Ottimizzazione del ciclo produttivo di un componente aeronautico

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Università di Pisa · Scuola di Ingegneria

Dipartimento di Ingegneria Civile ed Industriale Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica

Tesi di Laurea Magistrale

Ottimizzazione del ciclo di produzione di un

componente aeronautico

Relatore:

Prof. Ing. Gualtiero Fantoni Prof. Ing Marco Santochi Tutor aziendale:

Ing. Stefano Fusai

Candidato: Tommaso Fiumalbi

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Sommario

Il seguente elaborato è stato sviluppato in collaborazione con l’azienda Costruzioni Novicrom di Pontedera (Pisa). L’azienda produce componenti meccanici principalmente per l’industria automobilistica e aerospaziale, sia civile che militare. L’impresa attua una produzione su commessa di un numero ridotto di particolari molto diversificati tra loro. L’attività svolta presso l’azienda ha riguardato l’ottimizzazione del ciclo di produzione di un componente aeronautico, chiamato Gimball. Il Gimball è un componente appartenente ad una famiglia di pezzi, che la società si trova a produrre con una certa frequenza, i cui lotti hanno una dimensione non trascurabile per il tipo di produzione media dell’azienda. Dopo un iniziale periodo di orientamento aziendale, in cui si è preso atto delle risorse e delle metodologie di produzione adottate, si è studiato il ciclo produttivo del componente con visite presso le stazioni di lavoro. L’obbiettivo primario dello studio è stata la ricerca di metodologie alternative a quelle attuali, al fine di ridurre il tempo ciclo, cercando di incrementare la flessibilità del sistema produttivo per le lavorazioni dei componenti della famiglia. Quindi dopo avere reperito i dati delle lavorazioni, è stata effettuata un’analisi di Pareto per orientare le azioni migliorative. In seguito sono state proposte nuove metodologie di lavorazione, che hanno richiesto l’investimento in nuovi utensili e attrezzature. Le attrezzature sono il risultato, dopo attenta analisi con l’ufficio tecnico e il personale di officina, di una ricerca volta all’incremento della flessibilità produttiva e la standardizzazione. Si sono inoltre ricercati sistemi innovativi di lavorazione, che hanno previsto l’utilizzo di sistemi CAM. Tutte le modifiche apportate al ciclo sono state valutate in termini di tempo e costo. Nello svolgimento dell’elaborato sono state proposte due sequenze alternative di produzione, di cui alla fine è stata scelta quella che garantisce i minori tempi di produzione (prestando attenzione anche al costo delle modifiche) rispetto al ciclo attuale.

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Indice

1 Introduzione 1

1.1 Obbiettivi da raggiungere . . . 1

1.2 Sintesi dell’attività svolta . . . 2

2 Analisi ciclo attuale 5 2.1 Introduzione . . . 5

2.2 Descrizione del componente . . . 5

2.3 Lavorabilità del titanio e delle sue leghe . . . 6

2.4 Ciclo di produzione attuale . . . 9

2.5 Foglio di ciclo e Foglio di fase . . . 10

2.6 Analisi dei problemi . . . 22

2.6.1 Fase 30 . . . 22 2.6.2 Fase 45 . . . 22 2.6.3 Fase 48 . . . 23 2.6.4 Fase 50 . . . 24 2.6.5 Fase 52 . . . 25 2.6.5.1 Fase 52 A . . . 25 2.6.5.2 Fase 52 B . . . 26 2.6.6 Fase 55 . . . 27 2.6.7 Fase 60 . . . 28 2.6.8 Fase 100 . . . 30

3 Analisi dei tempi 33 3.1 Diagrammi di Pareto . . . 34

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INDICE 3.2 Tempi di set-up . . . 35 3.3 Tempi di lavorazione . . . 35 3.3.1 Tempi Fase 52 B . . . 36 3.3.2 Tempi Fase 100 . . . 36 3.3.3 Tempi Fase 45 . . . 37 3.3.4 Tempi Fase 60 . . . 37

4 Proposte di riduzione dei tempi di lavorazione 39 4.1 Fase 52 B . . . 41

4.1.1 Fresa a disco a inserti . . . 42

4.1.2 Fresa cilindrica per sgrossatura . . . 44

4.1.3 Fresa cilindrica per finitura . . . 45

4.1.4 Fresa biconica . . . 45

4.2 Fase 100 . . . 47

4.2.1 Fresa sagomata . . . 47

4.3 Fase 60 . . . 48

4.3.1 High Feed Milling . . . 49

4.3.2 Scelta macchina . . . 50 4.3.3 Scelta utensili . . . 50 5 Ottimizzazione attrezzatura 53 5.1 Introduzione . . . 53 5.2 Limiti tecnologici . . . 53 5.3 Attrezzo Fase 50/52 B . . . 54 5.3.1 Tipologia A . . . 54 5.3.2 Tipologia B . . . 63 5.4 Attrezzatura Fase 52 B . . . 70 5.5 Attrezzo Fase 60 . . . 77 5.6 Attrezzatura Fase 100 . . . 84 6 Fresatura Trocoidale 91 6.1 Metodi di fresatura per piani . . . 91

