Tecnologia WJ AWJ

Bozza, uso esclusivo degli allievi del corso di Tecnologia Meccanica 2 (Politecnico di Milano)

Copyright, Tecnologia Meccanica 2, Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Milano

x. Processi di tipo meccanico: la tecnologia WJ/AWJ

Per le caratteristiche di processo la tecnologia del getto dacqua rientra nella categoria delle lavorazioni non convenzionali di tipo meccanico: gli elementi di base che la caratterizzano (acqua e

abrasivo) hanno una notevole disponibilit in natura, in modo da garantire assenza di impatto

ambientale. La tecnologia Water jet utilizza per le lavorazioni lenergia posseduta dal getto dacqua in pressione e, nella variante Abrasive Water jet, prevede laggiunta di particelle di materiale abrasivo.

Questa tecnologia, in origine utilizzata soprattutto per le estrazioni minerarie e in ambito di taglio di

materiali quali il marmo, si diffusa fino a diventare competitiva per il taglio di una vasta gamma

di materiali. La competitivit della tecnologia WJ/AWJ dovuta principalmente dalla possibilit di

eseguire il taglio a freddo: lacqua non solo funge da vettore per lenergia del taglio, ma anche da liquido refrigerante che impedisce sia le alterazioni strutturali nei materiali metallici, sia il degrado

nei materiali plastici; il taglio non lascia sfridi e bave evidenti e il tagliente e il pezzo non vengono a

contatto; sebbene gli sforzi agenti sul pezzo siano elevati, sono esigue le forze in lavorazione e ci

rende lo staffaggio meno importante; si pu iniziare la lavorazione in qualsiasi punto del pezzo e le

geometrie ottenibili sono svariate. Gli impianti, inoltre, sono dotati di un sistema a controllo

numerico che garantisce una gestione automatica delle funzioni operative con alta qualit e

precisione; possibile, inoltre, un interfacciamento con un sistema CAD-CAM che permette la

massima libert di espressione nelleseguire geometrie con tolleranza ristretta e disegni artistici di qualsiasi complessit.

Oltre al taglio la tecnologia AWJ pu trovare applicazione nelle lavorazioni di tornitura, foratura e

fresatura. Altre importanti applicazioni si hanno nel settore minerario (waterjet mining), nel settore

edile per la pulizia di superfici (waterjet cleaning) e per la rimozione di strati superficiali

(decoating). ancora in fase sperimentale lutilizzo del getto dacqua come tecnica per la deformazione plastica (idroforming).

Il capitolo ha lo scopo di illustrare la tecnologia attraverso la presentazione del processo

tecnologico, la descrizione delle caratteristiche degli impianti e lelencazione delle principali applicazioni, con particolare attenzione al processo di taglio e alla qualit del solco.

I contenuti del capitolo rappresentano una sintesi dei risultati ottenuti dagli studi condotti in questo

ambito: la tecnologia WJ/AWJ tuttora soggetta a indagini a livello internazionale aventi lo scopo

di apportare sviluppi e miglioramenti, sia per la comprensione della fisicit del fenomeno sia per

lincremento delle prestazioni del taglio.



x.1 Il processo tecnologico

Il processo su cui si basa la tecnologia del getto dacqua (Water Jet) consiste nella conversione dellenergia di pressione contenuta nellacqua in energia cinetica: il fluido, opportunamente intensificato, agisce come utensile sul pezzo recando il tipo di lavorazione desiderata.

Lacqua viene prelevata dalla rete idrica e depurata nellimpianto di trattamento, poi convogliata al sistema di pompaggio e infine portata ai livelli di pressione desiderati. Loperazione di intensificazione viene effettuata sfruttando diverse tipologie di intensificatori (oleoidraulici, a

pompa diretta ed elettrici) che consentono di raggiungere livelli di pressione prossimi a nei comuni intensificatori o fino a negli intensificatori ad altissima pressione. Lacqua viene inviata alla testa di taglio dove avviene il passaggio da energia di pressione a energia cinetica

attraverso lutilizzo di un ugello primario. La tecnologia del getto dacqua ricopre svariate applicazioni industriali: nel settore alimentare, nel settore tessile, nelle operazioni di lavaggio e rimozione. Questa tecnologia riesce a esprimere il

massimo della sua potenzialit nella variante AWJ (Abrasive Water Jet) che prevede la

miscelazione di particelle abrasive al getto dacqua in modo da esaltarne la capacit di asportazione di materiale. Nel caso si prediliga questa variante, labrasivo miscelato al getto puro in una camera di miscelazione a valle dellugello primario: in questa camera avviene lo scambio di quantit di moto tra le particelle solide e di acqua facendo acquisire alle particelle stesse lenergia necessaria per eseguire il taglio.

molto importante che il getto presenti una corretta coerenza per effettuare tagli efficaci: un getto

non coerente porta a una diminuzione della capacit di taglio in quanto lenergia viene distribuita su unarea maggiore e si ha, quindi, unenergia specifica minore. Per ovviare a questo inconveniente si utilizza un ugello focalizzatore. Grazie alle caratteristiche geometriche e alle dimensioni ridotte

dellugello stesso, possibile focalizzare la potenza del getto su una sezione ridotta. Il fluido, alluscita dellugello, sar quindi caratterizzato da una buona coerenza e da una elevatissima energia cinetica. Dopo lasportazione di materiale, lenergia residua del getto viene dispersa nella vasca di raccolta.

Lo studio del processo che caratterizza le lavorazioni Abrasive Water Jet risulta essere molto

complesso a causa del grande numero di parametri che lo influenzano. Dopo una preliminare

introduzione del principio fisico alla base del processo di asportazione del materiale, il paragrafo ha

lobiettivo di introdurre la tecnologia attraverso la modellazione del processo di taglio, attraverso lillustrazione dei parametri che la caratterizzano e analizzando linfluenza degli stessi sulla fisicit del processo pi diffuso tra le applicazioni della tecnologia.

x.1.1 Il principio fisico di base

Nel presente paragrafo si intende dare una descrizione del processo di asportazione di materiale nel

taglio AWJ; il fenomeno risulta particolarmente complesso da studiare, a causa dellinfluenza di svariati fattori sul comportamento dinamico del getto trifase (acqua, aria, abrasivo).

Lasportazione di materiale strettamente dipendente dallinterazione tra labrasivo e il pezzo in lavorazione: evidente, quindi, come i parametri connessi con questi due elementi siano

fondamentali per comprendere le caratteristiche del fenomeno.

Materiali duttili

Per questo tipo di materiali sono possibili due modalit di asportazione: labrasione e lerosione [1].



Si ha abrasione quando la particella di abrasivo giunge sulla superficie del pezzo con un angolo di

impatto ridotto e una velocit superiore alla velocit critica relativa al materiale; in questo caso il

singolo grano di abrasivo funge da microutensile da taglio.

Figura x.1 Modello di impatto di una particella sulla superficie da lavorare [1]

La seconda modalit di asportazione viene denominata asportazione plastica o erosione. Si incorre

in questo caso quando langolo dimpatto della particella elevato: giungendo quasi perpendicolare sul pezzo, il grano di abrasivo provoca una elevata deformazione plastica del materiale portandolo a

rottura. Come illustrato in seguito, entrambe le modalit di asportazione compaiono lungo la

profondit del solco di taglio.

Materiali fragili

Per questa tipologia di materiali lasportazione si verifica in seguito a generazione, accrescimento e propagazione di cricche a partire dalla superficie del pezzo a opera delle particelle di abrasivo. La

rete di cricche generate da diverse particelle crea dei micro volumi non pi solidali al pezzo

destinati a staccarsi. Il fenomeno accade per qualsiasi angolo dimpatto dei grani di abrasivo sul materiale: il vetro, la ceramica e la pietra, per esempio, seguono questo modello di asportazione.

interessante analizzare levoluzione del solco di taglio allinterno del pezzo. Immaginando di osservare un provino sottoposto al taglio, possibile individuare tre fasi nello sviluppo del solco:

una fase dingresso, una fase ciclica del taglio e una fase di uscita. La figura x.3 descrive, a questo proposito, il processo di penetrazione del getto allinterno del pezzo: entrando nel dettaglio si nota

che la profondit di taglio ha un valore pari a , quando il getto arriva ad una distanza dallingresso pari al suo diametro (x1). Procedendo fino a x2 il getto penetra alla profondit : in questa fase il taglio effettuato per abrasione (piccoli angoli dimpatto). Tra x2 e x3 lasportazione prosegue con angoli dimpatto crescenti allaumentare della profondit; per questo si ha abrasione nella parte alta del solco ed erosione scendendo. Il processo di penetrazione completamente sviluppato alla

distanza x4 (profondit ). Il passaggio da ad avviene per erosione ad elevato angolo dimpatto.

Figura x.2 Impatto della particella di abrasivo su un materiale fragile



Figura x.3 Avanzamento del fronte di taglio [1]

Per distanze maggiori di x4 dal bordo di attacco termina la fase di ingresso e ha inizio la fase ciclica.

Questa fase suddivisibile a sua volta in tre zone a seconda dellangolo di impatto del getto allaumentare della profondit del solco.

