ASPORTAZIONE DI MATERIALE: PRINCIPALI METODI TRADIZIONALI E INNOVATIVI DI LAVORAZIONE

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1 ASPORTAZIONE DI MATERIALE: PRINCIPALI METODI TRADIZIONALI E INNOVATIVI DI LAVORAZIONE (A CURA DI M. MONNO) Componenti e parti meccaniche realizzate mediante processi tecnologici primari (tecniche fusorie, deformazione plastica a caldo e a freddo, etc.), di cui si è precedentemente discusso nell ambito di questo corso, richiedono generalmente l impiego di processi tecnologici di lavorazione per asportazione di truciolo prima che il prodotto sia pronto per l utilizzo finale (fig. 1). Fig. 1 Nella maggior parte delle applicazioni ingegneristiche infatti, le parti devono risultare intercambiabili per poter funzionare in modo affidabile ed appropriato nel corso della vita utile attesa per il componente. E quindi necessario ottenere tolleranze dimensionali, tolleranze di forma e finiture superficiali spesso non compatibili con quanto i processi tecnologici primari sono in grado di realizzare. E inoltre necessario garantire la ripetibilità nell ottenimento di tali caratteristiche e selezionare, tra le possibili alternative offerte dai processi tecnologici disponibili, soluzioni economicamente sostenibili ed in grado di competere con le alternative proposte dal mercato

2 Fig. 2 Sebbene il termine lavorazione sia genericamente utilizzato per descrivere l asportazione di truciolo, possiamo distinguere differenti processi classificabili come segue: Fig. 3 - processi di taglio, che utilizzano utensili mono-tagliente (ad es. tornitura) o multi-tagliente (es. fresatura) con geometria definita; - processi che utilizzano abrasivi (ad es. rettifica), con utensili (le particelle abrasive) di geometria non definita; - processi non-convenzionali (laser, plasma, waterjet, etc.) che utilizzano differenti meccanismi di rimozione del truciolo e diffrenti forme di energia

3 - 3 - Fig. 4

4 - 4 - Fig. 5

5 In sintesi, possiamo elencare alcune motivazioni che rendono indispensabili i processi di asportazione di materiale nella produzione industriale: - possono essere richieste tolleranze dimensionali migliori di quanto sia ottenibile con i processi di fonderia, formatura o deformazione plastica. Ad esempio, in un albero a gomiti ottenuto per forgiatura, le superfici di contatto con i cuscinetti e i fori non possono essere prodotti direttamente con la tolleranza e la finitura superficiale richieste; - le parti da realizzare possono presentare profili interni ed esterni, così come spigoli vivi e planarità che non possono essere prodotti per formatura e stampaggio; - alcune parti sono trattate termicamente per migliorare la durezza e la resistenza ad usura: dato che le superfici trattate possono presentare distorsioni ed alterazioni, generalmente vengono richieste operazioni di finitura come la rettifica per ottenere le dimensioni finali e la qualità superficiale richiesta; - speciali caratteristiche superficiali sono ottenibili soltanto con processi di asportazione di materiale: per esempio specchi di rame ad alta riflettività sono realizzati con utensili diamantati; - lavorare le parti alle macchine utensili può essere più economico rispetto alla produzione con altri processi, in particolar modo se il numero di pezzi è relativamente basso; A fronte di questi vantaggi, i processi di asportazione di materiale presentano alcune limitazioni: - i processi di rimozione inevitabilmente producono scarti di materiale e generalmente richiedono più energia, capitali e manodopera rispetto alle operazioni di formatura e deformazione plastica. Per questo è consigliabile non ricorrervi se non necessario; - rimuovere un volume di materiale da un pezzo generalmente richiede un tempo superiore rispetto a realizzare la forma e le dimensioni volute tramite altri processi; - se non eseguiti correttamente, i processi di asportazione di materiale possono produrre effetti indesiderati sulla qualità superficiale e le proprietà del prodotto. In generale la scelta degli utensili e dei parametri tecnologici di lavorazione per il processo o, più spesso, per la sequenza di processi di lavorazione meccanica (tradizionali e/o non convenzionali), in grado di trasformare un grezzo o un semi-lavorato in un prodotto finito risente delle caratteristiche reologiche del materiale in lavorazione

