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ASPORTAZIONE DI MATERIALE:PRINCIPALI METODI TRADIZIONALI E INNOVATIVI DI LAVORAZIONE

(A CURA DI M. MONNO )

Componenti e parti meccaniche realizzate mediante processi tecnologici primari (tecniche fusorie, deformazioneplastica a caldo e a freddo, etc.), di cui si è precedentemente discusso nell’ambito di questo corso, richiedonogeneralmente l’impiego di processi tecnologici di lavorazione per asportazione di truciolo prima che il prodotto siapronto per l’utilizzo finale (fig. 1).

Fig. 1

Nella maggior parte delle applicazioni ingegneristiche infatti, le parti devono risultare intercambiabili per poterfunzionare in modo affidabile ed appropriato nel corso della vita utile attesa per il componente. E’ quindi necessa-rio ottenere tolleranze dimensionali, tolleranze di forma e finiture superficiali spesso non compatibili con quanto iprocessi tecnologici primari sono in grado di realizzare. E’ inoltre necessario garantire la ripetibilitànell’ottenimento di tali caratteristiche e selezionare, tra le possibili alternative offerte dai processi tecnologici di-sponibili, soluzioni economicamente sostenibili ed in grado di competere con le alternative proposte dal mercato.

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Fig. 2

Fig. 3

Sebbene il termine lavorazione sia genericamente utilizzato per descrivere l’asportazione di truciolo, possiamodistinguere differenti processi classificabili come segue:

- processi di taglio, che utilizzano utensili mono-tagliente (ad es. tornitura) o multi-tagliente (es. fresatura) congeometria definita;

- processi che utilizzano abrasivi (ad es. rettifica), con utensili (le particelle abrasive) di geometria non definita;

- processi non-convenzionali (laser, plasma, waterjet, etc.) che utilizzano differenti meccanismi di rimozione deltruciolo e diffrenti forme di energia.

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Fig. 4

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Fig. 5

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In sintesi, possiamo elencare alcune motivazioni che rendono indispensabili i processi di asportazione di materialenella produzione industriale:

- possono essere richieste tolleranze dimensionali migliori di quanto sia ottenibile con i processi di fonderia,formatura o deformazione plastica. Ad esempio, in un albero a gomiti ottenuto per forgiatura, le superfici dicontatto con i cuscinetti e i fori non possono essere prodotti direttamente con la tolleranza e la finitura super-ficiale richieste;

- le parti da realizzare possono presentare profili interni ed esterni, così come spigoli vivi e planarità che nonpossono essere prodotti per formatura e stampaggio;

- alcune parti sono trattate termicamente per migliorare la durezza e la resistenza ad usura: dato che le superficitrattate possono presentare distorsioni ed alterazioni, generalmente vengono richieste operazioni di finituracome la rettifica per ottenere le dimensioni finali e la qualità superficiale richiesta;

- speciali caratteristiche superficiali sono ottenibili soltanto con processi di asportazione di materiale: peresempio specchi di rame ad alta riflettività sono realizzati con utensili diamantati;

- lavorare le parti alle macchine utensili può essere più economico rispetto alla produzione con altri processi, inparticolar modo se il numero di pezzi è relativamente basso;

A fronte di questi vantaggi, i processi di asportazione di materiale presentano alcune limitazioni:

- i processi di rimozione inevitabilmente producono scarti di materiale e generalmente richiedono più energia,capitali e manodopera rispetto alle operazioni di formatura e deformazione plastica. Per questo è consigliabilenon ricorrervi se non necessario;

- rimuovere un volume di materiale da un pezzo generalmente richiede un tempo superiore rispetto a realizzarela forma e le dimensioni volute tramite altri processi;

- se non eseguiti correttamente, i processi di asportazione di materiale possono produrre effetti indesideratisulla qualità superficiale e le proprietà del prodotto.

In generale la scelta degli utensili e dei parametri tecnologici di lavorazione per il processo o, più spesso, per lasequenza di processi di lavorazione meccanica (tradizionali e/o non convenzionali), in grado di trasformare ungrezzo o un semi-lavorato in un prodotto finito risente delle caratteristiche reologiche del materiale in lavorazione.

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Talvolta i processi di asportazione di truciolo convenzionali visti in precedenza non sono in grado di operare inmodo corretto e affidabile lasciando spazio a tecnologie di lavorazione che utilizzano meccanismi di rimozione delmateriale e forme di energia diverse. Lo sviluppo di tali processi innovativi, spinto generalmente da settori indu-striali di avanguardia (meccanica di precisione, aeronautica, etc.), si rende particolarmente necessario quando lanatura del materiale in lavorazione, la geometria del componenete o la produttività richiesta rendono inapplicabilile soluzioni tecnologiche consolidate.

L’individuazione o lo sviluppo di una tecnologia speciale si rende indispensabile quando:- la durezza e la resistenza alla lavorazione del materiale è molto elevata (tipicamente > 400HB);- il pezzo in lavorazione è troppo flessibile o sottile per sopportare le forze di taglio applicate da un utensile tra-

dizionale, oppure la geometria del pezzo rende difficoltoso o impossibile l'afferraggio in una attrezzatura dibloccaggio;

- la forma del particolare da lavorare è problematica (fig. 6a), a causa di profili interni ed esterni complessi o perla presenza di fori di piccolo diametro, come nel caso di un ugello per iniettore di combustibile (fig.6b) da ra-lizzare in acciaio temprato;

- sono richieste finiture e tolleranze migliori di quelle ottenibili mediante processi tradizionali;- non sono accettabili incrementi di temperatura e/o tensioni residue nel pezzo in lavorazione.

Fig. 6Tali requisiti hanno portato allo sviluppo dei processi di lavorazione non convenzionali riassunti nel seguenteschema

Fig. 7

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LAVORAZIONI AD ULTRASUONI ED A GETTO ABRASIVO

Nelle lavorazioni USM (Ultra-Sonic Machining) la rimozione di materiale dalla superficie del pezzo avviene perl’azione di una fanghiglia abrasiva interposta tra il materiale in lavorazione e l’utensile che opera come un“martello pneumatico” ad alta frequenza. Il processo USM è in grado di asportare truciolo solo da materiali moltoduri e fragili quali ceramici, carburi, alcuni compositi, pietre preziose, vetro e gli acciai temprati.La testa dell’utensile (fig.8a) vibra ad una frequenza di circa 20 kHz e a bassa ampiezza (0.05-0.125 mm). Questavibrazione trasmette una spinta, impulsiva e ciclica, ai grani di abrasivo situati tra l’utensile ed il pezzo.Lo stress causato dalle particelle abrasive, che vengono pressate sulla superficie del pezzo, è notevole poichè iltempo di contatto tra le particelle ed il pezzo è molto ridotto e l’area di contatto è piccola. Nei materiali fragili lostress d’impatto è sufficiente per provocare microfratturazioni localizzate ed erosione della superficie.L’utensile, collegato ad un trasduttore piezoelettrico (rendimenti di trasformazione molto alti ma potenze limitatead 1 kW) o magnetostrittivo (potenze nell’ordine di qualche kW ma rendimenti modesti che richiedono la presen-za un circuito di raffreddamento per smaltire il calore prodotto) che genera la vibrazione ultrasonica, è realizzato inacciaio dolce in modo da essere soggetto ad una usura trascurabile durante la lavorazione. Come abrasivo si im-piega carburo di boro, oppure allumina o carburo di silicio. La granulometria varia dalla #100 per operazioni disgrossatura alla #1000 per la finitura. I grani sono addotti in forma di fanchiglia acquosa, con una concentrazionedel 20-60 % in volume. Il flusso di abrasivo ed acqua allontana gli sfridi dalla zona di lavorazione. Due applicazionidell’USM sono illustrate nelle figg.8b e 8c.

