Appunti II esonero Tecnologia Meccanica 2 (TM2)

Indice

Lavorazioni a getto abrasivo (AJM) ................................................................. 5

7.1 AJM ................................................................................................................................................... 5

Lavorazioni a getto d’acqua (WJM) ............................................................... 10

8.1 WJM ................................................................................................................................................ 10

Lavorazioni a getto d’acqua abrasivo (AWJM) ............................................... 16

9.1 AWJM .............................................................................................................................................. 16

9.2 Parametri di processo ...................................................................................................................... 19

9.2.1 Parametri caratteristici dell’abrasivo ......................................................................................... 20

9.2.2 Parametri caratteristici di miscelazione ..................................................................................... 22

9.2.3 Parametri caratteristici idraulici................................................................................................. 22

9.2.4 Parametri caratteristici di taglio ................................................................................................ 25

9.2.5 Parametri caratteristici: il kerf ................................................................................................... 27

Lavorazioni per asportazione con ultrasuoni: USM e RUM............................. 30

10.1 Ultrasonic Machining (USM) .......................................................................................................... 30

10.1.1 Parametri di processo indipendenti ......................................................................................... 34

10.1.2 Parametri di processo dipendenti ............................................................................................ 37

10.2 Rotary Ultrasonic Machining (RUM) ............................................................................................... 38

Lavorazioni a flusso abrasivo (AFM) .............................................................. 39

11.1 Caratteristiche processo e attrezzatura .......................................................................................... 39

11.2 Parametri e capacità di processo ................................................................................................... 41

11.3 Applicazioni ................................................................................................................................... 42

Formatura con elevati tassi di energia (HERF) ............................................... 43

12.1 Caratteristiche del processo ........................................................................................................... 43

12.2 Formatura elettromagnetica .......................................................................................................... 46

12.3 Formatura per esplosione .............................................................................................................. 50

12.4 Formatura elettroidraulica ............................................................................................................. 51

Lavorazioni per asportazione chimica (CHM) ................................................. 53

13.1 CHM .............................................................................................................................................. 53

Lavorazioni elettrochimiche (ECM) ............................................................... 57

14.1 Caratteristiche processo ................................................................................................................ 57

14.2 Parametri di processo .................................................................................................................... 59

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14.3 Macchine per ECM ......................................................................................................................... 65

14.4 Capacità del processo e applicazioni .............................................................................................. 66

14.5 Sbavatura elettrochimica (Electrochemical Deburring) .................................................................. 66

14.6 Lucidatura elettrochimica (Electrochemical Honing) ...................................................................... 67

14.7 Tornitura elettrochimica (Electrochemical Turning) ....................................................................... 68

14.8 Rettifica elettrochimica (Electrochemical Grinding) ....................................................................... 68

14.9 Foratura elettrochimica ................................................................................................................. 70

14.9.1 Electrostream Drilling (ESD) ..................................................................................................... 71

14.9.2 Jet Electrochemical Drilling (JED) e Capillary Drilling (CD) ........................................................ 72

14.9.3 Shaped-Tube Electrolytic Machining (STEM) ............................................................................ 72

Lavorazioni per elettroerosione (EDM) ......................................................... 74

15.1 Caratteristiche processo ................................................................................................................ 74

15.2 Principio fisico................................................................................................................................ 75

15.3 Attrezzatura ................................................................................................................................... 80

15.4 Parametri di processo .................................................................................................................... 85

15.5 Capacità del processo e applicazioni .............................................................................................. 88

15.6 Varianti dell’elettroerosione a tuffo ............................................................................................... 88

15.6.1 Erosione multicanali ................................................................................................................ 88

15.6.2 Erosione planetaria ................................................................................................................. 89

15.7 Taglio per elettroerosione: caratteristiche ..................................................................................... 89

15.7.1 Attrezzatura ............................................................................................................................ 90

15.7.2 Parametri di processo .............................................................................................................. 91

15.7.3 Capacità del processo e applicazioni ........................................................................................ 92

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Lavorazioni a getto abrasivo (AJM)

7.1 AJM

Nelle lavorazione a getto abrasivo (AJM Abrasive Jet Machining) il materiale è rimosso mediante l’azione di

un flusso focalizzato di abrasivo e di gas, che funge da propellente per asportare il calore sviluppato dalle

particelle abrasive che raggiungono anche i 300 m/s di velocità, mediante un ugello che mantiene il getto

coassiale senza possibilità di divergere. L’azione abrasiva è utilizzata per effettuare lavorazioni di taglio,

incisione, pulitura, asportazione di bave di lavorazione, lucidatura e foratura utilizzando il meccanismo di

microfrattura ed erosione perciò risulta particolarmente efficiente su materiale duri e fragili (vetro, silicio,

tungsteno e ceramiche) e meno efficiente su materiali tenaci (gomme e plastiche; inoltre poiché entrano in

gioco piccole forze durante questa lavorazioni non ci sono vibrazioni e ciò permette di produrre dettagli fini

e complicati su diversi componenti fragili.

