Corso di Tecnologia Meccanica Prof. Gianluca D Urso Prof. Claudio Giardini 1 CFU Il corso TMG è da 8 CFU 1 CFU aggiuntivo è riconosciuto come: Tirocini formativi e di orientamento [22056] ed è verificato nel corso dell esame di TMG Dopo aver superato l esame di TMG, è necessario iscriversi a questo ulteriore esame (sempre in esse3) per vedersi riconoscere anche il CFU aggiuntivo 2
Programma del Corso 1/2 Generalità sui processi di fabbricazione Relazione tra tecnologia impiegata e prodotto ottenuto Lavorazioni per fusione Tecniche di fonderia: caratteristiche geometriche di un pezzo di fusione Fonderia in terra e in conchiglia, cera persa, lostfoam, pressofusione Lavorazioni per deformazione plastica dei metalli Laminazione, estrusione, trafilatura, fucinatura, stampaggio Cenni sulle macchine per le lavorazioni citate Lavorazioni della lamiera 3 Programma del Corso 2/2 Lavorazioni con asportazione di truciolo Classificazione delle operazioni in base alla geometria da produrre Tornitura, fresatura, foratura, alesatura, brocciatura, rettifica Materiali e scelta degli utensili da impiegare Cenni sulle macchine utensili Lavorazioni non convenzionali Lavorazioni innovative 4
Valutazione e piano lezioni Una prova: 1 prova scritta (orale) teorica su tutto il programma Prove in itinere: 1a prova: 2a prova: Orario del corso: Martedì 14.00 18.00 Mercoledì 14.00 17.00 5 Valutazione Prove scritte: Durata 2,5 ore: circa 80-100 quesiti tipo quiz; domande teoriche aperte; esercizi da sviluppare 6
Riferimenti Bibliografici S. Kalpakijan, S R. Schmidt Tecnologia Meccanica Seconda edizione italiana Pearson, 2014. F. Giusti, M. Santochi Tecnologia meccanica e studi di fabbricazione Casa Editrice Ambrosiana, 2000. A. Bugini, C. Giardini, R. Pacagnella, G. Restelli Tecnologia Meccanica Vol. I e II Città Studi 7 Dispense del corso Sulla pagina del corso 8
- 1a - INTRODUZIONE 9 Tecnologia Meccanica La TECNOLOGIA MECCANICA, o meglio le TECNOLOGIE DI LAVORAZIONE MECCANICA, costituiscono l insieme dei processi che permettono la trasformazione di grezzi o di semilavorati in prodotti finiti. Attraverso le Tecnologie meccaniche diviene possibile il passaggio dal progetto di una parte alla sua realizzazione fisica. Le Tecnologie di lavorazione meccanica sono quindi la base per poter PRODURRE, ovvero Dare, fornire un prodotto come risultato di una serie di lavorazioni o trasformazioni operate dall uomo 10
Esempio Il prodotto deve rispettare i requisiti di progetto in termini di: Funzionalità, Forma, Aspetto estetico. Occorre: Effettuare scelte progettuali Risolvere problemi tecnologici Scegliere: Processo tecnologico Macchine utensili Utensili Attrezzature 11 Scelte progettuali Materiale Sezione filo Diametro filo Processo produttivo Finitura Dimensione lotto Problemi tecnologici Il materiale sopporterà la piegatura senza rompersi? Il filo potrà essere tagliato senza provocare usura eccessiva dell utensile? Il taglio provocherà bave? Qual è il sistema di produzione più economico per realizzare il lotto richiesto ed essere competitivi? 12
Esempio prodotto: IL PORTAUOVO Prodotto semplice (monofunzione, monomateriale, monotecnologico) In legno tornitura di un tronchetto e successiva decorazione Metallico spiraliforme deformazione plastica a freddo mediante avvolgimento di un filo d acciaio, successivamente verniciato 13 Metallico (lamiera d acciaio) imbutitura di una lamiera d acciaio inossidabile Metallico (lamiera d alluminio) imbutitura e piegatura di una lamiera d alluminio 14
Plastico materiale plastico iniettato in vari stampi 15 Vetro riscaldamento del materiale e formatura plastica Porcellana formatura a freddo, cottura e decorazione 16
Quindi per realizzare un prodotto occorre definire In fase di progettazione il prodotto finale va pensato suddiviso nei diversi componenti in modo che ciascuno di essi: sia realizzabile con materiali adatti alle sue funzioni sia assiemabile agli altri in modo opportuno Caratteristiche da conoscere: fisiche resistenziali meccaniche tecnologiche di componibilità di resistenza alla corrosione di finitura e di protezione superficiale compatibilità a trattamenti termici 1. Scegliere le tecnologie 2. Conoscere i parametri operativi delle lavorazioni prescelte alle quali sottoporre i materiali: asportazione di truciolo deformazione plastica a caldo e a freddo variazione di stato fisico compattazione e innalzamento della temperatura di materiale in polvere tecniche di unione 17 Esempio più complesso 18