Figura x.4 Fase ciclica del taglio [1]

La figura x.4 rappresenta la fase ciclica del taglio partendo dal solco di taglio alla fine di un ciclo

(profilo a): nella Zona 1 il getto colpisce la superficie del solco con bassi angoli di impatto,

asportando il materiale per abrasione; nella Zona 2 gli angoli di impatto possono essere sia piccoli

che grandi, a seconda dello stato di avanzamento del ciclo; infine nella Zona 3 il getto forma con il

solco di taglio grandi angoli di impatto, asportando il materiale per erosione.

Come si osserva nella figura x.4 la curvatura del solco aumenta con la profondit a causa della

diminuzione della portata di materiale rimosso: tale calo dovuto alla minore efficacia di taglio

manifestata dalle particelle di abrasivo deflesse quando la profondit del solco elevata (Zona 2).

Quando la rimozione di massa diviene nulla, un ulteriore avanzamento del getto provoca la



formazione di un gradino (alla distanza dX dal profilo a si pu notare il gradino): questultimo viene sottoposto a un impatto pressoch perpendicolare delle particelle e quindi rimosso. Un

ulteriore avanzamento dX provoca la formazione di un nuovo gradino in corrispondenza della

nuova estremit del solco (profilo successivo in figura x.4).

La rimozione del secondo gradino ritardata fino al momento in cui il primo non risulta totalmente

asportato. Le dimensioni dei successivi gradini divengono sempre pi accentuate al crescere della

profondit; questo fenomeno accompagnato da un aumento dellangolo di deflessione del getto e

prosegue fino a che esso non risulta pari a (profilo b: getto orizzontale alluscita dal solco). A questo punto un avanzamento del getto produce la formazione di un gradino di dimensioni elevate

con deflessione verso lalto del flusso idroabrasivo; si arriva cos alla massima profondit del solco. Il ciclo di taglio terminato e un ulteriore spostamento in avanti del getto ne innesca uno nuovo.

Non sempre sono presenti tutte le zone evidenziate in figura: se la velocit di avanzamento del getto

sufficientemente elevata, la zona di abrasione scompare, mentre se si mantiene ridotta la zona di

erosione a non presentarsi. bene ricordare inoltre, che nella zona superiore del solco di taglio

(zona di abrasione) la rugosit superficiale rimane ridotta, mentre nella zona inferiore (zona di

erosione) sono presenti irregolarit superficiali sulle pareti del solco, in particolari striature.

Passando dalla fase ciclica alla fase di uscita del getto da sottolineare che questultima fase associata a una deflessione laterale del getto che si traduce in una zona triangolare non tagliata nella

parte terminale del solco (uncut). importante ricordare che le dimensioni dei vari profili del solco

dipendono dai parametri tecnologici e fluidodinamici impostati, nonch dalla geometria del provino.

x.1.2 Modellazione del solco di taglio

La modellazione del processo di taglio oggetto di numerosi studi aventi lobiettivo di determinare la profondit di penetrazione del getto o la massa di materiale asportato durante la lavorazione: il

presente paragrafo introduce un modello per la descrizione della forma del solco [2].

necessario dividere la superficie di taglio in due zone: una zona di impatto diretto e una zona di

abrasione centrifuga. Si ipotizza che il processo di rimozione del materiale, in questultima zona, sia assimilabile a un processo di abrasione e pertanto descrivibile tramite lequazione

(x.1)

dove rappresenta la velocit di erosione normale al taglio, il coefficiente dattrito, lo sforzo normale, la velocit delle particelle di abrasivo e le propriet di resistenza del materiale. Lequazione mostra che la quantit di materiale rimosso proporzionale alla tensione di taglio. Questultima imposta dallagente di taglio sul pezzo in lavorazione e regola la velocit dellagente di taglio stesso sul pezzo. La tensione di taglio, infine, eguaglia la sollecitazione normale che

determina il coefficiente dattrito. proprio il coefficiente dattrito che rende le tecnologie AWJ e ASJ molto pi efficaci del semplice getto dacqua.

Nelle equazioni seguenti descritto lo sforzo normale che rientra nella definizione della velocit di erosione scritta sopra:

zona di impatto diretto

(x.2)

zona centrifuga

(x.3)



dove il raggio di curvatura, il diametro del tubo di miscelazione (focalizzatore), langolo di taglio e la portata di abrasivo. Il caso pi semplice per la risoluzione dellequazione sopra riportata rappresentato in condizioni stazionarie di taglio, quando trascurabile leffetto della profondit del solco sulla velocit delle

particelle abrasive. In questo caso infatti, la velocit di spostamento di materiale , in direzione , eguaglia la velocit di erosione , in direzione . Si considera ora la seguente sostituzione:

(x.4)

(x.5)

dove rappresenta la profondit del taglio, s la distanza lungo il taglio. Sostituendo le equazioni x.4 e x.5 nellespressione x.3 e integrando lequazione risultante si ottiene la seguente relazione tra

langolo e la profondit :

(x.6)

dove:

(x.7)

Trascurando la zona di impatto diretto, quando usata nella relazione x.4, lequazione in condizioni stazionarie di taglio diventa:

(x.8)

La figura x.5 rappresenta landamento dellequazione x.8. Questa una semplificazione della forma universale del solco in condizioni di taglio stazionarie che pu essere normalizzata per un ulteriore

perfezionamento. I cambiamenti nei parametri di processo (ad esempio la variazione temporale e

spaziale della velocit delle particelle, la velocit di avanzamento, la portata di abrasivo) possono

essere facilmente incorporati e risolti numericamente.

Figura x.5 Andamento della forma del solco di taglio [2]



Bench il modello presentato includa una complessa trattazione matematica del processo, bene

sottolineare che la teoria si fonda su osservazioni sperimentali allinterfaccia getto-materiale nel taglio di provini trasparenti in plexiglas.

La posizione di un punto nel materiale espressa in termini di lunghezza dellarco di taglio dallapice della superficie del pezzo: osservando il solco possibile notare come questa posizione cambi nel tempo. Levoluzione del taglio descritta da un insieme di curve che ne rappresentano le diverse posizioni. Varie sperimentazioni hanno dimostrato come il taglio sia instabile lateralmente,

inoltre, la velocit di avanzamento considerata funzione del tempo nella trattazione matematica:

ci permette di analizzare linstabilit del movimento nella forma del solco, e quindi le striature presenti.

Lo stato di instabilit del taglio pu essere espresso come equazione di diffusione a coefficiente di

diffusione negativo: fisicamente ci significa che linstabilit sul taglio cresce allaumentare della profondit di penetrazione del getto nel materiale.

Figura x.6 Evoluzione del taglio [2]

Un altro importante risultato riferibile al fattore di amplificazione. Lespressione risultante dal modello, mostra una stretta correlazione tra il taglio e lamplificazione dellonda: ci implica che qualsiasi taglio sia caratterizzato da striature senza che sia fatta attenzione per eliminare le

vibrazioni relative tra lugello e il pezzo.

x.1.3 I parametri di processo

Linsieme dei parametri che caratterizzano il processo WJ/AWJ possono essere suddivisi in due categorie: i parametri idraulici-fluidodinamici, legati direttamente alle peculiarit del getto, e i

parametri tecnologici, legati principalmente al processo.

Tra i parametri idraulici-fluidodinamici si trovano:

pressione dellacqua

portata dellacqua

diametro e geometria dellugello primario

potenza idraulica Tra i parametri tecnologici:

velocit di avanzamento della testa di taglio

stand off distance (distanza tra lugello e il pezzo in lavorazione)

numero di passate

angolo di incidenza del getto rispetto al pezzo in lavorazione

Nel caso di getto idroabrasivo tra i parametri idraulici-fluidodinamici necessario aggiungere:

geometria della camera di miscelazione

diametro del focalizzatore



lunghezza del focalizzatore

e tra i parametri tecnologici:

tipo di abrasivo

dimensione delle particelle di abrasivo

portata di abrasivo

Il processo di taglio pu essere migliorato attraverso laggiunta di additivi. In questo caso tra i parametri rientrano anche il tipo di additivi e la concentrazione utilizzata.

Le caratteristiche del grezzo sono determinanti nella valutazione e definizione delle prestazioni del

taglio: la quantit di materiale asportabile e la qualit finale sono variabili a seconda del materiale

oggetto del processo di lavorazione. A tal proposito i parametri caratteristici del grezzo di

lavorazione possono essere sintetizzati in seguito:

materiale: omogeneit, densit, durezza, tipo, modulo di Young

geometria

stato di finitura

interessante considerare un altro tipo di classificazione che mette in risalto i complessi rapporti di

causa ed effetto dei fenomeni fisici che caratterizzano il processo.

