Suddividendo il lavoro in ricerca sperimentale e ricerca industriale si illustra qui in maniera sintetica come si è articolato il progetto di dottorato. Ciascun aspetto sarà poi trattato in modo approfondito nei capitoli dedicati.
3.2.1 La ricerca sperimentale.
I modelli storicamente sviluppati per lo studio e la simulazione del processo di rettifica si dividono in due categorie: quelli analitici che si basano sulla determinazione di coefficienti di processo e sulla modellazione statistica degli effetti del taglio (numero di grani in presa, angoli di spoglia dei grani, ecc..) e quelli agli elementi finiti che si basano sull’approssimazione della forma indefinita dei grani abrasivi ad una forma geometrica nota. Entrambi questi approcci hanno limitazioni che ne hanno fino ad ora inficiato un utilizzo industriale. Per superare questi limiti si è pensato di:
Identificare i materiali di maggior interesse per il processo di rettifica degli ingranaggi, tipologia grani abrasivi, materiale in lavorazione;
Sviluppare un modello FEM del processo di rettifica con grano abrasivo singolo per il calcolo delle forze di taglio e la predizione dell’energia termica sviluppata nel contatto grano-materiale;
Obiettivi e motivazioni del progetto
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Definire e realizzare un set-up sperimentale per la misurazione delle forze nella rettifica con grano singolo per la validazione del modello;
Individuare la modalità migliore per acquisire la reale geometria dei grani abrasivi e la forma del solco generato dal processo;
Mettere a punto dei test con grani multipli per estendere i risultati dal grano singolo ad una numerosità maggiore di grani coinvolti nel taglio;
Studiare la cinematica del processo di rettifica per generazione di ingranaggi con mola a vite in utilizzo industriale (parametri e geometrie reali), al fine di determinare traiettorie, velocità e dimensioni dell’area di contatto mola-dente; Approfondire la conoscenza degli utensili da rettifica riguardo materiali
utilizzati, proprietà specifiche e processi produttivi;
Sviluppare un modello FEM del carico termico agente su di un dente di ingranaggio durante la lavorazione;
Identificare i parametri e le modalità di acquisizione dei dati di macchina per la validazione del modello tramite test di rettifica con SG 160;
Mettere in relazione i dati del modello di taglio con le caratteristiche della mola utilizzata e del processo adottato per determinare esattamente il calore sviluppato sul dente rettificato.
3.2.2 La ricerca industriale
Una prima fase è stata dedicata a verificare la fattibilità industriale del nuovo processo a secco mentre nella seconda si è proceduto alla sua ottimizzazione. Per questo è stato necessario adottare le seguenti strategie e soluzioni su ciascun componente fornito da 4 differenti produttori di ingranaggi:
Produzione di ingranaggi con processo lubrificato di riferimento;
Prove sperimentali di processo a secco con incremento progressivo del rateo di asportazione per individuare i parametri soglia della bruciatura;
Analisi metallografica dei campioni rettificati per definire i livelli di bruciatura; Analisi comparativa tra mole fornite da 3 differenti costruttori con specifiche
differenti al fine di individuare la soluzione più idonea;
Analisi tramite tecniche DOE dell’influenza dei vari parametri di processo sulla qualità finale dell’ingranaggio;
Prove di pre-produzione e di produzione ridotta per verificare robustezza e ripetibilità del processo.
Preme sottolineare che accordi di riservatezza presi tra le parti coinvolte in questo lavoro non permetteranno di presentare interamente i risultati ottenuti. Durante la trattazione saranno evidenziate le necessarie omissioni atte a garantire il rispetto di tali accordi.
Capitolo 4
Il modello di asportazione a grano singolo
Il modello di asportazione a grano singolo
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A livello di ricerca internazionale la simulazione di processi di asportazione di materiale è riconosciuto essere un ottimo strumento per ottimizzare sia i processi di taglio che quelli di rettifica. Le conoscenze relative all’interazione utensile-pezzo nella rettifica, a seconda della combinazione di parametri scelta, consentono di selezionare la strategia di processo più idonea scegliendo se massimizzare la qualità del pezzo prodotto o minimizzare il tempo di lavorazione e l’efficienza economica del processo.