6.1.1 Consigli applicativi . . . 92

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INDICE

6.1.3 Parametri di taglio . . . 93

6.1.3.1 Scanalature di larghezza inferiore a 2 · Dc . . . 94

6.1.3.2 Scanalature di larghezza superiore a 2 · Dc . . . 94

6.1.4 Scelta utensile standard . . . 96

6.2 Programmazione CAM . . . 96

6.2.1 Inserimento utensile . . . 97

6.2.2 Importazione del grezzo . . . 97

6.2.3 Importazione attrezzatura . . . 99

6.2.4 Scelta operazioni . . . 99

6.2.5 Definizione parametri operazione . . . 99

6.2.6 Simulazione . . . 99

7 Conclusioni 105 Riferimenti bibliografici . . . 111

Elenco siti consultati . . . 113

A Tabelle parametri di taglio 117

B Tabelle dei tempi consuntivi 123

C Schede utensili 127

D Disegni attrezzatura 141

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Capitolo 1

Introduzione

Il lavoro presentato nel seguente elaborato è stato sviluppato presso l’azienda Costru-zioni.Novicrom di Pontedera (Pisa). La ditta nasce nel 1947 e il suo core business è la produzione di componenti meccanici. Costruzioni.Novicrom vanta rapporti commerciali con importanti aziende Italiane ed estere del settore automotive e dell’industria aeronautica civile e militare. L’azienda si distingue per la flessibilità operativa e per l’ecletticità della produzione, che abbraccia settori quanto mai diversificati come per esempio costruzione su disegno di macchine utensili, lavorazione di componenti per strumenti ottici, montaggio di gruppi e sottogruppi, lavorazione di motori automobilistici di impiego sportivo. Per quanto riguarda il tipo di produzione, l’azienda lavora su commesse di pochi pezzi molto spesso diversificati tra loro. Per far fronte ai complessi particolari meccanici da produrre, la ditta si avvale di personale altamente specializzato sia per quanto riguarda il reparto tecnico-commerciale, che per l’officina meccanica. L’azienda è inoltre attenta a mantenere ottimi standard di qualità e sicurezza, ed ha ottenuto la certificazione ISO 9000. I controlli di qualità sui prodotti vengono eseguiti in area dedicata a temperatura costante, per il primo pezzo del lotto di ogni fase di lavorazione. Vengono inoltre rilasciati a fine ciclo certificati e tabulati dei controlli effettuati sulla macchina ZEISS.

1.1 Obbiettivi da raggiungere

L’esperienza presso suddetta azienda, ha riguardato lo studio del ciclo di produzione di un particolare aeronautico chiamato Gimball. L’obbiettivo principale dello studio è la riduzione dei tempi del ciclo di produzione, mentre obbiettivi secondari riguardano l’incremento di flessibilità di risposta alla domanda produttiva. Il Gimball infatti appartiene ad una

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CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

famiglia di particolari meccanici, quindi morfologicamente simili, con dimensioni variabili, per questo parte del lavoro ha richiesto la modifica o la progettazione di attrezzature standardizzate e flessibili allo stesso tempo. Altro obbiettivo secondario è la ricerca di sistemi innovativi di produzione, avvalendosi dove necessario dell’utilizzo di sistemi informatici come software CAD-CAM. La familiarità con questi sistemi è importante anche per una corretta valutazione dei tempi di lavorazione. Riassumendo in ordine di importanza gli obbiettivi dell’esperienza sono:

1. Riduzione dei tempi di produzione

2. Progettazione di attrezzature standardizzate e flessibili

3. Ricerca di sistemi innovativi di produzione (con l’aiuto di sistemi CAD-CAM)

1.2 Sintesi dell’attività svolta

Per raggiungere gli obbiettivi prefissati si è resa necessaria un’iniziale momento di am-bientamento all’interno dell’azienda, per comprendere le procedure e le risorse adottate e disponibili. Dopo un’iniziale studio dei disegni costruttivi del particolare meccanico preso in considerazione, e delle relative specifiche tecniche richieste dal cliente, si sono svolte delle interviste agli operatori ed ai capi-reparto, per comprendere le scelte adottate per la produzione del Gimball. Si sono analizzati i pregi e i difetti delle varie fasi di lavoro, per quanto riguarda metodologie, utensili e attrezzature e cronometrati i tempi delle varie operazioni. Tutta questa attività sarà presentata nel Capitolo 2 del seguente elaborato. In seguito al fine di rispettare il principale obbiettivo dell’esperienza, ovvero la riduzione dei tempi, si è eseguita un’analisi di Pareto per i tempi sia di lavorazione che di set-up associati alle vari fasi (Capitolo 3). Individuate le fasi più critiche, dal punto di vista temporale, si sono incrociati questi risultati con gli appunti delle lavorazione, e si è evidenziato una correlazione tra le fasi con più difetti e quelle più critiche temporalmente. Nel Capitolo 4 vengono mostrate invece le modifiche apportate alla metodologia di lavoro e i vari utensili scelti, cercando soluzioni innovative (come ad esempi la fresatura HFM). L’attività svolta nel Capitolo 5 è importante per il raggiungimento del secondo obbiettivo principale: la standardizzazione e incremento di flessibilità dell’attrezzatura. Le varie soluzioni proposte, risultato di una sintesi di vari consigli ricevuti dagli ingegneri dell’ufficio tecnico e il personale specializzato di officina, sono state approvate positivamente dai

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CAPITOLO 1. INTRODUZIONE

responsabili dell’azienda. Il Capitolo 6 prende in esame una nuova tipologia di lavorazione, la fresatura trocoidale, utilizzata in maniera ridotta dalla ditta, che può risultare in futuro un’ottima scelta per le operazioni di sgrossatura pesante. In questo capitolo si sono volute mostrare le basi per la programmazione CAM mediante il software Hyper Mill, utilizzato attualmente dall’azienda. Infine nel Capitolo 7 sono mostrate le due alternative possibili proposte, di cui si evidenza la variazione percentuale dei tempi di produzione. Per il ciclo più vantaggioso temporalmente sono presentati come documenti conclusivi il foglio di ciclo e il foglio di fase.

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Capitolo 2

Analisi ciclo attuale

2.1 Introduzione

L’obbiettivo di questo capitolo è mostrare il ciclo di produzione di un componente apparte-nente alla famiglia dei Gimball. Si dà inizialmente una breve descrizione del compoapparte-nente meccanico, del suo impiego progettuale e delle proprietà. In seguito vengono mostrati i fogli di ciclo e fase di un Gimball, dove si indicano macchine, attrezzature, utensili e parametri di taglio. Nella parte conclusiva, è presente un’analisi dei problemi di ogni singola fase, da cui partire per trovare le migliori soluzioni di ottimizzazione.

2.2 Descrizione del componente

Il Gimball (fig.2.1) è un componente che viene utilizzato in ambito aeronautico e rappresenta la semi-parte del giunto cardanico presente sulla crociera degli elicotteri. Morfologicamente è un pezzo tubolare di spessore sottile, che presenta una flangia e una forcella alle due estremità. Il pezzo ha un ingombro nel piano contente l’asse di 200 x 500 (mm x mm), con un diametro medio di 120 mm tale da rendere il pezzo snello. Il materiale del componente è il Ti6Al4V, in quanto il titanio e le sue leghe sono largamente utilizzate nel settore aerospaziale, grazie alla loro eccellente combinazione di alta resistenza specifica (rapporto resistenza-peso) che viene mantenuta alle elevate temperature, il loro comportamento meccanico di resistenza alla frattura e la loro eccezionale resistenza alla corrosione [2].