Ancora più complesso 19 Molti materiali, molti processi, scelte difficili ma è la norma! 20
Tipologie di processi di produzione Produzioni per Processo Gli elementi originari che costituiscono il prodotto finale non possono essere facilmente identificati. Il prodotto non può essere scomposto a ritroso poiché i componenti originari non sono più distinguibili tra loro o hanno cambiato natura Acciaio, Carta, Cemento, Prodotti Chimici, Filati,... Produzioni per Parti o Manifatturiere Il prodotto finale risulta composto da un numero finito di componenti discreti (parti). Il processo produttivo è compreso da due fasi: Fase di fabbricazione Fase di assemblaggio Automobili, Calcolatori, Elettrodomestici, Calzature,... 21 La tecnica produttiva opera nei campi: - Lavorazione delle materie prime - Industria manifatturiera Trasformazione dei materiali secondo forme e dimensioni prefissate per ottenere oggetti funzionali Produzione e trasformazione dei materiali fino al livello dei semilavorati Trasformazione dallo stato di grezzo o semilavorato allo stato di prodotto finito tramite macchine operatrici o utensili 22
Fasi della produzione per parti Fase di fabbricazione Insieme delle lavorazioni (trasformazioni) che modificano la forma, le dimensioni, lo stato superficiale di parti singole. Fase di assemblaggio Insieme delle operazioni di giustapposizione di parti singole per formare un assieme. 23 Le trasformazioni La variazione nel tempo di una o più proprietà della parte ottenuta attraverso opportuni processi elementari. f (Proprietà della parte ) f f Stato finale Traiettoria di Trasformazione f i Stato iniziale t (tempo) 24
TRASFORMAZIONE Esempi di trasformazioni Trasformazione di forma e dimensioni (macrogeometria della parte) Trasformazione del grado di finitura di una superficie (microgeometria della parte) Trasformazione delle caratteristiche meccaniche (durezza, carico di rottura) Trasformazione di stato, di temperatura 25 Di cosa si ha bisogno in una trasformazione Informazioni Informazioni Materia Grezzo, semilavorato Altri materiali Materia Semilavorato, finito Sfridi, scarti Energia Energia Risorse 26
Definizioni Grezzo / Semilavorato Prodotto di partenza su cui vogliamo eseguire la trasformazione Altri materiali Materiali che possono essere richiesti per la corretta esecuzione della trasformazione (Es. Liquidi Refrigeranti) Materiali che possono essere aggiunti al grezzo Finito / Semilavorato Prodotto ottenuto dopo la trasformazione Sfridi Materiale in eccesso presente sul grezzo e asportato durante la trasformazione Scarti Prodotti finiti / semilavorati che non rispettano le specifiche imposte. 27 Variazioni di massa Le trasformazioni comportano una variazione DM della massa del prodotto finito / semilavorato (M2) rispetto alla massa del grezzo / semilavorato di partenza (M1). Distinguiamo tre casi possibili: DM = M2 - M1 < 0 DM = M2 - M1 = 0 DM = M2 - M1 > 0 28
DM = M2 - M1 < 0 M1 Grezzo Altri Materiali (liquido refrigerante) M2 < M1 Semilavorato / Finito M sfridi = - ΔM Sfridi / Scarti 29 DM = M2 - M1 = 0 M1 Grezzo M2 = M1 Semilavorato / Finito 30
DM = M2 - M1 > 0 M1a Parte 1a M1b Parte 1b M1c M2 = M1a + M1b + M1c Semilavorato / Finito Parte 1c 31 Energia Le trasformazioni sono operate grazie ad opportuni scambi di energia. L energia scambiata può essere di varia natura: Energia Meccanica, Piegatura della lamiera, Asportazione di truciolo. Energia Termica, Fusione di un componente. Energia Chimica. 32
Trasformazioni Le trasformazioni sono realizzate attraverso processi elementari (lavorazioni); Tali processi elementari possono essere classificati in base al tipo di energia utilizzata: Deformazione elastica (Es.: tirare elastico, comprimere molla) Deformazione plastica (Es.: piegare una lamiera, coniare monete) Frattura (Es.: spezzare lastra di vetro) Miscelazione (Es.: miscelare polveri) Fusione / Solidificazione (Es.: fusione di una statua) 33 Informazioni Le trasformazioni, per essere attivate, necessitano di opportune informazioni: Informazioni tecnologiche: Strumenti in grado di eseguire la trasformazione Traiettoria di processo Informazioni gestionali: Quale trasformazione eseguire Quando eseguire la trasformazione Su quale parte eseguire la trasformazione Quali strumenti usare 34
