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SISTEMI DI PRODUZIONE
TECNOLOGIA MECCANICA
Dario Antonelli – Lavorazioni non convenzionali
Introduzione
I processi non convenzionali sostituiscono le
tecnologie tradizionali di asportazione
Lavorazioni con utensili non dedicati o addirittura
immateriali
Vantaggio nei costi per lavorazioni su piccola serie
Vantaggio nella lavorazione di materiali particolari
(es. molto duri >400HB) o geometrie del
componente particolari (es. oggetti flessibili, fori di
piccolo diametro)
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Classificazione in base alla fonte di energia
Elettrica: Elettroerosione
Meccanica: Taglio a getto d’acqua, ultrasuoni
Termica: fascio laser, arco al plasma
Chimica: Elettrochimica, Fotochimica, Asportazione
chimica
Moduli del corso
A. I materiali
B. Formatura
C. Deformazione
D. Taglio e Controllo Numerico
E. Altri Processi
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Lezioni del Modulo E
1. Il controllo numerico
2. La programmazione delle macchine CN
3. I processi non convenzionali
4. Processi di giunzione
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Elettroerosione
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Il processo di elettroerosione 7
Viene generato un campo elettrico tra elettrodo e pezzo
Si forma un canale ionizzato tra elettrodo e pezzo con
accensione della scintilla e fusione locale del pezzo
Interruzione della corrente ed implosione della scintilla
Evacuazione delle particelle metalliche per mezzo del
lavaggio del dielettrico
Schematizzazione
+ + +
- - -
+ + +
- - -
+ + +
- - -
+ + +
- - -
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Macchina per elettroerosione
Ottimizzazione del processo
Aumentando l’intensità di corrente:
eliminazione delle particelle nell’area di lavoro
raffreddamento della zona di lavorazione
contenimento del canale di scarica
Cercare un compromesso tra quantità di materiale
asportato e livello di usura dell’utensile
Come svantaggio si ha l’alterazione termica del
materiale attorno alle superfici lavorate
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Grafico di funzionamento
Intensità di corrente [A]
Usura dell’utensile
Volume di materiale asportato
Grafico di funzionamento
Intensità di corrente [A] I1 I2
Regime di lavoro
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Lavorazioni per elettroerosione
Improntatura
tecnica a più canali
erosione planetaria
Lavorazione di stampi
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Lavorazione di viti
Lavorazione di chiavette
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Lavorazione di stampi a tranciare
Lavorazioni per elettroerosione
Improntatura
Taglio
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Taglio con lama
Taglio con nastro o filo
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Taglio con disco
Lavorazioni per elettroerosione
Improntatura
Taglio
Rettifica
utilizzata per pezzi di elevate dimensioni
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Rettifica interna
Rettifica di profili
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Taglio a getto d’acqua
Generalità
Processo di taglio che sfrutta la forza risultante
della variazione della quantità di moto di un getto
d’acqua nell’urto contro la superficie
Intensificatore di pressione fornisce una portata
modesta di acqua ad una pressione di 400 Mpa
Getto coerente con elevata energia cinetica.
Principale innovazione: aggiunta di un abrasivo per
lavorare materiali duri
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Materiali lavorati con getto d’acqua
Taglio di materiali di qualsiasi tipo, dai più morbidi
fino a metalli, ceramiche e marmo
Lavorazione di materiali di durezza non elevata
(plastica, legno, tessuti e laterizi ecc.)
