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Condizioni ambientali per le macchine utensiliCondizioni ambientali per le macchine utensili

Ing. Gianfranco MalagolaAlesamonti

Barasso – (VA)

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Per garantire le migliori prestazioni della macchina utensile è necessario mantenere le condizioni dellcondizioni dell ’’ambienteambiente in cui opera entro i limiti specificati dal costruttore. Per questo motivo il costruttore deve definire con chiarezza gli intervalli di valori ammessivalori ammessi per le diverse condizioni ambientali entro i quali garantisce le prestazioni della macchina utensile.

Condizioni ambientaliCondizioni ambientali

Quando si parla di condizioni ambientali si intendono tutte le possibili grandezze di influenza dell’ambiente e quindi:

- condizioni di natura termica;- vibrazioni;- alimentazione elettrica;- altre alimentazioni (es. pneumatica).

Per ognuna di queste condizione èopportuno che il costruttore della macchina utensile definisca dei limiti ammessi.

Tutto questo contrasta vistosamente con le normali condizioni di lavoro in officina ove spesso le condizioni ambientali sono completamente fuori controllo.

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Condizioni di natura termicaCondizioni di natura termica

In particolare le condizioni ambientali di natura termicacondizioni ambientali di natura termica influenzano il risultato del collaudo di una macchina utensile così come il risultato di qualsiasi processo di misura. Infatti la ISO 1 prescrive che il risultato della misurazione sia riferito alla temperatura di temperatura di 20 20 °°CC. La stessa norma fa notare che non è necessario che tutte le attività siano effettuate alla temperatura di riferimento; ricorda però che nelle misure dimensionali una temperatura di misura diversa dalla temperatura di riferimento può:- condurre alla necessità di correggere il risultatocorreggere il risultato della misurazione; - contribuire ad aumentare ll ’’ incertezza di misuraincertezza di misura .

non capisco,perché non

torna !!!LT=L20 + ∆∆∆∆L

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I parametri termici, relativi all’aria nel volume occupato dalla macchina, che influenzano il comportamento della stessa sono i seguenti: - scostamento dellascostamento della temperatura media delltemperatura media dell ’’ariaaria rispetto alla temperatura di

riferimento di 20 °C;- gradiente termico temporale mediogradiente termico temporale medio inteso come variazione della temperatura

dell’aria nell’unità di tempo; va considerato riferito all’intervallo di tempo in cui avviene la misura o il collaudo;

- gradiente termico spaziale mediogradiente termico spaziale medio inteso come variazione della temperatura dell’aria nel volume di misura; va considerato riferito agli ingombri della macchina;

- umiditumidit àà relativarelativa ;- portata e velocitportata e velocit àà delldell ’’ariaaria .

Parametri termici dell’ambienteParametri termici dell’ambiente

Andamento temperatura

19,9

20,0

20,0

20,1

20,1

tempo

°C

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Effetti dello scostamento di temperaturaEffetti dello scostamento di temperatura

3°

2°

1°

Una scostamento di temperatura rispetto ai 20 scostamento di temperatura rispetto ai 20 °°CC può avere influenza sul risultato della misurazione a causa della dilatazione o contrazione dei seguenti elementi :

-1 le scale di lettura della macchina, che si dilatano e si contraggono con la temperatura in relazione al loro coefficiente di dilatazione termica (CDT);

-2 la struttura fisicastruttura fisica della macchina, che si adegua alla temperatura dilatandosi o contraendosi in relazione al suo modello termico di deformazione;

-3 la dimensione del misurando, dimensione del misurando, che varia con la temperatura in relazione al suo coefficiente di dilatazione termica (CDT).

La compensazione termica che in alcuni casi è presente su una macchina, prende in considerazione i punti 1) e 3) ma non interviene quasi mai per il punto 2); quindi la macchina deve essere costruita in modo da ridurre a l minimomacchina deve essere costruita in modo da ridurre a l minimo la variazione degli errori geometrici durante le variazioni della temperatura pur ricordando che tali variazioni comunque esistono; il problema vero per la geometria della macchina sono le disuniformitdisuniformit àà termiche spazialitermiche spaziali ovvero le differenze istantanee tra punto e punto della macchina ricordando che la macchina lavora quasi sempre in transitorio termico. La macchina deve essere quindi costruita per ridurre al minimo queste disuniformitàtermiche ed i loro effetti.

