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Appunti di Tecnologia Meccanica 2: Lavorazioni non convenzionali [TM2]

Di seguito potete trovare l'anteprima della mia dispensa di Tecnologia Meccanica 2: Lavorazioni non convenzionali (lezioni tenute dal Prof. Tricarico nel corso 2017/2018) di circa 140 pagine completamente riorganizzato, ampliato, commentato e riscritto interamente a macchina da me. Il testo è anche interattivo e quindi potrete navigare velocemente tra le varie sezioni.

Gli appunti non... Vedi di più

Esame di Tecnologia meccanica 2 docente Prof. L. Tricarico

Anteprima

ESTRATTO DOCUMENTO

a 1.5 mm. In particolare nella tranciatura è utilizzata la tecnica del tabbing, ovvero

l’indebolimento di una sezione trasversale del materiale tramite foratura ripetuta, utile

3

per i distacchi manuali . Richiede alti volumi di produzione e garantisce tolleranze

del 10% dello spessore. Ulteriori tecniche più sofisticate e particolarmente più precise

prevedono l’incisione diretta del fotoresist indurito, oppure di un fotomaster, tramite

laser.

Screen printing La maschera è ottenuta posizionando una griglia protettiva sul pezzo

(piano o leggermente curvo) e distendendo con un rullo il rivestimento liquido su pezzo

e griglia. Rimosso lo schermo ed essicato il rivestimento la maschera sarà pronta ed il

pezzo potrà passare nel bagno. I volumi prodotti in questo modo sono elevati, mentre

precisione e profondità di taglio sono basse: rispettivamente sono possibili tolleranze di

2

±0.05 ÷ ±0.18 mm e profondità minori di 1.5 mm su superfici che non superano 1.2 m .

6.3 Le capacità

Come già accennato la fresatura chimica è utilizzata nella lavorazione di grandi componenti,

per esempio di turbine, di aerei e missili nell’industria aeronautica e spaziale, con l’obiettivo

di aumentare il rapporto resistenza/peso.

Una variante interessante del processo è riportata in figura 6.9.a. Si può osservare che con

la CHM sono realizzabili anche profili conici attraverso un sollevamento calibrato e ripetuto

del pezzo dal bagno chimico.

Figura 6.9: Realizzazione di profili conici

In figura 6.9.b è invece riportata un’applicazione di tranciatura chimica che permette

un’alta definizione di dettaglio su spessori sottili, grazie a maschere in photoresist. I processi

CHM sono caratterizzati da tassi di asportazione piuttosto bassi e per tale motivo vengo-

no spesso adoperati a completamento di lavorazioni effettuate con processi a più elevata

produttività.

3 Molto simile ai tagli dello scotex. 72

Capitolo 7

Electrochemical Machining

Le lavorazioni elettrochimiche (ECM) si basano sul processo chimico dell’elettrolisi (figura

7.1.a) i cui primi studi furono condotti nel 1900 da Faraday. Il processo ECM fu invece ideato

da Williams solo 60 anni più tardi (figura 7.1.b).

Figura 7.1: Processo chimico di elettrolisi e di ECM

Nei processi di elettrolisi applicando una certa differenza di potenziale U , una corrente

continua attraversa due elettrodi, dal catodo (−) all’anodo (+), immersi in una soluzione

liquida che funge da elettrolita. In tali condizioni avviene il deplating dell’anodo ed il plating

1

del catodo, ovvero si rimuove materiale superficiale dal primo e lo si deposita sul secondo .

7.1 Il processo

In maniera del tutto analoga al processo chimico di elettrolisi, le ECM si basano sul

processo di dissoluzione anodica controllata dove il catodo è rappresentato dall’utensile e

l’anodo dal pezzo in lavorazione (figura 7.2): sulla superficie anodica il metallo è dissolto

in ioni dalle reazioni esotermiche di deplating, replicando fedelmente la forma dell’utensile.

L’azione di plating sull’utensile è però assente, o comunque va sempre evitata, in modo tale

che il processo si mantenga stazionario. Per questo motivo l’elettrolita non è statico, ma

viene forzato in circolazione all’interno del gap tra utensile e pezzo. Infatti un elettrolita

in moto permette di evitare processi di placcatura dell’utensile rimuovendo continuamente

2

i prodotti delle le reazioni elettrochimiche come ioni e idrossidi di metallo, calore e bolle

1 Si ricordi l’analogia dell’anodo sacrificale, costretto ad ossidarsi e a perdere materiale.

2 I prodotti dipendono dalla coppia elettrolita-pezzo.

73

di gas. In questo modo il deplating del pezzo è continuo e l’utensile può mantenere gap e

velocità costanti. Figura 7.2: Esempio di una ECM

Essendo il processo ECM non basato su forze meccaniche, è perciò possibile lavorare

qualsiasi materiale indipendentemente dalle sue caratteristiche di durezza o tenacità purchè sia

elettricamente conduttivo. Dal momento poi che non c’è alcun contatto tra pezzo e utensile,

l’usura di quest’ultimo è assente e quindi non c’è necessità di utilizzare per esso materiali

particolarmente duri. Ciò rende la ECM molto competitiva rispetto alle convenzionali

lavorazione meccaniche per asportazione di truciolo, offrendo vantaggi anche nella lavorazione

di superfici complesse o con pareti sottili, di materiali molto difficili da lavorare per contatto,

come per esempio quelli ad alta deformabilità o fragili.

Figura 7.3: Tecniche ECM analoghe a quelle convenzionali

Molti processi convenzionali per asportazione meccanica di truciolo sono stati replicati

con la tecnica ECM (figura 7.3) ottenendo le cossidette lavorazioni per asportazione elettro-

chimica, molto più competitive delle rispettive tecniche convenzionali, e che saranno trattate

ampiamente nel capitolo successivo. Ciò non toglie che anche tale tecnologia presenta diversi

svantaggi, come la difficoltà di realizzare con elevata accuratezza superfici complesse a causa

3

delle difficoltà di confinamento del processo ECM in modo preciso sulla superficie da lavorare .

Per superare questo problema sono stati sviluppati programmi che permettono di simulare

il processo di dissoluzione anodica e quindi di trovare la più opportuna forma dell’utensile:

oggi la realizzazione del processo è sempre preceduta da diverse simulazioni numeriche. Altri

3 La figura 7.3.e riporta un esempio di soluzione al confinamento nelle operazioni di foratura: il deplating è

localizzato solo nella parte frontale, mentre lateralmente la presenza del vetro lo impedisce.

74

svantaggi sono legati al costo dell’attrezzatura, equivalente se non superiore a quella delle

macchine di asportazione convenzionale, per via della esigenze di sicurezza e protezione del

luogo di lavoro contro l’aggressività dell’elettrolita.

7.2 L’attrezzatura

Come rappresentato in figura 7.4 le macchine ECM possono avere taglie e disposizioni

diverse. Esse sono in ogni caso dotate di sistemi di sicurezza contro i cortocircuiti che si

verificano, per esempio, a seguito di densità di corrente troppo elevate nel gap: tali sistemi

sono in grado di disconnettere la potenza elettrica in tempi dell’ordine delle decine di micro

secondi. Le scariche che si originano, seppur per brevissimi istanti, portano all’usura del

pezzo e dell’utensile nella zona di contatto, con danni che sono proporzionali ai parametri di

corrente e tensione. Figura 7.4: Diverse taglie di macchine ECM

Dalla stessa figura si possono subito notare le grandi dimensioni delle macchine ECM.

Esse dipendono essenzialmente dalle grandi pressioni in gioco: basti pensare che già per

pressioni relativamente basse dell’elettrolita (1.4 MPa), lavorare anche una superficie ridotta

come può essere quella di un foglio A4, richiede forze vicine ai 9000 kg. Considerando poi che

l’elettrolita è molto corrosivo, ben si capisce come le ECM debbano essere allo stesso tempo

sia rigide e resistenti che protette in tutte le loro componenti contro la corrosione chimica:

÷

ne deriva il costo tra i 100 400 mila euro.

Le macchine ECM, il cui schema più comune è riportato in figura 7.5, sono dotate

4 ⊕

essenzialmente da un generatore di potenza in corrente continua (da a ) caratterizzato

÷

da basse tensioni U di 8 30 Volt ed alte correnti I (più precisamente elevate densità di

2

÷

corrente i 10 200 A/cm ) che fornisce potenza all’utensile. Gli altri componenti tipici sono

il sistema di avanzamento, l’elettrolita e l’utensile. ÷

Elettrolita Tra catodo ed anodo è presente un gap (25 760 mm) in cui scorre un flusso

÷

di elettrolita alla pressione di 0.07 2 MPa che si occupa di fare da mezzo per la

4 Si potrebbe anche usare un generatore in corrente alternata, ma ovviamente non lo si fa perchè si

asporterebbe alternativamente materiale dall’utensile e dal pezzo.

75

Figura 7.5: Schema principale di una ECM

corrente, e catturare e allontanare i prodotti delle reazioni elettrochimiche, raffreddando

contemporaneamente tutta la zona di lavoro. Si possono distinguere in due principali

categorie:

• Con produzione di fanghi: come N aCl e N aN O . Il primo è il più comune per

3

via del basso costo e della stabile conduttività, ma è anche il più corrosivo tra i

due e non può essere usato con materiali quali WC e molibdeno. Nell’ipotesi di

5

utilizzare un pezzo in acciaio e cloruro di sodio (figura 7.6) come elettrolita si ha:

+

 ⇒

N aCl N a + Cl

 + +

 ⇒

H O H + OH

 2 → ⇒

2F e + 4H O + O 2F e(OH) + H

2 2 3 2

2+ ⇒

F e + 2Cl F eCl

2

 − −

F eCl + 2OH F e(OH) + 2Cl

 2 2

dove F e(OH) è l’idrossido ferroso, che si trasforma successivamente in idrossido

2 6

ferrico, F e(OH) , un fango rosso-bruno che, in condizioni di gap limitato, può

3

provocare cortocircuiti: per tale motivo viene costantemente catturato ed eliminato

dal flusso elettrolitico per garantire condizioni di lavoro stazionarie.

Si può notare nella reazione complessiva che il cloruro di sodio non è presente:

ciò è dovuto al fatto che non viene consumato durante il processo, ma si presta

solo come intermediario. L’acqua al contrario entra a far parte della reazione e

pertanto è necessario mantenerne sempre alta la concentrazione attraverso un

rifornimento continuo durante la lavorazione.

Il secondo elettrolita nominato invece è indicato sopratutto per la lavorazione

di alluminio e rame, ma presenta bassa velocità di dissoluzione, e sotto certe

7

condizioni, può portare il pezzo a passivazione .

5 Esistono anche altri elettroliti oltre il N aCl, come per esempio il nitrato di sodio N aN O

3

6 Si presenta in particelle con diametro minimo di 1 µm

7 Strati di materiale che ostacolano le reazioni e provocano attacchi non uniformi

76

Figura 7.6: Schema delle reazioni elettrolitiche

Il trattamento dei fanghi è molto importante, infatti è economicamente più vantag-

gioso purificare il fango con operazioni di filtraggio (piccole ECM), decantazione in

ampie vasche (grandi ECM e produzione in linea) o centrifugazione, che sostituirlo

integralmente. Vengono prodotti dalle reazioni elettrochimiche in quantità anche

3

di 150 volte maggiori per ogni cm di materiale asportato, e per questo la loro

concentrazione in peso nell’elettrolita deve essere limitato al massimo intorno al

25%.

• Senza produzione di fanghi: come gli acidi diluiti di H SO , HCl e N aOH. Tali

2 4

elettroliti sono indicati per specifici materiali come il molibdeno, ma richiedono

controlli accurati delle concentrazioni in volume per evitare di dare origine a

fenomeni di plating dell’utensile. 8

÷

Le velocità tipiche dell’elettrolita sono di 15 60 m/s . Quando i valori sono troppo

bassi si verifica il plating sull’utensile ed un elevato accumulo di idrogeno molecolare,

altamente esplosivo, che deve essere necessariamente eliminato dai prodotti di reazione

tramite ventilazione continua. Inoltre si verifica anche l’accumulo di eccessivo calore

◦ C

che provoca l’aumento della temperatura dell’elettrolita oltre i 70 massimi consentiti,

riducendone la conduttività elettrica e influenzando negativamente la ripetibilità del

processo (η si riduce). Al contrario, per velocità troppo elevate, il moto turbolento del

liquido crea disuniformità di asportazione ed un aumento dei costi di esercizio per via

delle maggiori potenze richieste al gruppo pompe dell’impianto di circolazione.

Utensile Gli utensili usati nelle ECM sono utensili di forma, ovvero utensili che riescono

grazie alle loro geometrie complesse a creare dettagli multipli contemporaneamente. La

loro progettazione è spesso di tipo numerica/empirica e persegue sempre tre principali

caratteristiche:

1. Deve prevedere overcut pari al gap su tutte le superfici attive per permettere

→ →

il passaggio dell’elettrolita nei due sensi (interno esterno, oppure esterno

interno per i pezzi più delicati).

2. Deve evitare che si formino aree di stagnazione dell’elettrolita.

3. Deve presentare una superficie priva di difetti, in modo tale da non rifletterli sul

pezzo.

8 Per il cloruro di sodio la portata è tipicamente di 0.01 L/A·min.

77

I materiali utilizzati per gli utensili ECM richiedono particolari caratteristiche: devono

essere conduttori elettrici e termici, resistenti agli attacchi chimici dell’elettrolita,

9

facilmente lavorabili e con buona rigidezza . Tali caratteristiche fanno ricadere la

scelta su rame, ottone, ma soprattutto acciaio inox (che rimane comunque preferibile

nonostante presenti problemi di lavorabilità). Il flusso dell’elettrolita può essere diretto

(figura 7.2) oppure inverso (figura 7.7), quest’ultimo utilizzato per pezzi molto delicati

grazie al fatto che presentano minori probabilità di cortocircuiti.

Figura 7.7: Utensili con flusso inverso con contropressione variabile

Il processo è automatizzabile, preciso e altamente ripetibile, ma il costo delle attrezzature

è elevato, perciò si preferisce utilizzare la ECM specificatamente per produzioni di massa o

lavorazioni di materiali conduttori difficili.

