Sistemi di bloccaggio Obiettivi Prerequisiti Conoscere le tensioni che si generano su un corpo per effetto delle sollecitazioni. Saper applicare le condizioni di equilibrio su un corpo. Distinguere le proprietà dei materiali ferromagnetici, diamagnetici e paramagnetici. Saper effettuare il bloccaggio dei pezzi con i metodi tradizionali. Scegliere il sistema di serraggio adeguato in funzione delle dimensioni dei pezzi. Conoscere vantaggi e svantaggi dei metodi flessibili. 11
11.0 Introduzione La fase di montaggio del pezzo sulla macchina è molto importante per poter ottenere una corretta lavorazione; gli obiettivi da raggiungere sono: conoscere la posizione e l orientamento del sistema di riferimento del pezzo rispetto a quello della macchina; mantenere la posizione durante la lavorazione; compensare le sollecitazioni che nascono durante la lavorazione. Figura 11.1 Classificazione dei sistemi di bloccaggio. Nella tornitura il pezzo può essere montato sulla macchina tramite diverse modalità a seconda delle sue dimensioni e della lavorazione da eseguire: se il pezzo non è troppo lungo, per esempio, è possibile utilizzare una piattaforma autocentrante; se invece la lunghezza è maggiore, il pezzo durante la lavorazione tenderebbe a deformarsi, quindi si può utilizzare un autocentrante e una contropunta; si può usare una lunetta nel caso in cui la lunghezza sia elevata e si debbano eseguire lavorazioni interne. In Figura 11.1 sono riportati i principali sistemi di bloccaggio per centri di lavoro. I sistemi di bloccaggio del pezzo da realizzare devono perseguire una molteplicità di obiettivi: riferire il pezzo nello spazio di lavoro della macchina; bloccarlo in posizione stabile e senza deformazioni. A SR1 SR2 Figura 11.2 Superfici da considerare nel posizionamento del pezzo a bordo macchina. La scelta dell attrezzatura idonea deve essere tale da soddisfare le esigenze esplicitate dall analisi delle superfici del pezzo, delle lavorazioni da SB effettuare in ogni fase e sottofase del processo, 4,5 della precisione dimensionale e della tolleranza di SR3 sez A-A lavorazione richiesta. L attrezzatura è dimensionata o progettata in base al principio del posizionamento isostatico. Ogni corpo nello spazio e nel caso specifico si intende lo spazio di lavoro della macchina XYZ ha 6 gradi di libertà; il principio consiste nell eliminare i 6 gradi di libertà con il minimo numero indispensabile di punti di contatto tra pezzo e attrezzatura. Diverse sono le superfici da prendere in considerazione (Figura 11.2): 1. superfici di bloccaggio SB - sono le superfici sulle quali agiscono i dispositivi di bloccaggio dell attrezzatura; 2. superfici di appoggio SA - sono le superfici attraverso le quali si scaricano le sollecitazioni generate dalle forze di taglio; 3. superfici di partenza SP - sono le superfici del greggio di partenza che svolgono la funzione di superfici di riferimento (in genere durante la prima sotto-fase); 4. superfici di riferimento SR - sono superfici del pezzo dove sono localizzati i 6 punti, che entrano a contatto con gli elementi dell attrezzatura. Per quanto possibile devono coincidere con i riferimenti di quotatura. A 306 11. Sistemi di bloccaggio
11.1 Morse Figura 11.3 Morsa di precisione. Le morse meccaniche o idrauliche (Figura 11.3) sono molto utilizzate nei centri di lavoro, quando si devono lavorare pezzi variabili, a causa del rapido posizionamento e il loro facile trasferimento da una macchina all altra: i pezzi devono avere due superfici parallele, su cui si generano, per effetto del serraggio, delle tensioni. Quando è richiesta una precisione di serraggio elevata, prevalentemente su fresatrici e rettificatrici, si possono impiegare morse ad alta precisione (quelle a posizionamento rapido sono particolarmente adatte per la lavorazione di elettroerosione). Quando è necessario effettuare bloccaggi multipli si possono utilizzare morse in parallelo, come in Figura 11.4. Le caratteristiche principali sono le seguenti: sono in acciaio legato, temprate e finemente rettificate; serraggio e sbloccaggio sono ottenibili semplicemente con vite di comando; le ganasce a gradini sono regolabili, ingranaggio automatico; hanno effetto autostaffante. Figura 11.4 Pallet a serraggi multipli con morse in parallelo. 