Il principio fisico su cui è basata la lavorazione AJM consiste

nell’accelerazione di particelle abrasive mediante un getto

di gas; il flusso di gas e particelle è direzionato verso il fuoco

della lavorazione in genere a meno di 1mm dall’estremità

dell’ugello. All’impatto delle particelle sulla superficie esse

ne causano l’asportazione per micro-taglio o micro-frattura

e il gas del getto rimuove le particelle abrasive e il truciolo

prodotto; le particelle abrasive prodotte non vengono

riutilizzate perché contenenti percentuali di truciolo e

quindi potrebbero danneggiare l’ugello e non garantire la

stessa capacità abrasiva.

È possibile definire una stima del tasso di asportazione (quantità di volume asportata nell’unità di tempo

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in mm /s) come Marteial Removal Rate (MRR):

L’attrezzatura è tra le più semplici delle lavorazioni ed è costituita da: un sistema di propulsione del gas, da

un sistema di dosaggio di abrasivo, un sistema di guida e un sistema di raccolta dell’abrasivo. Il sistema di

propulsione del gas deve permettere un gas pulito e secco garantendo pressioni di lavoro 0.2-0.8 Mpa,

velocità di 500-700 m/s e portate di 5-30 L/min; si possono utilizzare la compressione ad aria, mediante l’uso

di filtri per evitare la contaminazione da olio o acqua, oppure bombole di gas inerti (N2 o CO2), che

garantiscono un gas pulito e un basso consumo ed inoltre l’uso di O previene il pericolo di incendi.

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Il sistema di dosaggio deve permettere l’introduzione dell’abrasivo nel flusso di gas in modo uniforme e

regolabile in genere grazie ad un sistema che mette in vibrazione un setaccio, in questo caso la portata è

regolata dall’ampiezza e dalla frequenza delle vibrazioni (50-60Hz), ma sono possibili anche sistemi a vortici.

Il sistema di guida, generalmente movimentato manualmente, permette di direzionare il getto di gas e di

abrasivo sul pezzo e monta all’estremità un ugello; per dettagli e finiture è possibile anche applicare delle

maschere, in gomma semplici da fabbricare ma con scarsa definizione o in metallo con definizione più alta

ma suscettibili ad erosione, sulla superficie del pezzo ed inoltre permettono di controllare l’overspray

(aumento di diffusione del flusso) nel caso di ugello usurato.

Il sistema di raccolta dell’abrasivo è necessario pe guidare le particelle in una camera di esaurimento

mantenendo la visibilità e l’isolamento, utile soprattutto per gli abrasivi tossici.

L’ugello è progettato in modo da ridurre al minimo le perdite ed è realizzato in acciaio inox martensitico

(2h di vita media), in carburo di tungsteno (30h di vita media disponibile con fori circolari o quadrati,

30h di vita media, 10 €/ugello) o in zaffiro (allumina disponibile solo in fori circolari, 300h di vita media,

30-80 €/ugello). La vita media dell’ugello dipende dal tipo di operazione: operazioni precise come il taglio

richiedono frequenti cambi rispetto a quelle di incisione in quanto l’aumento dell’usura porta all’overspray.

I diametri medi a sezione circolare sono di 0.12-1.25mm, per i rettangolari 0.007-0.17x0.5x3.8mm.

La scelta degli abrasivi è legata al tipo di applicazione da realizzare e alla durezza del pezzo che deve essere

inferiore a quella dell’abrasivo; si utilizzando:

 ossido di alluminio per pulitura, taglio e sbavatura;

 carburo di silicio per pulitura, taglio e sbavatura di materiali più duri;

 vetro in perline per pulitura e opacizzazioni di superfici;

 vetro frantumato (spigoli vivi) per pulire o per martellature pesanti;

 bicarbonato di sodio per pulitura e taglio per materiali teneri, offre un elevata finitura superficiale ma

è problematico perché è igroscopico (lega con l’acqua).

Le dimensioni del diametro delle particelle di abrasivo possono variare tra 10-50 micron in funzione

dell’applicazione: dimensioni maggiori per taglio o martellatura, dimensioni minori per pulitura; non sono

riutilizzabili perché il truciolo impasta l’ugello tuttavia il non riutilizzo non costa molto poiché l’abrasivo ha

un costo relativamente basso.

I parametri di processo più significativi sono:



- INPUT (1) distanza ugello-superficie, (2) portata dell’abrasivo, (3) pressione del gas e (4) tipo di abrasivo;



- OUTPUT MMR (tasso di asportazione), velocità di penetrazione v (mm/s) e finitura superficiale R .

p a

(1) La distanza dall’ugello dalla superficie (SOD) influenza la larghezza di taglio e il kerf cioè la scanalatura che

si crea per la lavorazione di asportazione caratterizzata da una propria larghezza, altezza, rugosità delle pareti

e conicità. Il flusso di getto abrasivo non si mantiene perfettamente coassiale ma è possibile definire un certo

angolo di divergenza α che è di circa 7°; le operazioni di taglio sono in genere realizzate a circa 0.8mm dalla

superficie del pezzo e in questo caso si ha un kerf a bassa conicità.

