Appunti di Produzione assistita dal calcolatore

Produzione assistita dal calcolatore

Appunti di Stefano Dallospedale

Indice

• Elettroerosione ......................................................................................................... 1
• Taglio idroabrasivo ................................................................................................. 35
• Saldatura ad attrito ................................................................................................ 70
• Friction Stir Welding (FSW) .................................................................................... 86
• Introduzione alle lavorazioni laser .................................................................. 100
• Tempra laser ............................................................................................................ 158
• Taglio laser .............................................................................................................. 173

Appunti di Stefano Dallospedale

Elettroerosione

In elettroerosione utilizziamo energia termoelettrica per effettuare la lavorazione.

• L’asportazione di materiale è un misto di vaporizzazione e fusione (grossa % di vaporizzazione).
• Il mezzo per trasferimento dell’energia sono gli elettroni e grazie a questo vado a realizzare l’asportazione di materiale sul pezzo da lavorare.

Caratteristiche generali del processo di elettroerosione

• Ho un utensile collegato con un generatore di tensione ad un pezzo.
• Il pezzo deve essere immerso in una vasca di liquido dielettrico.
• Andrò a generare una differenza di potenziale tra pezzo ed elettrodo di modo che ad una certa distanza avvenga la scintilla.
• Questa scintilla genererà la rimozione di materiale sul pezzo.

Introduzione

• L’azione di lavorazione si attua avvicinando un elettrodo (utensile) al materiale da lavorare (pezzo), il tutto in un ambiente riempito di liquido dielettrico.
• L’elettrodo viene alimentato con polarità positiva o negativa rispetto al pezzo. Quando elettrodo e pezzo sono sufficientemente vicini, tra i due si innescano delle scariche elettriche che erodono il pezzo in modo complementare rispetto alla forma dell’elettrodo.

La forma del pezzo è definita dalla forma dell’elettrodo.

• Ho un elettrodo ad esempio cilindrico, scendo e lui rimuoverà materiale tutto intorno all’elettrodo, quindi sul pezzo ci sarà una tasca cilindrica delle dimensioni simili, appena superiori, a quella dell’elettrodo.
• Durante la lavorazione, l’elettrodo non entra mai in contatto con il pezzo, in quanto ciò creerebbe un cortocircuito che impedirebbe la creazione della scintilla.

Primo punto fondamentale dell’elettroerosione: non devo mai avere contatto tra pezzo ed elettrodo, perché se faccio entrare in contatto pezzo ed elettrodo chiudo il circuito ed entro in cortocircuito, brucio tutto e butto via.

• I residui della lavorazione vengono chiamati sfridi e assumono aspetto di microscopiche palline di metallo che si disperdono nel dielettrico.

Appunti di Stefano Dallospedale

Nella lavorazione non si creano i normali trucioli: il truciolo è qualcosa che deriva da un taglio. Qua non ho un taglio ma ho una asportazione che avviene per vaporizzazione o per fusione del pezzo.

• La lavorazione è termoelettrica: il materiale viene asportato non attraverso una separazione meccanica ma attraverso operazioni di carattere termoelettrico.

Materiale viene asportato quindi dall’energia termica che si sviluppa durante la scarica elettrica, energia che è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale che ho tra elettrodo e pezzo.

Energia elettrica viene impiegata ciclicamente per provocare scariche elettriche.

• Quale è qua il limite principale: devo applicare differenza di potenziale, uno si deve caricare positivamente e uno negativamente; quindi, il materiale in lavorazione deve essere un conduttore per forza.
• Il vero grande pro dell’elettroerosione: uso l’elettroerosione quando voglio lavorare pezzi estremamente duri, perché elettroerosione della durezza non gliene frega niente. La durezza è un parametro del pezzo che non influenza l’asportazione di materiale durante l’elettroerosione.

Per questo se devo lavorare pezzi in materiali estremamente duri, acciai da utensili per esempio, che farei fatica a lavorare con macchine utensili (perché sono estremamente performanti dal punto di vista delle caratteristiche meccaniche), l’elettroerosione diventa un’alternativa estremamente valida.

Quindi con elettroerosione si realizzano stampi per injection molding: gli stampi sono pezzi unici, con cui produco centinaia di migliaia di pezzi. Quindi capite che un pezzo lavorato per elettroerosione avrà un costo molto alto.

Se è conduttore riesco a fare la lavorazione, però se ho un alluminio, vado leggermente più veloce rispetto a se ho un acciaio.

