Tecnologia Meccanica II, Appunti di Tecnologia Meccanica

Scarica Tecnologia Meccanica II e più Appunti in PDF di Tecnologia Meccanica solo su Docsity! LAVORAZIONI DELLE LAMIERE Questo impianto per la produzione delle lamiere è un impianto treno di laminazione,gabbie di laminazione per portare a spessore voluto il manufatto che non è un prodotto finito,ma si tratta proprio di lamiere o addirittura fogli quando lo spessore assume valori bassi. Tali lamiere possono essere avvolte in coil (rotoloni di lamiere) prodotti da questo treno di laminazione. Dobbiamo a questo punto ritagliare la lamiera nelle dimensioni volute e,successivamente,dovremo dare una forma a questa lamiera,andandola a piegare o avendo una imbutitura. La sequenza precisa è : 1.Processi di taglio Tranciatura: •Tranciatura con profilo chiuso (punzonatura) •Taglio rettilineo alla cesoia 2.Processi di formatura •Piegatura •Imbutitura •Stampaggio 3.Processi di unione •Saldatura •Giunzione con rivetti •Giunzione con adesivi Partiamo dal processo di taglio. La tranciatura è un’operazione preliminare ad altre lavorazioni sulla lamiera. Si ritagliano figure geometriche da fogli di lamiera o da nastri continui (coils) e viene portato via del materiale (sfrido) dalla lamiera di partenza. I due parametri fondamentali nel processo di tranciatura sono il gioco e l’angolo di fuga della matrice. Quest’ultimo serve a far sfilare il pezzo di lamiera tranciato e a non generare attrito con il pezzo che scorre verso il basso. In questa lavorazione stiamo generando delle sollecitazioni di taglio. AZIONI DURANTE LA TRANCIATURA Nella figura a) il punzone comincia a scendere,comprimendo la lamiera e ci sono le impronte lasciate dal punzone (in alto) e dalla lamiera (in basso),dovute a un innesco di deformazione plastica. Man mano che il punzone scende, le sollecitazioni di taglio fanno si che si venga a generare una linea di frattura,creandosi queste cricche perché si raggiunge la sollecitazione di taglio massima a rottura. Le cricche si propagano fino ad avere una rottura di schianto fragile(opaca). 1 e 4 sono superfici formate durante la fase di compressione per deformazione plastica 2 è la zona di tranciatura vera e propria (propagazione della frattura a taglio) aspetto lucido 3 è la zona di rottura di schianto, aspetto opaco È bene sottolineare che punzone e matrice sono costituiti da un materiale particolare (essendo soggetti ad usura) che presenta un’elevata resistenza all’usura. Fondamentalmente le classi di materiali sono 3 : Acciai a basso (medio) tenore di carbonio,facilmente lavorabili e che però offrono minore • resistenza all’usura e alla deformazione. Acciai speciali alto legati (in cui utilizzo degli allignanti che migliorano le proprietà • meccaniche). Rispetto ai primi ovviamente costano di più e sono più difficili da lavorare (quindi maggior costo di laminazione) però ,siccome si usurano meno, avrò dei costi minori di manutenzione. Carboni metallici • Verranno approfonditi successivamente nelle lavorazioni per asportazione di truciolo. DISPOSIZIONE DEI PEZZI Ho bisogno di realizzare questo elementino triangolare,la lamiera scorre,punzone e matrice sono fisso e step by step c’è il ritaglio della lamiera. È bene osservare come viene sfruttato lo spazio in maniera ottimale, ma ho bisogno di due punzoni (essendo la pressa una macchina rigida). Così facendo però avrò sicuramente meno sfrido (basta posizionare opportunamente il punzone o i punzoni). CORRETTO ERRATO Poco sfrido Molto sfrido TAGLIO ALLA CESOIA O TRANCIATURA RETTILINEA Dara vita ad un pezzo (tagliato dal Coil) e dopodiché verra formata. È bene notare che non c’è scorrimento tra tranciato e punzone che invece era presente nella tranciatura a profilo chiuso ( quindi manca dell’attrito). Possiamo avere a coltelli paralleli o a coltelli inclinati. Coltelli paralleli: il coltello si sviluppa parallelamente alla superficie da tagliare. Coltelli inclinati: ha un certo angolo ϑ rispetto alla superficie della lamiera da tagliare. EH EH PREMILAMIERA IHLAMIERA ftp supporto 7 Vediamo le differenze: Area di lavoro Coltelli Paralleli Coltelli inclinati Tutta la lamiera viene In questo caso è un pochino più complicato calcolare la forza e interessata dal taglio. c’è bisogno di una piccola dimostrazione. Richiama molto il Genero sollecitazioni il taglio con le forbici. taglianti che si generano sulla sezione e quindi è più facile calcolare la forza a tau ultima potremo sostituire 0.7(0.5) Rmax. Dimostriamo la F della cesoia inclinata. Immaginiamo di usurare una cesoia a coltello inclinato e in rosso indichiamo la lama in due posizioni,ossia mentre scende per tagliare la lamiera,così da ottenere l’area. Ipotesi che tau ultima e tau massima coincidono. Il coltello è inclinato di ϑ. Mentre il coltello scende,taglia la lamiera e interessa l’area ABCD. Calcoliamo quest’area.Ovviamente questo tipo di coltello taglia a poco a poco e non tutta insieme la lamiera. e si ftp.l.s F tu Forzaper il rigidotriangolo mentre dopo consideriamo i dueTriangoli Ipos 2705B e l I A 20 spessore AB Bce Accasa tgaACS a AB.be Seno 2 Attesa L2tgatgOFtpiatot TR.es IO PIEGATURA I processi di piegatura somigliano un po’ a ciò che abbiamo visto nella forgiatura, in cui abbiamo una pressa,un punzone e una matrice. Considero la Piegatura alla Pressa. Lo schema è molto semplice,somigliando a una trave appoggiata appoggiata con carico centrale. È una piegatura libera perché a seconda di quanto scende il punzone, si piegherà la lamiera. Qui c’è anche un estrattore,cioè il punzone prima scende,deforma la lamiera,poi risale e,per facilitare l’estrazione della lamiera,quest’estrattore (C) sale ed espelle la lamiera dallo stampo. Questo sistema è abbastanza aperto,flessibile. Gli utensili Punzone Matrice La pressa è quella vista per la tranciatura,le cui caratteristiche sono quelle geometriche,legate alla larghezza,profondità,le forze. Piegatura di Profili Mediante la successione di diverse operazioni di piegatura si riesce ad ottenere un profilo complesso (profilato),utilizzando stesso punzone e stessa matrice. Immaginiamo di considerare la piegatura libera,in cui abbiamo un processo molto flessibile. Cosa succede nel momento in cui abbiamo una trave soggetta a flessione? Le sollecitazioni che si generano sono di questo tipo, dette a farfalla. Il diagramma è detto a farfalla perchè abbiamo una zona soggetta a compressione all’intradosso e una soggetta a trazione all’estradosso. Quando si ha una sollecitazione a flessione,potremo sempre individuare una fibra neutra lungo la quale non si ha deformazione e il valore della sollecitazione è nulla. Immaginiamo di adottare uno schema molto semplice,in cui abbiamo una trave appoggiata appoggiata (a). Immaginiamo che il punzone scende e cominci a deformare la lamiera;se mi fermo appena avuta una leggera deformazione, può accadere che la lamiera ritorni nella posizione precedente senza avere subito alcuna deformazione. Per quale motivo avviene ciò? Perchè avendo caricato poco il punzone, sono rimasto nel tratto elastico del materiale e ho generato solo deformazione elastica,senza raggiungere la sollecitazione di snervamento. Quando continuo a scendere col punzone, accade che posso raggiungere sulle fibre esterne la sollecitazione di snervamento ed entrare in campo plastico;una volta entrato in campo plastico sto piegando in maniera permanente la lamiera. Questo significa che esiste un raggio massimo, o curvatura minima,al di sopra del quale non vado a generare una deformazione plastica. La formula di questo raggio è: L’unico elemento su cui posso agire è proprio il valore del raggio massimo. Se pieghiamo troppo la lamiera possiamo giungere a rottura. Una volta deformata una lamiera plasticamente ci sarà sempre un ritorno elastico del materiale. Per studiare questo stato tensionale,dobbiamo individuare un elementino infinitesimo del materiale rappresentativo di tutto il volume del materiale della corona circolare e isolarlo. Andiamo a considerare l’imbutito in fase di imbutitura,scegliendo un elementino della corona circolare,supponendo che sia il più piccolo possibile, e andiamo a considerare un’altra corona circolare infinitesima con distanza dr,raggio infinitesimo, individuando cosi la sezione di corone circolare caratterizzato da un angolo di apertura infinitesimo dϑ. L’elementino presenta 4 facce e su di essa agiranno delle forze che possono essere calcolate come prodotto dell’area per la sollecitazione. Calcoliamo queste forze perché così facendo potremmo eseguire l’equilibrio tra di esse. Fondamentalmente cerchiamo l’equilibrio delle forze nella sola direzione radiale e non circonferenzale. Sulle facce laterali agisce una sollecitazione di compressione,che è tale perché questo materiale in eccesso dovrà essere assorbito e ciò avviene formando una parete cilindrica che ha un diametro minore di quello di partenza del disco. Tuttavia il materiale viene tirato nella zona di deformazione plastica e posso supporre che lungo la direzione radiale si sviluppino delle sollecitazioni di trazione. Calcolo le forze di compressione in direzione circonferenziale andando a proiettarle lungo la direzione radiale. Avendo due superfici laterali, questa componente dovrà essere moltiplicata per 2. Consideriamo le altre forze che si sviluppano sulle altre facce dell’elementino infinitesimo. Queste sono forze di trazione. Su queste due facce che si sviluppano in direzione circonferenziale devo supporre che la sollecitazione non sia la stessa. Considero una sollecitazione maggiore sull’arco di circonferenza maggiore e,in particolare, di un infinitesimo. Se dσr dovesse essere uguale a 0, allora la sollecitazione sulle due facce sarebbe la stessa. A questo punto posso sommare tutte le forze e considerare l’equilibrio ad esso relativo (verso positivo verso l’alto). Fi trazione sovrana AREA direzione 01Radiale compressore proiezionemsn.name a l i necrazione area area compressione sollecitazione rasia.escompressione Notiamo nella seconda relazione,in particolare il quarto termine è il prodotto dell’infinitesimo della sollecitazione,del raggio e dell’angolo si potrà eliminare. Possiamo considerare che,con una piccola approssimazione, σr e σϑ siano due sollecitazioni principali di cui una è di compressione. Posso quindi scrivere che: (σ1-σ2)/2 = τ* Dove σ1 = σr e σ2 = σϑ che è negativo perché è proprio di compressione. Questa differenza richiama il principio di Tresca. Poniamo uguale alla τ caratteristica perchè stiamo analizzando un processo di deformazione plastica. Quindi possiamo porre σ1-σ2 = σ0 , la nostra σ di snervamento. A questo punto dobbiamo estenderlo a tutta la corona circolare, andando a integrare tra il diametro esterno D e quello interno d della parete cilindrica. Al contorno ,però, c’è una condizione per cui sulla circonferenza più esterna non ho nessun materiale che può tirare gli elementini e,quindi, la sollecitazione di trazione lì è pari a 0. Considero l’integrale tra le due circonferenze dove appunto avrò delle sollecitazioni rispettivamente 0 per quella esterna e σr per quella interna. L’obiettivo di tutto l’equilibrio sarà appunto la valutazione di σr e lo vado a calcolare sul diametro interno della corona circolare,cioè il diametro di quella superficie cilindrica che sto generando mediante la deformazione plastica. Possiamo calcolare la forza necessaria alla deformazione plastica: F = π*d*s*σ0*ln(D/d) d = diametro dell’imbutito s = spessore della lamiera σ0 = sollecitazione di snervamento del materiale di cui la lamiera è costituito D = diametro disco di partenza SI da as oo dj a a ente Vi è una diminuzione di spessore soprattutto lungo la parete cilindrica,mentre sul fondo è trascurabile (leggermente maggiore a livello degli spigoli). Il grosso problema che si potrebbe verificare nel processo di imbutitura è che,data la presenza di quei triangoli che costituiscono