--UniversitUniversitàà degli studi di Bolognadegli studi di Bologna--FacoltFacoltàà Di IngegneriaDi Ingegneria

a.a. 2004/2005 a.a. 2004/2005 –– 27/07/200527/07/2005

Analisi di dimensionamento di una Analisi di dimensionamento di una spazzola oscillante spazzola oscillante strutturatricestrutturatrice di una di una

levigatrice automatica per il legnolevigatrice automatica per il legno

Tesi di laurea diTesi di laurea di::LORENZO BARACCANILORENZO BARACCANI

RelatoreRelatore::Chiar.mo Prof. Chiar.mo Prof. Ing.Ing. LUCA PIANCASTELLILUCA PIANCASTELLI

La levigatrice La levigatrice èè divisa in tre diversi gruppi divisa in tre diversi gruppi operatori:operatori:

Ogni gruppo compie una diversa lavorazione.Ogni gruppo compie una diversa lavorazione.

La calibraturaLa calibraturaLa La strutturaturastrutturaturaLa finitura La finitura

Questa levigatrice però, ha una particolarità rispetto alle levigatrici comuni.

L’operazione di strutturatura infatti, non è una semplice levigatura, ma un’operazione che ci permette di mettere in evidenza le nervature e i nodi del legno, dandogli una caratteristica di invecchiamento.

La calibratura:La calibratura:Un pannello di legno si dice calibrato quando:Un pannello di legno si dice calibrato quando:

Ha uguale spessore in tutti i suoi Ha uguale spessore in tutti i suoi puntipuntiLe facce sono paralleleLe facce sono paralleleLe superfici sono esattamente Le superfici sono esattamente regolariregolari

Essenzialmente, la calibratrice è composta da un nastro abrasivo di grana grossa avvolto e teso attorno a due rulli, uno dei quali (quello inferiore) si comporta praticamente come una semplice fresa.

E’ questo rullo infatti, che trascina l’abrasivo a contatto con il pannello.

Esso risulta essere ricoperto da materiale gommoso per evitare bruschi urti.

Insomma la calibratura serve per asportare il materiale indesiderato, tale da arrivare alla misura dello spessore del pannello che si era stabilita prima di attuare la lavorazione.

La La strutturaturastrutturatura::Il componente Il componente strutturatorestrutturatore ci permette di ottenere la ci permette di ottenere la

superficie finale del pezzo.superficie finale del pezzo.

Un albero di acciaio avente un diametro di 40 Un albero di acciaio avente un diametro di 40 mm mm Una quantitUna quantitàà indefinita di filamenti in acciaio indefinita di filamenti in acciaio inoxinox di diametro d = 0,035 mm e di lunghezza di diametro d = 0,035 mm e di lunghezza L =80 mmL =80 mm

L’elemento essenziale del componente strutturatore è la spazzola strutturatrice, la quale si può definire come, un rullo di 200 mm di diametro composto da:

La lavorazione avviene con un interferenza di taglio di 1-2 mm tra il filamento della spazzola e il pannello di legno.

Tale interferenza permette di ottenere la superficie invecchiata.

I filamenti d’acciaio riescono ad asportare solo il materiale tenero presente tra una venatura e l’altra mettendole così in risalto.

Per realizzare una finitura migliore, mettendo ancora piPer realizzare una finitura migliore, mettendo ancora piùù in risalto le venature in risalto le venature del legno, senza avere tracce longitudinali di asportazione sul del legno, senza avere tracce longitudinali di asportazione sul pannello, dovute pannello, dovute alla rotazione della spazzola, alla rotazione della spazzola, èè stata aggiunta alla spazzola stessa una piccola stata aggiunta alla spazzola stessa una piccola oscillazione trasversale al pannello.oscillazione trasversale al pannello.

La finitura:La finitura:Più che una finitura, l’ultima operazione è semplicemente una pulitura superficiale.

Il rullino che compie la pulitura è solitamente composto da, o crine di cavallo o più facilmente da tampico.

Una volta si utilizzava il nylon, ma col passare del tempo ci si accorse che il nylon si caricava elettrostaticamente producendo scariche elettriche che risultavano molto pericolose alle persone che lavoravano alla macchina;per questo fu eliminato.

Finita anche l’ultima lavorazione, il pannello è pronto per la fase di verniciatura.

Analisi di dimensionamento:Analisi di dimensionamento:In tanti anni di attività, l’azienda non si è mai preoccupata di studiare il problema del dimensionamento, analiticamente.

Si è sempre ricorsi alla pratica, operando numerosi tentativi.

Per questo, ci si è domandati se era possibile dimensionare il gruppo spazzola, teoricamente.

Per potere iniziare l’analisi di dimensionamento però, si è stati costretti ad utilizzare una via sperimentale.

Non possedendo nessun dato da poterlo utilizzare come partenza, si è ricavata dalla macchina in lavorazione, tramite un amperometro, la corrente utilizzata dalla levigatrice in condizioni di carico e a vuoto.

