SISTEMI DI PRODUZIONE TECNOLOGIA MECCANICA Dario Antonelli Lavorazioni non convenzionali Introduzione 2 I processi non convenzionali sostituiscono le tecnologie tradizionali di asportazione Lavorazioni con utensili non dedicati o addirittura immateriali Vantaggio nei costi per lavorazioni su piccola serie Vantaggio nella lavorazione di materiali particolari (es. molto duri >400HB) o geometrie del componente particolari (es. oggetti flessibili, fori di piccolo diametro) 1
Classificazione in base alla fonte di energia Elettrica: Elettroerosione Meccanica: Taglio a getto d acqua, ultrasuoni Termica: fascio laser, arco al plasma Chimica: Elettrochimica, Fotochimica, Asportazione chimica Moduli del corso 4 A. I materiali B. Formatura C. Deformazione D. Taglio e Controllo Numerico E. Altri Processi 2
Lezioni del Modulo E 5 1. Il controllo numerico 2. La programmazione delle macchine CN 3. I processi non convenzionali 4. Processi di giunzione Elettroerosione 3
Il processo di elettroerosione 7 Viene generato un campo elettrico tra elettrodo e pezzo Si forma un canale ionizzato tra elettrodo e pezzo con accensione della scintilla e fusione locale del pezzo Interruzione della corrente ed implosione della scintilla Evacuazione delle particelle metalliche per mezzo del lavaggio del dielettrico Schematizzazione + + + + + + - - - - - - + + + + + + - - - - - - 4
Macchina per elettroerosione Ottimizzazione del processo Aumentando l intensità di corrente: eliminazione delle particelle nell area di lavoro raffreddamento della zona di lavorazione contenimento del canale di scarica Cercare un compromesso tra quantità di materiale asportato e livello di usura dell utensile Come svantaggio si ha l alterazione termica del materiale attorno alle superfici lavorate 5
Grafico di funzionamento Volume di materiale asportato Usura dell utensile Intensità di corrente [A] Grafico di funzionamento Regime di lavoro I 1 I 2 Intensità di corrente [A] 6
Lavorazioni per elettroerosione Improntatura tecnica a più canali erosione planetaria Lavorazione di stampi 7
Lavorazione di viti Lavorazione di chiavette 8
Lavorazione di stampi a tranciare Lavorazioni per elettroerosione Improntatura Taglio 9
Taglio con lama Taglio con nastro o filo 10
Taglio con disco Lavorazioni per elettroerosione Improntatura Taglio Rettifica utilizzata per pezzi di elevate dimensioni 11
Rettifica interna Rettifica di profili 12
Taglio a getto d acqua Generalità Processo di taglio che sfrutta la forza risultante della variazione della quantità di moto di un getto d acqua nell urto contro la superficie Intensificatore di pressione fornisce una portata modesta di acqua ad una pressione di 400 Mpa Getto coerente con elevata energia cinetica. Principale innovazione: aggiunta di un abrasivo per lavorare materiali duri 13
Materiali lavorati con getto d acqua Taglio di materiali di qualsiasi tipo, dai più morbidi fino a metalli, ceramiche e marmo Lavorazione di materiali di durezza non elevata (plastica, legno, tessuti e laterizi ecc.) Taglio di materiali con produzione di polveri nocive o infiammabili (amianto, legno) Vantaggi del sistema Taglio di geometrie molto complesse in 2D Operazioni effettuate con tolleranze ragionevoli Lavorazione senza apporto di calore Versatilità Lavorazione ecologica e sicura per l operatore 14
Impiego del water abrasive jet Industria aerospaziale (lavorazione del titanio) Architettura e lavori artistici Automotive (parti per prototipi) Industria del vetro Industria Medica Officine EDM con applicazioni laser Lavorazioni eseguibili 15