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CAPITOLO 2. ANALISI CICLO ATTUALE

Figura 2.1: Modello 3D del componente Gimball

2.3 Lavorabilità del titanio e delle sue leghe

Questo materiale trova un largo impiego anche in altre applicazioni commerciali e industriali, come il settore petrolchimico, biomedico, nell’industria alimentare, elettrochimica e in applicazioni navali. Nonostante l’incremento di utilizzo e produzione il titanio e le sue leghe, sono costosi se paragonati ad altri materiali a causa del complicato processo di estrazione, difficoltà di fusione, e problemi di lavorabilità. La lavorabilità del titanio e delle sue leghe è da considerasi bassa a causa di varie proprietà intrinseche dei materiali. Il titanio ha un’alta reattività chimica, quindi, ha una tendenza a saldarsi all’utensile durante la lavorazione, portando alla scheggiatura e alla prematura rottura dell’utensile stesso. La sua bassa conducibilità termica aumenta la temperatura di interfaccia utensile/pezzo, influenzando negativamente la vita dell’utensile. Inoltre la sua alta resistenza alle alte temperature e il suo basso modulo di elasticità ostacola ulteriormente la lavorabilità [2]. Il Ti6Al4V viene classificato come una lega α − β: questo gruppo di leghe contengono un’aggiunta di fasi α e β stabilizzate e possiedono microstrutture consistenti in una miscela di fasi α e

β. Possono essere trattati termicamente ad elevati livelli di resistenza e quindi sono usati

principalmente per applicazioni che richiedono elevata resistenza alle alte temperature

(tra i 350 e 400◦_{C). Le proprietà meccanica del Ti6Al4V sono riportate in tab.2.1, mentre}

la composizione chimica in tab.2.2. Il successo nella lavorazione delle leghe di titanio dipende dal superamento dei problemi principali associati con le proprietà intrinseche di

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CAPITOLO 2. ANALISI CICLO ATTUALE Densità 4,43 g/cm3 Durezza Brinell 334 HB Durezza Rockwell 36 HR Sy 880 MPa Rm 950 MPa E 110 GPa Allungamento a rottura 14 %

Conducibilità termica 0,020 cal/(gr ·◦_C₎

Tabella 2.1: Proprietà meccaniche Ti6Al4V di interesse per le lavorazioni meccaniche

componenti Al Fe O V Ti

% 6 0, 25 0, 2 4 90

Tabella 2.2: Composizione chimica Ti6Al4V

questi materiali, come discusso di seguito 1. Alta temperatura di taglio

E’ ben noto che si ottengono alte temperature di taglio nella lavorazione del titanio e il fatto che le alte temperature agiscano vicino alla punta dell’utensile rappresenta la ragione principale per la rapida usura dello stesso. Come illustrato in fig.2.2, la maggior parte (circa 80%) del calore generato nella lavorazione della lega di titanio Ti6Al4V è assorbito dall’utensile a causa del fatto che non può essere rimosso con il truciolo che scorre veloce, o peggio dentro il pezzo a causa della bassa conducibilità termica delle leghe di titanio, che è circa 1/6 rispetto all’acciaio [8]. Ricerche sulla distribuzione della temperatura di taglio hanno mostrato che i gradienti termici sono molto più ripidi, e che la zona termicamente alterata è molto più piccola e più vicina alla punta di taglio, nella lavorazione delle leghe di titanio a causa della produzione di trucioli più fini e la presenza di una zona di flusso molto sottile tra il truciolo e l’utensile (approssimativamente 8 µm paragonati con i 50 µm nelle lavorazioni del ferro a parità di condizioni di taglio) causando alti picchi di temperatura sopra circa

i 1100◦_{C [7].}

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Figura 2.2: Confronto della distribuzioni di carico termico nella lavorazione del titanio e di un acciaio

Le forze di taglio registrate nella lavorazione delle leghe di titanio sono della stessa entità di quelle ottenute nelle lavorazioni dell’acciaio, così che il consumo energetico durante la lavorazione è circa lo stesso o più basso tab.2.3 [3]. Konig [8]ha riportato

Figura 2.3: Potenza unitaria media richieste in tornitura, foratura e fresatura cavalli per pollici cubici/minuti [3]

carichi più alti sull’utensile nella lavorazioni del Ti6Al4V rispetto alle alle leghe di titanio nickel e 3/4 rispetto alle lavorazioni di un acciaio. Questo può essere attribuito in parte alla piccola area di contatto truciolo-utensile sulla spoglia e in parte alla alta resistenza delle leghe di titanio di deformarsi alle temperature elevate.

3. Vibrazioni

Le vibrazioni sono un altro grande problema da superare nella lavorazione di leghe di titanio, soprattutto per le operazioni di finitura; il basso modulo di rigidezza delle

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leghe di titanio è la causa principale delle vibrazioni durante le lavorazioni. Quando è soggetto alle forze di taglio, il titanio tende a deformrsi quasi il doppio di un acciaio speciale, il il più grande ritorno elastico della punta di taglio genera una prematura usura del fianco, vibrazioni e alte temperature di taglio [9]. Si può presentare un effetto-rimbalzo quando la punta inizia a tagliare. La comparsa di vibrazioni può essere in parte attribuita alla alta dinamica delle forze di taglio nella lavorazione del titanio. Questa può risultare sopra il 30% del valore delle forze statiche [8] a causa del processo di formazione del truciolo di titanio adiabatico o catastrofico, costituito da deformazioni di taglio termoplastiche [10].

2.4 Ciclo di produzione attuale

Il lotto analizzato è di 10 pezzi, tuttavia questo numero apparentemente basso, per un’azienda che ha una produzione prototipale non è trascurabile, soprattutto se si considera anche la sua ripetibilità e il fatto che è possibile distinguere una famiglia di pezzi simili come osservabile in fig.2.4. Tutto ciò giustifica economicamente l’utilizzo di un forgiato

Figura 2.4: Alcuni esempi appartenenti alla famiglia Gimball

come greggio di lavorazione; il greggio è rappresentato in fig.2.5. Una volta scelto la tipologia di greggio si passa alla presentazione nel particolare delle fasi di lavorazione vere e proprie. Nel proseguio dell’analisi per numerare la varie fasi di lavoro si adotta il metodo aziendale, invece che eseguire una numerazione di decade in decade.