Sono individuabili parametri indipendenti, regolabili direttamente dalloperatore o dal costruttore dellimpianto, e parametri dipendenti, che sono il risultato delle impostazioni scelte per il funzionamento e per la geometria della macchina. Rientrano nel primo gruppo la pressione, la

portata di abrasivo, la geometria della camera di miscelazione e la geometria del focalizzatore;

mentre sono riconducibili alla seconda suddivisione la velocit dellabrasivo, la portata di aria, la portata di acqua, la depressione nella camera di miscelazione, la divergenza del getto e la geometria

risultante del solco di taglio. Le complesse relazioni tra i parametri di taglio saranno ampiamente

trattate nel paragrafo seguente con particolare attenzione ai fenomeni fisici che legano le diverse

grandezze in gioco, mentre si tralasciando, per una discussione successiva, le considerazioni

relative alla geometria del solco ottenuto.

x.1.4 Le relazioni tra i parametri del processo WJ/AWJ

Il processo fisico che caratterizza la tecnologia del getto dacqua descritto tramite relazioni che coinvolgono i parametri caratteristici. A questo proposito il paragrafo seguente si propone di

illustrare leffetto esercitato dalla comprimibilit dellacqua, i coefficienti caratteristici dellugello primario e la coerenza del getto, la spinta esercitata dal getto, laumento della temperatura, la depressurizzazione, il processo di suzione dellabrasivo, la pressione di riflusso, laccelerazione e la frammentazione delle particelle di abrasivo.

x.1.4.1 Effetto della comprimibilit dellacqua

La progettazione dei componenti di un sistema ad alta pressione (intensificatori, tubazioni e ugelli)

non pu trascurare leffetto della comprimibilit dellacqua, fenomeno che pu influenzare le prestazioni complessive del sistema. Se si vuole conoscere leffettivo valore della velocit del getto

in uscita dallugello , e la portata che ne consegue , necessario considerare la fisicit del fenomeno nel suo complesso e in prima istanza leffetto della comprimibilit. In seguito sono illustrati i passaggi che consentono di ottenere le relazioni ricercate [2] [3] [4].



La velocit teorica del getto dacqua in uscita dallugello primario , ottenuta considerando lacqua come fluido comprimibile a pressioni elevate, pu essere ricavata dallequazione di Bernoulli secondo la formula in seguito [3]:

(x.9)

Il valore effettivo della densit dellacqua in funzione della pressione si ricava dalla relazione x.10,

in cui rappresenta la densit dellacqua a pressione atmosferica, la densit dellacqua alla pressione , mentre L e n rappresentano due costanti empiriche del valore rispettivamente di e alla temperatura di [3].

(x.10)

Dallintegrazione e combinazione delle equazioni x.9 e x.10 si ricava lespressione della velocit teorica del getto libero considerando la comprimibilit dellacqua:

(x.11)

Lespressione della velocit teorica per un fluido incomprimibile invece pari a

(x.12)

Giunti a questo punto della trattazione si definisce il coefficiente di comprimibilit , come il rapporto tra la velocit teorica considerando la comprimibilit dellacqua e la velocit teorica per un fluido incomprimibile [3]:

(x.13)

Per conoscere leffettivo valore della velocit del getto in uscita necessario considerare le perdite per irreversibilit e attriti nellugello primario che il getto dacqua forzato ad attraversare.

Si introduce pertanto il coefficiente di velocit , come rapporto fra la velocit del getto in uscita, , e la velocit teorica del getto considerando la comprimibilit dellacqua, [3]:

(x.14)

Lespressione della velocit del getto in uscita diventa [3]:



(x.15)

La figura x.7 mostra leffetto della pressione sulla velocit del getto: si pu notare che la

comprimibilit dellacqua porta a una variazione sulla velocit del getto non superiore al .

Figura x.7 Effetto della pressione sulla velocit del getto con e senza comprimibilit [2]

Per la stima della portata volumetrica reale che fluisce con il getto dacqua, oltre agli effetti di comprimibilit dellacqua e alle dissipazioni per attrito, si deve considerare anche il fenomeno fisico che il fluido subisce passando nellugello primario.

Figura x.8 Ugello primario con sezione dingresso e sezione di uscita a) e rappresentazione della contrazione di vena nellugello primario b) [4]

Come illustrato in figura x.8, quando il fluido costretto ad attraversare lugello primario: la

sezione descritta dal getto dacqua decresce dal valore (corrispondente alla sezione trasversale dellugello primario dal diametro nominale pari a ) fino al punto di contrazione di vena, dove

a) b)



raggiunge il valore minimo (corrispondente alla sezione minima di diametro ). Per quantificare

tale diminuzione di sezione si utilizza il coefficiente di contrazione calcolato come: .

(x.16)

Si introduce a questo punto, il coefficiente di efflusso globale , definito come [3]

(x.17)

dove rappresenta la portata volumetrica reale raccolta in un preciso intervallo di tempo e la portata teorica calcolata come [3]:

(x.18)

Come descritto sopra, rappresenta la sezione trasversale dellugello primario, con il suo diametro nominale. Il valore della portata effettiva pu essere espresso come:

(x.19)

A questo punto si vuole calcolare la potenza idraulica del getto con la relazione in seguito [2]

(x.20)

definita la portata massica di acqua come

(x.21)

Sostituendo nella x.20 le espressioni derivanti da x.19 e x.15 si ottiene:

(x.22)

Come visibile nella x.22, il coefficiente di comprimibilit compare al cubo: ci significa che

leffetto della comprimibilit dellacqua acquista molta significativit nella valutazione della potenza del getto.



La velocit del suono nellacqua , pu essere calcolata dalla combinazione dellequazione x.10 con lequazione in seguito

(x.23)

da cui:

(x.24)

Il numero di Mach M, del getto dacqua descritto dalle equazioni x.20 e x.15.

x.1.4.2 Coefficienti caratteristici dellugello primario

Il coefficiente globale di efflusso include, come illustrato sopra [2], il coefficiente di velocit , il coefficiente di contrazione , il coefficiente di comprimibilit , e dipende da altri fattori qualitativi tra cui i bordi dellugello primario e langolo di imbocco del getto.

Il metodo pi diffuso per stimare quantitativamente il coefficiente consiste nella misurazione della portata di acqua che fluisce in un fissato periodo di tempo, successivamente si calcola la

portata media e si confronta il valore ottenuto con il valore di portata teorica.

Allo stato attuale in letteratura sono rintracciabili numerose sperimentazioni aventi lo scopo di

stimare il coefficiente globale di efflusso . Tra i pi significativi si ritrova lo studio di Hashish [2] in cui illustrata la dipendenza del coefficiente da pressioni superiori a fino a valori di . Le osservazioni sperimentali, eseguite nel detto intervallo per ugelli primari in zaffiro con ingresso a spigolo, conducono a unequazione lineare semplice del primo ordine che dipende

dal valore del diametro nominale dellugello primario e dal valore della pressione P.

(x.25)

Bisogna precisare che lequazione presenta unaccuratezza entro il valore dell e sottostima leggermente il coefficiente globale di efflusso con gli aumenti della pressione.

La relazione proposta mostra che pi sensibile alle diminuzioni di diametro che alla diminuzione della pressione: ci suggerisce che, per ottenere un processo pi efficiente nella

conversione dellenergia di pressione in energia cinetica del getto (valori di pi elevati), meglio aumentare il valore della pressione di esercizio che utilizzare ugelli primari a diametro

maggiore.



Esempio x.1

Valutare la velocit del getto idroabrasivo in uscita dallugello focalizzatore conoscendo

rispettivamente le portate di acqua e abrasivo. Si ipotizzi una portata di abrasivo pari a e una portata dacqua pari a di

Risoluzione: Conoscendo il diametro nominale dellugello focalizzatore , la pressione dellacqua allingresso dellugello primario e la densit dellacqua , possibile ricavare la portata dacqua reale che fluisce dallugello primario tenendo conto del coefficiente di efflusso :

La portata totale di fluido idroabrasivo calcolabile come

Come verr illustrato in seguito, laria risulta essenziale per il corretto trasporto di abrasivo, da

prove sperimentali emerso che penetra del getto fino a costituirne il della portata totale.

Si pu ricavare la relazione utile per stimare la portata daria presente nel getto a partire dalla portata di abrasivo e di acqua. Nel caso considerato la portata daria risulta quindi

possibile ricavare la velocit del getto idroabrasivo tramite la conservazione della quantit di

moto

Si ipotizza di trascurare la velocit dellaria e la velocit dellabrasivo prima della miscelazione. Si

trascura inoltre la portata massica dellaria. Lespressione della velocit del getto risulta



Definendo ora il rapporto come , lespressione sopra si pu riscrivere come:

La velocit del getto idroabrasivo in uscita dallugello focalizzatore nel caso considerato pari a

x.1.4.3 Spinta esercitata dal getto

Sulla base delle equazioni che descrivono la velocit reale del getto dacqua in uscita e la portata massica di acqua, , possibile calcolare la forza di reazione del getto dacqua. Tale forza equivale alla variazione di quantit di moto [2]:

(x.26)

Sostituendo le relazioni x.15 e x.19 relative rispettivamente a e . Nellespressione x.26 si ottiene:

(x.27)

Entrambi i coefficienti di velocit e di contrazione possono essere calcolati misurando la portata di acqua che fluisce con il getto , la forza del getto , e successivamente usando le equazioni x.19 e x.26 per la risoluzione.

Il rilevamento sperimentale della forza di reazione del getto stato oggetto di numerosi studi,

poich questa pu essere considerata un valido strumento per la valutazione delle prestazioni del

getto [2].

Per procedere nella misurazione in diverse condizioni sperimentali, necessaria una precisa

strumentazione: il focalizzatore montato su un cuscinetto che consente il movimento assiale

contro una cella di carico montata su di un telaio rigido; inoltre, per assicurare il contatto, si utilizza

una molla. Si prosegue con la taratura del sistema, applicando pesi noti e registrando i risultati della

cella di carico [2].



Figura x.9 Setup sperimentale per la misurazione delle forze [2]

I risultati della sperimentazione sono riportati nel grafico di figura x.10. Le linee nel grafico

mostrano landamento della forza di reazione in funzione della pressione per un getto puro, con abrasivo premescolato e con abrasivo iniettato. La forza di reazione sensibile ai cambiamenti nelle

condizioni dellugello: le interruzioni nellafflusso di abrasivo e lusura dellugello possono modificare landamento della forza. La figura x.11 mostra gli effetti dovuti allaumento della portata di abrasivo utilizzando ugelli primari e focalizzatori con diverso diametro.