Sarà sempre migliore l’asportazione di truciolo rispetto all’elettroerosione se la durezza è bassa.

Se la durezza del pezzo da lavorare è alta, con l’asportazione di truciolo o non ce la faccio o ce la faccio veramente male. Quindi converrà utilizzare l’elettroerosione.

Appunti di Stefano Dallospedale

Ma i pezzi che produco sono pezzi tante volte quasi unici. Sono stampi. Sono componenti particolari, che tante volte non produco in grandissima serie e sono pezzi che costano tanto.

Tramite elettroerosione riesco a ottenere geometrie anche molto complesse e specifiche.

A cosa serve il dielettrico

Isolare (miei: pezzo e utensile).

• La differenza di potenziale che si crea tra elettrodo e pezzo, cresce al diminuire della distanza. Se non avessi qualcosa che isola elettrodo e pezzo, la scintilla scoccherebbe quando la differenza di potenziale non è ancora alta.
• L’energia che la scintilla crea è proporzionale alla differenza di potenziale: quindi se sono molto distante (miei: ossia bassa differenza di potenziale, libero poca energia) magari scocca scintilla ma non asporta materiale.
• Devo fare sì che la scintilla avvenga quando sono molto vicino al pezzo, perché a quel punto la differenza di potenziale sarà estremamente alta (miei: perché differenza di potenziale cresce al diminuire della distanza), e quindi l’energia che sprigiono (miei: con la scintilla) sarà molto alta (siccome energia proporzionale alla differenza di potenziale) (miei: e quindi asporto materiale).

Arrivo a temperature nella zona della scintilla che sono superiori ai diecimila gradi C. Per questo vaporizzo e per questo ho bisogno di qualcosa che isoli.

Senza isolante non riesco a ottenere l’energia di scarica che voglio per vaporizzare.

Pulire zona tra pezzo e utensile.

• Quando il materiale è stato asportato grazie alle scintille, le particelle che hanno vaporizzato, per via del fatto che dielettrico è lì in mezzo, risolidificano. E questi sono gli sfridi, ed è per questo che sono palline di metallo: perché, quando avviene la lavorazione, il materiale vaporizzato risolidifica nel dielettrico e viene lavato via (miei: rimosso).

Raffreddare.

• Ha lo scopo anche di. Anche se localmente, io comunque sto sviluppando tanto calore.

Appunti di Stefano Dallospedale

Due configurazioni principali dell’elettroerosione: elettroerosione a tuffo e a filo.

Questo in slide è un esempio di elettroerosione a tuffo: elettrodo lo tuffo nel pezzo.

A filo: l’elettrodo non è più qualcosa che tuffo nel pezzo ma un filo che scorre tra due bobine ed effettua il taglio.

Elettroerosione a tuffo (EDM)

Partiamo da uno schema più avanzato.

• Elettrodo alimentato con polarità positiva, anodo.
• Pezzo alimentato con polarità negativa, catodo.
• Bubbles: sono le bollicine che escono dalla zona di lavorazione.
• Elettrodo e pezzo non sono mai in contatto: se entro in contatto il pezzo si ferma e butto via tutto perché creo un cortocircuito.

La distanza fra pezzo ed elettrodo si chiama traferro o GAP ed è circa 25 micron. C’è una ragione per cui è 25 che vedremo dopo e ha a che vedere con il cratere lasciato dalla scarica elettrica.

• Quale è la frequenza con cui avvengono le scariche? Avvengono ogni millesimo di secondo. In un secondo ne avvengono migliaia e bisogna fare in modo che le scariche che avvengono qua siano uniformi tra di loro, lungo tutta la superficie dell’elettrodo, altrimenti avrò zone lavorate in un modo e zone lavorate in un altro.
• Residui di lavorazione: sono gas e sfere metalliche, quindi polvere metallica, che vengono rimossi dalla zona di lavorazione attraverso il liquido dielettrico.

Nella slide introduzione, il pezzo ed elettrodo sono immersi nel fluido dielettrico. Ma non è l’unico modo di portare il dielettrico nella zona di lavorazione. Io posso usare vasca di dielettrico ma posso anche spruzzare dielettrico con un apposito ugello. Gli ugelli possono essere esterni, oppure possono essere contenuti anche nell’elettrodo. L’elettrodo stesso può spruzzare dielettrico qua all’interno.