Risorse Qualsiasi trasformazione per essere compiuta necessita di opportune risorse. Macchina Fornisce l energia necessaria per attuare la trasformazione. Utensile Consente di trasferire l energia dalla macchina al grezzo / semilavorato. Attrezzatura Consente al grezzo / semilavorato di essere integrato nella macchina. 35 Trasformazioni reali Variabilità del risultato f ( Proprietà della parte ) Variabilità del risultato Variabilità dello stato iniziale f i2 f i1 Stato iniziale 2 Stato iniziale 1 t (tempo) 36
Variabilità del risultato La presenza di disturbi implica che il risultato finale non sarà mai unico, bensì variabile all interno di un certo intervallo di possibili soluzioni. Il problema è quello di garantire che le possibili soluzioni ottenibili tramite la trasformazione siano contenute all interno di un intervallo di tolleranza definito in fase di progettazione (specifiche). L intervallo delle possibili soluzioni legato alla trasformazione dovrà essere perciò contenuto all interno dell intervallo di tolleranza 37 Cioè Situazione soddisfacente Variabilità del risultato Intervallo di tolleranza Situazione non soddisfacente Variabilità del risultato Intervallo di tolleranza 38
Variabilità del risultato Nel caso la variabilità del risultato ottenibile sia superiore alla tolleranza imposta si dovrà: Migliorare il processo oppure: Cambiare il processo Da questo punto di vista diventa importante conoscere caratteristiche operative, tipologie di parti producibili, livelli di precisione delle differenti tecnologie produttive. 39 40
41 Sistemi di gestione qualità Analisi statistica del processo Carte di controllo Design of Experiment Futuri corsi 42
Fasi di sviluppo di un prodotto 43 Fattibilità tecnica e fattibilità economica Il processo che realizza il prodotto deve garantire: le specifiche tecniche del prodotto indicate nel disegno tecnico (tolleranze, rugosità, etc.); i volumi richiesti (capacità produttiva); il rispetto delle normative ambientali; il rispetto delle normative di sicurezza (Es.: sicurezza ambienti di lavoro, direttiva macchine, ). I costi associati al processo devono essere sostenibili rispetto al ricavato derivante dall utilizzo della sua capacità produttiva. UTILE = VALORE DELLA PRODUZIONE - COSTI DELLA PRODUZIONE Ricavi delle vendite e delle prestazioni Per materie prime, sussidiarie Per materiale di consumo Ammortamenti e svalutazioni Per il personale 44
Riepilogando Il processo di progettazione (*) di un prodotto, richiede una chiara identificazione delle funzioni e delle specifiche del manufatto. Spesso si hanno a disposizione più soluzioni tra le quali scegliere. Il criterio da applicare è quello economico: produzione del pezzo col ciclo di lavorazione meno costoso grado di precisione e finitura necessari garanzia delle caratteristiche tecniche e resistenziali richieste. (*) Processo di costruzione, descrizione ed analisi delle forme, delle proprietà di un prodotto e del suo processo produttivo al fine di svolgere una determinata funzione. 45 Solo una corretta conoscenza dei procedimenti tecnologici di lavorazione permette di progettare correttamente un pezzo scegliendone oculatamente materiali e ciclo produttivo. Il primo step è quindi l ANALISI FUNZIONALE Questa analisi è strettamente legata alla fase di progettazione del componente. Non si può prescindere da essa e deve essere effettuata dal tecnologo in stretta collaborazione con il progettista. Occorre rispondere a domande quali: A cosa serve? Dove viene usato? In che tipo di ambiente? A quali carichi è soggetto? Con quale materiale? 46
Per la scelta del processo produttivo più appropriato, è necessario arrivare a classificarli in modo da definirne i campi di applicazione dei singoli procedimenti e le possibili scelte alternative. Entrano, in questo senso, in gioco anche ulteriori fattori: volume produttivo; materiale; dimensioni dei pezzi; precisione richiesta; complessità della forma da ottenere; disponibilità di macchine ed attrezzature. 47 Non sempre il prodotto realizzato si vende 48
