CAPITOLO 15 15 TECNOLOGIE SOTTRATTIVE NON CONVENZIONALI Sinossi L e metodologie produttive illustrate nel capitolo precedente (le tecnologie sottrattive convenzionali) sono estremamente potenti e flessibili e ben si adattano alle esigenze delle costruzioni aeronautiche, in termini di qualità e di numerosità produttiva. Ciononostante, esse non sempre possono essere adottate: talvolta i materiali da lavorare sono troppo duri e abrasivi, si deteriorano a causa del riscaldamento o producono polveri tossiche. In altri casi le morfologie da ottenere sono difficilmente producibili tramite le normali lavorazioni alle macchine utensili: si pensi a travi di grande lunghezza e debole rastremazione o a manufatti di forma complicata dei quali si voglia diminuire lo spessore oppure a fori o cavità con spigoli vivi. In questi casi è necessario adottare metodi produttivi sottrattivi, ma non fondati sull asportazione meccanica del materiale da parte di un utensile solido, bensì su fenomeni particolari (ultrasuoni) o principi chimici (fresatura chimica), elettrochimici (fresatura elettrochimica) o termoelettrici (elettroerosione). Tali tecniche vanno sotto il nome di tecnologie sottrattive non convenzionali e godono di una vasta popolarità nelle costruzioni aerospaziali, in quanto consentono di lavorare materiali ostici, come le leghe di titanio e le superleghe, conferendo loro forme tipiche delle strutture aeronautiche (pareti sottili a doppia curva, elementi esili e rastremati, particolari di forma complicata e dimensioni accurate). Esse verranno trattate nel presente capitolo, mentre altre tecnologie sottrattive non convenzionali quali l idrotaglio (water-jet) e le lavorazioni con raggio LASER e fascio elettronico (LASER beam, electron beam) verranno prese in considerazioni nel Cap.43, relativo alle lavorazioni sottrattive dei materiali compositi. 15.1 Processi sottrattivi non convenzionali e lavorazioni convenzionali alla macchina utensile L descritte nel capitolo precedente rimuovono il materiale attraverso la formazione di trucioli o tramite meccanismi di abrasione. Si possono però presentare situazioni nelle quali tali processi non sono efficienti, convenienti o addirittura possibili, per le seguenti ragioni: la durezza e la resistenza del materiale è molto alta (tipicamente superiore ai 400 HB) oppure il materiale è troppo fragile; il pezzo da lavorare è troppo flessibile, esile o delicato per sopportare le forze applicate dall utensile oppure esso è difficile da staffare; la morfologia del pezzo è complessa, presenta sagomature interne o esterne oppure fori non circolari di profilo complicato; G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 1 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano
i requisiti in termini di rugosità superficiale e/o di tolleranze dimensionali sono troppo restrittivi per essere ottenuti con tecnologie convenzionali; l incremento di temperatura dovuto all azione dell utensile ed i conseguenti sforzi residui nel pezzo non sono accettabili; è necessario lavorare nuovi materiali (metalli e non metalli), tipici delle costruzioni aerospaziali, quali le leghe di titanio, di nichel e di cobalto, i vetri, le ceramiche ed i carburi. Per ovviare a questi inconvenienti, a partire dagli anni 40 della Seconda Guerra Mondiale, sono state sviluppate le tecnologie sottrattive non convenzionali. Al momento sono disponibili numerosissime tecniche, le quali possono però essere sempre classificate in base al tipo di energia che viene utilizzata per rimuovere il materiale: energia meccanica viene sfruttato un tipo di energia meccanica in qualche modo diverso da quello utilizzato nei processi convenzionali: per esempio derivante da un flusso ad alta velocità di particelle abrasive trascinate da un fluido; energia elettrica i processi non convenzionali usano l energia elettrochimica per rimuovere il materiale attraverso un meccanismo inverso rispetto a quello dell elettro-placcatura; energia termica questi processi utilizzano l energia termica per tagliare o conformare il pezzo. In genere, l energia è trasferita a porzioni molto piccole della superficie da lavorare, in maniera da provocarne la rimozione per fusione e/o vaporizzazione. L energia termica deriva dalla conversione di energia elettrica. energia chimica la maggior parte dei materiali (specie i metalli) sono suscettibili all attacco chimico da parte di taluni acidi o basi. Nelle tecnologie per sottrazione chimica, la sostanza aggressiva rimuove selettivamente il materiale da alcune porzioni del pezzo da lavorare, mentre le altre parti sono protette da una mascheratura. 