Motore per la foratura

Per un corretto dimensionamento del motore sul quale verr`a fissata la punta, sono state ese- guite diverse stime per prevedere la potenza e la coppia richieste durante la lavorazione ad una velocit`a di rotazione prestabilita. Come riferimento `e stata presa una serie di test eseguiti in azienda. Lo scopo di queste prove era determinare la potenza di taglio (Pt) richiesta per la

foratura e la coppia assorbita (Ca) durante la lavorazione in base al tipo di utensile, al tipo di

foro e al materiale da lavorare. Nella tabella 3.1 viene riportata una parte di tali test, per dare un’idea dei parametri utilizzati. Si tratta di fori ciechi con una profondit`a di 30 mm. Osservan- do le velocit`a di foratura adottate durante i test, `e stato stabilito che la velocit`a di rotazione del motore deve essere compresa tra 4000 e 8000 rpm.

Foratura verticale, punta con D = 35 mm Materiale Vrot [rpm] Pt[W] Ca [Nm] Pino 6000 400 0.64 Pino 8000 160 0.25 Rovere 6000 920 1.46 Rovere 8000 880 1.40 MDF 4200 526 1.20 Foratura verticale, punta con D = 10 mm Materiale Vrot [rpm] Pt[W] Ca [Nm] Pino 6000 600 1.00 Pino 8000 80 0.13 Rovere 6000 160 0.25 Rovere 8000 300 0.40 MDF 4000 400 0.95 MDF 6000 260 0.40 MDF 8000 170 0.2

Per quanto riguarda il tipo di motore, sono stati presi in considerazione servomotori bru- shless (sincroni), motori asincroni e motori sincroni, in modo da avere una vasta rosa di pos- sibilit`a e poter individuare la pi`u adatta al caso in esame. Ognuno di questi avrebbe i suoi vantaggi se sfruttato per la nostra operazione di foratura, `e bene trattare dunque un breve confronto tra le varie opzioni a disposizione per motivare le scelte di progetto.

I motori brushless (i.e. senza spazzole), innanzitutto, si sono rivelati essere generalmente quelli con le minori dimensioni, cercando sul mercato i modelli di motori elettrici meno in- gombranti. Si tratta tuttavia di un vantaggio relativo, in quanto sono motori che necessitano di essere controllati per una corretta regolazione del numero di giri e della coppia fornita, ed implicano quindi un apposito azionamento elettronico – a meno che non sia gi`a integrato nel componente – che occuperebbe altro spazio. A livello tecnico, si tratta di dispositivi pi`u fa- cilmente raffreddabili e con meno perdite di quelli dotati di spazzole. Sono in grado per`o di fornire una coppia ridotta, a causa del loro numero minore di fasi, inferiore rispetto ai valo- ri mostrati nella tabella di cui sopra. Scartiamo dunque questa categoria e passiamo ad un confronto tra motori sincroni e asincroni.

I motori asincroni vantano un basso costo e nessun problema di funzionamento ad alte temperature, mentre i sincroni sono pi`u costosi e rischiano di smagnetizzarsi con un grado di calore elevato. Dall’altro lato, per`o, i motori sincroni godono di un buon rapporto potenza/- peso e un’ottima affidabilit`a, una bassa inerzia sul rotore e uno sviluppo di calore solo sullo statore – fattori che invece mancano ai motori asincroni. Di entrambe le categorie esiste una variet`a enorme di marchi e di modelli, per cui `e stato difficile compiere una scelta. Ci si `e rivolti dunque a chi, all’interno dell’ufficio tecnico e dell’azienda, pi`u in generale, lavora con questi dispositivi. Il consiglio degli esperti ha deviato le ricerche verso motori sincroni AC (a corrente alternata) compatti ad alta frequenza – e dunque da catalogo con un numero di giri troppo elevato rispetto a quello previsto per la presente applicazione, con l’obiettivo di ridur- ne la velocit`a di funzionamento. Questo tipo di motore quindi `e da pilotare mediante inverter in anello aperto, senza retroazione, con la possibilit`a di utilizzare un unico inverter per pi`u mandrini, con vantaggi a livello economico e di ingombro in armadio.

