Tecnologia Meccanica. Attributi geometrici dei prodotti 1

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1 ERGATA PARTIMENTO Attributi geometrici dei prodotti 1

2 ERGATA PARTIMENTO 1. Attributi geometrici dei prodotti Fonti Giusti M., Santochi F., e studi di fabbricazione, Casa Editrice Ambrosiana Cap.2 Gabrielli F., Ippolito R., Micari F., Analisi e Tecnologia delle lavorazioni, McGraw-Hill Cap.1 Attributi geometrici dei prodotti 2

3 ERGATA PARTIMENTO Attributi geometrici dei prodotti Generalità PROCESSO TECNOLOGICO legato a: forma, geometria, dimensioni e qualità delle superfici del componente Attributi di forma e geometria dipendono dal processo produttivo. Accuratezza dimensionale Tolleranze dimensionali e geometriche Qualità e finitura superficiale Esistono controlli e collaudi dimensionali, misurazioni e strumenti per la valutazione degli attributi geometrici dei prodotti. Attributi geometrici dei prodotti 3

4 ERGATA PARTIMENTO Accuratezza dimensionale dei prodotti Dimensioni nominali: grandezze lineari o angolari specificate nel disegno di progettazione della parte o del prodotto. Tolleranza di fabbricazione (misura dimensioni-imprecisioni di lavorazione) Fattori che influenzano variazioni dimensionali inevitabili: Processo di lavorazione Materiale del pezzo Utensili ACCURATEZZA Macchine Ciclo di fabbricazione Accuratezza: associata al processo è il grado di raggiungimento del risultato finale si misura l inaccuratezza = deviazione del valore reale dal valore nominale Errori sistematici ed errori casuali Attributi geometrici dei prodotti 4

5 ERGATA PARTIMENTO Errori e Tolleranze Forma e dimensioni di un oggetto a disegno sono lecondizioni ideali Processi produttivi sono sempre affetti da errori che fanno si che la geometria e le dimensioni dei pezzi (reali) si discostino da quelle indicate a disegno (nominali) Nei disegni è necessario indicare i limiti massimi di variabilità consentiti (tolleranze) Errori di realizzazione Errori dimensionali (dimensioni reali) Errori geometrici (geometria reale-forma diversa) Tolleranze dimensionali Errori macrogeometrici Errori microgeometrici Tolleranze geometriche Rugosità Attributi geometrici dei prodotti 5

6 ERGATA PARTIMENTO Perché le Tolleranze? Utilizzo delle tolleranze: garantisce il corretto accoppiamento dei componenti Immaginando due pezzi progettati in modo da accoppiarsi, l accoppiamento può avvenire in due modi: Aggiustaggio I pezzi sono lavorati assieme ed adattati al momento del montaggio Intercambiabilità I pezzi sono prodotti in lotti e l accoppiamento deve avvenire comunque tra pezzi a caso dei lotti Sistema possibile per piccole produzioni Possibile produzione pezzi in luoghi e tempi diversi; Sostituzione pezzi rotti: Accoppiamento senza aggiustaggi TOLLERANZE Necessità di definire limiti di variabilità per dimensioni e forma componenti Attributi geometrici dei prodotti 6

7 ERGATA PARTIMENTO Tolleranze dimensionali Definizioni Dimensione nominale: valore di riferimento per una data dimensione e rappresenta la quota ideale Linea dello zero: linea retta rappresentante la dimensione nominale Dimensione limite, minima e massima: le due dimensioni estreme ammissibili di un pezzo Scostamento: differenza algebrica tra dimensione effettiva e nominale Scostamento inferiore: differenza algebrica tra la dimensione minima e la nominale Scostamento superiore: differenza algebrica tra la dimensione massima e la nominale TOLLERANZA: differenza algebrica tra scostamento superiore ed inferiore Attributi geometrici dei prodotti 7

8 ERGATA PARTIMENTO Tolleranze dimensionali Impossibile realizzare il valore numerico assoluto assegnato alla quota di progetto Intervallo di tolleranza: ampiezza della fascia entro la quale può variare la dimensione effettiva senza pregiudicare le caratteristiche di funzionalità e intercambiabilità del pezzo. Concetto fondamentale per gli accoppiamenti di organi meccanici. t = D max D min = e s e i e s = D max D scostamento superiore e i = D min D scostamento inferiore Per accoppiamenti foro-albero: gioco effettivo G (D e albero < D e foro) interferenza effettiva J (D e albero > D e foro) Mobile Stabile Incerto Attributi geometrici dei prodotti 8