15.2 Lavorazioni ad ultrasuoni e lavorazioni agli ultrasuoni (Ultra Sonic Maching L USM) sono processi non convenzionali ove particelle abrasive disperse in un liquido sono guidate ad elevata velocità contro la superficie del materiale da lavorare da un utensile. Quest ultimo vibra ad un ampiezza modesta (circa 0.075mm), ma ad alta frequenza (circa 20KHz). L utensile oscilla in direzione parallela alla superficie del pezzo ed è lentamente spinto contro di esso, in modo che la sua forma venga riprodotta in modo complementare nel pezzo stesso. Ad ogni modo, è l azione esercitata dalle particelle abrasive a rimuovere il materiale (cfr. Figura 15.1). Figura 15.1 - Schema della lavorazione ad ultrasuoni Gli utensili sono generalmente realizzati in acciai dolci o inossidabili. L abrasivo può essere costituito da particelle di nitruro o carburo di boro, alumina, carburo di silicio o diamante sintetico, con una granulometria variabile da 100 a 2000. L ampiezza della vibrazione dovrebbe coincidere con le dimensioni delle particelle ed il meato tra utensile e pezzo in lavorazione essere pari al doppio di tale misura. Il grado di finitura superficiale dipende essenzialmente dalla granulometria dell abrasivo, mentre il rateo di rimozione del materiale aumenta all aumentare dell ampiezza e della frequenza della vibrazione, come mostrato in Figura 15.2. Figura 15.2 - Rateo di asportazione in funzione dell ampiezza e della frequenza di vibrazione Il meccanismo di abrasione agisce sia sul materiale da lavorare che sull utensile, modificandone le dimensioni e la forma. Questo fenomeno è descritto da un parametro molto importante, il rapporto di asportazione tra i volumi rimossi del materiale da lavorare e dell utensile. Esso dipende dalla natura dei materiali, ma può variare da 100:1 quando si lavora il vetro, a 1:1 quando si lavorano gli acciai speciali da utensili. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 2 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano
Il fluido (acqua) contenente una percentuale variabile dal 20% al 60% di abrasivo deve essere continuamente rinnovato per apportare sempre nuove particelle taglienti e per dilavare i trucioli e le particelle esauste. Le lavorazioni agli ultrasuoni sono in grado di lavorare materiali duri e fragili come i vetri, le ceramiche ed i carburi, nonché metalli particolari quali le leghe di titanio e gli acciai inossidabili. Si possono ottenere forature non circolari e con asse non rettilineo oppure coniature, dove una forma presente sull utensile viene riportata sul pezzo. 15.3 Fresatura elettrochimica na categoria molto importante delle lavorazioni U non convenzionali usa l energia elettrica combinata con reazioni chimiche per asportare il materiale. Tali tecniche sono inverse all elettroplaccatura e possono lavorare solo materiali elettricamente conduttivi. La principale è la fresatura elettrochimica (Electro-Chemical Machining ECM), che rimuove il metallo dal grezzo in lavorazione tramite dissoluzione anodica. Nel metallo si ottiene una forma complementare a quella dell elettrodo. Le due parti vengono mantenute in stretta prossimità, ma separate, dal flusso di un elettrolita. Dalla Figura 15.3 si evince che il metallo da lavorare agisce da anodo, mentre l utensile di formatura agisce da catodo. Il metallo viene rimosso dall anodo (polo positivo) e deposto sul catodo (polo negativo) in presenza del bagno elettrolitico, il quale però fluisce velocemente tra i due poli, così da asportare il metallo rimosso ed evitare che si depositi sul catodo. Figura 15.3 - Schema di impianto per la fresatura elettrochimica L utensile/elettrodo di formatura viene realizzato in rame, bronzo, ottone o acciaio inox ed ha approssimativamente la forma dello scavo che si vuole ottenere nel metallo da lavorare; viene mantenuto un sottile meato per consentire il flusso dell elettrolita. Perché avvenga l asportazione del materiale, viene conferito all utensile un lento moto di penetrazione, pari al rateo di rimozione. Quest ultimo è definito dalla prima legge di Faraday, la quale stabilisce che il rateo di modificazione chimica indotta da una corrente elettrica (quantità di metallo dissolto) è proporzionale alla quantità di corrente (corrente x tempo). dove: V = CIt V = volume di metallo rimosso [mm 3 ] C 1 = rateo di rimozione specifico [mm 3 A -1 s -1 ] I = corrente [A] t = tempo [s] In base alla legge di Ohm risulta: essendo: E = tensione [V] I = E/R = E/(gr/A) R = resistenza [Ohm] g = meato tra anodo e catodo [mm] r = resistività dell elettrolita [Ohm mm] A = area proiettata dal catodo sull anodo [mm 2 ] Sostituendo nell espressione della legge di Faraday: V = C(EAt)/gr e esplicitando il rateo di alimentazione f r [mms -1 ], cioè la velocità di avvicinamento dell elettrodo al metallo, si ha: f r = V/At = CE/gr = CI/A In realtà l efficienza del processo di rimozione è inferiore all unità (0.9) e dipende da forma dell utensile, tensione e densità di corrente. I parametri fondamentali per calcolare il rateo di alimentazione dell utensile e di rimozione del metallo sono g, r, I e A. Se g aumenta troppo, la velocità di processo diminuisce, mentre se il suo valore si annulla avviene un cortocircuito e il processo si arresta. In pratica il valore di g viene mantenuto tra 0.075 e 0.75 mm. Per quanto riguarda l elettrolita, in genere si usa acqua con l aggiunta di sali, quali il cloruro di sodio NaCl o il nitrato di sodio NaNO 3, per ridurne la resistività. Da notare che il flusso di elettrolita svolge anche la funzione di evacuare il calore dissipato, l idrogeno generato dalla reazione, nonché le particelle di metallo asportato. La fresatura elettrochimica richiede una gran quantità di potenza elettrica: infatti il rateo di asportazione dipende dalla densità di corrente (continua), che deve essere la più elevata possibile (1.5-8 Amm -2 ; al contrario, la tensione viene mantenuta bassa (5-25 V) per evitare l innesco di archi elettrici attraverso il meato. Commercialmente sono disponibili impianti con capacità variabili da 40,000 a 5A. 1 C dipende da numero atomico, valenza e densità del metallo da asportare. Valori di C sono riportati in Tabella 15.1per diversi metalli. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 3 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano
Tabella 15.1 -Valori del rateo di rimozione specifico per diversi tipi di metallo da lavorare La fresatura elettrochimica viene adottata quando si vogliano lavorare materiali molto duri, in quanto il meccanismo di asportazione non è affatto influenzato da tale caratteristica. Il processo è altresì adatto per produrre forme ostiche per altre tecnologie, quali stampi e trafile, forature e fessurazioni multiple e, nel campo aerospaziale, palette di turbina, ugelli e parti motori a getto realizzate con leghe di nichel-cobalto, come mostrato in Figura 15.4. Figura 15.4 - Tipiche forme ottenibili con la fresatura elettrochimica La fresatura elettrochimica offre i seguenti vantaggi: trascurabili danneggiamenti superficiali assenza di bave di lavorazione assenza di distorsioni meccaniche/termoelastiche trascurabile usura dell utensile elevati ratei di asportazione di metalli duri. Per contro, essa presenta i seguenti svantaggi: elevati costi richiesti per l energia elettrica problemi di smaltimento del metallo asportato. Infine, dal punto di vista progettuale, occorre ricordare che, a causa della tendenza ad erodere i profili sottili, la fresatura elettrochimica è inadatta a produrre spigoli vivi e fondelli sottili piani. Inoltre il controllo del flusso di elettrolita può essere difficoltoso, cosicché può diventare impossibile realizzare cavità di forma irregolare dotate di un accettabile accuratezza dimensionale. Da ultimo, è sempre consigliabile fornire una lieve rastremazione alle pareti dei fori e delle cavità. Con il tempo sono state messe a punto delle tecniche elettrochimiche ancor più specializzate, tra le quali: fresatura elettrochimica pulsata (pulsed electrochemical machining PECM); è un raffinamento di ECM che utilizza densità di corrente elevatissime (10 4 Amm -2 ), ma con corrente pulsata anzichè continua. Così facendo è possibile ridurre la portata di elettrolita; inoltre è stato dimostrato che superfici prodotte per PECM possiedono maggior resistenza a fatica rispetto a quelle prodotte con la tecnica ECM convenzionale. D altro canto, la ridotta portata di elettrolita lascia particelle di metallo sospese nell acqua, il cui smaltimento diviene così problematico. In conclusione, la tecnica PECM è particolarmente adatta per le microlavorazioni (micromachining), in virtù della minima asportazione di metallo e della pressoché nulla usura dell elettrodo; rettifica elettrochimica (electro-chemical grinding ECG); essa combina l asportazione elettrochimica con la rettifica convenzionale: una ruota abrasiva (che funge da catodo rotante a 1200-2000mmin -1 ) è costituita da granelli abrasivi (alumina o diamante sintetico) immersi in un legante elettricamente conduttivo (metallo o polimero con cariche metalliche) ed agisce sulla superficie da lavorare, aggiungendo il proprio effetto a quello della dissoluzione anodica (cfr. schema funzionale di Figura 15.5). I granelli abrasivi (che fungono da isolante) sporgono dal profilo della ruota e definiscono lo spessore del meato, attraverso cui fluisce l elettrolita (NaNO 3 ) che svolge il consueto ruolo, con densità di corrente pari a 1-3 Amm -2. Poiché il 95% della rimozione deriva dalla dissoluzione anodica e solo il 5% dall azione meccanica della ruota, quest ultima ha durate molto maggiori e richiede affilature molto meno frequenti; inoltre il processo gode di elevati G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 4 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano
rapporti di rettifica (volume di materiale rimosso/usura della ruota) ed è in grado di lavorare materiali molto duri. Figura 15.5 - Schema funzionale della rettifica elettrochimica Figura 15.6 - Schema d impianto della sbavatura elettrochimica sbavatura elettrochimica (electro-chemical deburring ECD); si tratta di un adattamento della ECM progettato per eliminare bave e spigoli vivi dai manufatti tramite la dissoluzione anodica. Un possibile schema d impianto è mostrato nella Figura 15.6. L elettrodo/utensile è progettato per focalizzare l azione di rimozione sulla bava: infatti le zone dell elettrodo non dedicate alla rimozione sono isolate. Il flusso di elettrolita scorre attraverso il foro e trasporta via i minimi residui di metallo con tempi-ciclo molto brevi (inferiori al minuto), che devono invece essere aumentati nel caso si voglia ottenere anche una smussatura del bordo del foro. 15.4 Elettroerosione processi per elettroerosione asportano il materiale I tramite una serie discreta di archi elettrici, i quali inducono un incremento localizzato della temperatura tale da provocare la fusione o la vaporizzazione del materiale circostante. Le principali tecnologie (applicabili solo ai materiali elettricamente conduttivi) appartenenti a questa categoria sono: l elettroerosione a tuffo (electric discharge machining EDM), l elettroerosione a filo (electric