6 Talvolta i processi di asportazione di truciolo convenzionali visti in precedenza non sono in grado di operare in modo corretto e affidabile lasciando spazio a tecnologie di lavorazione che utilizzano meccanismi di rimozione del materiale e forme di energia diverse. Lo sviluppo di tali processi innovativi, spinto generalmente da settori industriali di avanguardia (meccanica di precisione, aeronautica, etc.), si rende particolarmente necessario quando la natura del materiale in lavorazione, la geometria del componenete o la produttività richiesta rendono inapplicabili le soluzioni tecnologiche consolidate. L individuazione o lo sviluppo di una tecnologia speciale si rende indispensabile quando: - la durezza e la resistenza alla lavorazione del materiale è molto elevata (tipicamente > 400HB); - il pezzo in lavorazione è troppo flessibile o sottile per sopportare le forze di taglio applicate da un utensile tradizionale, oppure la geometria del pezzo rende difficoltoso o impossibile l'afferraggio in una attrezzatura di bloccaggio; - la forma del particolare da lavorare è problematica (fig. 6a), a causa di profili interni ed esterni complessi o per la presenza di fori di piccolo diametro, come nel caso di un ugello per iniettore di combustibile (fig.6b) da ralizzare in acciaio temprato; - sono richieste finiture e tolleranze migliori di quelle ottenibili mediante processi tradizionali; - non sono accettabili incrementi di temperatura e/o tensioni residue nel pezzo in lavorazione. Fig. 6 Tali requisiti hanno portato allo sviluppo dei processi di lavorazione non convenzionali riassunti nel seguente schema Fig

7 LAVORAZIONI AD ULTRASUONI ED A GETTO ABRASIVO Nelle lavorazioni USM (Ultra-Sonic Machining) la rimozione di materiale dalla superficie del pezzo avviene per l azione di una fanghiglia abrasiva interposta tra il materiale in lavorazione e l utensile che opera come un martello pneumatico ad alta frequenza. Il processo USM è in grado di asportare truciolo solo da materiali molto duri e fragili quali ceramici, carburi, alcuni compositi, pietre preziose, vetro e gli acciai temprati. La testa dell utensile (fig.8a) vibra ad una frequenza di circa 20 khz e a bassa ampiezza ( mm). Questa vibrazione trasmette una spinta, impulsiva e ciclica, ai grani di abrasivo situati tra l utensile ed il pezzo. Lo stress causato dalle particelle abrasive, che vengono pressate sulla superficie del pezzo, è notevole poichè il tempo di contatto tra le particelle ed il pezzo è molto ridotto e l area di contatto è piccola. Nei materiali fragili lo stress d impatto è sufficiente per provocare microfratturazioni localizzate ed erosione della superficie. L utensile, collegato ad un trasduttore piezoelettrico (rendimenti di trasformazione molto alti ma potenze limitate ad 1 kw) o magnetostrittivo (potenze nell ordine di qualche kw ma rendimenti modesti che richiedono la presenza un circuito di raffreddamento per smaltire il calore prodotto) che genera la vibrazione ultrasonica, è realizzato in acciaio dolce in modo da essere soggetto ad una usura trascurabile durante la lavorazione. Come abrasivo si impiega carburo di boro, oppure allumina o carburo di silicio. La granulometria varia dalla #100 per operazioni di sgrossatura alla #1000 per la finitura. I grani sono addotti in forma di fanchiglia acquosa, con una concentrazione del % in volume. Il flusso di abrasivo ed acqua allontana gli sfridi dalla zona di lavorazione. Due applicazioni dell USM sono illustrate nelle figg.8b e 8c. Gli ultrasuoni vengono inoltre efficacemente impiegati nella saldatura, a lembi sovrapposti, di lamiere sottili (fino a qualche decimo di mm). Mediante questa tecnica è possibile realizzare giunzioni tra materiali differenti. Nelle lavorazioni a getto abrasivo (AJM - Abrasive Jet Machining) un getto di aria, o di biossido di carbonio (CO 2 ), che trascina particelle abrasive, è proiettato contro la superficie del pezzo. L impatto delle particelle è in grado di realizzareare fori o fessure su materiali molto duri, metallici e non. Considerazioni tecnologiche e progettuali Il disegno del pezzo non deve contenere spigoli ed angoli acuti, che verrebbero rimossi dall utensile. Con questi processi si ottengono cavità e fori caratterizzati da una marcata conicità. Per non danneggiare i materiali fragili nella realizzazione di fori passanti, la superficie superiore del pezzo deve essere talvolta protetta con una mascheratura. Fig.8 LAVORAZIONI WATERJET E ABRASIVE WATERJET L utilizzo del getto d acqua (Waterjet, WJ) come utensile per operazioni meccaniche di varia natura non è una scoperta particolarmente recente. Gli impieghi più antichi possono essere rintracciati già alla fine del secolo scorso nel settore minerario (waterjet mining), laddove un getto d acqua a bassa pressione (circa 10 MPa) ed elevata portata veniva usato per alcune operazioni di scavo delle gallerie. Un altro progenitore dell attuale waterjet industriale, ad esso più simile, è la tecnologia del waterjet cleaning, in uso da circa sessant anni. Essa prevede l utilizzo di getti a bassa pressione (circa 30 MPa con l/min di portata) ed è applicabile, in alternativa al getto abrasivo pneumatico, per operazioni di pulizia, sverniciatura e decapaggio, in diversi settori industriali. Le due applicazioni citate sono storicamente i primi esempi di sfruttamento di un getto d acqua come strumento per l asportazione di materiale; La pressione d esercizio per entrambe è comunque molto più bassa rispetto a tutte le altre tecniche a getto d acqua, sviluppate successivamente. Infatti, sebbene getti con le caratteristiche di quelli sinora citati siano anche attualmente utilizzati per alcune operazioni industriali di taglio, il salto di qualità che ha - 7 -