Figura x.10 Andamento della forza di reazione in funzione della pressione [2]



Figura x.11 Andamento della forza di reazione in funzione della portata di abrasivo [2]

Esempio x.2

Determinare la spinta esercitata da un getto di sola acqua uscente da un ugello focalizzatore di

diametro con una velocit di efflusso e uninclinazione su una superficie piano che lo riflette completamente, senza che vi sia asportazione di materiale.

Figura x.12 Getto incidente su di una superficie piana e completamente riflesso

Risoluzione: Per risolvere il quesito necessario applicare il principio di conservazione della

quantit di moto. Dopo limpatto con la superficie, il getto mantiene la medesima quantit di moto che possedeva prima dellimpatto. La nuova direzione del getto si ottiene per simmetria rispetto alla normale passante per il centro dellarea dimpatto (urto perfettamente elastico). La spinta si ottiene secondo la formula:

dove rappresenta il vettore spinta perpendicolare alla superficie, la portata dacqua e il vettore differenza di velocit lungo la normale. La portata di fluido pu essere espressa come:

N



Il vettore velocit pu essere scomposto lungo la normale al piano dimpatto del getto nelle

componenti e . La differenza di velocit lungo la normale risulta quindi

da cui la spinta risulta

La comprimibilit dellacqua e la superficie di impatto non sono influenti nella stima della spinta

esercitata dal getto, mentre si potrebbe ipotizzare un coefficiente correttivo pari al per considerare la diminuzione di velocit del getto dopo limpatto con la superficie. La differenza di velocit lungo la normale al piano dincidenza e la spinta risultano in questo caso

x.1.4.4 Aumento della temperatura

Lincremento massimo della temperatura nella vasca di raccolta (catcher) o sul pezzo deriva dalla conversione dellenergia cinetica del getto in energia termica [2]; tale aumento pu essere calcolato come indicato dalluguaglianza in seguito

(x.28)

e sostituendo lequazione x.15 ottenuta per :

(x.29)

Laumento della temperatura pu influire sullaccuratezza della lavorazione a causa della deformazione termica che ne consegue. Le lavorazioni di alta precisione devono essere trattate con



raffreddamenti o prevedendo il trasporto dellacqua calda. Si deve inoltre aggiungere che la compressione del fluido nel sistema di intensificazione provoca un aumento adiabatico della

temperatura nella pompa e nel sistema idraulico compreso tra i e i , che viene annullato con la depressurizzazione. Ulteriori aumenti di temperatura possono essere causati dalle perdite di

carico in tubi di piccolo diametro o nelle valvole, o a causa di danneggiamenti dellugello primario. La figura x.13 descrive laumento massimo della temperatura nel catcher [2].

Figura x.13 Effetto della pressione sullaumento della temperatura [2]

x.1.4.5 Depressurizzazione

Lapertura delle valvole ed eventuali perdite comportano nellimpianto una caduta di pressione.

La quantit di acqua, considerata come fluido comprimibile, in uscita da un volume , ad una pressione P, attraverso una sezione di area pu essere espressa come [2]:

(x.30)

che pu essere riscritta come:

(x.31)

con durezza dellacqua. La portata volumetrica equivale al flusso istantaneo dellacqua attraverso un ugello primario di

sezione ; sostituendo il valore di ottenuto dalla x.19, si ottiene:

(x.32)

I risultati dellequazione x.32 mostrano che il tempo di depressurizzazione di pochi secondi, come graficamente illustrato in figura x.13



Figura x.14 Tempo di depressurizzazione in funzione della pressione [2]

x.1.4.6 Coerenza del getto

noto che laggiunta di additivi polimerici in grado di migliorare la coerenza del getto. Per il semplice getto dacqua, sono stati condotti studi per identificare i fattori critici che hanno ripercussioni sulla coerenza del getto [2]. Tra questi si trovano la turbolenza del flusso a monte e la

forma dellugello. Utilizzando tubi dellalta pressione a diametro differente ( ) si osservano miglioramenti nella coerenza del getto quando il diametro del tubo dellalta pressione

raggiunge i . Secondo Geller [2] un diametro a dimensione maggiore agisce come serbatoio che collabora alla diminuzione della turbolenza del fluido.

Figura x.15 Getto in uscita al variare del diametro del tubo dellalta pressione

( e ) [2]



Per caratterizzare leffetto delle dimensioni del tubo di alta pressione d, Struve [2] introduce il

rapporto , dove rappresenta il diametro dellugello primario e, per misurare la coerenza

del getto, introduce la lunghezza doppia: ci significa che viene raddoppiata la lunghezza del getto a

cui corrisponde un diametro doppio rispetto al diametro iniziale alluscita dellugello. Secondo

questi studi successivi il miglioramento massimo nella coerenza del getto si ottiene con

compreso tra e . Inoltre, secondo Struve [2] non esistono correlazioni tra i risultati sulla coerenza del getto e le dimensioni dellugello primario. Tan [2] apporta un miglioramento successivo agli studi di Struve correlando la coerenza del getto

risultante al numero di Reynolds, che risulta proporzionale al rapporto .

Figura x.16 Dipendenza della coerenza del getto rispetto al numero di Reynolds [2]

In seguito sono elencati altri fattori che influiscono sulla coerenza del getto [2]:

lunghezza del tubo a monte: la lunghezza ottimale del tubo di alta pressione stimata a volte il diametro del tubo stesso;

geometria dellugello primario: un ugello con bordi scheggiati influisce sulla qualit del getto;

geometria a valle dellugello: la geometria ottimale dovrebbe minimizzare linterazione tra il getto dacqua e laria.

x.1.4.7 Processo di suzione dellabrasivo

Il fenomeno di trascinamento dellaria nellugello il processo chiave per le prestazioni del taglio con tecnologia AWJ. Laria utilizzata come vettore dellabrasivo e, per questo motivo, deve essere dotata di quantit di moto e velocit tali da consentire il corretto trasporto delle particelle: nella

camera di miscelazione infatti, che il getto dacqua ad alta velocit genera una forte depressione che facilita il richiamo dellabrasivo (effetto Venturi) [2]. La figura x.17 illustra la strumentazione necessaria per la misurazione della portata daria nella camera di miscelazione al variare della pressione di esercizio.



Figura x.17 Strumentazione per la misurazione dellaspirazione di abrasivo [2]

La portata daria in condizioni ambientali standard pu essere calcolata secondo la formula in seguito [2]:

(x.33)

dove rappresenta la pressione ambiente, indica la pressione del vuoto (o di suzione), la portata daria e lespressione la pressione letta dal vacuometro senza portata daria. Teoricamente questo valore sarebbe pari alla pressione ambiente se la camera di miscelazione fosse sigillata. Il simbolo rappresenta invece, la massima portata daria ottenuta senza limiti al flusso di aspirazione.

La figura x.18 mostra le caratteristiche del processo di suzione in funzione della pressione di

esercizio: le curve sono tipiche della prestazione della pompa.

Figura x.18 Caratteristiche del processo di suzione [2]



Le caratteristiche del trascinamento dellaria nei tubi di alimentazione possono essere descritte misurando la portata daria in diverse condizioni di pressione e specificando la differenza tra la pressione ambiente e la pressione di aspirazione. I dati sono raccolti utilizzando tubi di

alimentazione di svariati materiali, lunghezze e diametri.

Il modello descrittivo del processo di aspirazione illustrato tramite la seguente equazione [2]:

(x.34)

dove rappresenta il coefficiente dattrito del fluido, e indicano rispettivamente la lunghezza e il diametro del tubo di alimentazione, mentre rappresenta il peso specifico dellaria. Lequazione deve essere risolta come equazione di stato e di continuit, lespressione della portata di aria si riduce a [2]:

(x.35)

dove rappresenta il rapporto . La risoluzione delle equazioni x.33 e x.35 consente di ottenere unespressione della portata daria

in funzione sia delle caratteristiche della pompa sia del sistema di alimentazione. La portata e la velocit dellaria sono parametri di ugual importanza nel processo di aspirazione dellabrasivo, entrambe concorrono alla realizzazione del corretto apporto di abrasivo e in particolare la velocit dellaria deve superare una certa soglia per garantire la stabilit del flusso. Nel caso di getti caratterizzati da una debole aspirazione di aria, per coadiuvare leffetto sopracitato, possibile iniettare aria compressa nel tubo di alimentazione dellabrasivo per aumentare la forza di trascinamento (questa scelta effettuata solo in condizioni in cui si rischia lintasamento del tubo) [5].

La figura x.19 mostra landamento delle caratteristiche del tubo di alimentazione e della testa di taglio al variare della portata di aria.

Figura x.19 Caratteristiche del tubo di alimentazione e della testa di taglio in funzione della portata daria [2]



x.1.4.8 Pressione di riflusso

Come gi illustrato, mantenendo chiusa la luce di adduzione dellabrasivo e aumentando la

pressione del getto , nella camera di miscelazione il getto dacqua ad alta velocit genera una depressione che comporta il richiamo delle particelle di abrasivo (suzione per effetto Venturi).

