. 7.4.2 Applicazioni della Trafila La trafilatura è utilizzata per produrre fili metallici di diverse dimensioni e finiture. Questi fili sono ampiamente utilizzati nell’industria automobilistica, aerospaziale e nell’elettronica. Inoltre, la trafilatura è utilizzata per produrre tubi sottili utilizzati in applicazioni medicali, come cateteri e tubi per stent. 8 Fonderia - Solidificazione e Raffreddamento dei Materiali Metallici La fonderia è un processo di produzione che coinvolge la fusione di materiali metallici seguita dalla solidificazione in una forma desiderata. La solidificazione e il raffreddamento sono fasi cruciali che influenzano la struttura e le proprietà del pezzo fuso. 8.1 Equazione di Solidificazione Durante il processo di solidificazione, l’interfaccia tra la fase solida e liquida si sposta a una certa velocità in base alle differenze di temperatura. L’equazione di solidificazione di Stefan è una relazione fondamentale che descrive questa velocità in termini di temperatura e costante di proporzionalità. L’equazione di solidificazione di Stefan è data da: V = −dX dt = k(TL − TS) Dove: • V è la velocità di avanzamento dell’interfaccia tra solido e liquido. • dX dt rappresenta il tasso di cambiamento dello spessore del solido. 10 • k è la costante di proporzionalità, che tiene conto delle proprietà termiche e fisiche del materiale. • TL è la temperatura del liquido. • TS è la temperatura del solido. Questa equazione riflette l’idea intuitiva che la velocità di solidificazione è proporzionale alla differenza di temperatura tra il liquido e il solido. Quando la differenza di temperatura è maggiore, la velocità di avanzamento dell’interfaccia sarà più alta, indicando una solidificazione più rapida. L’equazione di solidificazione di Stefan ha un’importanza fondamentale nell’analisi dei processi di solidificazione, come ad esempio la solidificazione dei metalli fusi. È uno strumento chiave per comprendere come le temperature e le proprietà ter- miche influenzino la cinetica della solidificazione e la formazione della struttura solida. 8.2 Fonderia in Terra e Rappresentazione Grafica La fonderia in terra coinvolge la creazione di un modello di cera, che viene rivestito da uno strato refrattario. Una volta che lo strato si solidifica, la cera viene fusa, lasciando uno stampo vuoto che può essere riempito con metallo fuso. Cera Metallo Fuso Strato Refrattario Direzione di Riempimento Figure 1: Processo di Fonderia in Terra 9 Asportazione di Materiale L’asportazione di materiale è un processo di produzione in cui il materiale viene rimosso da un pezzo al fine di ottenere la forma desiderata. Questo processo è fondamentale per la creazione di parti con forme complesse e dimensioni precise. 11 9.1 Principi Base L’asportazione di materiale coinvolge l’utilizzo di strumenti taglienti come frese, trapani e torni per rimuovere il materiale in eccesso. I parametri chiave in- cludono velocità di taglio, avanzamento e profondità di taglio. La scelta dei parametri influisce sulla finitura superficiale e sulla durata degli strumenti. 9.2 Geometria del Tagliente Elementare La geometria del tagliente elementare comprende diversi parametri che influen- zano l’efficacia del taglio. Alcuni parametri importanti sono: • Angolo di Taglio (α): L’angolo tra la direzione di avanzamento e la direzione del taglio. • Angolo di Freccia (γ): L’angolo tra la faccia laterale del tagliente e la direzione del taglio. • Angolo di Rilievo (β): L’angolo tra la faccia frontale del tagliente e la direzione del taglio. 9.3 Taglio Ortogonale Il taglio ortogonale è una configurazione comune in cui l’utensile si muove in direzione perpendicolare alla superficie del pezzo. Il processo genera trucioli di materiale e richiede una forza significativa per rimuovere il materiale. 10 Grafici e Formule Qui di seguito sono presenti alcuni esempi di formule e un grafico che illustra l’asportazione di materiale: 10.1 Forza di Taglio (Fc) La forza di taglio è la forza necessaria per tagliare il materiale. Una formula semplificata per calcolare la forza di taglio in condizioni ideali è: Fc = k · b · d · f Dove: • k è una costante di taglio. • b è la larghezza del tagliente. • d è la profondità di taglio. • f è l’avanzamento. 12 13 Grafici e Formule Qui di seguito sono presenti alcune formule e un grafico che illustra la relazione tra velocità di taglio e forza di taglio: P = k′ · Fc · v (1) Velocità di Taglio Forza di Taglio Fc = k · bm · dn · vp 14 Modelli di Previsione della Vita Utensile La previsione della vita utensile è essenziale per ottimizzare i processi di lavo- razione e ridurre i costi di produzione. Diversi modelli possono essere utilizzati per stimare la durata degli utensili: 14.1 Modello di Taylor Il modello di Taylor può essere adattato per prevedere la vita utensile. La formula è: T = V f · t Dove: • T è la vita utensile. • V è il volume di materiale rimosso. • f è l’avanzamento. • t è il tempo di taglio. 14.2 Modello di Kalpakjian Questo modello considera l’usura del tagliente in funzione della distanza per- corsa dall’utensile sulla superficie del pezzo. La formula è: T = A f · v · n 15 Dove A è una costante, f è l’avanzamento, v è la velocità di taglio e n è il numero di taglienti. 