11.2 Mandrini autocentranti Nelle lavorazioni assiali simmetriche, quando la lunghezza del pezzo, rispetto al suo diametro, non è eccessivamente elevata, si possono utilizzare mandrini (piattaforme) autocentranti, composti da un corpo cilindrico portante (normalmente cavo per consentire lavorazione su barre intere) a tre o quattro griffe a gradini, regolabili con una chiave (si allontanano o si avvicinano al centro): questi morsetti stringono il pezzo e lo mettono in rotazione. Le griffe possono essere per interni o per esterni e sono numerate, cosicché ciascuna griffe corrisponde a una determinata guida (Figure 11.5, 11.6). Figura 11.5 Autocentrante a 4 griffe per torni. Figura 11.6 Autocentrante a 3 griffe. 11. Sistemi di bloccaggio 307
Figura 11.7 Contropunta. Se il pezzo presenta una lunghezza elevata, potrebbe deformarsi durante la lavorazione, quindi l estremità libera viene fissata con una contropunta (Figura 11.7), che va a impegnarsi sul pezzo, precedentemente forato con un foro conico (la conicità è la stessa della punta). Il pezzo, tenuto in asse da mandrino autocentrante e contropunta, ruota con asse perfettamente orizzontale. La contropunta è fissata nella controtesta, che può in certi casi essere spostata, con una chiave di manovra, di una piccola entità in direzione trasversale alle guide del bancale. In questo modo l asse di rotazione del pezzo non sarà più parallelo alle guide del bancale, realizzando così torniture di debole conicità. Per il bloccaggio di pezzi snelli (nell operazione di tornitura, per esempio), si possono utilizzare degli elementi detti lunette (Figura 11.8), che vengono impiegate per contrastare le forze di inflessione sull albero. La precisione di una lunetta dipende, oltre che da altri fattori, dal suo supporto. Le condizioni più importanti sono:una notevole rigidità, una superficie di appoggio perpendicolare a 90 rispetto all asse della macchina e la resistenza alle vibrazioni. Figura 11.8 a) Lunetta mobile montata sul carro; b) lunetta fissa. 11.3 Brida - menabrida Se il pezzo non può essere montato su un autocentrante, si può utilizzare un sistema punta-contropunta; il foro da centro dovrà essere realizzato su entrambe le estremità del pezzo e l oggetto da lavorare viene messo in rotazione da un sistema brida-menabrida o da un trascinatore frontale: nel primo caso, si utilizza un collare (brida, Figura 11.9) solidale con l autocentrante e, se i pezzi sono lunghi, sul mandrino viene coda controtesta montato un disco, menabrida, che ha un perno solidale che trascina in rotazione la brida (Figura 11.10) agganciata al pezzo da brida tornire. Figura 11.9 Brida. piattello menabrida Figura 11.10 Sistema di trascinamento con piattello menabrida-brida. 308 11. Sistemi di bloccaggio
11.4 Mandrini a espansione Nel caso si debbano eseguire lavorazioni di tornitura cilindrica su pezzi forati, si possono utilizzare mandrini elastici, come in Figura 11.11a), o comunque mandrini ad espansione, che afferrano cioè con le griffe che spingono dall interno (Figura 11.11b). Nei settori di lavorazioni di finitura, tornitura, rettifica, dentatura e controllo, i mandrini a espansione acquisiscono grande importanza. L elemento centrale è la bussola di serraggio. Una bussola convenzionale in acciaio per molle, che ha la durezza delle molle, perché si deve piegare per serrare il pezzo. a) b) Figura 11.11 a) Mandrini elastici, b) Mandrino a espansione con griffe. 11.5 Staffe rotanti In alcune lavorazioni il serraggio avviene utilizzando staffe rotanti. Questi cilindri (Figura 11.12) sono realizzati in particolare per applicazioni che richiedono alte forze di fissaggio e quando si lavora in spazi ridotti, specialmente quando il sistema di fissaggio deve risultare incassato e la superficie di lavorazione libera. Possono essere a semplice o doppio effetto a seconda che comprimano il pezzo in lavorazione verso la tavola portapezzo o comprimano e spingano rispetto il piano di lavoro. Figura 11.12 Staffa rotante a effetto semplice. 11.6 Fissaggio magnetico Con i normali metodi di fissaggio il pezzo non è mai completamente libero su tutte le sue superfici e le forze di serraggio creano nel materiale delle tensioni: l ancoraggio magnetico garantisce senza limiti temporali, mantenendo costante la forza di bloccaggio, il fissaggio su tutta la superficie, mentre tutte 11. Sistemi di bloccaggio 309