Fig.8

Gli ultrasuoni vengono inoltre efficacemente impiegati nella saldatura, a lembi sovrapposti, di lamiere sottili (fino aqualche decimo di mm). Mediante questa tecnica è possibile realizzare giunzioni tra materiali differenti.Nelle lavorazioni a getto abrasivo (AJM - Abrasive Jet Machining) un getto di aria, o di biossido di carbonio(CO2), che trascina particelle abrasive, è proiettato contro la superficie del pezzo. L’impatto delle particelle è ingrado di realizzareare fori o fessure su materiali molto duri, metallici e non.

Considerazioni tecnologiche e progettuali• Il disegno del pezzo non deve contenere spigoli ed angoli acuti, che verrebbero rimossi dall’utensile.• Con questi processi si ottengono cavità e fori caratterizzati da una marcata conicità.• Per non danneggiare i materiali fragili nella realizzazione di fori passanti, la superficie superiore del pezzo deve

essere talvolta protetta con una mascheratura.

LAVORAZIONI WATERJET E ABRASIVE WATERJETL’utilizzo del getto d’acqua (Waterjet, WJ) come “utensile” per operazioni meccaniche di varia natura non è unascoperta particolarmente recente. Gli impieghi più antichi possono essere rintracciati già alla fine del secoloscorso nel settore minerario (waterjet mining), laddove un getto d’acqua a bassa pressione (circa 10 MPa) ed ele-vata portata veniva usato per alcune operazioni di scavo delle gallerie. Un altro progenitore dell’attuale waterjetindustriale, ad esso più simile, è la tecnologia del waterjet cleaning, in uso da circa sessant’anni. Essa prevedel’utilizzo di getti a bassa pressione (circa 30 MPa con 20÷40 l/min di portata) ed è applicabile, in alternativa algetto abrasivo pneumatico, per operazioni di pulizia, sverniciatura e decapaggio, in diversi settori industriali. Ledue applicazioni citate sono storicamente i primi esempi di sfruttamento di un getto d’acqua come strumento perl’asportazione di materiale; La pressione d’esercizio per entrambe è comunque molto più bassa rispetto a tutte lealtre tecniche a getto d’acqua, sviluppate successivamente. Infatti, sebbene getti con le caratteristiche di quellisinora citati siano anche attualmente utilizzati per alcune operazioni industriali di taglio, il salto di qualità che ha

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consentito al waterjet di diventare una vera e propria tecnologia industriale di lavorazione meccanica si è avutosolo tra la fine degli anni ’60 e l’inizio dei ’70 grazie alle ricerche, e alla successiva applicazione dei getti ad altapressione.Le caratteristiche principali di questi primi sistemi sono sostanzialmente rimaste invariate fino ad oggi, sebbene ilcampo delle possibili varianti tecnologiche sia attualmente molto ampio e preveda l’impiego di soluzioni im-piantistiche molto diverse. Lo schema di base prevede l’uso di un intensificatore di pressione che fornisce unamodesta portata d’acqua (da 2 a 10 l/min) con pressioni fino a 400 MPa. Il fluido compresso (normalmente acquafiltrata e demineralizzata) attraversa un ugello primario, di sezione ridotta (diametro 0.1÷0.4 mm) in cristallo sin-tetico (zaffiro, rubino, diamante). Il getto risultante, caratterizzato dall'avere una buona coerenza ed una elevatis-sima energia cinetica (velocità in uscita fino a 1000 m/s), si presta, grazie all’elevata pressione specifica esercitatasul materiale, a essere utilizzato per effettuare taglio ed altre lavorazioni meccaniche di dis creta precisione.Dai primi anni ’70 la tecnologia di lavorazione con sola acqua è stata impiegata nel taglio di una vasta gamma dimateriali quali espansi, gomma, nylon, materie plastiche, fibra di vetro, alcuni tipi di materiali compositi, prodottialimentari, tessuti, pellami, etc.Le principali innovazioni che i sistemi WJ hanno subito nel corso di questi ultimi trent’anni sono essenzialmentedue: l’adozione del controllo numerico e l’aggiunta al getto di polvere abrasiva. La testa di lavorazione si arric-chisce di una camera di miscelazione cui viene fatto pervenire, mediante un tubo flessibile, l’abrasivo, e di un fo-calizzatore (un tubicino di carburo sinterizzato con diametro interno compreso tra 0.5 e 1.2 mm e lunghezza vari-abile da 50 a 100 mm). Nasce così la tecnologia del getto idroabrasivo (Abrasive Water Jet, AWJ) in grado di la-vorare moltissimi materiali, tra i quali acciaio, alluminio, titanio, leghe di nichel, ceramici, vetro, lapidei, etc.

Fig. 9: lastre metalliche di elevato spessore tagliate mediante AWJ

Sebbene la tipologia d’impianto più diffusa nell’industria contemporanea preveda l’utilizzo di getti continui idro-abrasivi, esistono numerosi tipi di getto, diversi per caratteristiche fluidodinamiche. Ogni tipo di getto è aratteriz-zato da un proprio meccanismo d’asportazione del materiale, e lascia una specifica impronta sulla superficie la-vorata. L’elemento comune è che tutti i getti sono prodotti da un ugello primario di sezione ridotta, che ha il com-pito di trasformare l’energia accumulata dall’acqua durante la compressione in energia cinetica. Esistono tre fami-glie principali di getti:

§ continui,§ pulsanti,§ cavitanti.

Fig. 10: classificazione degli idrogetti.

I getti continui sono, come detto, i più diffusi. Essi possono essere a sola acqua (WJ) ovvero con l’aggiuntad’abrasivo (Abrasive Waterjet, AWJ). A loro volta gli AWJ si distinguono in getti:

a sola acqua

premescolati iniettati

idroabrasivi

CONTINUI PULSANTI CAVITANTI

Water Jets

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§ iniettati,§ premescolati.