Questo ha indubbiamente arginato il campo di ricerca per i motori utili all’operazione in oggetto. Sono stati valutati i modelli presentati in svariati cataloghi, utilizzando come criterio

di scelta primario l’ingombro in macchina. Confrontando le specifiche meccaniche dei motori pi`u piccoli con i requisiti della lavorazione suggeriti dalla tabella 3.1, si `e giunti infine a sele- zionare un modello ben preciso, gi`a utilizzato in azienda, marchiato Elte e denominato STK21 6.5/2. Nella tabella 3.2 ne troviamo le principali caratteristiche tecniche fornite dal relativo catalogo.

Figura 3.8: Motore sincrono Elte STK21 6.5/2

Freq. [Hz] n° giri [rpm] Potenza [kW] Coppia [Nm] Peso [kg] 100 6000 0.13 0.21 2.5 200 12000 0.35 0.28 2.5 300 18000 0.41 0.22 2.5

Tabella 3.2: Specifiche tecniche di Elte STK21 6.5/2

La potenza aumenta linearmente da basse velocit`a fino alla velocit`a nominale. In questo tratto la si pu`o calcolare con la seguente formula, sfruttata per valutare la resa del motore a velocit`a di rotazione diverse da quelle mostrate in tabella:

P otenza [kW ] = P otenza nominale [kW ]

V elocit`a nominale [rpm] · V elocit`a richiesta [rpm]

Dalla velocit`a nominale in poi il motore eroga una potenza pressoch´e costante (la po- tenza nominale) fino alla velocit`a massima. Concludiamo l’analisi delle specifiche tecniche

del modello scelto esplicando il calcolo effettuato per ricavare la coppia fornita dal motore. L’equazione `e molto semplice:

Coppia nominale [N m] = 9549 · P otenza nominale [kW ] V elocit`a nominale [rpm]

Confrontando le coppie che troviamo in tabella 3.1 con quelle in tabella 3.2, notiamo che le prime sono maggiori rispetto alle seconde. Sembrerebbe dunque che l’operazione di foratura richieda una coppia pi`u elevata rispetto a quella che `e in grado di erogare il motore, che di conseguenza risulterebbe adatto per una punta elicoidale con un diametro di 10 mm ma non nel caso preso in esame, in cui `e necessario un utensile di diametro pari a 35 mm. Di conseguenza `e stato necessario analizzare altri test.

Figura 3.9: Risultati del test di foratura su MDF

Ne `e stato preso in considerazione un altro effettuato su un pannello di MDF, nel quale veniva realizzato un foro cieco di profondit`a 12 mm e diametro 35 mm. In questa prova sono state analizzate la potenza e la coppia assorbite dalla lavorazione nel corso del tempo impo- stando una velocit`a di avanzamento di 4.5 m/min e una velocit`a di rotazione di 4200 rpm. In

figura 3.9 ne troviamo i risultati, che potrebbero per`o risultare poco immediati, in quanto i gra- fici fanno riferimento agli assorbimenti del motore della foratrice. Considerando i rapporti di trasmissione e facendo riferimento agli assorbimenti che si hanno direttamente sull’utensile, si ha che la coppia assorbita vale 0.75 Nm mentre la potenza assorbita risulta essere pari a 0.33 kW. Questa prova dimostra che, scegliendo parametri di lavorazione adatti, la foratura con l’utensile scelto potrebbe richiedere potenze inferiori rispetto a quelle che osserviamo nella tabella 3.1. Nonostante ci`o, la potenza fornita dal motore scelto non sembrerebbe comunque adatta.

Concludiamo dunque l’analisi con un’ultima osservazione, fondamentale per dimostrarne la validit`a: dalla tabella 3.1 si nota che, all’aumentare del numero di giri scelto per la lavo- razione, la potenza assorbita e la coppia richiesta calano. Per cui, con parametri come quelli dell’ultimo test citato ma con un numero di giri pi`u alto (ad esempio 6000 rpm), `e possibile ottenere il risultato desiderato e confermare l’efficacia dei parametri del motore.