Quando la depressione in camera di miscelazione si avvicina allo zero, laumento della pressione di esercizio non causa ulteriori effetti di aspirazione.

Pertanto si definisce il valore limite di pressione , oltre il quale non si osservano ulteriori effetti di aspirazione [2]:

(x.36)

dove rappresenta la pressione di riflusso, il coefficiente di Drag, il coefficiente di velocit, e sono rispettivamente il diametro dellugello primario e del focalizzatore. Si introduce inoltre il rapporto di pressione , che rappresenta un parametro caratteristico delle prestazioni del sistema di intensificazione:

(x.37)

dove . La figura x.20 illustra landamento qualitativo del fenomeno di suzione dellabrasivo: si osserva che

il rapporto di flusso massimo, indicato con nel grafico, si raggiunge quando il rapporto di

pressione N tende a zero; inoltre se superato il valore critico interviene la pressione di riflusso.

Figura x.20 Andamento qualitativo del processo di suzione [2]

Al crescere della pressione di riflusso mantenendo costanti gli altri parametri, leffetto di suzione nella camera di miscelazione si riduce in particolare, laspirazione dellabrasivo si annulla per il

valore critico della pressione di riflusso . Questo si verifica quando il rapporto di pressioni N vale:



(x.38)

Per esempio se

e , il valore critico . Dalla tabella x.1 si possono ricavare i valori della pressione di riflusso critica per i quali non si avr aspirazione nella camera di miscelazione, per un getto con pressione di . Come si pu notare dai valori riportati, operando in un ambiente di almeno di pressione di riflusso, non sar necessario pressurizzare la tubazione esterna di adduzione dellabrasivo.

Tabella x.1 Massima pressione di riflusso a seconda della pressione di suzione per [2]

Pressione di suzione

(KPa)

Pressione di riflusso

(MPa)

x.4.1.9 Accelerazione dellabrasivo

Dalla combinazione dellequazione della quantit di moto e dellequazione di continuit per un fluido costituito da una fase liquida (acqua) e una fase solida (abrasivo) possibile ricavare

lespressione della velocit assiale delle particelle abrasive. La forza agente su una particella di abrasivo in camera di miscelazione pari a [2]:

(x.39)

dove rappresenta la sezione trasversale della particella, U la velocit dellacqua e la velocit della particella di abrasivo.

Lequazione di Newton per una particella in movimento pu essere scritta come [2]:

(x.40)

Si introduce il bilancio generale della quantit di moto del getto, dellacqua e dellabrasivo a una distanza x dallentrata della camera di miscelazione:

(x.41)



Detta la velocit delle particelle a una distanza x, lequazione sopra conduce allespressione in seguito:

(x.42)

dove la durezza dellacqua vale:

(x.43)

e il rapporto di velocit della particella:

(x.44)

dove rappresenta la frazione di abrasivo e il diametro della particella di abrasivo. Quando il getto si divide in gocce e si unisce allaria, si pu assumere che il peso specifico della

miscela sia pari a

invece che unitario; in questo modo si altera il valore del peso specifico delle particelle abrasive . La tabella x.2 mostra la lunghezza dellugello focalizzatore per garantire unefficienza di

miscelazione pari al ipotizzando il rapporto di velocit della particella. Dalla tabella si osserva che abrasivi a granulometria maggiore necessitano di tubi pi lunghi per garantire una corretta

miscelazione con il getto dacqua; si noti inoltre che, con laumento della portata di abrasivo, si richiedono tubi pi corti che possano essere utilizzati per raggiungere la velocit massima.

Tabella x.2 Lunghezza del focalizzatore per [2]

Mesh

No.

(mm) Lunghezza del focalizzatore, (mm)

Considerando, per esempio, un abrasivo con numero di mesh pari a , si richiede un focalizzatore di soli mm per ottenerne una frazione pari a . I focalizzatori pi diffusi in commercio presentano generalmente una lunghezza di ; la parte addizionale utilizzata per collimare il getto e raggiungere un rapporto di velocit pari a . Un aumento di lunghezza di contribuisce quindi ad aumentare del la massima velocit possibile del getto. La velocit che le particelle di abrasivo raggiungono nel focalizzatore stata oggetto di numerosi

studi condotti da Hashish e da altri autori [2]. A questo scopo sono state condotte sperimentazioni

con attrezzature specifiche sfruttando la sensibilit di campo magnetico al movimento di un oggetto

conduttore carico elettricamente.



Per creare il campo magnetico Hashish utilizza una bobina avvolta attorno al diametro di uscita di

un focalizzatore in ceramica (alumina) e collegata a un generatore di corrente; due bobine

secondarie hanno il compito di ricevere il segnale di una qualsiasi particella conduttiva allinterno del campo magnetico cos creato. La velocit media delle particelle di abrasivo calcolata

dividendo la distanza tra le due bobine secondarie per il tempo intercorso nella registrazione del

segnale; lo spazio tra le bobine variato lungo tutto il focalizzatore per ottenere pi segnali e,

quindi, per calcolare la velocit media.

Figura x.21 Strumentazione per la misurazione della velocit delle particelle di abrasivo [2]

Il segnale in uscita non risulta disturbato dallinterazione delle particelle, ma labrasivo stesso risulta ben sparso allinterno del focalizzatore; a dimostrazione di questo per una frazione di

abrasivo pari a con peso specifico dellabrasivo pari a , la concentrazione delle particelle corrisponde solo al . La massima velocit delle particelle di abrasivo , riportata in tabella x.3 calcolata dallequazione di conservazione della quantit di moto. Nellultima colonna, alla voce Efficienza di accelerazione, indicato il rapporto tra la reale velocit delle particelle di abrasivo e quella teorica. Si pu osservare che la velocit corrispondente a rapporti tra il diametro dellugello focalizzatore e dellugello primario relativamente ampi pi bassa.

Tabella x.3 Risultati per la velocit delle particelle di abrasivo [2]

(mm)

(mm)

P

(MPa)

(mm)

Materiale

per

labrasivo, Acciaio

sottoposto a:

Mesh

No.

Efficienza di

accelerazione

Pallinatura Sabbiatura Sabbiatura Sabbiatura Sabbiatura Pallinaturat

x.1.4.10 Frammentazione delle particelle di abrasivo

Le particelle di abrasivo non solo subiscono la frantumazione allimpatto con il materiale da lavorare, ma il fenomeno si verifica in tutto il suo percorso.



Nel processo di taglio con tecnologia AWJ, labrasivo percorre infatti tre zone distinte e, attraversandole, si verifica la frantumazione delle particelle: la prima zona corrisponde alla camera

di miscelazione a cui segue lugello focalizzatore; la seconda coincide con il pezzo in cui labrasivo provoca lasportazione di materiale; e infine la terza rappresentata dalla vasca di raccolta, in cui si accumula il fluido dopo aver attraversato il pezzo.

La frammentazione dellabrasivo nel focalizzatore funzione di diversi fattori tra cui la pressione di esercizio, il diametro dellugello primario, il diametro e la lunghezza dellugello focalizzatore stesso. Da sperimentazioni condotte per indagare questo fenomeno [2], si osserva che la

frammentazione diminuisce allaumento della pressione e i bordi delle particelle frammentate (ossido di alluminio e carburo di silicio), raccolte dopo lutilizzo, si mostrano come quelli di partenza, ma risultano di dimensioni minori. Si nota inoltre che un allineamento scorretto del

focalizzatore, e quindi quello del getto, contribuiscono allaumento della frammentazione delle particelle di abrasivo. In questo modo si riduce la capacit di taglio del getto e si contribuisce

allusura prematura del focalizzatore [2].

Figura x.22 Effetto della pressione sulla frammentazione delle particelle [2]

Figura x.23 Effetto dellallineamento del getto sulla frammentazione delle particelle



x.2 Impianti

Gli impianti per la tecnologia del getto dacqua si differenziano a seconda della tipologia di getto utilizzato. Come verr analizzato nel dettaglio, in una prima tipologia di impianti labrasivo percorre il sistema di adduzione e penetra nel getto puro a livello della testa di taglio grazie a

componenti quali la camera di miscelazione e lugello focalizzatore; mentre, in una seconda tipologia, meno diffusa in ambito industriale, labrasivo premiscelato allacqua e successivamente condotto alla testa di taglio.

Il presente paragrafo ha lobiettivo di introdurre alle tipologie di getti dacqua principalmente utilizzati, per analizzare in seguito le caratteristiche di ciascun impianto e le parti che li

compongono. Il paragrafo entra nel dettaglio degli impianti tipici della tecnologia AWJ, quale

tecnologia del getto dacqua pi diffusa nel campo delle lavorazioni meccaniche.

x.2.1 Classificazione dei getti dacqua

Per lampia disponibilit in natura, leconomicit e lassenza di impatto ambientale, la tecnologia del getto dacqua oggetto di continui studi e miglioramenti con lo scopo di sfruttarne sia le grandi potenzialit sia la versatilit.

