Appunti completi Tecnologia meccanica

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Introduzione alle tecnologie di fabbricazione

Nella produzione industriale, la tecnologia costituisce l'insieme dei processi necessari per trasformare una materia prima in un prodotto finito avente valore di mercato, mediante procedimenti produttivi realizzati su macchine o sistemi seguendo piani preordinati. Nel settore meccanico, la tecnologia è correlata con i processi di fabbricazione sia di singoli oggetti che di oggetti destinati all'accoppiamento, compresi i successivi procedimenti di assemblaggio.

I processi tecnologici, così come anche i materiali utilizzati, esercitano una notevole influenza sulle caratteristiche del prodotto finito. La corretta realizzazione di un qualsiasi componente richiede pertanto, in fase di progetto, la scelta del materiale e la scelta del processo di produzione da impiegare. Le varie selezioni vengono fatte non solo in base a considerazioni tecniche, ma anche economiche: non basta infatti che il prodotto soddisfi i requisiti tecnici, ma deve essere ottenuto in maniera economica.

Le operazioni comprese nella sequenza di lavorazioni necessarie per la fabbricazione di componenti meccanici sono abitualmente raggruppate nelle seguenti categorie:

• Processi di fonderia che trasformano materiale inizialmente senza forma e dallo stato fuso in pezzi aventi geometria prossima o, sempre più frequentemente, coincidente con quella finale desiderata.
• Processi per deformazione plastica in cui il volume e la massa del materiale si conservano e la geometria del semilavorato viene trasformata mediante la deformazione permanente del materiale.
• Processi di rimozione del metallo (lavorazione alle macchine utensili) in cui, allo scopo di ottenere la forma desiderata, si realizza l'asportazione di tutto il materiale in eccesso (sotto forma di truciolo) a partire da un semilavorato di geometria più semplice.

Accanto alle categorie descritte in precedenza, usualmente definite tecnologie convenzionali, esistono numerosi altri processi che utilizzano sorgenti di tipo elettrico, chimico, ottico e altro per generare l'energia necessaria per la trasformazione. In passato, tali processi erano definiti come non convenzionali per il loro sporadico uso in produzione. Oggi invece, almeno in alcuni casi (come di sicuro le lavorazioni laser e l'elettroerosione), si tratta di tecnologie quotidianamente usate nel settore meccanico al pari delle lavorazioni convenzionali.

Produzione di un bene

Il prodotto deve rispettare i requisiti di progetto in termini di:

• Funzionalità
• Forma
• Aspetto estetico

Occorre quindi:

• Effettuare scelte progettuali
• Risolvere problemi tecnologici
• Scegliere:
• Processo tecnologico
• Macchine utensili
• Utensili
• Attrezzature

Scelte progettuali

• Materiale
• Diametro filo
• Processo produttivo
• Sezione filo
• Finitura
• Dimensione lotto

Problemi tecnologici

• Il materiale sopporterà la piegatura senza rompersi?
• Il filo potrà essere tagliato senza provocare usura eccessiva dell'utensile?
• Il taglio provocherà bave?
• Qual è il sistema di produzione più economico per realizzare il lotto richiesto ed essere competitivi?

Esistono più risposte allo stesso problema.

Esempio: il portauovo

• In legno, tornitura di un tronchetto e successiva decorazione
• Plastico, iniezione in stampi (3 pezzi) e successiva decorazione
• Metallico (da filo), deformazione plastica di un filo d'acciaio e successiva verniciatura
• Metallico (da lamiera inox), imbutitura di una lamiera d'acciaio inossidabile
• Metallico (lamiera Al), imbutitura e piegatura di una lamiera d'alluminio
• Vetro, riscaldamento del materiale e formatura plastica
• Porcellana, formatura a freddo, cottura e decorazione

E tanti altri ancora: fonderia, taglio laser e stampa 3D. Le soluzioni crescono esponenzialmente.

Caso complesso:

• Multimateriale
• Multiparti
• Multiprocessi

Ancora più complesso.

Obiettivi del corso

Il corso è principalmente mirato a fornire una conoscenza di base dei processi di fabbricazione di componenti meccanici. In particolare, lo studente sarà formato:

• sui principali processi di lavorazione e il funzionamento delle macchine ad oggi in uso per produrre un componente,
• sulle regole di progettazione che dovrà prendere in considerazione per realizzare un componente in funzione del processo di produzione,
• a valutare le forze e le potenze necessarie per eseguire una lavorazione,
• sui metodi ad oggi disponibili per misurare la qualità del componente realizzato.