Aumentando la distanza da 0.5-10mm il getto abrasivo tende ad allargarsi creando delle scanalature di

larghezza maggiore e con una conicità con un diverso raggio tra ingresso e base; queste distanze sono

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ottimali per operazioni di pulitura o martellatura mentre le operazioni più leggere, come la smerigliatura del

vetro, sono realizzate a distanze tra 25-75mm.

La scanalatura della zona lavorata è caratterizzata da un diametro in ingresso (a), da un raggio di raccordo in

ingresso (b), da una profondità max (c) e da un raggio di raccordo nella zona centrale (d); questi parametri

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sono fortemente dipendenti dalla velocità delle particelle v , dalle distribuzioni di massa m (particele/m ) e

r r

dalla densità del getto Q , ipotizzate con distribuzione gaussiana con al centro il valore massimo di

r

distribuzione di massa e di densità di particelle nel getto e una velocità massima al centro e in diminuzione

verso l’esterno e con queste ipotesi è possibile creare dei modelli per il calcolo del profilo della scanalatura.

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Ipotizzando di non avere un gradiente di velocità, quindi v = v , a distanza 0mm dell’ugello dalla superficie

1 0

avrò sempre la massima erosione percentuale; all’aumentare del SOD aumenta il raggio di raccordo alla base

e all’ingresso cioè il diametro della scanalatura e quindi aumenta il MRR fino ad un valore limite

Mantenendo costante la SOD e variando la v = v (non c’è un gradiente di velocità) all’aumentare della

0 1

velocità del getto aumenta la profondità massima della scanalatura e quindi aumenta il MRR.

Considerando un profilo di velocità con v = cost e v ↑ l’aumento della velocità periferica comporta un

0 1

aumento del diametro di entrata del prodotto lavorato e del raggio dello spigolo periferico.

Quindi è vero che aumentando la SOD aumenta il MRR ma bisogna tener conto che la velocità delle particelle

v sta diminuendo perciò aumentando troppo la distanza ugello-pezzo il tasso di asportazione diminuisce,

r

esistono perciò dei valori ottimali di SOD (5-15mm) e di v per avere il MRR .

r max

Un altro fattore che influenza il MRR è l’inclinazione dell’ugello rispetto al pezzo: per materiali duri MRR max

si ha per getti perpendicolari alla superficie, mentre per materiali tenaci MRR si ha per angoli di circa 20°.

max

(2) La portata di abrasivo Q influenza il tasso di asportazione: una Q maggiore implica MRR maggiore perché

aumenta il numero di particelle di abrasivo Z che impattano sulla superficie nell’unità di tempo τ quindi

MRR α z, tuttavia ad un certo valore limite il numero di particelle è così elevato che esse iniziano a collidere

tra loro il che riduce la velocità e quindi anche MRR diminuisce; è pertanto necessario definire sempre un

rapporto di miscelazione (mixing ratio) volumetrico o di massa e un valore critico di velocità v oltre il quale

th

MRR diminuisce, stabilendo così il MRR per i materiali fragili (duri) e per i materiali duttili (tenaci);

max

definendo il rapporto di miscelazione ottimale è possibile aumentare la portata di abrasivo che comporta un

aumento di MRR fino ad un valore limite in cui si è raggiunta la soglia massima di pressione di gas

dell’impianto. 8

(3) Aumentando la pressione del gas aumenta il MRR fino ad una pressione limite che dipende dall’impianto;

tuttavia nel range di lavoro non ha effetti significativi sul MRR come la SOD e la portata ma influenza la vita

dell’ugello e per questo si mantiene un range di pressioni di lavoro tra 560-630 kPa.

(4) Il MRR dipende anche dal tipo di abrasivo e dalle dimensioni del grano: un aumento delle dimensioni del

grano comporta MRR maggiori fino ad una dimensione limite oltre la quale il getto diminuisce la sua energia

cinetica e causa una diminuzione di velocità. 3

Concludendo questo processo non permette di avere asportazioni elevate (in genere 15mm /min ~

0.07m/min contro i 50 m/min del taglio laser) anzi quanto più elevato è il MRR tanto più difficile sarà

realizzare tagli intricati in materiali duri e fragili; si possono realizzare scanalature tra 0.12-0.25mm con

tolleranze di lavorazione tra 0.05-0-12mm e un minimo raggio ottenibile nei raccordi di 0.2mm poiché non è

possibile ottenere scanalature con spigoli vivi; il grado di finitura aumenta con la diminuzione delle

dimensioni delle particelle di abrasivo il che comporta un MRR minore e si possono raggiungere finiture tra

0.25-1.25 micron. Con questa lavorazione è possibile tagliare acciai e materiali duri e fragili come lamiere di

acciaio di 1.5 mm o lastre di vetro di 6.3mm ma con bassi MRR e una conicità del kerf 0.12mm/mm che può

essere eliminata su uno dei due profili inclinando opportunamente l’ugello; è possibile realizzare anche fori