le altre possono essere lavorate in un unico piazzamento (Figura 11.13). È un sistema caratterizzato da elevate flessibilità e riconfigurabilità. Nel caso si debbano eseguire frequenti posizionamenti e bloccaggi del pezzo sul piano di una macchina utensile, questo metodo è estremamente utile e consente un notevole risparmio di tempo. Il pezzo non subisce né tensioni, né deformazioni. Anche se la velocità di carico/scarico pezzo è elevata, questa soluzione non è direttamente applicabile a materiali para e diamagnetici, mentre nel caso di materiali ferromagnetici la permeabilità del materiale al flusso magnetico, specie su pareti sottili, può portare alla cattura del truciolo. Figura 11.13 Piano di ancoraggio magnetico. 11.7 Sistemi modulari Per diminuire i costi, nel caso della lavorazione di piccoli lotti si può utilizzare un sistema modulare (Figura 11.14), caratterizzato da un kit di elementi combinabili a seconda della forma dell oggetto da lavorare (cambiano di volta in volta, quindi si possono bloccare pezzi di forma anche complessa), a scapito tuttavia di rigidezza, forza di bloccaggio e compattezza dell insieme e con un notevole impegno di manodopera. Figura 11.14 Sistemi modulari per il bloccaggio del pezzo e kit. 310 11. Sistemi di bloccaggio
11.8 Sistemi di fissaggio a depressione Figura 11.15 Tavola forata attraverso cui si genera il serraggio per depressione. Sono sistemi adatti per la lavorazione di piccoli e medi lotti con alesatrici orizzontali e verticali, centri di lavoro con o senza pallets, torni a controllo numerico e manuali, rettifiche, macchine per incisione, macchine di misura, macchine e applicazioni speciali. Sono costituiti da una tavola forata (Figura 11.15) che è sottoposta all azione di una pompa a vuoto che aspira l aria tra pezzo e superficie di appoggio. Ovviamente la superficie del pezzo da lavorare deve essere piana. I tempi di carico e scarico sono molto ridotti e si possono raggiungere elevate forze di serraggio senza danneggiare o deformare il pezzo; inoltre, come per il bloccaggio magnetico, le altre superfici del pezzo sono libere di essere lavorate in un unico piazzamento. 11.9 Cambiamento di fase (RFPE) e pseudo cambiamento Figura 11.16 Fasi di realizzazione del bloccaggio a cambiamento di fase. incapsulamento calore lavorazione lavorazione fusione ed eliminazione del mezzo di fissaggio Un sistema di fissaggio con pseudo cambiamento di fase utilizza materiali bifasici costituenti un letto di particolato fluidizzato. Un contenitore è riempito con particelle e incorpora un pavimento poroso attraverso cui fluisce un flusso di aria a una velocità controllata. Quando il flusso è attivato il letto di particolato si comporta come un fluido permettendo (letto fluido) l inserimento del pezzo da lavorare con una minima resistenza. Quando il flusso cessa le particelle si compattano per effetto della forza peso o per l azione di una sollecitazione idraulica, formando una massa solida che immobilizza la parte da lavorare. Occorre considerare che la forza di fissaggio, non particolarmente elevata, è distribuita sull intera superfice immersa, ma costituisce il limite di questo sistema, mentre un punto di vantaggio è la possibilità di essere applicato per forme comunque complesse. riposizionamento Nei sistemi di fissaggio con reale cambiamento di fase la temperatura è il parametro utilizzato per controllare il cambiamento di stato. I sistemi di fissaggio di questo tipo utilizzano prevalentemente materiali con basso punto di fusione. Questi vengono utilizzati per incapsulare l oggetto di forma libera (RFPE - Reference Free Part Encapsulation) (Figura 11.16). In alcuni casi, in cui componenti sottili e fragili necessitano di lavorazioni leggere come mezzo per il fissaggio viene utilizzata acqua (bloccaggio criogenico), la solidificazione viene ottenuta utilizzando un dispositivo Peltier. Chiaramente questo processo non è idoneo quando c è sviluppo di calore durante la lavorazione o quando 11. Sistemi di bloccaggio 311
