Università degli studi di Pisa Facoltà di Ingegneria

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“ “ OTTIMIZZAZIONE DEI PARAMETRI DI TAGLIO DELLA TECNOLOGIA ABRASIVE WATERJET SU MATERIALI LAPIDEI””

CANDIDATICANDIDATI

Giulio SantiniGiulio Santini

RELATORIRELATORI

Prof .Ing. Michele LanzettaProf .Ing. Michele Lanzetta

Pisa, 4 Giugno 2014Pisa, 4 Giugno 2014

a.a. 2013-2014a.a. 2013-2014

PRESENTAZIONE AZIENDAPRESENTAZIONE AZIENDA

Questa tesi nasce in seguito ad un tirocinio formativo effettuato presso l’azienda Henraux s.p.a. leader mondiale nel settore lapideo.

FILIERA COMPLETA

Estrazione nelle cave

Materiale grezzo

PRESENTAZIONE AZIENDAPRESENTAZIONE AZIENDA

Questa tesi nasce in seguito ad un tirocinio formativo effettuato presso l’azienda Henraux s.p.a. leader mondiale nel settore lapideo.

FILIERA COMPLETA

Semilavorati Prodotti finitiModerne tecnologie

OBIETTIVO DELLO STUDIO:OBIETTIVO DELLO STUDIO:

• ANALISI ECONOMICA

• ANALISI PARAMETRI QUALITA’ DEL TAGLIO

ESIGENZA AZIENDALE

• CORRELAZIONE TRA I PARAMETRI DI PROCESSO E LA QUALITA’ DEL TAGLIO

OTTIMIZZAZIONEOTTIMIZZAZIONE

PROCESSO AWJPROCESSO AWJ

SISTEMA ABRASIVE WATER JETSISTEMA ABRASIVE WATER JET

SCHEMA IMPIANTOSCHEMA IMPIANTO

PARAMETRI DI TAGLIO PARAMETRI DI TAGLIO

• PRESSIONE DEL GETTO IDRO-ABRASIVO

• VELOCITA’ AVANZAMENTO

• PORTATA ABRASIVO

• DISTANZA DI STAND OFF

PARAMETRI QUALITA’ DEL TAGLIO PARAMETRI QUALITA’ DEL TAGLIO

PROFODITA’ PENETRAZIONE

AMPIEZZA DEL SOLCOAMPIEZZA DEL SOLCO

CONICITA’ SUPERFICI

PRESENZA STRIATURE E PRESENZA STRIATURE E ASPETTO SUPERFICIALEASPETTO SUPERFICIALE

GEOMETRIA DEL TAGLIO FINITURA SUPERFICIALE

PROFONDITA’ DI PENETRAZIONE PROFONDITA’ DI PENETRAZIONE

La profondità di penetrazione è la profondità massima raggiunta del getto idro-abrasivo all’interno del materiale

• Modelli basati sul meccanismo di erosione

• Modelli basati sul meccanismo della frattura

• Modelli basati su un approccio energetico

MODELLI MATEMATICI DI PREVISIONE

AMPIEZZA DEL SOLCO AMPIEZZA DEL SOLCO

Combinazione diametro dell’ugello primario (orifizio) e diametro del focalizzatore

DIAMETRO GETTO

Setup della testa

STAND OFF DISTANCE

L’ampiezza dl solco è la larghezza del taglio nella parte superiore del pezzo

CONICITA’ DEL SOLCO CONICITA’ DEL SOLCO

Wtop

Wbottom

H

CAUSA CONICITA’ DEL SOLCO CAUSA CONICITA’ DEL SOLCO

La velocità delle particelle tende ad essere bassa alla parete del getto e aumenta fino ad un massimo al centro del getto

DISTRIBUZIONE VELOCITA’

Per rimuovere il materiale, l’energia del getto deve superare l'energia di frattura necessaria all’erosione

La parte interna del getto possiede energia cinetica sufficiente per penetrare il materiale più in profondità rispetto alla parte esterna

PRESENZA DI STRIATURE PRESENZA DI STRIATURE

va

• Ondulazione più o meno marcata

CARATTERISTICHE :

• Angolo di inclinazione fra la tangente alla curva delle striature alla profondità H e l'asse del getto

H

MODELLO MATEMATICO :


• cause relative al controllo dei parametri: l’instabilità dei parametri di taglio

Cause della generazione delle striature

• cause fenomenologiche: le striature derivano dal processo intrinseco di asportazione del materiale

• cause relative all’attrezzatura di supporto, vibrazioni del pezzo e/o dell’ugello durante il taglio


MODELLO ZONA D’IMPATTO A DUE STADI

Zona impatto diretto

Zona impatto secondario

Zona impatto diretto

Bassi angoli d’impatto

Zona impattosecondario

Elevati angoli d’impattoParticelle vengono deviate dalla zona di impatto diretto e cambiamento curvatura


Q5 Q4 Q3 Q2 Q1

CINQUE GRADI DI FINITURA SUPERFICIALI

• Q5 pareti molto lisce (valori Ra sotto 6,3 micron) e ondulazioni poco evidenti

• Q4 pareti piuttosto lisce (Ra fino a 12,5 micron) e ondulazioni leggermente più marcate

• Q3 ondulazioni ben distinte (Ra fino a 50 micron)

• Q2 ondulazioni molto marcate con ampiezze che raggiungono alcuni decimi di millimetro

• Q1 enormi ondulazioni, formazione di cavità sulle pareti e piccole zone dove il taglio risulta non passante.