9 ERGATA PARTIMENTO Tolleranze dimensionali Tolleranze unificate Tolleranze unificate: dipendono da tre variabili Dimensione nominale Qualità lavorazione Posizione della zona di tolleranza Dimensione nominale: (dall esperienza) imprecisione cresce con il cubo di D e incertezza di misura proporzionalmente a D. Unità di tolleranza: i = D D (μm) Qualità lavorazione: se qualità, la tolleranza, ma i cosc di produzione (tolleranze strette solo ove indispensabile). Norme assegnano a ogni qualità una tolleranza pari a un multiplo dell unità di tolleranza Attributi geometrici dei prodotti 9

10 ERGATA PARTIMENTO Tolleranze dimensionali Tolleranze UNI ISO 286 Norme UNI ISO 286 prevedono 20 diverse posizioni delle tolleranze dette gradi di tolleranza. I gradi di tolleranza vengono designati con la sigla IT seguita dal un numero: IT01,IT0, IT1 IT18 (dalla più precisa alla meno precisa) Diciotto gradi di tolleranza (da IT1 a IT18) sono di uso generale per la gamma di dimensioni nominali da 0 a 3150 mm Due gradi (IT01 e IT0) di uso non generale per la sola gamma di dimensioni da 0 a 500 mm. Qualità di lavorazione: IT01-IT4/5: strumenti di misura e calibri IT5-IT11: accoppiamenti di organi di macchine IT12-IT18: pezzi singoli non destinati ad accoppiamento Attributi geometrici dei prodotti 10

11 ERGATA PARTIMENTO Tolleranze dimensionali Tolleranze UNI ISO 286 Qualità o ampiezza della tolleranza La lavorazione è tanto più precisa quanto più piccola è la tolleranza concessa Attributi geometrici dei prodotti 11

12 ERGATA PARTIMENTO Tolleranze dimensionali Tolleranze unificate Assegnando la qualità di lavorazione si stabilisce il valore della tolleranza (ampiezza campo di tolleranza) Necessario stabilire posizione del campo di tolleranza che dipende dal valore dello scostamento fondamentale (e s, e i o E s, E i ) Norme ISO: posizione (D) rispetto alla linea zero mediante simbolo letterale (maiuscole per fori, minuscole per alberi) A-H (fori) scostamento fondamentale è E i J-ZC (fori) scostamento fondamentale è E s a-h (alberi) scostamento fondamentale è e s j-zc (alberi) scostamento fondamentale è e i Per poter individuare la posizione occorre fissare uno dei due limiti del campo scelta accoppiamento Attributi geometrici dei prodotti 12

13 ERGATA PARTIMENTO Tolleranze dimensionali Tolleranze unificate Ad ogni posizione corrisponde un valore dello scostamento fondamentale (minima distanza della tolleranza dalla linea dello zero) Scelta della posizione e del grado di tolleranza normalizzato Attributi geometrici dei prodotti 13

14 ERGATA PARTIMENTO Tolleranze dimensionali Tolleranze unificate Tabelle con valori numerici degli scostamenti fondamentali in funzione della posizione e della qualità. Es. per alberi Attributi geometrici dei prodotti 14

15 ERGATA PARTIMENTO Tolleranze geometriche Comuni macchine utensili e attrezzature causano errori di forma e posizione di entità spesso trascurabile alcuni casi necessario specificare sui disegni tolleranze geometriche. Le tolleranze geometriche sono soggette alla norma UNI 7226/1 (ISO 1101). Le tolleranze geometriche si possono suddividere nelle seguenti quattro categorie: Tolleranze di Forma Limiti di variabilità di un elemento geometrico rispetto alla forma ideale - sono tolleranze assolute non necessitano riferimenti Tolleranze di Orientamento Limiti di variabilità di un elemento geometrico rispetto ad uno o più elementi di riferimento Tolleranze di Posizione Limiti di variabilità di un elemento geometrico rispetto ad una posizione ideale con uno o più elementi assunti come riferimento Tolleranze di Oscillazione Limiti di variabilità di un elemento geometrico rispetto ad una rotazione attorno ad un asse di riferimento Attributi geometrici dei prodotti 15