7.3 Parametri di processo

Secondo la legge di Faraday, la massa di ioni metallici rimossi m corrispondente ad una

10

corrente di dissoluzione I nel tempo ∆t è data da:

d m = massa asportata, [g]

I = intensità di corrente totale, [C/s]

d

∆t = tempo, [s]

P a

m = I ∆t = kI ∆t dove:

d d

nF P = peso atomico, [g/mole]

a −

n = elettroni di valenza, [e /atomo]

F = costante di Faraday, 96485.3 [C/mole]

e dove la costante k [g/C] è detto equivalente elettrochimico del materiale in lavorazione e

11

rappresenta i grammi di ioni metallici asportati per unità di carica elettrica . Più in generale

9 Sia la macchina che l’utensile devono essere molto rigidi a causa delle elevate pressioni in gioco.

10 Dove il prodotto I ∆t rappresenta la carica elettrica disponibile misurata in Coulomb.

d

11 Per esempio il ferro ha peso atomico pari a 55.85 g/mole. Quando è nella forma bivalente (n = 2), esso ha

−5 −5

· ·

equivalente elettrochimico pari a k = 29 10 g/C, mentre k = 19 10 g/C, quando è nella forma trivalente

78

in una lega di i elementi ciascuno con concentrazione C , che dissolvono simultaneamente e

i

indipendentemente rispetto agli altri, l’equivalente elettrochimico è:

1

k =

lega

P ·n

C

F i

P ai

Considerando poi che il rapporto tra corrente di dissoluzione e corrente fornita dal

generatore è pari all’efficienza di dissoluzione anodica allora risulta:

I

d →

η = m = ηkI∆t

I

in cui viene esplicitata anche l’influenza dell’elettrolita sul processo elettrochimico. Se

3

dividiamo tutto per la densità del materiale in lavorazione ρ [g/mm ], otteniamo il volume

asportato V : m k →

V = = η I∆t V = K I∆t

V

ρ ρ

3

dove K [mm /(A·min)] è definito come coefficiente di lavorabilità elettrochimica e corrisponde

V

al volume di materiale dissolto da un anodo per unità di corrente e tempo. Esso dipende dal

÷

tipo di materiale lavorato e in genere, per i materiali più comuni, è pari a 1.6 2. Nei casi di

12

elettrolita a base di N aCl l’efficienza η = 1 ed i valori di K sono disponibili in letteratura

V

per ogni materiale, mentre quando l’elettrolita è a base di N aN O l’efficienza è η < 1.

3

Esprimendo la massa dissolta in funzione dello strato di materiale rimosso di dimensioni

·

∆h ∆S, allora passando poi al limite si ottiene:

k I k

∆h →

· → = η v = η i = K i

ρ∆h ∆S = ηkI∆t n V

∆t ρ ∆S ρ

dove v è detta velocità di dissoluzione anodica e rappresenta la velocità con cui viene

n

asportato materiale dal pezzo, mentre i è la densità di corrente.

Influenzando pertanto diversi aspetti del processo, il coefficiente di lavorabilità è un

parametro fondamentale nella progettazione della lavorazione. Oltre che dal materiale K V

dipende dal tipo di elettrolita utilizzato ed anche dalla densità di corrente (figura 7.8), dalla

temperatura e dalla velocità dell’elettrolita, come riportato in figura 7.9.

Figura 7.8: Diverse concentrazioni di elettrolita

12 Infatti il cloruro di sodio non interferisce con il processo elettrochimico.

79

Si nota dal grafico 7.8.a il valore di K per l’N aCl si mantiene costante ed indipendente

V

dalla densità di corrente, restituendo quindi una velocità di dissoluzione anodica v propor-

n

zionale per i (figura 7.8.b), al contrario dell’N aN O che presenta per ogni concentrazione

3 ∗

(figura 7.8.a) una particolare densità di corrente di soglia i al di sotto della quale K = 0 e

V

la velocità di dissoluzione è nulla (figura 7.8.b). Pertanto possiamo già ora affermare che il

cloruro di sodio è più aggressivo e permette di avere reazioni immediate e veloci, mentre il

nitrato di sodio è più indicato quando è necessario controllare l’accuratezza della superficie

13

lavorata. Analizzando l’influenza della temperatura (figura 7.9.a) si osserva che l’N aCl è

poco sensibile alla temperatura e restituisce tassi di asportazione maggiori rispetto all’N aN O ,

3

che come detto è meno performante e in più presenta anche una drastica riduzione di K oltre

V

determinate temperature di esercizio, causata dalla dipendenza di η dalla temperatura. Dal

grafico 7.9.b si evidenzia inoltre che, qualsiasi sia il tipo e la concentrazione dell’elettrolita,

la velocità di circolazione w che determina il massimo valore possibile per K , (e quindi la

V

massima asportazione) è pari a 10 m/s. L’N aCl è perciò più indicato per avere elevati

tassi di asportazione, mentre l’N aN O è consigliato quando si desidera controllare meglio la

3

finitura superficiale. Figura 7.9: Influenza della temperatura

Volendo ora calcolare il tasso di asportazione MRR, ovvero la quantità di materiale

asportato nell’unità di tempo, possiamo ricavare che esso è pari a:

dV →

MRR = = v S = K iS MRR = K I

n V V

dt

e quindi è proporzionale a K . Infine ora possiamo ricavare l’energia specifica e definita come

V

l’energia necessaria per rimuovere un’unità di volume di materiale:

dE U idt U

e = = e =

dV K Idt K

V V

da cui si può notare la proporzionalità con la tensione U realizzata dal generatore elettrico,

che indica che per un dato materiale maggiore sarà il potenziale generato e maggiori saranno

i costi. In altre parole, maggiore è il coefficiente di lavorabilità del materiale K e minore

V

sarà l’energia specifica e associata alla lavorazione, e ciò si traduce sostanzialmente in un

minor costo del processo.

Analizziamo ora i parametri di processo legati al gap (figura 7.10.a). Considerando che

durante l’avanzamento dell’utensile il gap è mantenuto costante (v = v , dove v è la velocità

n f f

13 quando entrambi gli elettroliti raggiungono valori costanti di K .

V

80

di avanzamento dell’utensile), e che le cadute di potenziale attraverso utensile e pezzo sono

complessivamente pari a ∆U , allora si possono ricavare le seguenti relazioni:

− −

U ∆U U ∆U

i = k , s = K k

el V el

s v f

dove k è la conduttività elettrica dell’elettrolita. Possiamo quindi affermare che, in tali

el

condizioni semplificate, la densità di corrente influenza proporzionalmente la velocità di

dissoluzione elettrochimica, ed è legata in modo inversamente proporzionale alla distanza

pezzo utensile. In questi casi il gap è in realtà considerato come gap frontale s , ovvero la

90

distanza perpendicolare alla superficie dell’anodo.

Figura 7.10: Schema ed andamento del gap frontale

Dal grafico di figura 7.10.b si possono notare gli effetti dell’intensità di corrente sul gap

frontale e sulla velocità di dissoluzione per entrambi gli elettroliti maggiori: in entrambi i

casi gap minori danno densità di corrente e velocità di avanzamento più elevate. Il cloruro di

sodio in particolare presenta un range di gap più ampio rispetto al nitrato di sodio che anche

in questo caso presenta il tipico valore soglia per la velocità di dissoluzione. Si nota anche

che l’N aCl raggiunge densità di corrente maggiori e pertanto tassi d’asportazione più elevati.

Ciò che non viene però evidenziato dal grafico è che la densità di corrente è anche influenzata

dalla presenza di eventuali superfici passivate, le quali ostacolano nettamente il passaggio di

corrente, riducendo fortemente il gap necessario.

Figura 7.11: Schema generale del gap tridimensionale

Quando sono lavorate forme tridimensionali, l’ampiezza del gap è determinata da un

ulteriore variabile: l’angolo di inclinazione formato tra la velocità di avanzamento e la tangente

81

al profilo del pezzo (figura 7.11). Il gap diventa più ampio con l’aumento della ripidità del

profilo dell’utensile e con l’aumento del gap frontale. Pertanto in tali casi la velocità di

dissoluzione della superficie varia da punto a punto in funzione di γ. Gli effetti sono comunque

molto complessi ed in genere vengono ricavati numericamente.

7.4 Le capacità

La quantità di materiale asportato è proporzionale alla quantità di corrente ed è regolata

dalla legge di faraday. Per ottenere elevati tassi di asportazione del metallo e garantire

accuratezza nella duplicazione della forma dell’utensile, il processo è realizzato ad elevate

densità di corrente. Come già accennato quando si è parlato del coefficiente di lavorabilità

elettrochimica però, per la stragrande maggioranza dei materiali i tassi di asportazione

÷

non presentano evidenti variazioni, ed infatti si attestano intorno a valori di K = 1.6 2

V

3

mm /(A·min). Le ECM riescono ad effettuare lavorazioni con tolleranze dimensionali di

±12 ÷ 50 µm, mentre overcut minimi di 120 µm e conicità 0.001 mm/mm, permettono di

realizzare fori di diametro minimo di D = 0.76 mm e aspect ratio di 20 : 1.

La finitura superficiale varia da 1.5 µm sulla superficie frontale dell’utensile, a 5 µm

sulla superficie laterale, ed è funzione del materiale in lavorazione, del flusso dell’elettrolita

e della densità di corrente. Le lavorazioni comunque non producono danneggiamenti o

Figura 7.12: Superficie lavorata con ECM e range della rugosità

stati di tensione residue nel materiale (figura 7.12.a), come nel caso di alcune lavorazioni

convenzionali o nella USM dove invece sono fondamentali al fine di migliorarne la resistenza

a fatica: una soluzione è quella di effettuare una successiva lavorazione di martellatura.

Una errata impostazione dei parametri può portare a corrosione intergranulare. Per quanto

riguarda la finitura superficiale possiamo dire che in generale gap minori permettono di

raggiungere intensità di corrente più elevate, e quindi rugosità più basse, come mostrato in

figura 7.12b. In figura 7.13 vengono infine riportate alcune applicazioni della ECM.

Figura 7.13: Piastra di acciaio 65 HRC. Testa di camme. Paletta di turbina

82

Capitolo 8

Electrochemical Operation

In questo capitolo vengono spiegate diverse tecnologie basate sulla ECM e da essa derivanti,

ognuna delle quali nasce con il bisogno di risolvere problemi di specifiche lavorazioni.

8.1 Deburring

La sbavatura elettrochimica (ECD) realizza la dissoluzione anodica delle bave attraverso

l’azione di un elettrolita introdotto all’interno del gap tra l’utensile e le bave che gradualmente

vengono asportate sino alla loro scomparsa. Tali processi sono altamente selettivi (si agisce solo

su bave o al massimo su raccordatura di spigoli vivi), a basso costo e di facile manutenzione.

÷

Il costo dell’intera ECD è compreso tra 20 50 mila euro.

Il processo

La ECD si basa sui principi della ECM differenziandosi però da questa per diversi aspetti:

staticità dell’utensile, minore pressione e flusso dell’elettrolita ed anche una minore corrente.

Figura 8.1: Schema della sbavatura elettrochimica

I vantaggi in termini di riduzione di tempi sono molto evidenti rispetto ai processi di

sbavatura manuale: bastano solo alcune decine di secondi. Nei casi di sbavatura multipla però

le bave devono essere più regolari possibili, in modo da non avere cortocircuiti o disuniformità

tra le diverse lavorazione contemporanee.

L’attrezzatura

Le macchine ECD, riportate in figura 8.2, possono essere a stazioni singole o multiple

servite da un’unica sorgente di energia. 83

Figura 8.2: Schema ed esempio della ECD

Il 40% del costo totale della macchina è attribuito alla costruzione dell’utensile (figura

8.3) la cui realizzazione dipende fortemente dal tipo di bava da trattare. A tal proposito si

ricorda che normalmente l’utensile, come nell’ECM, non è soggetto ad alcuna usura, e che

non agendo per contatto diretto non necessita di alte resistenze meccaniche: è progettato

infatti in ottone, rame o in acciaio inossidabile (il più comune).

Figura 8.3: Vari utensili specifici per ogni forma di bava

Gli utensili sono rivestiti in materiale non conduttivo e resistente all’elettrolita tranne che

nelle zone di attacco. Nel momento in cui la zona non rivestita dell’utensile si avvicina alla

bava, incomincia l’attacco chimico, localizzato alla sola radice, che dà origine ad un truciolo,

poi allontanato senza provocare cortocircuito.

Parametri di processo ÷

La sbavatura elettrochimica lavora generalmente a voltaggi di 7 25 V e correnti di

÷ ÷ ÷

100 200 A. L’elettrolita lavora invece a pressioni di 0.07 0.35 MPa e portate di 4 15

L/min per ogni 100 A.

Rimanendo l’utensile fisso in posizione vicino la bava (gap di 0.12÷1.2 mm), la dissoluzione

diminuisce gradualmente con il procedere del tempo di lavorazione (aumenta infatti il gap),

provocando anche l’aumento di caduta di tensione nell’elettrolita. Analizzando lo schema del

processo ECM senza alimentazione dell’utensile (figura 8.4.a) si può ricavare, in condizioni di

gap iniziale h = h al tempo t = 0, che:

0 0

h t

· ·

Z Z V K V K

V V

2 20

· →

h dh = dt h = h +2 t

r r

h 0

0 84

che rappresenta proprio l’andamento parabolico del gap, riportato in figura 8.4.b, in funzione

del tempo di lavorazione.

Figura 8.4: Analisi del processo a gap non costante

Le capacità

Le ECD offrono indubbi vantaggi riguardo la facilità di manutenzione dell’attrezzatura,

l’automatizzazione e la possibilità di lavorare componenti finiti o componenti fragili che non

possono sopportare carichi. La stessa può raggiungere finiture superficiali (raccordando o

÷

sbavando) di 0.2 1.6 µm. L’unica condizione restrittiva del processo è, come già accennato,

Figura 8.5: Sbavatura multipla di un componente in acciaio

la geometria della bava. Infatti la ECD non è indicata per sbavature di massa, dato che

queste devono presentare sempre la stessa forma, anche in più lotti, e non devono essere molto

lunghe o molto larghe come quelle ottenute in seguito a pesanti lavorazioni per asportazione

di truciolo.

8.2 Honing

La lucidatura elettrochimica (ECH) è un altro esempio di ECM applicata ad una tecnologia

convenzionale. Consiste nel rimuovere materiale attraverso una combinazione di dissoluzione

anodica ed azione abrasiva.

Il processo

Un utensile cilindrico cavo (figura 8.6.a) ruota e trasla assialmente e alternativamente, in

maniera simile al processo convenzionale, erodendo con delle pietre, posizionate sulla superficie

85

esterna, gli ossidi superficiali prodotti dall’attacco dell’elettrolita, e riducendo cosı̀ la possibilità

di un eventuale azione elettrochimica disomogenea e non uniforme. Contemporaneamente

Figura 8.6: Schema ed esempio della macchina

l’elettrolita viene immesso all’interno dell’utensile ed entra nel gap da fori appositamente

realizzati sull’utensile, attaccando chimicamente le superfici del pezzo.

L’attrezzatura

Le macchine ECH sono composte essenzialmente da un utensile e da un elettrolita.

L’utensile è cilindrico e cavo, prodotto in acciaio inox, e provvisto almeno in tre punti della

÷

sua circonferenza di pietre abrasive in pietra viva o in grani (20 50 µm) affogati in un

legante a base di resina. Durante la lavorazione le pietre mantengono il contatto con la

superficie da lavorare attraverso delle molle, espandendosi al massimo a circa la metà della

profondità del foro da lavorare. All’interno dell’utensile infine scorre l’elettrolita che viene

immesso nel gap attraverso appositi fori presenti sullo stesso (figura 8.6.a). Rispetto alle

mole convenzionali questi utensili hanno maggiore usura poiché sottoposti a sollecitazioni

meccaniche e chimiche.