Al termine del corso lo studente dovrà essere in grado di definire la soluzione tecnologica, il processo e il sistema di produzione più idonei alla realizzazione ed al controllo dimensionale di un prodotto.

Precisione nelle trasformazioni

Le trasformazioni che vengono realizzate sui semilavorati di partenza mediante i processi produttivi, seguono precise traiettorie di trasformazione e portano il semilavorato ad uno stato iniziale caratterizzato dal parametro φi a uno stato finale caratterizzato dal parametro φf. Il parametro φ rappresenta un qualsiasi attributo che cambia durante la trasformazione: può trattarsi di un attributo di resistenza, ovvero legato alle caratteristiche microstrutturali o ancora alla geometria.

Esistono inoltre elementi di disturbo che incidono sulla lavorazione come ad esempio: geometria, struttura, proprietà meccaniche o finitura superficiale; NON esiste un processo ripetibile. Nelle trasformazioni ideali, lo stato iniziale e lo stato finale sono definiti in maniera deterministica. Le trasformazioni reali invece, sono influenzate da fenomeni non controllabili (disturbi) che influenzano lo stato finale.

Partendo da uno stato iniziale ben preciso, a causa dei disturbi non controllabili, si possono raggiungere risultati diversi caratterizzati da valori diversi di φf (variabilità del risultato). Va sottolineato che, oltre ai fenomeni incontrollati presenti nella trasformazione stessa, la variabilità nei risultati è ancora accentuata da disturbi ed incertezze presenti in tutti gli elementi che costituiscono il sistema di trasformazione; inoltre, anche lo stato iniziale della trasformazione non è noto con certezza e ciò complica maggiormente il risultato finale e allarga il campo di variabilità del risultato.

I limiti di variabilità del risultato finale devono essere minori del limite di tolleranza per assicurare un risultato corretto. L'intervallo di tolleranza ci indica se il risultato finale è giusto (non dipende dalla lavorazione ma dalla funzionalità dell'oggetto).

Il problema essenziale è quindi quello di garantire che l'intervallo delle possibili soluzioni ottenibili tramite la trasformazione sia contenuto all'interno di un intervallo di tolleranza definito in fase di progettazione. Tutti gli attributi dei prodotti, funzione del particolare processo di trasformazione e fabbricazione, devono rientrare negli intervalli di tolleranza in accordo con le specifiche di progetto, siano essi attributi legati alla struttura, geometria, dimensioni o superfici lavorate.

In genere, più tolleranze ci sono, più il pezzo è costoso perché vado a diminuire la probabilità dei difetti. (Macrogeometriche di norma nel range del millimetro, mentre quelle microgeometriche nel range del micron)

Attributi macro-geometrici dei prodotti

Tolleranze dimensionali e geometriche

Tolleranze dimensionali: nella fase di realizzazione di un componente meccanico, il disegno del progettista dovrà essere tradotto in un pezzo avente le dimensioni del progetto. Poiché le numerose cause di errore rendono estremamente improbabile l'ottenimento di pezzi con dimensioni identiche, è necessario definire l'approssimazione desiderata attraverso l'intervallo di tolleranza.

Il sistema ISO prevede 19 qualità di tolleranza fondamentali denominate IT01, IT0, IT1 ... IT17. Di norma, le prime (fino alla IT04) sono previste per strumenti di misura, la fascia intermedia (fino alla IT11) per accoppiamenti di organi di macchina (albero-foro) mentre le qualità meno precise per pezzi isolati.

La qualità di tolleranza IT permette di stabilire l'ampiezza del campo di tolleranza al variare della dimensione dell'elemento interessato. Ovviamente, ogni tolleranza ha un costo. (un aumento della dimensione del pezzo porta ad un aumento delle imprecisioni e di conseguenza un costo maggiore; NON esiste una valutazione ASSOLUTA)

Esempio: cavatappi in zama cromata e poliammide

Accoppiamento perno - leva

• Smontabilità
• Funzionalità
• Intercambiabilità

Da progetto, la quota se si riferisce ad un elemento singolo può essere fornita come la misura unito all'intervallo di tolleranza. È poi possibile attraverso rapidi calcoli risalire alla qualità della tolleranza imposta.