- 1b - I CICLI DI LAVORAZIONE 49 Definizione 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.) Diversi particolari meccanici hanno diverse esigenze di fabbricazione. Il problema è quello di arrivare a decidere come produrre un certo pezzo. 50
Il ciclo di lavorazione Individuazione: della forma del grezzo (o semilavorato), delle superfici da lavorare, del processo (più spesso dei processi) di lavorazione compatibilmente con i vincoli di tolleranza dimensionale, delle finiture superficiali e delle tolleranze geometriche definiti nel progetto. 2 3 4 1 5 6 7 8 51 Definizioni Ciclo E l insieme ordinato di fasi necessarie alla trasformazione del grezzo (o semilavorato) in un prodotto finito. Fase E l insieme ordinato di operazioni realizzate presso la medesima stazione di lavoro. Sotto-Fase E l insieme ordinato di operazioni realizzate presso la medesima stazione di lavoro e con il medesimo posizionamento. Operazione elementare E la lavorazione di una superficie elementare realizzata con un unico utensile. 52
53 Tornitura 54
Fresatura 55 Foratura 56
Il ciclo di lavorazione 1. Analisi critica del disegno di progetto 2. Riprogettazione del componente (ove necessario) 3. Determinazione dei processi tecnologici e scelta delle macchine utensili 4. Stesura del ciclo di lavorazione da realizzarsi 5. Calcolo dei tempi e dei costi di fabbricazione Considerazioni: Non è unico: possono esistere più alternative a seconda del numero di pezzi da produrre, della precisione, dei costi, E una procedura ricorsiva: ogni scelta può influenzare le altre 58 1. Analisi critica del disegno di progetto Dimensioni del pezzo Tolleranze dimensionali e di forma Finitura superficiale Trattamenti termici Connessione con altri elementi Materiale Tipo di grezzo o semilavorato Quantità di pezzi da produrre e produttività richiesta Disponibilità di pezzi e di macchine Ubicazione del macchinario Grado di efficienza del personale 59
2. Riprogettazione del componente Possibilità di ricombinare parti separate Selezione dei metodi di fabbricazione Sostituzioni delle parti standard Design for manufacturing Studio montaggio delle parti Design for assembly 60 3. Determinazione dei processi tecnologici e scelta delle macchine utensili Individuazione, raggruppamento e sequenziamento delle superfici e delle operazioni da effettuare Elaborazione di più cicli di lavorazione che utilizzino diverse combinazioni di macchine e di processi Various methods of making a simple part: (a) casting or powder metallurgy, (b) forging or upsetting, (c) extrusion, (d) machining, (e) joining two pieces. 61
4. Stesura del ciclo di lavorazione da realizzarsi Per la fonderia: Scelta del processo e realizzazione del modello o stampo Per la deformazione plastica: Scelta del processo e realizzazione delle attrezzature Per l asportazione di truciolo: Individuazioni delle superfici di riferimento e di bloccaggio del pezzo Scelta o progettazione delle attrezzature Scelta degli utensili Scelta dei parametri di taglio Scelta delle procedure di controllo delle superfici lavorate Stesura dei fogli di lavorazione 62 5. Calcolo dei tempi e dei costi Identificazione del ciclo più conveniente e di conseguenza delle macchine, processi od impianti da adottare Costi di manodopera Ammortamento Costi di attrezzaggio e degli utensili 63
Esempio Scatola di regolazione 500 esemplari Parco macchine tradizionale Grezzi ottenuti per fusione Materiale in ghisa grigia con resistenza a trazione 200N/mm2 64 65
66-2 - I PROCESSI TECNOLOGICI DI BASE Fonderia, Deformazione Plastica e Asportazione di Truciolo 67
Oggi si lavora su diverse «scale» 68 Processi di lavorazione «tradizionali» Formatura Stato liquido: fonderia Stato solido: polveri Deformazione Laminazione Estrusione Trafilatura Forgiatura Lamiere Asportazione Con taglienti a geometria definita: tornitura, fresatura, Con taglienti a geometria indefinita: rettificatura, 69
Processi «non convenzonali» o «innovativi» Laser Elettroerosione Taglio ad acqua Microlavorazioni tutte quelle già dette su scala micrometrica Tecniche di Additive Manufacturing 3D printing Automazione Macchine a Controllo Numerico (CNC) 70 Filmati introduttivi Chi ti insegna il tornio Sicurezza cinese Ciclo acciaio Produzione lattine 71