Con questo dato, si è così potuti partire con l’analisi di dimensionamento.

L’analisi di dimensionamento è stata suddivisa in tre parti:Analisi motoreAnalisi motoreAnalisi albero spazzolaAnalisi albero spazzolaAnalisi telaio (carter)Analisi telaio (carter)

Analisi motore:Analisi motore:Con l’utilizzo della potenza assorbita, ricavata sperimentalmente, e ottenuti coppia nominale e numero di giri, da catalogo, si è potuto scegliere il motore…

La scelta è ricaduta su un motore M132Sb, avente:

• Pn = 7,5Kw

• Cn =24,5N·m

• n =2920giri/min

Dopo aver individuato il motore più idoneo alla macchina, si è ricavato il numero delle cinghie necessario a trasmettere il moto all’albero spazzola, e conseguentemente il suo tiraggio.

Utilizzando inoltre la compressione di una molla, mantengo le cinghie in tensione, con la possibilità di poterle allentarle per sostituirle.

Analisi albero spazzola:Analisi albero spazzola:Con lCon l’’analisi dellanalisi dell’’albero spazzola abbiamo ottenuto:albero spazzola abbiamo ottenuto:

La forza tangenziale che si produce sulla spazzola;La forza tangenziale che si produce sulla spazzola;Lo sforzo limite a cui sono soggette le sezioni piLo sforzo limite a cui sono soggette le sezioni piùù sollecitate sollecitate delldell’’albero;albero;La durata dei cuscinetti su cui ruota lLa durata dei cuscinetti su cui ruota l’’albero spazzola;albero spazzola;

La forza tangenziale è risultata circa di 370 N per cui non troppo elevata

Le due sezioni più sollecitate sono naturalmente risultate quelle aventi cave o fori…

Entrambe le sezioni, riescono a sopportare una forza di taglio pari a 86Kg.

Infine, i cuscinetti sono risultati sovradimensionati, ovvero con una durata decisamente più elevata rispetto alla durata prevista da catalogo.

Ft

Analisi telaio (carter):Analisi telaio (carter):L’albero, che ruota attorno a due cuscinetti, è vincolato al telaio, tramite un supporto cuscinetto, il quale è collegato tramite viti ad un blocchetto di acciaio, saldato al telaio stesso.

Con l’analisi di dimensionamento abbiamo ricavato lo spessore minimo del cordone di saldatura che resiste alla sollecitazione massima.

La maggiore sollecitazione a cui è soggetta la saldatura scaturisce durante la sostituzione della spazzola…

E’ risultato che lo spessore minimo misura 0,3 mm, per cui decisamente basso.Questo ci permette di apportare una modifica al cordone diminuendone la lunghezza e utilizzando cordoni aventi spessori maggiori.

L’oscillazione vera e propria, è prodotta da un piccolo motoriduttore, il quale, attraverso un meccanismo biella – manovella, sviluppa il movimento di tutto il telaio.

Per sorreggere tutto il telaio mobile, compresa la spazzola, sono state progettate sul telaio stesso, quattro guide cilindriche, rettificate e temprate, quindi molto resistenti, che permettessero anche il movimento oscillatorio.

Su ogni guida scorre una boccola di acciaio, al cui interno, per permettere un migliore scorrimento, presenta una lamina di materiale plastico (gommoso).

Abbiamo ricavato che ogni boccola resiste ad una forza di circa 30Kg

Collegate al supporto delle guide e all’altra estremità al telaio fisso, ci sono quattro profilati traversi, posizionati due a due, che sorreggono tutto il telaio mobile.

Avendo già la componente peso verticale a cui è soggetto ogni profilato abbiamo calcolato quella orizzontale, che è risultata = 2100 N

40°

50°P=Fy

Fx

Tale forza risulta perpendicolare alla vite di regolazione della pressione.

Significa che sulla vite di regolazione agisce una forza massima di 2100N.

Questo dato ci permette di ricavare il momento torcente da impiegare sulla vite.

Mt = 7,77N·m

Studio elementi finiti:Studio elementi finiti:Tramite lo studio degli elementi finiti, abbiamo analizzato Tramite lo studio degli elementi finiti, abbiamo analizzato

albero e telaio (carter), a livello strutturalealbero e telaio (carter), a livello strutturale

Realizzazione dei modelli in Realizzazione dei modelli in solidsolid edgeedgemeshaturameshaturaApplicazione di vincoli e carichiApplicazione di vincoli e carichiRisoluzioneRisoluzione

I passi che si sono seguiti per ottenere l’analisi strutturale sono stati:

Abbiamo così ricavato le deformazioni totali massime e gli sforzi di taglio massimi dell’albero e del carter.

Deformazione totale albero:• Realizzazione del modello

• Meshatura

• applicazione di carichi e vincoli

• Risoluzione

Notiamo che la deformazione massima risulta essere di quasi 7,90·10−5m.