Taglio di materiali con produzione di polveri nocive
o infiammabili (amianto, legno)
Vantaggi del sistema
Taglio di geometrie molto complesse in 2D
Operazioni effettuate con tolleranze ragionevoli
Lavorazione senza apporto di calore
Versatilità
Lavorazione ecologica e sicura per l’operatore
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Impiego del water – abrasive jet
Industria aerospaziale (lavorazione del titanio)
Architettura e lavori artistici
Automotive (parti per prototipi)
Industria del vetro
Industria Medica
Officine EDM con applicazioni laser
Lavorazioni eseguibili
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Lavorazioni eseguibili
Il waterjet
La pompa porta la pressione dell’acqua a 400 MPa
L’acqua in pressione passa in un ugello L≈0,5mm
Il flusso ha velocità supersonica (Mach 2 ÷ 3)
Il taglio avviene per erosione supersonica da parte del flusso d’acqua
Il calore di taglio è in grado di far evaporare l’acqua utilizzata
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Pompe utilizzate per il taglio waterjet
Intensifier pump
una pompa idraulica mette in pressione il fluido che
aziona un pistone
il pistone porta in pressione l’acqua mediante una
superficie molto più piccola
aumento notevole di pressione (da 20 MPa a 400 MPa
con rapporto tra superfici di 1/20)
Intensificatore a doppio effetto
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Pompe utilizzate per il taglio waterjet
Intensifier pump
Crankshaft pump
stesso principio dell’intensifier pump ma utilizzo di più
pistoni
la pompa recupera la spinta dell’acqua rimasta nel
cilindro sottoforma di energia cinetica
aumento di rendimento (fino al 95%)
Schema dell’ugello
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Difetti del sistema
Jet lag
perdita di velocita’ del getto d’acqua in seguito alla
perforazione del materiale
creazione di un tagliente curvo
Difetti del sistema
Taper
ad alte velocità il flusso d’acqua non riesce ad
asportare tutto il materiale fino in fondo
taglio più largo nella parte superiore rispetto al fondo
come rimedio si usano ugelli inclinabili
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Gli ugelli inclinabili
Schema di funzionamento
m
n
R
vr
Velocità di erosione normale al taglio
Sforzo normale nella zona di impatto diretto
2sin
4
m
nd
vm
Diametro del tubo di miscelazione (focalizzatore)
Attrito più elevato per i getti abrasivi
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Parametri di processo
Idraulici:
Pressione
Portata
Diametro ugello
Tecnologici
Velocità avanzamento
Stand off distance
Angolo di incidenza
Parametri di processo del WJC
profondità
di taglio
pressione acqua
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Parametri di processo del WJC
profondità
di taglio
distanza di stand-off
Parametri di processo del WJC
profondità
di taglio
velocità di avanzamento
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Vantaggi del WJM
• assenza usura utensile
• assenza rottura improvvisa utensile
• assenza danneggiamento termico
• assenza polveri
• facile staffaggio
Svantaggi del WJM
• solo materiali non metallici
• costo
• rumorosità
• danneggiamento (laminati)
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Alcuni esempi
Spessore Pressione Vel. avanz.
6 300 17
3 300 50
2,2 300 330
2 430 2500
Legno
Kevlar
Cuoio
Poliestere
Cartone 1 250 8330
[mm] [MPa] [mm/s]
L’abrasive jet
Il flusso supersonico passa attraverso un focalizzatore
Per effetto Venturi si forma un vuoto che permette l’ingresso di abrasivi nel flusso
Il canale di alimentazione accelera gli abrasivi a velocità supersoniche
Il taglio avviene per erosione
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L’abrasive jet
Principio di funzionamento del AWJM
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La camera di miscelazione
1. Ingresso acqua ad alta pressione
2. Ugello primario
3. Abrasivo
4. Camera di miscelazione (effetto
Venturi)
5. Tenuta
6. Abrasive Water Jet
7. Pezzo lavorato
Principio di taglio nel AWJM
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Parametri di processo del AWJM
Parametri di processo del AWJM
profondità
di taglio
portata di abrasivo
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Macchina per AWJM: Flow WMC
Macchina per AWJM: Flow WMC
Area di lavoro standard 3 x 1,5 m, 4 x 2 m, 4 x 3 m
Precisione di posizionamento ± 0.08 mm
Precisione di ripetibilità ± 0.03 mm
Velocità massima 850 mm/sec
Velocità in contornatura 420 mm/sec
Sistema di controllo FlowMaster®
Registrazione asse Z 250 mm
Pressione massima acqua 400 MPa
Potenza pompa 40 e 80 kW
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Taglio con getto d’acqua