Attualmente si possono individuare, sia nel panorama delle lavorazioni industriali sia nel settore

della ricerca, numerose tipologie di getti dacqua in uso e ancora in fase di sperimentazione. Lelenco riportato in seguito mostra che sfruttando lazione del solo fluido acqua e le interazioni fluido/fluido e fluido/solido possibile ottenere unampia variet di strumenti industriali accomunati dalla presenza dellacqua come vettore di energia necessaria alle lavorazioni [6]:

Water jets (WJ) il getto costituito da sola acqua;

Water-polymer jets (WPJ) prevede laggiunta di additivi polimerici al fluido acqua;

Pulsed water jet (PJ) il getto utilizzato a basse ( Hz) o alte ( kHz) frequenze; Caviation water jets (CWJ) sfrutta il fenomeno della cavitazione che si verifica nella zona

di impatto;

Abrasive water jets (AWJ) prevede laggiunta di abrasivo al fluido acqua;

Abrasive suspension jets (ASJ) una miscela premescolata di acqua e abrasivo convogliata alla testa di taglio;

Ice water jets (IWJ) prevede laggiunta di ghiaccio al getto dacqua oppure il raffreddamento dellacqua fino alla formazione di ghiaccio;

Criogenic and liquefied jets (CJ) prevede lutilizzo di fluidi criogenici che diventano gassosi in condizioni ambiente;

Abrasive Criogenic jets (AWJ) prevede laggiunta di abrasivi nella tecnologia CJ.

Non si vuole entrare nel dettaglio delle diverse tecnologie, ma solo sottolineare come le peculiarit

del getto utilizzato influiscano sulla struttura dellimpianto. In particolare le tipologie dei getti dacqua di maggior interesse industriale sono riconducibili a due macro gruppi: getti puri, che prevedono lutilizzo di sola acqua nella lavorazione (WJ), e getti idroabrasivi, che aggiungono una fase solida di abrasivo al fluido acqua. Questi ultimi a loro volta si suddividono in base alle

modalit in cui si giunge a un getto miscelato [7]:

Getti iniettati: labrasivo percorre il sistema di adduzione e penetra a livello della testa di taglio grazie a componenti come la camera di miscelazione e lugello primario; questa metodologia tradizionale che caratterizza la tecnologia AWJ.



Getti premescolati: labrasivo premiscelato allacqua e condotto con essa alla testa di taglio: questa tecnica prende il nome di iniezione diretta di abrasivo (Direct Injection of

Abrasive, DIAJET) o meglio pu essere riferita alla tipologia ASJ (Abrasive Suspension-

Slurry Jet)

Ai fini dello studio delle modalit di miglioramento della coerenza del getto, sono da ricordare i

getti dacqua che prevedono laggiunta di polimeri SUPER-WATER [6]; gli additivi polimerici hanno in generale il compito di fungere da collante nel getto alluscita del focalizzatore e, anche in piccole concentrazioni, sono in grado di migliorare le prestazioni del taglio [7].

Le tipologie di impianto che portano alla formazione dei getti elencati saranno riportati in seguito,

per poi entrare nel dettaglio degli impianti alla base della tradizionale tecnologia AWJ, tecnologia

pi diffusa nel settore del taglio industriale.

x.2.1.1 Formazione dei getti idroabrasivi iniettati (AWJ)

Per ottenere getti idroabrasivi ad alta pressione sono individuabili diverse metodologie [2]. Come

sar presentato nel dettaglio pi avanti, allo stato attuale la scelta pi diffusa quella di convogliare

labrasivo in una camera di miscelazione e dare inizio in questa camera, al processo di scambio di quantit di moto tra particelle e il getto puro ad alta pressione, processo che continuer in un unico

ugello focalizzatore a valle della camera [7].

Studi precedenti [2] hanno sottolineato la possibilit di utilizzare sistemi con getti multipli o getti

anulari. I primi sono stati costruiti partendo dallidea base di utilizzare quattro getti convergenti e di convogliare labrasivo, per effetto della gravit, nel punto centrale di convergenza (Fig. x.24). I sistemi a ugelli multipli prevedono, inoltre, dispositivi per agevolare lallineamento e la convergenza del getto risultante (Fig. x.25). Le fessure nel corpo dellugello e le viti di fissaggio sono state utilizzate per regolare le posizioni dei getti e per ottenere visivamente il miglior

allineamento possibile. Le numerose prove, condotte utilizzando queste tipologie di ugello,

dimostrano che risulta difficoltoso realizzare un getto perfettamente allineato [2].

Figura x.25 Prototipo di ugello con getti multipli

(AWJ) [2]

Figura x.24 Prototipo di ugello con

lamina a fori multipli [2]



Per superare i problemi connessi allallineamento del getto, si utilizza ununica lamina in zaffiro con fori multipli (Fig. x.25). Bench questo metodo consenta di ottenere un getto convergente, il

tubo di alimentazione mostra una rapida usura dato che si estende fino alla camera di miscelazione.

Inoltre, la dimensione del tubo di adduzione dellabrasivo risulta troppo piccolo per apportarne il quantitativo necessario e le modifiche essenziali, per portare il tubo alla dimensione adatta al

corretto smaltimento dellabrasivo, risulterebbero troppo costose e quindi non convenienti. Il sistema che prevede ladduzione dellabrasivo tramite un tubo di alimentazione centrale, non si rivelato vantaggioso: le prove sperimentali, condotte a differenti pressioni e utilizzando camere di

miscelazione di varia geometria, hanno mostrato una rapida usura del tubo di miscelazione.

Il getto anulare invece (Fig. x.26), formato mettendo una valvola a spillo allinterno di un ugello in zaffiro. Utilizzando questa configurazione, a causa delle vibrazioni allinterno dellugello, sia lo spillo sia lugello in zaffiro risultano soggetti a un rapido danneggiamento, il problema sarebbe risolvibile con valvole a spillo pi rigide e corte; inoltre il getto anulare non risultato simmetrico

per nessuno dei livelli di pressione compresi tra e [2].

Figura x.26 Prototipo di ugello per getto anulare (AWJ) [2]

x.2.1.2 Formazione di getti idroabrasivi premiscelati, (ASJ)

Il getto premiscelato di acqua e abrasivo direttamente convogliato alla testa di taglio consente di

aumentare la densit di potenza del getto ( ) rispetto a quella ottenibile nella tradizionale tecnologia AWJ. Studi sperimentali hanno dimostrato inoltre che un sistema ASJ in grado di

aumentare anche di cinque volte la velocit di taglio [6].

Lo schema illustrativo di un tipico impianto ad alta pressione prevede un isolatore di base e un

sistema di intensificazione che consente di ottenere pressioni di esercizio fino a ; impianti a bassa pressione fino a possono essere utilizzati nelle lavorazioni meccaniche di precisione [2].

La figura x.28 mostra un banco di sette attenuatori collegati in parallelo e utilizzati con separatori

del tipo UHMW (ultrahigh molecular weigh).



Figura x.27 Impianto per la generazione di getti premiscelati a [6]

Figura x.28 Gruppo di attenuatori usati come isolatori per la formazione di getti premiscelati [2]

Per migliorare la coerenza dei getti si inseriscono additivi polimerici SUPER-WATER in

concentrazioni fino al della miscela: a pressioni di esercizio comprese tra i e si osserva una diminuzione di coerenza del getto in particolare a distanze da a a valle dellugello. Per formare getti premescolati sono disponibili due tipologie di ugelli: ugelli primari in diamante e

ugelli tubolari. Al contrario di ci che accade per il getto dacqua pura, il getto in uscita da un ugello primario in diamante perde coerenza pi velocemente di un flusso in uscita da un ugello

tubolare [2].



Figura x.29 Getti premiscelati formati a MPa con ugello primario in diamante a) e ugello tubolare b) [2]

Come si osserva in figura x.30, il coefficiente di efflusso ottenuto ugello tubolare inferiore rispetto

a quello che deriva da un ugello primario in diamante dello stesso diametro [2].

Figura x.30 Confronto fra portate ottenute da ugelli primari in diamante e ugelli tubolari

e coefficienti di efflusso [2]

x.2.2 Componenti di un impianto AWJ

Limpianto tradizionale AWJ ha il compito di prelevare lacqua dalla rete idrica, depurarla e convogliarla al sistema di pompaggio per portarla ai livelli di esercizio. Le tubazioni dellalta pressione accompagnano il fluido alla testa di taglio dove, attraverso lugello primario, lenergia in pressione trasformata in energia cinetica.

Considerate le pressioni raggiungibili nellimpianto, appaiono ovvie le forti sollecitazioni alle quali vengono sottoposte le condotte e quale sia limportanza del loro stato di funzionamento. Sono due le tipologie di tubazioni utilizzate: tubazioni rigide e tubazioni flessibili.

Le prime sono realizzate in acciaio inox austenitico (AISI 316) e sottoposte a un opportuno

trattamento di autofrettage per produrre, allinterno del tubo, uno stato di tensioni residue di

Po

rta

ta (

litri/m

in)

Pressione (MPa)

Co

eff

icie

nte

di e

fflu

sso

glo

ba

le (

Cd)



compressione: questo utile in fase di impiego per diminuire la sollecitazione complessiva di

trazione a cui le tubazioni sono sottoposte. Il diametro interno dei tubi ha un valore di e, quando le tubazioni devono concedere un moto relativo tra i componenti dellimpianto, sono avvolte a spirale in modo da permettere piccole deformazioni elastiche.

Le tubazioni flessibili, invece, prevedono una condotta interna in poliammide rinforzata con

combinazioni di filo dacciaio e fibre aramidiche, il tutto rivestito da uno strato di poliuretano. A questo tipo di tubazioni richiesta una buona flessibilit e una bassa espansione volumetrica per

ottenere una buona velocit di risposta.