Principio di funzionamento (EDM)

Quale è il principio di innesco della scintilla?

Identifico il meccanismo di asportazione del materiale mediante scintilla con 4 foto, che poi vado ad analizzare più nel dettaglio e diventano 9.

1. Avvicino elettrodo al pezzo. L’elettrodo è in avvicinamento (elettrodo si muove, il pezzo resta fermo).
2. Si genera un campo elettrico che si focalizzerà nel punto a minor distanza tra elettrodo e pezzo, tra due picchi di rugosità. Campo elettrico, iniziano quindi a passare elettroni (gli elettroni vanno dal polo negativo al polo positivo, quindi si staccano dal pezzo e vanno verso elettrodo).
3. Arrivati ad un certo momento, arrivati a un certo valore di CE (miei: ionizzazione), inizia il passaggio di ioni positivi dal + al -, quindi dall’elettrodo al pezzo, e si crea un canale dove c’è passaggio di corrente. Gli ioni positivi (miei: che vanno da elettrodo a pezzo) sono molto più grandi degli elettroni: quindi questo passaggio di ioni genera una rimozione materiale, si innesca la scarica elettrica (miei: scintilla arrivati ad un certo valore di corrente), la T diventa estremamente alta.

Miei: scintilla la hai quando c’è un accumulo di carica elettrica tra due punti con differenza di potenziale alta. Elettrodo negativo emette elettroni grazie alla formazione di un campo elettrico tra elettrodo e pezzo. Quando la tensione è sufficientemente alta, o campo elettrico è intenso, gli elettroni nel dielettrico accelerano e ionizzano le molecole del dielettrico. Gli elettroni ionizzano le molecole del mezzo isolante (quindi strappano elettroni alle molecole del dielettrico, creando ioni). Questo crea una traccia conduttiva nel dielettrico, un ponte composto da elettroni liberi e ioni positivi, che consente alla corrente di passare (quindi scintilla), nonostante il dielettrico fosse isolante.

4. Dopo di che quando apro il circuito, il canale di plasma implode e c’è la rimozione di materiale.

Plasma: il plasma è un gas ionizzato: è un insieme di ioni e elettroni, e appunto per questo io definisco il canale canale di plasma.

Fasi del processo

Dividiamo il problema in parti più piccole.

1. Sono in avvicinamento, l’elettrodo sta scendendo, si genera un CE, la tensione cresce. Sotto ad ogni step vedete identificati i valori di tensione e corrente in funzione del tempo. Attenzione ad associare il momento che sto analizzando ai valori di tensione e corrente (perché se riesco a fare questo io il processo lo capisco benissimo: quello che succede sopra è descritto perfettamente dai due andamenti sotto).

Sono in avvicinamento, la tensione cresce, perché il dielettrico sta isolando, quindi non avviene scintilla, avvicino avvicino avvicino, la tensione cresce; attenzione però: arrivo ad un certo punto dove si genera, anche se c’è dielettrico e anche se c’è isolamento tra pezzo e utensile, arrivo ad una distanza così bassa (miei: mantenendo un traferro) che si inizia a generare il CE.

• Quindi: pezzo e utensile collocati in modo che rimanga un traferro.
• Chiusura del circuito elettrico (miei: anche se dielettrico isolante mi avvicino al punto che) -> formazione di un CE nella zona a minor resistenza, zona dove si incontrano due picchi di rugosità.
• I pallini neri sono elettroni che vanno da polo negativo a positivo.

2. Da pochi sono diventati tanti gli elettroni, quindi succede che sta aumentando…: prima gli elettroni e poi gli ioni perché gli elettroni hanno massa più piccola e quindi più mobilità.

• L’elettrodo negativo emette elettroni (miei: stanno aumentando) (massa più piccola quindi più mobilità) che vengono accelerati dal forte campo elettrico, creando un ponte tramite ionizzazione per urto del dielettrico.

Miei: ionizzazione per urto del dielettrico vuol dire che gli elettroni, accelerati, urtano gli atomi del dielettrico, staccandogli elettroni. Quindi gli atomi del dielettrico vengono ionizzati. Si creano elettroni e ioni liberi, che formano questo ponte attraverso il quale passerà la corrente.

Quindi per via del fatto che gli elettroni si stanno muovendo sempre più velocemente, io creo questo ponte e questa zona qua sarà quella dove inizierà il fenomeno chiave che arriva nel punto 3.