Lavorazioni eseguibili Il waterjet La pompa porta la pressione dell acqua a 400 MPa L acqua in pressione passa in un ugello L 0,5mm Il flusso ha velocità supersonica (Mach 2 3) Il taglio avviene per erosione supersonica da parte del flusso d acqua Il calore di taglio è in grado di far evaporare l acqua utilizzata 16
Pompe utilizzate per il taglio waterjet Intensifier pump una pompa idraulica mette in pressione il fluido che aziona un pistone il pistone porta in pressione l acqua mediante una superficie molto più piccola aumento notevole di pressione (da 20 MPa a 400 MPa con rapporto tra superfici di 1/20) Intensificatore a doppio effetto 17
Pompe utilizzate per il taglio waterjet Intensifier pump Crankshaft pump stesso principio dell intensifier pump ma utilizzo di più pistoni la pompa recupera la spinta dell acqua rimasta nel cilindro sottoforma di energia cinetica aumento di rendimento (fino al 95%) Schema dell ugello 18
Difetti del sistema Jet lag perdita di velocita del getto d acqua in seguito alla perforazione del materiale creazione di un tagliente curvo Difetti del sistema Taper ad alte velocità il flusso d acqua non riesce ad asportare tutto il materiale fino in fondo taglio più largo nella parte superiore rispetto al fondo come rimedio si usano ugelli inclinabili 19
Gli ugelli inclinabili Schema di funzionamento Velocità di erosione normale al taglio n v r R m Sforzo normale nella zona di impatto diretto 4 m v sin 2 n d m Attrito più elevato per i getti abrasivi Diametro del tubo di miscelazione (focalizzatore) 20
Parametri di processo Idraulici: Pressione Portata Diametro ugello Tecnologici Velocità avanzamento Stand off distance Angolo di incidenza Parametri di processo del WJC profondità di taglio pressione acqua 21
Parametri di processo del WJC profondità di taglio distanza di stand-off Parametri di processo del WJC profondità di taglio velocità di avanzamento 22
Vantaggi del WJM assenza usura utensile assenza rottura improvvisa utensile assenza danneggiamento termico assenza polveri facile staffaggio Svantaggi del WJM solo materiali non metallici costo rumorosità danneggiamento (laminati) 23
Alcuni esempi Spessore Pressione Vel. avanz. [mm] [MPa] [mm/s] Legno Kevlar 6 300 17 3 300 50 Cuoio Poliestere 2,2 300 330 2 430 2500 Cartone 1 250 8330 L abrasive jet Il flusso supersonico passa attraverso un focalizzatore Per effetto Venturi si forma un vuoto che permette l ingresso di abrasivi nel flusso Il canale di alimentazione accelera gli abrasivi a velocità supersoniche Il taglio avviene per erosione 24
L abrasive jet Principio di funzionamento del AWJM 25
La camera di miscelazione 1. Ingresso acqua ad alta pressione 2. Ugello primario 3. Abrasivo 4. Camera di miscelazione (effetto Venturi) 5. Tenuta 6. Abrasive Water Jet 7. Pezzo lavorato Principio di taglio nel AWJM 26
Parametri di processo del AWJM Parametri di processo del AWJM profondità di taglio portata di abrasivo 27
Macchina per AWJM: Flow WMC Macchina per AWJM: Flow WMC Area di lavoro standard 3 x 1,5 m, 4 x 2 m, 4 x 3 m Precisione di posizionamento ± 0.08 mm Precisione di ripetibilità ± 0.03 mm Velocità massima 850 mm/sec Velocità in contornatura 420 mm/sec Sistema di controllo FlowMaster Registrazione asse Z 250 mm Pressione massima acqua 400 MPa Potenza pompa 40 e 80 kw 28
Taglio con getto d acqua Esempio di cella robotizzata per WJC Cabina insonorizzata Tavola rotante Vasca (catcher) 29
Laser Il laser Laser è l acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificazione della luce mediante emissioni stimolate di radiazioni) Caratteristiche del fascio laser: monocromaticità coerenza collimazione irradianza (potenza che una sorgente di onde elettromagnetiche emette per unità di superficie e di angolo solido) 30