Tolleranze dimensionali

Per ragioni pratiche ed economiche, fra tutti i possibili accoppiamenti derivanti dalla composizione dei campi di tolleranza previsti dalla normativa, sono maggiormente utilizzati due sistemi:

• Sistema albero base (lettere minuscole e sempre più piccolo del D nominale);
• Sistema foro base (lettere maiuscole e variabilità dei risultati d'uscita dettati dalla tolleranza).

Tolleranze geometriche

Le sole tolleranze dimensionali sono insufficienti e incomplete se non accompagnate dalle tolleranze geometriche. Non sarebbe infatti possibile realizzare un accoppiamento fra un albero e un foro se questi sono perfetti solamente nelle tolleranze dimensionali, ma non in quelle geometriche per difetto di linearità dell'albero, di coassialità o di perpendicolarità. Le tolleranze geometriche interessano la forma e la posizione:

Le tolleranze di forma si riferiscono ad elementi singoli mentre quelle di posizione sono correlate ad elementi associati. Due macrofamiglie di tolleranze fondamentali pari a quelle dimensionali.

Tolleranze geometriche di forma

• Tolleranza di rettilineità: Ogni linea della superficie superiore parallela al piano di proiezione deve essere compresa tra due rette parallele distanti 0,1 mm.
• Tolleranza di planarità: La superficie deve essere compresa tra due piani paralleli e distanti 0,3 mm.
• Tolleranza di circolarità: La circonferenza di ciascuna sezione trasversale deve essere compresa tra due circonferenze complanari e concentriche i cui raggi differiscano per 0,1 mm.
• Tolleranza di cilindricità: La superficie deve essere compresa tra due cilindri paralleli e distanti 0,1 mm.
• Tolleranza di inclinazione: Il piano indicato dalla freccia deve essere contenuto all'interno di due piani paralleli distanti 0,3 mm inclinati di 45° rispetto ad A.
• Tolleranza di parallelismo: Tutti i punti della superficie superiore devono essere compresi tra due piani distanti t = 0,05 mm e paralleli alla superficie di riferimento A.
• Tolleranza di perpendicolarità: Il piano indicato dalla freccia deve essere contenuto all'interno di due piani paralleli distanti 0,03 mm perpendicolari ad A.
• Tolleranza di coassialità e concentricità: L'asse del cilindro indicato dalla freccia di indicazione deve rientrare in un cilindro di diametro di 0,03 mm il cui asse coincide con l'asse del cilindro A.
• Tolleranza di simmetria: Il piano centrale indicato dalla freccia deve trovarsi tra due piani paralleli distanti 0,05 mm simmetrici rispetto ad A.

Attributi micro-geometrici dei prodotti

Finitura superficiale: rugosità ed ondulazione

Finitura superficiale

Le superfici (nominali) sono disegnate nella fase di progettazione del componente da produrre, nel disegno linee dritte, cerchi ideali, fori circolari, ecc. risultano essere, dal disegno, geometricamente perfetti. Nella realtà, le superfici (reali) sono fortemente influenzate dal processo tecnologico che le ha realizzate, fondamentale per il giusto funzionamento e per ragioni anche estetiche.

La finitura superficiale di un componente è importante sotto diversi punti di vista:

• Ragioni estetiche
• Sicurezza
• Coefficiente di attrito ed usura
• Influenza sulle proprietà meccaniche e fisiche (ad esempio difetti)
• Fase di assemblaggio
• Superfici lisce garantiscono contatti elettrici migliori

Sezione ingrandita di una superficie metallica lavorata: Gli scostamenti dalla superficie nominale possono essere casuali o sistematici. Quella reale non la potremo conoscere mai a causa di mancanza di strumenti adatti.

In generale è possibile suddividere i difetti superficiali in base alle dimensioni della loro irregolarità:

• La rugosità superficiale deriva da irregolarità di ampiezza molto piccola e di piccolo passo. Nelle lavorazioni per asportazione di truciolo tali irregolarità derivano essenzialmente dai moti di avanzamento dell'utensile e dalle caratteristiche elastiche del materiale.
• Le ondulazioni, caratterizzate da un rapporto più elevato tra passo e ampiezza, sono riconducibili alle vibrazioni del sistema macchina-pezzo-utensile.
• Gli errori di forma invece sono vere e proprie irregolarità dovute alle imprecisioni caratteristiche del sistema macchina-pezzo-utensile come, per esempio, l'eccessiva usura delle guide di scorrimento degli equipaggiamenti della macchina stessa.