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2.5 Foglio di ciclo e Foglio di fase

Di seguito sono riportati i fogli di ciclo e fase riassuntivi, le singole operazione vengono poi analizzate più approfonditamente nei vari sotto-paragrafi.

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CICLO

DI

LAVORAZIONE:

GIMBALL

DATA FOGLIO

CICLO

DI

LAVORAZIONE:

GIMBALL

'

DATA FOGLIO

UNIVERSITA'

DI

PISA

DICI

il

UNIVERSITA

DI

PISA

DICI

1 DI 1

MATERIALE:

Ti6Al4V

1 DI 1

MATERIALE:

Ti6Al4V

A E t A RA NE ent I O I O NA UR ON ce DI TO DI GIO IN ATU ZIO h) . (c CI D ENT CI D GG E E DESCRIZIONE HI ZAT RAZ t h AT. ) FIC ME FIC AG TE

DESIGNAZIONE

SUPERFICI

SE DESCRIZIONE CCH ZZA ORA ent ZA h) RF IM RF CA OT

DESIGNAZIONE

SUPERFICI

AS AC REZ VO ce AZZ h PER ERI PER OCC NO FA MA TRE AV (c PIAZ UP FE UP LO N M TT LA PI SU RIF SU BL AT T. T. S R S B A T T Prelievo forgiato SO 001 10 Prelievo forgiato SO 001 ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 10 S Serializzazione O ISS Serializzazione LLO ZEI forgiati applicando OLL ' Z forgiati, applicando RO A' ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ operazione CR 20 S/N con targhette TR ITA ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ operazione CR 20 S/N con targhette ONT ALIT rimovibili CON UA rimovibili CO QU Q Controllo serializ e Controllo serializ e CTL ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ operazione CR 21 abb S/N CTL ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ operazione CR 21 abb S/N TORNITURA E TORNITURA ALE autocentrante testatura e O NA autocentrante testatura e CILINDRATURA 8 NIO ON con griffe cilindratura esterna CILINDRATURA 8 RN ZIO con griffe 65 200 SR2,SR3 30 SB2,SB3 cilindratura esterna CILINDRATURA 4 OR DIZ tornite+ tappo 65 200 SR2,SR3 30 SB2,SB3 per attrezzaggio fase CILINDRATURA 4 TO ADI tornite+ tappo per attrezzaggio fase SFACCIATURA 1 T RA e contropunta 45 SFACCIATURA 1 TR e contropunta 45 T TORNITURATORNITURA TRONCATURA 3 tt t TRONCATURA 3 autocentrante Si tà TRONCATURA 3 SFACCIATURA 3 TORNIO autocentrante iff Si esegue metà 45 SFACCIATURA 3 TORNIO con griffe 165 200 SR1 SR8 SB8 SB4 Si esegue metà bt dl f 45 SFACCIATURA 3 BARENATURA 2 TORNIO CN con griffe ti t +l tt 165 200 SR1,SR8 SB8,SB4 barenatura del foro BARENATURA 2 CN tornite+lunett 165 200 SR1,SR8 SB8,SB4 barenatura del foro interno BARENATURA 12 a fissa interno BARENATURA 12 a fissa Cl l i l dl S Controllo in sala del Q SS i CR 46 Controllo in sala del 1° CQ EIS ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ operazione CR 46 1°pz C ZE operazione CR 46 1p z Z

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TORNITURATORNITURA SFACCIATURA 1 SFACCIATURA 1 TORNIO autocentrante SFACCIATURA 1 BARENATURA 2 100 200 SR3 SR2 SB2 SB4 operazione CR 48 TORNIO autocentrante BARENATURA 2 100 200 SR3,SR2 SB2,SB4 operazione CR 48 A CN +lunetta BARENATURA 2 ES SMUSSO 9 , , p A CN +lunetta ES.SMUSSO 9 S S USSO 9 BARENATURA 10 BARENATURA 10 Controllo in sala del Q SS Controllo in sala del CQ EISS ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ operazione CR 49 1°pz CQ ZEI ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ operazione CR 49 1p z Z bl hi V+ FORATURA AK blocchi a V+ 4 FORATURA NC ZA blocchi a V staffe di 40 300 R4 R6 24 B5 B8 B1 Vedi capitolo FASE 50 50 FRESATURA CN AZ staffe di 40 300 SR4 SR6 R2 SB5 SB8 SB1 Vedi capitolo FASE 50 50 FRESATURA C MA serraggio S S SR S S S p M serraggio gg Controllo in sala del Controllo in sala del CTL operazione cr 51 1°pz CTL operazione cr 51 1p z TORNITURATORNITURA CILINDRATURA 16 CILINDRATURA 16 SFACCIATURA 17 o operazione cr Le fasi SFACCIATURA 17 CILINDRATURA 8 zzo operazione cr. Le fasi CILINDRATURA 8 ez p _sono splittate pechè CILINDRATURA 8 SFACCIATURA 21 0 0 pe sono splittate pechè SFACCIATURA 21 a 00 00 il po p p il pezzo subisce un SFACCIATURA 21 ES RACCORDI 23 a 10 20 no ppo il pezzo subisce un ES.RACCORDI 23 1 2 ano ap p controllo intermedio ES.RACCORDI 23 SFACCIATURA 19 ca ta controllo intermedio SFACCIATURA 19 N occ e bordo macchina SC C U 9 CILINDRATURA 22 CN blo ta bordo macchina CILINDRATURA 22 A C e b nt SFACCIATURA 24 3 SA he pun SFACCIATURA 24 R3 RES ch op CILINDRATURA 4 52 SR SB2 SB3 FRE e c tro CILINDRATURA 4 52 2, SB2,SB3 O‐F ffe ntr FRESATURA R2 , IO‐ grif con FRESATURA SR NIO n g +co FRESATURA RN on o+ FRESATURA 22 TOR co rno FRESATURA 22 TO e c er FRESATURA 35 nte nte FRESATURA 35 an 'in FRESATURA 34 tra all' FRESATURA 34 operazione cr b 30 00 ent da FORATURA 37 operazione cr b 430 200 ce d FORATURA 37 p 4 2 toc FORATURA uto FORATURA 36 38 45 au 36,38,..,45 a 36,38,..,45 MASCHIATURAMASCHIATURA MASCHIATURA 36 38 40 36,38,40 36,38,40