discharge wire cutting EDWC), la rettifica per elettroerosione (electric discharge grinding EDG) e il taglio per elettroerosione (electric discharge sawing EDS); di seguito vengono descritte le prime due tecniche: elettroerosione a tuffo si tratta di uno dei processi non convenzionali maggiormente utilizzati. Il suo schema funzionale è rappresentato in Figura 15.7a,b. Figura 15.7 - Schema funzionale dell elettroerosione a tuffo: a) assieme; b) ingrandimento della zona di innesco dell arco Esso consiste in un utensile conformato (elettrodo) e nel pezzo da lavorare, collegati ad un generatore di corrente continua pulsante ed immersi in un fluido dielettrico (cioè non elettricamente conduttivo). Allorché la differenza di potenziale tra l utensile e il pezzo è sufficientemente alta, un arco istantaneo attraversa il fluido e rimuove (tramite fusione o sublimazione) una piccola porzione di materiale. La scarica del condensatore si ripete con una frequenza di 50-500 Hz; la tensione è di 50-380 V, la corrente 1-500A. Il fluido dielettrico svolge le seguenti funzione: isolare l utensile ed il pezzo finché la tensione non diviene sufficientemente elevata; G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 5 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano
flussare ed asportare le particelle di metallo, fuse e solidificate a causa dell elettroerosione; agire da liquido di raffreddamento. Il pezzo da lavorare è staffato all interno del serbatoio contenente il fluido dielettrico ed è movimentato da un sistema a controllo numerico. Poiché il meato tra utensile e pezzo da lavorare rappresenta un parametro critico, il sistema di movimentazione ha anche il compito precipuo di mantenerne costante il valore. Infatti la scarica avviene nel punto in cui le superfici dell utensile e del pezzo sono più vicine: ivi il fluido dielettrico si ionizza e crea un percorso per la scarica. La porzione di superficie ove avviene la scarica viene fusa o sublimata all istante e poi rimossa dal flusso di dielettrico. Localmente, la superficie del pezzo viene così a trovarsi ad una distanza maggiore dall utensile e non sarà più soggetta a scariche finché anche nella regione circostante la distanza non si sarà ridotta della stessa quantità. Sebbene solo esigue quantità di materiale vengano rimosse in punti localizzati dalle singole scariche, l elevata frequenza di queste ultime produce globalmente un effetto di rimozione diffusa. I fluidi dielettrici più comunemente utilizzati sono l acqua distillata deionizzata, il kerosene e gli oli minerali in genere. L impianto è dotato di sistemi di filtraggio e di pompaggio per la loro rimessa in circolo. Gli elettrodi sono generalmente costituiti da grafite, ma anche da leghe rame-stagno (bronzi), rametungsteno e argento-tungsteno. Il materiale degli elettrodi va scelto in base al tipo di alimentazione del circuito e alla natura del materiale da lavorare. Gli elettrodi (prodotti per fusione, sinterizzazione o CNC) possono anche essere molto esili (diametro 0.1mm), ed essere in grado di realizzare forature con rapporto lunghezza/diametro 400:1. L usura degli utensili deve essere considerata con grande attenzione, in quanto influisce sull accuratezza di forma e dimensione del manufatto finale: essa viene misurata come rapporto tra il volume del materiale asportato ed il volume di utensile usurato (i valori tipici variano da 1:1 a 100:1 in dipendenza dei materiali). Tanto minore è la temperatura di fusione del materiale, tanto maggiore il suo rateo di erosione. Per minimizzare l erosione, è consigliabile utilizzare utensili di grafite (che non fonde, ma vaporizza a temperature molto elevate) o di rame, in quest ultimo caso invertendo periodicamente la polarità degli elettrodi. Il processo di elettroerosione può essere utilizzato con ogni materiale elettricamente conduttivo. La temperatura ed il calore latente di fusione del materiale da lavorare ne determinano il volume asportato per ogni singolo arco. Se i valori di tali grandezze aumentano, il rateo di rimozione diminuisce: valori tipici sono di 10-6 10-4 mm 3. Il rateo di rimozione R MR può essere stimato grazie alla relazione empirica di Weller: dove: R MR = KI/T m 1.23 R MR = rateo di rimozione [mm 3 s -1 ] K = 664 costante di proporzionalità [ Cmm 3 /As] I = densità di corrente di scarica [A] T m = temperatura di fusione del materiale [ C] Resistenza, tenacità e durezza del materiale in lavorazione non influiscono sul rateo di rimozione, poiché questa non avviene a causa dell applicazione di energia meccanica. La frequenza delle scariche e l energia per ogni scarica, come pure la tensione e la densità di corrente, vengono generalmente variate per controllare il rateo di rimozione. Questo e la rugosità della superficie ottenuta aumentano all aumentare della densità di corrente e al diminuire della frequenza delle scariche, come illustrato in Figura 15.8a,b. Nella medesima figura viene altresì mostrata l influenza esercitata da questi parametri sull overcut, ovvero sulla distanza laterale tra utensile e pezzo. L overcut si verifica in quanto il fenomeno di elettroerosione si verifica non solo in corrispondenza della superficie frontale, ma anche di quella laterale, ed il suo valore può raggiungere diverse