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

Appunti di

Tecnologia Meccanica 2:

Lavorazioni Non Convenzionali

Autore

Gaudio Giovanni

25 giugno 2018

Premessa

La copia, la modifica, la distribuzione e l’uso non autorizzato è fortemente

proibito senza autorizzazione. Per qualsiasi informazione contattare l’autore.

1

Indice

1 Water Jet Machining 4

1.1 Il processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 L’attrezzatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Le capacità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2 Abrasive Jet Machining 13

2.1 Il processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2 L’attrezzatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3 Parametri di processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4 Le capacità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3 Abrasive Water Jet Machining 21

3.1 Il processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2 L’attrezzatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3 Parametri di processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3.1 Parametri dell’abrasivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3.2 Parametri di miscelazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3.3 Parametri idraulici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.3.4 Parametri di taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.4 Le capacità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4 Abrasive Flow Machining 40

4.1 Il processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.2 L’attrezzatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.3 Parametri di processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.4 Le capacità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5 Ultrasonic Machining 51

5.1 Il processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.2 L’attrezzatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.3 Parametri di processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.4 Le capacità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.5 Rotary Ultrasonic Machining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

6 Chemical Machining 67

6.1 Il processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

6.2 Parametri di processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.3 Le capacità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

2

7 Electrochemical Machining 73

7.1 Il processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

7.2 L’attrezzatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

7.3 Parametri di processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

7.4 Le capacità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

8 Electrochemical Operation 83

8.1 Deburring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

8.2 Honing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

8.3 Turning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

8.4 Grinding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

8.5 Electrostream Drilling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

8.6 Shaped-Tube Electrolytic Machining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

9 Electro Discharge Machining 95

9.1 Il processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

9.2 Attrezzatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

9.3 Parametri di processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

9.4 Le capacità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

9.5 Elettroerosione a tuffo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

9.6 Fresatura per elettroerosione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

9.7 Taglio per elettroerosione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

A Tabelle di confronto 126

A.1 Jet Tecnologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

A.2 Electrochemical Tecnologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

A.3 Altre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Bibliografia 129

Elenco Figure 130

Elenco Tabelle 135

3

Capitolo 1

Water Jet Machining

La lavorazione a getto d’acqua (anche detta Water Jet Machining - WJM) è un processo

di lavorazione non convenzionale che rientra nei processi di taglio per asportazione di

materiale tramite energia meccanica, ed in particolare con meccanismo di taglio ad erosione

e trasferimento di energia per mezzo di un fluido, ovvero acqua (figura 1.1). Tale tecnlogia

÷

può avere un costo compreso tra 60 100 mila euro.

Figura 1.1: Albero dei processi

1.1 Il processo

L’operazione di taglio, o sbavatura, effettuata con tale tecnologia sfrutta l’azione erosiva

attuata da un getto d’acqua ad alta velocità in uscita da un apposito ugello e diretto sul

materiale (figura 1.2). La velocità del getto è molto elevata, anche 1000 m/s, ed il taglio è

effettuato ad una distanza ugello-pezzo di circa 25 mm, oltre tale distanza il getto diverge

1

per l’interazione con l’aria , ma il taglio è comunque garantito fino a 250 mm.

1 Diviene un parametro che influenza notevolmente il processo oltre una distanza ugello-pezzo di 25 mm,

mentre al di sotto di tale limite viene considerato ininfluente.

4

Figura 1.2: Getto ad acqua

Le velocità di taglio, che dipendono molto dal tipo di materiale lavorato, sono molto

elevate (150 m/min) ed il taglio che si ottiene è decisamente di qualità superiore rispetto a

tutte le altre tecniche convenzionali, quindi è un processo molto veloce e preciso.

Il WJM fu studiato per la prima volta durante gli anni ’60, mentre le prime applicazioni

furono realizzate solo dieci anni più tardi. Oggi però tale tecnologia presenta diversi pregi:

• L’utensile è esente da usura eccessiva o rotture.