8 consentito al waterjet di diventare una vera e propria tecnologia industriale di lavorazione meccanica si è avuto solo tra la fine degli anni 60 e l inizio dei 70 grazie alle ricerche, e alla successiva applicazione dei getti ad alta pressione. Le caratteristiche principali di questi primi sistemi sono sostanzialmente rimaste invariate fino ad oggi, sebbene il campo delle possibili varianti tecnologiche sia attualmente molto ampio e preveda l impiego di soluzioni impiantistiche molto diverse. Lo schema di base prevede l uso di un intensificatore di pressione che fornisce una modesta portata d acqua (da 2 a 10 l/min) con pressioni fino a 400 MPa. Il fluido compresso (normalmente acqua filtrata e demineralizzata) attraversa un ugello primario, di sezione ridotta (diametro mm) in cristallo sintetico (zaffiro, rubino, diamante). Il getto risultante, caratterizzato dall'avere una buona coerenza ed una elevatissima energia cinetica (velocità in uscita fino a 1000 m/s), si presta, grazie all elevata pressione specifica esercitata sul materiale, a essere utilizzato per effettuare taglio ed altre lavorazioni meccaniche di dis creta precisione. Dai primi anni 70 la tecnologia di lavorazione con sola acqua è stata impiegata nel taglio di una vasta gamma di materiali quali espansi, gomma, nylon, materie plastiche, fibra di vetro, alcuni tipi di materiali compositi, prodotti alimentari, tessuti, pellami, etc. Le principali innovazioni che i sistemi WJ hanno subito nel corso di questi ultimi trent anni sono essenzialmente due: l adozione del controllo numerico e l aggiunta al getto di polvere abrasiva. La testa di lavorazione si arricchisce di una camera di miscelazione cui viene fatto pervenire, mediante un tubo flessibile, l abrasivo, e di un focalizzatore (un tubicino di carburo sinterizzato con diametro interno compreso tra 0.5 e 1.2 mm e lunghezza variabile da 50 a 100 mm). Nasce così la tecnologia del getto idroabrasivo (Abrasive Water Jet, AWJ) in grado di lavorare moltissimi materiali, tra i quali acciaio, alluminio, titanio, leghe di nichel, ceramici, vetro, lapidei, etc. Fig. 9: lastre metalliche di elevato spessore tagliate mediante AWJ Sebbene la tipologia d impianto più diffusa nell industria contemporanea preveda l utilizzo di getti continui idroabrasivi, esistono numerosi tipi di getto, diversi per caratteristiche fluidodinamiche. Ogni tipo di getto è aratterizzato da un proprio meccanismo d asportazione del materiale, e lascia una specifica impronta sulla superficie lavorata. L elemento comune è che tutti i getti sono prodotti da un ugello primario di sezione ridotta, che ha il compito di trasformare l energia accumulata dall acqua durante la compressione in energia cinetica. Esistono tre famiglie principali di getti: continui, pulsanti, cavitanti. Water Jets CONTINUI PULSANTI CAVITANTI a sola acqua idroabrasivi premescolati iniettati Fig. 10: classificazione degli idrogetti. I getti continui sono, come detto, i più diffusi. Essi possono essere a sola acqua (WJ) ovvero con l aggiunta d abrasivo (Abrasive Waterjet, AWJ). A loro volta gli AWJ si distinguono in getti: - 8 -