Parametri dell onda La frequenza della radiazione: c l c : velocità della luce nel vuoto (3 10 8 m/s) l : lunghezza d onda della radiazione emessa Parametri dell onda La relazione di Planck: h E2 E 1 h : costante di Planck E 2 E 1 : energia persa dall elettrone nel passaggio tra due livelli energetici 31
Fenomeni di interazione Emissione spontanea un atomo passa spontaneamente dal livello E 2 a E 1 con emissione di un fotone di frequenza Assorbimento: un fotone di frequenza n interagisce con un atomo di livello E 1 portandolo in E 2 Emissione stimolata: la radiazione elettromagnetica E 2 - E 1 eccita il sistema atomico facendolo decadere di livello ma emettendo fotoni L amplificazione della luce E 2 h E2 E 1 E 1 Amplificazione dei fotoni 32
L inversione di popolazione In condizioni di equilibrio termodinamico l emissione stimolata non si verifica perché il materiale assorbe la radiazione L effetto laser s innesca quando i livelli energetici superiori sono quelli più popolati (inversione di popolazione) attraverso sistemi di pompaggio si eccita il sistema scatenando l emissione stimolata Pompaggio a quattro livelli Pompaggio Livello di pompaggio Emissione spontanea E 2 E 1 h E2 E 1 Livello fondamentale Emissione spontanea 33
Sorgenti laser Laser a stato gassoso CO 2 (più utilizzato) l = 10,6 mm He Ne l = 0,633 mm Ar Kr l = 0,488 0,674 mm Eccimeri l = 0,19 0,35 mm Laser a liquidi Dyes l = 0,4 0,8 mm Laser a semiconduttori GaAs, GaAsP l = 0,84 1,2 mm Laser a stato solido Rubino l = 0,69 mm Nd:Yag l = 1,06 mm Potenze medie delle sorgenti laser Rendimento medio 30 Semiconduttori 12 8 2 1 CO 2 Eccimeri Nd:Yag 0,1 0,5 1 3 5 50 100 Potenza [kw] 34
Parametri caratteristici delle sorgenti Potenza (densità di potenza d P ) Lunghezza d onda Modo temporale emissione continua o impulsata Funzionamento impulsato del laser Densità di potenza Periodo (D.C.) Tempo 35
Parametri caratteristici delle sorgenti Potenza Lunghezza d onda Modo temporale Modo spaziale indica la distribuzione di potenza all interno del fascio fattore di focabilizzabilità M 2 Il modo del fascio M 2 = 1 M 2 = 2 M 2 = 4 36
Parametri caratteristici delle sorgenti Potenza Lunghezza d onda Modo temporale Modo spaziale Dimensioni del fascio focalizzato (spot) Parametri del fascio laser Diametro dello spot nel punto di waist Lunghezza focale 37
Parametri del fascio laser Profondità di fuoco Il taglio laser Ugello di taglio 38
Il taglio laser Materiale fuso Il taglio laser Zona rimossa (kerf) 39
Caratteristiche positive del laser Zona rimossa (kerf) piccola (0,1 0,5 mm) Zona termicamente alterata ridotta Elevata densità di potenza Assenza di ossidi Assenza di contatto con i pezzi Versatilità d impiego Criticità del laser Impianti costosi Danneggiamento termico sui materiali sensibili al calore Superfici craterizzate Elevata precisione di posizionamento dei pezzi Influenza della riflettività 40
Macrografia di un taglio laser Zona termicamente alterata Prestazioni nel taglio di acciaio al carbonio 20 Velocità [m/min] 10 Plasma I = 15 500 A 1 0,5 1 20 60 150 Spessore [mm] 41
Prestazioni nel taglio di acciaio al carbonio 20 Velocità [m/min] 10 1 0,5 Laser CO 2 P = 0,5 1,5 Kw 1 20 60 150 Spessore [mm] Prestazioni nel taglio di acciaio al carbonio 20 Velocità [m/min] 10 1 Taglio ossiacetilenico 0,5 1 20 60 150 Spessore [mm] 42
Prestazioni nel taglio di acciaio al carbonio 20 Velocità [m/min] 10 1 0,5 Taglio waterjet con abrasivo Spessore [mm] 1 20 60 150 Sommario della lezione Elettroerosione Taglio a getto d acqua Taglio laser 43