Parametri di processo

I principali parametri di lavoro di corrente e tensione sono rispettivamente di 6000 A e

2

÷

6 30 V, con una densità di corrente che in genere è di 18 A/cm . All’inizio della lavorazione

÷

il gap tra utensile e pezzo è di 75 127 µm ed aumenta sino a superare 0.5 mm. Tale aumento

riduce, come noto, l’azione elettrochimica dell’elettrolita usato (N aCl, N aN O in capacità

3

di 200 L). Il problema della composizione percentuale, dei fanghi residui e del pH è meno

÷

critico: l’elettrolita, in pressione a 0.5 1 MPa, è infatti filtrato e riutilizzato.

Le capacità

Le finiture superficiali raggiungono i 0.05 µm senza che siano lasciati né graffi né tensioni

±0.002 ÷

residue, mantenendo le tolleranze dimensionali a 12 µm. Le macchine permettono

÷

di lucidare fori di diametro di 9.5 150 mm con una profondità sino a 600 mm, ma la

disposizione dei fori per l’immissione dell’elettrolita nel gap, non permette di lavorare fori

ciechi. Il tasso di asportazione può essere del 100% maggiore rispetto a quello ottenuto con

1

la tecnica convenzionale, in tempi più ristretti e con una vita utile più lunga per le pietre .

1 Un foro di 19 mm in un acciaio cementato di 62 HRC è lavorato in 4s, mentre sono necessari 18 s nella

lucidatura convenzionale, nella quale si registra inoltre un aumento del consumo delle pietre del 300%.

86

La lunga durata delle pietre è sostanzialmente da attribuire al fatto che nel processo solo il

20% del materiale è asportato per azione abrasiva, e quindi il loro consumo è basso. Una

applicazione importate delle ECH è quella della lucidatura delle ruote dentate (figura 8.6.b)

8.3 Turning

La lavorazione elettrochimica di tornitura (ECT) permette di lavorare materiali in maniera

simile al suo analogo convenzionale. Presentano in genere utensili di forma (figura 8.7) che

riescono a realizzare lavorazioni interne od esterne facendo muovere il pezzo in macchine

orizzontali o verticali. Le correnti possono raggiungere anche i 20 kA nella tornitura di dischi

Figura 8.7: Esempi di tornitura, brocciatura e fresatura elettrochimica

di grande diametro, ma si possono lavorare anche dischi molto sottili (D = 0.12 mm)

min ±7 ÷

indipendentemente dalla durezza (come nella ECM), raggiungendo tolleranze di 12

µm, con finiture superficiali anche di 0.12 µm. Sugli stessi principi si basano anche altre

lavorazioni elettrochimiche come la brocciatura e la fresatura.

8.4 Grinding

Il processo di rettifica elettrochimica (ECG) combina asportazione elettrochimica (al

90%) e meccanica (al 10%). È del tutto simile alla rettifica convenzionale, ma si differenzia

da questa per la mola conduttrice, per il peso più contenuto delle macchine (meno rigide e

resistenti) e per l’utilizzo di un elettrolita. In un primo momento può sembrare molto simile

ad una ECT di fresatura, ma si differenzia nettamente da questa per la presenza di grani

abrasivi che fuoriescono dalla mola, che hanno il compito di depassivare la superficie lavorata

e assicurare un gap piccolissimo senza alcun pericolo di cortocircuito (0.25 mm per una mola

nuova) dato che sono anche isolanti.

Il processo

La lavorazione prevede tre diverse fasi principali come mostrato in figura 8.8:

1. Fase interamente elettrochimica a partire dal bordo di ingresso dell’elettrolita (pressioni

di 1 MPa, con mola in rotazione a 1675 m/min)

2. Fase mista elettrochimica e meccanica: continua ad esserci l’effetto elettrochimico,

ma si aggiunge quello dell’abrasivo dei grani che entrano in contatto col materiale in

lavorazione. In questa zona il gap, che diventa sempre più piccolo, coincide con l’altezza

dei grani abrasivi che fuoriescono dalla mola.

87

Figura 8.8: Schema del principio di una ECG

3. Fase interamente elettrochimica con leggera rimozione di eventuali bave.

L’attrezzatura

Le ECG possono effettuare cinque diversi metodi di rettifica: piana (figura 8.9.a), di

superficie, interna, di forma e cilindrica (figura 8.9.b). A seconda del tipo di uso quindi si

possono adoperare diverse mole in diverse configurazioni. In generale comunque l’attrezzatura

Figura 8.9: ECG piana e cilindrica

è simile alle macchine di rettifica convenzionali tranne che per la presenza della sorgente

di potenza elettrica e dell’elettrolita (capacità di 280 L), che impedisce di utilizzare

componenti soggetti a corrosione quando attaccati chimicamente. Assente è invece un sistema

di protezione contro i cortocircuiti, dato che essendo la mola rotante ad altissima velocità,

non c’è pericolo di saldatura tra anodo e catodo.

Figura 8.10: Schema di lavorazione di una ECG

88

Le mole sono composte da un abrasivo e da un materiale legante conduttivo, quale rame,

2

ottone o nichel, che garantiscono la conducibilità elettrica . L’abrasivo è invece comunemente

ossido di alluminio (∼ 70 mesh) o anche particelle di diamante in una matrice di nichel: la

ravvivatura delle mole avviene tramite funzionamento elettrico inverso (mola ad anodo) in

modo tale da far evidenziare i grani. La sua vita utile è anche dieci volte maggiore di quella

della rettifica convenzionale semplicemente perché l’arco di contatto abrasivo (fase due) è

minore rispetto a quello convenzionale (fase uno, due e tre tutte abrasive). L’albero della

mola ECG è collegata al sistema elettrico tramite delle spazzole striscianti in grafite. Con lo

schema di lavorazione di figura 8.10 (rotazione mola e posizione di ingresso dell’elettrolita),

è rimosso uno spessore di materiale maggiore della profondità di taglio pianificata a causa

della dissoluzione elettrochimica iniziale.

Per quanto riguarda l’elettrolita, si utilizza N aCl (concentrazione di 25 Kg/L) mantenuto

÷ ÷

a temperature di 15 30 e pressioni di 0.4 1.4 MPa, filtrato dai fanghi e riutilizzato

C 3

come per l’ECM. La velocità di alimentazione è mantenuta intorno ai 4 mm/s per evitare

di usurare la mola quando la velocità è troppo alta, oppure di causare overcut (con cattive

finiture e tolleranze) quando è troppo bassa.

Parametri di processo

I parametri tipici di corrente e tensione sono rispettivamente di 50÷3000 A (più basse della

÷

ECM) e 4 115 V. Quest’ultima in particolare è regolata sino alla comparsa di piccoli archi

elettrici sulla superficie della mola: se da un lato sappiamo che finitura e tasso d’asportazione

sono proporzionali alla densità di corrente, dall’altro è importante ricordare che lavorare a

basse tensione permette di minimizzare il pericolo di archi elettrici e di ridurre la generazione

di calore durante la lavorazione. La massima profondità di taglio è di 2.5 mm ed influenza

Figura 8.11: Esempi di macchine ECG

l’arco di contatto, che in genere non supera i 19 mm: archi troppo lunghi rendono inefficiente

l’azione elettrolitica, perché aumenta la concentrazione dei prodotti nella lavorazione della

fase due. La lavorazione è in genere realizzata in un’unica passata, ed eventualmente una

passata di finitura che migliora la rugosità superficiale e le tolleranze dimensionali.

L’azione dei grani abrasivi dipende dalle condizioni esistenti nel gap: campo elettrico,

trasporto dell’elettrolita, effetti idrodinamici sull’anodo. Un aumento della velocità di

avanzamento del pezzo, porta ad una riduzione del gap ed un aumento dell’azione meccanica,

con conseguente riduzione delle fasi ad azione elettrochimica. In questo caso lo spessore di

materiale rimosso per azione meccanica approssima la profondità di taglio.

2 Nelle applicazioni di rettifica di forma si utilizza resina impregnata di rame.

3 Di avanzamento del pezzo. 89

Le capacità

Per la lavorazione di profili complessi le macchine ECG possono essere attrezzate con

elettrodi speciali in PCD ed integrati con controllo numerico (figura 8.12.a). I tassi d’a-

sportazione possono raggiungere in genere quantità anche dieci volte quelli della rettifica

convenzionale su materiali con durezze maggiori di 60 HRC (sono comunque lavorabili tutti i

materiali con durezze superiori a 45 HRC) e pari a 1.6 mm/min·A, ma con tolleranze più

÷

ampie (±12 25 µm). Le lavorazioni non presentano bave e permettono di avere a seconda

÷

del tipo di lavorazione, finiture medie di 0.2 0.8 µm.

Figura 8.12: Lavorazioni speciali

Le applicazioni più importanti delle ECG si ritrovano nel settore della produzione degli

inserti per utensili per asportazione di truciolo (ed in particolare per quelli in carburo, dove

si hanno risparmi elevati in termini di costi e tempi rispetto alla rettifica convenzionale), nel

settore ferroviario ed in quello dei sistemi energetici. A tal proposito si riporta un esempio di

confronto tra rettifica elettrochimica e convenzionale in figura 8.12.b su una superlega per

turbine a gas. È infatti evidente come la rettifica elettrochimica sia in genere particolarmente

competitiva nella lavorazione di materiali difficili, come carburi sinterizzati e leghe resistenti

allo scorrimento viscoso (Inconel, Nimonic), leghe di titanio e compositi a matrice metallica

− − −

(Co P CD, Al SiC, Al Al O ).

2 3

8.5 Electrostream Drilling

La foratura di tipo electrostream (ESD) è un particolare tipo di processo elettrochimico

nel quale non c’è bisogno di un vero e proprio utensile metallico, ma è presente al suo posto

un tubo in vetro (figura 8.13.a). Infatti la presenza di un utensile metallico è un fattore

÷

estremamente limitante nella realizzazione di fori molto piccoli: 127 900 µm, al di sopra di

tali diametri la lavorazione di foratura convenzionale diviene più competitiva.

Il processo

Il processo di foratura della lavorazione ESD prevede un flusso di elettrolita a base di acido

diluito ad alta velocità che, investendo un catodo, viene caricato elettricamente e convogliato

all’interno di un ugello cilindrico non conduttore (in genere in vetro) che lo dirige sul pezzo.

Sono utilizzate due tecniche di foratura: 90

• Con penetrazione. Nella foratura con penetrazione (figura 8.15.b), l’ugello viene conti-

4

nuamente abbassato tramite regolazione della corrente di passaggio, al fine di mantenere

costante l’altezza del gap.

Figura 8.13: Schema del processo

La lavorazione inizia portando l’utensile sul pezzo e procedendo con la foratura. Al

termine dell’operazione quando è stata raggiunta la profondità desiderata (fori profondi

al massimo 20 mm e aspect ratio di 40 : 1), viene effettuata una sosta che permette di

rimuovere le creste formatesi sul fondo nella zona centrale del foro a causa del passaggio

dei filetti fluidi dell’elettrolita (particolare di figura 8.13). In generale possiamo dire

che la geometria dei fori realizzati ha in ingresso pezzo una forma a campana, mentre

in uscita una forma rettilinea, conica o conica inversa, in funzione del tempo di sosta.

• Con ugello fermo. Nella foratura con ugello fisso, detta anche foratura con sosta,

l’utensile non avanza nel pezzo, e quindi le caratteristiche del foro cosı̀ ottenuto

dipendono tutte dalla capacità del flusso di mantenersi coassiale e coerente (profondità

massime di 5 mm e aspect ratio di 10 : 1). Pertanto queste lavorazioni presentano

profondità e precisioni limitate che causano problemi di forma e diametro.

Figura 8.14: Macchina con utensile fermo

4 In questo caso infatti è presente un sistema di alimentazione dell’ugello, ovvero un sistema che ne permette

l’avanzamento. 91

L’attrezzatura

Le macchine ESD sono simili alla ECM, ma richiedono potenze elettriche anche venti

÷

volte maggiori (150 850 V) e presentano un ugello invece che un utensile in metallo. Esso

5

infatti è realizzato in vetro e può avere nella parte finale dimensioni anche capillari (figura

8.15) di forma circolare, ovale o a slot.

Figura 8.15: Diametro dell’ugello a confronto

Tutti i componenti della macchina sono progettati per resistere all’aggressivo attacco

degli elettroliti a base di acidi diluiti che vengono utilizzati: H SO per le leghe di titanio,

2 4

alluminio e di nichel, mentre HCl per acciai e leghe di cobalto. Ciò evita la formazione di

fanghi che potrebbero essere dannosi per la lavorazione.

Parametri e capacità

La tecnica ESD permette di effettuare fori con elevato aspect ratio in un materiale

conduttore senza alterare nessuna delle sue proprietà: non sono infatti presenti tensioni

residue, cambiamenti metallurgici, né bave. La precisione del processo è definita dalla

tolleranza sul diametro (±5%), dalla conicità (0.003 mm/mm) e dalla rugosità superficiale

6

÷

(tra 0.25 1.6 µm). Sono possibili anche fori con angolo di incidenza di 15 .

Figura 8.16: Palette forate di una turbina

È possibile anche effettuare forature multiple con velocità di foratura di 1.5 mm/min

7

indipendentemente dal numero di utensili . Un’importante applicazione è la realizzazione dei

canali di raffreddamento delle palette di turbina (leghe di cobalto e di nichel), che vengono

realizzati con una percentuale bassissima di scarti: solo l’1.5%.

5 In ogni caso il diametro deve comunque permettere l’allontanamento dell’elettrolita.

6 L’inclinazione è intesa tra asse foro e superficie del pezzo.

7 In alcune applicazioni sono stati progettati utensili con 100 ugelli.

92

8.6 Shaped-Tube Electrolytic Machining

Tale tecnologia può essere considerata figlia della ESD. Il processo fu sviluppato e brevet-

tato dalla GE all’inizio degli anni ’60 per importanti applicazioni nel settore dell’aeronautica

ed in particolare nella foratura profonda di materiali conduttivi di difficile lavorabilità.

Il processo

Il processo è del tutto simile a quello delle ECM e delle ESD: un elettrolita viene immesso

all’interno di un utensile caricato elettricamente e diretto sul materiale da forare. Le reazioni

elettrolitiche che si originano sulla superficie del pezzo asportano materiale che viene poi

allontanato, insieme ai prodotti delle reazioni, verso l’esterno del foro.

Figura 8.17: Esempio di utensile di una SEM

L’attrezzatura

La macchina è fondamentalmente costituita da un generatore di bassa tensione, da delle

guide in carburi o teflon che mantengono rettilinea la traiettoria dell’utensile e costante il gap,

dall’utensile, da un elettrolita e da un sistema di ventilazione per l’allontanamento dell’idrogeno

sviluppato durante le reazioni elettrochimiche. L’utensile è formato da un elettrodo cavo in

8

titanio caratterizzato da una punta inclinata di circa 10 , e da un rivestimento protettivo

polimerico, disposto sulla sua superficie esterna laterale (figura 8.18).

Figura 8.18: Schema di una SEM

8 La punta viene ravvivata facendo funzionare in modo inverso la SEM.

93

L’elettrolita è anche qui a base di acidi diluiti (H SO al 10%) per evitare tutti i problemi

2 4

derivanti dalla produzione di fanghi, analogamente a quanto detto per la ESD. È costantemente

controllato in pressione, temperatura (max 50 C) e pulizia.

