lavorazioni non convenzinali - altervistaaspassoper.altervista.org/kennedy/lavorazioni_non... ·...
TRANSCRIPT
-
LAVORAZIONI NON CONVENZINALI
I.T.S.T “J.F. KENNEDY” - PN
-
Lavorazioni non convenzionali
DEFINIZIONE
Le Lavorazioni Non Convenzionali (LNC) sono quei processi che utilizzano tecniche di rimozione del materiale per via meccanica, elettrica, termica e chimica, differenti da quelle “tradizionalmente” adottate, quali tornitura, fresatura, tranciatura, ecc...
Lo sviluppo delle lavorazioni non convenzionali è stato determinato da:
a) nuove conoscenze chimico-fisiche della materia;
b) esigenza di parametri di lavorazione più spinti;
c) introduzione nuovi materiali;
-
Lavorazioni non convenzionali
Le LNC sono state introdotte per rispondere ad alcune esigenze particolari che non riescono ad essere soddisfatte dalle tecnologie convenzionali, come:
• tolleranze dimensionali, tolleranze di forma e finiture superficiali non realizzabili dai processi tradizionali;
• realizzazione di componenti con profili interni ed esterni, spigoli vivi e planarità non realizzabili nei processi di formatura e stampaggio;
• speciali caratteristiche superficiali ottenibili soltanto con processi di asportazione di materiale;
• superfici trattate termicamente al fine di migliorare la durezza e la resistenza all’usura necessitano di operazioni di finitura;
-
Lavorazioni non convenzionali
Le LNC permettono, quindi, :
1) lavorazione di materiali “innovativi” quali:
- materiali ceramici - fibre sintetiche- leghe di titanio - leghe di alluminio- leghe di silicio - superleghe- plastiche - resine
2) lavorazioni con materiali “classici” con caratteristiche meccaniche o richieste di forme e finiture particolari (microfori, rugosità superficiali e cavità di stampi non realizzabili per asportazione classica, …);
-
Lavorazioni non convenzionali
Le LNC permettono, quindi, :
3) lavorazioni su pezzi troppo flessibili o sottili per sopportare forze di taglio elevate;
4) lavorazioni senza incrementi di temperatura e/o tensioni residue nel pezzo in lavorazione;
5) lavorazion con possibili problemi nell’afferraggio in un’attrezzatura di bloccaggio.
-
Lavorazioni non convenzionali
Tuttavia le LNC presentano anche delle importanti e sostanziali limitazioni:
• produzione di scarti di materiale;
• necessitano di più energia, capitali e manodopera rispetto ai processi tradizionali;
• se non eseguite correttamente possono produrre effetti indesiderati sulla qualità superficiale e sulle proprietà del prodotto.
-
Lavorazioni non convenzionali
-
Lavorazioni non convenzionali
-
Lavorazioni non convenzionali
LCN Termo-elettriche
ElettroerosioneElectro Discharge Machining (EDM)
Taglio LaserLaser Beam
Machining (LBM)
Fascio ElettronicoElectron Beam
Machining (EBM)
PlasmaPlasma Beam
Machining (PBM)
-
Lavorazioni non convenzionali
LCN Meccaniche
UltrasuoniUltrasonic Machining
(USM)
Taglio a getto d’acquaWater Jet
Machining (WJM)
Taglio a getto abrasicoAbrasive Jet
Machining (AJM)
-
Lavorazioni non convenzionali
LCN Chimiche
Attacco chimicoChemical Machining
(CHM)
Attacco elettro-chimicoElectro chemical Machining (ECM)
-
Lavorazioni non convenzionali
Applicazioni sui materiali
USM WJM ECM CHM EDM EBM LBM PBM
Alluminio
Acciaio
Superleghe
Titanio
Refrattari
Ceramiche
Plastiche
Vetro
* ** ** *** ** ** ** **
** ** *** *** *** ** ** ***
* *** *** ** *** ** ** ***
** ** ** ** *** ** ** **
*** *** ** * *** *** * *
*** *** no * no *** *** no
** ** no * no ** ** *
*** *** no ** no ** ** no
-
Lavorazioni non convenzionali
-
Lavorazioni non convenzionali
-
Lavorazioni non convenzionali
Elettroerosione a tuffo
Si basa sull’azione termica di scariche elettriche tra utensile e pezzo: l’asportazione di materiale si ha per effetti termici, ma anche elettrici e meccanici.