Nei getti continui iniettati (Abrasive Injected Waterjet, AIWJ) l’abrasivo è incorporato al getto in una camera dimiscelazione a valle del primario. Si forma così una miscela di acqua, abrasivo e aria, che attraversa un secondougello, detto focalizzatore, che ha lo scopo di aumentare la coerenza del getto (cfr. fig.6). Al contrario, nei gettipremescolati, o sospesi (Abrasive Suspended Waterjet, ASWJ), la miscelazione avviene prima che il getto acquistienergia cinetica passando attraverso il primario.

Fig. 11: schema della testa di taglio AWJ

Considerazioni tecnologiche e progettuali• Il processo può essere applicato a qualsiasi materiale.• Il taglio avviene “a freddo” e quindi senza alterazione termica dei bordi.• Le forze di taglio non superano poche decine di N quindi non sono indispensabili attrezzaggi particolari per

sostenere il pezzo durante la lavorazione.• Geometria del solco e finitura delle pareti dipendono dalla scelta dei parametri tecnologici.• Lo smaltimento del materiale di scarto, in particolare dell’abrasivo, può costituire un problema.

LAVORAZIONI CHIMICHE

E' noto che taluni attacchi chimici sono in grado di aggredire e disgregare i materiali metallici rimuovendo piccolequantità di materiale dalla superficie. Tale principio è alla base delle lavorazioni chimiche (CM) che utilizzano rea-genti chimici, quali soluzioni acide o alcaline, per attaccare localmente e dissolvere chimicamente il materiale. Que-ste tecniche vengono inoltre utilizzate per la sbavatura chimica di pezzi metallici provenienti dal levorazioni con-venzionali.

Fresatura chimica

Mediante fresatura chimica vengono prodotte piccole cavità, anche di forma complessa, su lamiere, pezzi forgiatio estrusi (fig. 12). La fresatura chimica è stata impiegata su una vasta gamma di metalli e fino a profondità diasportazione di 10-12 mm. Le zone del pezzo che non devono subire asportazione vengono protette mediante ma-scheratura della superficie o attraverso immersione parziale nel reagente.

Focalizzatore

Abrasivo

Ugello primario

Acqua in pressione

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Fig.12La sequenza di operazioni tipica della fresatura chimica consiste dei seguenti passaggi:1. Se la parte da lavorare è interessata da tensioni residue provocate da precedenti lavorazioni, tali tensioni de-

vono essere rimosse, attraverso un opportuno trattamento termico, prima della fresatura chimica al fine di evi-tare successive deformazioni.

2. Le superfici devono essere accuratamente pulite e sgrassate per assicurare una buona adesione della ma-scheratura (per la quale spesso si ricorre a materiali resistenti all'attacco chimico) ed una uniforme asporta-zione.

3. Viene applicata la mascheratura. Si utilizzano comunemente nastri adesivi o vernici, ma molto spesso si prefe-riscono elastomeri (gomma e neoprene) e plastica (polivinile, polietilene, polistirene) per ottenere ma-scherature più precise ed efficaci.

4. Si elimina la mascheratura, incidendola ed asportandola con una lama, nelle zone dove la superficie del pezzoverrà esposta all'attacco chimico.

5. Il pezzo viene immerso nel reagente. Le superfici da lavorare sono così esposte all'azione della soluzione diidrossido di sodio (per leghe di alluminio), acido nitrico o idrocloridico (per gli acciai comuni) o cloruro di fer-ro (per gli acciai inossidabili). Per ottenere una asportazione uniforme è importante controllare la temperaturadella soluzione e mantenerla in movimento mediante l'azione di un agitatore (fig.13a).

6. Dopo la lavorazione le parti devono essere risciacquate accuratamente per evitare che il reagente chimico re-siduo continui ad attaccarne la superficie.

7. Viene rimossa la mascheratura ed il pezzo può essere ispezionato e controllato dimensionalmente.8. Ulteriori operazioni di finitura possono essere effettuate dove necessario.

Fig. 13Le operazioni sopra descritte possono essere ripetute per produrre cavità o contorni a più livelli (fig.13b). Questoprocesso viene utilizzato nell'industria aerospaziale per rimuovere spessori limitati di sovrametallo da pannelli digrandi dimensioni utilizzati per il rivestimento esterno di aeroplani e missili e per lavorare i profilati impiegati nellarealizzazione delle intelaiature dei velivoli. Il processo trova inoltre applicazione nell'industria elettronica e nellarealizzazione di modelli metallici.Talvolta il materiale lavorato può presentare danni dovuti ad un attacco chimico preferenziale o intergranulare.Tali situazioni si verificano, ad esempio, nella lavorazione chimica di strutture saldate o nella lavorazione di gettida fusione. In entrambi i casi le differenze microstutturali o la presenza di porosità della superficie possono pro-vocare una asportazione non uniforme.

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Tranciatura chimica

La tranciatura chimica differisce dalla tranciatura meccanica delle lamiere metalliche per la modalità di asportazionedel materiale dovuta alla dissoluzione chimica invece che alla deformazione plastica. Tipiche applicazioni per que-sto processo si hanno nella realizzazione di circuiti stampati o nella tranciatura di lamierini sottili che risultanoesenti da bave di lavorazione.

Tranciatura fotochimica

La tranciatura fotochimica è una variante della fresatura chimica. Il materiale viene asportato, solitamente da lamie-re di spessore molto sottile, mediante una tecnica di fotoincisione. In questo modo possono essere tranciati pro-fili molto complessi (fig. 14), anche su lamierini da 0.0025 mm, evitando la formazione di bave tipiche dei processidi tranciatura convenzionali.

Fig. 14La sequenza di operazioni tipica della tranciatura fotochimica consiste dei seguenti passaggi:1. La geometria da tranciare viene ingrandita, fino a 100 volte, in fase di disegno del pezzo. Viene quindi rea-

lizzato un negativo fotografico in modo da ridurne le dimensioni mantenendo una alta definizione dei con-torni.

2. Il lamierino da tranciare viene ricoperto da un liquido fotosensibile (fotoresistore) mediante immersione, pen-nellatura o a spruzzo. Successivamente lo strato di protezione viene fatto essiccare in forno.

3. Il negativo viene proiettato sulla superficie da lavorare utilizzando una lampada a luce ultravioletta. Si ottienecosì un indurimento dello strato di protezione nelle sole zone esposte alla luce.

4. Il lamierino viene quindi trattato come fosse una lastra fotografica. La fase di "sviluppo" elimina il rivesti-mento nelle zone non esposte, in precedenza, alla luce ultravioletta.

5. Il lamierino viene immerso in una vasca piena di reagente, come nella fresatura chimica, o spruzzato di rea-gente che agisce solo nelle zone non rivestite. Infine il pezzo ottenuto viene accuratamente lavato.

Applicazioni tipiche della tranciatura elettrochimica si hanno nell'industria elettronica, nella realizzazione di circuitistampati, di lamierini per gli impaccamenti statorici e rotorici di trasformatori e motori elettrici, nella produzione dimolle piane, di schermi per tubi catodici etc.Sebbene sia richiesto l'intervento di operatori specializzati, i costi degli impianti e delle attrezzature richieste sonobassi ed il processo risulta facilmente automatizzabile.