materiale in eccesso e che deve essere assorbito, si potrebbero formare delle grinze,cioè dei rialzi e,per evitare questo,si potrebbe schiacciare la corona circolare con un premilamiera (che ha un costo aggiuntivo). Nel caso dell’imbutitura con stampo a profilo esponenziale, la matrice ha una geometria tale da far si che l’imbutitura avvenga con gradualità e che non vi sia necessità del premilamiera. Quella che può sembrare buona è però molto più costosa perchè devo dare un profilo a questa matrice,dovendola lavorare, a differenza del premilamiera che è una piastra piana che va a stringere il disco (che avrà bisogno di un sistema di molle per la chiusura). DIFETTI DOVUTI AL MATERIALE Schema Difetto Cause Rimedi Formazione irrego- Tensioni troppo ele-| Ricuocere il mate- lare di cricche dal |vate riale subito dopo bordo della coppa l’imbutitura. verso il basso. Tali cricche si manifesta- no spesso giorni 0 settimane dopo l’im- butitura. Schema Difetto Cause Rimedi Fondo strappato |L'utensile lavora | Aumentare i raggi di completamente sen- \tranciando il mate-| raccordo del punzo za giungere alla for- |riale, perché ne © della matrice mazione della coppa |1. i raggi di raccor- | mediante ripassatu- do dell'utensile | ra alla mola sono troppo ri- dotti o comunque gli spigoli sono vivi, oppure 2. il gioco fra pun- zone € matrice è troppo ridotto, oppure Diminuire ‘a pres- sione del. premila- miera 3. la pressione del premilamiera è troppo elevata, 0| Abbasssare il nume- ancora — ro di corse al minuto 4. la velocità di im-| della pressa butitura è troppo alta. Zona lucida di com- | Gioco troppo ri-| Ripassatura alla pressione di altezza | stretto mola della matrice o p nella parte supe- del punzone riore della coppa Schema Difetto Cause Rimedi Dopo la formazione |Troppo pochi pas: {Calcolare il valore fi di una coppa iniziale |saggi in rapporto |(massimo rapporto) molto bassa, di al- [allaimbutibilità del- |ammissibile —D/4) rezza pari a circa il |lalamiera con il metodo del raggio di asrotonda bicchierino. Even mesto degli spigoli. itualmente aumenta i fondo si strappa [re @ numero dei pes: saggi 0 scegliere una Guida del punzone [scentrata | rispetto |nule alla matrice L 2 Gioco troppo ri| L'imbutitura rettan-| stretto sugli spi-igotare richiede negli gol spigoli un gioco e | Maggiore che tungo! d lati  STAMPAGGIO Ai nostri giorni si è resa necessaria la messa a punto di processi processi innovativi che spingano più sulla flessibilità che sulla produttività. Infatti si passa dal processo con stampo e controstampo ad altri come il processo con cuscino in gomma (rubber-forming), il processo con fluido in pressione, la fluotornitura (formatura incrementale,perchè si è evoluto nel tempo), i processi con sistemi ad elevata velocità. È possibile notare il meccanismo di funzionamento di questo progresso. Abbiamo un cuscino in gomma (indicato coi puntini),che viene mantenuto ai bordi da un contenitore metallico. Tale cuscino avrà delle sue proprietà elastiche,ma comunque è molto deformabile e avremo,poi,la lamiera adagiata su questo cuscino di gomma. Successivamente abbiamo un punzone che scende,sempre spinto da una traversa mobile di una pressa, e questo punzone,dotato di moto verticale, spingerà la lamiera sul cuscino e la lamiera piano piano si formerà intorno al punzone. Il vantaggio di questo processo è che cominciamo a distribuire in maniera più uniforme le sollecitazioni di compressione che agiscono sulla lamiera. Questo è un altro processo di piegatura,con il classico punzone (come visto nella piegatura delle lamiere) e,in questo caso, non abbiamo un tool rigido, ma un tool in gomma (con buone proprietà elastiche e con elevate deformabilità). Questa volta non abbiamo più un punzone,ma abbiamo uno stampo. Ancora una volta abbiamo un cuscino di gomma che risulta essere contenuto in un’attrezzatura metallica che lo sostiene e,questo cuscino di gomma, scende sulla lamiera e va a costringere la lamiera stessa sullo stampo. Avviene questa pressione che agisce in tutti i punti e, in particolare, le zone in cui la gomma viene deformata di più sono caratterizzate dalle sollecitazioni maggiori. Avremo dunque una maggiore uniformità della sollecitazione. Il cuscino di gomma non avrà una geometria fissa e non avrà bisogno di alcuna lavorazione. Se andassimo a eseguire questo stampaggio con una lavorazione di stampo e controstampo in metallo, avremmo dovuto realizzarli entrambi dovendo far fronte a costi elevati, diversamente come avviene con il cuscino di gomma. La stessa cosa avviene in questo processo chiamato fluotornitura, in cui c’è la lamiera di partenza che risulta vincolata a questo stampo, che ha una geometria tronco-conica, e i due dischi toccano puntualmente la lamiera deformandola sul tronco di cono rotante (azione puntuale). Anche questo è uno schema di fluotornitura, in cui c’è uno stampo,non più tronco-conico, ma stiamo realizzando una ventola ad esempio e la lamiera viene fissata a questo mandrino che ruota e c’è il punzone che costringe la lamiera ad aderire al mandrino. Quando si utilizza un disco,invece che un punzone, ciò avviene affinchè diminuiscano le forze d’attrito. Anche in questa lavorazione ci sarà una riduzione di spessore,proporzionale al coseno dell’angolo di inclinazione. Abbiamo dei costi di impianto molto ridotto,perchè abbiamo delle macchina a controllo numerico (mediante software riesco a impostare il percorso del tool). Il tempo di lavorazione sarà più lungo e,quindi,bisogna capire i tempi di settaggio e di produzione,che vado a distribuire per tutti i pezzi che produco. Pochi pezzi -> incremental forming Molti pezzi -> produco punzone È una classica geometria che abbiamo visto nel processo di imbutitura. L’elemento di apertura del tappo viene tranciato da una lamiera più larga,continua ma non del tutto, perchè resterà sempre in contatto essendoci delle zone di tranciatura e dei punti di contatto, in modo tale che prima di essere distaccato totalmente dalla lamiera,questo elemento viene anche bordato. In questo modo aumenta moltissimo la produttività del sistema. Il primo processo che si esegue è un’operazione di tranciatura,quindi dalla lamiera andiamo a tagliare il blank di partenza,che andremo a utilizzare per realizzare la lattina.Il disco viene premuto tra disco e premilamiera,il punzone scende e si esegue un primo step di imbutitura. Il diametro di partenza è molto più grande di quello finale della lattina. Abbiamo diversi step perché il rapporto di imbutitura è molto basso. Si ottiene alla fine la superficie cilindrica e,a questo punto, dobbiamo eseguire altre lavorazioni. Realizziamo con un processo di stampo e controstampo la cupola sul fondo della lattina. Un punzone cilindrico entra nella lattina e va a stampare il fondo contro un controstampo.Nell’operazione di Necking,facciamo un mix di due lavorazioni,cioè una piegatura e una lavorazione incrementale. La lattina viene fissata su un mandrino rotante e,se viene messo in rotazione,con dei dischi andiamo a generare un collo,piegando in maniera incrementale la lattina. A questo punto abbiamo l’aggraffaccio, visto come un’azione di piegatura tra un mandrino e un disco (uno è motore e l’altro ruota folle). Il tappo viene avvicinato al collo della lattina,il disco spinge, si ha la rotazione e quindi proprio l’aggraffaccio. Potrà avvenire la saldatura per punti,oppure il cordone di saldatura potrà essere continuo. In questo caso andiamo ad evidenziare la zona termicamente alterata del cordone di saldatura. Possiamo la presenza del cianfrino,del cordone di saldatura,realizzato a partire dal metallo liquido e possiamo notare che vi è intorno al cianfrino,una volta realizzata la saldatura,una zona termicamente alterata. In particolare,avremo il metallo base con la sua struttura,però,intorno al cordone di saldatura, la struttura del metallo base è ovviamente cambiata perché abbiamo creato il cordone con metallo liquido,quindi metallo ad elevata temperatura. Si potranno avere distribuzioni della grana anche a seconda della velocità di raffreddamento del cordone di saldatura (elevate=grana fine; basse=grana grossolana). Nel cuore del cordone di saldatura c’è una grana a volte colonnare,più grossolana perchè ovviamente qui la velocità di raffreddamento è più bassa. In questo schema si vede il metallo d’apporto (generalmente una bacchetta,un filo) che viene inserito nella zona di saldatura e servirà a favorire la formazione del cordone di saldatura. Il metallo d’apporto è sempre presente nelle saldature eterogene e può non essere presente nelle saldature autogene. Cominciamo dalla brasatura. Nell’immagine vediamo un filo in lega di rame che viene riscaldato,fonde e va a realizzare la saldatura (a destra è già eseguito). Temperature di fusione molto basse. Ovviamente il materiale base non partecipa alla saldatura. Nel caso della saldobrasatura,il materiale d’apporto può essere già posizionato nel cianfrino e,generalmente, si utilizzano anche dei forni. Temperature di fusione più elevate. Passiamo alle saldature autogene per fusione. Le caratteristiche di questo processo sono proprio l’uso,come fonte di calore,della fiamma prodotta mediante la combustione di un gas con l’ossigeno . In particolare quello che vediamo è l’adozione come gas dell’acetilene. La fiamma viene generata all’estremità di un cannello, il quale è particolare e nel quale si deve avere la miscelazione del gas con l’ossigeno. Le caratteristiche di questa fiamma sono proprio le elevate temperature (elevato contenuto termico per fondere il metallo base e d’apporto). Inoltre,deve avere una bassa reattività con il metallo base e d’apporto e può essere stabile,facilmente regolata mediante l’afflusso all’interno del cannello di gas che proviene da bombole. Essendoci una fiamma e un metallo liquido,il primo fenomeno che si potrebbe generare è l’ossidazione del metallo base e del metallo d’apporto. Se,infatti, si generasse ossido la saldatura sarà di scadente qualità. Vediamo la reazione relativa alla fiamma. È una reazione di ossidazione dell’acetilene. In una prima reazione si sviluppa monossido di carbonio e idrogeno. Indichiamo 100 per comprendere rispetto alle altre reazioni qual è l’apporto termico. Dalla prima reazione passiamo alla seconda in cui il monossido di carbonio può ancora legarsi all’ossigeno, se ancora presente, formando anidride carbonica,che non può più legarsi. Il calore che si sviluppa è paragonabile a quella della reazione precedente (in realtà è maggiore,ma serve per capire le proporzioni relative). L’ultima reazione è proprio quella che interessa idrogeno e ossigeno,che formano acqua. Partendo dalla prima reazione,acetilene che viene miscelata all’ossigeno all’interno del cannello, si forma subito il dardo,una zona bianca all’uscita del cannello (il cannello avrà bisogno di un dispositivo di accensione). Vi è poi un altro fiocco di fiamma che ha un colore più azzurro e qui avvengono le altre reazioni ed è generalmente questa la zona in cui si procede alla saldatura. Le caratteristiche quindi saranno proprio: alta temperatura di fiamma,elevato contenuto termico,bassa reattività fiamma-metallo,fiamma stabile e regolabile. Avremo due serbatoi: uno per l’ossigeno e uno per l’acetilene,collegati al cannello e,all’interno di questo, si miscelano. L’ossigeno può essere immesso ad elevate pressioni a differenza dell’acetilene, questo perché diventerebbe esplosivo,però se sciolto opportunamente (generalmente avviene nell’acetone con il contenuto in bombole che hanno una specie di schiuma ceramica) può essere contenuto a pressione di 1,5 MPa. Potrei variare i contenuti della miscela andando a ridurre la quantità di ossigeno e,in questo caso,la fiamma diventa di colore più giallo (riducente), questo posso farlo nel caso in cui abbia paura che il metallo si possa ossidare; in questo modo per far avvenire tutte le reazioni la fiamma andrà ad assorbire l’ossigeno dell’atmosfera e,quindi,sono sicuro che nella zona di saldatura non ci sarà ossigeno. Se,invece,andassi ad aumentare la quantità di ossigeno avrei una fiamma più azzurra e,immettendo ossigeno, avrei il rischio di formazione di ossido. N.B. Il cannello è dotato di una valvola di non ritorno,in modo tale che la fiamma non si può propagare al suo interno,così come la velocità di uscita dal cannello è molto elevata in modo che non ci sia una propagazione della fiamma verso il cannello. Questi gas che si sviluppano devono anche stabilizzare l’arco,sono quindi gas che vengono ionizzati perché si trovano nella zona di sviluppo dell’arco. L’altra azione fondamentale è quella di fluidificare la scoria,cioè si deve generare una scoria (costituita da tutti gli elementi inquinanti del metallo,generalmente piu leggeri) che,quindi,si porta sulla superficie del cordone e partecipa alla protezione del metallo liquido dall’ossidazione. Questo rivestimento che entra nel bagno del metallo fuso,deve fluidificare questa scoria per consentire che questa possa portarsi sulla superficie. Inoltre,il rivestimento ha delle temperature di fusione leggermente superiori a quelle del metallo dell’anima metallica,in modo da creare un condotto e far fondere dopo il rivestimento e prima l’anima metallica. Si crea questo condotto che facilita l’indirizzamento delle goccioline di metallo fuso dell’anima alla zona di saldatura delle due parti. Quali sono le tipologie di rivestimento che potremmo utilizzare? 