Parametri di processo ÷

La tensione richiesta è di 5 15 V ed un suo aumento, oltre che un aumento della velocità

9

÷

di foratura (1.5 5 mm/min), potrebbe comportare un ebollizione dell’elettrolita, plating e

danneggiamento dell’utensile . Al contrario una riduzione della concentrazione dell’elettrolita

aumenta la vita dell’utensile, ma riduce la velocità di foratura.

÷

L’overcut prodotto dalle SEM è compreso tra 50 250 µm per lato (quindi elevata

incidenza sulle dimensioni totali del foro) ed è funzione della tensione e della pressione

dell’elettrolita, che possono variare il diametro nominale del foro anche del 10%. In questo

modo però si riescono ad ottenere diversi diametri con uno stesso utensile.

Le capacità

La SEM consente di eseguire fori piccoli e profondi in materiali conduttori con aspect

ratio di 300 : 1, per esempio vengono realizzati fori da 3 mm (ma in genere sono possibili

÷

fori tra 0.64 6.35 mm) e di 900 mm di profondità. Anche se la tecnologia permette degli

Figura 8.19: Evoluzione tecnologica nella foratura

aspect ratio molto elevati, in genere quelli facilmente raggiungibili sono dell’ordine di 16 : 1

con profondità di 127 mm. Come per la ESD anche la SEM opportunamente ingegnerizzata

può realizzare anche 100 fori simultaneamente. ÷

Le finiture superficiali sono comprese tra 0.8 3.1 µm con conicità di 0.0015 mm/mm, e

sono influenzate sia dal tipo di materiale in lavorazione, che dagli altri parametri di processo.

9 Per evitare la deposizione viene generalmente utlizzata la tecnica dell’inversione della polarità per circa

1% del tempo ciclo. 94

Capitolo 9

Electro Discharge Machining

Le lavorazioni per elettroerosione sono probabilmente ad oggi le tecnologie non conven-

zionali più recenti. L’idea è di sfruttare le potenzialità di un arco che colpisce il materiale,

in maniera del tutto analoga a quanto avviene per un fulmine. Il primo passo è stato

quello di poter capire come controllare l’arco voltaico, per evitare l’asportazione di materiale

dall’utensile che si verificava nei processi non controllati: tale problema fu risolto dai coniugi

Lazarenko nel 1943 con la creazione di un servo-sistema di controllo che permetteva di

mantenere costante l’ampiezza del gap.

Figura 9.1: Potenza di un fulmine

Potendo l’EDM lavorare leghe e metalli duri (acciai temprati, rapidi o ad elevata tenacità)

1

o anche materiali ceramici particolari , ad oggi risulta infatti il processo non convenzionale

maggiormente diffuso in diversi settori dell’industria meccanica, ed in particolare in quello

della realizzazione di stampi, dove viene sfruttata la sua capacità di produrre forme molto

2

complesse ad elevata precisione

9.1 Il processo

L’EDM è un processo termico che si basa su di un’azione elettro-erosiva tra materiali

conduttori indipendentemente dalla loro durezza relativa: utensile di forma e pezzo, collegati

1 Possono essere lavorati solo ceramici arricchiti con rinforzi elettricamente conduttivi a base di titanio, i

quali permettono di aumentare la conducibilità elettrica fino ad un valore idoneo per le lavorazioni EDM.

2 A patto che sia sempre garantita la possibilità di estrarre l’utensile alla fine dell’operazione erosiva.

95

ai poli di un generatore ed immersi in un fluido dielettrico, si scambiano milioni di scariche

elettriche controllate e non stazionarie mantenendosi ad una distanza costante e ravvicinata

grazie ad un sistema di alimentazione. Ciò fornisce localmente un calore tale da formare piccoli

crateri sulla superficie, che rilasciano prodotti di fusione e successivi gas di evaporazione,

allontanati poi meccanicamente o elettricamente per mantenere stazionarie le condizioni di

lavoro. Il processo si ripete quindi ciclicamente, con frequenze anche di 250 kHz, con una

successione di diverse fasi come riportato in figura 9.2, le quali riguardano: la preparazione

− − − −

della scarica (1 2 3), la formazione del canale e la scarica vera e propria (4 5 6) ed il

− −

lavaggio (7 8 9). Figura 9.2: Fasi di un singolo ciclo

Analizziamo ora nel dettaglio tutte le nove fasi di un ciclo supponendo che l’utensile,

3

per esempio in grafite (poco usurabile), sia collegato sull’elettrodo positivo e sia avvicinato

al pezzo mentre entrambi sono immersi in un bagno di olio isolante (il fluido dielettrico).

Anche se il dielettrico è un buon isolante, una tensione sufficientemente alta può causare la

rottura dell’isolamento con generazione di ioni ed il passaggio di una corrente elettrica da

una parte all’altra. Tale rottura del dielettrico è resa più semplice quando nel fluido sono

4

sospese particelle metalliche e di grafite che aiutano la ionizzazione del dielettrico :

Figura 9.3: Fasi di preparazione della scarica

1. Il campo elettrico è più intenso nei punti a minore distanza tra utensile e pezzo

(figura 9.3.a). Lo stadio iniziale della formazione della scarica (ciclo di ON) è perciò

caratterizzata da un aumento del potenziale (la tensione) e corrente nulla.

2. Con l’aumento del numero di particelle caricate elettricamente (gli ioni) che si allineano

al campo elettrico, le proprietà isolanti del dielettrico diminuiscono in maniera più

3 Si vedrà nei prossimi paragrafi che il posizionamento su di un elettrodo più che l’altro dipende

sostanzialmente dalla durata della scarica.

4 Le fasi di lavaggio devono garantire comunque un certo livello di ionizzazione del dielettrico, poiché

deionizzazioni troppo spinte potrebbero compromettere la capacità di innesco della scarica.

96

intensa in corrispondenza della zona dove il campo elettrico è più intenso. In questa

fase la tensione raggiunge il valore massimo, mentre la corrente è ancora nulla.

3. Nel momento in cui il dielettrico perde le sue capacità isolanti a causa della ormai

netta separazione delle cariche positive e negative nel gap, un passaggio di cariche si

ha lungo uno stretto canale tra utensile e pezzo. La tensione diminuisce, mentre la

corrente inizia a crescere.

Figura 9.4: Fasi di formazione del canale e di scarica

4. Il calore aumenta rapidamente con l’aumentare del passaggio di cariche e vaporizza

parte del dielettrico, del materiale del pezzo e dell’utensile. Si inizia a formare un canale

di scarica. La corrente elettrica aumenta, mentre la tensione diminuisce (figura 9.4.a).

La bolla di vapore in formazione si espande verso l’esterno. La sua espansione è però

5. limitata dagli ioni che sono attratti nel canale di scarica dove si è concentrato il campo

elettromagnetico. Corrente e tensione continuano rispettivamente ad aumentare e a

diminuire.

6. In prossimità della fine della fase di ON del ciclo, corrente e tensione si stabilizzano,

mentre calore e pressione all’interno della bolla di vapore hanno raggiunto il valore

massimo. Sulla superficie di pezzo parte di materiale è stato rimosso, mentre altro è

allo stato fuso ed è tenuto in posizione dalla pressione del vapore. Il canale di scarica è

ora un plasma surriscaldato di vapori metallici, dielettrico e carbonio.

Figura 9.5: Fasi di lavaggio

97

7. All’inizio della fase di OFF del ciclo, corrente e tensione vengono interrotte e la

temperatura diminuisce rapidamente. La bolla di vapore non è più sostenuta e collassa

(implosione), causando l’espulsione del metallo fuso dalla superficie del pezzo.

8. Dielettrico fresco è richiamato velocemente nella zona, lavando i prodotti della scarica

e raffreddando la superficie del pezzo. Il metallo fuso non espulso nell’implosione,

solidifica rapidamente formando un layer molto duro.

9. Il metallo espulso nell’implosione, forma piccole sfere che si disperdono nel dielettrico

insieme con le particelle di grafite dell’utensile. Il vapore si disperde parte in superficie

e parte in forma di sfere cave (cenosfere) rappresentate in figura 9.6. Una durata non

sufficiente della fase di OFF del ciclo, non permette un adeguato lavaggio di queste

particelle, portando ad una instabilità nella successiva scarica con archi voltaici che

danneggiano utensile e pezzo.

Nella figura 9.6.a si possono osservare le diverse particelle che si originano dopo l’implosione

della bolla di vapori. Sono visibili particelle di diversa natura e grandezza che dovranno

necessariamente essere eliminate, almeno in parte, nelle fasi di lavaggio. Infatti le particelle

Figura 9.6: Esempi di particelle e cenosfere

al di sotto dei 5 µm non vengono eliminate nelle fasi di lavaggio, ma vengono invece sfruttate

per ionizzare adeguatamente il dielettrico. Per questo motivo si cerca sempre di mantenere i

parametri di processo a valori che permettano di produrre mediamente solo particelle piccole.

Nella figura 9.7.a è possibile notare l’effetto di una singola scarica sulla superficie: è

nettamente visibile la zona fusa (di cui si parlava nelle fasi 6, poi in parte espulsa, fase

7, ed in parte solidificata, fase 8), sede di uno scambio termico notevolissimo, e quindi di

una drastica tempra, che produce nel metallo difetti quali pori, cricche e tensioni interne

originatesi a seguito del differente grado di dilatazione con gli strati più interni del pezzo.

Nelle vicinanze di tali zone risolidificate si formano zone termicamente alterate, che presentano

Figura 9.7: Esempio di singola scarica e di superficie lavorata

solo modificazioni metallurgiche come la trasformazione in martensite: infatti si ricorda che i

98

materiali lavorati con EDM sono prevalentemente metalli molto duri finalizzati alla produzione

di utensili, e quindi ad alto contenuto di carbonio. Nella figura 9.7.b si può osservare una

porzione di superficie lavorata con l’EDM molto irregolare, ma si tratta comunque di distanze

estremamente piccole, e che quindi a scale più grandi producono finiture superficiali talmente

buone da poter essere sfruttate nella produzione di stampi.

Possiamo ora riassumere l’andamento di corrente, tensione e conduttività del dielettrico

nel solo grafico di figura 9.8.

Figura 9.8: Diagramma dei parametri di lavoro

Ritardo di accensione: rappresenta l’intervallo tra l’innesco dell’impulso e

t

d l’inizio del passaggio di corrente, ed è quindi un periodo improduttivo.

t Durata della scarica: rappresenta il tempo in cui la scarica è attiva, ed è quindi

e l’unico periodo produttivo.

t Tempo di pausa: intervallo tra due impulsi che rappresenta il minimo tempo

0 necessario per consentire una sufficiente deionizzazione, ed è quindi un

periodo improduttivo.

t Durata dell’impulso

i

t Durata del ciclo o periodo dell’impulso: tempo tra due impulsi.

p

t + t Formazione del canale di scarica.

1 2

t Periodo in cui esiste il canale di scarica.

3

t Implosione del canale di scarica.

4

t Deionizzazione del canale di scarica.

5 99

Dal grafico si osserva quanto già detto in parte nella spiegazione del ciclo: applicando una

tensione a vuoto che cresce rapidamente, si provoca il fenomeno di ionizzazione del dielettrico,

il quale, perdendo le sue proprietà isolanti, porta alla formazione del canale di scarica. La

conduttività del dielettrico raggiunge il punto di innesco della scarica al tempo t t e la

d 1

corrente incomincia ad aumentare in sfavore della tensione che si riduce. In t + t la tensione

1 2

e la corrente raggiungono nuovi valori costanti, che restituiscono una resistività minima, e

quindi una conduttività massima, anch’essa costante all’interno del canale di scarica. Quando

viene staccata la tensione in t + t , tensione e corrente crollano e si verifica l’implosione

d e

della bolla di vapori. La conduttività rimane inalterata per la durata dell’implosione per

poi decadere rapidamente in funzione del tipo di lavaggio adottato. Tracciando una linea

orizzontale dal punto di innesco verso destra fino ad incontrare la curva di conduttività

decrescente (linea rossa di figura 9.8), si riesce ad identificare il tempo minimo di attesa

t per il lavaggio, al di sotto del quale il dielettrico non si comporta più come tale, ma

0

molto più similmente ad un conduttore, mentre per t più grandi la curva risulta più alta.

0

Quando t è più piccolo del valore minimo richiesto dal processo si osserva che non appena

0

si fornisce tensione, si produce la scarica: tale dannosa situazione è chiamata condizione

di arco voltaico e si differenzia dalla scarica poiché ha una durata lunga, che può essere

interrotta solo staccando la tensione. In generale si può affermare che se la riduzione dei

tempi improduttivi t e t sia positivo, raggiungere per essi valori eccessivamente bassi o

d 0

addirittura nulli è dannoso. Figura 9.9: Tipi di impulsi

La scarica che può crearsi durante la lavorazione dipende sostanzialmente dal gap locale

tra pezzo ed utensile. In figura 9.9 sono evidenziate le quattro condizioni di gap che si possono

verificare ed i conseguenti parametri dell’impulso:

Impulso a vuoto Il gap risulta troppo grande e la ionizzazione del dielettrico risulta insuf-

ficiente. La tensione è presente, ma l’innesco non si verifica. Tale situazione è definita

anche open loop, dato che il circuito elettrico con il generatore è praticamente aperto.

100

Scarica di erosione Rappresenta la situazione ideale di scarica in cui tutti i parametri di

lavoro permettono di ottenere alta erosione del pezzo e bassa usura dell’utensile.

Falsa scarica In tale situazione la distanza del gap è troppo ridotta ed il t = 0 provocando

d

il rapido decremento della tensione non appena questa raggiunge il valore massimo. Si

verifica cosı̀ la condizione di arco voltaico, con innesco sempre nello stesso punto, che

porta l’utensile a rapida usura.

Cortocircuito Pezzo ed utensile si toccano e si produce corrente senza la creazione di una

scarica. Tale situazione è anche detta di shortcut, dato che il circuito elettrico con il

generatore è proprio in cortocircuito.

9.2 Attrezzatura

Le macchine EDM sono composte da un generatore, dal dielettrico, da un elettrodo

(l’utensile) ed un servosistema, come riportato in figura 9.10.

Figura 9.10: Schema di una macchina EDM

Generatore Il primo tipo di generatore utilizzato negli esperimenti dei coniugi Lazarenko

fu il generatore a rilassamento, mentre oggi vengono utilizzati generatori ad impulsi

statici. Figura 9.11: Generatore a rilassamento

101

• A rilassamento: Sono composti da un circuito di carica ed uno di scarica (impiegato

dopo l’innesco) con i quali però risulta difficilmente controllabile la scarica in gap

con geometria complessa. Tipici parametri di lavoro sono: durata della scarica pari

÷

a 1 µs, tempo ciclo t pari a 100 µs, tensione a vuoto del generatore da 100 500

p

V e corrente di scarica i da 1000 A.

e

• Ad impulsi statici: Tali generatori prevedono l’utilizzo di una piccola percentuale

di corrente continua per generare un segnale con forma rettangolare, che a sua

volta comanda dei transistor i quali si occupano di regolare il flusso della restante

parte di corrente responsabile delle scariche. Sono dotati di un servosistema

di avanzamento che permette di mantenere costante il gap sfruttando il legame

esistente tra tensione e la distanza pezzo-utensile. Il tutto è poi tenuto in sicurezza

Figura 9.12: Generatore ad impulsi statici

da un sistema di protezione contro i cortocircuiti, che interrompe la fornitura

di potenza quando tensione o corrente superano determinati valori di soglia, o

quando si verificano archi voltaici.