Per aumentare l’efficienza delle scariche, queste vengono fatte scoccare all’interno di un liquido dielettrico. Il dielettrico diminuisce la sezione dell’arco.
-
Lavorazioni non convenzionali
Elettroerosione a tuffo
La lavorazione non dipende dalle caratteristiche meccaniche del materiale, ma dalle sue caratteristiche fisico/termiche.
La scintilla scocca dove si ha la distanza minima utensile-pezzo e dove si ha la massima conducibilità locale del fluido.
Si ha sempre soltanto una scintilla alla volta.
-
Lavorazioni non convenzionali
Elettroerosione a tuffo
Tensione 100 -500V (in continua)
Corrente 1000 A
Tempo scarica 0.1 µs
Tempo totale 200 µs
I elevata - tON breve Bassa velocità di rimozioneElevata finitura superficiale
I bassa - tON lungoElevata velocità di rimozioneScarsa finitura superficiale
-
Lavorazioni non convenzionali
Elettroerosione a tuffo
Il ciclo produttivo per la lavorazione tramite elettroerosione a tuffo può essere così riassunta:
analisi della forma da ottenere;realizzazione dell’elettrodo in rame con forma pari al negativo della forma che si vuole ottenere;montaggio dell’elettrodo sulla macchina;scelta dei parametri di lavoro;esecuzione del ciclo di lavoro.
E’ possibile ottenere fori ciechi, fori profondi di piccolo diametro, fessure strette, forme complesse e articolate.
Gli utensili (grafite, bronzo, rame, leghe rame-tungsteno) sono sagomati mediante forgiatura, fusione o asportazione di truciolo.
-
Lavorazioni non convenzionali
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
La sorgente di energia è un laser che focalizza l’energia di un fascio di luce coerente sulla superficie del pezzo portandolo alla fusione e all’evaporazione.
Il fascio di luce deve avere caratteristiche di monocromaticità, fasamento e direzionalità.
Una sorgente laser è in grado di generare un fascio di onde elettromagnetiche (o fotoni) con particolari caratteristiche: - monocromaticità: il fascio laser è costituito da fotoni di uguale lunghezza d’onda λ; - coerenza (fasamento): i fotoni sono tutti in fase; - direzionalità: il fascio viene emesso in un’unica direzione con una ristretta divergenza
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
In altre parole, un fascio laser:
Dalle caratteristiche del fascio derivano proprietà utili per le lavorazioni:
1. Facilità di focalizzazione
2. Elevata efficienza di interazione laser-materia
Potenza specifica laser 100 W: 104 W/mm2
Potenza specifica lampadina 100 W: 10-3 W/mm2
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
Lo schema tipico di una macchina per lavorazione laser è:
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
La generazione del raggio laser può avvenire usando differenti tipi di sorgente:
liquida di scarso interesse industrialesolida Nd-Yag Pot: fino a pochi kW (appl.industriali)
diodi Pot= fino a 1 kWgassosa atomi HeNe Pot= qualche centinaio di mW
(campi di misura e olografici)ioni Kr e Ar Pot= fino a poche decine di Watt
(campo medicale)molecole CO2 Pot= max circa 20 kW
(applicazioni industriali)
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
Quando il fascio laser raggiunge una superficie avvengono diversi fenomeni: riflessione, assorbimento e trasmissione della luce. La riflessione comporta perdita di energia. Se Pi è la potenza incidente, R verrà riflessa dalla superficie e solo la quantità A=1-R viene assorbita dal materiale:
A = coeff. di assorbimento superficiale [ - ]
R = coeff. di riflessione superficiale [ - ]
Il coefficiente di assorbimento superficiale dipende dal materiale, dalla lunghezza d’onda del laser (all’aumentare della λ diminuisce A per i metalli mentre aumenta per i materiali organici) e dalla finitura superficiale (all’aumentare della finitura diminuisce A).
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
L’asportazione di materiale può avvenire con diversemodalità e passa attraverso le fasi seguenti:
• riscaldamento, fusione e vaporizzazioneè la modalità più utilizzata, ma, a causa della elevata conducibilità termica e del basso assorbimento, alcuni materiali non possono essere tagliati in questo modo.
• riscaldamento e reazione esotermica di ossidazione
viene utilizzata solo per i metalli. Il laser riscalda il materiale ad una T che favorisce la reazione tra materiale e gas di assistenza. Il calore prodotto permette l’asportazione.