1)Rivestimento acido,costituito da ossidi metallici. Questo rivestimento ha un buon rendimento,però non difende dalle impurità (zolfo,fosforo) che possono essere presenti nel metallo. 2)Rivestimento basico,costituito da carbonato di calcio, da utilizzare nel caso in cui ci siano impurità.In questo modo abbiamo un’azione desolforante e defosforante. 3)Rivestimento al rutilo, si tratta di ossido di titanio e richiede delle alte differenze di potenziale e,quindi, si ha una migliore stabilità dell’arco, delle temperature più elevate e,dunque, delle proprietà eccellenti del cordone di saldatura. Oltre a questi tre ci sarà anche il rivestimento cellulosico che sviluppa più fumi,dato che stiamo eseguendo la fusione di un metallo, i quali possono essere anche nocivi per la salute. Il processo è discontinuo,perchè una volta consumato tutta la barretta mi devo fermare e andarla a sostituire. mi man Il sistema è portatile,avrò quindi una macchina che mi genera la differenza di potenziale tra il pezzo e l’elettrodo in modo tale che si sviluppi l’arco di saldatura. Vado a montare l’elettrodo nella pinza,genero la differenza di potenziale e lo avvicino (per generare l’arco,a volte,si va a toccare con l’elettrodo il pezzo, in modo da creare quasi un cortocircuito dal quale subito ci si allontana). Una volta stabilizzato l’arco elettrico, la temperatura dell’elettrodo e del pezzo aumentano e,quindi,cominciano a fondere metallo base e metallo dell’elettrodo. Il rivestimento fonde a temperatura più alta e si crea un canale che guida il metallo liquido sul metallo da saldare. Le goccioline cadono per gravità,per effetto del campo magnetico che si genera. Il rivestimento non solo crea la protezione gassosa,vaporizzando ma viene anche disciolto all’interno del bagno fuso agendo da scorificante. Possiamo adoperare sia corrente alternata,che è più economica,ma che rende molto instabile l’arco, sia la corrente continua,grazie alla quale avremo sempre un elettrodo positivo e uno negativo. Il pezzo da saldare sarà quello carico positivamente o negativamente? Dato che i 2/3 del calore vengono generati sull’anodo useremo il pezzo come anodo,in modo tale da favorire la fusione del metallo base e far sì che possa legarsi bene con il metallo che proviene dal metallo d’apporto (barretta rivestita),ma si potrebbe utilizzare il processo inverso. In questo caso la barretta rivestita funge da anodo e il metallo base da saldare funge da catodo. Qual è il vantaggio nell’adoperare questa modalità di saldatura? Il vantaggio è che avremo che la maggior parte del calore sarà ricevuta dalla barretta col materiale d’apporto che fonderà più velocemente:con questa modalità avremo delle produttività più elevate,cioè potremo generare un cordone più velocemente. Lo svantaggio è rappresentato dal fatto che la penetrazione del cordone di saldatura sarà minore,perchè avremo una minore quantità di metallo base fuso.Maggiore è la quantità di metallo fuso apportato,maggiore potrà essere la velocità di avanzamento dell’elettrodo e,quindi,maggiore sarà la produttività. N.B. In tutta la zona di saldatura devo avere un cordone continuo. C’è un metodo per rendere questa saldatura continua? L’arco viene sommerso dal flusso granulare. Ho sempre un elettrodo fusibile,ma questa volta è costituito da un filamento,di diametro minore rispetto al caso dell’elettrodo rivestito, che è avvolto su una bobina; il filo si svolge dalla bobina,viene in contatto con una spazzola,generalmente di rame,collegata alla macchina elettrica, e tale filo viene avvicinato alle due piastre da saldare. Una di queste due piastre è collegata anch’essa alla macchina elettrica,in modo da generare una differenza di potenziale tra la spazzola e la piastra. Essendo,però, la spazzola collegata al filo,sto generando una differenza di potenziale tra il filo e la piastra. Questa volta il filo non è ricoperto dal rivestimento,perchè il rivestimento adoperato nell’elettrodo rivestito è costituito da sostanze fragili,che non consentono una deformazione e,quindi,per come è fatto non consente di far avvolgere il filamento. Accade che il filamento viene avvicinato al metallo base,quindi il filamento funge da elettrodo ed è fusibile,costituito dallo stesso metallo di quello base,chimicamente e metallurgicamente affine. Avvicino il filamento alla piastra e scocca l’arco elettrico e il filamento comincia a fondere. Mi manca però quell’atmosfera protettiva fornita in precedenza dal rivestimento. Cosa posso fare per generare quei vantaggi che mi dava il rivestimento? Vado a spargere il rivestimento al di sopra della zona di saldatura. I granelli che saranno disciolti dall’arco elettrico andranno a generare sia il gas protettivo sia l’azione scorificante,generando quindi la scoria che va a ricoprire il metallo fuso,isolandolo dal contatto con l’atmosfera; i granelli non interessati dalla fusione vengono aspirati dall’altro condotto e rimessi in circolo. In questo modo abbiamo reso continuo il processo (la bobina può essere fusa con continuità). Qui abbiamo l’unità di controllo con le due rotelline,che regola la velocità di scorrimento del filo, la spazzola urta contro il filo in modo da avere la differenza di potenziale. Filo,messo in contatto con le spazzole e,quindi,con la macchina elettrica, funge da catodo e il pezzo da anodo (modalità diretta). I granelli sono ottenuti mediante processi in forno, in cui vengono agglomerati ed essiccati e devono avere questa funzione protettiva dell’arco. Vi possono essere quelli neutri,che hanno quest’azione protettiva o quelli attivi,che hanno una funzione metallurgica,cioè possono anche far si che il cordone si venga ad arricchire di alcuni elementi di lega per ottenere delle proprietà meccaniche migliori. I vantaggi dell’arco sommerso sono: Funzionamento semiautomatico o completamente automatico • Cordone più pulito,uniforme e di composizione controllata mediante il flusso granulare • Velocità di saldatura maggiore rispetto a processo ad arco rivestito • Riduzione del tempo di fermo impianto per la sostituzione degli elettrodi rispetto a saldatura • con elettrodi rivestiti Alta penetrazione e alta deposizione oraria (diminuzione del numero di passate) • Deformazioni dei pezzi minime • Questi processi,sopratutto quello con elettrodo fusibile,vengono utilizzati per acciai (leghe di ferro),ma non sono molto utilizzati per leghe di alluminio,di titanio e materiali con basso punto di fusione,perchè non forniscono un’adeguata protezione nei confronti dell’ossidazione. Inoltre,il processo con elettrodo fusibile ha un problema,cioè le temperature massime sono quelle di fusione dell’elettrodo e ciò influenza la temperatura che si raggiunge sul metallo base. CONTINUO SALDATURA Il plasma può essere considerato come un insieme di particelle cariche,negativamente e positivamente,ma nel complesso neutre che sono presenti nel nostro universo. Riusciamo a generare questo stato di plasma, quindi il quarto stadio della materia,andando a considerare un gas che passa attraverso l’arco elettrico. Si è visto che questo plasma ha con sé una grande quantità di energia e,quindi,se sparato su un oggetto, va a riscaldare l’oggetto stesso (temperature elevatissime raggiunte adottando una particolare pistola). Questa volta il nostro obiettivo è generare la fusione del metallo attraverso il plasma. Quello che dobbiamo fare è arretrare l’elettrodo in tungsteno,in modo tale da far sì che del gas passi attraverso l’arco elettrico,in modo da ionizzarlo. Dobbiamo adottare un doppio condotto: uno in cui facciamo passare del gas che serve alla generazione del plasma;un altro in cui facciamo passare del gas di schermatura (i gas possono essere gli stessi). Possiamo lavorare con due modalità: arco trasferito e arco non trasferito. Nell’arco trasferito,come per la saldatura TIG, l’arco scocca tra l’elettrodo e il metallo base,che deve essere saldato;quest’arco viene attraversato da gas in pressione,che si ionizza e colpisce il metallo fondendolo(con questa tecnologia andiamo ad amplificare la formazione del plasma). Nell’arco non trasferito, la scintilla scocca tra l’elettrodo e il tubo coassiale all’elettrodo stesso. La modalità del trasferimento del calore è legata solo al plasma e non anche all’arco e,quindi,trasferisco meno calore al metallo base, ma il grosso vantaggio è che la differenza di potenziale è generata tutta dalla pistola,che risulta essere indipendente dalla conducibilità elettrica del metallo base. L’arco risulta essere più direzionale e penetrante rispetto al TIG: più direzionale perché la quantità di energia risulta essere più concentrata; più penetrante perché la quantità di energia è così elevata che si diffonde molto velocemente su tutto lo spessore del metallo base. Ci sono due modalità per la realizzazione della saldatura: Per fusione, con basse correnti e materiale d’apporto; • Key hole, con saldature automatizzate per un elevato controllo dei parametri.Poichè il • plasma ha elevate temperature riesce a forare completamente le due piastre da saldare;se lasciassi fermo la pistola avrei la foratura delle piastre,ma se non appena si crea un piccolo foro si inizia a muovere la pistola, si crea una gran quantità di metallo liquido che ha un andamento vorticoso, in seguito a questo flusso di plasma, e questo andamento fa sì che il metallo si misceli bene(saldatura di elevatissima qualità).Questo processo può essere utilizzato anche per il taglio dei metalli,che avviene per fusione e non ossidazione. Due problematiche sono: elevato rumore e generazione di vapori nocivi. Per questi motivi,questo processo viene addirittura eseguito in acqua, in modo da far sì che tutti i vapori vengano disciolti nell’acqua. Si ha un raffreddamento automatico della pistola,così come si ha una perdita di energia e,per favorire la conducibilità termica, si possono usare condotti di rame. Generalmente, si può utilizzare il metallo d’apporto, ma non in key hole perché il processo deve essere tenuto sotto controllo con la massima precisione. Se avessi necessità di inserire il metallo d’apporto? Ritorniamo allora a un mix tra il TIG e l’elettrodo rivestito,ovvero ai processi di MIG-MAG: invece di avere l’elettrodo in tungsteno,ricorro di nuovo all’elettrodo fusibile,in metallo,dello stesso tipo del metallo base. Creo così di nuovo l’arco,che viene generato tra l’elettrodo e il metallo base (la