Studi di fabbricazione

Lezione 19 del 21/04/2021

Scelta degli utensili

La scelta dell’utensile per effettuare una certa operazione è influenzata da aspetti quali:

• La qualità del processo
• Il tempo di lavorazione
• Il costo del processo

La scelta dell’utensile comporta la definizione:

• Della geometria dell’utensile
• Del materiale dell’utensile
• Della forma e delle dimensioni dell’eventuale attrezzatura utilizzata a supporto dell’utensile

Geometria dell'utensile

La scelta della geometria dell’utensile dipende:

• Dal tipo di processo
• Dalle caratteristiche qualitative del pezzo da realizzare

Ad esempio, per quanto riguarda le lavorazioni per asportazione di truciolo vengono utilizzati degli utensili versatili in grado di lavorare parti con diverse geometrie e/o in diversi materiali. Viceversa, per processi di fonderia o per lavorazioni plastiche vengono utilizzati degli utensili (conchiglie, stampi, matrici, …) specifici per la parte da realizzare.

Se, invece, entriamo nell’ambito dell’additive manufacturing, possiamo dire che non ci serve nessun utensile specifico per la realizzazione di una determinata parte; quindi, in questo caso, il concetto dell’utensile viene del tutto meno in quanto la parte si ottiene procedendo strato per strato non utilizzando alcun utensile. Quindi, da questo punto di vista l’additive manufacturing fa un passo avanti enorme rispetto ai processi tradizionali.

#NOTA: la scelta di utilizzare un utensile specifico piuttosto che uno versatile (o viceversa) dipende dal volume di produzione del pezzo da realizzare; questo significa che utilizzerò un utensile specifico per eseguire determinate lavorazioni solo nel momento in cui si va a realizzare una quantità di pezzi che giustifica l’investimento effettuato per l’acquisto dell’utensile stesso.

Materiale dell'utensile

La scelta del materiale dell’utensile dipende:

• Dalla tipologia di processo
• Dalle condizioni di processo (facendo riferimento alle lavorazioni per asportazione di truciolo, più la velocità di rotazione è elevata più sarà necessario ricorrere a utensili caratterizzati da un tipo di materiale più resistente rispetto ad altri)
• Dal materiale della parte da lavorare

Esempi:

• Fonderia in forma transitoria forma in terra
• Fonderia in conchiglia forma in metallo
• Lavorazioni plastiche a freddo acciai per stampi
• Lavorazioni plastiche a caldo acciai per stampi a caldo

Forma e dimensione delle attrezzature utilizzate a supporto degli utensili

In alcuni processi l’utensile è supportato da un’attrezzatura; questo perché l’attrezzatura rappresenta una soluzione utile per facilitare la sostituzione dell’utensile e/o ridurre i costi. La scelta relativa alla forma e alla dimensione dell’attrezzatura utilizzata a supporto dell’utensile dipende da aspetti quali:

• La geometria dell’utensile
• L’entità delle forze che agiscono sull’utensile durante il processo
• Il tipo di macchina usata
• La frequenza di sostituzione dell’utensile

Si faccia riferimento alle lavorazioni per asportazione di truciolo: per questo tipo di lavorazioni, in genere, vengono utilizzati degli inserti (componente che entra in contatto con il pezzo) montati su un portautensile; al termine della vita utile dell’inserto (che rappresenta l’utensile vero e proprio) si procede alla sua sostituzione con uno nuovo. Se un portautensile permette di supportare utensili con diversa geometria, cambiamo l’inserto quando dobbiamo utilizzare una geometria dello stesso diversa.

Dunque, come abbiamo già detto, la scelta dell’utensile comporta la definizione:

• Della geometria di taglio
• Del materiale dell’utensile
• Della forma e delle dimensioni del portautensile

Geometria di taglio

La geometria di taglio, assieme ai parametri di taglio, controlla la formazione del truciolo e, inoltre, ha un’influenza sulla forza agente sull’utensile e sulle caratteristiche di resistenza dello stesso. La scelta della geometria di taglio nelle lavorazioni per asportazione di truciolo dipende:

• Dal materiale del pezzo da lavorare e dell’utensile per eseguire la lavorazione
• Dal tipo di lavorazione da eseguire (sgrossatura, semifinitura e finitura)
• Dalla geometria del pezzo
• Dalle condizioni di lavoro
• Dalla stabilità della lavorazione