ATTIVITA’ SPERIMENTALE ATTIVITA’ SPERIMENTALE

FLOW MACH3 DYNAMIC

Area di lavoro: 4 m x 2 mPrecisione +/- 0,038 mm Ripetibilità +/- 0.05 mmPressione max getto 4150 bar

Diametro orifizio 0.33 mmDiametro focalizzatore 1.02 mm


MATERIALE MARMO BIANCO CARRARA

Densità 2714 kg/m3

Resistenza a compressione monoassiale

131 MPa

Resistenza a flessione 18 MPaMicrodurezza Knoop 130 kg/mm2


9 campioni (spessore 20 mm)• 3 livelli di portata di abrasivo

0,317 0,410 0,498 [Kg/min]

• 3 livelli di pressione del getto 300 360 415 [MPa]

• 5 livelli di velocità di avanzamento 193, 385, 578, 770 e 963

[mm/min]

5 tagli passanti per campione

P= 300 MPa

P= 360 MPa

P= 415 MPa

Velocità [mm/min]

Angolo striature[gradi]

Conicità[gradi]

Velocità [mm/min

]


Conicità[gradi]

Velocità [mm/min]


Conicità[gradi]

ma=

0,317 [kg/min]

963 56 2.76 963 50 2.58 963 44 2.39

770 42 1.92 770 37 1.83 770 32 1.75

578 27 1.40 578 22 1.32 578 18 1.25

385 19 1.27 385 15 1.22 385 13 1.18

193 9 1.00 193 8 0.93 193 7 0.82

ma=

0,410 [kg/min]

963 55 2.76 963 48 2.58 963 42 2.39

770 40 1.92 770 35 1.82 770 31 1.74

578 25 1.39 578 21 1.32 578 18 1.25

385 17 1.27 385 15 1.22 385 12 1.18

193 8 0.99 193 7 0.92 193 6 0.81

ma=

0,498[kg/min]

963 53 2.76 963 47 2.57 963 40 2.39

770 38 1.91 770 34 1.82 770 31 1.74

578 24 1.38 578 20 1.31 578 16 1.25

385 17 1.27 385 14 1.21 385 11 1.17

193 7 0.99 193 7 0.92 193 6 0.81



• DISTANZA STAND OFF 5, 4, 3, 2 [mm]

• ORE ORIFIZIO 1, 20, 50 [ore]

1 ora 20 ore 50 ore

ANALISI RISULTATI ANALISI RISULTATI

INCREMENTO PRESSIONE


Con un aumento della portata di abrasivo l'angolo di conicità diminuisce anche se in modo irrilevante rispetto agli altri parametri

Getto aumenta energia cinetica Solco più ampio e più fondo,differenza di larghezza superiore e inferiore ridotta

MINORE CONICITA’

INCREMENTO VELOCITA’

Minore interazione del getto sulla superficie

Meno particelle abrasive concorrono all’erosione del materiale

MAGGIORE CONICITA’



INCREMENTO PRESSIONE MINORE ANGOLO STRIATURE

INCREMENTO VELOCITA’ MAGGIORE ANGOLO STRIATURE

Al di sotto di una certa velocità di avanzamento (Va< 200 mm/min) l´ondulazione superficiale è quasi completamente assente (grado Q5)Non sono state riscontrate significative variazioni dell’angolo di inclinazione con il variare della portata di abrasivo e con la distanza di stand off




INCREMENTO STAND OFF DISTANCE

Nel punto di impatto con il materiale il getto ha un diametro maggiore

Natura divergente del getto

MAGGIORE AMPIEZZA SOLCO


E’ stata riscontrata una durata media dell’orifizio di circa 40/50 ore entro cui l’ampiezza del solco registra un incremento minore o uguale del 20 % dalla dimensione teorica di 1.2 mm

INCREMENTO STAND OFF DISTANCE

Aumento diametro del getto nel punto di impatto

Natura divergente del getto


INCREMENTO ORE ORIFIZIO

Aumento diametro e perdita di coerenza getto

Usura dell’orifizio


ANALISI ECONOMICA ANALISI ECONOMICA

• Costo del sistema di intensificazione della pressione

• Costo dell’energia elettrica

• Costo dell’ugello e del focalizzatore

• Costo della macchina

• Costo abrasivo

• Spese generali

COSTI FISSICOSTI VARIABILI




CONCLUSIONICONCLUSIONI

Esigenze qualitative Massima Pressione

Utilizzo basse Velocità

Esigenze economiche

Pressione 395 MPa

Utilizzo alte Velocità

Non è necessaria l’adozione di portate di abrasivo elevate, valori < 0.410 Kg/min sono sufficienti a garantire il livello qualitativo desiderato

Con l’utilizzo di questi parametri, la qualità delle superfici di taglio risulta compresa tra il grardo di finitura Q4 e Q3 e la conicità delle stesse limitata a valori non superiori a 1.3 gradi.

P=390-400 MPaVa=400-500 mm/min

intervallo Q4-Q3

Distanza di stand off 3 mm per assecondare irregolarità

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