I generatori di ultima concezione, usano impulsi brevi ed una tensione media più

bassa, permettendo cosı̀ di limitare la formazione di zone termicamente alterate

ed ottenere anche rugosità inferiori a 0.1 µm.

Indipendentemente dal tipo di generatore, il cablaggio elettrico del pezzo, ovvero la

polarità alla quale esso viene collegato, non è sempre lo stesso, ed infatti dipende dalla

durata della scarica:

• Breve: Quando l’impulso è breve il tempo a disposizione per la migrazione delle

particelle elementari nel canale di scarica è ridotto: per questo motivo si evidenzia

una maggiore migrazione degli elettroni (più leggeri degli ioni positivi) verso il

5

polo positivo del generatore sul cui elettrodo viene a generarsi, e a concentrarsi,

un quantità di calore maggiore. Il pezzo viene pertanto collegato sull’elettrodo

positivo.

• Grande: Quando invece l’impulso è di relativamente grande durata, a parità di

velocità di impatto, gli ioni positivi sono in grado di generare una quantità di

calore maggiore sul catodo, a causa della loro maggiore massa rispetto a quella

degli elettroni. In queste condizioni l’effetto erosivo più elevato è localizzato

sull’elettrodo negativo, e viene pertanto ad esso collegato il pezzo.

Tale accortezza è fondamentale per ottenere asimmetria di usura tra utensile e pezzo.

Infatti essa dipende oltre che dalla polarità e dalla durata della scarica come appena

spiegato, anche dalla temperatura di fusione dei materiali ed alla intensità delle scariche

5 Come nelle altre lavorazioni analizzate nei precedenti capitoli, anche qui ci si riferisce a catodo ed anodo

secondo la polarità definita dal generatore e non come nei processi elettrochimici.

102

stesse: scegliendo adeguatamente i parametri di scarica (polarità, durata ed intensità)

e facendo in modo che la temperatura del pezzo in lavorazione non salga mai eccessiva-

mente, si sono raggiunte anche asimmetrie notevoli con il 99.5% di asportazione e lo

0.5% di usura. Questo è stato reso possibile anche grazie all’adozione di generatori di

nuova concezione (figura 9.13), che sono in grado di generare impulsi ad alta frequenza,

ma con tensioni medie più basse.

Figura 9.13: Confronto tra generatori (pezzo al positivo)

Il dielettrico è un fluido isolante interposto tra pezzo ed utensile mosso e filtrato

Dielettrico

da un sistema di pompaggio. Esso assolve a diversi compiti quali il raffreddamento dei

componenti, il lavaggio del gap a seguito della scarica, e di mantenere il più possibile

contratto il canale di scarica. I fluidi più utilizzati sono oli basati su idrocarburi minerali

(anche se presentano problemi di lavaggio dei prodotti di scarica): ne è un esempio il

comunissimo cherosene con additivi, che ha il vantaggio di prevenire la formazione di

bolle di gas e lo sviluppo di odori sgradevoli. Altri dielettrici comuni sono le miscele di

petrolio, i fluidi a base siliconica, ed in particolare nel taglio per elettroerosione, l’acqua

deionizzata.

Nella valutazione di un dielettrico sono diverse le caratteristiche da tenere in considera-

zione:

• Punto di infiammabilità: Rappresenta la temperatura a cui il dielettrico si infiamma

in presenza di una fonte di ignizione. Per ragioni di sicurezza dovrebbe essere

sempre il più alto possibile, dato che in genere si lavora a temperature inferiori di

15 C dal flash point.

• Resistività: Rappresenta un indicatore sulla velocità di ionizzazione e deionizzazio-

ne del processo. Il dielettrico dovrebbe essere in grado di mantenere una resistività

il più alta possibile prima dell’impulso, in modo da avere una efficiente ionizzazione

del gap nel minimo tempo t , ed una capacità di recuperare tale resistività nel più

d 6

breve tempo t dopo la scarica . Infatti in funzione della resistività del dielettrico

0

la grandezza del gap richiesto varia. Quando la resistività è alta l’isolamento

contro gli archi voltaici è maggiore, e si può lavorare con gap più piccoli e anche

in condizioni di lavaggio povere ottenendo precisioni dimensionali migliori, ma

velocità di asportazione più basse. Al contrario quando la resistività è bassa, si ha

un minor isolamento elettrico che provoca la riduzione del tempo di attesa t : in

d

tali condizioni sono richiesti gap maggiori, che favoriscono invece una velocità di

asportazione più alta, ma con minore qualità delle lavorazioni.

La resistività è influenzata anche dal contenuto di bolle di gas, particelle solide

quali carbonio (provenienti dalla distruzione delle molecole del dielettrico) e

6 I dielettrici presentano infatti resistività decrescente con la temperatura.

103

microsfere (originatesi dall’evaporazione del metallo fuso), che ne incrementano la

7

conduttività

• Viscosità: La viscosità del fluido ostacola l’allontanamento di vapori e gas dalla

zona di scarica, ed in particolare un valore elevato permette di tenere contratto e

focalizzato il canale di scarica, provocando l’aumento sia della densità di energia

di scarica che del rendimento erosivo: oli ad alta viscosità sono utilizzati laddove

si richiedono moderate finiture, ma alti tassi d’asportazione (caso delle matrici

di forgiatura), poiché consentono di adoperare correnti elevate mantenendo ben

contratto il canale di scarica. Quando invece la viscosità è bassa come nel caso

di dielettrici a base di acqua, si riesce ad effettuare un lavaggio più semplice ed

efficiente che consente di ridurre il gap in favore dell’accuratezza e della finitura,

ma con tassi di asportazione più contenuti: si è osservato che oli a bassa viscosità

permettono di raggiungere gap minimi di 5 µm nelle finiture a specchio.

• Colore e odore: Gli oli dielettrici che vengono utilizzati hanno, nelle prime fasi di

lavorazione, un colore molto chiaro che permette il controllo visivo del processo.

Man mano che la lavorazione procede però il suo colore diviene sempre più

scuro, fino ad essere completamente opaco. Fluidi non chiari vanno filtrati o

sostituiti poiché potrebbero contenere contaminanti non desiderati o pericolosi.

Analogamente la presenza di forti odori sgradevoli possono essere indicazione di

presenza di zolfo indesiderato che potrebbe contaminare le superfici lavorate.

• Densità: Più leggero è l’olio, più velocemente le particelle pesanti (truciolo)

sedimentano. Questo riduce la contaminazione del gap e la possibilità di instaurare

archi voltaici.

• Filtrabilità: Il dielettrico deve essere filtrato prima del suo riutilizzo, e la facilità

con cui questo avviene dipende dalla viscosità e dalla tendenza del fluido alla

degradazione termica e ossidativa. I filtri del sistema di pompaggio filtrano queste

particelle dai 5 µm in su, le quali sono indice dell’inizio del processo ossidativo

del fluido, mentre fanno passare tutte quelle più piccole, che invece facilitano la

8

ionizzazione e la formazione del canale di scarica . Pertanto è fondamentale che la

composizione del dielettrico sia sempre comunque tale da prevenire e ridurre al

minimo la formazione di grandi particelle di resina o gomma durante la lavorazione,

che con ogni probabilità si depositerebbero nella zona del gap.

Sistema di lavaggio La lavorazione è generalmente effettuata in immersione nel dielettrico,

ad una profondità di almeno 40 mm, in modo tale da evitare la formazione di fumi,

lavaggi inadeguati e archi voltaici. All’inizio della lavorazione le scariche elettriche

avvengono in ritardo a causa dell’assenza di qualsiasi particella da erosione. Le particelle

originate dalle prime scariche riducono la resistenza dielettrica del fluido facilitando

l’innesco di quelle successive e migliorando le condizioni di lavoro: maggiore è la ioniz-

9

zazione del dielettrico, minore sarà il tempo necessario per innescare la scarica (prime

tre fasi).Quando però in alcune zone del gap la densità di particelle diventa notevole,

si ha una eccessiva riduzione della resistenza dielettrica, che facilita la formazione di

scariche anomale che possono degenerare in archi voltaici, danneggiando sia l’utensile

7 La conduttività σ è l’inverso della resistività ρ [Ω·m].

8 A tal proposito sono stati messi a punto anche dielettrici innovativi che prevedono piccole percentuali di

polveri semiconduttrici.

9 Tempi nulli non permettono però il controllo del processo poiché l’arco scoccherebbe sempre nello stesso

punto ad alta conducibilità. 104

che il pezzo. Questo eccesso di particelle deve essere eliminato con il lavaggio, ovvero

con la circolazione del fluido dielettrico nella zona del gap.

La fase di lavaggio del dielettrico dipende dalla pressione e dalla portata con cui viene

fatto circolare nella zona di lavoro, nonché dal metodo di circolazione adottato.

Figura 9.14: MRR e usura relativa

Come ben visibile dal grafico 9.14, per una data pressione si può identificare un massimo

sia per il tasso d’asportazione, sia per l’usura relativa al variare della portata. Infatti

una portata di dielettrico insufficiente o elevata può causare rispettivamente scariche

anomale o eccessivo aumento del tempo di ritardo, con in ogni caso una diminuzione

della velocità erosiva ed un aumento dell’usura relativa. Quando però si lavorano cavità

profonde, il lavaggio potrebbe risultare sempre più difficoltoso al procedere dell’erosione,

ed anche incrementare la pressione potrebbe non assicurare più un adeguato lavaggio

della zona di lavoro. In questo caso sono più indicate altre modalità di lavaggio come

quello non forzato con effetto pompa. Sono pertanto le modalità operative che portano

alla scelta della tipologia di lavaggio più adeguata:

• In iniezione: Consiste nell’invio del dielettrico in pressione tramite un pozzetto

posto, quando possibile, sotto il pezzo (figura 9.15.a) o attraverso l’utensile (figura

9.15.b). Nel primo caso il pezzo è prima forato e poi collegato ai condotti flessibili di

alimentazione del fluido. Nel secondo caso l’utensile è forato e il fluido lo attraversa.

In entrambi i casi si determina una conicità delle pareti dell’impronta, poiché le

Figura 9.15: Lavaggio in iniezione

particelle erose risalendo, ed incontrando quelle ionizzate dalle scariche precedenti,

incrementano la conduttività locale del dielettrico (si riduce t ed aumenta t ) e

d e

favoriscono la formazione di altre scariche laterali. Per questo motivo tale metodo

è spesso utilizzato nella realizzazione di matrici per tranciatura.

105

• In aspirazione: Il fluido è aspirato o dal pozzetto posto sotto il pezzo o dalla

cavità dell’utensile. A differenza del sistema a iniezione, in quello in aspirazione le

scariche laterali sono limitate, e l’azione erosiva è concentrata maggiormente sulla

parte frontale dell’utensile, con conseguente riduzione della conicità (figura 9.16).

Figura 9.16: Lavaggio in aspirazione

• Con effetto pompa: Il lavaggio con effetto pompa del pistone è utile soprattutto nei

casi in cui si devono lavorare cavità profonde. È ottenuto mediante il movimento

Figura 9.17: Lavaggio con effetto pompa

alternativo utensile e senza la circolazione forzata del fluido (figura 9.17): solleva-

mento e ridiscesa. Quando l’elettrodo è sollevato il volume del gap aumenta e di

conseguenza arriva fluido pulito che si miscela con quello contenente le particelle

erose. Quando invece l’elettrodo ridiscende, le particelle erose vengono allontanate.

Elettrodo L’elettrodo utensile è un utensile di forma (figura 9.18.b) costituito da un materiale

conduttore ad alto punto di fusione e con bassa resistività, tali da poter resistere

efficacemente alle sollecitazioni termiche tipiche del processo EDM. Ha un costo elevato

che può anche incidere notevolmente sul costo totale di una lavorazione.

Figura 9.18: Usura di un elettrodo utensile

Parametri di confronto tra utensili sono per esempio la lavorabilità (il grado di facilità con

cui può essere prodotto un utensile), i parametri di performance (tasso d’asportazione

106

10

e rugosità) e l’usura dell’elettrodo (figura 9.18.a), di cui solo quella frontale risulta

controllabile, mentre quella laterale dipende dalla profondità del foro.

Nell’ambito operativo i materiali adottati più comunemente sono:

• Non metallici : Gli utensili in grafite sono i più costosi e diffusi grazie alle loro

caratteristiche di leggerezza (hanno bassa densità), di insensibilità agli shock

termici (bassa usura ed alta resistenza meccanica inalterata anche per elevate

temperature), di deformabilità trascurabile e di lavorabilità. Gli utensili in grafite

Figura 9.19: Elettrodi in grafite.

sono molto abrasivi, infatti possono danneggiare le guide dell’EDM (vengono

dotate di protezioni aggiuntive) e producono polveri che intasano rapidamente

i filtri. Essendo poi anche fragili è necessario fare attenzione a non danneggiare

bordi o spigoli durante la loro costruzione. È divenuto il materiale più diffuso

per la realizzazione degli elettrodi utensili per le EDM. Ne sono un esempio quelli

destinati alla realizzazione di stampi per blow forming riportati in figura 9.19 dove

sono presentati due utensili, uno per la sgrossatura ed uno per la finitura.

• Metallici: Tra gli utensili metallici troviamo quelli in rame elettrolitico o in leghe

11

di rame (figura 9.20) le quali possono raggiungere temperature di oltre 1000 C.

Altri metalli adottati sono le leghe di alluminio (per le grandi cavità tridimensionali

Figura 9.20: Elettrodo in rame in immersione

10 In realtà sia l’usura laterale che quella frontale sono ritenuti parametri minori, dato che nella maggior

parte dei casi le lavorazioni vengono effettuate con più utensili, ognuno dei quali si occupa di una singola

operazione, sgrossatura o finitura, senza poi poter essere riutilizzati.

11 Le leghe del rame sono con tellurio, cromo o tungsteno

107

a bassa finitura), il tungsteno (disponibile in fili per microforature) e l’acciaio

(usato per stampi in acciaio destinati al settore delle materie plastiche o della

pressofusione di leghe leggere).

• Combinati : Tra i materiali combinati troviamo le cuprografiti, facilmente lavorabili

e adatte alla costruzione di piccoli utensili, e i sinterizzati, che asportano come

quelli in grafite, ma si usurano più lentamente. Le cuprografiti provengono da

grafite la cui porosità è riempita con rame (meno fragili di quelli in grafite),

mentre quelli sinterizzati da una miscela di polveri di diboruro di zirconia e rame

(ZrB Cu) realizzati anche mediante sinterizzazione selettiva laser (SLS).

