Appunti Tecnologia meccanica (primo compitino)

Tecnologia mechanical lay-out aziendali

Tutte le produzioni metalmeccaniche richiedono una sequenza di operazioni e come queste sequenze si mettano in fila si chiamano lay-out aziendali. Le operazioni possono rientrare nelle operazioni primarie (quelle che danno la forma massiva dell’oggetto) o nelle operazioni secondarie (quelle responsabili della finitura superficiale). In generale, le strategie di organizzazione di queste aziende si possono dividere in 4 macro-gruppi:

• Project shop;
• Job shop;
• Transfer line;
• Cellular system.

Project shop

Il sistema project shop è quello pensato per produrre componenti singoli, in generale sono le aziende che lavorano sulle piccole serie. Questo sistema lo utilizzano le aziende che lavorano sui componenti che possono essere microscopici o macroscopici. Le aziende project shop sono quelle dove il prodotto è al centro delle operazioni, sono aziende orientate verso la maggior flessibilità possibile. In queste aziende sono le operazioni che raggiungono il prodotto. Questo richiede che le macchine e gli operatori abbiano la maggior flessibilità possibile. Questa è la soluzione più inefficiente perché avrà bisogno di un numero di persone che garantisca il massimo della richiesta che può avere l’azienda. In caso di prodotti più semplici, le risorse saranno sotto utilizzate. Dovrò avere a disposizione tutti i possibili strumenti per tenere conto delle possibili operazioni richieste a causa delle elevate variabilità di prodotti che vado a realizzare. Questa non è una soluzione per lavorare sulla grande serie ma solo su piccoli lotti.

Transfer line

Una strategia diametralmente opposta è la transfer line. Gli operatori stanno fermi nelle stazioni ed è il prodotto che si muove. A mano a mano che l’oggetto avanza ci sarà sempre un operatore che esegue sempre la stessa operazione. Una volta finita l’operazione, il prodotto può passare alla stazione successiva. Le linee di questa strategia funzionano o in modo continuo o in modo discontinuo. Nelle linee di trasferimento io ho delle sequenze di operazioni ben definite perché ogni stazione è equipaggiata con le macchine necessarie ad eseguire quella determinata operazione. In generale, su linee molto lunghe si mette una singola operazione, su linee corte si prova ad aggregare più operazioni insieme. Nelle linee a flusso continuo il prodotto avanza con una velocità costante (abbastanza bassa per permettere all’operatore di inseguirlo e di eseguire l’operazione al volo) e in quelle discontinue si ha un tempo fissato di avanzamento. Operazioni con linea discontinua possono permettere di eseguire operazioni anche pesanti o difficili con macchinari pesanti ma richiedono un bilanciamento della linea. Se ho varie stazioni, devo cercare di bilanciare le operazioni in modo che ogni stazione abbia dei tempi cicli vicini. Una linea continua invece può eseguire solo delle operazioni semplici che non richiedono l’utilizzo di macchinari pesanti. Le linee di produzione nascono quando ho qualche centinaia o migliaia di pezzi da produrre. Si riesce ad avere produttività molto elevate ma anche dei costi fissi molto elevati. Invece nel project shop abbiamo un costo fisso pari a zero ma ha un costo marginale molto elevato.

Job shop

Nel job shop io creo dei reparti specializzati in determinate operazioni, raggruppo le macchine che eseguono principalmente la stessa operazione nella stessa area e, dopo di che, sono i prodotti che si muovono da un’area all’altra. Nel job shop abbiamo una buona efficienza del singolo processo e ho la possibilità di far crescere ogni singolo processo e ho la possibilità di far crescere ogni singolo reparto facilmente indipendentemente dagli altri. Nel transfer line non posso cambiare una macchina o non posso aumentare la capacità di una sola macchina all’interno della linea, perché la linea viaggia alla velocità della macchina più lenta. In generale, le linee vengono aggiornate tutte insieme. Il problema del job shop diventa la logistica perché il flusso dei materiali è estremamente caotico. I sistemi job shop offrono una buona flessibilità e la possibilità di essere facilmente aggiornate.