Data una specifica lunghezza Lm di campionamento, la rugosità superficiale si calcola come media degli scostamenti verticali dalla superficie nominale. Le norme UNI, per la misura della rugosità superficiale, fanno riferimento alla rugosità media aritmetica Ra valutata come: Bisogna comunque tenere sempre a mente che essendo valutato il valore assoluto di y avere lo stesso Ra non significa avere lo stesso profilo!

La lunghezza di cut-off viene utilizzata come filtro per separare l'ondulazione dalle deviazioni di rugosità. La lunghezza di cut-off è una distanza di campionamento lungo la superficie. Una distanza di campionamento più breve dell'ondulazione elimina le deviazioni dell'ondulazione e include solo le deviazioni della rugosità.

Strumenti di misura

Nella scelta delle apparecchiature per i controlli dimensionali e geometrici si devono considerare alcuni aspetti fondamentali della strumentazione di misura quali:

• L'accuratezza: definita come il grado con il quale una grandezza misurata si confronta al valore vero della quantità che interessa. Una procedura di misura è accurata quando sono assenti errori sistematici, costituiti da variazioni positive o negative rispetto al valore vero, che si ripetono in tutte le misure successive.
• La precisione: definita come il grado di ripetibilità del processo di misura; può essere espressa come la massima differenza tra il valore letto ed il valore reale della grandezza misurata; essa dipende dal tipo di strumento dalla sua qualità costruttiva, cioè dalla sua classe.

Misura delle tolleranze dimensionali

Lo strumento principalmente utilizzato per effettuare delle misure nell'ingegneria meccanica è il calibro. Il calibro è uno strumento di misura della lunghezza, adatto a misurare la larghezza e lunghezza di un oggetto, la distanza tra due facce piane o la profondità di un foro. Tra i differenti calibri, quello a corsoio è il più comune. L'effetto nonio permette di avere un'ulteriore misurazione.

Nel calibro a corsoio, sul corpo vengono normalmente incise due scale, una in millimetri e una in frazioni di pollici. Sul corsoio vengono invece incisi dei noni per la lettura di precisione. Pertanto, sulla scala fissa vengono letti i millimetri (o i pollici), sul nonio le relative frazioni. La misura si effettua seguendo queste operazioni:

• Si porta la parte scorrevole in una posizione prossima alla misura da effettuare.
• Si blocca la sezione sprovvista di nonio attraverso il freno.
• Agendo sulla vite micrometrica, si porta la sezione provvista di nonio alla quota da misurare.
• Si blocca la sezione del nonio.
• Si effettua la lettura sulla scala e sul nonio (la tacchetta che sarà allineata a quello sopra = risultato).

I calibri fissi sono strumenti di misura manuali meccanici impiegati nelle linee di produzione per garantire che la lavorazione sia avvenuta e che sia stata eseguita in modo corretto. Differiscono fra di loro a seconda del tipo di superficie di cui devono controllare la corrispondenza a dimensioni prefissate. Questi sono opportunamente dimensionati in modo che il calibro "passa" si introduca nella zona lavorata e, al contrario, il calibro "non passa" non si introduca. I parametri controllati più frequentemente sono:

• Dimensioni e profondità di fori.
• Diametri esterni (alberi).

Il comparatore è uno strumento di misura utilizzato per misure di spostamento lineare. Basa il suo funzionamento sulla lettura dello spostamento di un'asta cilindrica mobile che scorre all'interno di una guida tubolare. L'estremità dell'asta (chiamata tastatore o palpatore) è a contatto con la superficie dell'oggetto sottoposto a misura.

Il micrometro è un calibro ad alta precisione, con sensibilità tipica del centesimo di millimetro. Esso è in grado di effettuare misure di esterni, interni e profondità, ma per ciascuna di tali misure esiste una forma specifica. Il principio di funzionamento è basato sull'avanzamento di una vite che spinge un cilindro mobile contro uno fisso, tra cui viene effettuata la misura.