2

Servosistema È un sistema ciclico di controllo ed avanzamento che consente di mantenere

gap costante contro il pezzo compensando l’usura dell’utensile. Il servosistema alla fine

Figura 9.21: Esempio di servosistema

di ogni ciclo valuta l’entità dell’usura ed aumenta della stessa quantità l’avvicinamento

dell’elettrodo al pezzo. Nell’esempio in figura 9.21 l’utensile è avvolto su un rullo, ed

alla fine di ogni foratura, una slitta estrae dal foro l’utensile (submicro electrode) e lo

posiziona ad una certa distanza dalla nuova superficie da forare.

Figura 9.22: Sequenza di controllo ed avanzamento

In particolare si hanno i seguenti passaggi (figura 9.22):

1. L’avanzamento del filo di una quantità pari alla corsa di Anti-Short

2. L’avanzamento del filo sino a contatto con il pezzo, registrato mediante sensori

3. La retroazione del filo della corsa di Anti-Short

108

4. La lavorazione con l’avanzamento della corsa programmata

5. La retroazione del filo alla posizione di Reset

9.3 Parametri di processo

Come già detto sia tensione che corrente seguono un particolare andamento periodico nel

tempo, come riportato in figura 9.23, con frequenza f detta frequenza d’impulso. Possiamo

p

definire sia i loro valori massimi che sono detti rispettivamente tensione a vuoto u e corrente

i ÷

di esercizio i , sia quelli medi che sono rispettivamente la tensione media di scarica ū (15 30

i e

V) e la corrente media di scarica ī .

e

Figura 9.23: Tensione e corrente nel tempo

Si può facilmente ricavare l’espressione dell’energia di scarica W , che rappresenta l’energia

e

trasformata durante una scarica, sfruttando le quantità note di tensione media, corrente

media e di durata della scarica:

Z · → ≈ · ·

W = u (t) i (t) dt W ū ī t

e e e e e e e

Essa ha il vantaggio di poter essere utilizzata quale indicatore del processo, dato che in

generale si può sempre dire che energie maggiori permettono usure relative minori. Attraverso

l’energia di scarica è possibile anche determinare altri importanti parametri di lavorazione

indicativi dei risultati ottenuti con il processo EDM: il volume eroso per ogni scarica dal

pezzo V , e dall’utensile V , il tasso d’usura dell’utensile MWR e d’asportazione del pezzo

W e Ee 12

MRR, ed infine l’usura relativa θ (rapporto tra MWR e MRR) .

Il processo delle EDM è infatti regolato attraverso i parametri elettrici di corrente e

tensione (appena esposti) e di lavaggio (di cui invece si è già parlato in precedenza). La più

grande influenza sui valori caratteristici dell’erosione è però svolta dall’energia della scarica

W che dipende molto da corrente e durata della scarica. I parametri di regolazione sono:

e

Corrente I parametri caratteristici della corrente sono il suo valore medio ī e massimo

e

i . Per quanto riguarda il valor medio possiamo dire che in generale quando è

max

maggiore si ottiene un tasso d’asportazione alto ed efficiente, mentre valori più bassi

12 Altri parametri utili alla valutazione della lavorazione sono il tasso di erosione λ (pari a (t /t ) < 1, se

e p

pari a 1 si ha falsa scarica), il tasso di pulsazione τ (pari a t /t ), la rugosità media R e la profondità media

i p a

della rugosità R .

z 109

sono adottati nelle operazioni di finitura. Nella figura 9.24 viene proprio evidenziato

tale comportamento: elevati amperaggi, per esempio, creano grandi crateri di materiale

asportato, ma anche ampie zone danneggiate termicamente, con formazione di materiale

13

risolidificato, zta e tutti i difetti superficiali che esse comportano. Quindi a parità di

durata ed intervallo tra gli impulsi, una corrente media di scarica maggiore, comporta

una velocità di asportazione più grande, ma nello stesso tempo una notevole usura, che

nei casi più accentuati viene risolta adottando elettrodi in grafite invece che in rame.

Figura 9.24: Effetto della corrente

Oltre alla corrente media anche il valore massimo della corrente i è un fattore da

max

controllare per non incorrere in un usura eccessiva dell’utensile. Infatti anche se da

un lato un più alto valor massimo incrementerebbe l’asportazione sul pezzo (figura

9.25), dall’altro provocherebbe anche l’aumento dell’usura sull’utensile, soprattutto se

in rame: al contrario di questi ultimi, si può notare come gli elettrodi in grafite siano

praticamente insensibile a tale influenza. Per questo si è fissato un criterio con cui

Figura 9.25: Effetto della corrente massima

stabilire un limite al valor massimo di corrente: 2

· ·

i = i S = 65[A/inc ] S

max SM F F

dove i è la corrente specifica massima e S è la superficie frontale dell’utensile in

SM F

rame. Attualmente valori molto elevati di corrente non sono utilizzati in quanto essi

spesso portano ai prima citati danneggiamenti termici sulla superficie del pezzo.

Tensione I parametri riguardanti la tensione sono tensione nominale raggiunta (ovvero il

valore massimo) e la tensione di lavoro (la tensione durante la scarica). Le loro influenze

sono riportate in figura 9.26, dove è ben visibile una zona di ottimo per il tasso di

asportazione. Infatti al crescere della tensione, nominale e di lavoro, si raggiungono

due importanti aspetti quali il massimo tasso d’asportazione ed una drastica riduzione

13 Zone termicamente alterate. 110

Figura 9.26: Effetto della tensione

dell’usura relativa. Ogni ulteriore aumento della tensione nominale provoca tempi di

ritardo eccessivamente lunghi e quindi scariche sempre più brevi. Infatti l’aumento

della tensione va di pari passo con la risistemazione dell’elettrodo ad un gap tale da

avere condizione di erosione, ed evitare processi non corretti (figura 9.9). Quando è

superato l’ottimo di tensione, l’energia di scarica decresce dal massimo a causa della

riduzione della durata di scarica, che a sua volta porta ad una riduzione del tasso di

asportazione. Per valori elevati della tensione a vuoto, il gap diventa talmente elevato

da non permettere l’innesco di alcuna scarica (open loop).

La sequenza periodica degli impulsi è definita in termini di durata dell’impulso ed

Impulso

intervallo tra due impulsi successivi.

Figura 9.27: Effetto della durata dell’impulso

La durata dell’impulso corrisponde alla fase di lavoro del processo (t + t ) e più è

d e

lunga, maggiore sarà l’energia della scarica W per l’erosione rilasciata sulla superficie:

e 14

infatti l’aumento della durata determinerà un cratere più ampio e profondo, con

conseguente aumento del tasso di asportazione e della rugosità (finiture peggiori). Le

considerazioni appena fatte sono più esplicite nei grafici di figura 9.28. Ipotizzando di

14 Raggio di raccordo più grande. 111

effettuare un cablaggio elettrico come in figura 9.27, l’asportazione più elevata può essere

giustificata dal fatto che una durata maggiore della scarica permette agli ioni positivi

che partono dall’utensile, più lenti ma più pesanti degli elettroni, di colpire in maniera

più numerosa la superficie del pezzo (al polo negativo) e determinando quindi un effetto

preponderante rispetto alle collisioni degli elettroni sull’utensile. Quindi in questo modo

l’usura relativa diminuisce e si può notare la differenza tra le lavorazioni convenzionali e

quella con l’EDM, dove invece le operazioni di finitura usurano maggiormente l’utensile.

Tale comportamento però è valido sino al valore di energia di scarica ottimale, come

Figura 9.28: Andamenti legati alla durata dell’impulso

riportato nel grafico 9.28.a (seguendo la linea a tratto grosso), dove il canale di scarica,

15

per una certa corrente di scarica, raggiunge il diametro del canale di scarica ottimo .

Mentre infatti per valori inferiori al valor ottimo, si ha semplicemente un aumento

della porzione di energia utilizzata per l’asportazione, per valori del diametro maggiori

di quello ottimale, l’aumento delle superfici di scambio porta ad un incremento delle

perdite per conduzione ed irraggiamento, con conseguente riduzione dell’MRR. La causa

è da ricercare nella formazione, da parte del canale di scarica, di bolle più grandi che

producono crateri altrettanto grandi, i quali a loro volta offrono superfici più ampie

per la conduzione di calore a scapito della densità di energia, che riducendosi con il

tempo, impatta sempre più negativamente sul tasso d’asportazione, ma positivamente

sull’usura dell’utensile (si riduce) come anche evidenziato dalla figura 9.28.b. Se invece

15 Il diametro del canale di scarica aumenta progressivamente per tutta la durata t dell’impulso con la

√ e

legge D = 2 t con 0 < t < t .

c e 112

fissiamo la durata ed aumentiamo la corrente (seguendo la linea a tratto fine), sia

l’asportazione che l’usura relativa crescono iperproporzionalmente.

Con intervallo tra due impulsi successivi invece si intende il periodo di tempo t nel

0

quale avviene la fase di lavaggio/deionizzazione del dielettrico. L’intervallo t governa

0

Figura 9.29: Andamenti legati all’intervallo t

0

la stabilità del processo è non è annullabile poiché una durata insufficiente può portare

a cicli errati (archi voltaici), mentre una eccessiva a lavaggi errati (con aumenti del

t e riduzione del tasso MRR). La riduzione di t , si traduce in un aumento della

d 0

frequenza dell’impulso, che a parità di energia rilasciata sul pezzo nell’unità di tempo,

si traduce in una ripartizione migliore dell’energia su tutta la superficie del pezzo, figura

9.30). Ciò fornisce un miglioramento della finitura superficiale, un aumento del tasso di

asportazione ed una riduzione dell’usura relativa. La frequenza è in genere compresa tra

180 Hz, in condizioni di sgrossatura (superfici rugose), a circa 300 kHz per le condizioni

di finitura (superfici lisce).

Figura 9.30: Confronto a parità di energia rilasciata sul pezzo

Gap Il gap tra utensile e pezzo è determinato dalle caratteristiche della scarica e dalle rego-

lazioni del generatore d’impulsi. Al crescere dell’energia di scarica per il prolungamento

Figura 9.31: Gap frontale e laterale

della durata dell’impulso, aumenta il gap e con questo la rugosità superficiale del pezzo

in lavorazione. Se il fluido è inviato a velocità costante, ad ogni variazione del gap fa

113

Figura 9.32: Controllo del gap

seguito una variazione dell’afflusso del fluido. Ciò influenza negativamente il lavaggio,

÷

la velocità di erosione e l’usura dell’utensile. Il gap frontale è compreso tra 12 125 µm

e assume lo stesso valore di quello laterale (in genere circa doppio di quello frontale) se

è arrestato l’avanzamento dell’utensile prima di terminare la lavorazione.

Materiali L’attitudine di un materiale ad essere lavorato è indipendente dalle caratteristiche

meccaniche, mentre sono importanti la composizione chimica e determinate caratteri-

stiche fisiche. In generale si è evidenziato una diminuzione del tasso di asportazione

Figura 9.33: Controllo del gap

al crescere della temperatura di fusione del materiale (figura 9.33): il fatto però che

elementi come Ag e Cu abbiano comportamento diverso dal previsto indica che la tem-

peratura di fusione non è l’unico parametro. Infatti una buona prima valutazione può

essere condotta valutando il grado relativo di lavorabilità della coppia utensile-pezzo,

114 16

verificando che sia valida la seguente relazione :

ρc T = Calore necessario per

p f

2 2

fondere l’unità di volume

kρc T > kρc T dove

p p

f f

Tool Work kT = Calore smaltito per conduzione

f

In caso di esito positivo, la coppia di materiali utensile-pezzo può essere utilizzata senza

problemi.

Come materiali per l’utensile si possono utilizzare tutti i materiali con elevata con-

ducibilità elettrica. I più diffusi sono quelli in rame e grafite. L’usura relativa degli

elettrodi in rame aumenta al crescere della corrente di scarica ed è quindi interessante

per operazioni di finitura. Comportamento inverso si registra con quelli in grafite,

consigliati perciò per operazioni di sgrossatura (da realizzare con elevate correnti e

durata di scariche).

9.4 Le capacità

Le macchine EDM possono lavorare qualunque materiale conduttore, indipendentemente

dalla sua durezza. Si presta molto bene alla realizzazione di fori e forme irregolari: si riescono

ad ottenere fori con aspetto di forma di 30 : 1 su spessori di 50 mm (figura 9.34), e con

accurate tecniche di lavaggio si arriva anche a 100 : 1 anche inclinati di circa 20 . Il tasso di

Figura 9.34: Esempi di forature profonde ÷

asportazione nell’elettroerosione è moderato e dipende dall’energia delle scariche: 1 100

3

mm /ora. Benché si utilizzino scariche elettriche, il procedimento non presenta alcun pericolo

per l’utilizzatore e per l’ambiente. Le superfici lavorate con migliore finitura superficiale

÷

possono raggiungere un valore di Ra compreso tra 0.18 0.25 µm (le finiture superficiali

÷

standard, cioè quelle facili da ottenere, invece hanno valori di Ra compresi tra 1 3 µm) con

una superficie che presenta il tipico effetto lucido della lappatura a specchio. Le tolleranze

±25 ÷

dimensionali sono comprese tra 127 µm, ma con particolari accorgimenti possono

±7

raggiungere µm.

16 Il parametro k rappresenta la conducibilità termica. Un altro parametro importante è la resistività

elettrica. 115

Figura 9.35: Layer superficiali

In figura 9.35.a è riportato un esempio di pezzo lavorato con EDM. Sono visibili i diversi

layer che si formano:

• Layer bianco: Anche detto zona bianca è costituito da materiale risolidificato ricco

in tensioni residue, cricche e pori, uno strato di materiale molto duro che presenta

problemi di tensioni residue e variazioni metallurgiche, che dovrà essere necessariamente

eliminato tramite una lavorazione AFM.

• Zta: La zona termicamente alterata che è sede di tensioni residue e modificazioni

metallurgiche.

• Matrice: Strati di materiale più interno inalterato.

In figura 9.36.a viene invece evidenziato l’andamento delle durezze del layer bianco, che

tipicamente superano i 65 HRC, in funzione della profondità, che può presentare spessore

÷

compreso tra 2.5 50 µm (figura 9.36.b), dove è evidenziata la forte dipendenza dello spessore

dall’energia di scarica: la curva blu rappresenta lo spessore del solo layer bianco, mentre

quella rossa comprende anche la zta.

Figura 9.36: Caratteristiche del layer bianco

Nella figura 9.37 si evidenzia l’entità delle tensioni residue interne prodotte per diversi

condizioni di lavoro: tutte comunque presentano un picco di tensioni negli strati più superficiali.

Si può notare anche come all’aumentare della corrente di scarica e della durata di scarica

(quindi all’aumentare dell’energia di scarica), le tensioni residue negli strati più superficiali

si facciano più importanti. È quindi necessario prestare molta attenzione alla regolazione

dei parametri di lavoro per non incorrere in rotture o in gravose lavorazioni successive di

asportazione. 116

Figura 9.37: Tensioni residue nel layer bianco

Nella figura 9.38.a e 9.38.b vengono meglio spiegati tali fenomeni guardandoli proprio dal

punto di vista dell’energia di scarica: maggiore è W e maggiore sarà lo spessore dei layer

e

superficiali soggetti a cricche e tensioni residue(queste in particolare raggiungono un massimo

per poi ovviamente ridursi con la profondità).