Cellular system

L’ultima soluzione è quella del cellular system dove si ha in una piccola area dell’azienda una cella di assemblaggio dove sono raggruppate una serie di macchine diverse che servono per eseguire delle operazioni comuni a una famiglia di prodotto. Il cellular system è una specie di estensione del job shop, tutte le macchine divise per reparto per cercare di avere un’efficienza maggiore. Tutti gli spostamenti necessari per le macchine che hanno questa sequenza di operazioni vengono ridotte. Le macchine vengono messe tutte contigue e le famiglie di prodotto che seguono questo percorso vengono prodotte in una zona limitata. Nelle celle di produzione si cerca di fare una maggiore efficienza rispetto al job shop. Di solito, chi utilizza la strategia del job shop ha una elevata varietà di produzione. Chi utilizza il metodo del cellular system in generale ha delle famiglie di prodotto abbastanza standard. La maggior parte delle celle sono a movimentazione manuale, alcune celle possono essere gestite da più operatori.

Scelta del sistema

Quando avete un prodotto molto variabile andate verso il project shop, quando avete una flessibilità molto ridotta e una grande serie di prodotti andate verso la transfer line, il job shop e il cellular system sono le due strategie intermedie; il cellular system quando riuscite a dividere il prodotto in famiglie altrimenti si sceglie il job shop. Il progettista è quello che pensa alla funzionalità del componente mentre il tecnologo sa quali sono le strategie per produrla al più basso costo possibile. Il tecnologo orienta le scelte del progettista, c’è una iterazione molto forte tra quella che è la progettazione e la produzione. Progettazione che tenga conto dell’aspetto produttivo fin dalle prime fasi e che ha l’obiettivo di ridurre quelli che sono i costi di produzione. Questa iterazione permette di andare a cambiare la geometria del prodotto in modo da sfruttare al meglio le tecnologie disponibili, per avere la massima produttività e abbassare i costi. Il costo delle prestazioni viene definito nella fase di design.

La velocità di risposta del mercato mi permette di essere il primo fornitore sul mercato e questo aumenta le possibilità che il mio prodotto acquisisca un ruolo leader all’interno del mercato. Nella produzione la sfida non è solo produrre correttamente ma anche farlo nel più breve tempo possibile. Capire le esigenze del cliente è uno dei punti fondamentali. Nella parte di progettazione si inizia con una fase di progettazione libera sulla base delle esigenze del cliente. Questa idea progettuale può servire per elaborare delle strategie, delle architetture di sistema per esempio. Queste strategie vengono verificate e viene realizzato un primo prototipo e sulla base di questo prototipo faccio una prima review che riguarda anche la producibilità del componente, ovvero quella che è la fase di progettazione. Quello che è lo sketch di progettazione viene sottoposto ad una analisi di tecnologi che danno dei feedback per migliorare la producibilità del componente stesso. Dopo di ché si parte con la fase di ridesign sulla base dei feedback riprogetto il mio componente, lo verifico nuovamente per vedere se ho raggiunto i miei obiettivi.

Metrology

La dimensione è una quota nominale che viene attribuita a una feature geometrica di un progetto, la tolleranza invece è la sua incertezza. Quando il progettista attribuisce una quota la dà sulla base della funzionalità che il prodotto deve avere, non dà un valore esatto ma dà un range di tolleranza nella maggior parte dei casi queste tolleranze sono associate a delle tolleranze medie di disegno. La dimensione è in generale il valore nominale che viene attribuito al pezzo che deve essere lavorato. Esistono quote diverse, ci sono le quote collegate a delle caratteristiche geometriche del componente; ci sono poi quote derivate che non sono descrivibili a una singola lavorazione ma vengono da una somma di lavorazioni diverse. In generale, quando parliamo della dimensione parliamo di errori di manufacturing, errori legati alla produzione e possiamo definire due tipologie di errori:

• Errori dimensionali;
• Errori geometrici.