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ProvvedimentiProvvedimenti

In ogni caso, in presenza di variazioni termiche la struttura della macchina si deforma. E’opportuno quindi, al fine di minimizzare tali deformazioni, adottare ove possibile i seguenti accorgimenti costruttivi:- evitare di fissare od unire materiali aventi diverso CDT (effetto bimetallo);- utilizzare meccanismi o parti che consentono di eliminare l’effetto bimetallico come ad

esempio interponendo parti in gomma tra coperture e strutture e quindi tra materiali diversi in modo da consentire una differente deformazione termica;

- migliorare il metodo di fissaggio delle scale di lettura in modo che esse possano deformarsi liberamente rispetto alla struttura.

scala di letturaasse X

X p

Y

Z

X m

X m =0

m

X p =0

m

20 °C

X m

25 °C

coordinata X dello zero pezzo a 25 °C

coordinata X dello zero pezzo a 20 °C

zero

drif

t

Nonostante questi accorgimenti esiste sempre l’effetto dello ““ zero zero driftdrift ”” ovvero la deriva del sistema di coordinate pezzo.Per ovviarlo occorre ripetere spesso l’individuazione del sistema di riferimento pezzo.

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Parametri termici dell’ambienteParametri termici dell’ambienteI parametri termici dell’ambiente in cui si trova la macchina influenzano il modello cinematico dei 18 errori di una tipica macchina a tre assi. Quindi per un buon collaudo non è solo necessario un basso gradiente termico basso gradiente termico temporaletemporale ovvero una buona stabilitàdell’ambiente, ma è ancora più necessario un basso gradiente termico spazialebasso gradiente termico spaziale ovvero una buona uniformità termica tra i diversi punti della macchina.Il gradiente termico temporale deve essere commisurato all’intervallo di tempo necessario ad eseguire il collaudo mentre il gradiente termico nello spazio deve essere fissato in relazione alle dimensioni della macchina.

La portata e la velocità dell’aria hanno una notevole importanza nei tempi di stabilizzazione dei componenti della macchina. Alte velocità dell’aria tendono a ridurre le variazioni di temperatura dei componenti della macchina ma occorre ricordare che i componenti caratterizzati da masse ridotte e quindi basse capacitàtermiche tenderanno a seguire con eccessiva prontezza le variazioni di temperatura dell’aria enfatizzando l’effetto di variazioni di temperatura a frequenza elevata.

imbardatabeccheggio

rollio

Asse YAsse Z

Asse X

t1 t2

t1 = t2 t1 > t2 t1

t2

t1 = t2 t1 > t2

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Equilibrio termicoEquilibrio termico

Se Tstr= Tm= 20 °C avremo:

Ls20= Lm20

e cioè la scala dello strumento è a 20 °Ced il pezzo è a 20 °C; quindi la lettura della scala non deve essere corretta cosìcome non deve essere corretta la lunghezza del pezzo per riferirla a 20 °C.

Tm

αm

Scala strumento

Misurando

Tstrαstr Lm20L s20

Nelle misure dimensionali se la temperatura alla quale vengono effettuate le misure coincide con la temperatura di riferimento, la variazione dimensionale rispetto ai 20 °C ènulla e quindi non si ha alcuna correzione da apportare al risultato della misura dovuta agli effetti termici.

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Misura della lunghezza con T ≠≠≠≠ 20 °CMisura della lunghezza con T ≠≠≠≠ 20 °C

Se Tstr= 20 °C ma ad esempioTm=30 °C avremo che la scala legge correttamente a 20 °C unpezzo che invece si è dilatato ed ha una lunghezza pari a:

Ls20 =LmT= Lm20+Lm20·αm(Tm- 20)

Ls20 = Lm20+ ∆L

ovvero

Lm20= Ls20 -- ∆ LL

Tmαm

Scala strumento

Misurando

Tstrαstr LmTL s20

correzione correzione termicatermica

Occorre ricordare che anche se ∆∆ LL =0 l’incertezza associata alla correzione termica deve essere sempre valutata in quanto sempre diversa da zero

Se viceversa la misura dimensionale viene effettuata ad una temperatura diversa dalla temperatura di riferimento, avremo una dilatazione termica del misurando o dello strumento e quindi un effetto dovuto alla variazione termica differenziale tra i due.