Considerazioni tecnologiche e progettuali• A causa delle modalità di lavorazione, ed in particolare per l'attacco generalizzato del reagente a tutte le su-

perfici esposte, devono essere evitate geometrie che prevedono angoli molto acuti, rilievi molto pronunciati,cavità profonde e sottili, conicità molto precise.

• Presentano difficoltà di lavorazione pezzi dalla superficie porosa o fortemente irregolare.• Si deve inoltre tenere presente che il reagente attacca il materiale sia in direzione orizzontale che in verticale

asportando materiale anche sotto la zona protetta (fig.8b).• Questi processi sono caratterizzati da un tasso di rimozione (MRR - Material Removal Rate) piuttosto basso.

Per tale motivo vengono spesso utilizzati a completamento di lavorazioni effettuate con processi, tradizionali oinnovativi, a più elevata produttività.

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LAVORAZIONI ELETTROCHIMICHE

Le lavorazioni ECM (Electro-Chemical Machining) sono basate su un principio opposto a quello della elettro-deposizione galvanica. L'elettrolita porta in soluzione i prodotti della della reazione anodica che si sviluppa sulpezzo in lavorazione per effetto elettrochimico producendo una cavità sulla superficie (fig.15) .

Fig. 15

Varianti del processo sono utilizzate in operazioni di tornitura, spianatura, foratura o nella realizzazione di fessuresottili dove l'elettrodo agisce da utensile.L'utensile (catodo) è realizzato in ottone, rame o bronzo. L'elettrolita ègeneralmente una soluzione di cloruro di sodio o di nitrato di sodio in acqua, che viene pompata attraverso cavitàrealizzate nell'utensile verso la zona dove avviene l'asportazione. Un generatore a corrente continua (5-25 V) ga-rantisce il passaggio di corrente attraverso l'elettrolita. Le densità di corrente, per le zone interessate alla lavora-zione, sono di circa 1.5-8 A/mm2. Gli impianti hanno dimensioni variabili ed amperaggi che vanno dai 5 ai 40.000A in funzione delle diverse applicazioni. La velocità di asportazione è proporzionale alla densità di corrente mentrele usure dell'utensile sono molto ridotte anche se i materialei in lavorazione hanno durezza elevata.Le lavorazioni elettrochimiche sono generalmente impiegate per la lavorazione di cavità di forma complessa in ma-teriali di elevata tenacità e resistenza meccanica. In particolare, si ricorre a questo processo nell'industria ae-rospaziale per la produzione di palette per turbina, parti di motori a reazione, ugelli di forma complessa (figg.16a e16b). Viene inoltre utilizzato per eseguire fori di diametro molto piccolo e, insieme ad altri processi di lavorazione,nella produzione di stampi (fig.16c).

Fig. 16

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Le lavorazioni ECM danno luogo a superfici prive di bave; tale processo viene infatti utilizzato anche per la sba-vatura di componenti provenienti da lavorazioni tradizionali. Non provoca danneggiamento termico delle parti la-vorate e l'assenza di forze di taglio previene la possibilità di distorsioni meccaniche sia a livello macroscopico chemicrostrutturale. Possono tuttavia determinarsi, per alcuni materiali, alterazioni nella resistenza a fatica (fig.17) inconfronto con altre lavorazioni.

Fig. 17

Considerazioni tecnologiche e progettuali• A causa della tendenza dell'elettrolita ad erodere i profili acuti, l'ECM non risulta idoneo alla realizzazione di

spigoli netti o di superfici dove sia richiesta una buona planarità.• Risulta alquanto difficoltoso il controllo del flusso di elettrolita che si arricchisce di scarti della lavorazione e

deve pertanto essere rigenerato, periodicamente o in continuo.• Le tolleranze, dimensionali e di forma, tipiche del processo non sono molto strette anche se, a tale proposito,

notevoli miglioramenti sono stati ottenuti negli ultimi anni.

Rettificatura elettrochimicaLa rettificatura elettrochimica (ECG) combina il principio della lavorazione elettrochimica a quello della rettificatrdizionale. L'impianto utilizzato è simile ad una comune macchina da rettifica fatto salvo che per l'utensile che èun "catodo rotante" dotato in superficie di particelle abrasive (fig.18).

Fig. 18

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La mola ha un legante metallico ed utilizza particelle abrasive in diamante o in allumina e raggiunge, in rotazione,una velocità periferica di 20-35 m/s. L'abrasivo agisce da isolante tra l'utensile e la superficie in lavorazione; essoinoltre contribuisce a rimuovere meccanicamente dalla superficie i prodotti della reazione elettrolitica. La maggiorparte del materiale metallico rimosso nella ECG è tuttavia dovuta alla azione elettrolitica Come elettrolita si utilizzageneralmente una soluzione di nitrato di sodio che viene inviata, mediante un getto, nella zona di lavorazione.L'usura dell'utensile è molto contenuta, la densità di corrente utilizzata è di 1-3 A/mm2. Al termine della lavorazio-ne possono essere previste alcune passate di finitura, effettuate in semplice rettifica, per ottenere l'accuratezzadimensionale richiesta.L'ECG ha applicazioni nello stesso campo dell'ECM ed ha trovato particolare successo nella lavorazione dei car-buri metallici e nelle leghe ad alta resistenza. Combinando l'azione elettrochimica già descritta con l'uso di parti-celle abrasive di granulometria molto fine, sono state sviluppate macchine per la lappatura elettrochimica di super-fici cilindriche interne (fori) ed esterne. Sebbene tali sistemi siano piuttosto costosi, essi consentono di ridurresignificativamente i tempi di lavorazione rispetto a macchine di lappatura e superfinitura tradizionali.

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ELETTROEROSIONE

Le lavorazioni EDM (Electro-Discharge Machining) si basano sull’erosione dei metalli attraverso una successionedi scariche elettriche. E’ noto il principio fisico secondo cui, se due elettrodi a differente potenziale elettrico ven-gono opportunamente avvicinati, tra di essi si produce una scarica. Se si osserva attentamente il punto di contat-to della scarica sulla superficie dell’elettrodo, si nota che una piccola porzione di metallo è stata erosa, lasciandouna cavità. Sebbene questo fenomeno sia noto fin dalla scoperta dell’elettricità, solo dagli anni ‘40 si è sviluppa-to un processo tecnologico basato su questo principio.Il sistema EDM è costituito da un utensile sagomato (elettrodo) e dal pezzo da lavorare, connesso ad un gene-ratore di corrente continua ed immerso in un fluido dielettrico (fig. 19).

