Appunti Tecnologie innovative di lavorazione

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BERGAMO

Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate

Tecnologie innovative

di lavorazione

· ·

Laser Plasma Elettroerosione

· ·

Waterjet Ultrasuoni Elettrochimica

Corso Tecnologia Meccanica II

Docente prof.ssa C. Ravasio

Appunti a cura di Cristiano Rollo

Anno accademico 2019/2020

Indice

Notazione 6

I Quadro generale 8

1 Processi di asportazione e tecnologie non convenzionali 9

1.1 I processi tecnologici per asportazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2 La classificazione delle tecnologie di lavorazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3 Le lavorazioni per asportazione di materiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4 Perché le tecnologie non convenzionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.5 La classificazione energetica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.6 Panoramica delle tecnologie non convenzionali . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.7 Tolleranze e rugosità ottenibili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.8 Come si studia e come si valuta una tecnologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

II Lavorazioni laser 24

2 Il fascio laser 25

2.1 Cenni storici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2 La natura del fascio: onda e fotone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3 Le caratteristiche della radiazione laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.4 Il meccanismo di generazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.5 La caratterizzazione energetica del fascio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.6 La caratterizzazione temporale del fascio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.7 La geometria del fascio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3 Il sistema di lavorazione laser 37

3.1 Le sorgenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2 Il sistema di trasporto del fascio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3 Il sistema ottico e la focalizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.4 L’interazione laser-materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.5 La modellazione termica del processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.6 La sorgente termica in movimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4 Taglio laser 53

4.1 La testa di taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.2 I tre meccanismi di taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.3 I parametri di processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.4 Le zone critiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.5 I difetti del taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.6 I materiali tagliati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.7 Vantaggi, limiti e confronto con le altre tecnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

1

Indice 2

5 Saldatura laser 63

5.1 Il ciclo termico e le zone del giunto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.2 Le due tipologie di saldatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.3 Le sorgenti per saldatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.4 I parametri di processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.5 I materiali saldati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.6 Le applicazioni industriali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.7 Vantaggi, limiti e confronto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6 Trattamenti termici, marcatura, foratura e riporto 70

6.1 I trattamenti termici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

6.2 La pallinatura laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.3 Il cleaning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.4 La marcatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.5 La microforatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.6 Il riporto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.7 I sistemi di movimentazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

7 Esercizi risolti sulle lavorazioni laser 74

7.1 La sorgente: frequenza e numero di fotoni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

7.2 Il raffreddamento della sorgente a CO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

2

7.3 Scelta della sorgente e della lente per una foratura di precisione . . . . . . . . . 77

7.4 Foratura e taglio: il modello in due parti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

7.5 La potenza necessaria per tagliare una lamiera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

7.6 CO o Nd:YAG: quale sorgente taglia più in fretta . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

2

7.7 Foratura con laser impulsato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7.8 Saldatura per profonda penetrazione: verifica dell’irradianza . . . . . . . . . . 81

7.9 Saldatura a resistenza: il tempo di fusione dell’interfaccia . . . . . . . . . . . . 82

7.10 Saldatura MAG: la fusione dell’elettrodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

7.11 Tempra superficiale di un acciaio C40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

7.12 Tempra superficiale: verifica di fattibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

III Taglio al plasma 88

8 Il plasma e l’evoluzione della torcia 89

8.1 La ionizzazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

8.2 Le due proprietà che rendono il plasma un utensile . . . . . . . . . . . . . . . . 89

8.3 La torcia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

8.4 L’evoluzione storica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

8.5 Il taglio ad alta definizione (1989) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

9 La torcia attuale e il processo di taglio 93

9.1 Gli elementi della torcia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

9.2 I gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

9.3 I parametri di processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

9.4 La qualità del taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

9.5 I sistemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

9.6 Materiali e limiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Indice 3

9.7 Il confronto con le altre tecnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

IV Elettroerosione 100

10 Elettroerosione a tuffo 101

10.1 Il principio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

10.2 Il sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

10.3 Il circuito di generazione degli impulsi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

10.4 Il meccanismo della singola scarica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

10.5 La scelta della polarità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

10.6 I parametri di processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

10.7 L’usura dell’utensile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

10.8 La superficie ottenuta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

10.9 Gli utensili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

10.10Il dielettrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

10.11Applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

10.12L’elettroerosione a tuffo in sintesi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

11 Elettroerosione a filo 110

11.1 Il sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

11.2 Il controllo del filo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

11.3 I parametri di processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

11.4 L’utensile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

11.5 Il dielettrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

11.6 Applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

11.7 L’elettroerosione a filo in sintesi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

12 Esercizi risolti di elettroerosione 113

12.1 Scelta del tempo di scarica ottimale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

12.2 Energia dell’impulso nel circuito di Lazarenko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

V Waterjet e abrasive waterjet 116

13 Il getto e l’impianto 117

13.1 Le tipologie di getto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

13.2 L’abrasivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

13.3 La testa di taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

13.4 Il sistema di movimentazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

13.5 La vasca di raccolta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

13.6 Vantaggi e limiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

14 Taglio AWJ: applicazioni, qualità e modelli 122

14.1 Le applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

14.2 La qualità del taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

14.3 I modelli di previsione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

14.4 La funzione di costo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

14.5 I fattori esterni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

Indice 4

15 Esercizi risolti sul waterjet 126

15.1 Spinta di un getto su una superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

15.2 Velocità del getto abrasivo iniettato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

15.3 La spinta con il profilo di velocità reale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

15.4 Il waterjet conviene? Un confronto di produttività . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

15.5 Il getto premescolato: l’impoverimento del serbatoio . . . . . . . . . . . . . . . 131

VI Lavorazioni a ultrasuoni 133

16 Lavorazione a ultrasuoni e variante rotativa 134

16.1 Il campo di applicazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

16.2 Il funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

16.3 I meccanismi di asportazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

16.4 Il trasduttore magnetostrittivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

16.5 Magnetostrittivi o piezoelettrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

16.6 La velocità di asportazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

16.7 L’usura dell’utensile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

16.8 La finitura superficiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

16.9 L’abrasivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

16.10I materiali lavorabili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

16.11Le applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

16.12La lavorazione a ultrasuoni rotativa (RUM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