Utilizzando la deformazione totale, abbiamo ricavato, con la formula di Dunkerley, la frequenza critica di rotazione, che è risultata 3560giri/min.

Per avere sicurezza di un buon funzionamento bisogna che n ≤ 0,5nc, ove n = velocità di rotazione a regime.

Sapendo che n = 1735giri/min e che 0,5nc = 1780giri/min, il coefficiente di sicurezza è al limite.

Per cui basta che la deformazione sia leggermente più elevata per produrre forti vibrazioni….ed è quello che spesso succede nella pratica.

Deformazione totale telaio (carter):Deformazione totale telaio (carter):• Realizzazione del modello

• Meshatura• applicazione di carichi e vincoli

• Risoluzione

Rispetto all’albero, la deformazione della piastra èdecisamente maggiore, arrivando ad un valore massimo di 6,7·10−4m.

Modifiche attuabili:Modifiche attuabili:

Sovradimensionamento della durata dei cuscinettiSovradimensionamento della durata dei cuscinettiSovradimensionamento della saldaturaSovradimensionamento della saldaturaSottodimensionamento frequenza critica di rotazioneSottodimensionamento frequenza critica di rotazioneMeccanismo manuale della regolazione della Meccanismo manuale della regolazione della pressione sul pannello pressione sul pannello

Nell’analisi di dimensionamento svolta, abbiamo osservato come alcuni componenti del gruppo spazzola non fossero giustamente dimensionati.

Per questo sono state studiate possibili modifiche da attuare alle seguenti problematiche:

I cuscinetti:I cuscinetti:

La saldatura:

Se quello che regge sia il carico radiale che il carico assiale Se quello che regge sia il carico radiale che il carico assiale èè perfettamente perfettamente dimensionato, ha una durata di 50000 ore, quello che sopporta sodimensionato, ha una durata di 50000 ore, quello che sopporta solo il carico radiale lo il carico radiale invece non lo invece non lo èè; la sua durata ; la sua durata èè risultata essere di 3800000 ore, invece di 50000 ore.risultata essere di 3800000 ore, invece di 50000 ore.Per avere allora un risparmio economico abbiamo la possibilitPer avere allora un risparmio economico abbiamo la possibilitàà di sostituire il secondo di sostituire il secondo cuscinetto con uno picuscinetto con uno piùù ““scadentescadente””..

Il blocchetto di forma rettangolare risultava saldato per tutta la lunghezza di base (600 mm), con un cordone di almeno 1-2 mm di spessore.

Dall’analisi di dimensionamento si è constatato che se si voleva lasciare un cordone che girasse tutto intorno al perimetro di base del blocchetto, era sufficiente uno spessore di 0,3 mm; ma questo non risultava essere tanto facile.

Per questo si è pensato di creare un cordone avente uno spessore di 1-2-3 mm, riducendo però la lunghezza, dividendola in piccoli tratti.

Questi i risultati: Saldatura 1/2 Saldatura 1 Saldatura 2 Saldatura 3

SPESSORE (mm) 0,5 1 2 3

LUNGHEZZA (mm) 365 181,5 91 60,5

Aumento della frequenza critica di rotazione:Dallo studio degli elementi finiti, tramite la deformazione totale, si è ricavato che la mia frequenza di funzionamento a regime (1735giri/min) è risultata prossima a quella critica (1780giri/min).

Per avere un maggiore coeff. di sicurezza abbiamo aumentato il diametro dell’albero da 40 mm a 45 mm ed è risultato:

La deformazione totale èpassata da 0,08 mm a 0,05mm.

Questo comporta che la frequenza critica di rotazione aumenta.

nc = 2190giri/min

Notevole diminuzione delle vibrazioni.

Sostituzione del meccanismo manuale della Sostituzione del meccanismo manuale della regolazione della pressione:regolazione della pressione:Abbiamo sostituito il meccanismo manuale della regolazione della vite con un meccanismo elettrico, comandato dal pannello comandi.Avendo ricavato la forza che spinge sulla vite (2100 N) abbiamo scelto da catalogo un attuatore elettrico che potesse avere una spinta superiore.

Molto importante sono risultate anche le dimensioni per ottenere un giusto posizionamento:

Conclusioni:Conclusioni:con tale elaborato si sono identificate possibili modifiche di miglioramento, ma quello che più importa è che siamo riusciti a verificare il giusto dimensionamento del gruppo spazzola.

Inoltre questa analisi servirà in futuro ad avere, sempre e comunque, un parametro di confronto nell’eventuale evoluzione della levigatrice.

Ringraziamenti:Si ringrazia sentitamente i professori che hanno messo a disposizione degli studenti la loro disponibilità e le loro conoscenze.

Ovviamente in particolar modo il Prof. Ing. Luca Piancastelli che ha seguito questo elaborato.

Inoltre un ringraziamento speciale all’Ing. Alberto Stagni della ditta Emc che mi ha seguito durante tutto lo svolgimento della tesi.