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Misura della lunghezza con T ≠≠≠≠ 20 °CMisura della lunghezza con T ≠≠≠≠ 20 °C

∆∆∆∆L = L 20 · [ ααααstr (Tstr - 20) - ααααm(Tm- 20) ]

se ααααstr ≠≠≠≠ ααααm

Se Tstr ≠ Tm ≠ 20 °C avremo due dilatazioni termiche:

quella della scala data da:LsT= Ls20+L20·αstr(Tstr- 20)

e quella del misurando data da:LmT= Lm20+L20·αm(Tm- 20)

ove:L20=lunghezza nominale a 20 °C

Quindi la correzione termica da apportare al valore letto vale:

Tmαm

Scala strumento

Misurando

Tstrαstr LmTL sT

∆∆∆∆L

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∆∆∆∆L = L 20 · [ ααααstr (Tstr - 20) - ααααm(Tm- 20) ]

La precedente formula di ∆L :

quando si verifica la condizione:

ααααstr= ααααm = ααααe

Tstr ≠≠≠≠ Tm

si semplifica in

∆∆∆∆L = L 20 · αααα ·(Tstr - Tm)

Semplificazione per uguali CDTSemplificazione per uguali CDT

Tmα

Tstrα

Scala strumento

Misurando

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∆∆∆∆L = L 20 · [ ααααstr (Tstr - 20) - ααααm(Tm- 20) ]

ααααstr ≠≠≠≠ ααααm

e

Tstr= Tm = T

∆∆∆∆L = L 20 · (ααααstr - ααααm) ·(T- 20)

Semplificazione per pari temperaturaSemplificazione per pari temperatura

Tαm

Tαstr

Scala strumento

Misurando

La precedente formula di ∆L :

quando si verifica la condizione:

si semplifica in

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Esempio di parametri termici dalla ISO 230-3Esempio di parametri termici dalla ISO 230-3

La ISO 230-3 “Test code for machine tools: determination of thermal effects” fornisce dei valori indicativi sulle condizioni ambientali di natura termica che dovrebbero essere specificati dal costruttore. Tali valori sono:

da 18 °C a 25 °Cvariazione aria compressa

da 18 °C a 22 °Cvariazione di temperatura del refrigerante

0,5 °C/mgradiente termico spaziale nel volume della macchina

5 °Cgradiente termico temporale su 24 ore

1 °Cgradiente termico temporale per ora

da 15 °C a 30 °C variazione della temperatura ambiente entro cui sono garantiti gli errori della macchina

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Caso idealeCaso ideale

batteria riscaldamento

batteriaraffreddamento

mandata aria di ricircolo

aspirazione aria di ricircolo

°C

regolatore attuatore

aria di rinnovo

Unità di trattamento aria

ventilatore

ambiente climatizzato

Se mettiamo la macchina utensile in un ambiente climatizzato realizzato, ad esempio, con un impianto di condizionamento a tutta aria a portata costante, otterremo i migliori risultati.

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Impianti di climatizzazioneImpianti di climatizzazione

Esistono esempi di climatizzazione di ambienti produttivi o di macchine (principio dell’allagamento).