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52 b ALESATURA 45 43 52 b ALESATURA 45,43 , Controllo in sala del Q SS Controllo in sala del CQ EISS ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 53 1°pz C ZEI ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 53 1p z Z Controllo visivo Controllo visivo. 54 Allegare 54 Allegare di f La superficie 25 viene TAGLIO WATER JET FUORI La superficie 25 viene d il 55 TAGLIO WATER ‐JET FUORI DITTA ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ottenuta dopo il 55 TAGLIO WATER JET DITTA ottenuta dopo il li j 55 DITTA taglio water ‐jet taglio water jet a FRESATURA na n FRESATURA pin in SGROSS sp o i SGROSS. + s sco e + dis SBAVATURA 25 ffe e d SBAVATURA 25 taf i e SBAVATURA 25 FRESATURA 3 +st nti FRESATURA 3 U o+s an FRESATURA 25 PU gio nta e FRESATURA 25 HP gg on one 5 4 FRESATURA 5 0 H rag mo zio 45 B4 FRESATURA 5 000 ntr n m azi R 4 OPERAZIONE CR. Per SB FRESATURA 6 100 en on bra SR OPERAZIONE CR. Per l 2, FRESATURA 6 FRESATURA 13 60 N 1 ce co vib 2,S visualizzare 12 141 350 FRESATURA 13 60 ON il c ri c tiv SR2 visualizzare il SB1 141 350 FRESATURA 14 60 RO er i lar nti ,SR attrezzatura speciale , S 141 350 FRESATURA 14 KR pe oll an 17, attrezzatura speciale di FASE 60 21, FORATURA 30 31 MIK e p co on a R 1 vedi FASE 60 21 FORATURA 30,31 M ale zo c lon SR vedi FASE 60 SB FORATURA 32,33 C cia zzo efl S S FORATURA 32,33 FRESATURA 30 CNC ec iliz te FRESATURA 30 C spe uti FRESATURA 30 FRESATURA 31 a s ; u FRESATURA 31 ra re; FRESATURA 28 tur are FRESATURA 28 zat asa FRESATURA 29 zza fa FRESATURA 29 SMUSSATURA 51 58 rez er f SMUSSATURA 51,..,58 ttre pe SMUSSATURA 51,..,58 Att p A AGGIUSTAGGIO ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 85 AGGIUSTAGGIO ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ Rimozione spigoli vivi 85 Rimozione spigoli vivi Protezione superfici: FUORI Protezione superfici: PALLINATURA FUORI ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 3 7563 03 11 31 42 90 PALLINATURA DITTA ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 37,5,6,30,31,13,14,2 90 DITTA 82 96 8,29,6

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FRESATURAFRESATURAFRESATURA SFACCIATURA 1 FINITURA SFACCIATURA 1 FINITURA SFACCIATURA 1 FINITURA FRESATURA 16 SGROSSATURA ‐ FRESATURA 16 SGROSSATURA ti‐ FRESATURA 16 SGROSSATURA FRESATURA 17 SGROSSATURA ant FRESATURA 17 SGROSSATURA o a SG OSS U FRESATURA 56 zo FRESATURA 5,6 ezz , FRESATURA 13 14 PASSATE DI rez FRESATURA 13,14 PASSATE DI ttr , FRESATURA 26 29 SGROSSATURA +at FRESATURA 26..29 SGROSSATURA ni+ e FRESATURA 32 33 in le FRESATURA 32,33 ali gol ALLARGATURA nta ug ALLARGATURA un bru 30 33 +pu +b 30..33 e+ e+ SMUSSATURA ffe one SMUSSATURA A taf zio SVASATURA 47 50 TCA +sta azi SVASATURA 47..50 0 T e+s zza 0 SMUSSATURA 15 50 ale liz 40 SMUSSATURA 15 35 cia val 3 B4 BARENATURA EST. XI 3 ec ov R43 ,SB BARENATURA EST. FINITURA DIX spe o SR4 8,S 16 FINITURA DI a sp 5,S B38 16 FRESATURA 17 100 CE ra 00 00 45 SB FRESATURA 17 FINITURA 100 ICE tur 30 40 R4 6, S FRESATURA 17 FINITURA FRESATURA 56 FINITURA TRI at 3 4 ,SR 36, FRESATURA 5,6 FINITURA AT zza 21, B3 FRESATURA 5,6 FINITURA FRESATURA 13 14 FINITURA SA rez R2 ,SB FRESATURA 13,14 FINITURA LES ttre SR 4,S FRESATURA 13,14 FINITURA FRESATURA 26 29 FINITURA AL Att S SB4 FRESATURA 26..29 FINITURA C A A S FR SATURA 6.. 9 FINITURA NC CN BARENATURA 30 33 C BARENATURA 30..33 per permettere n i per permettere con tti l'allargatura dei fori ALESATURA 30..33 ; c het lallargatura dei fori ALESATURA 30..33 le; ch con la rimozione ole occ con la rimozione ugo blo ati della filettatura; sup ru b mat della filettatura; sup br di om 36,38,40 non più di io o d go 36,38,40 non più di ggio gio sag bloccaggio ma ALLARGATURA agg agg sa bloccaggio ma ALLARGATURA nta tag bloccaggio ottenuto ALLARGATURA 36 38 45 ont ont bloccaggio ottenuto f 36,38,..45 mo mon tramite fori su ,, Sm m tramite fori su S attrezzo attrezzo

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DATA FOGLIO Stato: Forgiato Dimensioni: φ 1

UNIVERSITA'

DEGLI

STUDI

DI

PISA

FASI

DI

LAVORAZIONE

ELEMENTO:

GIMBALL

Caratteristiche: Rm

MATERIALE:

Ti6Al4V

Stato: Forgiato 574 x φ 218 ‐ 1 di 1 DI LAVORAZIONE UTENSILI ATTREZ. CONTROL. p (mm) n° pass a (mm/giro) Caratteristiche: Rm

MATERIALE:

Ti6Al4V

OPERAZIONI i 1 Sfacciatura 1 di pulitura 1 2 0,5 2 Pulitura superficie 8 a φ 175 0,2 1 0,5 autocentrante lunghi e avvitati r contropunta paratore Inserto:CNMG-19-06-16- SM Porta- i t DCLNR/L 35060 3 Pulitura superficie 4 a φ 135, per inserimento lunetta nella Fase 45 0,2 1 0,5 Aff d il lφ 170 Piattaforma a con morsetti l a tappo per Comp inserto:DCLNR/L-35060- 19 Sandvik-Coromant 1 Afferrando il pezzo sul φ 170 esterno con morsetti dolci e lunetta si esegue troncatura sup. 3 fino a 542 N151.2 ‐400 ‐5E ‐1145 4 1 0,5 2 Pulitura di sup.4 per appoggio lunetta in Fase 48 CNMG 12 04 08 E ‐4E ‐ SP080019 2,6 1 0,3 nte con griffe di bloccaggio o a corsoio lunetta in Fase 48 SP080019 3 Sgrossatura con bareno di superficie 2 per 260 2 2 0,3 4 Finitura con bareno di 2 a φ 117 per 150 2,3 2 0,3 ma autocentra n utilizzo lunetta d aratore e calibro DNMG 15 06 08 ‐ QM ‐ H13A 5 Sgrossatura con bareno di gola 12 1,8 3 0,3 6 Semi ‐fin con bareno gola 12 1,6 1 0,2 7 Finitura con bareno gola 12 0,5 1 0,2 Piattaform tornite, u Compa MB ‐5FH20K20

(24)

8 Copiatura di sup.2 e 12 TNMG 16 04 08 ‐23 ‐H10F 0,1 1 0,2 1 Afferrando il pezzo sul φ 125 interno con morsetti dolci e utilizzando lunetta troncare su p .1 N151.2 ‐400 ‐5E ‐1145 4 1 0,08 /0,0 5 te con etta di ttronico utilizzando lunetta troncare sup .1 a 514 5 5 2 Sfacciare sup.1 CNMG 12 04 08 E ‐4E ‐ SP080019 0,5 1 0,3 3 Barenatura di sgrosso e finitura a φ 117 per 254,5 sup.2 DNMG 15 06 08 ‐ QM ‐H13 A 2 2 0,3 ma autocentrant te e utilizzo lun e bloccaggio re e calibro elet t φ p , p 4 Eseguire gola con smussi tornendo sup.9,10 e 11 1 1 0,3 5 Copiatura sup.9,10,11 e 2 0,2 1 0,7/ 0,2 °2 e o Piattaform griffe torni t b Comparator TNMG 16 04 08 ‐ MSKC5525 1 Posizionando il pezzo su blocchi a V come da schizzo di lavorazione e utilzzando battuta di riferimento su sup.3 e staffa di bloccaggio eseguire centratura per fori A e B P.a.c ‐φ 12_140° ‐fp99 8 1 50** ile utilizzando n ° e di riferimento e ggio alibro a corsoio 2 Foratura A e B a φ 15 per 30 Punta φ 15 55 1 7 0 3 Eseguire fresatura C per battuta angolare da tili are in Fase 52 A Fresa cil. φ 10 2,3 3 200 ezzo componibi l cchi a V e staffe bloccag omparatore e ca 3 ango lare d a uti lizzare in Fase 52 A Fresa cil. φ 10 2,3 3 200 1 Afferreando il pezzo dal diametro interno φ 125 eseguire cilindratura esterna 8 0,7 1 0,3 Attre bloc Co calibro a o con griffe 3 morsetti legare ppo della nta di sgrossatura 2 Cilindratura esterna 16 a φ 129,2 per 8 mm 3 7 0,3 3 Cilindratura esterna 4 a φ 205 30 31 0 ,3 Comparatore e corsoio DNMG 15 06 08 ‐ QM ‐ H13A Autocentrante c olci, utilizzo di 3 lunghi da coll tramite viti a tap contropun 3 per 30 mm 3 1 0,3 C A do tr

(25)

4 Cilindratura 4 esecuzione primo raccordo da sx 3 2 0,3 5 Cilindratura 4 esecuzione tramite interpolazione lineare di superficie conica dopo il 1 ° 0,4 8 0,3 ramite viti a di superficie conica dopo il 1 raccordo da sx 6 Cilindratura 4 esecuzione 2° raccordo da sx 1,5 6 0,3 7 Cilindratura esterna di sgrossatura 4 a φ 122 per 355 15 6 03 i da collegare tr o DNMG 15 06 08 ‐ QM ‐ H13A 7 sgrossatura 4 a φ 122 per 355 mm 1,5 6 0 ,3 8 Cilindratura esterna di sgrossatura sup.19 a φ 158,4 p er 20 mm 1,7 3 0,3 morsetti lungh i contropunta calibro a corsoio per 20 mm 9 Sfacciatura sup 19 e 21 1°sgrossatura 8* 3 0,12 10 Sfacciatura sup 19 e 21 2°sgrossatura 6* 3 0,12 olci, utilizzo di 3 tappo della c Comparatore e c N151.2 ‐400 ‐5E ‐1145 11 Sfacciatura sup 19 e 21 3°sgrossatura 3,5* 2 0,12 12 Esecuzione raccordo sgrossatura sup.23 1 1 0,12 nte con griffe do Co UT. X GOLE R2 sferico 13 Finitura raccordo su sup.23 0,1 1 0,1 14 15 0,1 1 Autocentrant 0,2 Copiatura finale di tutte le superfici lavorate nella fase 52 A Y2858 TNMG 16 04 08 ‐23 ‐H10F 15 A

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1 Afferendo con autocentrante con griffe dolci su φ 125 (interno) con utilizzo di contropunta, si esegue la

Fresa

φ

20

1,8 1 1000** i agisce la p, g sgrossatura piana della sup.22 2 Fresatura di sgrosso sup.35. La fresa lavora in verticale creando delle tasche 16 1000** e al tappo su cui simmetriche sul pezzo 1 3 Fresatura di sgrosso sup.34, utensile in verticale più rotazione mandrino 26 1000** Fresatura semi ‐fin 35 Utensile nghi da avvitare corsoio Fresa φ 16 ‐r2. 4 Fresatura semi ‐fin 35 . Utensile inclinato con interpolazione circonferenziale 1,5 11 120** 5 Fresatura finitura piano 22 0,2 1 60** Smussatura con utensile 5 ndo morsetti lu n contropunta tore e calibro a Fresa φ 20 6 Smussa tura con u tens ile inclinato in interpolazione di sup.18 e 20 Fresa φ 12 ‐r2 0,5/1,5 1 200** 7 Fresatura 35 in finitura 0,4 2 60** ** tornite, utilizza n Comparat Fresa sferica φ 16 8 Fresatura 34 finitura 0,5 2 60** 9 Fresatura raccordi sup.34 Fresa sferica φ 8 ‐‐ 40** 10 Centratura fori Pac ‐φ 12 140 °‐ fp99 5 1 0** ante con griffe to φ 10 36,37,38,39,45,40,44,41,42,43 P .a .c ‐φ 12 _140 ‐fp99 5 1 50 11 Foratura 37 punta ‐D8.5 ‐fp50 20 1 70** 12 Maschiatura 37 Punta a maschiare 3/8 ‐ fp24 ‐unjf 13 1 50** Autocentra fp24 ‐unjf 5