Figura 9.38: Caratteristiche del layer bianco

9.5 Elettroerosione a tuffo

Sostanzialmente in questa tipologia generale di EDM l’utensile ed il pezzo sono immersi nel

fluido dielettrico (figura 9.39.a) e tra di essi si innescano una serie di scariche una successiva

all’altra (dato che la macchina è a singolo canale) che provocano l’erosione del pezzo. Gli

Figura 9.39: Elettroerosione a tuffo a singolo e a più canali

utensili di forma soffrono di problemi di usura dato che man mano che si avanza nel pezzo

l’usura provoca la perdita della forma.

Le macchine EDM alle quali ci si è riferito fino ad ora sono proprio EDM per improntatura

(o a tuffo), con particolare riferimento a quelle a singolo canale. Esistono però EDM a tuffo

117

con tecnica a più canali adottate laddove è necessario avere tassi d’asportazione più elevati

su superfici dell’ordine dei metri quadrati. Tali macchine (figura 9.39.b) presentano utensili

multipli, ognuno collegato ad un canale isolato del generatore (lavorazione a più canali).

Il volume di materiale asportato che risulta dapprima proporzionale all’energia ed al

17

numero di scariche , degrada poi con il numero di canali, che per questo motivo vengono

limitati nella pratica ad un massimo di quattro. Infatti come avviene per esempio nelle

passate multiple nelle AWJM, anche nelle EDM a più canali l’incremento dei canali non porta

sempre ad un pari guadagno in termini di tasso d’asportazione. L’innesco di più scariche

nello stesso istante (tante quante i canali) impone la suddivisione della potenza elettrica

a disposizione equamente tra i canali con conseguente riduzione dell’energia della singola

scarica. Quanto più piccoli sono corrente di scarica e rapporto delle frequenze, tanto più

blando risulta anche l’aumento del tasso di asportazione al crescere del numero dei canali:

non è quindi possibile avere un aumento del tasso di asportazione proporzionale al numero

dei canali. Se tale problema è però risolvibile in parte aumentando la corrente media di

18

scarica , il fatto che tutti i canali siano montati sullo stesso sistema di avanzamento, indica

che disturbi su di un canale influenzeranno sicuramente ed inevitabilmente il funzionamento

degli altri. Figura 9.40: Elettroerosione planetaria

L’elettroerosione a tuffo non è però limitata alla realizzazione di cavità con utensili di

forma, ma possono essere utilizzati anche appositi elettrodi che sono in grado di effettuare

operazioni sia di sgrossatura che di finitura (figura 9.40), sottosquadri e fori conici. Sono

possibili in questo modo sagomature su tre o più assi: per esempio nell’erosione planetaria

il movimento relativo tra utensile e pezzo è ottenuto attraverso una combinazione di tre

movimenti (verticale, eccentrico ed orbitale).

17 L’energia della singola scarica dipende dalla sua corrente e durata, mentre il numero di scariche è

proporzionale alla frequenza.

18 L’aumento dell’energia di scarica che possiamo applicare è limitata dalla rugosità richiesta infatti energie

di scariche più elevate aumentano il tasso d’asportazione degradando la qualità superficiale.

118

9.6 Fresatura per elettroerosione

La variante EDM per fresatura prevede l’utilizzo di un utensile cilindrico rotante (figura

19

9.41) in genere cavo che si sposta seguendo un percorso ben definito e penetrando nel pezzo

in modo analogo ad una fresa tradizionale.

Figura 9.41: Fresatura per elettroerosione

Si distingue dalla tecnica a tuffo per il fatto che vengono adoperati sistemi di controllo

sensibilmente più complessi di un semplice controllo numerico, che le consente di effettuare

operazioni efficienti sopperendo alla caratteristica usura molto elevata dell’utensile.

9.7 Taglio per elettroerosione

L’elettroerosione a filo (Electrical Discharge Wire Cutting - EDWC, o anche Wire-EDM),

è un processo che trova il suo maggiore impiego nel taglio di profili 2D o 3D molto complessi

su materiali conduttori. Il processo è un’evoluzione dell’elettroerosione a tuffo ed ha fatto la

sua prima comparsa alla fine degli anni ’60.

Figura 9.42: Taglio per elettroerosione

Il processo

L’EDWC differisce dall’EDM convenzionale per la presenza del filo che funge da elettrodo

20

utensile, generalmente in rame purissimo , che avanza come in figura 9.42 e che si svolge e

19 La cavità è utile all’operazione di lavaggio e permette di concentrare la corrente in superfici ridotte

dell’utensile ottenendo densità di corrente più elevate e quindi maggiore asportazione.

20 È in rame purissimo poiché consente di evitare disuniformità di taglio e di usura che sono la causa

maggiore di rottura del filo. 119

riavvolge tra due rocchetti. Le scariche elettriche sono le stesse dell’EDM ed il materiale è

eroso davanti al filo che scorre senza instaurare contatti con il pezzo.

Il movimento del filo nel piano era inizialmente guidato da sagome o campioni che

provocavano i tipici errori di trasmissione delle misure ed errori di forma inaccettabili, mentre

oggi invece ci si affida al controllo numerico. Un’altra particolarità di questi impianti è

nell’utilizzo dell’acqua deionizzata come dielettrico: il pezzo non è quasi mai completamente

immerso nel dielettrico, e si preferisce introdurre l’acqua nel gap con un tubo flessibile o

21

un getto coassiale al filo (figura 9.43). Dato che il filo utilizzato nel processo di taglio è

Figura 9.43: Esempi di taglio con flusso esterno e ad immersione parziale

sempre nuovo, problemi di danneggiamento, usura e corrosione (tensocorrosione in particolare)

riguardanti il filo non vengono in nessun modo contemplati.

Il funzionamento è analogo a quello della sega a nastro con la differenza che in questo caso

÷

esiste un gap fra pezzo ed utensile, che è mantenuto costante (25 50 µm) da un sistema di

controllo computerizzato. Le operazioni di taglio effettuate con l’EDWC presentano finiture

superficiali di qualità talmente elevata che si possono operare tagli su metalli difficili da

lavorare senza dover ricorrere ad ulteriori lavorazioni di rettifica.

L’attrezzatura

Nelle macchine EDWC si possono distinguere i seguenti sottosistemi (figura 9.44):

Figura 9.44: Schema di una macchina EDWC

• Generatore: Si differenzia da quello di un impianto EDM principalmente per l’intensità

di corrente e la frequenza degli impulsi. Quest’ultima può arrivare fino a 1 MHz

(nell’EDM è in genere inferiore a 300 kHz) consentendo di ottenere finiture superficiali

molto spinte poiché le singole scariche rimuovono una piccolissima quantità di materiale

21 Nella EDM invece si eseguiva lavaggio in immersione o tramite la cavità interna dell’utensile.

120

per volta lasciando piccolissimi crateri. L’intensità di corrente invece è limitata dal

ridotto diametro del filo (50÷300 µm) e di solito non supera i 20 A (nell’EDM l’intensità

÷

di corrente è compresa tra 0.5 400 A).

• Dielettrico: Il dielettrico utilizzato è acqua deionizzata, migliorata con additivi che

evitano la formazione di ruggine sulle superfici bagnate. Rispetto agli idrocarburi, ha

conducibilità elettrica più elevata e minore viscosità, che consentono lavorazioni con gap

più piccoli e lavaggi più efficienti, senza rischi di cortocircuiti. Mancando poi i prodotti

della decomposizione degli oli ed avendo capacità termica più elevata, sono favoriti

rispettivamente la rimozione delle particelle di materiale eroso (si riduce il pericolo di

archi voltaici) ed un alta velocità di raffreddamento del gap. Aspetti negativi invece

sono quelli relativi all’indesiderata formazione di layer risolidificati, cricche e tensioni

residue nelle zone più superficiali del pezzo causate proprio dall’elevata capacità di

raffreddamento dell’acqua deionizzata, oltre anche ad una maggiore usura dell’utensile,

che comunque, come già detto non influenza significativamente il processo perché il filo

non viene riutilizzato.

Per ragioni economiche si preferisce riutilizzare l’acqua deionizzata, dopo averla op-

portunamente filtrata e dopo aver corretto la sua resistività. È possibile far lavorare

l’impianto in assenza di operatori poiché non vi sono pericoli d’incendi (tale tempo di

lavoro è definito tempo ciclo mascherato).

• Azionamento del filo: Ha il compito di liberare il filo mantenendolo in tensione nella

zona di lavoro (per evitare danneggiamenti e vibrazioni pericolose) sfruttando in alcuni

casi contrappesi in granito che offrono maggiore stabilità (figura 9.45.b). In genere il

filo compie diversi passaggi attraverso pulegge tenditrici, viene guidato da una serie

di guide in zaffiro o diamante nella zona di taglio, per poi essere raccolto su di un

altro tamburo attraverso un’altra serie di pulegge che lo mantengono in tensione (figura

9.45.a). La velocità del filo attraverso il pezzo può raggiungere 42 mm/s. Esistono

anche sistemi in grado di ripristinare automaticamente il filo dopo una sua eventuale

rottura, cosa fondamentale per esempio durante i tempi ciclo mascherati.

Figura 9.45: Sistema di azionamento del filo

I materiali e i diametri adottati per il filo vengono scelti sostanzialmente in base alla

corrente alla quale verranno sottoposti. Rame ed ottone sono utilizzati per fili più

÷

spessi, di diametri compresi tra 150 300 µm, poiché presentando temperatura di

121

fusione relativamente bassa non possono essere attraversati da densità di corrente troppo

elevate: sono necessarie sezioni del filo maggiori per non incorrere in fusione, e quindi

rottura, durante la lavorazione. Diametri minori sono possibili solo con materiali con

alta temperatura di fusione, come per esempio gli acciai al molibdeno, che con i loro

÷

spessori minimi di 30 150 µm permettono anche di avere kerf molto ridotti. Quando

il filo attraversa il pezzo, le scariche avvengono maggiormente nella parte anteriore,

cioè sulla metà rivolta verso la direzione di avanzamento, ovalizzando il diametro. Per

via di tale usura non simmetrica il filo non è più riutilizzabile e deve essere sostituito al

termine dello svolgimento della bobina.

• Posizionamento: Si tratta di un sistema costituito da una o più tavole che possono

muoversi lungo due assi (in qualche caso è presente un ulteriore sistema di posiziona-

mento del filo multiasse come in figura 9.46), comandate attraverso controllo numerico.

Il sistema CNC ha il compito principale di operare un controllo adattativo tale da

mantenere sempre costante il gap durante il taglio, che in genere ha basse velocità,

22

per esempio dell’ordine dei 100 mm/h su acciai con 25mm di spessore . Per questo

motivo nelle macchine EDWC il tempo di elaborazione del sistema CNC è praticamente

ininfluente, contrariamente a quanto avviene nelle lavorazioni ad alta velocità come

le AWJM. Molte macchine EDWC permettono una risoluzione di posizionamento del-

l’ordine dei micron e raggi minimi di angoli interni limitati solo dal diametro del filo.

Figura 9.46: Sistema di posizionamento multiasse

Parametri di processo

I principali parametri utilizzati per valutare il processo sono il tasso di taglio V , la traccia

w

media s e la conicità della traccia di taglio. Nelle operazioni di taglio è più appropriato

m

parlare di tasso di taglio, che di tasso d’asportazione dato che non ci interessa asportare

materiale per definire delle superfici particolari. Il tasso di taglio non dipende dalla forma

del taglio da realizzare, ma dal prodotto tra la velocità di avanzamento lineare del taglio v e

dall’altezza del pezzo h: ·

V = v h

w

ed essa è influenzata, per un dato diametro di filo, dall’energia e dalla frequenza di scarica

(figura 9.47). Un aumento dell’energia della scarica (a frequenza costante) porta ad un

aumento del tasso di taglio a causa della maggiore quantità di materiale asportato per ogni

22 Per spessori superiori la velocità si riduce, mentre nelle passate di finitura si possono raggiungere anche

velocità di 380 mm/h. 122

scarica. Un aumento della frequenza della scarica (a energia della scarica costante, esempio

della curva gialla) porta anch’essa ad un aumento del tasso di taglio, ma iperproporzionale

dovuto ai contributi combinati dell’aumento del numero di scariche nell’unità di tempo (a cui

corrisponde un proporzionale aumento del volume di materiale asportato) e della riduzione

del volume di materiale da asportare (poiché si producono traccie medie s più piccole, che

m

permettono di tagliare più velocemente). In figura 9.47 è riportata la curva limite di massima

energia di scarica, curva rossa in alto, oltre la quale il filo fonde e si spezza.

Figura 9.47: Andamento del tasso di taglio

Infatti il risultato della lavorazione è caratterizzato da una certa qualità della superficie

tagliata il cui indice di precisione è definito dalla traccia media di taglio s e dalla correlata

m

conicità del taglio, causata quest’ultima da un errato lavaggio oppure da non omogeneità del

materiale che risulta più lavorabile in determinate zone più che in altre:

s + s

s + s α

o u

o u → tan =

s =

m 2 2 2h

I parametri s e la conicità sono rappresentati in figura 9.48, dove è anche riportato un altro

m

errore: la bombatura b, che rappresenta l’errore di profilo riscontrabile nel taglio di pezzi

di grande spessore a causa delle oscillazioni/vibrazioni del filo o della non omogeneità delle

condizioni di lavaggio lungo l’altezza.

Figura 9.48: Sezione di taglio

123

Rispetto al tasso di taglio, un aumento dell’energia di scarica, peggiora la finitura a

causa della maggiore quantità di volume asportata ad ogni scarica, mentre la variazione della

frequenza di scarica influenza solo marginalmente la finitura superficiale.

Le capacità

Le macchine EDWC soffrono laddove le produzioni sono elevate, ma sono invece perfette

per il taglio di spessori molto grandi, situazioni, queste, critiche per diverse tecnologie. È il

caso per esempio dell’AWJM dove per grandi spessori si riscontrerebbero basse velocità di

taglio, conicità e rugosità elevate, che richiederebbero necessariamente ulteriori lavorazioni.

Figura 9.49: Matrice a zero-cleareance ÷

Si possono lavorare materiali conduttori con ottima finitura superficiale 0.12 0.25 µm,

÷

che diventano 0.05 0.12 µm riducendo il contenuto energetico della scarica nella seconda

passata (finitura), riuscendo a realizzare elevata precisione di forma e bordi di taglio lisci. A

23

causa delle migliaia di scariche, le superfici sono matte e quindi ben si prestano ad assorbire

oli lubrificanti e a migliorare le condizioni di attrito delle superfici lavorate.