• L’operazione di taglio può iniziare in qualsiasi punto del pezzo grazie alla capacità

intrinseca di taglio omnidirezionale, infatti il processo non necessità di operazioni

2

preliminari di lavorazione con altre tecnologie .

• L’utilizzo di un fluido come l’acqua evita la produzione di calore e di polveri volatili, il

che rende il processo ecocompatibile e sicuro per la salute degli operatori.

• Il pezzo viene solo bagnato in modo limitato durante l’operazione di taglio, ma

soprattutto non viene deformato in alcun modo durante il processo.

La dinamica del getto è analizzata attraverso l’equazione di Bernoulli, nelle condizioni di

∼ ≈

h h e v v 0 tra le sezioni di uscita dell’ugello e quella del pezzo, dalla quale si

=

u p p u teo ÷

ricava una velocità teorica v che viene corretta con un coefficiente µ compreso tra 0.8 0.98:

p r 2p

teo teo

→

v = v = µv

p

p p

ρ W

Nella figura 1.3 viene riportata la schematizzazione di un getto cosı̀ suddiviso:

Zona 1 Nella prima zona la pressione, la densità e la velocità sono costanti e pari a quelle

÷

nella sezione di uscita dell’ugello. Forma e lunghezza L1 (40 60 volte φ ugello)

dipendono fortemente dal numero di Reynold e dalla finitura superficiale dell’ugello.

È in questa zona che generalmente il getto incontra il pezzo, infatti il diametro degli

2 Per esempio nell’elettroerosione è necessario effettuare un preforo per far passare il filo prima di poter

iniziare il taglio in un punto interno del pezzo. 5

Figura 1.3: Getto ad acqua

ugelli non supera 1 mm e la distanza ugello-pezzo si aggira intorno ai 25 mm. Ciò è

evidenziato meglio nella figura 1.5.b per valori fino a 100 diametri.

Nel momento in cui il getto colpisce il pezzo, esso può generare diversi tipi di frattura

in funzione della pressione e delle caratteristiche del materiale. In particolare il getto

scava un foro se il materiale è duttile, mentre ne provoca il distacco a particelle con

formazione di un cratere se è fragile, proprio come evidenziato in figura 1.4. La forza

Figura 1.4: Meccanismi di asportazione

esercitata sull’area A e la potenza P richiesta per generare il getto possono essere

calcolate facilmente dalla variazione di quantità di moto che l’acqua subisce tra v e

u

v = 0. Per esempio per un ugello con φ = 0.1 mm:

p 2

F ρAv ∼

2 2

→ p = = = ρv 1000M P a

F = ρAv =

2

πd

A 4 ∼

2 3

→

P = pQ P = ρv Av = ρAv 13.3kW

= ÷

Zona 2 La seconda zona, detta di transizione, può avere una lunghezza pari a 90 600 volte

il diametro dell’ugello e presenta una drastica riduzione di pressione, densità e velocità,

nonchè un aumento della frazione d’aria intrappolata nel getto (figura 1.5.b).

L’influenza della distanza dall’ugello è evidenziata in figura 1.5 e riguarda le proprietà

di conicità e percentuale di acqua contenuta nel getto.

6

Figura 1.5: Diametro e acqua nel getto con la distanza dall’ugello

Si può osservare che il getto diverge e quindi il suo diametro cresce in maniera continua

(figura 1.5.a), mentre l’acqua contenuta nel getto si riduce drasticamente al di fuori

della zona 1 (figura 1.5.b).

Zona 3 Oltre la zona di transizione il getto diviene sostanzialmente un insieme di aria e

gocce di liquido.

1.2 L’attrezzatura

L’attrezzatura necessaria per il WJM può essere di due tipi in funzione della potenzialità

richiesta. Infatti per basse pressioni sino a 280 MPa è sufficiente una pressurizzazione diretta

con pompe volumetriche, che grazie al moto alternativo di pistoni comandati da un albero a

camme collegato ad un motore elettrico rotante a velocità costante fornisce una pressione ed

una portata pressoché costante di acqua (figura 1.6).