Section A-A Section D-D

Il vantaggio è quello di avere una temperatura ambiente che varia entro i limiti specificati garantendo i richiesti richiesti gradientigradienti termici temporali e spaziali.In relazione al tipo di regolazione adottato dall’impianto (on-off o in banda proporzionale) è possibile anche valutare la distribuzione di probabilitdistribuzione di probabilit àà della temperatura ambiente e valutare quindi meglio il contributo di incertezza dovuto alla temperatura.

cabinet

locale climatizzato

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Impianti di climatizzazioneImpianti di climatizzazione

Un altro vantaggio dell’impianto di climatizzazione è che, grazie alle grandi inerzie termiche della macchina (costanti di tempo molto lunghe), se le pendolazioni intorno al valore della temperatura di regolazione avvengono con periodi di tempo più brevi delle costanti di tempo della macchina, il loro effetto effetto èè praticamente trascurabilepraticamente trascurabile .Il grafico illustra l’andamento della temperatura di una massa di granito (piano di riscontro) da 3000 kg in un ambiente con la temperatura che oscilla nell’intorno di 20 °C.

temperatura dell’aria

temperatura del granito

tempo in ore

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Caso realeCaso reale

Nell’ambiente di officina gli andamenti della temperatura ambiente sono molto variabili in relazione alle stagioni ed agli impianti di riscaldamento adottati. Occorre però ricordare che non è sufficiente assicurare che la temperatura dell’ambiente di lavoro sia mantenuta entro i limiti imposti solamente nel periodo in cui vengono eseguite le misurazioni; occorre ricordare che i materiali hanno un tempo per raggiungere una condizione di equilibri termico e questo vale sia per la struttura della macchina sia per gli strumenti che si utilizzano per le misure dimensionali (memoria termicamemoria termica ).Il tempo necessario per raggiungere la condizione di equilibrio termico (tempo di stabilizzazionetempo di stabilizzazione ) è un parametro estremamente difficile da valutare in quanto dipende dal tipo di materiale, dalla massa dell’oggetto, dalla sua superficie, dalla forma geometrica e dalle condizioni termiche statiche e dinamiche. Se indichiamo con ∆∆tt la differenza tra la temperatura iniziale del pezzo e la temperatura finale di equilibrio termico e ricordando che il fenomeno della dissipazione termica ha un andamento esponenziale possiamo introdurre il concetto di costante di tempo ττττττττ ovvero il tempo necessario affinché si abbia una riduzione del ∆t pari al 63,2%.Dalle tabelle seguenti, dato il materiale del pezzo, la sua massa e la sua forma geometrica, è possibile ricavare in quante ore il suo ∆t si riduce del 63,2%

τ

∆t

stato iniziale

stato finale

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Condizioni ambientaliCondizioni ambientali

0,10

1,00

10,00

100,00

0,1 1 10 100 1000

massa in kg

ττ ττ in

ore

Forma cubica

Piastra orizzontale

Piastra verticale

Stima della costante di tempo τ in funzione della massa di un pezzo in acciaio dolce(grafico tratto da “La metrologia dimensionale per l’industria meccanica”, Malagola, Ponterio - Edizioni Augusta)

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ConclusioniConclusioni

Le condizioni ambientali di natura termica influenzano il comportamento della macchina ed è quindi necessario tenerne conto. Gli effetti termici che generano deformazioni sulla struttura della macchina non sono solo dovuti alle condizioni ambientali di natura termica ma sono anche dovuti a sorgenti di calore presenti sulla macchina (mandrino, motore mandrino, motori assi, attuatori idraulici, ecc.) ed alle condizioni operative della stessa. Ciò fa in modo che, se non si conosce perfettamente il modello termico della struttura, sia molto difficile valutare gli effetti termicidifficile valutare gli effetti termici derivanti da tutte le sorgenti presenti sulla macchina. Ma anche se si conoscesse il modello termico della macchina esiste comunque il problema della disuniformitdisuniformit àà termica istantaneatermica istantanea e cioè dei gradienti termici all’interno della struttura che deformano la sua geometria. Da qui la semplificazione introdotta dalla ISO 230-3 di effettuare un test preliminare per valutare lo spostamento relativospostamento relativo tra il mandrino ed il pezzo come risultato della deformazione termica della macchina.Questi problemi potrebbero essere risolti da una nuova generazione di macchine denominate MMTMMT (MeasuringMeasuring MachineMachineToolsTools) che sono in grado di ricostruire in qualunque momento il modello dei 18 errori della macchina e di tenerne conto in tempo reale durante e dopo i transitori termici.

MMT