9 iniettati, premescolati. Nei getti continui iniettati (Abrasive Injected Waterjet, AIWJ) l abrasivo è incorporato al getto in una camera di miscelazione a valle del primario. Si forma così una miscela di acqua, abrasivo e aria, che attraversa un secondo ugello, detto focalizzatore, che ha lo scopo di aumentare la coerenza del getto (cfr. fig.6). Al contrario, nei getti premescolati, o sospesi (Abrasive Suspended Waterjet, ASWJ), la miscelazione avviene prima che il getto acquisti energia cinetica passando attraverso il primario. Acqua in pressione Ugello primario Abrasivo Focalizzatore Fig. 11: schema della testa di taglio AWJ Considerazioni tecnologiche e progettuali Il processo può essere applicato a qualsiasi materiale. Il taglio avviene a freddo e quindi senza alterazione termica dei bordi. Le forze di taglio non superano poche decine di N quindi non sono indispensabili attrezzaggi particolari per sostenere il pezzo durante la lavorazione. Geometria del solco e finitura delle pareti dipendono dalla scelta dei parametri tecnologici. Lo smaltimento del materiale di scarto, in particolare dell abrasivo, può costituire un problema. LAVORAZIONI CHIMICHE E' noto che taluni attacchi chimici sono in grado di aggredire e disgregare i materiali metallici rimuovendo piccole quantità di materiale dalla superficie. Tale principio è alla base delle lavorazioni chimiche (CM) che utilizzano reagenti chimici, quali soluzioni acide o alcaline, per attaccare localmente e dissolvere chimicamente il materiale. Queste tecniche vengono inoltre utilizzate per la sbavatura chimica di pezzi metallici provenienti dal levorazioni convenzionali. Fresatura chimica Mediante fresatura chimica vengono prodotte piccole cavità, anche di forma complessa, su lamiere, pezzi forgiati o estrusi (fig. 12). La fresatura chimica è stata impiegata su una vasta gamma di metalli e fino a profondità di asportazione di mm. Le zone del pezzo che non devono subire asportazione vengono protette mediante mascheratura della superficie o attraverso immersione parziale nel reagente