macchina elettrica deve essere collegata al metallo base). Qual era il problema che avevamo con l’elettrodo rivestito? Avevamo il problema dell’ossidazione, cioè il rivestimento dell’elettrodo che doveva andare a isolare il metallo liquido dall’ossigeno circostante. In questi processi,quindi,utilizziamo, anziché l’elettrodo rivestito,il gas che utilizzavamo nel TIG e,dunque, l’elettrodo fonde,ma invio nella zona di saldatura il gas,che può essere inerte (MIG),o attivo (MAG). Il MIG può essere utilizzato per tutti i metalli, il MAG solo per gli acciai. Il MIG utlizza argon ed elio come gas schermante. Abbiamo il metallo d’apporto,sotto forma di filo, il quale è avvolto attorno alla bobina,che può essere collocata al di sopra della pistola. Il metallo d’apporto fuoriesce dalla pistola,c’è il gas protettivo che isola completamente dall’atmosfera. Il processo può essere automatizzato e,quindi,il filo viene fatto avanzare a una velocità costante in base all’avanzamento della pistola. Possiamo avere un sistema di raffreddamento ad acqua e il gas arriva attraverso un condotto,arrivando dalla bombola,isolando completamente la zona di saldatura. Per quanto riguarda il MAG, questo utilizza CO2. Il vantaggio è che l’anidride carbonica attraversa l’arco, dissociandosi in monossido di carbonio e ossigeno, ma in prossimità del metallo base più freddo, di nuovo si ricombinano, rilasciando calore. Il pericolo è che il carbonio che si è dissociato dall’anidride carbonica vada a sciogliersi nell’acciaio (parzialmente avviene). Il grosso vantaggio è l’economia. Esistono tre modalità di saldatura nel MIG-MAG, le quali sono relative al trasferimento di materiale: Short arc, generata da tensioni e correnti basse. Dato che esse sono basse, la quantità di • calore che si sviluppa è bassa e,quindi,l’elettrodo fonde lentamente. Sulla punta dell’elettrodo si forma una goccia abbastanza grossa che,prima di staccarsi, va a collegare l’elettrodo con il metallo base,creando un corto circuito che spegne l’arco e che consente una rapida solidificazione della goccia. Questa modalità è adatta a saldare i pezzi sotto sopra. Spray arc, è l’opposto di quello precedente, perchè si hanno tensioni e correnti elevate. Si • generano gocce di piccole dimensioni che attraversano l’arco e,date le elevate V e I, c’è riscaldamento del metallo base e si ha anche un’elevata produttività; la posizione è piana. Pulsed arc, è un processo intermedio, che prevede dimensioni intermedie delle gocce che si • staccano dall’elettrodo e come produttività si interpone tra i due processi precedenti. Consideriamo un azionamento a pedale. Questa tecnologia ad oggi non è più manuale, ma automatizzata con bracci di robot che portano gli elettrodi e vanno a posizionarsi sulle due lamiere, generando una certa forza di chiusura (di qualche centinaio di kg,area molto piccola). Se sto saldando acciaio con spessore di 1 mm sono al di sotto dei 10 secondi, o anche meno. L’intensità di corrente arriva,al massimo, a 10k A. Saldatura a resistenza:Continua Se la geometria del pezzo non è molto complessa, in cui la zona in cui si deve realizzare la saldatura è piana,si possono avere degli elettrodi a disco. Questi tengono premuta la lamiera e la sposta e si ha un passaggio di corrente continua tra questi due dischi e un cordone di saldatura continuo, perchè la zona di fusione sarà appunto continua (può essere anche a punti). Saldatura a resistenza: Di tubi Abbiamo visto che era possibile ripiegare la lamiera per ottenere un elemento cilindrico e questa piegatura avviene in più step. Il problema è che deve essere saldato. Non appena le due lamiere vengono in contatto, la corrente che passa tra i due elettrodi,collegati alla macchina elettrica, genera i punti di saldatura (si tratta di un giunto continuo che va a saldare in maniera continua i due lembi della lamiera). Nel momento in cui andiamo a porre un pezzo in rotazione contro un altro, nello specifico due alberi posti in contatto, di cui uno in rotazione, quello che si sviluppa nel momento del contatto è un’elevata quantità di calore per attrito,fino a giungere alla temperatura di fusione. Raggiunta questa temperatura, abbiamo un rammollimento del materiale, si ferma la rotazione del mandrino, permane la forza assiale di chiusura fin quando il metallo non si è raffreddato e i due alberi non si sono saldati. Anche in questo caso possiamo calcolare la potenza della macchina,che mette in rotazione l’albero, necessaria per la lavorazione. Per fare ciò possiamo considerare un’analisi di un elemento sottile, in questo caso una corona circolare di raggio r e di spessore dr, che andiamo a misurare in direzione radiale. La forza che agisce su questa corona circolare è una forza infinitesima, data dalla superficie della corona circolare per la pressione,ma nel momento in cui c’è la rotazione, dobbiamo andare a considerare anche l’attrito. Moltiplicando la forza per il raggio otterremo il momento e,integrando tra 0 e re, il momento sarà proprio quello finale. La potenza sarà proprio: P=M*ω Questa potenza corrisponde alla potenza termica. Vediamo le distorsioni del giunto saldato e, in particolare, l’andamento delle temperature (c). Il cordone di saldatura è la zona più calda. Man mano che questo si raffredda, il metallo di questo cordone tenderà a ritirarsi e,se lasciassimo libera la lamiera,otterremmo l’imbarcamento della lamiera (d). La temperatura nel cordone di saldatura sarà più elevata al centro,perchè magari si dissipa meglio alle estremità, a contatto con l’ambiente esterno, e si potrà dissipare il calore. Quindi la lamiera si imbarca sia in un senso che nell’altro. Se la piastra viene bloccata, non avremmo più distorsioni ma nasceranno le tensioni residue. re i re Io e Quando vi sono le tensioni residue, ciò che si può fare è un trattamento di normalizzazione o anche di ricottura e posso andare, a seconda dell’entità delle tensioni residue, a riscaldare il metallo (per acciai a medio tenore di carbonio riscaldamento lento fino a 600°C) con un trattamento di distensione, per poi avere raffreddamento lento in forno a 100°C/h, oppure, se non così elevate, si può passare a raffreddamento piu veloce al di fuori del forno. Cosa può accadere con un giunto a T? Il materiale si vuole ritirare e,poiché in tal caso le piastre (anche abbastanza spesse) non si deformano, ciò che accade è che si possono generare delle fratture all’interno del cordone di saldatura. Abbiamo visto fino ad ora giunti caldi, però in realtà esistono tecniche di giunzione più semplice, come l’incollaggio. È un processo che si cerca di applicare proprio per l’estrema semplicità. Si è in grado di utilizzare queste tecniche perchè esistono degli adesivi molto performanti, generalmente a base di epossido che hanno elevate proprietà. Vengono utilizzati soprattutto per materiali compositi, a matrice polimerica, ma anche per incollaggi ibridi (per es. alluminio-composito in fibra di carbonio). In questo caso si va a trattare in maniera particolare la superficie, che deve essere incollata,la quale viene ripulita e si va ad peggiorare la finitura superficiale,della superficie che deve essere incollata, in modo da offrire all’adesivo una maggiore superficie di adesione. Una delle problematiche, nel momento in cui utilizzo metallo-metallo, potrebbe essere la temperatura,proprio perché queste resine al di sopra del 150-200°C iniziano a degradarsi. La radiazione elettromagnetica,secondo la teoria classica (Maxwell), è un’onda. Avvalora questa teoria il fenomeno della diffrazione (fenomeno puramente ondulatorio). Nel 1901, Planck ipotizza la possibilità che l’energia elettromagnetica sia “quantizzata”; nel 1904, Einstein dimostra la sua teoria sull’effetto fotoelettrico facendo uso della teoria dei quanti. Si può far convergere le due teorie, considerando che non si tratta di un’onda continua, ma caratterizzata da una discontinuità legata al quanto energetico (fotone), che ha un bassissimo valore. L’energia del fotone è associata alla frequenza di emissione del fotone grazie alla costante di Plank: Nel caso dei laser, ci muoviamo tra l’infrarosso e l’ultravioletto. Cosa succede quando consideriamo l’interazione tra questa radiazione e la materia? Questo numero di fotoni emessi da una sorgente colpiscono la materia. Un atomo può aumentare la propria energia passando da un livello base a un livello con energia superiore(per esempio, un atomo può portarsi a un livello energetico superiore generando un salto elettronico). La differenza tra questi livelli è costituito da: Possiamo avere tre interazione tra i fotoni e la materia: Assorbimento • Emissione spontanea • Emissione stimolata • Qual è la relazione tra il fotone e la materia? Assorbimento Immaginiamo che un fotone va a colpire l’atomo, che si trova a livello energetico base, il quale assorbe questo quanto energetico e si porta a un livello superiore. L’atomo è riuscito ad assorbire questo ΔE perchè era proprio uguale all’energia associata al fotone. Emissione spontanea L’atomo si trova in questa condizione E1 in maniera instabile,perchè la sua posizione di stabilità è E0 e,quindi, dopo un certo tempo l’atomo torna al livello base. In questo passaggio, da un livello energetico superiore a uno inferiore, l’atomo rilascia un quanto energetico, pari alla differenza E1-E0, che è proprio un fotone. Emissione stimolata Se dopo l’assorbimento, prima che avvenga l’emissione spontanea, l’atomo viene colpito da un altro fotone, che non può essere assorbito e che si trova in condizione di instabilità, accade che l’atomo ritorna di condizione di stabilità rilasciando il fotone. Questa emissione è stata stimolata da un urto e il fotone rilasciato è coerente con quello che ha urtato l’atomo,cioè caratterizzati dalla stessa fase e frequenza. Devo amplificare sempre di più l’emissione stimolata e,per fare ciò, devo avere un numero di atomi che si trovano a livello energetico E1 molto elevato e sicuramente maggiore di quello che si trova a livello base (inversione di popolazione): N1>N0. Devo cominciare a eccitare gli atomi, facendo sì che si abbia l’inversione di popolazione,mediante un sistema di pompaggio. Quando devo emettere il raggio laser, questo dovrà avere una direzione ben precisa. Per far questo devo avere, nella cavità in cui sono presenti gli atomi, un sistema che fa sì che i quanti energetici abbiano tutti la stessa direzione. Pertanto, agli estremi della cavità inserisco degli specchi, in modo che i fotoni che hanno una direzione normale agli specchi siano riflessi; i fotoni che non hanno direzione normale agli specchi, vengono assorbiti dalle pareti della cavità. Questa cavità deve avere: • Un materiale che ha delle precise caratteristiche, materiale attivo; • Un sistema di pompaggio,che serve ad avere l’inversione di popolazione; Una cavità risonante, che fa assumere ai fotoni la stessa direzione. • • Laser allo stadio solido Quello più utilizzato allo stato solido è quello a neodimio (Nd-YAG), ovvero un cristallo di granato di ittrio e alluminio,drogato con atomi di neodimio. Il materiale attivo è allo stato solido e il sistema di pompaggio è differente da quello precedente, perchè si tratta di flash emessi da una lampada (collegata alla rete elettrica) che eccitano gli atomi del neodimio e a far emettere la radiazione elettromagnetica (pompaggio ottico).Può lavorare in continuo o impulsato. Fondamentalmente, andiamo a considerare due tipologie di laser: uno a gas e uno allo stato solido. In quello a gas parliamo di laser a CO2, mentre in quello allo stato solido di laser a Nd- YAG. Nel caso del laser a gas CO2, all’interno del cilindro, oltre all’anidride carbonica abbiamo anche altri gas, come azoto ed elio. Perchè vengono utilizzati anche altri gas? Perchè servono per i meccanismi di pompaggio e di dissipazione del calore: rendono alcuni livelli del CO2 metastabili, facilitando l’emissione