Figura 1.6: Elementi principali del WJM per basse prestazioni

Per pressioni più elevate invece tali apparecchiature non sono più in grado di fornire

pressioni e portate costanti e pertanto sono necessari altri sistemi: quello più utilizzato è

l’intensificatore (figura 1.7). L’intensificatore è sostanzialmente un moltiplicatore di pressione

(si raggiungono anche rapporti di 1 : 25) costituito da un cilindro oleodinamico a semplice o

doppio effetto (lato bassa pressione: 35 MPa), che comanda un pistone il cui stelo è sfruttato

in un sistema idraulico per pressurizzare l’acqua in una camera adiacente (lato alta pressione:

400 MPa) ed inviarla in un accumulatore: grazie alla presenza di valvole di non ritorno

l’aspirazione dell’acqua è effettuata nella corsa di rientro, mentre la pressurizzazione (solo il

15% della corsa) e l’invio nel serbatoio vengono fatte nella corsa di uscita.

7

Figura 1.7: Intensificatore

Esso permette di raggiungere pressioni molto elevate semplicemente dimensionando

opportunamente le aree su cui insistono le pressioni esercitate dall’olio e dall’acqua:

A oil

→

P A = P A P = P

oil oil water water water oil A water

Naturalmente l’adozione di sistemi a pistoni può provocare l’insorgere di problemi di

fluttuazioni della pressioni che si ripercuoterebbero sicuramente sulla qualità della lavorazione.

Per questo motivo nella pratica sono seguiti diversi approcci, tra i quali quello di adottare

un accumulatore, come nel caso appena citato di intensificatore singolo, oppure di più

intensificatori in parallelo ma non in fase. 3

Nel primo caso l’acqua ad elevata pressione viene immagazzinata in un accumulatore e

rilascita appena si verifica una riduzione di pressione a seguito dell’azionamento dell’ugello

(figura 1.8). Nel secondo caso il moto degli intensificatori in parallelo vengono sincronizzati

Figura 1.8: Elementi principali del WJM con intensificatore

in modo tale che uno inizi la sua corsa di compressione, prima che l’altro abbia compiuto la

corsa di mandata dell’acqua, permettendo cosı̀ di avere sempre un intensificatore in corsa

attiva quando l’altro raggiunge il fine corsa (figura 1.9). Nel caso siano sufficienti solo due

intensificatori singoli si potrebbe usare in alternativa un intensificatore a doppio effetto

corredato di quattro valvole di non ritorno sulle due vie dell’acqua, e montato direttamente su

di una unità WJM compatta contenente il sistema di pompaggio. Tale unità è poi a sua volta

4

collegata con un sistema di valvole ON-OFF e tubi rigidi (figura 1.10.a) disposti in serpentine

3 Il serbatoio va progettato secondo normativa e dimensionato tenendo conto delle capacità della pompa.

4 Gli attuali tubi flessibili non permettono di raggiungere valori di pressione oltre i 220 MPa.

8

Figura 1.9: Intensificatori in parallelo

sagomate (figura 1.10.b) per garantire comunque una certo livello di movimentazione dell’ugello

a cui tutto il sistema è infine collegato.

Figura 1.10: Unità completa. Sistema di distribuzione all’ugello

L’ultimo componente prima del pezzo è l’ugello (costo del solo ugello completo tra

÷

500 1000 euro). Compito dell’ugello è trasformare l’energia di pressione dell’acqua in energia

cinetica, sfruttando il principio di Bernoulli in un condotto convergente.

Nelle prime applicazioni le unità WJM utilizzavano acqua additivata con teflon (un

polimero) per ridurre l’attrito con l’ugello e conferire proprietà coesiva al getto. Attualmente

invece le aziende preferiscono trattare l’acqua tramite opportuni processi (vedi più avanti)

e curare di più la progettazione degli ugelli, adottando opportuni inserti (figura 1.11) a

5

geometria convergente in zaffiro sintetico , facilmente lavorabili, resistenti all’usura dell’acqua,

poco costosi (costo massimo 50 euro) e sostituibili in alcuni minuti, che permettono di ottenere

getti collimati (molto lineari e precisi).