Alla famiglia degli errori dimensionali appartengono tutte le tolleranze. Negli errori geometrici abbiamo gli errori macro-geometrici e errori micro-geometrici. Gli errori macro-geometrici sono le tolleranze geometriche, le parallelità, le perpendicolarità… Gli errori micro-geometrici invece sono legati alla rugosità. Quando parliamo di tolleranza bisogna ricordare che è in generale lo spazio nel quale è presente il componente reale. La superficie più piccola dell’oggetto che posso avere secondo le tolleranze è l’estremo di tolleranza più basso della quota mentre la superficie più grande dell’oggetto che posso avere è definito dall’estremo di tolleranza più grande della quota. La distanza tra queste due superfici dell’oggetto, paralleli fra di loro è proprio la tolleranza. Il più piccolo oggetto è eseguito secondo il principio del minimo materiale mentre quello più grande è eseguito secondo il principio di massimo materiale.

Esistono vari modi per attribuire delle tolleranze bidirezionali (definisco una certa quota nominale e intorno a essa definisco un range simmetrico); si usano delle tolleranze standard definite dalla norma. La norma definisce il range di tolleranza utilizzando due grandezze, la prima è il grado di tolleranza (un numero progressivo che va da 00 a 17, le tolleranze molto strette sono quelle inferiori al 5, quelle più classiche nella lavorazione meccanica vanno da 5 a 9) e la seconda è lo scostamento della tolleranza (si utilizza come tolleranza di riferimento lo scostamento h, che permette di avere una quota perfettamente pari al valore nominale e un leggero gioco). Le distribuzioni delle tolleranze hanno un andamento gaussiano. Per convenzione il rapporto che noi assumiamo fra range e distribuzione gaussiana dei nostri dati è di considerare la tolleranza della nostra distribuzione pari a tre volte la deviazione standard della curva stessa. La deviazione standard è la distanza fra valore e medio e il flesso.

La condizione peggiore in un accoppiamento albero-foro può essere il caso in cui l’albero ha la dimensione massima e il foro ha la dimensione minima oppure il foro ha la dimensione massima e l’albero ha la dimensione massima e la probabilità che ciò accada è pari a 0,049%. Le tolleranze geometriche sono legate al tipo di processi scelti e ai parametri di processi. Su alcune tolleranze geometriche (tipo la rettilineità) emerge anche un altro fattore che lo influenza ed è la qualità della macchina che effettua l’operazione, macchine più performanti riescono ad avere degli errori molto contenuti. Le macchine che devono fare delle lavorazioni molto precise sono sottoposte a dei collaudi dimensionali.

Queste tolleranze geometriche hanno tutte un piano di riferimento, un datum, il datum è la superficie di riferimento rispetto alla quale queste tolleranze geometriche vengono calcolate. Il datum è quello che fissa il pezzo nello spazio, è quello che in generale definisce delle superfici di appoggio sul pezzo per bloccarlo nello spazio. Un pezzo per essere definito nello spazio deve essere caratterizzato da tre rotazioni e da tre traslazioni. Esistono delle tolleranze che vengono prese a riferimento e sono quelle più usate comunemente, quelle che si trovano di più in commercio fra i prodotti offerti dei fornitori, queste vengono chiamate tolleranze base e prendono il grado di tolleranza h o H. Vengono chiamati sistemi albero-base o foro-base tutti quelli che partono da una componente standard di classe h o H. L’utilizzo del sistema albero-base o foro-base è conveniente da un punto di vista economico.

Nell’accoppiamento albero-foro più classico avete un albero che nella maggior parte dei casi è rettificato in classe h6. Di solito si cerca di realizzare degli accoppiamenti con gioco per il semplice fatto che di solito gli assemblati se non hanno gioco sono difficili da realizzare. Di solito quando si va fare un accoppiamento è molto probabile che l’albero sia di commercio mentre il foro sia realizzato su misura. Il processo do tornitura è caotico perché per la creazione di trucioli ci sono delle forze in gioco e più sono grandi queste forze più vibra l’utensile. Per ridurre la vibrazione dell’utensile per ottenere una migliore finitura superficiale bisogna diminuire le forze in gioco. Se abbasso le forze vado a togliere meno materiale e quindi la lavorazione durerà di più. In generale, più aumenta la precisione della lavorazione più i costi della lavorazione aumentano.