sono richieste tolleranze strette. La forza di serraggio non è molto elevata (è quindi adatta per lavorazioni leggere) e risulta distribuita su tutta la superficie del pezzo. 11.10 Sintesi dei sistemi di bloccaggio Tabella 11.1 Tipi di sistema di fissaggio Sistemi personalizzati o dedicati. Sistemi flessibili di fissaggio. Sistema di fissaggio Sistema convenzionale. Sistema a vuoto. Sistema modulare. Sistema con morsa. Sistemi adattabili. Descrizione Sistemi per il bloccaggio di vario tipo collegati da una base. Applicazioni Idoneo per produzione di massa. La parte poggia su una tavola dotata di microfori. Una Per produzioni di pompa a vuoto piccoli lotti e medi garantisce la lotti. Le parti devono rimozione dell aria avere una superficie tra il fondo del pezzo piana. e la superficie del portapezzo. Sono prodotte diverse configurazioni combinando elementi standardizzati. Sistemi in cui posizionatori, pins e dispositivi di posizionamento possono essere immediatamente posizionati in punti di riferimento. Per produzioni di piccoli lotti e medi lotti. Per parti con due facce parallele. Famiglie di parti o comunque parti simili. Vantaggi e limitazioni Elevata rigidezza e forza di bloccaggio, rapido caricamento e scaricamento di pezzo in lavorazione elevata ripetibilità. Richiede un accurata progettazione e rilevanti investimenti. Rapida ed economica, difficoltà nell applicarla su parti complesse o forate. Non occupa spazio, flessibile, può essere dimensionato in poco tempo, limiti. Pieno accesso a una faccia del pezzo, molto rapido il montaggio e lo smontaggio, provoca elevate tensioni locali. Preparazione rapida con componenti dedicati, non idonei per parti con superfici irregolari. Forze di bloccaggio concentrate. segue 312 11. Sistemi di bloccaggio
Tabella 11.1 Tipi di sistema di fissaggio Sistemi che usano bloccaggi non meccanici o magnetici. Sistema di fissaggio Pseudo cambiamento di fase. Sistema a vuoto, bloccaggio con ghiaccio. RFPE Descrizione Immersione della parte nel letto fluidizzato e bloccaggio tramite interruzione del flusso di aria. Il pezzo è posto su una sottile lastra di acciaio inossidabile, rame o alluminio, ricoperta con un sottile velo di acqua che viene poi congelata. L oggetto di forma complessa è incapsulato con lega basso fondente. Applicazioni Lavorazioni leggere. Lavorazioni leggere. Idoneo per forme altrimenti non gestibili. Vantaggi e limitazioni Stabilità limitata dalle forze applicabili, distribuite su tutta la superficie. Rapida ed economica, non idonea per processi in cui si ha sviluppo di calore, scarsa precisione. Può indurre distorsioni su pareti sottili, caricamento/ scaricamento lenti. 11. Sistemi di bloccaggio 313
Scheda di valutazione Lo studente, dopo avere risposto, verifichi quanto riportato nel testo e valuti di conseguenza la propria risposta. 1 Quesito Quali sistemi di bloccaggio sono più adatti per un pezzo di lunghezza notevole e di piccolo diametro da tornire? 2 Quando si utilizzano i mandrini ad espansione? Individuare le differenze applicative tra mandrini ad 3 espansione e mandrini con griffe interne. 4 Quali sono le differenze tra fissaggio magnetico e a depressione? Sono dati un acciaio inossidabile ferritico e uno 5 austenitico. Sono entrambi fissabili alla tavola portapezzi mediante sistemi magnetici? Si commenti la seguente frase: Un truciolo di alluminio 6 di un pezzo a parete sottile fissato con sistema magnetico, aderisce alla parete del pezzo. 7 Quali vantaggi offrono i sistemi modulari? Quale è la procedura per eseguire il bloccaggio con 8 cambiamento di fase? Qual è la procedura per eseguire il bloccaggio con 9 pseudo-cambiamento di fase? È utilizzabile una lega di bismuto come mezzo di bloccaggio in un sistema a cambiamento di fase per un pezzo in acciaio? Quali sono le superfici da considerare nel posizionamento del pezzo? 10 11 Valutazione 314 11. Sistemi di bloccaggio