Figura x.31 Tubazioni per lalta pressione: rigide e flessibili (cortesia Omax e Parker)

Alla testa di taglio, insieme allacqua ad alta pressione, giunge labrasivo attraverso un opportuno sistema di adduzione. Qui le particelle solide penetrano nel getto e allinterno della camera di miscelazione ha inizio il processo di scambio di quantit di moto con lacqua, il fluido cos ottenuto prosegue nellugello focalizzatore. La testa di taglio condotta da un apposito sistema di movimentazione in grado di percorrere le

traiettorie desiderate sul pezzo. Dopo lasportazione lenergia cinetica del getto dispersa nella vasca di raccolta (catcher).

I componenti che costituiscono limpianto tradizionale AWJ sono elencati sinteticamente in seguito e successivamente analizzate nel dettaglio nei paragrafi:

Impianto di trattamento e depurazione dellacqua

Intensificatore

Sistema di adduzione dellabrasivo

Testa di taglio

Sistema di movimentazione e controllo



Figura x.32 Impianti a disposizione del Politecnico di Milano, Cortesia Tecnocut

x.2.3 Limpianto di trattamento dellacqua

Lacqua per il funzionamento del sistema AWJ viene prelevata direttamente dalla rete idrica e necessita pertanto di un processo di depurazione e trattamento.

Lacqua di rete contiene particelle sospese che provocherebbero unaccelerata usura delle parti meccaniche del sistema di pompaggio, delle tubazioni, dei raccordi, delle valvole dellugello primario e del focalizzatore.

I sali di calcio e magnesio disciolti nellacqua sono la causa principale dei depositi e delle incrostazioni calcaree che compromettono lefficienza idraulica dellimpianto, mentre i cloruri e solfati provocano la corrosione delle parti metalliche.

Il sistema di depurazione e trattamento dellacqua di rete risulta, quindi, di grande importanza, sebbene molto spesso non venga utilizzato a livello industriale.

La configurazione tipica di impianto di depurazione dellacqua prevede i seguenti stadi:

prefiltrazione:

addolcimento e deionizzazione: avviene ad opera di resine cationiche che eliminano o limitano la

presenza di ioni calcio e magnesio, mentre resine di altra tipologia trattano i cloruri e i solfati (il pH

consigliato neutro);

filtraggio: avviene a opera di un filtro a carboni attivi che elimina il cloro residuo e blocca eventuali

particelle solide presenti. A valle del primo filtro si prevedono inoltre tre filtri meccanici disposti in

serie per trattenere particelle a granulometria crescente fino a 1 micron;

osmosi inversa:

Losmosi un fenomeno spontaneo che consiste nella diffusione del solvente attraverso una membrana semipermeabile dalla soluzione a maggior potenziale idrico (concentrazione minore di

soluto) verso la soluzione a minor potenziale idrico (concentrazione maggiore di soluto).

Per purificare lacqua, invece, si deve intervenire per ottenere un flusso contrario che permetta di estrarre il fluido puro da una soluzione ancora ricca di impurit. Nellosmosi inversa si applica quindi sulla soluzione da purificare, una pressione superiore alla pressione osmotica: la soluzione

diluita viene raccolta in un serbatoio mentre il flusso pi concentrato viene scaricato.



Il permeato ottenuto risulta privo di oltre il delle sostanze inizialmente presenti, tra cui nitrati, fosfati e metalli pesanti.

La tabella x.4 mostra in funzione del trattamento effettuato allacqua, la durata dellugello primario nonch le caratteristiche chimiche dellacqua risultante.

Tabella x.4 Durata degli ugelli primari in funzione della purezza dellacqua (bollettino tecnico TR-1031; pressione di prova: ( );

dimensione massima delle particelle entranti nellintensificatore: ), Flow Systems

Trattamento

dellacqua

Acqua di

condotta idrica

senza trattamento

Acqua dolcificata

in scambiatori di

ioni

Acqua trattata

con osmosi

inversa

Acqua

deionizzata in

letto misto

Vita media

dellugello

Alcalinit

Calcio

Cloruri

Durezza

Magnesio

pH 6

Nitrati

Solfati

Corpi solidi

disciolti

x.2.4 Tipologie di intensificatori

Lintensificatore il componente in cui avviene linnalzamento della pressione dellacqua fino alle pressioni di esercizio richieste.

Sul mercato attualmente sono rintracciabili due tipologie di intensificatori. La prima tipologia

comprende gli intensificatori oleodinamici a singolo effetto (pompanti paralleli) e a doppio effetto

(pompanti contrapposti), la seconda tipologia si riferisce agli intensificatori a pompa diretta. A

queste si aggiunge una nuova classe di intensificatori a pompa elettrica, ancora in via di

sperimentazione.

x.2.4.1 Intensificatori oleodinamici

Questa tipologia di intensificatori sfrutta lolio come fluido vettore. Uno stantuffo (a singolo effetto o doppio effetto) viene movimentato allinterno di un cilindro mettendo in pressione ed espellendo il fluido acqua attraverso una valvola di scarico. Quando la direzione dello stantuffo opposta, il

fluido a bassa pressione entra nel cilindro attraverso una valvola daspirazione. Gli intensificatori che rientrano in questa tipologia possono essere a pompanti contrapposti

(intensificatori a doppio effetto) e a pompanti paralleli (intensificatori a singolo effetto). Il principio

di funzionamento e il dettaglio del componente illustrato in seguito (cfr.x.2.5.4).



Figura x.33 Intensificatore oleodinamico a singolo effetto, cortesia Tecnocut

Figura x.34 Intensificatore oleodinamico a doppio effetto, cortesia Flow Corp.

x.2.4.2 Intensificatori a pompa diretta

Gli intensificatori a pompa diretta sfruttano la stessa tipologia di cilindri e lo stesso principio di

intensificazione di quelli oleodinamici. La differenza fra le due tecnologie il mezzo con il quale lo

stantuffo si muove. La pompa diretta utilizza un albero a gomito simile a quello del motore delle

autovetture (da qui il nome inglese Crank Drive Pumps).

Figura x.36 Pompa diretta, cortesia Flow

Corp.

Figura x.35 Schema funzionamento pompa diretta

mod. Omax, cortesia Omax



x.2.4.3 Intensificatori elettrici

Gli intensificatori elettrici sono un nuovo progetto di moltiplicatori di pressione non ancora sul

mercato. Per ottenere i livelli di pressione dellacqua richiesti, questa nuova tipologia di intensificatori sfrutta un azionamento elettrico composto da un motore brushless e una vite a

ricircolo di sfere in grado di movimentare un pistone a doppio effetto.

Una soluzione costruttiva di questo tipo permette di eliminare la parte oleoidraulica del sistema,

consente di ottenere un rendimento meccanico maggiore e di ridurre la potenza assorbita. Questa

nuova tipologia di intensificatori garantisce, quindi, laumento della produttivit e prevede un monitoraggio continuo sulla macchina riducendo i costi di esercizio.

Figura x.37 Spaccato di pompa elettrica, cortesia Tecnocut

x.2.5 Il sistema di pompaggio

Il sistema di pompaggio raggruppa la parte del circuito idraulico destinata allinnalzamento della pressione dellacqua ai livelli di utilizzo. Il sistema si compone di quattro parti principali: la pompa oleodinamica, laccumulatore dellolio, laccumulatore dellacqua e lintensificatore.

Figura x.38 Pompa Streamline SL-IV 50 HP, cortesia Ingersoll-Rand

1-Pompa oleodinamica

2-Accumulatore

oleodinamico,

(non rappresentato

nello schema)

3-Intensificatore

4-Accumulatore

dellacqua



x.2.5.1 La pompa oleodinamica

La regolazione della pressione dellacqua si basa, come verr illustrato in seguito, sulla possibilit di ottenere un determinato valore di pressione per lolio. I componenti che si occupano della sua movimentazione e della generazione di pressione nel circuito in cui agisce, sono la pompa

oleodinamica e il motore elettrico che la aziona.

Ci sono diverse soluzioni progettuali che conducono il sistema formato da pompa e motore a

regolare la portata (e quindi la pressione) nel circuito, ad esempio si pu accoppiare una pompa a

cilindrata variabile a un motore a velocit costante (tipicamente lasincrono trifase) oppure una pompa a cilindrata fissa a un motore a velocit variabile: questa soluzione viene scartata per

leccessiva sollecitazione a cui sarebbero sottoposti gli organi meccanici a causa delle elevate pressioni di utilizzo. Esiste infine la possibilit di utilizzare una pompa a cilindrata fissa e un motore

a velocit fissa, influendo sulla portata dolio attraverso una valvola proporzionale regolatrice di portata.

In generale il motore elettrico utilizzato un asincrono trifase alimentato a in corrente alternata a . Come noto, la sua velocit di sincronismo funzione del numero di poli dellavvolgimento magnetico, la sua curva caratteristica presenta una notevole pendenza nelle condizioni di lavoro e permette quindi una reazione della coppia ai disturbi e alle variazioni del

carico a velocit praticamente costante.

Date le elevate pressioni di esercizio, le pompe impiegate sono di tipo volumetrico.

Laccoppiamento di della pompa oleodinamica e del motore elettrico garantisce una regolazione della portata in modo quasi indipendente dalla pressione.

