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SISTEMI DI PRODUZIONE

TECNOLOGIA MECCANICA

Dario Antonelli – Lavorazioni non convenzionali

Introduzione

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)

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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

A. I materiali

B. Formatura

C. Deformazione

D. Taglio e Controllo Numerico

E. Altri Processi

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Lezioni del Modulo E

1. Il controllo numerico

2. La programmazione delle macchine CN

3. I processi non convenzionali

4. Processi di giunzione

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Elettroerosione

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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

+ + +

- - -

+ + +

- - -

+ + +

- - -

+ + +

- - -

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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

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Grafico di funzionamento

Intensità di corrente [A]

Usura dell’utensile

Volume di materiale asportato

Grafico di funzionamento

Intensità di corrente [A] I1 I2

Regime di lavoro

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Lavorazioni per elettroerosione

Improntatura

tecnica a più canali

erosione planetaria

Lavorazione di stampi

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Lavorazione di viti

Lavorazione di chiavette

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Lavorazione di stampi a tranciare

Lavorazioni per elettroerosione

Improntatura

Taglio

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Taglio con lama

Taglio con nastro o filo

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Taglio con disco

Lavorazioni per elettroerosione

Improntatura

Taglio

Rettifica

utilizzata per pezzi di elevate dimensioni

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Rettifica interna

Rettifica di profili

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Gli ugelli inclinabili

Schema di funzionamento

m

n

R

vr

Velocità di erosione normale al taglio

Sforzo normale nella zona di impatto diretto

2sin

4

m

nd

vm

Diametro del tubo di miscelazione (focalizzatore)

Attrito più elevato per i getti abrasivi

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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

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Parametri di processo del WJC

profondità

di taglio

distanza di stand-off

Parametri di processo del WJC

profondità

di taglio

velocità di avanzamento

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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)

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Alcuni esempi

Spessore Pressione Vel. avanz.

6 300 17

3 300 50

2,2 300 330

2 430 2500

Legno

Kevlar

Cuoio

Poliestere

Cartone 1 250 8330

[mm] [MPa] [mm/s]

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

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L’abrasive jet

Principio di funzionamento del AWJM

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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

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Parametri di processo del AWJM

Parametri di processo del AWJM

profondità

di taglio

portata di abrasivo

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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

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Taglio con getto d’acqua

Esempio di cella robotizzata per WJC

Tavola

rotante

Cabina

insono-

rizzata

Vasca

(catcher)

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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)

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Parametri dell’onda

La frequenza della radiazione:

c : velocità della luce nel vuoto (3 ∙ 108 m/s)

l : lunghezza d’onda della radiazione emessa

l

c

Parametri dell’onda

La relazione di Planck:

h : costante di Planck

E2 – E1 : energia persa dall’elettrone nel passaggio tra

due livelli energetici

12 EE h

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Fenomeni di interazione

Emissione spontanea

un atomo passa spontaneamente dal livello E2 a E1 con emissione di un fotone di frequenza

Assorbimento:

un fotone di frequenza n interagisce con un atomo di livello E1 portandolo in E2

Emissione stimolata:

la radiazione elettromagnetica E2 - E1 eccita il sistema atomico facendolo decadere di livello ma emettendo fotoni

L’amplificazione della luce

E2

E1

12 EE h

Amplificazione dei fotoni

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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

E1

E2 Pompaggio

Emissione

spontanea

12 EE h

Emissione

spontanea

Livello fondamentale

Livello di pompaggio

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Sorgenti laser

Laser a stato gassoso

CO2 (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

Potenza [kW]

Rendimento medio

0,1 5 100

2

8

12

30

1

0,5 3 1 50

CO2

Semiconduttori

Nd:Yag

Eccimeri

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Parametri caratteristici delle sorgenti

Potenza (densità di potenza dP)

Lunghezza d’onda

Modo temporale

emissione continua o impulsata

Funzionamento impulsato del laser

Densità di

potenza

Tempo

Periodo (D.C.)

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Parametri caratteristici delle sorgenti

Potenza

Lunghezza d’onda

Modo temporale

Modo spaziale

indica la distribuzione di potenza all’interno del fascio

fattore di focabilizzabilità M2

Il modo del fascio

M2 = 1 M2 = 2 M2 = 4

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Parametri caratteristici delle sorgenti

Potenza

Lunghezza d’onda

Modo temporale

Modo spaziale

Dimensioni del fascio focalizzato (spot)

Parametri del fascio laser

Lunghezza focale

Diametro dello spot nel punto di waist

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Parametri del fascio laser

Profondità di fuoco

Il taglio laser

Ugello di taglio

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Il taglio laser

Materiale fuso

Il taglio laser

Zona rimossa (kerf)

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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

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Macrografia di un taglio laser

Zona termicamente alterata

Prestazioni nel taglio di acciaio al

carbonio

Spessore [mm]

1 20 60 150

0,5

1

10

20 Velocità [m/min]

Plasma I = 15 ÷ 500 A

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Prestazioni nel taglio di acciaio al

carbonio

Spessore [mm]

1 20 60 150

0,5

1

10

20 Velocità [m/min]

Laser CO2

P = 0,5 ÷ 1,5 Kw

Prestazioni nel taglio di acciaio al

carbonio

Spessore [mm]

1 20 60 150

0,5

1

10

20 Velocità [m/min]

Taglio ossiacetilenico

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Prestazioni nel taglio di acciaio al

carbonio

Spessore [mm]

1 20 60 150

0,5

1

10

20 Velocità [m/min]

Taglio waterjet con abrasivo

Sommario della lezione

Elettroerosione

Taglio a getto d’acqua

Taglio laser