15 Ottimizzazione delle Condizioni di Taglio L’ottimizzazione delle condizioni di taglio mira a massimizzare l’efficienza della lavorazione e prolungare la vita degli utensili. Alcuni parametri chiave da con- siderare sono: 15.1 Velocità di Taglio (v) La velocità di taglio influisce sulla durata dell’utensile e sulla finitura superfi- ciale. Aumentare la velocità può ridurre il tempo di lavorazione, ma potrebbe richiedere utensili più resistenti. 15.2 Avanzamento (f) L’avanzamento determina la quantità di materiale rimosso ad ogni passata dell’utensile. Un avanzamento più alto può accelerare la lavorazione, ma potrebbe causare un’eccessiva usura dell’utensile. 15.3 Profondità di Taglio (d) La profondità di taglio influisce sulla quantità di materiale rimosso in ogni passaggio. Una maggiore profondità può accelerare il processo, ma potrebbe richiedere un maggiore sforzo da parte dell’utensile. 16 Controllo Statistico di Processo Il controllo statistico di processo (SPC) è una metodologia utilizzata per mon- itorare e migliorare la qualità dei processi produttivi. Si basa sull’analisi sta- tistica dei dati raccolti durante la produzione al fine di rilevare deviazioni dalla norma e prendere provvedimenti correttivi. 16.1 Concetti e Definizioni di Qualità La qualità si riferisce alla capacità di un prodotto o servizio di soddisfare le aspettative del cliente. Alcuni concetti chiave includono: • Conformità: Il prodotto deve soddisfare le specifiche e le aspettative. • Variabilità: Le differenze tra i prodotti simili devono essere mantenute entro limiti accettabili. • Processo: La qualità è un risultato del processo di produzione. 16 17 Metodi del Controllo Statistico di Qualità Il controllo statistico di qualità impiega diversi metodi per analizzare e mon- itorare la qualità. Questi metodi sono basati sulla statistica e consentono di prendere decisioni informate per migliorare i processi. 17.1 Carte di Controllo Le carte di controllo sono uno strumento chiave nello SPC. Queste carte rap- presentano graficamente i dati raccolti durante la produzione, permettendo di rilevare deviazioni e tendenze. 17.2 Basi Statistiche delle Carte di Controllo Le carte di controllo si basano su principi statistici per determinare i limiti di controllo e rilevare deviazioni. I limiti di controllo sono calcolati in base alla variabilità naturale del processo e consentono di individuare anomalie. 18 Introduzione alle Carte di Controllo Le carte di controllo sono strumenti visivi che aiutano a monitorare il processo nel tempo. Esistono diversi tipi di carte, ma le più comuni includono: • Carta di Controllo per le Medie (X-Bar): Monitora la media dei campioni. • Carta di Controllo per le Gamme (R): Monitora l’ampiezza delle gamme dei campioni. • Carta di Controllo per le Proporzioni (p): Utilizzata per attributi qualitativi. 19 Grafici e Formule Qui di seguito sono presenti alcune formule e un esempio di carta di controllo per le medie (X-Bar): Limite di Controllo Superiore (LCS) = x̄+A2 ·R (2) Limite di Controllo Inferiore (LCI) = x̄−A2 ·R (3) 17 Numero di Campione Valore Individuale Carta I Numero di Campione Gamma Mobile Carta MR Le carte di controllo Xbar-R e I-MR sono strumenti efficaci per monitorare la qualità dei processi produttivi. Consentono di identificare deviazioni e prendere provvedimenti correttivi per garantire la conformità ai requisiti di qualità. 22 Definizione e Calcolo delle Curve OC Le curve OC (Operating Characteristic) rappresentano la probabilità di rilevare deviazioni dal processo mediante l’uso delle carte di controllo. Sono grafici che 20 collegano la probabilità di rilevare una deviazione con la dimensione di tale deviazione. Le curve OC possono essere calcolate attraverso modelli statistici e simulazioni. 22.1 Calcolo delle Curve OC per le Carte Xbar-R Per le carte Xbar-R, la curva OC può essere calcolata utilizzando la distribuzione t di Student. La formula generale è data da: OC(δ) = P ( x̄− µ S/ √ n > K ) Dove δ è la dimensione della deviazione, x̄ è la media delle medie dei campioni, µ è la media del processo senza deviazioni, S è la deviazione standard delle medie dei campioni, n è la dimensione del campione e K è un valore critico da distribuzione t. 23 Linee Guida per l’Applicazione delle Carte di Controllo L’applicazione efficace delle carte di controllo richiede attenzione a diversi as- petti: • Dimensione del Campione: Definire una dimensione del campione ap- propriata per garantire rappresentatività. • Frequenza di Campionamento: Determinare con quale frequenza rac- cogliere campioni per il monitoraggio. • Limiti di Controllo: Calcolare i limiti di controllo in base alla variabilità naturale del processo. • Interpretazione: Saper interpretare correttamente le tendenze e le de- viazioni dalle carte. • Azioni Correttive: Prendere azioni correttive tempestive quando si ril- evano deviazioni. 24 Introduzione all’Analisi di Capacità di un Pro- cesso L’analisi di capacità di un processo valuta quanto il processo sia in grado di produrre prodotti conformi alle specifiche. Due indicatori comuni sono l’indice di capacità Cp e l’indice di capacità Cpk. 21 24.1 Indice di Capacità Cp Cp = TUSL− TLSL 6σ Dove TUSL è il limite superiore di specifica, TLSL è il limite inferiore di specifica e σ è la deviazione standard del processo. 24.2 Indice di Capacità Cpk Cpk = min ( TUSL− x̄ 3σ , x̄− TLSL 3σ ) Dove x̄ è la media del processo. 22