centinaia di micron. Figura 15.8 -Influenza della densità di corrente e della frequenza della scariche su: a) rugosità; b) distanza laterale tra utensile e pezzo (overcut) L elettroerosione a tuffo ha numerose applicazioni: essa è in grado di realizzare forme intricate (palette di turbina), stampi, trafile, forature profondissime, cavità con sezione variabile a gradini e con sottosquadri. Le velocità globali di asportazione del materiale possono variare da 2 a 400 mm 3 min -1, ma i valori più elevati danno luogo a superfici fuse e ri-solidificate, molto rugose e con ridotta resistenza a fatica, cosicché le lavorazioni di finitura sono effettuate con bassi ratei di rimozione oppure gli strati ri-solidificati vengono asportati tramite lavorazioni meccaniche. In definitiva, da un punto di vista progettuale, per rendere l elettroerosione un processo conveniente, è consigliabile adottare i seguenti accorgimenti: progettare i manufatti in modo che gli elettrodi necessari siano facili ed economici da realizzare; G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 6 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano
evitare fessure e cavità troppo profonde; non prescrivere valori di rugosità superficiale eccessivamente e ingiustificatamente bassi; prevedere una massiccia asportazione meccanica preliminare, in modo da effettuare per EDM solo una limitata rimozione finale elettroerosione a filo costituisce una variazione della tecnologia di lavorazione per elettroerosione ed è simile alle tecniche di contornatura con utensile meccanico. Il suo schema funzionale è mostrato in Figura 15.9 e consiste in un filo (l elettrodo) che trasla lentamente lungo un percorso pre-determinato e in tal modo taglia il materiale tramite una scarica di archi elettrici, che agiscono come i denti di una sega. In realtà il moto relativo tra l utensile e il materiale deriva dal moto di quest ultimo (conferito dal sistema a controllo numerico), mentre il filo è stazionario. Figura 15.9 - Schema funzionale dell elettroerosione a filo Il filo è in genere realizzato in ottone, rame, molibdeno o tungsteno, eventualmente rivestito in zinco o ottone. I diametri variano da 0.80mm per operazioni di sgrossatura fino a 0.20mm per lavorazioni di finitura. Esso deve possedere una sufficiente resistenza e tenacità, nonché elevata conduttività elettrica e capacità di eliminare i detriti prodotti durante il taglio. Il filo viene utilizzato una sola volta: infatti esso trasla a velocità costante (da 0.15 a 9 m/min), svolgendosi da una bobina di alimentazione e riavvolgendosi su una bobina di raccolta. In tal modo esso presenta al materiale un elettrodo sempre fresco e in grado di garantire una larghezza del taglio (kerf) costante. Il fluido dielettrico (di solito acqua deionizzata oppure olio) viene apportato da un ugello sotto forma di getto. Come per la tecnica vista in precedenza, anche l elettro-erosione a filo presenta il problema dell overcut, variabile da 20 a 50 m, che rende il kerf maggiore del diametro del filo (mostrato in Figura 15.10). Una volta stabilizzate le condizioni di taglio, il valore dell overcut resta costante. La velocità di taglio viene di solito espressa in termini di area sezionata per unità di tempo. Essa dipende dalla natura del metallo lavorato: può variare da 18.000 mm 2 h -1 per una piastra di acciaio spessa 50mm, a 45.000 mm 2 h -1 per una piastra in lega d alluminio spessa 150m; ovvero velocità lineari pari rispettivamente a 6 e 5 mm/min. Figura 15.10 - Diametro del filo, kerf e overcut Il processo, in grado di tagliare piastre spesse fino a 300mm, viene utilizzato per produrre punzoni, trafile, attrezzi di formatura in genere ed anche profili intricati in materiali duri. Sebbene assimilabile all operazione di contornatura con la sega a nastro, l elettroerosione a filo è più precisa, la larghezza del taglio è minore e si possono realizzare spigoli acuti. Inoltre, le forze scambiate sono nulle e non è necessario alcuno staffaggio. Infine, come per tutte le lavorazioni di elettroerosione, la resistenza e la durezza del materiale non rappresentano un problema: la sola condizione è che esso sia elettricamente conduttivo. 15.5 Fresatura chimica e tecnologie che genericamente vanno sotto il nome L di lavorazioni per asportazione chimica (chemical machining CHM) sono i più antichi processi sottrattivi non tradizionali (applicati per la prima volta dalla North American Aviation come tecnica chem-mill, alla fine della II Guerra Mondiale) e sono basati sull asportazione di piccole quantità di materiale per dissoluzione chimica, a causa del contatto con liquidi corrosivi, quali soluzioni acide o basiche. A questa categoria appartengono diverse tecniche, quali la tranciatura chimica (chemical blanking CHB), l incisione chimica (chemical engraving CHE), la lavorazione fotochimica (photochemical machining PCM) e la fresatura chimica (chemical milling CHM). Di queste tecnologie, le prime sono utilizzate principalmente nell industria elettronica dei circuiti stampati e solo l ultima, la fresatura chimica, è di grande e specifico interesse per l industria aerospaziale; per questo essa verrà trattata più diffusamente nel seguito. fresatura chimica permette di ottenere riduzioni di spessore (totale, selettivo o progressivo) o cavità e tasche di alleggerimento in lamiere, piastre, pannelli, forgiati. Essa può essere adottata anche per componenti di grandi dimensioni (le vasche per i reagenti talvolta raggiungono G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 7 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano
le dimensioni di 4x15m), da cui si rimuovono sottili strati di materiale che possono però raggiungere anche spessori ragguardevoli (fino a 12-15mm). La fresatura chimica dà luogo a finiture superficiali la cui qualità dipende dal tipo di materiale: alcuni esempi sono riassunti in Tabella 15.2. Tabella 15.2 - Gradi di finitura ottenibili con la fresatura chimica La rugosità superficiale dipende altresì dalla profondità della penetrazione: allorché la profondità aumenta, la finitura peggiora, avvicinandosi ai valori più alti riportati nella tabella. I danni metallurgici provocati dalla fresatura chimica sono in genere limitati, di solito non più profondi di 5 m. Talvolta possono però verificarsi fenomeni di corrosione preferenziale e attacco intergranulare, i quali peggiorano le proprietà superficiali. Inoltre, la fresatura chimica di strutture saldate o brasate può dar luogo a superfici irregolari. Infine, la fresatura chimica dei getti di fusione può generare irregolarità superficiali causate da porosità e disuniformità del materiale. La tecnica di fresatura chimica consta dei seguenti passi, schematizzati nella Figura 15.11: Figura 15.11 - Schema generale del processo di fresatura chimica se il componente che deve essere fresato presenta sforzi residui derivanti dalle lavorazioni precedenti, essi devono essere rilassati, per evitare distorsioni conseguenti alla fresatura chimica; la superficie deve essere accuratamente pulita e sgrassata per garantire una buona adesione del materiale di mascheratura (vedi oltre) ed una asportazione uniforme. Devono essere eliminate anche le scaglie dovute a precedenti trattamenti termici; viene applicato il materiale di mascheratura. La pratica comune comporta l utilizzo di nastri o vernici, ma vengono utilizzati anche elastomeri o polimeri. Il materiale di mascheratura deve resistere chimicamente al liquido corrosivo, perciò esso viene applicato solo alle porzioni di superficie che non devono essere rimosse; il materiale di mascheratura che ricopre le porzioni di superficie che devono essere rimosse viene invece asportato; il componente da fresare chimicamente viene immerso in un bagno corrosivo che attacca chimicamente le porzioni di superficie rimaste esposte. Il metodo convenzionale di attacco consiste nella conversione del materiale in un sale il quale si dissolve nel liquido corrosivo e quindi viene rimosso dalla superficie da fresare. Per garantire l uniformità di asportazione, in questa fase è di importanza fondamentale il controllo della temperatura ed il rimescolamento; allorché viene raggiunto lo spessore desiderato di asportazione, il componente viene estratto dalla vasca e lavato accuratamente 2 per bloccare il processo di corrosione; la restante parte del materiale di mascheratura viene rimosso; il componente viene poi pulito e sottoposto ai controlli metrologici e ND; vengono eseguite eventuali ulteriori lavorazioni di finitura. 2 Si sono dati casi di cedimenti strutturali in esercizio per fatica in tensocorrosione di componenti realizzati per fresatura chimica, imputabili ad insufficiente lavaggio ed incompleta eliminazione dei liquidi corrosivi. La tecnica di lavaggio che dà i risultati migliori in termini di resistenza a fatica è quella del vapour blast, come mostrato in Figura 15.12. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 8 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano
NOTA BENE: questa sequenza di operazioni può essere ripetuta per ottenere cavità a gradino o profili particolari, come mostrato in Figura 15.13. Figura 15.12 - Influenza del processo di lavaggio (vapour blast) sulla vita a fatica delle leghe d alluminio lavorate per fresatura chimica Figura 15.13 - Cavità a gradini ottenuta per fresatura chimica I materiali di mascheratura possono essere costituiti da neoprene, polivinilcloruro PVC, polietilene, polipropilene o altri elastomeri e polimeri. La tecnica di mascheratura cut and peel consiste nell applicazione del mascherante sull intera superficie tramite immersione, pennellatura o spruzzatura fino ad ottenere uno spessore di 25-125 m. Una volta completato l indurimento, la parte eccedente del mascherante viene ritagliata con un utensile tagliente e strappata via dalle porzioni di superficie che devono esser rimosse. Generalmente, l operazione di taglio viene eseguita manualmente con l ausilio di apposite dime. La tecnica del cut and peel è adatta alla realizzazione di componenti di grandi dimensioni, prodotti in piccola serie, dotati di tolleranze dimensionali non più strette di +/-0.075mm, come quelli delle costruzioni aerospaziali. I liquidi corrosivi devono essere scelti in base alla natura del materiale da asportare, alla profondità ed al rateo di asportazione, nonché ai requisiti in termini di finitura superficiale. Essi devono altresì essere compatibili con i materiali di mascheratura per garantire che questi ultimi non vengano chimicamente attaccati. Tipicamente si usano idrossido di sodio (per l alluminio), soluzioni di acido cloridrico o nitrico (per gli acciai) o cloruro di ferro (per gli acciai inossidabili). La Tabella 15.3 elenca più in dettaglio tali reagenti, indicando i materiali che da essi possono essere attaccati ed i relativi ratei di asportazione. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 9 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano
Tabella 15.3 - Materiali, reagenti e ratei di asportazione Nella fresatura chimica, i ratei di asportazione sono in genere indicati come ratei di penetrazione (in mm/min), poiché il gradiente di attacco chimico del materiale in lavorazione è diretto perpendicolarmente e verso la sua superficie. Nel caso si vogliano ottenere rastremazioni progressive, p.e. di longheroni estrusi (cfr. Figura 15.14a,b) devono essere disponibili grafici parametrici che legano il rapporto di rastremazione, il rateo di penetrazione e la velocità V e con cui il manufatto viene estratto dalla vasca di corrosione (cfr. Figura 15.15). Il rateo di penetrazione è indipendente dall area della superficie. a Figura 15.15 - Legame tra rapporto di rastremazione, rateo di penetrazione e velocità V e di estrazione b Figura 15.14 a,b - Sezioni di un cassone alare estruso e rastremato per fresatura chimica: a) sezione d incastro; b) sezione d estremità Le massime profondità di penetrazione possono raggiungere i 15mm negli estrusi (cfr. Figura 15.16a,b) e nei grandi pannelli delle strutture aeronautiche e spaziali (cfr. Figura 15.17), ma la maggior parte delle applicazioni richiede penetrazioni di pochi centesimi di millimetro. Nel corso del processo, l attacco chimico avviene non solo perpendicolarmente alla superficie, ma anche lateralmente, al di sotto dello strato di mascherante (cfr. Figura 15.18). Tale effetto va sotto il nome di undercut (sottosquadro) e può essere tenuto in conto al momento della progettazione topologica della mascheratura, così da ottenere, alla fine, dimensioni corrette della lavorazione. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 10 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano
a Tabella 15.4 - Avanzamento ortotropo dell erosione laterale b Figura 15.16 a,b - Profili alari estrusi e alleggeriti per fresatura chimica: a) stabilizzatore; b) alettone Infine, una volta creatosi, l undercut può interagire con i gas generati durante il processo di corrosione: a questo riguardo, speciale attenzione va posta nel posizionare ed orientare il manufatto dopo mascheratura all interno della vasca di corrosione, come illustrato in Figura 15.19. Figura 15.17 - Pannelli di rivestimento di un lanciatore spaziale calandrati e poi irrigiditi selettivamente per fresatura chimica Figura 15.18 - Parametri geometrici dell undercut Per un dato materiale da lavorare, il sottosquadro u è direttamente correlato alla profondità della penetrazione d e la costante di proporzionalità Fe è chiamata fattore di erosione (etch factor), definito come: F e = d/u Ciascun materiale possiede uno specifico fattore di erosione, come si evince dalla citata Tabella 15.3, ed il suo valore deve essere utilizzato per sovradimensionare la mascheratura in modo di ottenere le corrette dimensioni del manufatto finale. Occorre inoltre tener conto che la penetrazione laterale della corrosione ha caratteristiche ortotrope: procede cioè con velocità diverse in direzione parallela e perpendicolare all orientazione dei grani di una lamiera, come mostrato nella Tabella 15.4. Figura 15.19 - Influenza della giacitura del manufatto dopo mascheratura all interno della vasca di fresatura: gas di reazione, geometria ed evoluzione dell undercut. Il buon progetto di un componente prodotto per fresatura non può prescindere dai seguenti accorgimenti: poiché il reagente corrode con continuità tutte le superfici esposte, si devono evitare spigoli vivi, cavità strette e profonde e rastremazioni molto pronunciate; poiché il reagente corrode il materiale sia in direzione verticale che laterale, si manifesta un undercut, che deve essere tenuto in conto tramite opportuno dimensionamento della mascheratura; per migliorare il rateo produttivo, il grosso della rimozione dovrebbe venire preliminarmente effettuata tramite lavorazioni convenzionali. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 11 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano
15.6 Considerazioni economiche L e tecnologie non convenzionali esaminate in questo capitolo (le cui sigle anglosassoni vengono riassunte in Tabella 15.5) sono in grado di lavorare materiali ostici e di ottenere forme non altrimenti realizzabili, alcune delle quali si trovano elencate nella Tabella 15.6. Tabella 15.5 - Sigle anglosassoni delle lavorazioni non convenzionali ITALIANO INGLESE SIGLA Lavorazione ultrasonora Ultrasonic machining USM Idrotaglio Water jet cutting WJC Idrotaglio con abrasivo Abrasive water jet cutting AWJC Idrofresatura con abrasiv. Abrasive jet machining AJM Fresatura elettrochimica Electrochemical machining ECM Sbavatura elettrochimica Electrochemical deburring ECD Rettifica elettrochimica Electrochemical grinding ECG Elettroerosione a tuffo Electric discharge machin. EDM Elettroerosione a filo Electric discharge wire cutt. EDWC