Punto di Vista dell’utente

Affrontiamo la tematica della richiesta di energia nelle macchine utensili concentrando l’attenzione sul punto di vista dell’utente. Dalla letteratura [Fra10],[Raj10],[GMA+01] i fattori principali che comportano consumo energetico e sui quali l’utente può intervenire sono:

• Scelta dell’Utensile

• Scelta dei parametri di taglio (Avanzamento a [mm/giro], Velocità di taglio Vt [m/min], Profondità di passata p [mm])

• Scelta della macchina

Figura 19 – Definiziene dei punti di vista principali che riguardano il Life Cycle delle macchine uensili – Adattata da [GD04]

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L’obiettivo è quello di definire il modello che descriva il consumo energetico tenendo conto di questi fattori, al fine di minimizzare il consumo energetico del centro di lavoro. Per quanto riguarda i parametri di taglio, per una semplice lettura del modello, è stata ritenuta costante la profondità di passata, analizzando il modello al variare dei parametri velocità di taglio ed avanzamento. Sono stati definiti tre livelli di analisi in cui questi fattori possono essere elementi fissi oppure delle variabili all’interno del modello (figura 20). I tre livelli verranno caratterizzati nei paragrafi successivi.

3.2.1 Funzione Obiettivo del Modello

La funzione obiettivo è ovviamente comune ai tre livelli, ossia minimizzare la richiesta di energia valutando la potenza richiesta durante la lavorazione nell’intervallo di tempo in cui la macchina è in funzione, sia che lavori effettivamente il pezzo o che sia in stato inattivo (idle) o di attesa (stand-by). Al crescere dei livelli, il contributo al risparmio eneregetico che l’utente può dare all’interno del life cycle è crescente, grazie alle scelte rivolte ad un consumo energetico più efficiente

50 3.2.2 Definizione del Primo Livello

Nel primo livello di sperimentazione ci mettiamo nella condizione in cui l’utilizzatore ha l’obiettivo di minimizzare il consumo energetico rispetto alla macchina, avendo come elementi fissi:

I. La macchina (si ha a disposizione una sola macchina)

II. L’utensile (si ha a disposizione un unico utensile, per cui avrà dei parametri tecnologici fissati come materiale e raggio di punta dell’inserto)

III. Il materiale da lavorare (il materiale da lavorare, scelto a priori, è vincolante)

L’utente potrà intervenire sui parametri di taglio per minimizzare la potenza totale nel tempo [KL11], [MFIO11], ossia la richiesta di energia. Per potere effettuare l’ottimizzazione dell’utilizzo di energia della macchina utensile è necessario individuare i confini del sistema che vincolano l’analisi. Per prima cosa, la considerazione che la lavorazione di un componente meccanico comporta il rispetto di specifiche progettuali ben definite, che vanno dalla finitura superficiale (formula 3.1) alla tolleranza geometrica, ci suggerisce che la rugosità finale del pezzo è il primo vincolo da considerare.

= ∙ 1000

8 ∙ (3.1)  Dove Re [mm] è il raggio di punta dell’inserto.

Vediamo come la rugosità dipenda quadraticamente dall’avanzamento ed è inversamente proporzionale alla geometria dell’inserto. In secondo luogo la potenza massima della macchina utensile è un vincolo che fornirà dei range ai parametri di taglio.

= ∙ = ∙ ∙ ∙ ∙

∙ ∙ 60 ∙ (3.2) Notiamo come la potenza dipenda linearmente sia dai parametri di taglio, sia dalla tipologia di materiale da lavorare, attraverso Kc che rappresenta la

pressione di taglio specifica del materiale. L’utensile rappresenta, come detto, un altro vincolo rispetto ai parametri dei taglio in quanto il costruttore suggerisce un campo di valori entro il quale utilizzarlo al meglio. L’utensile sarà quindi scelto in funzione dei parametri individuati al fine di minimizzare il consumo energetico. Il liquido lubrificante, se presente, è l’ultimo vincolo,

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poiché a seconda del metallo lavorato ed alla gravosità del taglio lo si potrà impiegare o meno.

3.2.3 Definizione del Secondo Livello

Nel secondo livello viene sbloccato il vincolo riguardante l’utensile, permettendo così all’utilizzatore del centro di lavoro di avere a disposizione un ulteriore grado di libertà. Come conseguenza diversi fattori, quali la geometria ed il materiale dell’inserto, devono ora essere considerati variabili, ossia selezionabili dal tecnologo. Con le sue scelte, il tecnologo va ad influenzare in maniera più rilevante il consumo totale di energia di una macchina utenslie all’interno del life cycle. Gli elementi fissi a questo livello rimangono:

I. La macchina

II. Materiale da lavorare

Il tecnologo avrà diverse variabili su cui intervenire per cercare la soluzione più conveniente sotto il profilo dell’utilizzo energetico:

I. Parametri di taglio – Velocità di taglio Vt [m/min], Avanzamento a [mm/giro], profondità di passata p [mm],

II. L’utensile – materiale, geometria, tipologia

Rimangono da rispettare i vincoli di finitura superficiale e tolleranza geometrica, i quali fornicono la qualità finale del pezzo. A differenza del livello precedente, in cui si aveva come unica variabile l’avanzamento, potremo variare ora nella 3.1 il raggio di punta dell’inserto. Inoltre potremo valutare l’oportunità di utilizzare diverse curve della figura 19, che mettono in relazione la durata utensile con il materiale e la velocità di taglio. Tale durata dell’utensile è possibile descriverla attraverso la legge di Taylor (3.3).

= (3.3)

Dove :

α = coefficiente legge di Taylor C = costante di Taylor

52 3.2.4 Definizione del Terzo Livello

Al terzo livello l’utente, oltre ai gradi di libertà precedenti, ha la possibilità di scegliere la macchina utensile. A rimanere invariato dal livello precedente è il vincolo legato al materiale da lavorare, che non può essere modificato. A questo livelo il tecnologo con le sue scelte va ad influenzare l’intero life cycle della macchina, combaciando con il punto di vista della società. Gli elementi variabili, su cui il tecnologo può lavorare per cercare la soluzione più conveniente sotto il profilo di utilizzo energetico, sono:

I. Parametri di taglio – Velocità di taglio Vt [m/min], Avanzamento a [mm/giro], profondità di passata p [mm],

I. L’utensile – materiale, geometria, durata

III. Macchina utensile – diverso range per le caratteristiche tecniche Il vincolo di potenza non è più legato alla singola macchina, nonché tutte le caratteristiche della macchina che possono essere di interesse per il tecnologo come ad esempio tempo cambio utensile, potenza fissa, accelerazione degli assi, coefficienti di attrito degli assi e del mandrino, etc.