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
Durante le lavorazioni di taglio il fascio laser viene focalizzato sulla superficie da lavorare. Nella stessa direzione del fascio viene fatto fluire del gas che ha lo scopo di:
• favorire l’allontanamento del materiale fuso• proteggere la lente da eventuali proiezioni di materiale fuso
• allontanare il plasma che si forma al di sopra della superficie
Il gas è generalmente una miscela di gas inerti (N2, He2). Nel caso di taglio ossiassistito, il gas inerte viene sostituito con l’ossigeno che è estremamente reattivo.
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
La LNC con utilizzo di laser consente la lavorazioni di materiali:
Metallici
Ceramici
Compositi
Polimerici
Legno, carta
Vetro, gomma, pelle
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
Le principali LNC con laser sono:
- per fusione- per vaporizzazione - per degradazione chimica- assistito ad ossigeno
LASER PER USO TAGLIOLASER PER
SALDATURA- assistito ad ossigeno- per fusione- per vaporizzazione- per degradazione chimica
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
LASER PER USO TAGLIO
• applicazione tra le più diffuse- ottima qualità del lembo di taglio- elevata velocità di processo- buona ripetibilità
• utilizzato nella lavorazione- di lamiere piane- di geometrie complesse (lamiere imbutite o tubi a sezione varia)
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
LASER PER USO TAGLIO
Vantaggi
• Processo estremamente rapido
• Solco di taglio stretto
• Processo facilmente automatizzabile
• Qualità elevata
• Assenza di forze
• Assenza di usura
• Taglio omnidirezionale
• Processo silenzioso
Svantaggi
• Costo del sistema
• Limite degli spessori tagliabili
• Processo termico
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
LASER PER SALDATURA
Il raggio laser, focalizzato sul profilo dei lembi, ne determinala saldatura autogena per fusione e successivarisolidificazione.
La saldatura avviene quindi senza materiale d’apporto, mentre è richiesto l’uso di un gas inerte di copertura (argon, elio, azoto) per evitare ossidazioni.
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
LASER PER SALDATURA
Secondo il rapporto di forma del cordone di saldatura, cioè del rapporto tra la profondità di penetrazione e la larghezza del cordone stesso, la saldatura laser può essere di due tipi:
SALDATURA DI SCARSA PENETRAZIONE
Rapporto di forma ~ 1
SALDATURA DI PROFONDA PENETRAZIONE
Rapporto di forma fino a 10:1 e oltre
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
LASER PER SALDATURA
La saldatura a profonda penetrazione ha profondità del cordone almeno pari a tre volte la sua larghezza.
L’elevata potenza specifica (106W/cm2) porta alla formazione di una colonna di materiale vaporizzato (key hole) circondata da materiale fuso. Al procedere del fascio, il materiale fuso si richiude su se stesso generando il cordone di saldatura.
E’ necessario un flusso di gas inerte per allontanare il plasma che si forma sopra la zona di saldatura e che assorbe l’energia del fascio.
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Laser - LBM
LASER PER SALDATURA
Vantaggi
• Elevata produttività
• Limitate distorsioni termiche del componente
• Limitata alterazione termica del materiale
• Assenza di materiale d’apporto
• Facilità di accesso
• Possibilità di ottenere saldature estetiche
• Elevata qualità del cordone (profonda penetrazione)
Svantaggi
Difficoltà tecnologiche:
• I due lembi devono essere accoppiati in modo perfetto (luce 5÷10% dello spessore)
• Il fascio deve seguire con estrema precisione la linea di saldatura (sistema di spostamento particolarmente preciso)
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni con fascio di ioni e di elettroni - IBM/ EBM
Principio di funzionamento: generazione di un flusso di ioni (IBM) o di elettroni (EBM) che viene accelerato e “sparato” contro la superficie del pezzo da lavorare (sotto vuoto).
La necessità di operare sotto vuoto limita le dimensioni dei pezzi da lavorare.
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni con fascio di ioni e di elettroni - IBM/ EBM
Questo processo è utilizzato per vari tipi di lavorazione:
• taglio
• foratura
• saldatura
• impianto di atomi sulla superficie del pezzo (drogaggio)
• deposizione di atomi sulla superficie del pezzo (ricoperture)
Microfresa a due taglienti, Ø 0.022mm realizzata per asportazione di materiale con la tecnica Ion Beam Machining.