Fig. 19Quando la differenza di potenziale tra dielettrico ed utensile è sufficientemente alta, una scarica elettrica attraversail fluido, rimuovendo una piccola quantità di materiale dal pezzo. La frequenza di scarica varia tra i 50 e i 500 kHz,la tensione tra i 50 e i 300 V, e la corrente tra i 0,1 e i 500 A.Sono disponibili un’ampia gamma di macchine EDM, la maggior parte delle quali con controllo numerico com-puterizzato.Il fluido dielettrico agisce come un isolante finchè il potenziale è sufficientemente alto, allontana gli sfridi di lavo-razione (il truciolo è costituito da sfere cave di picolissime dimensioni) e costituisce un mezzo raffreddante.La distanza utensile-pezzo è una variabile critica, pertanto l’avanzamento dell’utensile è controllato da servo-meccanismi, che automaticamente mantengono costante detta distanza.Gli olii minerali rapresentano i fluidi dielettrici più comuni, sebbene per applicazioni speciali si possano utilizzarekerosene ed acqua deionizzata e distillata.Il campo delle applicazioni mediante elettroerosione va dalla produzione di fori ciechi per componenti meccanici,ai fori profondi di piccolo diametro (fig.20) con filo di tungsteno come elettrodo, alle fessure strette, alle palette diturbine ed a componenti dalla forme articolata e complessa (figg.20a e 20b).

Fig. 20

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Si possono realizzare cavità a gradino sincronizzando il movimento relativo del pezzo, che trasla in due direzionisul piano, con il moto di discesa dell’elettrodo (fig.21).

Fig. 21Inoltre si possono ottenere cavità interne in sottosquadro mediante elettrodi rotanti, che portano in estremità unapunta orbitante (fig. 22).

Fig. 22Il processo EDM si applica a tutti i materiali conduttori. Il volume di materiale rimosso da ogni scarica (10-6-10-4

mm3) è inversamente proporzionale alla temperatura di fusione ed al calore latente di fusione del materiale lavo-rato. Poichè il processo non prevede un contatto diretto tra utensile e pezzo in lavorazione, le caratteristiche mec-caniche del pezzo (durezza e carico di rottura) non influenzano la velocità di asportazione.Il controllo della velocità di asportazione avviene mediante modulazione della frequenza o dell’energia di sca-rica.La velocità di asportazione e la rugosità superficiale crescono, se si aumenta la densità di corrente o si dimi-nuisce la frequenza delle scariche.Il tasso di asportazione del materiale (MRR) è compreso tra 0,1 e 25 cm3/h. Velocità maggiori producono una pes-sima qualità della finitura superficiale e scarsa integrità superficiale del materiale fuso e risolidificato a discapitodalla resistenza a fatica.Gli elettrodi per EDM sono di solito in grafite, talvolta in bronzo, rame o in leghe di rame e tungsteno. Gli utensilivengono sagomati mediante forgiatura, fusione od asportazione di truciolo. L’usura dell’utensile è un fattore im-portante, che incide sulla precisone dimensionale del pezzo prodotto.

Rettificatura mediante elettroerosione (EDG)

La mola per EDG (Electro-Discharge Grinding) è in grafite o bronzo e non contiene abrasivi. Il materiale viene ri-mosso dalla superficie del pezzo mediante il continuo succedersi di scariche elettriche tra la mola rotante ed il pez-zo. La realizzazione di un solco longitudinale mediante EDG con mola sagomata è mostrata in fig. 23.

Fig. 23

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Il processo di rettificatura mediante elettroerosione (EDG) può essere combinato con la rettificatura elettrochimica(rettificatura mediante elettroerosione chimica, ECDG).Il materiale è rimosso per azione chimica mentre le scariche elettriche prodotte dalla mola di grafite rompono il filmdi ossido, che viene rimosso dal fluido elettrolitico.

Considerazioni tecnologiche e progettuali

• Le parti devono essere progettate in modo tale che i corrispondenti elettrodi possano essere sagomati inmodo appropriato e corretto.

• Si devono evitare fessure profonde e sottili.• Finiture superficiali troppo accurate determinano costi di produzione molto elevati.• Se si vuole ottenere una elevata produttività, può convenire asportare buona parte del materiale mediante

processi convenzionali e destinare le operazioni di finitura all’eletroerosione.Elettroerosione a filo

Una variante dell’EDM è il taglio mediante elettroerosione a filo (WEDM - Wire Electro Discharge Machining).In questo processo, che è simile al taglio di contornatura con sega a nastro, un filo (figg.24a e 24b) percorre moltolentamente il profilo programmato, mentre le scariche elettriche erodono progressivamente il materiale come i dentidi una sega. Con l’elettroerosione a filo si tagliano spessori fino a 500 mm e si realizzano punzoni, utensili e matricidi materiale duro. Le macchine per WEDM sono fornite di controllonumerico computerizzato per la gestione delpercorso di taglio (fig.24c).Il filo è in bronzo, rame o tungsteno con un diametro minimo di circa 0,25 mm. Viene continuamente rinnovato ri-avvolgendolo su una bobina (a circa 2.5 mm/s) ed è relativamente poco costoso. Il filo viene mantenuto ad unadistanza costante dal pezzo in lavorazione controllando i parametri di scarica.

Fig. 24

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TAGLIO LASER

Nelle lavorazioni LBM (Laser-Beam Machining) la sorgente di energia è un laser (Light Amplification by Sti-mulated mission of Radiation) che focalizza l’energia di un fascio di luce coerente sulla superficie del pezzo in la-vorazione (fig. 25).

Fig. 25Tra le sorgenti attualmente più utilizzate (fig.26) si ricordano quelle a CO2 (lunghezza d’onda 10.6 µm) ed a Nd-YAG (lunghezza d’onda 1.06 µm) con rendimenti generalmente inferiori al 10%. Sono state recentemente presenta-ti diodi laser che, sebbene richiedano una ulteriore fase di sviluppo, sembrano poter raggiungere rendimenti supe-riori al 30 %.

fig. 26

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L’elevata densità di energia del fascio laser porta alla fusione ed alla evaporazione il materiale producendo un sol-co di taglio. Il laser viene attualmente utilizzato anche in operazioni di saldatura e nel trattamento termico delle su-perfici.

Fig.27Questo processo, che non richiede la lavorazione sotto vuoto, viene impiegato nel taglio di una vasta gamma dimateriali metallici e non metallici. Viene inoltre impiegato in microlavorazioni quali l’esecuzione di feritoie sottili,fino a 0.005 mm, o di fori di piccolo diametro e con profondità fino a 50 volte il diametro. Interessanti applicazionisi hanno nel settore aeronautico (fori di raffreddamento nel primo stadio di turbina nei motori a reazione deiBoeing 747) ma il taglio LBM è ampiamente utilizzato nel taglio di lamiere di acciaio (fino a 6 mm di spessore) enella realizzazione e nella saldatura di parti per l’industria automobilistica, elettronica, chimica.La riflettività e la conducibilità termica della superficie del pezzo in lavorazione ed il calore latente di fusione e dievaporazione del materiale impiegato. L’efficienza del processo è inversamente proporzionale al livello di detti pa-rametri. Le superfici ottenute mediante LBM hanno generalmente una finitura superficiale alquanto mo desta e so-no affette da un danneggiamento termico che, in applicazioni di particolare importanza, può richiederne la rilavo-razione o il ricorso a successivi trattamenti termici.