16 ERGATA PARTIMENTO Tolleranze geometriche Zone di tolleranza Una tolleranza geometrica stabilisce lo spazio (area o volume) entro il quale deve trovarsi l elemento oggetto della tolleranza stessa. Forma: Rettilineità: cilindro di diametro t entro cui deve essere contenuta linea curva Planarità: distanza t tra due piani paralleli entro i quali deve essere contenuta sup. ondulata Circolarità: differenza t tra i raggi di due cerchi concentrici entro cui deve stare figura poligonale Cilindricità: distanza t tra due cilindri concentrici entro cui deve stare superficie Attributi geometrici dei prodotti 16

17 ERGATA PARTIMENTO Tolleranze geometriche Zone di tolleranza Orientamento: Inclinazione: zona di tolleranza piana limitata tra due piani paralleli distanti t inclinati di un angolo stabilito Parallelismo: Zona di tolleranza piana limitata tra due piani paralleli distanti t e paralleli alla superficie di riferimento Perpendicolarità: Zona di tolleranza piana limitata tra due piani paralleli distanti t e perpendicolari alla superficie di riferimento Posizione: Localizzazione: zona di tolleranza definita da un cilindro di diametro t avente asse nella posizione teorica indicata Concentricità e coassialità: Zona di tolleranza definita da un cerchio di diametro t il cui centro coincide con il punto di riferimento Simmetria: Zona di tolleranza definita da due piani paralleli distanti t e disposti simmetricamente rispetto all asse (o al piano) mediano di riferimento. Attributi geometrici dei prodotti 17

18 ERGATA PARTIMENTO Tolleranze geometriche Zone di tolleranza e simboli Oscillazione: Oscillazione circolare radiale: zona di tolleranza definita in ogni piano di misura perpendicolare all asse di rotazione, da due cerchi concentrici i cui raggi differiscono per il valore t ed il cui centro coincide con l asse. Oscillazione circolare assiale: Zona di tolleranza definita per ogni posizione radiale da due circonferenze distanti t (in direzione assiale), il cui asse coincide con l asse di riferimento. Attributi geometrici dei prodotti 18

19 ERGATA PARTIMENTO Tolleranze geometriche Simboli Attributi geometrici dei prodotti 19

20 ERGATA PARTIMENTO Qualità delle superfici lavorate Lesuperfici sono entità distinte e hanno proprietà significativamente differenti da quelle del materiale bulk (specialmente per i metalli) Il materiale bulk determina generalmente le proprietà meccaniche globali del componente. Le superfici del componente influenzano direttamente le prestazioni della parte: Attrito e usura degli utensili, stampi, matrici Efficacia di lubrificanti Aspetto e caratteristiche geometriche Resistenza alla corrosione Inizio Crack Conducibilità termica ed elettrica Attributi geometrici dei prodotti 20

21 ERGATA PARTIMENTO Qualità delle superfici lavorate Superficie La superficie di un pezzo di metallo generalmente costituito da diversi strati: 1. metallo bulk dipende dalla composizione e dal processo produttivo 2. strato che è stato deformato plasticamente e incrudito in misura maggiore rispetto alla massa durante la fabbricazione 3. strato di ossido (in genere molto più duro rispetto al metallo di base) 4. strati di ossidi superficiali che hanno adsorbito gas e umidità. 5. superficie più esterna che può essere coperta da contaminanti (sporco, polvere, grasso, residui di lubrificante). Attributi geometrici dei prodotti 21

22 ERGATA PARTIMENTO Qualità delle superfici lavorate Definizioni Superficie ideale: superficie geometrica che idealmente definisce il pezzo (rappresentata sul disegno) Superficie reale: superficie effettivamente ottenuta dalla lavorazione Superficie misurata: superficie rilevata dagli strumenti di misura microgeometrica (coincidente con quella reale) Superficie di riferimento: superficie che viene utilizzata per la misura degli errori geometrici. Superficie media: superficie con forma uguale a quella seguita da un pattino o quella del riferimento esterno, con giacitura tale che la somma dei quadrati delle distanze dalla superficie reale è minima. Sezione normale: sezione fatta con un piano ortogonale alla superficie media (piano di rilievo). Attributi geometrici dei prodotti 22