3. Ad un certo punto (miei: appena prima del ponte) la tensione è salita così tanto che termina effetto isolante del dielettrico. Si chiama rottura dielettrica. Ed è qui che inizia il passaggio di corrente. Quando inizia passaggio di corrente diminuisce la tensione: dovete pensare che il rapporto tra tensione corrente è quello che c’è tra energia cinetica ed energia potenziale. È un’associazione mentale: la tensione cresce cresce cresce, poi arriva ad un certo punto che passa la corrente e la tensione inizia a diminuire, perché si sta sviluppando la corrente. Quindi qua inizierà a diminuire la tensione e a crescere la corrente (slide dopo prima impennata).
4. Formazione del canale di scarica (scintilla).

• Le particelle cariche migrano verso gli elettrodi opposti, accelerate dal campo elettrico. Qui io ho degli ioni positivi che dall’elettrodo vanno verso pezzo e iniziano a creare dei crateri, più grandi di quelli che ho in alto. Perché gli elettroni sono più piccoli, rimuovono meno materiale quando impattano il pezzo, gli ioni sono più grandi, rimuovono in modo maggiore. Quindi vedete che questi crateri: questo è più grande di quello sull’elettrodo. Sto sparando ioni che stanno continuando ad asportare materiale.
• Qui che si crea all’interno del canale di scarica? C’è la formazione di un canale di vapore/plasma (gas ionizzato) con temperature estremamente alte, sopra ai 10mila gradi in grado di condurre molta corrente elettrica.

Tutti questi step avvengono in un millesimo di secondo. Stiamo analizzando quello che succede in un millesimo di secondo. Fino ad adesso siamo a un terzo del mm di secondo.

• Quindi fusione e vaporizzazione delle aree di elettrodo e pezzo bombardate dai portatori di carica ad alta T.

Appunti di Stefano Dallospedale

Sono qua in figura 4. Andando avanti aumenterà corrente e diminuirà tensione, fino ad un valore stabile.

• Possiamo vedere le dimensioni dei crateri, che vanno da qualche micron fino ad una ventina di micron.
• Il traferro è lasciato intorno a 25 micron siccome il valore massimo del cratere che ottengo dalla scarica è una ventina di micron (e il cratere non può essere più grande del traferro).

5. Quindi aumento della bolla di vapore: stabilizzazione di corrente e tensione.

• Il valore stabile corrisponde alla massima corrente che ho durante la scarica elettrica.

A cosa è direttamente proporzionale la corrente? All’espansione del canale di scarica: qua in 4 piccolo, in 5 si spande, a destra è la massima espansione, relativa alla corrente massima.

6. Massima intensità di corrente e massima espansione del canale di scarica.
7. Arrivati alla corrente massima apro il circuito elettrico: lo apro perché ho bisogno di una scarica elettrica, non voglio un arco (miei: arco sarebbe un flusso continuo). Una volta aperto il circuito tensione e intensità di corrente vanno a zero. Ho aperto il circuito.
8. La conseguenza di questo è implosione del canale di scarica. Quindi tutto il metallo fuso e vaporizzato che sta dentro viene rilasciato nel dielettrico, libero nel dielettrico, dove risolidifica sottoforma di palline metalliche (microsfere) e viene lavato via.

• Generazione di un’azione dinamica che ha effetto di proiettare il metallo fuso all’esterno del cratere.

9. Dopo di che il punto 9 è praticamente il punto 1 rispetto a quello che abbiamo visto all’inizio, ovvero: richiudo il circuito elettrico e riparto da zero.

Tutto ciò: un millesimo di secondo.

Quindi, ricapitolando:

• Avvicino elettrodo a pezzo, CE cresce coerentemente con la tensione.
• Arrivati a un certo valore di tensione, inizia il passaggio corrente. Il passaggio di corrente fa calare la tensione.
• Si crea canale di scarica.
• Inizia l’asportazione di materiale per energia termoelettrica.
• Questo canale cresce insieme alla corrente. Cresce. Cresce. Cresce.
• Ad un certo punto apro il circuito, la bolla contenente il materiale vaporizzato implode, le palline di materiale risolidificano e vengono lavate via dal dielettrico.
• Richiudo il circuito e riparto.

Configurazioni

Esistono varie.

All’interno del mondo dell’elettroerosione a tuffo esistono tante configurazioni di elettroerosione a tuffo, spesso dipendenti dal tipo di pezzo che voglio realizzare.