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Il laser può essere impiegato assieme ad un gas di assistenza (fig.28), quale ossigeno o azoto o argon, per il tagliodi piastre o lamiere sottili. L’LBM viene inoltre utilizzato nella taglio dei materiali compositi dove le caratteristichedel processo rispondono validamente alle difficoltà di lavorazione derivanti dalla differente natura della matrice edel rinforzo (di solito fortemente usurante per gli utensili tradizionali) permettendo un taglio netto e privo di difet-ti.

Fig. 28Considerazioni tecnologiche e progettuali

• E’ importante evitare che superfici riflettenti, alla lunghezza d’onda delle radiazioni impiegate, vengano sotto-poste all’azione del laser. Oltre che ad una minore efficienza nel taglio, una elevata riflettività può infatti pro-vocare problemi di sicurezza per gli operatori.

• Sono inoltre da evitare profili con spigoli molto acuti, per le difficoltà di lavorazione e per il danneggiamentotermico indotto nel materiale.

• Tagli su spessori rilevanti presentano una pronunciata conicità del solco.• Il danneggiamento microstrutturale provocato dal repentino riscaldamento e successivo raffreddamento deri-

vante dal passaggio del laser sulla superficie di taglio deve essere attentamente valutato in relazione alla ap-plicazione specifica (resistenza a fatica del componente).

LAVORAZIONI CON FASCIO DI ELETTRONI O DI IONI

La fonte di energia dell’EBM (Electron-Beam Machining) è costituita da un fascio di elettroni ad alta velocità checolpiscono la superficie del pezzo (fig.29). Le applicazioni sono simili a quelle del laser ma, in questo caso, è ne-cessario che, nella zona di lavorazione, venga fatto il vuoto.

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ig.29In modo analogo si può utilizzare un fascio di ioni che, nell’IBM (Ion-Beam Machining), vengono accelerati da uncampo magnetico e focalizzati sulla superficie da lavorare. Entrambi i processi possono essere impiegati nella sal-datura oltre che nel taglio e trovano principale applicazione nell’industria elettronica e nucleare.

Considerazioni tecnologiche e progettuali

• Le limitazioni dei processi EBM/IBM sono analoghe a quelle previste per il taglio laser. Una delle limitazionipiù importanti deriva dalla necessità di operare sotto vuoto che limita le dimensioni dei pezzi lavorabili. In al-cune applicazioni speciali sono state tuttavia realizzate camere da vuoto di notevoli dimensioni per la saldatu-ra di tubazioni o componenti per impianti nucleari.

TAGLIO PLASMA

I processi di lavorazione mediante plasma utilizzano un gas ionizzato (plasma) come mezzo per trasferire energiatermica da una sorgente di potenza elettrica alla superficie del materiale in lavorazione. Se si pensa infatti di som-ministrare alla materia quantità crescenti di energia (ad esempio sotto forma di calore) si assiste via via al passag-gio dallo stato solido, a quello liquido, a quello gassoso ed infine allo stato di plasma (quarto stato di ag-gregazione della materia, fig.30). Il gas ionizzato così ottenuto presenta interessanti caratteristiche di sensibilitàmagnetica e conducibilità elettrica e che rendono possibile la lavorazione di materiali metallici in spessori rilevantio di materiali altrimenti difficili da tagliare.Le lavorazioni tecnologiche al plasma possono essere divise in due macro classi, sostanzialmente riconducibili adue famiglie di plasmi: plasmi caldi e plasmi freddi. Tale suddivisione è effettuata in funzione della temperatura (edi conseguenza della densità di ionizzazione), che le specie pesanti raggiungono. Nei plasmi caldi le specie pesan-ti hanno mediamente la stessa temperatura delle particelle leggere (dai 10.000 °C) ed il plasma può considerarsi inequilibrio termico. Nei plasmi freddi invece il gas non è in equilibrio termico, ovvero le particelle pesanti hannotemperature anche notevolmente inferiori (attorno ai 500-800°C) relativamente alla temperatura elettronica. Le di-verse temperature e condizioni raggiunte dalle due classi di plasma, condizionano la tipologia di applicazioni a cuisono destinate. Le principali applicazioni di plasma freddo riguardano quei processi termici, che richiedono unatrasformazione selettiva e limitata dei materiali (fusione selettiva, trattamenti termici, trasformazioni strutturali, etc.)

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e l'attivazione di reazioni e trasformazioni fisiche e chimiche. Le principali applicazioni nel settore del plasma caldosono la saldatura, il thermal spray ed il taglio di materiali metallici.Il plasma caldo si ottiene realizzando una scarica ad arco in gas sottoposto a campi elettrici di varia frequenza. Ilfascio di gas ionizzato ad altissima temperatura così ottenuto è in grado di rimuovere, fondere o modificare ter-micamente un materiale. Il fascio plasma può essere paragonato ad un utensile, facilmente controllabile, non diret-tamente in contatto con la superficie in lavorazione e non usurabile.

Fig. 30

Storicamente la lavorazione di taglio mediante arco plasma nasce come naturale evoluzione del processo di sal-datura TIG (tungsten inert gas). Nel processo di saldatura TIG un arco elettrico è innestato tra le punte di un elet-trodo in tungsteno non fusibile e la superficie del pezzo da lavorare. Zona di saldatura ed elettrodo sono protettida un guscio di gas inerte (solitamente argon od elio), che lambisce l’ugello e ricopre il getto di aria ionizzata (fig.31).

Fig. 31

Le proprietà dell’arco aperto nel processo TIG possono essere migliorate se l’arco viene fatto passare attraversoun ugello costrittore di rame raffreddato ad acqua, posizionato tra l’elettrodo (catodo) ed il pezzo. Il fascio di pla-sma invece che divergere, come nell’arco aperto, è costretto dall’ugello (in quello che di seguito verrà chiamatoarco chiuso) e collimato in una sezione minore (fig.32).

La strizione dell’arco elettrico produce un aumento della collimazione, della velocità e della temperatura (per effet-to resistivo) del flusso di plasma.Il processo viene avviato facendo scoccare un arco pilota tra elettrodo e ugello. Quando l’ugello viene accostatoal materiale da tagliare, l’arco viene trasferito al pezzo, la potenza dell’arco viene incrementata fino al completo at-traversamento dello spessore in lavorazione. Il metallo fuso viene allontanato dal flusso del gas utilizzato.