stimolata. L’azoto, in seguito alla scarica elettrica, si porta a livelli energetici superiori, va a urtare gli atomi di CO2 trasmettendo questa energia e rendendo possibile il passaggio attraverso il livello metastabile. Il CO2, poi, passa attraverso diversi livelli energetici e,nel decadimento energetico da un livello all’altro, emette energia che viene assorbita dall’elio. A seconda del materiale attivo avremo una certa lunghezza d’onda. Quando il fascio laser raggiunge una superficie avvengono diversi fenomeni: Riflessione • Assorbimento • Trasmissione della luce • Avremo quindi un coefficiente di assorbimento della radiazione e uno di riflessione. La riflessione comporta una perdita di energia. Se Pi è la potenza incidente, R verrà riflessa dalla superficie e solo la quantità A = 1-R viene assorbita dal materiale: A = coefficiente di assorbimento superficiale R = coefficiente di riflessione superficiale Il coefficiente di assorbimento superficiale dipende dal tipo di materiale, dalla lunghezza d’onda (all’aumentare di essa diminuisce A per i metalli, mentre aumenta per i materiali organici) e dalla finitura superficiale (all’aumentare della finitura diminuisce A). Impianto per lavorazioni con fascio laser Dalla sorgente laser fuoriesce la radiazione, la quale colpisce degli elementi che servono a variare la direzione del fascio laser, in modo da colpire la superficie nel punto in cui vogliamo l’innalzamento della temperatura. Come possiamo guidare la radiazione? Il metodo più semplice è utilizzare gli specchi. Se considero una radiazione elettromagnetica molto potente,però gli specchi, pur avendo un coefficiente di assorbimento basso, possono riscaldarsi e,quindi, devo prevedere un sistema di raffreddamento. Per incrementare l’intensità della radiazione utilizziamo una lente di focalizzazione. Il fascio laser può essere trasportato in due modi: Con una catena di specchi • Con una fibra ottica, utilizzate perchè • intrappolano la luce. Vengono utilizzate con le sorgenti Nd-YAG e non CO2 perchè queste sono caratterizzate da una potenza maggiore. Le fibre ottiche sono realizzate a partire da due vetri di indice di rifrazione diverso: il vetro ad indice più elevato, che costituisce il cuore della fibra e propaga la radiazione, è rivestito con il vetro ad indice più basso. La riflessione segue la legge di Snell. Quando il raggio fuoriesce dalla fibra ottica, esce un pò defocalizzato e,quindi,serve una lente di ricollimazione e quella di focalizzazione. I sistemi ausiliari sono: Chiller: unità frigorifera per il raffreddamento delle sorgenti. Nel nostro caso dobbiamo • raffreddare le pareti della cavità risonante perchè i fotoni assorbiti rappresentano dei quanti di energia che riscaldano le superfici. Sistema di estrazione fumi • Gas di assistenza: servirà per creare un’atmosfera inerte e per evitare che gocce di metallo • liquido vadano a colpire gli specchi, in particolare quello di focalizzazione. Inoltre, servirà ad allontanare il plasma che si forma al di sopra della superficie, in quanto assorbe parte dell’energia della radiazione elettromagnetica . Aria compressa: impiegata in quanto gli specchi necessitano di pulizia periodica e per • funzionamento di numerosi attuatori e dispositivi. Nel caso del laser a gas, si ha subito l’amplificazione della radiazione elettromagnetica, riempiendo così la cavità risonante. Gli atomi,quindi, sono eccitati dalla scarica e raggiungono i livelli energetici superiori e si crea così il meccanismo di formazione della radiazione coerente. Col CO2,quindi, posso ottenere elevate potenze della radiazione e lavorare in continuo, cioè la radiazione può uscire con continuità dalla sorgente; utilizzo uno specchio riflettente e uno semiriflettente,cioè in parte riflette e in parte lascia passare la radiazione, perchè si è creata questa elevata intensità di fotoni. Nel caso del laser allo stato solido, abbiamo la lampada che emana dei flash; gli atomi sciolti all’interno del cristallo cominciano ad essere eccitati, dando così il via all’emissione stimolata. Questo sistema di pompaggio,però, non è efficiente come quello presente nei laser a gas;lo sviluppo della radiazione è più lenta e,quindi, l’intensità della radiazione elettromagnetica sarà minore. Per aumentare la potenza posso utilizzare il laser a impulsi: in un certo istante entrambi gli specchi sono riflettenti e,in questo modo, i fotoni vanno avanti indietro, amplificando la radiazione; a un certo istante, lo specchio diventa semiriflettente, lasciando passare parte della radiazione. Il rendimento del CO2 è molto più elevato di quello del Nd-YAG, infatti è il laser più utilizzato a livello industriale. Le lavorazioni che possiamo condurre con il raggio laser sono: taglio,saldatura,trattamenti termici,foratura,marcatura,riporto,ecc. Queste lavorazioni, come potranno influire sulla modalità di applicazione del raggio laser? Nel caso del taglio, avrò bisogno di potenze elevate e,quindi, andrò a concentrare la mia energia utilizzando un TEM opportuno. Nella saldatura sarà differente la quantità di calore richiesto, che potrebbe essere minore rispetto al taglio. Per quanto riguarda i materiali saldabili, tra i materiali metallici abbiamo gli acciai. Nel caso in cui questi fossero ad alto tenore di carbonio, ci sarebbero delle zone termicamente alterate che possono generare le strutture martensitiche. Nel caso dell’alluminio, soprattutto del CO2, esso presenta dei bassi coefficienti di assorbimento ed è più difficile da saldare. In questo caso si possono utilizzare delle sorgenti come a Nd-YAG, in cui il coefficiente di assorbimento è più elevato. Nel caso del rame e delle sue leghe, non si prestano alla saldatura laser a causa dell’elevata riflettività e conduttività termica. La difficoltà relativa alla conduttività termica è dovuta al fatto che, dal momento in cui abbiamo un metallo che velocemente dissipa l’energia del laser, risulta più difficile concentrare l’energia stessa. I vantaggi della saldatura laser per profonda penetrazione sono : Alta velocità di saldatura • Aumento delle possibilità di automazione • Bassi rapporti temici • 1. Zona fusa e zona termicamente alterata estremamente ridotta 2. Bassi valori di deformazioni totali 3. Sistemi d’afferraggio meno severi Saldabilità di giunti eterogenei (fondo il materiale d’apporto) • Saldature in posizioni di difficile accessibilità • Buona riproducibilità • Tra gli svantaggi, ci sono difficoltà tecnologiche: I due lembi devono essere accoppiati in modo perfetto, perchè la zona colpita dal laser deve • essere molto ristretta per avere un’elevata intensità di energia (5÷10% dello spessore) Il fascio deve seguire con estrema precisione la linea di saldatura (sistema di • movimentazione particolarmente preciso) Trattamenti termici localizzati Consiste nell’imporre un ciclo termico (riscaldamento e raffreddamento) in condizioni controllate ad uno strato di materiale superficiale. La qualità del risultato è estremamente sensibile ai parametri di processo. Con il raggio laser riscaldiamo la superficie del pezzo; faccio giungere ad elevate temperature la superficie, ma non arrivando a quella di fusione, bensì mi trovo nel campo austenitico. A questo punto succede che,in seguito al raffreddamento veloce che può avvenire anche in aria, possiamo andare a temprare la superficie. In base alla velocità del raggio laser, possiamo raggiungere differenti strutture: strutture perlitiche più fini, o addirittura strutture martensitiche, ma in questo caso avremmo bisogno di un rinvenimento. In questo modo andiamo ad indurire il solo strato superficiale, dove sarà necessario perchè in contatto con utensili. Il TEM che adottiamo è simile a quello utilizzato per il taglio, cioè 00, in modo da aumentare al massimo l’intensità del fascio in un punto molto piccolo? No, perchè cercheremo di distribuire maggiormente il fascio laser, in modo da avere una zona riscaldata più ampia. I vantaggi sono: Possibilità di trattare in modo localizzato e molto preciso superfici delimitate e di difficile • accesso Ridotta distorsione geometrica dei pezzi trattati • Gli svantaggi sono: Scarso coefficiente di assorbimento della radiazione laser e necessità di pretrattamento • Ridotto spessore temprato • Instabilità del processo • Accurata messa a punto del processo • Possiamo utilizzare il fascio laser anche per forare. Questo agisce su delle superfici molto limitate e il grosso vantaggio è la possibilità di poter effettuare dei fori di diametro molto piccolo. Generalmente si adotta un regime impulsato. Il grosso vantaggio è che, per forare, non utilizzo un utensile, quindi assenza di sfridi. Il raggio laser può essere utilizzato anche per la marcatura, che può essere di metalli,materiali plastici,ceramici,ecc. il vantaggio è che la marcatura non andrà via, non c’è un utensile che viene utilizzato e che può essere effettuata con elevata velocità. I laser sono in grado di effettuare delle micro lavorazioni, anche su materiali ceramici, e ciò ha fatto sì che sia utilizzato anche nel campo medico. Le striature sono perfettamente perpendicolari perchè, essendo la piastra molto sottile, avendo focalizzato il raggio laser, il calore si diffonde molto velocemente. Quando il fascio laser viene riflesso attraverso gli specchi, diventa più complessa la sua movimentazione. In questo caso si ricorre alla movimentazione del pezzo, piuttosto che della sorgente. È più facile la movimentazione della sorgente quando la cavità risonante è piccola. Consideriamo le lavorazioni non convenzionali, in particolare quelle con getto liquido (WJ). In questo caso, un getto d’acqua viene spruzzato ad elevata pressione, acquistando velocità nell’ugello e colpendo il materiale, andandolo a tagliare. I materiali tagliati con questa tecnica sono più teneri: cartone,pelli,materie plastiche, materiali metallici con spessori limitati. Quello che ci interessa di più è la lavorazione con getto abrasivo (AWJ). Nel caso del getto idro-abrasivo l’asportazione avviene a seguito dell’azione erosiva, sul materiale in lavorazione, di particelle abrasive accelerate dal fluido che funge da vettore. Normalmente c’è bisogno dell’utilizzo di pressioni di centinaia di MPa, ottenute grazie all’utilizzo di compressori, che permettono la lavorazioni di qualsiasi materiale, da quelli di uso comune (metalli, legname,marmo,vetro,espansi) a quelli per applicazioni speciali (leghe ad alta resistenza,grafite,kevlar,materiali compositi), con un danneggiamento termico e meccanico del tutto trascurabile a confronto con le tecnologie convenzionali e questo rappresenta un grossissimo vantaggio. Ciò che è importante è l’ugello, costituito da: Ugello primario 1. Camera di miscelazione 2. Condotto adduttore del materiale abrasivo 3. Ugello di focalizzazione 4. Nell’ugello primario, l’acqua arriva ad altissima pressione e, poi, fuoriesce ad altissima velocità,superiori alla velocità del suono. Per effetto Venturi viene richiamato l’abrasivo, che si miscelta col getto d’acqua e attraversa l’ugello di focalizzazione. Qui dobbiamo stare attenti alla distanza di focalizzazione perchè, se troppo elevata, rischiamo di disperdere l’energia. Il sistema è abbastanza complesso, con sistema di trattamento dell’acqua, un intensificatore della pressione, un sistema di adduzione del materiale abrasivo, un sistema di movimentazione della testa da taglio, testa da taglio, tavola portapezzo,vasca di raccolta, controllore di cella. Nel caso di AWJ la testa è completata da: una camera di miscelazione ad effetto Venturi • da un tubo focalizzatore, di diametro prossimo al millimetro,realizzato in materiale resistenze • all’usura (widia,allumina,ecc.) La funzione del tubo focalizzatore è di consentire all’acqua di cedere parte della propria quantità di moto all’abrasivo e di aumentare la coerenza del getto idro-abrasivo. I due meccanismi di asportazione del materiale sono: Abrasione • Erosione • Nel caso dell’abrasione, il materiale abrasivo ha delle superfici taglienti e,quando l’angolo di interazione tra l’abrasivo e superficie in lavorazione è ridotto, abbiamo l’asportazione di truciolo. Nel caso dell’erosione, immaginiamo che il flusso sia sempre lo stesso, la particella non ha un angolo di incidenza ridotto con la superficie di lavorazione,anzi molto grandi. In questo caso, però, la particella impatta sulla superficie stessa e si genera erosione,creando dei frammenti. Quali sono i parametri di processo? Sono parametri fluidodinamici, che dipendono da: Geometria della camera di miscelazione • Diametro e forma della camera • Modalità di adduzione e mescolamento dell’abrasivo • Materiale del focalizzatore • USURA UTENSILI La geometria dell’utensile è leggermente più complessa di quella considerata nel taglio libero ortogonale,ma possiamo individuare su qualsiasi tipologia di utensile,qualunque sia la complessità geometrica, i parametri geometrici principali. Il fianco è quella superficie dell’utensile che guarda la superficie lavorata del pezzo; il petto è la superficie dell’utensile su cui scorre il truciolo. L’intersezione tra i due dà origine al tagliente principale. Il tagliente secondario viene impegnato per una quantità molto ridotta nella lavorazione e possiamo definirlo come l’intersezione tra il petto e il fianco secondario. Se andiamo a sezionare questo utensile con un piano normale al tagliente principale, ci ritroveremo i tre angoli della sezione normale,visti nel cerchio di Merchant, caratteristici di ciascun utensile. In queste lavorazioni si ha contatto tra utensile e truciolo e si sviluppa una certa quantità di calore,raggiungendo temperature molto elevate. Per alleviare queste temperature,abbiamo bisogno di un fluido. Inizialmente venivano utilizzati degli oli per lubrificare,ma i valori delle velocità di taglio aumentavano sempre più. Pertanto,oltre ad utilizzare fluidi che fossero lubrificanti,si è incominciato a pensare a fluidi che asportassero calore. Infatti,oggi nelle asportazioni di truciolo, si parla di fluidi lubro-refrigeranti. Nelle lavorazioni,quando si raggiungono delle temperature troppo elevate,c’è il pericolo di avere il tagliente di riporto. In questo caso, si staccano dal truciolo dei microframmenti che vanno a saldarsi sul petto dell’utensile. In seguito ad elevate temperature,questi frammenti accrescono sempre più,creando un riporto sul petto dell’utensile. Viene definito in questo modo perchè il materiale che aderisce al petto dell’utensile si va a sostituire al tagliente vero e proprio generando (come si vede dalla figura b) un nuovo tagliente. Col passare del tempo, il tagliente di riporto tende a frantumarsi: parte va via con il truciolo,parte si salda alla superficie lavorata rendendo scadente la superficie stessa. Come si evita la generazione del tagliente di riporto? Innanzitutto refrigerando bene e,quando si va a velocità molto elevate,superiori a dei valori di 70-80 m/min, questo tagliente non si genera. Le lavorazioni che possiamo fare con gli utensili sono: Sgrossatura: l’utensile deve asportare elevati volumi di truciolo (forze di taglio elevate); • Finitura: l’utensile deve permettere l’ottenimento di finiture superficiali adeguate. • Quindi,in queste lavorazioni, vi è una prima fase di sgrossatura e una seconda di finitura. L’utensile è soggetto a sollecitazioni meccaniche e termiche si manifestano come usura e talvolta come collasso improvviso. Ogni utensile è caratterizzato da un tempo di vita utile,durante il quale può eseguire,con le prestazioni desiderate,una data operazione con parametri di taglio definiti. Quali devono essere le caratteristiche dell’utensile? Elevata durezza: soprattutto ad elevate temperature • Elevata tenacità: intesa sia come capacità di resistere agli urti che sollecitano l’utensile in • condizioni di taglio interrotto, sia come capacità di deformarsi sotto carico prima di rompersi Elevata resistenza alla deformazione plastica: che può presentarsi a causa delle elevate • sollecitazioni meccaniche e termiche agenti sull’utensile Elevata resistenza all’usura: causata dallo strisicamento del truciolo sul petto e della • superficie lavorata sul dorso dell’utensile Elevata conducibilità termica: allo scopo di favorire lo smaltimento del calore dalla zona di • taglio Elevata inerzia chimica: per evitare che si esalti il fenomeno dell’usura • Basso coefficiente d’attrito: allo scopo di impedire eccessivi riscaldamenti nella zona di • taglio KT mi da la profondità del cratere di usura,che è la più pericolosa,ma se considero una profondità maggiore del cratere,ritrovo che la sezione resistente è maggiore. Per risolvere questo problema dobbiamo considerare anche la distanza dalla punta KM e,quando il rapporto tra KT e KM supera un certo valore,posso definire l’utensile usurato. Generalmente la relazione è: KT/KM > 0.1 Se invece del cratere di usura,perchè non ho un truciolo lungo che insiste sul petto, si genera un labbro di usura,dovuto dallo strisciamento dell’utensile sulla superficie lavorata. In questo caso è l’usura abrasiva a generare questo labbro di usura sul fianco dell’utensile. In questo caso chiamo VB la distanza media del labbro di usura dal tagliente e se VB > 0.3mm allora posso dire che l’utensile è usurato. Il cratere d’usura può essere causato dall’usura per diffusione che si manifesta a temperature elevate; è presente solo negli inserti in materiali che consentono di raggiungere velocità elevate, ma non è presente nella lavorazione dei materiali fragili che danno origine ad un truciolo interrotto,perchè questi materiali danno un truciolo non continuo che non insiste sul petto. Il labbro d’usura è provocato dallo strisciamento del dorso sulla superficie lavorata, nonostante ci sia l’angolo α. Questa usura è sempre presente, in maggiore o minore misura, ma comunque meno evidente rispetto al cratere d’usura. Ci possono essere altri danni che possono portare all’usura dell’utensile, come la scheggiatura del tagliente, magari dovuta al fatto che l’operatore non è stato attento e,in fase di appostamento, è andato ad urtare con l’utensile contro al pezzo. L’usura dell’utensile va a definire la durata dell’utensile. La durata è influenzata: dalla velocità di taglio,dall’avanzamento,dalla profondità di passata,dal materiale dell’utensile,dal materiale in lavorazione,dalla geometria dell’utensile,dall’azione del fluido da taglio se presente. Per determinare questa relazione, Taylor considerò la curva di usura del tagliente e,in particolare, il caso in cui la velocità di taglio era costante e tutti gli altri parametri variavano e,poi, il caso in cui la velocità era l’unico parametro a variare. In scala logaritmica, questa legge è una retta: Successivamente Taylor sviluppò una relazione più complessa,tenendo conto dell’avanzamento e della profondità di passata. Per utensili in acciaio rapido n = 0.15 m = 0.6 r = 0.15 lnt nllnv.nl lui Elettroerosione L’ultima tecnologia non convenzionale è l’elettroerosione. Con questo processo si possono realizzare dei pezzi e lavorare dei materiali molto duri,anche se non garantisce elevate produttività. Consiste nell’asportare del materiale mediante una serie di scariche elettriche tra due poli (elettrodo od utensile di lavoro e pezzo da lavorare). La caratteristica di questa tecnica è di lavorare tutti i materiali conduttori di elettricità (metalli,leghe,carburi,grafite,ecc.) qualunque sia la loro durezza. Il processo di asportazione del materiale si basa su diversi meccanismi, quali vaporizzazione,fusione e frattura per fatica termica del materiale. Consideriamo il principio fisico alla base dell’elettroerosione. I due elettrodi,tra i quali vado a generare una differenza di potenziale,vengono immersi in 1. un mezzo dielettrico od isolante (nel processo classico si usa olio). Si applica una forte tensione tra gli elettrodi, che si avvicinano e, tra i punti dei due elettrodi che sono a distanza minore, si crea un forte campo elettrico, dovuto al fatto che,pur essendo il materiale isolante,in seguito alla forte tensione tra i due elettrodi, questo materiale inizia a ionizzarsi. Quando il campo elettrico supera la rigidezza dielettrica del fluido, si ha la rottura del 2. dielettrico e l’apertura di un canale di scarica. In questa fase il forte campo elettrico accelera alcuni elettroni del pezzo che attraversano il dielettrico, questo genera un effetto valanga che rompe l’isolamento del dielettrico proprio in corrispondenza del punto dove il campo elettrico è più elevato. L’urto degli elettroni accelerati con le molecole di dielettrico genera ulteriori elettroni liberi e 3. ioni positivi che fungono da portatori di carica e vengono accelerati dal campo elettrico ed è precisamente in questo punto che si sprigiona la scintilla vera e propria. Conseguentemente si crea un canale di plasma ad altissima temperatura (8000 e 12000°C) in grado di condurre una elevata quantità di elettroni. Con il persistere della corrente di scarica, il canale tende ad allargarsi intorno al punto 4. iniziale. Le aree dell’elettrodo e del pezzo a diretto contatto con il canale di plasma,sottoposte al bombardamento dei portatori di carica e alle alte temperature del canale, fondono creando dei piccoli crateri di materiale fuso. 5. Sotto l’effetto degli urti si generano alte temperature in ambo i poli ed intorno al canale di plasma si forma una sfera di gas che inizia a crescere. Nel frattempo le alte temperature che si hanno nei due poli, fondono e vaporizzano parte del materiale del pezzo, comportando un’usura dell’elettrodo quasi impercettibile. 6. Questa situazione (bolla di gas grande e materiale fuso su ambo i poli) procede fino a che c’è passaggio di corrente. Interrompendo la corrente,il canale di plasma, non più alimentato da fonti di energia esterne, implode su se stesso lasciando il posto a nuovo materiale dielettrico. Venendo improvvisamente a mancare la pressione sulla superficie del cratere, il materiale fuso viene risucchiato fuori, lasciando il cratere vuoto. Il materiale fuoriuscito si raffredda, solidificandosi in minuscole palline (sfridi). Il tipo di energia è termoelettrico; il meccanismo di asportazione prevede: vaporizzazione di piccole quantità di materiale, distacco da stress termico,fusione del metallo in superficie; il mezzo per il trasferimento dell’energia sono elettroni e ioni. Il grande vantaggio è che posso lavorare metalli molto duri o induriti con trattamenti termici o chimici, dato che non ho contatto fisico tra utensile e pezzo in lavorazione. Posso creare una figura geometricamente complessa, ciò è dovuto al fatto che l’elettroerosione non necessita di un utensile rotante. La velocità di lavorazione è lenta rispetto alle altre tecnologie ad asportazione di truciolo, mentre è elevata l’usura relativa dell’utensile. Ci sono delle buone tolleranze di lavorazione, un overcut contenuto,assenza di bava e presenza di strato rifuso in superficie. RUGOSITÀ Tutte le superfici sono caratterizzate da una rugosità e,in particolare,per tutte possiamo individuare una superficiale ideale,una reale,una misurata e una di riferimento. La superficie ideale è quella superficie che è geometricamente perfetta e,quindi, quella che definisce idealmente il pezzo. Come è rappresentata nel mondo reale? Attraverso un disegno. La superficie reale è quella superficie che effettivamente si ottiene dal processo produttivo e che,molto spesso, non riusciamo a definire molto bene. La superficie misurata è quella che rileviamo mediante degli strumenti (nel caso della rugosità utilizziamo un rugosimetro,che ci fornisce la misura microgeometrica della superficie,che si avvicina alla superficie reale). La superficie di riferimento viene utilizzata per gli errori geometrici, quelli macroscopici. Rugosimetro Il rugosimetro è costituito dallo stilo, che può scorrere