23 ERGATA PARTIMENTO Qualità delle superfici lavorate Finitura superficiale Finitura superficiale: descrive le caratteristiche geometriche di una superficie (irregolarità superficiali). Integrità superficiale: attiene alle proprietà dei materiali, es. durata, resistenza alla corrosione, che sono fortemente influenzate dalla natura della superficie prodotta. La finitura superficiale influenza: precisione dimensionale dei pezzi lavorati, proprietà e comportamento in servizio. Attributi geometrici dei prodotti 23

24 ERGATA PARTIMENTO Qualità delle superfici lavorate Finitura superficiale Le irregolarità superficiali possono avere: Orientamento: quando i solchi hanno una direzione predominante Passo: quando i solchi hanno un carattere periodico (su piano di rilievo ortogonale all orientamento) Le irregolarità superficiali sono classificate: Errori di forma: deviazioni della superficie misurata dalla superficie media (depurate degli errori microgeometrici) piccola ampiezza e passo molto grande (imprecisioni del sistema macchina-pezzoutensile) Errori microgeometrici: che si suddividono in: Rugosità: tessitura primaria ampiezza molto piccola e piccolo passo Ondulazioni: tessitura secondaria ampiezza e passo maggiori Attributi geometrici dei prodotti 24

25 ERGATA PARTIMENTO Qualità delle superfici lavorate Finitura superficiale I tre tipi di errore geometrico si distinguono essenzialmente per il valore del passo P delle irregolarità. Si considera P/H, con H ampiezza che ha il medesimo ordine di grandezza per tutti i tre i tipi di irregolarità. Attributi geometrici dei prodotti 25

26 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Notazione Attributi geometrici dei prodotti 26

27 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Misure Si misura la rugosità tramite: Profilometri: una punta (diamantata) scorre sulla superficie e si registra il movimento; la distanza su cui è misurata viene chiamata roughness width cutoff Interferometri Microscopi a forza atomica Microscopi elettronici a scansione Microscopi stereoscopici Attributi geometrici dei prodotti 27

28 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Rugosimetro Architettura dello strumento: Il trasduttore trasla lungo la superficie da misurare Stilo: raggio di raccordo μm esercita una forza di 0.75 N Pattino: raggio di raccordo 25 mm Rivelazione del profilo: Lunghezza di esplorazione Lt Lunghezza di base Lb Lunghezza di misurazione Lm ed Lt =7Lb; Lm = Lt - 2Lb La lunghezza di base è solitamente definita come la lunghezza di cut-off (λc) del filtro utilizzato per separare rugosità e ondulazione Attributi geometrici dei prodotti 28

29 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Rugosimetro Dal profilo rilevato al profilo misurato: Profilo D Contiene errori sia di forma che di ondulazione e rugosità; è riferito alla retta di interpolazione Profilo G Profilo raddrizzato contiene una parte degli errori di forma e gli errori di ondulazione e rugosità; profilo risultante dalla filtrazione elettronica passa-basso del profilo misurato con una lunghezza d'onda cut-off λs - rimuove le componenti di lunghezza d'onda più corta - Attributi geometrici dei prodotti 29

30 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Rugosimetro Dal profilo rilevato al profilo misurato: Profilo P Si eliminano le parti iniziali e finali Filtraggio del profilo misurato Si effettua analisi in frequenza Si filtra il profilo Si separano le componenti Si hanno gli effetti separati Attributi geometrici dei prodotti 30

31 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Rugosimetro Dal profilo rilevato al profilo misurato: Profilo W Profilo degli errori di ondulazione: è il profilo risultante dal filtraggio elettronico passa-basso del profilo P con la lunghezza d'onda di cut-off λc seguita dal filtraggio passa-alto con la lunghezza d'onda di cutoff λf. La lunghezza di base Lw corrisponde alla lunghezza d'onda di cut-off λf del filtro passa-alto. Lw non è standardizzato (5-10 λf) Profilo R Profilo degli errori di rugosità: risultante dal filtraggio elettronico passa-alto del profilo P con una lunghezza d'onda di cut-off λc - per rimuovere le componenti di lunghezza d'onda maggiore. Lm è 5 volte la lunghezza di base Lr, che corrisponde alla lunghezza d'onda di taglio λc del filtro del profilo Attributi geometrici dei prodotti 31

32 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Rugosimetro Profilo P, λs Profilo W, λc-λf Profilo R, λc Attributi geometrici dei prodotti 32