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13 Svasatura 37 Utensile speciale 1,6 1 50** 14 Foratura 39,45,41,42,43 punta ‐φ 5.3 ‐fp45 0** con griffe do morsetti al tappo su ntropunta calibro a o 1 15 Foratura 38,40,44,36 punta ‐φ 6 ‐fp40 16 Maschiatura 39.41,43 maschio ‐M6 1 50** 17 Alesatura 45,42 per spine di alesatore φ 6 1 7** 70* Autocentrante c rnite, utilizzand o nghi da avvitare cui agisce la con t Comparatore e c corsoio 11 1 17 , p p centraggio nella Fase 100 al esa tore ‐φ 6 1 127 1 Centrando il pezzo in verticale sul φ 117 interno, viene staffato sulla flangia con l'utilizzo di un ll di tt i id l Fresa PICO φ 32 ‐‐ 200** A tor lung c C entraggio; flon per gia. co llare e di montanti per ridurre lo sbalzo. Si esegue la sbavatura 25. 2 2 Fresatura di sgrosso 3 Fresa PICO φ 32 0,7 3 800** Fresatura di s grosso su p, 5 ‐13 e riferimento e ce ari e disco in te f e staffe su flan g orsoio 3 Fresatura di sgrosso sup ,5 13 e 14 ‐6: moto utensile circolare intorno alle alette Fresa PICO φ 32 0,5 20 4 Fresatura 25 sgrossatura Fresa φ 20 ‐‐ Fresatura di finitura sup5 ‐ 13 14 6 25: alette portate a 2000** Basamento di r l diametro; coll a izzo di apposot e re e calibro a co 5 13 ,14 ‐6 ,25 : a le tt e por ta te a larghezza 37 mm. Pezzo sdraiato utensile che lavora in verticale con rotazione della tavola. Fresa FRAISA φ 20 ‐‐ 55** le componibile. pina per fasare il e vibrazioni. Util i Comparator 6 Centratura 30,33 P.A.C φ 10 a 140° 5 1 50** 7 Foratura 30,31,32,33 Punta φ 10 37 1 70** 8 Fresatura di sgrossatura 26 27 28 29 Fresa φ 12 r1 21 5 04** Attrezzo special e utilizzo una sp ridurre le 8 26,27,28,29 Fresa φ 12 r1 2 15 10 A

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9 Fresatura di sgrosso piano adiacente a 26,27,28,29 Fresa φ 12 r1 23 104** 1 Posizionando il pezzo su apposito attrezzo eseguire fresatura di sgrosso 1 0,5 1 240** ramite talini e fresatura di sgrosso 1 2 Fresatura di sgrosso sup.15 a φ 125 e sup.17 0,4/0,8 1 300** 3 Fresatura di sgrosso sup.13,14 1,8 4 300** Fresa φ 20 fette io centraggio tr a o utilizzo di pun t 3 4 Fresatura di sgrosso sup.5,6 1,8 4 300** 5 Fresatura di sgrosso sup.28,29,59 e sup.26,27,60 0,4 4 300** ento e bloccaggi ridurre lo sbalz o zazione aw 6 Allargatura fori 30,31,32,33 Fresa φ 12,5 0,75 1 8 0 7 Svasatura 47,49 Fresa φ 10 a 90° x smussi ‐ 1 200** 8 Svasatura 48,50, con fresa a ti Fresa φ 12 90°SPEC ‐ 1 00** piano di riferime e brugole; per r itivo antiovalizz atore e reny‐sha 8 tirare Fresa φ 12 90 SPEC 1 20 9 Smussatura 15 a 20° Fresa angolare 40° ‐ 1 600** 10 Fresatura finitura 17 fino a 8 mm Fresa φ 20 fette 0,1 1 300** costituito da: p i o assiale tramit e staffa; disposi Compara mm 3 11 Barenatura esterna di finiturasup16 a φ 124,96 per 7 mm Bareno rovescio. φ 124.96 0,4 1 10** 12 Allargatura foro spina sup.46 a φ 82 Fresa φ 8,2 4,5 1 80** trezzo speciale c pine e bloccaggio φ 8 ,2 8 13 Fresatura 14,15 di finitura 0,2 1 100** 14 Fresatura 5,6 di finitura portare largh a 35,6 mm 0,2 1 100** Fresa φ 20 fette x finitura Utilizzo di at t l'utilizzo di sp i

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15 Allargatura tasche alette a 22 mm sup.26,26,60 e 28,29,59 Fresa φ 20 fette x finitura 0,2 1 100** 16 Semi finitura fori con bareno a φ 12 9 di sup 30 31 32 33 Bareno per int. φ 12,9 0,2 1 5 0 φ 12 ,9 di sup .30 ,31 ,32 ,33 17 Alesatura a φ 13,01 ‐13,03 di sup.30,31,32,33 Alesatore φ 13 H7 0,05 1 25** 18 Foratura Punta φ 88 ‐ 1 0** 18 36,38,39,40,44,41,42,43 a φ 8.8 Punta φ 8 ,8 ‐ 1 60

(30)

Figura 2.5: Ingombri del greggio di lavorazione

2.6 Analisi dei problemi

Nei seguenti sotto-paragrafi vengono analizzate nello specifico le varie fasi di lavoro, macchinari, attrezzature ed eventuali problemi tecnologici e temporali.

2.6.1 Fase 30

Questa fase di tornitura consiste in una lavorazione di preparazione del pezzo e non risulta essere particolarmente critica ai fini del ciclo di produzione. Di seguito sono riportate le principali informazioni e disegni di descrizione (fig.2.6).