Fig. 32

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Meccanismo di rimozione del materiale nel PAM

Nelle lavorazioni con plasma (Plasma Arc Machining, PAM) un gas viene fatto passare attraverso un arco elet-trico, che lo ionizza, e raggiunge temperature superiori ai 30000 °C. Per produrre il plasma si fa generalmente ricor-so ad una torcia (fig.33).In sostanza un arco elettrico viene innescato sull’estremità di un elettrodo refrattario (1) contenuto all’interno diuna corrente di gas (o di miscele di gas). Il gas lambisce un elemento cilindrico di tungsteno riscaldato, che fun-ziona da catodo (emettitore termoionico) e fuoriesce da uno stretto orifizio (2). In queste condizioni l’arco riscaldale molecole di gas, che vengono portate ad altissima temperatura, sufficiente ad assicurare la ionizzazione. La tor-cia plasma pertanto assolve contemporaneamente più compiti: sostiene elettrodo ed ugello, conduce il refrigeran-te, contiene e guida il flusso di gas durante la ionizzazione ed il passaggio del plasma.

Fig. 33

Si forma così un getto gassoso, conduttore e luminosissimo, la cui temperatura cresce anche per l’effetto dellastrizione dovuta al passaggio forzato entro l’orifizio dell’ugello della torcia. Ciò serve ad incrementare la temp e-ratura del plasma ed a concentrare la sua energia termica su di un’area ridotta. Dopo essere passato attraversol’ugello il fascio di plasma è ad altissima velocità, ad alta temperatura e fortemente collimato. Infine il flusso di gasviene proiettato sulla superficie da lavorare. Più piccolo è il diametro dell’ugello maggiori sono le temperatureraggiunte e pertanto maggiore è la concentrazione di calore del plasma in uscita.La superficie del pezzo si riscalda, fonde e vaporizza per due motivi:q il fascio plasma riscalda per convezioneq gli elettroni, che si ricombinano con gli ioni a ricostituire la molecola, rilasciano energia sotto forme di calore e

radiazione luminosa

Entrambi i contributi innalzano molto rapidamente la temperatura delle superficie, a tal punto che il materiale fondee vaporizza in brevissimo tempo. Successivamente il getto di gas, che fuoriesce dal solco di taglio, provvede adallontanare bave e sfridi di lavorazione dalla superficie inferiore del pezzo in lavorazione.In alcuni casi (gas di taglio ossigeno od aria) si aggiunge un terzo contributo termico dovuto alla reazione eso-termica del processo di ossidazione dell’ossigeno.Il taglio plasma dei metalli combina due azioni:q la prima termica, provoca la fusione del metallo di base. L’energia messa in opera di origine elettrica. Tuttavia

nel caso dell’ossigeno può intervenire una reazione termo-chimica nelle zone dove le temperature permettonola reazione di ossidazione.

q la seconda cinetica, provoca l’evacuazione del liquido che si è formatoSi ottiene così la separazione del materiale lungo un solco di taglio, caratterizzato da una geometria tipica delle la-vorazioni mediante fascio termico (fig.34)

Fig. 34

La temperatura nel fascio plasma dipende soprattutto dal grado di ionizzazione, che a sua volta è influenzato daltipo di gas e dai parametri tecnologici della torcia. All’aumentare del flusso di gas nella torcia si forma uno strato

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relativamente freddo di gas non ionizzato, che lambisce l’ugello, restringe ulteriormente il diametro dell’arco econsente di raggiungere temperature così elevate senza la fusione dell’ugello stesso. Lo spessore di questo stra-to di plasma ‘‘freddo’’ può essere ulteriormente accresciuto attribuendo al flusso un moto vorticoso. Il moto rota-torio forza il gas non ionizzato, più freddo e quindi più pesante, a muoversi radialmente verso l’esterno ed a for-mare uno strato protettivo più denso.Gli effetti termici sono considerevolmente maggiori di quelli rilevati in altri processi (laser, abrasive water jet). Talieffetti sono maggiori nel caso di lavorazioni ad arco trasferito (plasma arc) che in quelle dove l’arco viene mante-nuto tra elettrodo ed ugello (plasma jet) poiché la torcia stessa funziona da anodo ed una considerevole parte delcalore prodotto viene asportata dal sistema di raffreddamento e non viene utilizzata per uil taglio. L’estensionedella zona termicamente alterata del taglio plasma è comunque minore in confronto a quella ottenuta da un ossita-glio. Ciò può risultare molto importante se il metallo deve essere successivamente rilavorato o saldato. Lo spesso-re di tale zona può variare tra gli 0.25 mm per acciai inssidabili austenitici, 0.5 mm per gli acciai al carbonio, e tra 1 e2.5 mm per l’alluminio.

Tipologia delle torce impiegate

Nel passato si ricorreva esclusivamente, come gas di alimento, all’utilizzo di gas inerti o non ossidanti a causadella veloce erosione cui è sottoposto l’elettrodo di tungsteno quando utilizzato in ambienti ossidanti. L’uso dielettrodi in zirconio o afnio rende attualmente possibile l’impiego di aria ed ossigeno come gas plasma. I punti difusione dello zirconio (1852 °C) e dell’afnio (2230 °C) sono notevolmente più bassi di quello del tungsteno (3380°C) e conseguentemente richiedono un più efficiente sistema di raffreddamento. La corrente operativa deve inol-tre essere tenuta al disotto di circa 250A per assicurare la durata dell’elettrodo. In queste condizioni, zirconio edafnio formano in superficie uno strato di ossidi stabili e nitruri che proteggono l’elettrodo durante il taglio. Talestrato viene tuttavia distrutto durante la fase iniziale di innesco dell’arco e ciò implica che la durata degli elettrodidipende dal numero di accensioni del sistema.

Fig. 35

Torce a doppio gas

Le torce a doppio gas (fig. 35) utilizzano un elettrodo in tungsteno attorno al quale fluisce un gas inerte mentre unsecondo gas viene aggiunto attorno all’ugello. Il gas di taglio è di solito argon, argon-idrogeno o azoto ed il gassecondario viene scelto in relazione al metallo da tagliare (ad es. aria o ossigeno per acciai mediamente legati peraumentare la velocità del taglio).

Torce ad acqua

Un miglioramento nella qualità del taglio può essere realizzato impiegando torce “ad acqua” che prevedono cioèl’iniezione di acqua attorno al fascio plasma. Tale accorgimento produce una intercapedine di vapore che pro-tegge la zona di taglio abbattendo i fumi e limitando la rumorosità dell’arco. Un ulteriore vantaggio può derivaredall’utilizzo di torce all’interno delle quali il gas di alimento viene iniettato in modo da avere una traiettoria vorti-cosa attorno all’arco in modo da contenerne la dispersione e concentrare il flusso termico in un’area limitata.