33 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Parametri di rugosità Parametri relativi all altezza del profilo: Rugosità Media, R a valore medio del valore assoluto degli scarti del profilo R dalla linea media Attributi geometrici dei prodotti 33

34 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Parametri di rugosità Parametri relativi all altezza del profilo: Rugosità quadratica media, R q valore quadratico medio degli scarti (da più peso ai valori di Y elevati più importanti dal punto di vista funzionale) campo di variazione Rugosità massima, R t Distanza massima fra picchi e valli Rugosità massima media, R z Media delle 5 distanze massime lungo la lunghezza di base picchi e valli isolati Attributi geometrici dei prodotti 34

35 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Parametri di rugosità La rugosità R a fornisce un valore di finitura medio che non discrimina però il tipo d irregolarità. Es. pochi picchi elevati potrebbero sortire lo stesso effetto di molti picchi più bassi Il rugosimetro fornisce R a su una lunghezza maggiore della lunghezza di base (media dei valori calcolati su più lunghezze di base) R a non è sufficiente a descrivere il profilo: Stesso valore di R a può riferirsi a superfici diverse Attributi geometrici dei prodotti 35

36 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Parametri di rugosità Parametri relativi alla spaziatura del profilo: Spaziatura media, S m è la spaziatura media tra i picchi, essendo i picchi definiti rispetto alla linea media. Un picco deve passare sopra la linea media e ripassare poi Attributi geometrici dei prodotti 36

37 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Parametri di rugosità Parametri relativi alla spaziatura del profilo: Lunghezza del profilo sviluppato, L o rappresenta la lunghezza del profilo se questo idealmente venisse stirato lungo una linea retta, e serve per confrontare come un profilo reale differisce da una linea orizzontale Rapporto delle lunghezza del profilo, l r è il rapporto tra la lunghezza del profilo sviluppato e la lunghezza di valutazione. Esso dà una più utile misura della forma della superficie rispetto alla lunghezza del profilo. Più grande è il valore di l r e più il profilo è caratterizzato da picchi e increspature e quindi più è grande l area effettiva della superficie. Attributi geometrici dei prodotti 37

38 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Parametri di rugosità Parametri Ibridi: Pendenza media assoluta, Δ a è la media dei valori assoluti della pendenza del profilo di rugosità sulla lunghezza di valutazione. Pendenza quadratica, Δ q rappresenta la media del valore quadratico medio delle pendenze del profilo Attributi geometrici dei prodotti 38

39 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Parametri di rugosità I parametri appena definiti non sono in genere sufficienti a caratterizzare completamente la funzionalità di una superficie dal punto di vista dell usura, degli accoppiamenti forzati, ecc Così solitamente si introducono dei parametri deducibili dall analisi statistica. Due parametri statistici importanti: Skewnss(Rsk), che misura l asimmetria della funzione di densità, (asimmetria predominante): Rsk = 0: andamento di una gaussiana Rsk < 0: la distribuzione negativa - profilo pieno; Rsk > 0: la distribuzione positiva -profilo con picchi. Attributi geometrici dei prodotti 39

40 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Parametri di rugosità Kurtosis(Rku) equivalente alla densità dei picchi del profilo (indicativo delle densità di frastagliatura) Rku = 3: la distribuzione seguirà l andamento della gaussiana; Rku < 3: la distribuzione più arrotondata rispetto alla gaussiana; Rku > 3: la distribuzione più appuntita rispetto a una gaussiana Attributi geometrici dei prodotti 40

41 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Valori rugosità Esempi di valori rugosità in funzione del processo produttivo Attributi geometrici dei prodotti 41

42 ERGATA PARTIMENTO Finitura superficiale Osservazioni Superfici di contatto possono richiedere precisione elevata (guarnizioni, sigilli, utensili o stampi) o rugosità bassissime (sfere cuscinetti, superfici interne stampi) o rugosità elevate (superfici guarnizioni, freni a tamburo) Per considerazioni sull attrito e sull usura Per fatica e sensibilità all intaglio Per conducibilità termica ed elettrica per contatto (meglio più lisce) Resistenza alla corrosione (superfici rugose trattengono i composti corrosivi) Processi di verniciatura, rivestimenti (meglio avere rugosità) Apparenza superficiale Considerazioni sui costi (bassa rugosità costi maggiori) Attributi geometrici dei prodotti 42