Le complesse relazioni tra parametri del sistema, parametri di lavorazione, parametri di processo e risultati ottenuti sul pezzo tramite rettifica, unite alla rilevanza assunta da questo processo in ambito industriale fanno sì che la modellazione e la simulazione dei processi di rettifica sono un importante oggetto di studio sia livello universitario che industriale, costituendo in molti casi occasioni di collaborazioni tra i due ambiti. Fino al 1980 si è avuta una predominanza di modelli fisico-analitici e fisico-empirici, basati su regressioni lineari multiple, e trasferiti poi su modelli generalizzati chiamati “modelli base”. I progressi compiuti riguardanti l’aumento della potenza di calcolo e delle prestazioni dei computer hanno consentito lo sviluppo di nuove tipologie di modelli come quelli ad elementi finiti (FEA), modelli geometrici-cinematici, modelli particellari (MD), ecc. [105 - 114]. Sebbene i computer abbiano permesso lo sviluppo dei modelli citati, modelli per l’analisi e l’ottimizzazione dei processi di rettifica erano impiegati senza dover utilizzare calcolatori. Sebbene negli anni 1950 i transistor fossero appena stati inventati, i chip a semiconduttore fossero raramente utilizzati negli strumenti di misura e i computer non esistessero, le fondamenta della ricerca attuale nell’ambito dei processi di produzione sono state gettate da studiosi che hanno circoscritto il problema. In quegli anni sono state definite le quantità fondamentali che descrivono il problema, progettati strumenti di misura e scoperte le relazioni base che sono valide ancora oggi e rappresentano le basi dei modelli sviluppati nel presente. Il modello di Taylor, datato 1880 può essere considerato come l’inizio della modellazione nell’ambito dei processi di taglio [115]. Il modello sviluppato da Taylor è ancora la base fondamentale di tutta la ricerca nell’ambito della modellazione dei processi di asportazione di truciolo, anche per i più recenti modelli riguardanti la rettifica [116 - 129].
Analizzando lo stato dell’arte dei modelli sviluppati a partire dagli inizi degli anni 90 si possono individuare 7 differenti tipologie di modelli, riassunti in Figura 40.
Il modello di asportazione a grano singolo
81 Figura 40: Differenti categorie di modelli e ambito di applicazione della simulazione
[129].
I vari modelli possono comprendere sia le caratteristiche del processo come forze e temperature sia risultati riguardanti topografia o integrità della superficie. La seconda tipologia di modelli, di immediato utilizzo industriale, sono stati largamente sviluppati e perfezionati fino a realizzare applicativi o software in grado di prevedere i contatti tra mola e pezzo sia le geometrie realizzate dal processo. Tutti questi modelli considerano gli elementi impiegati nel processo come oggetti rigidi e utilizzano descrizioni cinematiche per ottenere i risultati che possono essere conseguiti con simulazioni brevi ed efficaci.
I modelli riguardanti la previsione di forze e temperature presentano, allo stato attuale, molteplici limitazioni ed approssimazioni che ne fanno uno strumento difficilmente utilizzabile in ambito industriale per processi complessi come la rettifica di ingranaggi. La complessità delle geometrie di utensile ed ingranaggio, la particolare struttura della mola e la sua natura non deterministica unite alle elevate velocità di deformazione del materiale rendono impossibile sviluppare un modello di taglio del materiale con la mola. Per questo negli anni si è isolato il problema del taglio studiando l’interazione di un singolo grano con il materiale in lavorazione. I grani abrasivi utilizzati nelle mole per la rettifica di ingranaggi sono grani in ossido di alluminio caratterizzati da una geometria indefinita distribuita statisticamente attorno ad una dimensione e forma di riferimento. Anche gli angoli di taglio del grano sono indefiniti con una predominanza di angoli di spoglia negativi (75%). La difficoltà di acquisire la geometria dei grani abrasivi ha fatto sì che tutti i modelli fino ad oggi sviluppati utilizzino forme definite ed approssimate del grano, generalmente forme
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coniche o prismatiche. Questa approssimazione introduce errori significativi che approssimano il comportamento di grano e materiale durante il processo senza consentire di calcolare precisamente forze e temperature.