sulla superficie. Esso è costituito da un testatore,che è la punta dello stilo, che ha una forma conica o piramidale e avente un raggio di raccordo molto piccolo (2.5 micron). Più piccolo è il raggio di raccordo, meglio la punta del testatore riuscirà a seguire la superficie reale,misurandola. La punta dello stilo non riuscirà ad entrare in tutte le valli e misurare le imprecisioni. Lo stilo dovrà muoversi sulla superficie per misurare e,infatti,è presente un’unità motorizzata,che lo sposta avanti e indietro. Lo stilo si sposta verticalmente e questo moto viene amplificato,trasformato e memorizzato, per poi essere filtrato e poi analizzato con il calcolo dei parametri. Il moto viene filtrato perchè posso avere un’ondulazione macroscopica, tessitura secondaria, ma non devo tenerne conto. Queste ondulazioni sono dovute alla lavorazione o alle vibrazioni,così come a dei difetti di forma,ma non devo misurarli perchè la rugosità misura solo gli aspetti microgeometrici di questa superficie. Perchè ci interessa l’andamento microgeometrico? Perchè nelle lavorazioni convenzionali avremo un andamento caratteristico delle superfici dopo la lavorazione, in particolare avremo un orientamento prevalente delle creste e notiamo un passo della rugosità (figura 1), diversamente dalla figura 2 che è ottenuta per elettroerosione. Un’altra superficie che presentava un orientamento prevalente della rugosità è quella ottenuta con i processi di taglio (laser,waterjet). Il rugosimetro memorizza un andamento di questo tipo. Dobbiamo capire quali sono i parametri caratteristici di questo profilo. Il primo parametro è la rugosità massima totale,cioè la distanza massima picco-valle. Per rendere questo parametro un più distribuito sul profilo, posso dividere l’intervallo di misura in più intervalli (generalmente in 5). In ogni intervallo misuro la distanza massima picco-valle e faccio la media di queste misure. Questo parametro è la rugosità massima media. Se questo parametro non mi bastasse e volessi tener conto di tutto l’andamento, potrei trovare una linea media del profilo. Il software,partendo dall’origine,misura la quota di tutto il profilo e posiziona l’asse x in corrispondenza della linea media,definita tramite il calcolo dell’area sottesa ai picchi e l’area sovrastanti le valli. Quando la somma di queste aree è uguale a zero,allora l’avrà individuata. Se faccio diventare positive le A” e,invece di considerare Y(x),considero |Y(x)|,l’integrale somma tutte le aree. Conoscendo la base e l’area, posso calcolare l’altezza del profilo dividendo l’area per la base stessa. Questo valore corrisponde alla rugosità media aritmetica. Avendo considerato tutto il profilo,ho una misura continua dell’andamento della superficie. Un altro parametro è la rugosità media geometrica,molto simile a quello precedente, ma si differenzia da esso perchè la Y(x) è al quadrato. Questa variazione è dovuta al fatto che vengono esaltati maggiormente i punti più distanti dalla linea media e,quindi, mette in risalto se ci sono picchi molto alti o valli molto profonde all’interno del profilo. Un altro indice che misura con continuità la superficie è l’indice di asimmetria. In questo caso la Y(x) è al cubo,andando a risaltare ancora di più i picchi e le valli, ma in questo caso la valle resta col suo segno negativo e l’integrale fornirà un numero che potrà essere positivo o negativo. Se il numero è positivo,vuol dire che sul mio profilo vi sarà una prevalenza di picchi; se è negativo avrò prevalenza di valli. Questo indice è importante perchè a volte le superfici vengono utilizzate come superfici di scorrimento: nel caso di prevalenza di valli si avrà uno scorrimento più facilitato;diverso è il caso di prevalenza di valli. Se considero un’altra superficie di scorrimento,ad esempio, le valli rappresentano dei serbatoi di lubrificante. L’ultimo parametro è l’indice di spaziatura. Questo indice indica la distanza tra i picchi, individuando tutti i punti di incontro della linea media con il profilo, laddove c’è una pendenza positiva. Il software fa la somma delle distanze tra questi punti e la divide per il loro numero. Lavorazione per asportazione di truciolo Rispetto all’elettroerosione o raggio laser, c’è il contatto tra utensile e pezzo. Ci sono degli elementi in questo tipo di lavorazione (convenzionale),cioè il pezzo,l’utensile e il truciolo che dobbiamo asportare per ottenere il pezzo finale. In questo caso,andremo a vedere la cinematica e meccanica del taglio,i parametri e i risultati della lavorazione,oltre alle macchine e i processi. A seconda delle caratteristiche del materiale,della geometria dell’utensile e della velocità di taglio, il truciolo che si distacca dal pezzo in lavorazione può assumere diversi aspetti: Geometria: a nastro,tubolare,elicoidale,ad arco,aghiforme • Sviluppo: continuo,lungo,corto,spezzettato • Andamento: regolare,irregolare (aggrovigliato) • Lo schema fondamentale è il taglio libero ortogonale. In questo taglio andiamo a eseguire delle semplificazioni del processo. Abbiamo un utensile caratterizzato da un moto di taglio, un pezzo in lavorazione, un soprametallo che viene asportato nel momento in cui l’utensile avanza e genera il truciolo,che viene allontanato dal pezzo in lavorazione,ottenendo la superficie lavorata. Quali sono le caratteristiche del taglio libero ortogonale? Larghezza del tagliente maggiore di larghezza del pezzo • Velocità di taglio costante lungo tagliente • Tagliente perpendicolare alla velocità di taglio • Tipi di truciolo Dinamica del taglio Abbiamo utilizzato questo schema,che rappresenta un’approssimazione a quello reale. L’approssimazione più forte è che la larghezza dell’utensile è superiore alla larghezza del pezzo in lavorazione. Con questo schema potremo considerare due forze uguali,ma di verso opposto,che si generano tra utensile e pezzo in lavorazione. Possiamo individuare un’azione R tra utensile e pezzo in lavorazione,che risulta essere applicata sulla punta dell’utensile,cioè sul tagliente. Quest’unica azione piò essere scomposta nelle diverse direzioni,che vanno ad individuare i diversi elementi che entrano in gioco nel taglio libero ed ortogonale. Questi elementi caratteristici sono: utensile,truciolo,pezzo in lavorazione. Le diverse direzioni sono: Direzione del petto dell’utensile. Scegliamo queste direzioni perchè il truciolo scorre sul • petto dell’utensile (utensile-truciolo). Direzione di taglio (utensile-pezzo). • Direzione di scorrimento dei piani atomici (pezzo-soprametallo che si trasforma in truciolo). • L’azione più semplice è lo scorrimento del truciolo sul petto dell’utensile. 1 Em E p Tgs giàp ti Analizziamo l’iterazione truciolo-utensile (formule 1). Il truciolo scorre sul petto dell’utensile,dunque per deformarlo l’utensile deve generare una forza normale al petto dell’utensile N. Mettiamo in relazione R,F e N: il truciolo sta scorrendo sul pezzo essendoci una forza di spinta,si genera una forza di attrito che ha direzione parallela al petto F. Passiamo ad altre due direzioni: quella di taglio e la normale a quella di taglio (formule 2). Le formule 2 rappresentano le due componenti di R tra l’utensile e il pezzo. Ci resta da vedere truciolo-pezzo (formule 3). Le formule 3 rappresentano la forza totale lungo la parallela e la normale rispetto allo scorrimento dei piani atomici. Come determiniamo Φ ? Dato che abbiamo una deformazione plastica,l’angolo compreso tra R e Fs è 45°, dunque: Φ+ρ-γ=45°. CONTINUO ASPORTAZIONE DI TRUCIOLO Al di fuori dell’angolo Φ, tutti i parametri sono noti, anche Fs perchè sarà proporzionale alla sollecitazione di taglio,che risulta essere dipendente dal materiale in lavorazione. A0 = sezione del truciolo indeformato h0 = sovrametallo (che coincide con lo spessore del truciolo indeformato) b = larghezza del pezzo (inferiore larghezza utensile) As = area misurata sul piano di scorrimento degli atomi Ac = area del truciolo h = spessore del truciolo AC = hs = h0/senΦ L’angolo Φ-γ sarà l’angolo compreso tra lo spessore del truciolo e la direzione di scorrimento dei piani atomici. Possiamo utilizzare due metodi per determinare l’angolo Φ : Calcolo sperimentale di Φ • Calcolo teorico di Φ • Partiamo dal calcolo sperimentale di Φ. In questo caso conosciamo h0, ma lo spessore del truciolo h può essere misurato,perchè a valle della lavorazione possiamo misurarlo. Pertanto,prima eseguiamo la lavorazione,poi misuriamo tale spessore. Una volta misurata h e conosciuto h0, posso definire il rapporto tra h0 e h, come il fattore di ricalcamento rc. B i ha sen I Gli angoli in questione saranno quelli di registrazione. Non bisogna confondere questi angoli con quelli della sezione normale. Quegli angoli possono essere ottenuti andando a sezionare con un piano normale al tagliente principale l’utensile. La superficie che genero sarà così. Questi triangolini saranno più o meno grandi, in funzione dell’avanzamento dell’utensile che sto adottando: maggiore è l’avanzamento, maggiore sarà la dimensione dei triangoli. Devo calcolare la finitura superficiale della superficie lavorata. Nei nostri parametri di rugosità, BD corrisponde all’altezza massima picco-valle e,quindi,la rugosità massima. AB+BC rappresenta l’avanzamento. Sapendo che per determinare Ra abbiamo bisogno della linea media, quella nello schema sarà tale se i due triangoli AEF e FLD sono uguali,così come per DLG e GCH. i ni LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE DI MATERIA (TRUCIOLO) Così come già visto,l’asportazione di truciolo può avvenire anche tramite tornitura e fresatura. Nel caso della tornitura, nella prima lavorazione che andiamo a prendere in esame, il moto di taglio sarà continuo come quello di avanzamento. L’utensile che utilizziamo in questa lavorazione è un pò più complesso. Il pezzo che si ottiene per tornitura è assialsimmetrico e può essere montato nel mandrino del tornio: a sbalzo • con contropunta,inserita per dare maggior sostegno alla trave • tra le punte • Il mandrino sarà posta in rotazione e la velocità di taglio sarà posseduta dal pezzo. Considero un esempio di tornitura cilindrica. Quando invece il moto di avanzamento è normale all’asse di rotazione si parla di spianatura. Posso ottenere: Superfici piane - Ottenute con: avanzamento longitudinale e parallelo all’asse di rotazione del pezzo per lavorazione,con • utensile a coltello, di uno spallamento avanzamento trasversale e perpendicolare all’asse di rotazione del pezzo (sfacciatura e • troncatura) Superfici cilindriche - Ottenute con: avanzamento longitudinale e parallelo all’asse di rotazione del pezzo • Superfici coniche - Ottenute con: avanzamento con moto rettilineo secondo una direzione complanare ed obliqua rispetto • all’asse di rotazione del pezzo Calotte sferiche - Ottenute con: avanzamenti longitudinale e trasversale tali da far descrivere all’utensile un arco di cerchio • con asse ortogonale incidente quello di rotazione del pezzo Quando effettuo una tornitura longitudinale, la punta dell’utensile descrive un’elica cilindrica sulla superficie del pezzo,composta dal moto di rotazione del pezzo e dal moto di avanzamento dell’utensile. Posso individuare il passo dell’elica e chiamarlo avanzamento per giro. Posso definire la velocità di avanzamento dell’utensile (a), che sarà uguale al numero di giri del pezzo in rotazione, al minuto per l’avanzamento per giro. I triangolini sono quelli studiati della finitura superficiale, che devono essere più piccoli del sovrametallo (P=profondità di passata),aventi un’altezza Rt. Nel caso della filettatura,questi triangoli coincidono con la profondità di passata. Considero lo schema di tornitura cilindrica,con il pezzo in rotazione e il moto di taglio è posseduto dal pezzo. L’utensile possiede un moto di alimentazione, che nel caso della tornitura longitudinale, è parallelo all’asse di rotazione. Vt è la velocità di taglio, quellla