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Sistemi di movimentazione

Il sistema di movimentazione della torcia e la console CNC non sono caratterizzanti la tecnologia a taglio plasma.E' sufficiente precisare che la maggior parte delle PAM prevede una struttura a portale, che muove la torcia lungoil percorso di taglio ed un controllo CNC degli assi X ed Y in interpolazione lineare e circolare (fig. 36). Nonmancano tuttavia anche soluzioni robotizzate. In questo caso la torcia viene montata sul braccio di un robotantropomorfo.

Fig. 36Applicazioni

A causa della maggiore efficienza, l’arco trasferito viene spesso preferito nella lavorazione dei metalli. I materialinon conduttori che presentano difficoltà di lavorazione con metodi tradizionali possono essere convenientementelavorati dal plasma jet.Il taglio plasma ad aria può essere vantaggiosamente impiegato per tagliare materiali ferrosi e non ferrosi. Per iltaglio di acciai al carbonio, il taglio plasma risulta generalmente preferibile rispetto all’ossitaglio per spessori tra 3e 25 mm. Per il taglio di una lastra di spessore 12 mm, l’ossitaglio può essere impiegato a velocità nell’ordine dei700/800 mm/min. Il taglio plasma può invece raggiungere velocità di 2-2.5 m/min utilizzando un generatore da150A. Lo spessore oltre il quale l’ossitaglio risulta più veloce del taglio plasma dipende dalla potenza del ge-neratore utilizzato.

Considerazioni tecnologiche e progettuali

• In alcune applicazioni il costo di investimento può essere un fattore limitante in considerazione del rapporto1/20 dell’ossitaglio rispetto al plasma.

• Una ulteriore limitazione del taglio plasma, comparato all’ossitaglio, è la limitata trasportabilità necessaria. Vi èinoltre maggiore produzione di fumi, rumore e radiazioni con il taglio plasma rispetto all’ossitaglio.

• La quantità dei fumi dipende da molti fattori quali la corrente dell’arco, la velocità del taglio, tipologia degliugelli e materiale in lavorazione. Può essere necessario quindi provvedere ad una aspirazione dei fumi dallazona di lavoro.

• Una diversa maniera di ridurre il livello dei fumi richiede l’impiego di un plasma sommerso in acqua. In questocaso la superficie del pezzo è posizionata a 50-75 mm sotto la superficie dell’acqua. Poiché l’operatore nonpuò vedere il pezzo durante il taglio, è fortemente raccomandato l’utilizzo di sistemi a CN per la movimentazio-ne della torcia durante il taglio.

• Il livello di rumorosità dipende fondamentalmente dalla corrente dell’arco. Protezioni fonoassorbenti sono ge-neralmente necessarie quando non si ricorre, come indicato sopra, al taglio sommerso che riduce conside-revolmente sia il livello di rumorosità che l’emissione di radiazioni.

• Aspetti critici del taglio sommerso sono costituiti dal trasferimento termico dalla lastra di lavorazione all’acquacon una diminuzione della velocità di taglio. Uno dei problemi associati all’utilizzo del plasma ad aria è la for-mazione di porosità superficiale particolarmente problematica in fase di saldatura.

• Nella valutazione delle potenzialità del taglio plasma, l’alterazione delle caratteristiche del materiale rappre-senta un aspetto certamente critico. L’elevato apporto di calore necessario per eseguire le operazioni di tagliosi ripercuote sulle condizioni microstrutturali, e conseguentemente sulle caratteristiche meccaniche del mate-riale, con alterazioni non sempre accettabili per l’impiego previsto.

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TABELLE RIASSUNTIVE

PROCESSO CARATTERISTICHE PARAMETRI DI PROCESSO EVELOCITÀ DI ASPORTAZIONE (MRR)

Lavorazioni ad Ultrasuoni(USM)

Applicabilità limitata a materiali moltoduri e fragili.Impiego anche in saldatura di spessorisottili di materiali diversi.

MRR: fino a 0.5 cm3/min

Lavorazioni Waterjet(WJ/AWJ)

Possibilità di lavorare qualsiasi tipo dimateriale. Alterazioni termiche e mec-caniche molto contenute.

MRR: tipicamente 5 cm3/min.

Lavorazioni Chimiche(CM)

Possibilità di lavorare pannelli piani ocurvi di grandi dimensioni e modestospessore.Costi delle attrezzature e degli utensilimolto limitati. Produttività modesta.

MRR: 0.0025-0.1 mm3/min.

Lavorazioni Elettrochimiche (ECM) Possibilità di realizzare forme complessee cavità profonde . Elevata capacità diasportazione (rispetto agli altri processinon convenzionali). Elevati costi di at-trezzature ed utensili. Elevato consumodi energia. Processo idoneo a produzionisu scala medio-alta.

Tensione: 5-25 V in continua ;Densità di corrente: 1.5-8 A/mm2 ;MRR: 2.5-12 mm3/min ,in funzione della densità di corrente.

Rettificatura elettrochimica(ECG)

Troncatura ed affilatura di materiali mo l-to duri quali carburi metallici e materialiper utensili. Processo utilizzato anchenella lappatura di fori.

Densità di corrente: 1-3 A/mm2 ;MRR : Tipicamente 1.5 cm3/min per1000 A.

Elettroerosione a tuffo ed a filo(EDM/WEDM)

Profilatura e taglio di parti di forma com-plessa realizzate in materiali di difficilelavorabilità. Sono possibili danneggia-menti superficiali. Viene pure in processidi profilatura da lastra (WEDM). Elevaticosti di attrezzature ed impianti.

Tensione: 50-300 V in continua.Densità di corrente: 0.1-500 A/mm2 ;MRR: Tipicamente 0.15 cm3/min(EDM), 0.1-0.25 cm3/min (WEDM).

Lavorazioni Laser(LBM)

Taglio e foratura di spessori limitati (<10mm). Presenza di alterazioni termiche.Costi di impianto elevati. Non necessitadi operare sotto vuoto. Rendimenti piut-tosto bassi.

MRR: Tipicamente 2 cm3/min.

Lavorazioni a Fascio Elettronico e aFascio Ionico(EBM)

Taglio e foratura di spessori molto li-mitati. Presenza di alterazioni termiche.Costi elevati dovuti alla necessità dioperare sotto vuoto.

MRR: 0.0008-0.002 cm3/min.

Lavorazioni Plasma (PAM) Lavorazione di tutti i metalli. Elevataproduttività. Presenza di alterazioni ter-miche. Costi di impianto, manutenzione esostituzione moderati.

Tensione: 100-180 V in continua.Intensità di corrente: 15-100 A;MRR: tipicamente 20 cm3/min.

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BIBLIOGRAFIA

• J.A. Mc Geough; ADVANCED METHODS OF MACHINING, Chapman & Hall – 1988.• Kalpakjian; MANUFACTURING ENGINEERING AND TECHNOLOGY, Addison Wesley – 1989.• AA VV; THERMAL PLASMAS , Plenum – 1994.• D. Summers; WATERJETTING TECHNOLOGY, FN Spon – 1995.• W. Steen; LASER MATERIAL PROCESSING, Springer – 1998.