Figura 9.50: Taglio di pale statoriche e di una matrice per estrusione

Per quanto riguarda lo spessore del pezzo che è possibile tagliare, teoricamente non vi è

un limite, ma in realtà non è cosı̀ perché non si può essere sicuri che la struttura dell’acciaio

sia uniforme dall’esterno al cuore ed inoltre quando il canale di ionizzazione è troppo lungo,

il lavaggio è più difficoltoso. Gli elevati spessori tagliati (fino a 600 mm), l’elevato grado di

accuratezza e di finitura superficiale consentono l’applicazione del processo nella realizzazione

di matrici per lo stampaggio, filiere per l’estrusione e nella fabbricazione di elettrodi per

l’EDM stessa: in particolare quando si lavorano carburi sinterizzati (o vari materiali riportati)

23 Colore opaco. 124

si deve lavorare però a tensioni più basse poiché valori elevati possono provocare elettrolisi e

conseguente corrosione intergranulare per consumo di legante nel carburo sinterizzato. In

alcuni casi è utilizzata per realizzare prototipi, o piccoli lotti di parti che possono essere

tagliate anche in catasta (figura 9.49)

Figura 9.51: Lame rotanti di un rasoio

L’uso del controllo numerico permette di raggiungere tolleranze praticamente trascurabili

ed utilizzare lo stesso profilo per ottenere punzoni e matrici, o elettrodi di sgrossatura e

finitura (dando opportune compensazioni). Il controllo computerizzato ed ed i tempi di

lavorazione relativamente lunghi, consentono ad un solo operatore di gestire più macchine,

con evidente risparmio di manodopera qualificata.

125

Appendice A

Tabelle di confronto

A.1 Jet Tecnologies

WJM AJM AWJM

costo ÷ ÷

macchina 60 100 5 80 600

[keuro] micro-frattura erosione

principio erosione micro-taglio micro-taglio

materiali tenero, poroso, granulare: duri e fragili: praticamente

lavorabili settore tessile, vetro, tungsteno, ceramiche qualsiasi

alimentare, imballaggi silicio materiale

lavorazioni taglio, sbavatura, tutte

possibili taglio e sbavatura pulitura, incisione, le precedenti

foratura e martellatura

tolleranze ±100 ÷ ±50 ÷ ±25 ÷

lavorazione 200 120 50

[µm]

finitura ÷ ÷

superficiale / 0.25 1.25 0.05 1.2

[µm]

materiale zaffiro o acciaio, acqua: zaffiro

inserto diamante sintetico carburo di tungsteno, tubo: WC, BC

zaffiro e zaffiro

costo max ÷ ÷

ugello 500 1000 100 800 2000

[euro]

SOD per

il taglio < 25 < 1 < 2

[mm] carburo di silicio, ossido di granato,

abrasivi / alluminio, vetro frantumato, carburo di silicio

o in perline, bicarbonato di sodio allumina

÷ ÷ ÷

kerf 0.7 1.5 0.4 0.7 1.5 2.3

velocità

acqua all’ugello 1000 300 900

[m/s]

velocità

di taglio 150 80 200

[m/min]

pressione

all’ugello 400 < 0.6 275

[MPa]

vita utile ÷ ÷ ÷

ugello 34 500 2 300 50 100

[h]

spessore alluminio: 1.5 ÷

taglio max gomme: 25 7 50 75

[mm] schiume: 50 126

A.2 Electrochemical Tecnologies

gap d. conicità costo mat.

MRR overcut AR toll. tensione processi principio

utensile materiale temperatura elettrolita fin.

pressione velocità corrente

densità

min. sup.

[µm] dim. lavorab.

macchina

[mm corr.

[µm]

[mm]

flusso [mm/mm] [A] [V]

[µm]

flusso [µm]

3

/min] flusso [A/cm

[m/s]

[MPa]

[ 2

◦ ]

C] solo improntatura

H 50

800 100 elettrolisi

2 ±12 10

25

0.07 N

25 15 SO 1.5

acciaio

ottone 8 conduttori

N 20 ECM

÷

rame aN 120

÷ ÷

÷ ÷

0.8 ÷

÷ ÷ aCl 1

4 40000

÷ ÷

:

,

÷ 760 30

4000 200

O 400

70 60 1

HCl 5 50

2 3 raccordatura

0.07 120 100 sbavatura

0.2 20

acciaio

ottone 7

rame ECD

÷ ÷

÷ ÷

÷ ÷

1200 25

1.6 50

0.35 200

±0.002 lucidatura

75

N

0.5

acciaio 6

N ECH

6000

inox 0.05

aN ÷ ÷

18

aCl

÷ 127 30

O ÷

1 3 12

diamante grani

di mola brocciatura

o tornitura

fresatura

alluminio ±7 20000

nichel ECT

0.12

250

in in ÷

sintetico ossido rame 12

e

o 50

±12

0.2

0.4 77 rettifica

4

N

1.6/A ECG

÷ ÷

250 ÷

÷

÷ aCl ÷ 115

3000

620

0.8

1.4 25

0.13 0.25 150

±7 foratura

15 H 40

0.003

vetro HCl ESD

2

÷ ÷

SO ÷

÷ ÷

:

30 850

1 45

0.9 1.6

4

in 0.65 ±25

0.8

50

rivestito foratura

H

titanio 300

0.0015 5

polimero 20000 SEM

< 2 ÷ ÷

÷

SO ÷ ÷

50 :

250 15

3.1

6.5 1 75

4 127

A.3 Altre USM

EDWC EDM RUM

CHM AFM indentazione

indentazione ultrasuoni

ultrasuoni

elettroerosione principio

erosione

principio

microtaglio

asportazione principio

principio e

chimica rettifiche scanalatura, fresatura,

processi

taglio foratura processi

interne/esterne foratura

filettatura

solo

esterna, mat.

conduttori

tranciatura fresatura operazioni lav.

chimica duri mat.

di sbavatura HRC>

Basso

frequenza e

raccordatura,

strati 0.180 lavor.

fragili:

k 40

1c

1000

operazioni

e ÷

300 [kHz] ampiezza

e superficiali

metalli,

elettronici componenti interna

mat. 50

25

tensione

60 [µm]

÷

300

rimozione [V]

lav. toll.

vetri o ±5

migliori

corrente dim.

1 ÷

÷

20 25

300 [µm]

[A]

toll. fin.

±50 toll. 0.2

mat. migliori

qualsiasi ±7 sup.

dim. dim. ÷

÷ 0.8

÷ [µm]

127 [µm]

180 lav.

[µm] 200 40 AR

fin.

0.05 0.18 :

: 1

1

sup.

pressione ÷ ÷ acqua fluido

fango

0.25 0.25

MRR [µm]

0.7 ossido carboro

2000 carburo

100

25 AR sull’utensile

÷ diamante

sintetico abrasivo

[mm :

: di

÷ 1

1

22 [MPa] di

alluminio di

12

100 25 silicio boro

3 gap

÷

÷

/min] 125

50 mat.

acqua acciaio

toll. dielettrico titanio monel

kerosene porta

deionizz. inox

nessuna dim. ut.

diamante leghe

grafite, mat.

rivestito

[µm] rame acciaio acciaio

titanio

di

mat. alluminio utens.

leghe sintetico

purissimo utens. in

di

fin. rame vel.

sup. avanz.

vel.

0.01 0.025

migliore

avanz,

1.5 ÷ [mm/min]

3

÷

[µm] 25

6 [m/s]

50 MRR

10 MRR

÷

÷ 200

30 [mm

300 100 3

/min]

128

Bibliografia

[1] Luigi Tricarico. Slide del corso di Tecnologia meccanica 2

129

Elenco delle figure

1.1 Albero dei processi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Getto ad acqua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 Getto ad acqua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4 Meccanismi di asportazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.5 Diametro e acqua nel getto con la distanza dall’ugello . . . . . . . . . . . . . 7

1.6 Elementi principali del WJM per basse prestazioni . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.7 Intensificatore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.8 Elementi principali del WJM con intensificatore . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.9 Intensificatori in parallelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.10 Unità completa. Sistema di distribuzione all’ugello . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.11 Ugello con inserto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.12 Ugello tipico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.13 Lunghezza getto con conicità. Lunghezza cilindro. Caduta di pressione. . . . 11

1.14 Silenziatore. Silenziatore con inserti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.15 Nomogramma potenza-pressione-diametro ugello-portata . . . . . . . . . . . 12

1.16 Esempio di taglio di un pomodoro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.17 Taglio effettuato con camme sagomate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1 Albero dei processi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2 Processo del AJM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3 Attrezzatura del AJM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

− − −

2.4 Materiale asportato con abrasivo a 1 3 6 10 µm . . . . . . . . . . . . . 15

2.5 Esempio di AJM con maschera circolare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.6 Influenza del SOD sul taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.7 Materiale asportato, velocità di penetrazione e volume asportato . . . . . . . 17

2.8 Materiale asportato in funzione dell’inclinazione . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.9 Materiale asportato e dimensione abrasivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.10 Tasso di asportazione - pressione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.11 Esempi di lavorazioni AJM su vetro e su un wafer in silicio e mole di rettifica 19

2.12 Lavorazione di uno stent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.1 Albero dei processi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2 Esempio di processo di un AWJM e di un ugello . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3 Macchina con ugello multiplo e a 5 assi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.4 Sistema di pompaggio a pistoni senza e con intensificatore . . . . . . . . . . 23

3.5 Sistema di dosaggio abrasivo e tubo di adduzione nel venturi . . . . . . . . . 23

3.6 Ugello completo in un AWJM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.7 Tipologie di ugello: coassiale e non coassiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.8 Sezione di un ugello coassiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.9 Sezione di un ugello coassiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

130

3.10 Distribuzione dell’abrasivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.11 Incremento della quantità di abrasivo nella Core zone . . . . . . . . . . . . . 26

3.12 Distribuzione delle fasi con la SOD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.13 Differenza tra ugelli WJM e AWJM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.14 Silenziatore, schermo di protezione e taglio in immersione . . . . . . . . . . . 27

3.15 Supporto a stecche e a mattone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.16 Durezze di vari abrasivi e profondità di taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.17 Profondità di taglio in funzione di durezza, diametro e portata abrasivo . . . 29

3.18 Effetto della pressione della pompa e della velocità dell’acqua . . . . . . . . . 30

3.19 Effetto del diametro e della lunghezza del tubo di focalizzazione . . . . . . . 30

3.20 Influenza del diametro focale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.21 Influenza della lunghezza focale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.22 Influenza della pressione dell’acqua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.23 Penetrazione-potenza-portata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.24 Parametri del taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.25 Capacità di taglio all’aumentare di v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.26 Arretramento del getto abrasivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.27 Varie sgrossature e lavorazioni su un alluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.28 Capacità di taglio - StandOff Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.29 Decremento delle capacità di taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.30 Angolo d’impatto ottimale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.31 Geometria del kerf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.32 Diverse influenze sul kerf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.33 Zone del kerf a diversa finitura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.34 Rugosità ed ondulazione del kerf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.35 Influenza di vari parametri sulla rugosità del kerf . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.1 Albero dei processi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.2 Pistoni che premono la pasta attraverso il pezzo centrale fissato . . . . . . . 41

4.3 AFM con sistema di controllo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.4 Pasta abrasiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.5 Comportamento reologico: crescente e decrescente . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.6 Esempio di designazione di una pasta abrasiva . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.7 Profili di velocità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.8 Schema tradizionale, Multi flow e One way flow . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.9 Girante di turbina con attrezzatura ausiliaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.10 Abrasivo-luce-pressione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.11 Sistema automatico e manuale a pallet. Con braccio robotico . . . . . . . . . 45

4.12 AFM orbitale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.13 Acciaio lavorato con pasta 100 grit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.14 Portata-pressione, acciaio lavorato con pasta 100 grit . . . . . . . . . . . . . 47

4.15 Volume-diametro, lega di Nichel lavorato con pasta 300 grit . . . . . . . . . . 47

4.16 Effetti di diversi abrasivi con la pressione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.17 Rugosità ottenute con le AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.18 Finiture in componenti di un diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.19 Raggio di raccordo massimo e zona di ottimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.1 Schema di una USM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.2 Foratura USM di un blocco molto duro di nitruro di silicio . . . . . . . . . . 52

131

5.3 Esempi di USM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.4 Trasduttore piezoelettrico di una USM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.5 Trasduttore magnetostrittivo di una USM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.6 Portautensili con filettatura e rondella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.7 Vari utensili di forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.8 Usura e dimensionamento dell’utensile (fango a B C) . . . . . . . . . . . . . 56

4

5.9 Diverse soluzioni di alimentazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.10 Superfici frontali di un utensile a confronto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.11 Tasso di asportazione con ζ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.12 Effetti sulla velocità di avanzamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.13 Tasso di asportazione con d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.14 Influenza della frequenza sul tasso di asportazione. . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.15 Effetti del carico statico e della superficie frontale A . . . . . . . . . . . . . . 61

5.16 Influenze sulla ovalizzazione dei fori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.17 Tassi di asportazione di diversi materiali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.18 Tassi di asportazione per materiali non fragili . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.19 Tassi di asportazione per vari fattori di forma . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.20 Usura longitudinale dell’utensile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.21 Tessitura superficiale di una USM e di una rettifica convenzionale . . . . . . 64

5.22 Schema di un processo RUM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.23 Esempio di una RUM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.24 Foratura profonda su piastra di vetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

6.1 Fresatura chimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6.2 Riduzione in peso di pannelli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6.3 Step della fresatura chimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

6.4 Parametri di progettazione della maschera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

6.5 Difetti di lavorazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.6 Step della fresatura fotochimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

6.7 Finiture superficiali a confronto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

6.8 Approccio dello step etching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.9 Realizzazione di profili conici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

7.1 Processo chimico di elettrolisi e di ECM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

7.2 Esempio di una ECM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

7.3 Tecniche ECM analoghe a quelle convenzionali . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

7.4 Diverse taglie di macchine ECM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

7.5 Schema principale di una ECM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

7.6 Schema delle reazioni elettrolitiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

7.7 Utensili con flusso inverso con contropressione variabile . . . . . . . . . . . . 78

7.8 Diverse concentrazioni di elettrolita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

7.9 Influenza della temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

7.10 Schema ed andamento del gap frontale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7.11 Schema generale del gap tridimensionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7.12 Superficie lavorata con ECM e range della rugosità . . . . . . . . . . . . . . 82

7.13 Piastra di acciaio 65 HRC. Testa di camme. Paletta di turbina . . . . . . . . 82

8.1 Schema della sbavatura elettrochimica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

8.2 Schema ed esempio della ECD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

132


PAGINE

136

PESO

42.23 MB

AUTORE

gaudio90

PUBBLICATO

4 mesi fa


DESCRIZIONE APPUNTO

Di seguito potete trovare l'anteprima della mia dispensa di Tecnologia Meccanica 2: Lavorazioni non convenzionali (lezioni tenute dal Prof. Tricarico nel corso 2017/2018) di circa 140 pagine completamente riorganizzato, ampliato, commentato e riscritto interamente a macchina da me. Il testo è anche interattivo e quindi potrete navigare velocemente tra le varie sezioni.

Gli appunti non hanno bisogno di alcun materiale complementare, nè del prof, nè di altre persone (non sono presenti solo le lavorazioni HERF) e vi potranno far superare l'esame con un voto Eccellente. Il testo accompagna il lettore nella comprensione totale degli argomenti e dei meccanismi che portano alla stesura dei grafici di processo. Inoltre sono riportati nell'appendice del testo delle tabelle di riepilogo e confronto riguardanti quasi tutte le tecnologie.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in ingegneria meccanica
SSD:
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher gaudio90 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Tecnologia meccanica 2 e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Bari - Poliba o del prof Tricarico Luigi.

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