10 Fig.12 La sequenza di operazioni tipica della fresatura chimica consiste dei seguenti passaggi: 1. Se la parte da lavorare è interessata da tensioni residue provocate da precedenti lavorazioni, tali tensioni devono essere rimosse, attraverso un opportuno trattamento termico, prima della fresatura chimica al fine di evitare successive deformazioni. 2. Le superfici devono essere accuratamente pulite e sgrassate per assicurare una buona adesione della mascheratura (per la quale spesso si ricorre a materiali resistenti all'attacco chimico) ed una uniforme asportazione. 3. Viene applicata la mascheratura. Si utilizzano comunemente nastri adesivi o vernici, ma molto spesso si preferiscono elastomeri (gomma e neoprene) e plastica (polivinile, polietilene, polistirene) per ottenere mascherature più precise ed efficaci. 4. Si elimina la mascheratura, incidendola ed asportandola con una lama, nelle zone dove la superficie del pezzo verrà esposta all'attacco chimico. 5. Il pezzo viene immerso nel reagente. Le superfici da lavorare sono così esposte all'azione della soluzione di idrossido di sodio (per leghe di alluminio), acido nitrico o idrocloridico (per gli acciai comuni) o cloruro di ferro (per gli acciai inossidabili). Per ottenere una asportazione uniforme è importante controllare la temperatura della soluzione e mantenerla in movimento mediante l'azione di un agitatore (fig.13a). 6. Dopo la lavorazione le parti devono essere risciacquate accuratamente per evitare che il reagente chimico residuo continui ad attaccarne la superficie. 7. Viene rimossa la mascheratura ed il pezzo può essere ispezionato e controllato dimensionalmente. 8. Ulteriori operazioni di finitura possono essere effettuate dove necessario. Fig. 13 Le operazioni sopra descritte possono essere ripetute per produrre cavità o contorni a più livelli (fig.13b). Questo processo viene utilizzato nell'industria aerospaziale per rimuovere spessori limitati di sovrametallo da pannelli di grandi dimensioni utilizzati per il rivestimento esterno di aeroplani e missili e per lavorare i profilati impiegati nella realizzazione delle intelaiature dei velivoli. Il processo trova inoltre applicazione nell'industria elettronica e nella realizzazione di modelli metallici. Talvolta il materiale lavorato può presentare danni dovuti ad un attacco chimico preferenziale o intergranulare. Tali situazioni si verificano, ad esempio, nella lavorazione chimica di strutture saldate o nella lavorazione di getti da fusione. In entrambi i casi le differenze microstutturali o la presenza di porosità della superficie possono provocare una asportazione non uniforme

11 Tranciatura chimica La tranciatura chimica differisce dalla tranciatura meccanica delle lamiere metalliche per la modalità di asportazione del materiale dovuta alla dissoluzione chimica invece che alla deformazione plastica. Tipiche applicazioni per questo processo si hanno nella realizzazione di circuiti stampati o nella tranciatura di lamierini sottili che risultano esenti da bave di lavorazione. Tranciatura fotochimica La tranciatura fotochimica è una variante della fresatura chimica. Il materiale viene asportato, solitamente da lamiere di spessore molto sottile, mediante una tecnica di fotoincisione. In questo modo possono essere tranciati profili molto complessi (fig. 14), anche su lamierini da mm, evitando la formazione di bave tipiche dei processi di tranciatura convenzionali. Fig. 14 La sequenza di operazioni tipica della tranciatura fotochimica consiste dei seguenti passaggi: 1. La geometria da tranciare viene ingrandita, fino a 100 volte, in fase di disegno del pezzo. Viene quindi realizzato un negativo fotografico in modo da ridurne le dimensioni mantenendo una alta definizione dei contorni. 2. Il lamierino da tranciare viene ricoperto da un liquido fotosensibile (fotoresistore) mediante immersione, pennellatura o a spruzzo. Successivamente lo strato di protezione viene fatto essiccare in forno. 3. Il negativo viene proiettato sulla superficie da lavorare utilizzando una lampada a luce ultravioletta. Si ottiene così un indurimento dello strato di protezione nelle sole zone esposte alla luce. 4. Il lamierino viene quindi trattato come fosse una lastra fotografica. La fase di "sviluppo" elimina il rivestimento nelle zone non esposte, in precedenza, alla luce ultravioletta. 5. Il lamierino viene immerso in una vasca piena di reagente, come nella fresatura chimica, o spruzzato di reagente che agisce solo nelle zone non rivestite. Infine il pezzo ottenuto viene accuratamente lavato. Applicazioni tipiche della tranciatura elettrochimica si hanno nell'industria elettronica, nella realizzazione di circuiti stampati, di lamierini per gli impaccamenti statorici e rotorici di trasformatori e motori elettrici, nella produzione di molle piane, di schermi per tubi catodici etc. Sebbene sia richiesto l'intervento di operatori specializzati, i costi degli impianti e delle attrezzature richieste sono bassi ed il processo risulta facilmente automatizzabile. Considerazioni tecnologiche e progettuali A causa delle modalità di lavorazione, ed in particolare per l'attacco generalizzato del reagente a tutte le superfici esposte, devono essere evitate geometrie che prevedono angoli molto acuti, rilievi molto pronunciati, cavità profonde e sottili, conicità molto precise. Presentano difficoltà di lavorazione pezzi dalla superficie porosa o fortemente irregolare. Si deve inoltre tenere presente che il reagente attacca il materiale sia in direzione orizzontale che in verticale asportando materiale anche sotto la zona protetta (fig.8b). Questi processi sono caratterizzati da un tasso di rimozione (MRR - Material Removal Rate) piuttosto basso. Per tale motivo vengono spesso utilizzati a completamento di lavorazioni effettuate con processi, tradizionali o innovativi, a più elevata produttività