Materiale

La scelta del materiale dell’utensile in una lavorazione per asportazione di truciolo dipende da aspetti quali:

• Le caratteristiche meccaniche del materiale da asportare
• Le condizioni di lavoro: taglio interrotto (in tal caso devo scegliere un materiale resistente agli urti, ovvero un materiale tenace) o stazionario (in tal caso devo scegliere un materiale poco sensibile al surriscaldamento)
• La presenza o meno del fluido lubro-refrigerante (ha sia la funzione di lubrificare l’interfaccia tra petto e truciolo, cercando di ridurre il fenomeno della formazione delle microsaldature tra utensile e pezzo che aumentano notevolmente l’attrito, sia quella di abbassare la temperatura nella zona di contatto tra pezzo e utensile al fine di evitare le deformazioni plastiche dell’utensile); se non uso il fluido lubro-refrigerante, la superficie dell’utensile deve avere un basso coefficiente di attrito e, per far questo, il modo più semplice è quello di applicare sull’inserto un rivestimento con materiale a basso coefficiente di attrito. Per svolgere la funzione refrigerante, oltre allo strato esterno a basso coefficiente di attrito ci vuole un altro strato che funga da barriera termica, il quale impedisce che il calore si propaga all’interno dell’utensile
• I parametri di taglio relativi alla lavorazione (velocità di taglio, velocità di avanzamento e profondità di passata)

Le tipologie di materiale utilizzate nella realizzazione degli utensili, nel corso del tempo, si sono evolute; può essere quindi individuato un ordine cronologico relativo all’utilizzo di alcune tipologie di materiali per la realizzazione degli utensili:

• Acciai al carbonio e acciai debolmente legati
• Acciai rapidi e superrapidi (High-Speed Steels, HSS)
• Leghe fuse di cobalto (Stelliti)
• Carburi metallici sinterizzati
• Carburi metallici rivestiti
• Materiali ceramici
• Nitruro di boro cubico (CBN)
• Diamante policristallino (PCD)

In figura si cerca di sottolineare l’influenza sulla produttività e sul costo della lavorazione che esercita il materiale dell’utensile in relazione alla velocità di taglio. In particolare, si vede che l’influenza del tipo di materiale utilizzato è maggiore di quella dovuta alla velocità di taglio; in particolare, vediamo che esistono delle velocità di taglio che minimizzano il costo e altre che massimizzano la produttività diverse per ciascun metallo.

Forma e dimensioni del portautensile

Nelle lavorazioni per asportazione di truciolo, il portautensile svolge le seguenti funzioni:

• Blocca saldamente l’inserto (o gli inserti se si tratta di un utensile pluritagliente) evitando moti relativi non controllati durante la lavorazione
• Consente la facile sostituzione dell’inserto (o degli inserti se si tratta di un utensile pluritagliente) al termine della vita utile

La forma e la dimensione del portautensile dipendono da aspetti quali:

• Tipo di lavorazione specifica che dobbiamo realizzare
• Geometria delle superfici da lavorare
• Entità della forza scambiata tra pezzo e truciolo
• Macchina utensile utilizzata

RICHIAMO: lavorazioni per asportazione di truciolo

*IN QUESTA PAGINA AGGIUNGI DAL LIBRO DI “TECNOLOGIA MECCANICA” LE INFORMAZIONI PRINCIPALI A PROPOSITO DELLE LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE DI TRUCIOLO: ANGOLI CARATTERISTICI DELL’UTENSILE, TAGLIO STAZIONARIO, TAGLIO INTERROTTO, CONDIZIONI D’USURA, LAVORAZIONI, ECC… INSOMMA, LE COSE PIU IMPORTANTI DI QUEL CAPITOLO*

Lezione 20 del 22/04/2021

Scelta dei parametri di processo

La scelta dei parametri di processo viene svolta con l’obiettivo di ottimizzare l’esecuzione di ogni singola operazione. Esistono dei parametri diversi in base allo specifico processo; ad esempio:

• Lavorazioni per deformazione plastica (es: stampaggio massivo) temperatura del pezzo e degli stampi, velocità dello stampo mobile, pressione del premilamiera, …
• Processi di fonderia pressione di colata, temperatura di colata e di preriscaldamento della forma, …
• Lavorazioni per asportazione di truciolo velocità di taglio, velocità di avanzamento e profondità di passata

La scelta dei parametri di processo è strettamente legata al regime di produzione utilizzato nella realizzazione del prodotto, in quanto solo così sapremo quale criterio dobbiamo utilizzare per ottimizzare ciascuna operazione. In particolare, le tipologie di regime di produzione sono:

• Economico
• Produttivo

Regime economico

Adottare un regime economico significa esprimere il costo della lavorazione in funzione dei parametri di processo; la migliore combinazione dei parametri sarà quella che minimizza il costo. Quindi, se per ogni operazione voglio scegliere i parametri di processo facendo la scelta sulla base del criterio economico, per prima cosa devo scrivere l’espressione del costo totale in funzione dei parametri di processo, poi devo derivare il costo totale rispetto a tali parametri ed, infine, devo porre la derivata uguale a zero così che io possa trovare la combinazione ottimale dei parametri di processo che minimizza il costo.

Regime produttivo

Se uso il regime produttivo devo scrivere l’espressione della produttività, cioè del tempo di lavorazione espresso in funzione dei parametri di processo, e trovare la migliore combinazione dei parametri che minimizza il tempo di lavorazione, ovvero che massimizza la produttività.

Esempio

Facciamo riferimento alle lavorazioni per asportazione di truciolo (le considerazioni che si fanno nell’esempio sono valide per tutti i tipi di lavorazione). Per trovare i valori dei parametri di processo (velocità di taglio, velocità di avanzamento, profondità di passata) che minimizzano il costo totale e che massimizzano la produttività, dovrei fare molti conti! Per tale motivo, nell’esempio facciamo riferimento ad un solo parametro di taglio e, in particolare, andiamo a calcolare le velocità di taglio che minimizzano:

• Il costo (regime economico)
• Il tempo complessivo richiesto per la lavorazione di un pezzo (regime produttivo)

#NOTA: scegliamo come parametro di processo la velocità di taglio (e non la velocità di avanzamento o la profondità di passata) perché, tra i tre parametri, la velocità di taglio è quella che ha il maggiore impatto sull’operazione; in particolare, tra i tre, la velocità di taglio è il parametro che influisce maggiormente sulla durata dell’utensile.

Iniziamo con il regime economico. Dobbiamo trovare la velocità di taglio che ci permette di minimizzare il costo per realizzare la parte. In sostanza, quello che dobbiamo fare è: scrivere l’espressione del costo in funzione della velocità di taglio, derivare l’espressione del costo rispetto alla velocità di taglio, uguagliare questa derivata a zero e risolvere rispetto alla velocità di taglio, la quale sarà la velocità di taglio che minimizza il costo.

Costo complessivo di una singola operazione di asportazione di truciolo

Dobbiamo esprimere i vari termini che costituiscono la relazione del costo complessivo:

Costo improduttivo

#NOTA: il tempo di appostamento è il tempo necessario per spostare l’utensile dalla posizione in cui si trova originariamente a quella in corrispondenza della quale inizierà la lavorazione. Il Centro di Lavoro, come tutte le macchine a controllo numerico, ha la possibilità di far avvenire il moto di appostamento ad una velocità doppia o tripla rispetto alla massima velocità di avanzamento della macchina; questa è una caratteristica molto richiesta in queste macchine, in quanto mi consente di ridurre il tempo di appostamento e, di conseguenza, di ridurre i tempi improduttivi. Se, però, la macchina non è progettata opportunamente, quando l’utensile si ferma al termine del moto di appostamento, questa si mette in vibrazione e quindi la lavorazione avviene con la presenza, oltre che del moto relativo desiderato tra l’utensile e il pezzo, anche di un moto relativo indesiderato dovuto alle vibrazioni e questo peggiora la finitura delle superfici ottenute. Dunque, le macchine a controllo numerico dovranno essere ben progettate sotto questo punto di vista, e cioè dovranno essere in grado di smorzare le vibrazioni che si hanno nel momento in cui arrestiamo improvvisamente l’utensile nella posizione che ha raggiunto e dalla quale inizia la lavorazione perché, in caso contrario, il tempo guadagnato per l’appostamento dell’utensile in corrispondenza del pezzo da lavorare andrebbe perso nell’attesa che cessino le vibrazioni.