16.13Vantaggi e prestazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

17 Saldatura a ultrasuoni 141

17.1 Caratteristiche del processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

17.2 La formazione del punto di saldatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

17.3 La saldatura dei termoplastici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

VII Lavorazione elettrochimica 143

18 Principio ed elettrochimica del processo 144

18.1 La lavorazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

18.2 La cella elettrolitica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

18.3 Le reazioni agli elettrodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

18.4 Il sistema di lavorazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

18.5 La cinematica della lavorazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

18.6 L’asportazione: la legge di Faraday . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

19 Parametri, intercapedine e macchina 147

19.1 L’efficienza della lavorazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

19.2 I parametri di lavorazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

19.3 Il moto relativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

19.4 L’intercapedine di equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

19.5 L’utensile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

19.6 L’elettrolita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

19.7 Gli aspetti economici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

19.8 Vantaggi e svantaggi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

Indice 5

19.9 Le applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

Notazione

Le grandezze che ricorrono in più di un capitolo sono raccolte qui con il simbolo e l’unità

adottati nel testo. I simboli usati in un capitolo solo sono definiti dove compaiono. Le sigle

delle tecnologie sono quelle internazionali, sciolte alla prima occorrenza di ogni capitolo.

Grandezze geometriche e di processo

v, v Velocità di avanzamento dell’utensile, o velocità di taglio mm/s.

.

t

s. Spessore del pezzo in lavorazione mm.

h. Profondità del solco di taglio, o altezza dell’intercapedine mm.

d Diametro del fascio, del getto o del foro in uscita mm.

.

0 3

removal rate)

Velocità di asportazione di materiale (material mm /min.

MRR. Zona termicamente alterata, la porzione di materiale che il processo scalda oltre la

ZTA.

soglia di trasformazione senza fonderla.

Grandezze termiche

′′ 2

q Potenza specifica incidente sulla superficie W/m .

.

A. Coefficiente di assorbimento della superficie, adimensionale.

( )

Conducibilità termica W/ m K .

κ. 2

= ( )

Diffusività termica m /s.

α. α κ/ ρc p

3

Densità kg/m .

ρ. ( )

c Calore specifico a pressione costante J/ kg K .

.

p ◦

T T T Temperatura iniziale, di fusione, di vaporizzazione C.

, , .

v

0 f

H Calore latente di fusione J/kg.

.

f

Grandezze del fascio laser

Lunghezza d’onda della radiazione µm.

λ.

P. Potenza del fascio W. 2

I. Irradianza, potenza per unità di superficie W/cm .

2

M Fattore di qualità del fascio, adimensionale; vale 1 per il fascio gaussiano ideale.

. = ( ) ( )

parameter product), d

Prodotto di parametri del fascio (beam BPP /2 mm mrad.

BPP. ϑ/2

0

d Diametro del fascio sulla lente di focalizzazione mm.

.

f

f Distanza focale della lente mm.

. Profondità di campo mm.

pdc.

Grandezze elettriche

V, I. Tensione V e corrente A di lavorazione.

t t Durata dell’impulso e dell’intervallo fra due impulsi µs.

, .

on o f f

C. Capacità del condensatore di scarica µF.

Rendimento di corrente della lavorazione elettrochimica, adimensionale.

η. 6

NOTAZIONE 7

Grandezze del getto d’acqua

p. Pressione di esercizio MPa.

ṁ ṁ Portata di abrasivo e di acqua g/s.

, .

a w

d Diametro dell’ugello primario mm.

.

u

d Diametro del tubo focalizzatore mm.

.

f c Parte I

Quadro generale

8

Capitolo 1

Processi di asportazione e tecnologie non convenzionali

1.1 I processi tecnologici per asportazione

lavorazione che porta il pezzo alla geometria finale

Processo tecnologico per asportazione: ∆m <

rimuovendo materiale dal grezzo, con variazione di massa 0. I componenti meccanici

ottenuti con processi tecnologici primari — fusione, stampaggio, estrusione — richiedono in

generale una o più lavorazioni per asportazione prima di essere messi in opera.

Il ricorso all’asportazione risponde a cinque esigenze:

ottenere tolleranze dimensionali, tolleranze di forma e finiture superficiali non realiz-

1. zabili dai processi primari, condizione del funzionamento affidabile e appropriato dei

componenti;

2. realizzare profili interni ed esterni, spigoli vivi e planarità che i processi di formatura e

stampaggio non danno;

3. ottenere caratteristiche superficiali speciali, che solo l’asportazione produce;

4. rifinire le superfici trattate termicamente per aumentarne durezza e resistenza all’usura,

che dopo il trattamento restano fuori tolleranza;

contenere il costo dei piccoli lotti, per i quali asportare da una forma grezza costa meno

5. che dedicare uno stampo apposito.

Le limitazioni sono altrettanto definite:

1. produzione di scarti di materiale;