12 LAVORAZIONI ELETTROCHIMICHE Le lavorazioni ECM (Electro-Chemical Machining) sono basate su un principio opposto a quello della elettrodeposizione galvanica. L'elettrolita porta in soluzione i prodotti della della reazione anodica che si sviluppa sul pezzo in lavorazione per effetto elettrochimico producendo una cavità sulla superficie (fig.15). Fig. 15 Varianti del processo sono utilizzate in operazioni di tornitura, spianatura, foratura o nella realizzazione di fessure sottili dove l'elettrodo agisce da utensile.l'utensile (catodo) è realizzato in ottone, rame o bronzo. L'elettrolita è generalmente una soluzione di cloruro di sodio o di nitrato di sodio in acqua, che viene pompata attraverso cavità realizzate nell'utensile verso la zona dove avviene l'asportazione. Un generatore a corrente continua (5-25 V) garantisce il passaggio di corrente attraverso l'elettrolita. Le densità di corrente, per le zone interessate alla lavorazione, sono di circa A/mm 2. Gli impianti hanno dimensioni variabili ed amperaggi che vanno dai 5 ai A in funzione delle diverse applicazioni. La velocità di asportazione è proporzionale alla densità di corrente mentre le usure dell'utensile sono molto ridotte anche se i materialei in lavorazione hanno durezza elevata. Le lavorazioni elettrochimiche sono generalmente impiegate per la lavorazione di cavità di forma complessa in materiali di elevata tenacità e resistenza meccanica. In particolare, si ricorre a questo processo nell'industria aerospaziale per la produzione di palette per turbina, parti di motori a reazione, ugelli di forma complessa (figg.16a e 16b). Viene inoltre utilizzato per eseguire fori di diametro molto piccolo e, insieme ad altri processi di lavorazione, nella produzione di stampi (fig.16c). Fig

13 Le lavorazioni ECM danno luogo a superfici prive di bave; tale processo viene infatti utilizzato anche per la sbavatura di componenti provenienti da lavorazioni tradizionali. Non provoca danneggiamento termico delle parti lavorate e l'assenza di forze di taglio previene la possibilità di distorsioni meccaniche sia a livello macroscopico che microstrutturale. Possono tuttavia determinarsi, per alcuni materiali, alterazioni nella resistenza a fatica (fig.17) in confronto con altre lavorazioni. Fig. 17 Considerazioni tecnologiche e progettuali A causa della tendenza dell'elettrolita ad erodere i profili acuti, l'ecm non risulta idoneo alla realizzazione di spigoli netti o di superfici dove sia richiesta una buona planarità. Risulta alquanto difficoltoso il controllo del flusso di elettrolita che si arricchisce di scarti della lavorazione e deve pertanto essere rigenerato, periodicamente o in continuo. Le tolleranze, dimensionali e di forma, tipiche del processo non sono molto strette anche se, a tale proposito, notevoli miglioramenti sono stati ottenuti negli ultimi anni. Rettificatura elettrochimica La rettificatura elettrochimica (ECG) combina il principio della lavorazione elettrochimica a quello della rettifica trdizionale. L'impianto utilizzato è simile ad una comune macchina da rettifica fatto salvo che per l'utensile che è un "catodo rotante" dotato in superficie di particelle abrasive (fig.18). Fig