Figura x.39 Motore asincrono trifase, cortesia Fimet

La pompa a pistoni assiali e cilindrata variabile rappresenta una particolare tipologia comunemente

utilizzata. Analizzandone il funzionamento nel dettaglio, si osserva che i pistoni scorrono allinterno di cilindri paralleli e disposti attorno allasse di rotazione di un blocco rotante. I pistoni sono collegati, mediante bielle, a una piastra anchessa rotante intorno a un asse incidente e leggermente inclinato rispetto allasse di rotazione del blocco dei cilindri. Lalbero fa ruotare il blocco dei cilindri che, per effetto dellinclinazione del piatto, genera il movimento alternativo dei pistoni nelle sedi, con conseguente effetto di pompaggio. Il numero di

pompanti utilizzato dispari, per evitare che due pistoni si trovino contemporaneamente ai punti

morti: questo accorgimento, insieme allaumento del numero di pistoni, viene adottato per diminuire le oscillazioni di pressione.



Figura x.40 Spaccato di una pompa a cilindrata variabile a pistoni assiali [8]

La corsa dei pistoni e quindi la cilindrata variano in funzione dellinclinazione e risultano nulle per

inclinazione nulla. possibile variare linclinazione della piastra tra , sfruttando un sistema molla antagonista-pistone attuatore. La variazione di cilindrata risulta molto pi rapida, grazie alla

minore inerzia del sistema rispetto al blocco cilindri.

Figura x.41 Rappresentazione grafica delleffetto dellinclinazione della piastra sulla variazione della cilindrata [9]

x.2.5.2 Laccumulatore dellolio

A valle della pompa oleodinamica installato un accumulatore oleodinamico a cui sono assegnate

diverse funzioni. In primo luogo adibito a riserva di olio: la pompa non dimensionata sulla

portata massima, ma bens su quella media e, quando le condizioni di esercizio richiedono per brevi

intervalli elevate portate di fluido, laccumulatore fornisce la portata aggiuntiva. Laccumulatore dellolio funge anche da accumulatore di energia da rilasciare quando occorrono velocit del pistone molto alte per tempi brevi. Laccumulatore anche adibito a compensatore di dilatazione per evitare che le variazioni di temperatura dellolio nel circuito provochino variazioni di pressione. Laccumulatore provvede infine a smorzare i picchi di pressione generati da eventuali colpi dariete nel caso di brusche aperture e chiusure delle valvole o di organi di intercettazione. Laccumulatore ha anche la funzione di smorzare le pulsazioni che, date le caratteristiche del moto delle pompe,

sono sempre presenti. Lutilit dellaccumulatore si riconduce, quindi, alla necessit di ottenere un flusso il pi possibile costante ed esente da pulsazioni.



Laccumulatore pu essere di diverse tipologie: con riferimento alla figura x.42 si trovano accumulatori a peso (1), a molla (2), a pistone (3), a sacca (4) e a membrana (5).

Figura x.42 Tipologie di accumulatori oleodinamici

I pi diffusi sono gli accumulatori oleopneumatici a sacca di gas che utilizzano lazoto come gas inerte. La figura x.43 mostra nel dettaglio la sezione di un accumulatore di questa tipologia

indicandone i componenti: cappellotto (1), sacca (2), anello a segmenti (3), anello di tenuta (4), vite

di sfiato (5), valvola olio (6), ghiera (7), distanziale (8), recipiente (9), ghiera (10), valvola a gas

(11).

La prima fase del funzionamento dellaccumulatore a sacca nel circuito di bassa pressione prevede il riempimento in pressione. In questa fase si apre la valvola che si trova nella parte superiore,

mentre si mantiene chiusa la valvola inferiore che collega laccumulatore al circuito oleodinamico (Fig. x.45a). Quando nel sistema si supera la pressione di precarico, la valvola dellolio si apre e il fluido entra nellaccumulatore (Fig. x.45b). In seguito a un ulteriore aumento di pressione dellolio, il volume del gas si riduce (Fig. x.45c), mentre in corrispondenza di una diminuzione di pressione il

liquido fluisce allesterno del recipiente lasciando espandere la sacca di azoto (Fig. x.45d).

Figura x.44 Sezione di

accumulatore a sacca

Figura x.43 Accumulatori per intensificatore

a pompanti paralleli modello a cilindri



Figura x.45 Schema esemplificativo del funzionamento di un accumulatore

x.2.5.3 Laccumulatore dacqua

Le funzioni dellaccumulatore dacqua sono del tutto simili a quelle appena viste per laccumulatore dellolio. Il compito principale dellaccumulatore quello di attenuare le oscillazioni di pressione dellacqua: la loro presenza pu essere la causa di scarse prestazioni dellimpianto in termini di qualit di taglio.

La causa dellandamento incostante della pressione non dovuta unicamente ai gi accennati problemi di oscillazione riscontrati nel circuito dellolio, ma anche al manifestarsi della

comprimibilit dellacqua alle pressioni di esercizio (circa il a ). In particolare accade che, in corrispondenza delle due posizioni di fine corsa dellintensificatore, dopo linversione del moto, non venga erogata acqua in pressione per la prima parte di corsa del pistone. Trattandosi di un componente abbastanza pericoloso (data la pressione interna) e di unulteriore voce di costo dellimpianto, il suo dimensionamento va eseguito mediando tra la sua capacit di attenuazione delle oscillazioni e tra il costo dovuto alla grandezza. Il volume solitamente ritenuto

ottimale compreso tra i e i litri. bene ricordare che unopportuna fasatura dei pistoni in intensificatori a singolo effetto rende superfluo limpiego di dispositivi per lo smorzamento delle oscillazioni di pressione: oltre al vantaggio economico che ne deriva, si evita lutilizzo di un componente a elevate pressioni.

x.2.5.4 Lintensificatore oleodinamico

il componente in cui avviene linnalzamento della pressione dellacqua a opera della pompa oleodinamica che lo aziona.

Gli intensificatori oleodinamici possono essere di due tipologie: intensificatori a doppio effetto e

intensificatori a singolo effetto. Il principio di funzionamento equivalente in entrambi i casi e si

basa sullequilibrio delle forze agenti su pistoni di diverso diametro: lolio agisce su di una

superficie variabile, secondo i modelli, da a volte larea della superficie a contatto con lacqua; ne deriva un uguale rapporto di intensificazione.



Figura x.46 Principio di funzionamento per pistoni di intensificatori a singolo effetto e doppio effetto

Per accrescere la pressione dellacqua si sfrutta il rapporto di intensificazione tra le aree del pistone su cui agiscono i due fluidi acqua e olio. Dallequilibrio delle forze deriva lequazione

(x.45)

da cui:

(x.46)

Il rapporto tra le sezioni un dato di progetto e non pu essere modificato. Lunica variabile operativa la pressione dellolio che risulta proporzionale alla pressione di lavoro dellacqua secondo il rapporto di intensificazione definito.

Nella maggioranza delle macchine tale rapporto pari a : ci significa che la pressione dellacqua nel circuito di alta pressione sar volte superiore alla pressione dellolio nel circuito di bassa pressione; per calcolare quindi il valore della pressione raggiunto, necessario moltiplicare

il valore letto sul manometro per o per un valore opportuno corrispondente al rapporto dintensificazione della macchina utilizzata. La differenza tra intensificatori a singolo effetto o doppio effetto risiede nel fatto che, i pistoni a

singolo effetto sono in grado di fornire portata allugello solo nella corsa di mandata, mentre la corsa di ritorno utilizzata per riempire nuovamente dacqua il cilindro. Nei pistoni a doppio effetto, invece, possibile incrementare la pressione dellacqua in entrambi i sensi di marcia. Laspetto positivo nellutilizzo di cilindri a singolo effetto risiede nella possibile eliminazione dellaccumulatore idraulico, presente invece nel caso di cilindri a doppio effetto, per contenere le fluttuazioni di pressione che si originano al momento dellinversione di moto nel pistone.

Intensificatori a singolo effetto

I pistoni di un intensificatore a singolo effetto sono in grado di effettuare lintensificazione solamente durante la fase di mandata. La fase di ritorno invece caratterizzata dallaspirazione dellacqua. Come gi accennato, non necessario dotare limpianto di un accumulatore, in quanto il recupero della comprimibilit dellacqua avviene durante una fase di pre-compressione portata a termine nella prima parte della corsa di mandata del singolo pistone.

Il cilindro a singolo effetto formato da una camera primaria (A), una camera secondaria (B) e una

camera in cui viene invece inserita lacqua (C). Lacqua viene poi inviata verso la testa di taglio sfruttando una valvola di alta pressione (D) (Fig. x.47).

P

P



Figura x.47 Cilindro a singolo effetto con definizione delle diverse camere [10]

Il funzionamento di un pistone che compone un intensificatore a singolo effetto si suddivide in tre

fasi:

Compressione dellacqua: si innalza la pressione dellacqua, le valvole di mandata e aspirazione dellacqua e di scarico dellolio sono chiuse, aperta la valvola di ingresso dellolio che determina lavanzamento del pistone.

Mandata dellacqua in pressione: al raggiungimento del valore di taratura della valvola di mandata, la valvola stessa si apre e lacqua ad alta pressione fluisce verso lugello primario.

Ritorno del pistone: completato lavanzamento, il pistone torna nella sua posizione iniziale aspirando acqua nella camera di compressione, le valvole di mandata dellacqua e di ingresso dellolio si chiudono, mentre si aprono quelle di aspirazione dellacqua e di scarico dellolio.

La sequenza descritta si ripete per ogni pistone, ma in modo sfasato tra un pistone e laltro:

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