relativa tra superficie di taglio e utensile. Le superfici che possiamo ottenere sono: Sia che si tratti di metallo duro che di ceramico, nel caso degli utensili, non avremo un’uniformità del materiale, ma questo è costituito da particelle mantenute insieme da un legante. Se considero una placchetta in carburo, ho del cobalto che va a legare le particelle: in ogni caso,il legante tende ad unire le particelle, ma vi saranno delle microporosità,all’interno del materiale,tra particelle tenute insieme dal cobalto (più cobalto c’è e minore è la durezza). Nel caso degli utensili ceramici, ad alte temperature, è solo la superficie esterna della particella che passa allo stato “fuso” (che tende a quello liquido,possedendo un’elevata viscosità), ottenendo la giunzione delle particelle solo nei punti di contatto. Tutto ciò determina che,all’interno dei materiali,si possano generare delle fratture in seguito ad urti o quando soggetti a trazione. I punti di trasmissione delle sollecitazioni sono pochi e,quindi, le sollecitazioni in questi punti raggiungono valori molto elevati ed è facile che si propaghi la cricca, trattandosi comunque di materiali con porosità. A quale sollecitazione resisteranno bene? Alla sollecitazione di compressione, perchè tende a tenere uniti le particelle. Se osserviamo alla sezione normale al nostro utensile, possiamo notare che la sollecitazione che agisce sull’utensile sarà opposta rispetto a quella considerata nel cerchio di Merchant, perchè stiamo considerando l’azione del materiale sull’utensile. Nel primo schema,in cui γ è positivo,se immagino l’utensile bloccato in questa posizione, posso notare che l’utensile somiglia a una trave incastrata con un carico di punta, la quale viene sollecitata a flessione. Essendo la flessione uno stato di sollecitazione composto da trazione e compressione,avremo trazione sul petto dell’utensile e compressione da parte del fianco. Essendo la trazione mal tollerata dai materiali ceramici o dai carburi metallici,per evitare che essa si generi,in questi utensili si cerca di dare un valore nullo o negativo all’angolo γ. In questo caso,terzo schema,la direzione della sollecitazione cambia : se considero la trave incastrata con carico di punta,possiamo notare che l’azione del materiale sull’utensile non è più di flessione,ma è una forza che tende a comprimere il materiale,dunque compressione, che è ben tollerata. N.B. Quando utilizzo le placchette si considera un raggio di raccordom determinando una variazione del profilo della superficie lavorata. La curvatura sarà: 1/r. Posso calcolare,con queste formule,qual è il punto più alto del profilo (punto in rosso). daI.sk DI 2k di e daI ix fi left gi RaiRtl4 La formula della rugosità vale per questi utensili quando si eseguono delle operazioni di finitura; quando gli avanzamenti sono molto elevati valgono le formule con il profilo triangolare, perchè il tagliente risulterà essere molto impegnato. Per queste tipologie di utensile,vado a considerare il costo dell’utensile. Ca = costo di acquisto Cr = costo di riaffilatura Cru = costo di recupero (trascurabile) r = riaffilature Cp = costo placchetta Np = numero di taglienti principali della placchetta Cpp = costo porta placchetta Ntot = numero totale di taglienti Qual è il grosso vantaggio di questi utensili? La possibilità di riaffilare l’utensile,con un’operazione di rettifica. FRESATURA Il processo di fresatura,dopo quello di tornitura,è il più diffuso e versatile nell’ambito delle lavorazioni ad asportazione di truciolo. Consente di asportare il sovrametallo mediante un utensile rotante multitagliente (fresa), cui è conferito il moto di taglio,mentre il moto di avanzamento è per lo più conferito al pezzo,in direzione normale all’asse di rotazione della fresa (fresatura verticale) e può essere sia rettilineo che curvilineo,perchè sono lavorazioni che danno origine a superfici complesse. Grazie all’ampia gamma di forme degli utensili,la fresatura consente di eseguire una grande varietà di lavorazioni: superfici piane,scanalature,profili dentati,superfici libere (stampi). La velocità di taglio sarà sempre uguale a πDn, così come già visto,ma stavolta D è il diametro della fresa e non del pezzo, mentre n è il numero di giri al minuto del mandrino. I moti di taglio possono essere: Fresatura frontale,quando l’asse della fresa è normale alla superficie in lavorazione; • Fresatura periferica (tangenziale),quando l’asse della fresa è parallelo al piano di lavorazione; • Fresatura assiale,quando l’asse della fresa è normale alla superficie in lavorazione, ma il • moto di avanzamento è parallelo all’asse. La contornatura è la lavorazione di profili mediante frese “a candela”. Se taglio l’utensile con un piano normale al tagliente, vado ad evidenziare lo schema del taglio libero ed ortogonale, andando ad individuare su ogni dente della fresa il petto sul quale scorre il truciolo e il fianco che vede la superficie lavorata del pezzo,oltre agli angoli α,β,γ. Per le frese a denti dritti si considera la sezione secondo un piano perpendicolare ai taglienti e all’asse della fresa; per le frese a denti elicoidali si considera la sezione secondo un piano perpendicolare alla tangente all’elica media del tagliente. Nella fresatura periferica possiamo avere due modalità di lavorazione: In opposizione (discordanza),quando il moto di taglio si oppone al moto di avanzamento • posseduto dal pezzo; In concordanza,quando il moto di taglio è concorde al moto di avanzamento.• Che CONTINUO FRESATURA In opposizione, il dente della fresa si impegna con una piccola quantità di materiale che va via via aumentando con la rotazione dell’utensile; in concordanza,invece,il dente viene subito impegnato con una sezione del truciolo molto ampia,che va via via diminuendo con la rotazione della fresa. Questo fa sì che si abbiano delle differenze a seconda della strategia adottata. Ad esempio, se avessi un grezzo che viene da fonderia,con superficie ossidata, converrebbe utilizzare la lavorazione in opposizione. In questa lavorazione, la fresa tende ad alzare il pezzo dalla tavola portapezzo, diversamente dalla lavorazione in concordanza,in cui la fresa spinge il pezzo verso la tavola portapezzo. I vantaggi della fresatura in concordanza sono: 1) Assenza di strisciamento: Buona finitura superficiale • Ridotto riscaldamento del pezzo e del tagliente • Potenza assorbita minore • 2) Forza verticale verso il basso: Stabilità del bloccaggio • Gli svantaggi sono: 1) Forza orizzontale concorde all’avanzamento: Distacco periodico dei fianchi dei filetti della madrevite da quelli della vite • 2) Urto iniziale: Rischi di rottura del dente • I vantaggi della fresatura in opposizione sono: 1) Forza orizziontale opposta all’avanzamento: Contatto continuo dei fianchi dei filetti della vite e della madrevite • Gli svantaggi sono: 1) Strisciamento iniziale: Usura del dente della fresa • Incrudimento del materiale • Eccessivo riscaldamento del tagliente • 2) Forza verticale verso l’alto: Vibrazioni della maccchina • Distacco del pezzo dall’attrezzatura • Queste modalità, in opposizione e concordanza, sono delle operazioni che riguardano la fresatura periferica,perchè la superficie che sto lavorando è parallela all’asse di rotazione dell’utensile. Se vado a prendere in esame la fresatura frontale,con asse di rotazione dell’utensile normale alla superficie da lavorare,gli svantaggi sono: Spessore del truciolo pressoché costante: assenza di vibrazioni • Maggiore rigidità (asse della fresa corto) • Solitamente si ha un maggior numero di denti in presa: la lavorazione è più uniforme • Lo svantaggio è che i denti sono sempre in contatto con la superficie lavorata del pezzo e ciò determina delle temperature maggiori dell’utensile. Le striature che vengono lasciate sulla superficie lavorata vengono lasciate dai denti della fresa e sono identiche a quel profilo superficiale che abbiamo visto con la rugosità della superficie. CICLO DI LAVORAZIONE Si dice ciclo di lavorazione tutto l’insieme di operazioni necessarie a fabbricare un singolo elemento attraverso una successione di processi tecnologici (fusione,stampaggio,lavorazioni per asportazione di truciolo,trattamenti termici o superficiali,etc.). Cosa si intende per pianificazione del ciclo di lavorazione? Si intende una funzione che stabilisce un insieme ordinato di operazioni che permettono a un pezzo greggio o semilavorato di raggiungere,attraverso passi successivi,la forma finale. La stesura di un ciclo di lavorazione è un problema a più soluzioni, che devono avere un obiettivo, come massimizzare produttività o avere minor costi di produzione. Pertanto,potremmo avere più cicli di lavorazione per realizzare lo stesso prodotto. I principali passi per la stesura del ciclo sono: Dovendo tener conto della presenza di altri materiali,oltre quelli metallici,come i polimeri, uno step che va insieme al 1. è la scelta del materiale di partenza, scelto in funzione degli obiettivi. Per fase si intende l’insieme ordinato delle operazioni che sono seguite su una stessa risorsa. Per sottofase si intende l’insieme ordinato di operazioni realizzate sulla stessa risorsa e con un medesimo posizionamento del pezzo. Per operazione elementare si intende la lavorazione di una superficie del pezzo realizzata con un unico utensile,che deve essere messa in ordine rispetto alle altre. Le informazioni di partenza sono: Primo passo: individuare le superfici che devono essere lavorate e,in base alla loro forma,posizione,precisione dimensionale e finitura superficiale, ipotizzare i possibili processi di lavorazione da usare. Secondo passo: si raggruppano le superfici secondo il principio di poter lavorare il maggior numero di superfici con il medesimo processo (stessa fase) e possibilmente con lo stesso piazzamento. Terzo passo: individuate le fase è necessario sequenziale rispettando i vincoli di precedenza tra di esse. Quarto passo: cicli alternativi. Esistono relazioni di precedenza tra un’operazione e l’altra? Ci sono delle esigenze tecnologiche. Nel caso di fori di diverso diametro e precisione che si intersecano,è preferibile eseguire prima il foro di minor diametro e maggiore precisione; in caso contrario,a causa della presenza di discontinuità, la precisione del foro a minor diametro non sarebbe garantita. Fatto ciò, devo scegliere gli utensili più adatti per garantire la qualità e l’economicità della produzione. Nel caso di utensili con inserto: Materiale inserto • Forma e dimensioni inserto • Angoli caratteristici • Raggio di raccordo tra i taglienti • Geometria e dimensioni stelo o corpo utensile • Devo scegliere i parametri di taglio per l’ottimizzazione economica del processo di taglio: Profondità di passata, in prima approssimazione circa lo spessore del sovrametallo • Avanzamento, il massimo consentito dai limiti tecnologici • Velocità di taglio, corrispondente alla durata di minimo costo o massima produttività • Tale scelta è legata a: durata del tagliente, materiale dell’utensile e del pezzo,condizioni di taglio,geometrica utensile,sovrametalli da asportazione. Devo verificare che non superati vincoli tecnologici: vibrazioni,eccessive deformazioni,massima rugosità,potenza ammissivbile,velocità e avanzamento disponibili. Passo alla scelta delle attrezzature: l’obiettivo è riferire il pezzo nello spazio di lavoro della macchina e bloccarlo in posizione stabile e senza deformazioni. La scelta è basata su analisi delle superfici del pezzo,delle lavorazioni da effettuare in ogni fase e sottofase, della precisione dimensionale e delle tolleranze. Il principio di progettazione è il posizionamento isostatico. Il calcolo dei tempi passivi può essere ricavato con: Rilevamento diretto 1. Metodo M.T.M. 2. In questo secondo caso, si scinde l’intera attività in una sequenza di azioni elementari definite nelle tabelle dei tempi standard e a queste si assegna il tempo previsto.