14 La mola ha un legante metallico ed utilizza particelle abrasive in diamante o in allumina e raggiunge, in rotazione, una velocità periferica di m/s. L'abrasivo agisce da isolante tra l'utensile e la superficie in lavorazione; esso inoltre contribuisce a rimuovere meccanicamente dalla superficie i prodotti della reazione elettrolitica. La maggior parte del materiale metallico rimosso nella ECG è tuttavia dovuta alla azione elettrolitica Come elettrolita si utilizza generalmente una soluzione di nitrato di sodio che viene inviata, mediante un getto, nella zona di lavorazione. L'usura dell'utensile è molto contenuta, la densità di corrente utilizzata è di 1-3 A/mm 2. Al termine della lavorazione possono essere previste alcune passate di finitura, effettuate in semplice rettifica, per ottenere l'accuratezza dimensionale richiesta. L'ECG ha applicazioni nello stesso campo dell'ecm ed ha trovato particolare successo nella lavorazione dei carburi metallici e nelle leghe ad alta resistenza. Combinando l'azione elettrochimica già descritta con l'uso di particelle abrasive di granulometria molto fine, sono state sviluppate macchine per la lappatura elettrochimica di superfici cilindriche interne (fori) ed esterne. Sebbene tali sistemi siano piuttosto costosi, essi consentono di ridurre significativamente i tempi di lavorazione rispetto a macchine di lappatura e superfinitura tradizionali

15 ELETTROEROSIONE Le lavorazioni EDM (Electro-Discharge Machining) si basano sull erosione dei metalli attraverso una successione di scariche elettriche. E noto il principio fisico secondo cui, se due elettrodi a differente potenziale elettrico vengono opportunamente avvicinati, tra di essi si produce una scarica. Se si osserva attentamente il punto di contatto della scarica sulla superficie dell elettrodo, si nota che una piccola porzione di metallo è stata erosa, lasciando una cavità. Sebbene questo fenomeno sia noto fin dalla scoperta dell elettricità, solo dagli anni 40 si è sviluppato un processo tecnologico basato su questo principio. Il sistema EDM è costituito da un utensile sagomato (elettrodo) e dal pezzo da lavorare, connesso ad un generatore di corrente continua ed immerso in un fluido dielettrico (fig. 19). Fig. 19 Quando la differenza di potenziale tra dielettrico ed utensile è sufficientemente alta, una scarica elettrica attraversa il fluido, rimuovendo una piccola quantità di materiale dal pezzo. La frequenza di scarica varia tra i 50 e i 500 khz, la tensione tra i 50 e i 300 V, e la corrente tra i 0,1 e i 500 A. Sono disponibili un ampia gamma di macchine EDM, la maggior parte delle quali con controllo numerico computerizzato. Il fluido dielettrico agisce come un isolante finchè il potenziale è sufficientemente alto, allontana gli sfridi di lavorazione (il truciolo è costituito da sfere cave di picolissime dimensioni) e costituisce un mezzo raffreddante. La distanza utensile-pezzo è una variabile critica, pertanto l avanzamento dell utensile è controllato da servomeccanismi, che automaticamente mantengono costante detta distanza. Gli olii minerali rapresentano i fluidi dielettrici più comuni, sebbene per applicazioni speciali si possano utilizzare kerosene ed acqua deionizzata e distillata. Il campo delle applicazioni mediante elettroerosione va dalla produzione di fori ciechi per componenti meccanici, ai fori profondi di piccolo diametro (fig.20) con filo di tungsteno come elettrodo, alle fessure strette, alle palette di turbine ed a componenti dalla forme articolata e complessa (figg.20a e 20b). Fig