Costo di lavorazione

#NOTA: il prodotto è la velocità di avanzamento nel caso della tornitura.

#NOTA: nella relazione del tempo di lavorazione abbiamo riportato anche i valori dell’extra corsa all’inizio della lavorazione (ex ) e dell’extra corsa alla fine della lavorazione (ex ). La loro presenza è dovuta al fatto che, normalmente, l’utensile non viene portato direttamente a contatto con il pezzo ma viene portato ad una certa distanza dal pezzo; questo perché, siccome le dimensioni iniziali del pezzo potrebbero variare in un intervallo anche ampio, se portiamo l’utensile esattamente in corrispondenza del contatto con il pezzo potrebbe urtare con quest’ultimo e, dato che l’utensile è duro ma fragile, potrebbe danneggiarsi. Per tale motivo, si prevede una corsa extra in ingresso per evitare che nel moto d’appostamento l’utensile vada ad urtare sul pezzo che dobbiamo lavorare; prevediamo inoltre una corsa extra in uscita perché la lunghezza del pezzo, come abbiamo già detto, potrebbe essere variabile e quindi potremmo non interessare alla lavorazione la superficie cilindrica nella sua interezza.

#NOTA: sapendo che la velocità di taglio è pari a ⋅ ⋅= 10 con D (diametro pezzo cilindrico) espresso in millimetri, n in giri/minuto e 10 che ci permette di trasformare i millimetri in metro dato che l’unità di misura della velocità di taglio è metri/minuto, se poniamo questa formulazione in funzione di n e la sostituiamo nella formula del tempo di lavorazione otteniamo la formulazione del tempo di lavorazione in funzione della velocità di taglio e dell’avanzamento.

Abbiamo definito il tempo di lavorazione anche nel caso di un’operazione di fresatura. Il concetto è sempre lo stesso, ovvero il tempo di lavorazione è espresso come rapporto tra una lunghezza e una velocità!

Lezione 21 del 27/04/2021

Costo di sostituzione dell'utensile

#NOTA: la durata dell’utensile T, ovvero il periodo di tempo che dura fino alla sostituzione dell’utensile a causa del suo degrado determinato dall’usura che avviene durante la lavorazione, si ricava, nel caso delle lavorazioni per asportazione di truciolo, dalla Legge di Taylor, ovvero ⋅ =.

Costo dell'utensile

Costi generali di produzione

#NOTA: la classificazione dei costi suddivide i costi appunto in diretti e indiretti. Un costo diretto è un costo riconducibile direttamente alla realizzazione di una parte; un costo indiretto, invece, è un costo che non posso imputare ad una singola parte ma che lo devo imputare ad un certo numero di parti. I costi indiretti sono anche detti costi generali e, tra i costi generali, troviamo anche quelli di produzione, che rappresentano quindi dei costi indiretti legati alle attività di produzione.

A questo punto, possiamo andare a sostituire le espressioni che abbiamo ottenuto nella formulazione del costo totale:

Costo complessivo di una singola operazione di asportazione di truciolo

Ora dobbiamo esprimere il costo totale in funzione della velocità di taglio. A tal proposito, facciamo riferimento ad una specifica operazione per asportazione di truciolo, ovvero prendiamo in considerazione la tornitura longitudinale che avevamo visto precedentemente. Dunque, andiamo ad analizzare l’andamento dei costi in funzione della velocità di taglio caso della tornitura longitudinale:

#NOTA: abbiamo sostituito l’espressione di t che avevamo calcolato in precedenza per la tornitura longitudinale nella formulazione del costo totale

#NOTA: dalla formulazione del costo totale contente t esplicitato, abbiamo fatto due passaggi. In particolare, abbiamo prima portato H nella formula:

1 1= ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅

E poi abbiamo applicato la Legge di Taylor, la quale ci permette di prevedere la durata dell’utensile in relazione alla velocità di taglio con la quale viene eseguita la lavorazione. In particolare, sappiamo che: ⋅ =

Dove C ed n sono delle costanti che dipendono dal materiale che stiamo lavorando, dal materiale dell’utensile, dal tipo di lavorazione, ecc...