Un altro problema che influenza l’accuratezza con cui viene prodotto l’oggetto è che questo oggetto viene fissato sulla macchina che effettua la lavorazione e se il pezzo è molto lungo ci possono essere dei problemi di flessione. Tutte le misurazioni sono affette da errori. Gli strumenti sono tutti caratterizzati da una certa precisione, le precisioni più basse che si riescono ad ottenere sono intorno al ventesimo di millimetro, decimo di millimetro. Per quanto riguarda l’accuratezza, questa è legata a quanto il vostro strumento è in grado di misurare effettivamente la quota richiesta. Gli strumenti di misura devono essere tarati periodicamente mentre altri strumenti di misura devono essere tarati con continuità.

Gli strumenti si dividono principalmente in 3 categorie: per misure esterne, per misure interne e per misure di profondità. In generale esistono degli strumenti puntuali interni, puntuali esterni, puntuali di profondità e non puntuali. Gli strumenti non puntuali permettono di capire se il mio pezzo è all’interno di un range, questi strumenti vanno sotto il nome di calibri passa-non passa. Le misure puntuali servono quando dobbiamo andare a fare un monitoraggio della produzione. Lo strumento più semplice che possiamo utilizzare è il calibro. Il micrometro è uno strumento di maggiore precisione che si compone di una parte fissa e di una parte mobile. Un altro strumento di misura è il proiettore di profili, esso permette di fare delle fotografie molto ingrandite di un profilo di un oggetto. Una macchina più complessa è la macchina di misure coordinate (CMM); la macchina funziona con un tastatore, poggia su un componente e ne acquisisce la posizione. La macchina si muove su un cuscino d’aria e si muove con precisioni micrometriche; la posizione viene letta da delle guide ottiche. La macchina tramite il rubino acquisisce 6 o 8 punti dell’oggetto, ne va a fare l’interpolazione dei dati e si calcola la posizione del centro e del raggio dell’oggetto. Per le misure planarità si usano i comparatori che sono degli strumenti in cui si azzerano su una certa posizione e misura gli scostamenti con precisione alla decina di micron rispetto a una posizione di riferimento.

Gli errori micro-geometrici sono quelli che ci permettono di definire la qualità di una superficie. Se voi prendete una superficie lavorata e la guardate al microscopio vedete che queste superfici hanno tutti un pattern e riportano quella che è la firma tecnologica del processo tecnologico usato per produrlo. La superficie è di solito generata da processi di asportazione di truciolo ed è inquinata da successive ossidazioni. Sopra tutti i materiali metallici è sempre presente un leggero strato di ossido. Si crea una superficie con il processo di asportazione che è un qualcosa che perturba la geometria in modo più o meno caotico ed è legato ad un processo di ossidazione. Il grosso della micro-geometria è legato al processo, una certa componente più variabile è legata anche ai processi ossidativi, all’inquinamento superficiale che ci può essere. Uno strato di ossidazione ha uno spessore che può variare dai 10 ai 100 nanometri. Un profilogramma di una superficie ha dei pattern ripetuti, quindi il processo è caratterizzato da valli successive, queste valli sono dovute al passaggio dell’utensile sul pezzo. Le lavorazioni con asportazione di truciolo sono dei processi caotici; oltre questo c’è anche l’ondulazione della superficie, queste ondulazioni possono essere legate a fattori come gli errori sulle guide delle macchine, vibrazioni del processo…

Gli indici per misurare la rugosità di una superficie sono due: la rugosità totale e la rugosità aritmetica. La rugosità totale è quella più semplice da calcolare ed è la distanza che c’è tra il punto più alto e il punto più basso all’interno del profilo della superficie; questo profilo si acquisisce con un rugosimetro. La rugosità totale è fortemente influenzata da un errore della singola superficie. Per il calcolo della rugosità aritmetica io devo considerare il valore medio della mia superficie e vado a valutarne lo scostamento del singolo punto campionato a una certa frequenza rispetto a questo valore medio di riferimento. La rugosità dipende dai parametri che utilizzo per realizzare quella superficie e dalle geometrie dell’utensile.