Lav. con fascio elettronico Electron beam machining EBM Lavorazione LASER LASER beam machining LBM Taglio al plasma Plasma arc cutting PAC Fresatura chimica Chemical milling CHM Fresatura fotochimica Photochemical machining PCM Tabella 15.6 - Forme e particolari di disegno che possono essere ottenuti tramite le lavorazioni non convenzionali PECULIARITA Forature di piccolo diametro (< 0.025mm) Forature profonde (profondità/diametro >20) Forature non circolari Intagli sottili e non rettilinei in piastre non necessariamente piane Microlavorazioni Alleggerimenti poco profondi in piastre piane Contornature complesse per stampi e trafile TECNOLOGIA EBM, LBM ECM, EDM EDM, ECM AWJC, EDWC, EBM, LBM, WJC PCM, LBM, EBM CHM EDM, ECM Globalmente, le tecnologie non convenzionali sono adatte a quasi tutti i materiali metallici e non metallici. In pratica alcuni processi non possono essere adottati per alcuni materiali, come mostrato in Tabella 15.7. Molti processi sono adatti ai metalli, ma non ai non-metalli. Per esempio, ECM e EDM funzionano solo su materiali elettricamente conduttivi e quindi possono realizzare solo particolari metallici. La fresatura chimica è applicabile solo se esiste un liquido di attacco adatto al materiale che si intende lavorare. Poiché i metalli sono in genere più suscettibili all attacco chimico delle ceramiche, CHM è di solito utilizzata per lavorare i metalli. Tabella 15.7 - Applicabilità delle lavorazioni non convenzionali a diverse classi di materiali. Con alcune eccezioni, USM, AJM, EBM e LBM possono essere usati sia con i metalli che con i non metalli. WJC è di solito utilizzato con i compositi, i polimeri, i tessuti e con tutti i materiali flessibili che non posseggono la resistenza dei metalli.le lavorazioni non convenzionali sono caratterizzate in genere da un basso rateo di asportazione di materiale e da elevate energie specifiche in confronto alle lavorazioni convenzionali. Le capacità di controllo dimensionale e di finitura superficiale delle lavorazioni non convenzionali possono variare ampiamente da una tecnica all altra, mentre è sempre possibile l eventualità di indurre danni superficiali, specie da parte delle tecniche che mettono in gioco energia di tipo termico, come EBM, LBM e PAC. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 12 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano
Tali caratteristiche sono riassunte nella Tabella 15.8, la quale riporta altresì un confronto con le tecniche convenzionali. Dati più quantitativi in relazione al rateo di asportazione o velocità di taglio, nonché alla rugosità superficiale ed alle tolleranze dimensionali sono riportati rispettivamente in Tabella 15.9 ed in Figura 15.20. Tabella 15.8 - Principali caratteristiche delle lavorazioni sottrattive non convenzionali Tabella 15.9 - Ratei di asportazione e velocità di taglio tipici delle tecnologie non convenzionali La convenienza economica di un particolare processo dipende dal costo dell impianto e delle attrezzature, dai costi operativi, dal rateo di asportazione del materiale, dal livello di specializzazione della manodopera, nonché dalle operazioni secondarie di finitura che dovessero rendersi necessarie. In CHM, le più G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 13 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano
rilevanti voci di costo sono costituite da reagenti, mascherature e materiali di consumo, oltre che dagli oneri di pulizia dei manufatti. In EDM, il costo degli elettrodi e della loro periodica sostituzione può risultare molto rilevante. Il rateo di asportazione del materiale, e con esso il rateo produttivo, può variare significativamente da processo a processo, come pure i costi di investimento e quelli ricorrenti. Gli elevati costi iniziali necessari per gli impianti di ECM, EDM, EBM e LBM devono essere giustificati da grandi volumi produttivi oppure dall impossibilità di produrre i medesimi manufatti tramite tecnologie convenzionali. Figura 15.20 - Finiture superficiali e tolleranze dimensionali ottenibili per mezzo delle tecnologie non convenzionali Bibliografia [1] Black, S.C., Chiles, V., Lissaman, A.J., Martin, S.J.: Principles of Engineering Manufacture Arnold, Londra, 1996. [2] Edwards, L., Endean, M.: Manufacturing with Materials Butterworths, Londra, 1990. [3] Fava, R.: Metodi Statistici per il Controllo ed il Miglioramento dei Principali Processi Galvanici per la Produzione Aeronautica Tesi di Laurea DIA Politecnico di Milano, 2009. [4] Groover, M.P.: Fundamentals of Modern Manufacturing John Wiley & Sons, Inc., Hoboken New Jersey, 2007. [5] Guibert, M.P.: Fabrication des Avions et Missiles Dunod, Parigi, 1960. [6] Kalpakijan, S., Schmid, S.R.: Manufacturing Engineering and Technology Prentice-Hall, Inc., Upper Saddle River New Jersey, 2001. [7] Ricci, G.: Elettroerosione, una Tecnologia in Evoluzione RMO, No.30, Giugno 2000 [8] Romeo, G.: Il Processo di Fresatura Chimica nella Lavorazione delle Strutture Aeronautiche Ingegneria, N.11-12, pp. 3-16, 1979. [9] Roncaglia, R.: Certificazione dei Processi Galvanici/Chimici Tesi di Laurea DIA Politecnico di Milano, 2007. G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 14 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Politecnico di Milano