In questo caso i trattamenti a cui è sottoposta l’acqua mirano tutti a limitare l’effetto

di alcuni elementi presenti nell’acqua che creano problemi di corrosione (come il cloro) e di

particolato che crea problemi di usura accelerata. Alcuni trattamenti tipici realizzati per il

WJM sono:

Deionizzazione Permette di incrementare la vita media dell’inserto fino a 200 ore. Quando

nell’impianto vengono anche adottati filtri che trattengono particelle con diametro

superiore a 1 µm, la vita media dell’inserto può raggiungere anche le 500 ore.

5 Monocristallo di Al O . In alternativa può essere utilizzato un inserto in diamante sintetico, sostituibile

3 3

in pochi minuti, più difficile da lavorare, con un costo pari a 200 euro, ma molto più resistente del precedente.

9

Figura 1.11: Ugello con inserto

Osmosi Inversa Consiste nel passaggio dell’acqua attraverso una membrana molto sottile

che filtra l’acqua a livello molecolare permettendo all’inserto di raggiungere le 190 ore

di funzionamento.

Addolcimento L’acqua viene fatta passare attraverso un letto di resina con l’obiettivo di

sostituire i sali di calcio con quelli di sodio in maniera tale da incrementare la vita utile

dell’inserto fino alla modesta cifra di 78 ore.

Non trattati Quando l’acqua non è trattata l’inserto non dura in genere più di 34 ore.

Il tipo di ugello più economico realizzabile è quello conico con sezione di uscita cilindrica

come riportato in figura 1.12. Obiettivo dell’ugello non è solo comunque quello di trasformare

energia, ma anche di mantenere coerente il flusso quanto più a lungo possibile.

Figura 1.12: Ugello tipico

Le dimensioni riportate in figura 1.12 non sono del tutto casuali, ma rappresentano i

valori per i quali l’ugello presenta le massime prestazioni. Infatti dalle prove di laboratorio

si è osservato che proprio l’angolo di conicità, la lunghezza del tratto cilindrico ed il tipo

di raccordatura all’ingresso influenzano notevolmente la coerenza del getto come visibile

dai grafici di figura 1.13. In particolare è possibile notare dai grafici 1.13.a e 1.13.b che la

◦

6

lunghezza del getto presenta un massimo sia per un angolo di 13 che permette di raggiungere

lunghezze di 100 volte il diametro φ dell’ugello, che per una lunghezza del tratto cilindrico pari

÷

a 3 5 volte φ (in maniera molto marcata). La presenza poi di spigoli raccordati all’ingresso

dell’ugello favorisce l’aumento della lunghezza del getto come evidenziato dal grafico 1.13.c,

poiché si genera una caduta di pressione minore.

6 Si preferisce avere diametri minori dell’ugello dato che questi richiedono portate minori, e quindi sistemi

di pompaggio meno potenti. 10

Figura 1.13: Lunghezza getto con conicità. Lunghezza cilindro. Caduta di pressione.

Dopo che il getto ha penetrato il pezzo, entra in un silenziatore (figura 1.14.a) che

minimizza il rumore generato (che può raggiungere anche i 130 db): un condotto lungo fino a

600 mm che permette di smorzare l’energia del getto. Quando le dimensioni della macchina

sono modeste si usano silenziatori di dimensioni minori che presentano al loro interno inserti

smorzanti (figura 1.14.b). Oggi si lavora anche in immersione.

Figura 1.14: Silenziatore. Silenziatore con inserti.

1.3 Le capacità

Le potenzialità del getto erano inizialmente calcolate attraverso specifici nomogrammi

come quello in figura 1.15. Oggi invece vengono adoperati programmi di calcolo forniti dalle

stesse case produttrici, utili per simulazioni di processo