Esempio di cella robotizzata per WJC
Tavola
rotante
Cabina
insono-
rizzata
Vasca
(catcher)
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Laser
Il laser
Laser è l’acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificazione della luce mediante emissioni stimolate di radiazioni)
Caratteristiche del fascio laser:
monocromaticità
coerenza
collimazione
irradianza (potenza che una sorgente di onde elettromagnetiche emette per unità di superficie e di angolo solido)
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Parametri dell’onda
La frequenza della radiazione:
c : velocità della luce nel vuoto (3 ∙ 108 m/s)
l : lunghezza d’onda della radiazione emessa
l
c
Parametri dell’onda
La relazione di Planck:
h : costante di Planck
E2 – E1 : energia persa dall’elettrone nel passaggio tra
due livelli energetici
12 EE h
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Fenomeni di interazione
Emissione spontanea
un atomo passa spontaneamente dal livello E2 a E1 con emissione di un fotone di frequenza
Assorbimento:
un fotone di frequenza n interagisce con un atomo di livello E1 portandolo in E2
Emissione stimolata:
la radiazione elettromagnetica E2 - E1 eccita il sistema atomico facendolo decadere di livello ma emettendo fotoni
L’amplificazione della luce
E2
E1
12 EE h
Amplificazione dei fotoni
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L’inversione di popolazione
In condizioni di equilibrio termodinamico
l’emissione stimolata non si verifica perché il
materiale assorbe la radiazione
L’effetto laser s’innesca quando i livelli energetici
superiori sono quelli più popolati (inversione di
popolazione)
attraverso sistemi di pompaggio si eccita il sistema
scatenando l’emissione stimolata
Pompaggio a quattro livelli
E1
E2 Pompaggio
Emissione
spontanea
12 EE h
Emissione
spontanea
Livello fondamentale
Livello di pompaggio
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Sorgenti laser
Laser a stato gassoso
CO2 (più utilizzato) l = 10,6 mm
He – Ne l = 0,633 mm
Ar – Kr l = 0,488 ÷ 0,674 mm
Eccimeri l = 0,19 ÷ 0,35 mm
Laser a liquidi
Dyes l = 0,4 ÷ 0,8 mm
Laser a semiconduttori
GaAs, GaAsP l = 0,84 ÷ 1,2 mm
Laser a stato solido
Rubino l = 0,69 mm
Nd:Yag l = 1,06 mm
Potenze medie delle sorgenti laser
Potenza [kW]
Rendimento medio
0,1 5 100
2
8
12
30
1
0,5 3 1 50
CO2
Semiconduttori
Nd:Yag
Eccimeri
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Parametri caratteristici delle sorgenti
Potenza (densità di potenza dP)
Lunghezza d’onda
Modo temporale
emissione continua o impulsata
Funzionamento impulsato del laser
Densità di
potenza
Tempo
Periodo (D.C.)
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Parametri caratteristici delle sorgenti
Potenza
Lunghezza d’onda
Modo temporale
Modo spaziale
indica la distribuzione di potenza all’interno del fascio
fattore di focabilizzabilità M2
Il modo del fascio
M2 = 1 M2 = 2 M2 = 4
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Parametri caratteristici delle sorgenti
Potenza
Lunghezza d’onda
Modo temporale
Modo spaziale
Dimensioni del fascio focalizzato (spot)
Parametri del fascio laser
Lunghezza focale
Diametro dello spot nel punto di waist
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Parametri del fascio laser
Profondità di fuoco
Il taglio laser
Ugello di taglio
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Il taglio laser
Materiale fuso
Il taglio laser
Zona rimossa (kerf)
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Caratteristiche positive del laser
Zona rimossa (kerf) piccola (0,1 ÷ 0,5 mm)
Zona termicamente alterata ridotta
Elevata densità di potenza
Assenza di ossidi
Assenza di contatto con i pezzi
Versatilità d’impiego
Criticità del laser
Impianti costosi
Danneggiamento termico sui materiali sensibili al calore
Superfici craterizzate
Elevata precisione di posizionamento dei pezzi
Influenza della riflettività
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Macrografia di un taglio laser
Zona termicamente alterata
Prestazioni nel taglio di acciaio al
carbonio
Spessore [mm]
1 20 60 150
0,5
1
10
20 Velocità [m/min]
Plasma I = 15 ÷ 500 A
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Prestazioni nel taglio di acciaio al
carbonio
Spessore [mm]
1 20 60 150
0,5
1
10
20 Velocità [m/min]
Laser CO2
P = 0,5 ÷ 1,5 Kw
Prestazioni nel taglio di acciaio al
carbonio
Spessore [mm]
1 20 60 150
0,5
1
10
20 Velocità [m/min]
Taglio ossiacetilenico
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Prestazioni nel taglio di acciaio al
carbonio
Spessore [mm]
1 20 60 150
0,5
1
10
20 Velocità [m/min]
Taglio waterjet con abrasivo
Sommario della lezione
Elettroerosione
Taglio a getto d’acqua
Taglio laser