16 Si possono realizzare cavità a gradino sincronizzando il movimento relativo del pezzo, che trasla in due direzioni sul piano, con il moto di discesa dell elettrodo (fig.21). Fig. 21 Inoltre si possono ottenere cavità interne in sottosquadro mediante elettrodi rotanti, che portano in estremità una punta orbitante (fig. 22). Fig. 22 Il processo EDM si applica a tutti i materiali conduttori. Il volume di materiale rimosso da ogni scarica ( mm 3 ) è inversamente proporzionale alla temperatura di fusione ed al calore latente di fusione del materiale lavorato. Poichè il processo non prevede un contatto diretto tra utensile e pezzo in lavorazione, le caratteristiche meccaniche del pezzo (durezza e carico di rottura) non influenzano la velocità di asportazione. Il controllo della velocità di asportazione avviene mediante modulazione della frequenza o dell energia di scarica.la velocità di asportazione e la rugosità superficiale crescono, se si aumenta la densità di corrente o si diminuisce la frequenza delle scariche. Il tasso di asportazione del materiale (MRR) è compreso tra 0,1 e 25 cm 3 /h. Velocità maggiori producono una pessima qualità della finitura superficiale e scarsa integrità superficiale del materiale fuso e risolidificato a discapito dalla resistenza a fatica. Gli elettrodi per EDM sono di solito in grafite, talvolta in bronzo, rame o in leghe di rame e tungsteno. Gli utensili vengono sagomati mediante forgiatura, fusione od asportazione di truciolo. L usura dell utensile è un fattore importante, che incide sulla precisone dimensionale del pezzo prodotto. Rettificatura mediante elettroerosione (EDG) La mola per EDG (Electro-Discharge Grinding) è in grafite o bronzo e non contiene abrasivi. Il materiale viene rimosso dalla superficie del pezzo mediante il continuo succedersi di scariche elettriche tra la mola rotante ed il pezzo. La realizzazione di un solco longitudinale mediante EDG con mola sagomata è mostrata in fig. 23. Fig

17 Il processo di rettificatura mediante elettroerosione (EDG) può essere combinato con la rettificatura elettrochimica (rettificatura mediante elettroerosione chimica, ECDG). Il materiale è rimosso per azione chimica mentre le scariche elettriche prodotte dalla mola di grafite rompono il film di ossido, che viene rimosso dal fluido elettrolitico. Considerazioni tecnologiche e progettuali Le parti devono essere progettate in modo tale che i corrispondenti elettrodi possano essere sagomati in modo appropriato e corretto. Si devono evitare fessure profonde e sottili. Finiture superficiali troppo accurate determinano costi di produzione molto elevati. Se si vuole ottenere una elevata produttività, può convenire asportare buona parte del materiale mediante processi convenzionali e destinare le operazioni di finitura all eletroerosione. Elettroerosione a filo Una variante dell EDM è il taglio mediante elettroerosione a filo (WEDM - Wire Electro Discharge Machining). In questo processo, che è simile al taglio di contornatura con sega a nastro, un filo (figg.24a e 24b) percorre molto lentamente il profilo programmato, mentre le scariche elettriche erodono progressivamente il materiale come i denti di una sega. Con l elettroerosione a filo si tagliano spessori fino a 500 mm e si realizzano punzoni, utensili e matrici di materiale duro. Le macchine per WEDM sono fornite di controllonumerico computerizzato per la gestione del percorso di taglio (fig.24c). Il filo è in bronzo, rame o tungsteno con un diametro minimo di circa 0,25 mm. Viene continuamente rinnovato riavvolgendolo su una bobina (a circa 2.5 mm/s) ed è relativamente poco costoso. Il filo viene mantenuto ad una distanza costante dal pezzo in lavorazione controllando i parametri di scarica Fig. 24

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