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni taglio al Plasma
Si utilizza un gas ionizzato (plasma) come mezzo per trasferire energia termica da una sorgente di potenza elettrica alla superficie del materiale.
Gas a T ambiente ISOLANTE elettrico Gas ad alta energia CONDUTTORE elettrico
L’arco viene fatto passare attraverso un ugello di rame, raffreddato ad acqua, posizionato tra elettrodo e pezzo.
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni taglio al Plasma
Principio di funzionamento: consiste nella generazione di un flusso di plasma che viene accelerato e “sparato” contro la superficie del pezzo da lavorare
1 elettrodo refrattario: emettitore termoionico (catodo) 2 orifizio 3 guide per i gas
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni ad ultrasuoni USM
• Ampiezza: 0.05 - 0.125 mm • Stress d’impatto notevole • Tempo e area di contatto tra particelle e pezzo molto ridotto • Microfratturazioni localizzate ed erosione della superficie
• Utensile in acciaio dolce • Abrasivo: carburo di boro, allumina, carburo di silicio • Trasduttore piezoelettrico o magnetostrittivo
• Frequenza vibrazione testa: 20 kHz
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni ad ultrasuoni USM
Possibili impieghi
• Materiali molto duri e fragili (ceramici, carburi, pietre preziose, vetro, acciai temprati)
• No spigoli ed angoli acuti
• Cavità e fori con marcata conicità
• Utilizzato anche nella saldatura a lembi sovrapposti di lamiere sottili
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ
Possibili impieghi
• Fori e fessure
• Materiali molto duri,
metallici e non metallici
• Fori molto conici
• No spigoli ed angoli acuti
• Eventuale mascheratura
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ
Principio di funzionamento
• Getto molto compatto di acqua sotto pressione (da 70 fino a 400 MPa)
• Può essere composto da sola acqua o contenere anche materiale abrasivo
• Taglia qualsiasi materiale
• Taglio a freddo
• Forze di taglio basse
• Geometria e finitura dipendono da vari parametri
• Smaltimento abrasivo
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ
Principio di funzionamento
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ
Schema dell’impianto
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ
Sistema di adduzione abrasivo
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ
Abrasivo
– Silicon Dioxide (SiO2) 41%
– Ferrous Oxide (FeO) 10%
– Ferric Oxide (Fe2O3) 13%
– Aluminum Oxide (Al2O3) 20%
– Calcium Oxide (CaO) 3%
– Magnesium Oxide (MgO) 12%
– Manganese Oxide (MnO) 1%
(Barton Garnet)
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ
Materiali lavorabili
Materiali plastici Nylon
Materiali isolanti Tessuti
Gomma Pellami
Polistirene Leghe di nichel
Cemento Materiali ceramici
Titanio Lapidei
Alluminio Acciai
Pietre Vetro
Materiali compositi Carta
Cibi
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni Waterjet e Abrasive Waterjet - WJ/AWJ
Vantaggi e caratteristiche
• Il processo può essere applicato a qualsiasi materiale
• Sistema facilmente automatizzabile e permette la realizzazione di profili complessi
• Geometria del solco e finitura delle pareti dipendono dalla scelta dei parametri tecnologici
• Non si hanno distorsioni ed effetti termici
• Il taglio è molto accurato
• Non si hanno modifiche strutturali anche in materiali spessi
• Forze di taglio ridotte, non sono indispensabili attrezzaggi particolari
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni chimiche - CHM
Si utilizzano soluzioni acide o alcaline per attaccare localmente o dissolvere chimicamente il materiale
• Trattamento termico per l’eliminazione di tensioni residue
• Eliminazione delle parti della maschera che verranno attaccate chimicamente
• Decapaggio e pulitura delle superfici
• Applicazione maschera
• Immersione del pezzo nel reagente
• Risciacquo accurato
• Rimozione della maschera e ispezione
Fresatura chimica
-
Lavorazioni non convenzionali
Lavorazioni elettrochimiche ECM
• L’elettrolita porta in soluzione i prodotti della reazione anodica che si sviluppa sul pezzo in lavorazione producendo una cavità. • Elettrolita: soluzione in acqua di cloruro di sodio o di nitrato di sodio. • Superfici prive di bave• Usato anche per sbavatura • Utensile (catodo) in ottone, rame o bronzo • Velocità di asportazione proporzionale alla densità di corrente • No danni termici e distorsioni meccaniche
-
Lavorazioni non convenzionali
Tolleranze e Rugosità ottenibili