Figura 2.6: Schema di attrezzaggio e descrizione delle operazioni

2.6.2 Fase 45

La fase 45 è sicuramente più critica della fase 30; l’operazione più importante è la barenatura di metà superficie interna, per la quale viene realizzata sia una sgrossatura che una finitura (fig.2.7). Da un punto di vista tecnologico per realizzare la barenatura interna è necessario

(31)

Figura 2.7: Schema di attrezzaggio e superfici da lavorare

utilizzare una lunetta che riduca lo sbalzo dell’utensile; tuttavia la lunetta viene posizionata ad una distanza di circa 180 mm rispetto l’estremità libera, causa di possibili vibrazioni soprattutto nella troncatura e nella sfacciatura. Si ricordi infatti che lo spostamento del punto di estremità dipende dal cubo della distanza del punto di applicazione della forza di taglio, per cui anche ridurre di poco lo sbalzo permette di aumentare di qualche punto percentuale la velocità di taglio, incrementando così la produttività, dato che l’avanzamento è vincolato dalla rugosità richiesta di 1,6 Ra.

2.6.3 Fase 48

La fase consiste nella realizzazione della restante superficie cilindrica interna e in una

Figura 2.8: Schema di attrezzaggio e superfici da lavorare

(32)

precedente, dato che non richiede l’utilizzo di un inserto sferico. Nella tab.A.3 l’operazione esecuzione gola comprende la realizzazione dei raccordi quindi la profondità di passata indicata è un valore medio. Da un punto di vista tecnologico questa fase è analoga alla 45, in quanto è una lavorazione speculare; per cui si possono trovare dei vantaggi simili al caso precedente riuscendo a ridurre lo sbalzo che si crea con la lunetta.

2.6.4 Fase 50

La fase 50 è una fase non critica in quanto con essa verranno create superfici funzionali al solo piazzamento nella fase 52 (2.6.5) e per il taglio water-jet della fase 55 (2.6.6): vengono creati due fori di riferimento per la piazzatura nella lavorazione water-jet e una scanalatura che fa da battuta angolare per la fase 52-B sul tornio-fresa (necessaria in quanto si lavora il titanio). I problemi principali legati a questa operazione risiedono nei lunghi tempi passivi

(33)

dovuti all’utilizzo di un’attrezzatura non standard: se i blocchetti a V non sono allineati correttamente si rende difficoltoso l’inserimento della battuta assiale; il serraggio è fatta manualmente, tramite grani e staffe. Per aumentare la produttività occorre velocizzare il centraggio del Gimball e il bloccaggio assiale, ad esempio cercando di standardizzare l’attrezzatura e di non utilizzarne una componibile, che implica un aumento del tempo di set-up a causa delle regolazioni.

2.6.5 Fase 52

La fase viene divisia in 52-A e 52-B, che non rappresentano delle sotto-fasi 1_{, infatti}

utilizzano la stessa stazione e posizionamento, ma si vuol distinguere le operazioni di tornitura (A) dalle altre (B).

2.6.5.1 Fase 52 A

In questa sotto-fase viene portata a misura la superficie cilindrica esterna del Gimball, con le rispettive cave come si può osservare dalla tab.A.5 e dalla fig.2.10. Nell’operazione

Figura 2.10: Schema della lavorazioni della FASE 52 A

esecuzione gola 19,21 le passate vanno intese come perpendicolari all’asse Z: l’utensile si sposta lungo Z ed entra parallelo a Y un numero di volte pari al N°pass (vedi fig.2.11).

1_{Con sottofase ..si intende l’insieme ordinato di operazioni realizzate presso un medesimo posto di lavoro}

(34)

Figura 2.11: Esecuzione gola 4,7

2.6.5.2 Fase 52 B

In questa sotto-fase si realizzano le contornature della flangia ad un estremità del Gimball e della superficie ad essa adiacente, che di qui in avanti chiameremo per semplicità camma. Come si può vedere dalla fig.A.6 le operazioni sono state definite in maniera generica in modo da richiamare l’utensile da utilizzare; è bene perciò chiarire meglio in cosa consistono per evidenziare anche eventuali problemi o miglioramenti da apportare. Si inseriscono delle immagini aggiuntive per le operazioni: fresatura 35 (fig.2.13); fresatura 34 (fig.2.14); fresatura raccordi(fig.2.15). Bisogna considerare che lavorando con un posizionamento di questo tipo (fig.2.12) non si possono utilizzare utensili con asse parallelo a Z in quanto

Figura 2.12: Schema della lavorazioni della FASE 52 B

(35)

parallelo a Y (o piccole inclinazioni intorno all’asse X) con rotazione del pezzo lungo Z. Le operazioni di finitura delle superfici realizzate con fresa sferica φ 8 e φ 16, che eseguono rispettivamente la fresatura dei raccordi e la finitura di flangia e camma sono operazioni molto lente, e comportano l’impiego contemporaneo dei 4 assi.

(a) Fresatura 35 (Sgrossatura) (b) Fresatura 35

(Semi-Finitura)

(c) Fresatura 35 (Finitura)

Figura 2.13: Fresatura 35 su camma

Figura 2.14: Fresatura 34 su flangia

2.6.6 Fase 55

In questa fase di lavoro viene eseguita un’operazione di sgrossatura mediante taglio water-jet. Questa operazione genera una superficie finale scabra, che necessita una fase intermedia di aggiustaggio, nella quale viene rilavorata la superficie. Questa lavorazione non apparteneva ai primi cicli realizzati, in quanto si effettuava una fresatura di sgrossatura, che se da lato garantiva una migliore finitura superficiale, dall’altro provocava l’usura eccessiva delle frese (nella pratica veniva utilizzata una fresa a pezzo) quindi è risultato economicamente vantaggioso esternalizzare la lavorazione (costo di ? ? ? euro). Tuttavia potrebbe essere

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Figura 2.15: Fresatura raccordi

interessate sviluppare un confronto su base economica di una sgrossatura applicando una programmazione di CN di tipo trocoidale o l’impiego di frese ad alti avanzamenti.

Figura 2.16: Materiale lavorato dal taglio water-jet

2.6.7 Fase 60

In questa fase, in fig.2.17, viene sgrossata la forcella ad un’estremità del pezzo. La macchina non cui viene lavorato è un centro di lavoro a 5 assi, in cui l’utensile possiede tre gradi di libertà traslazionali mentre la tavola porta-pezzo ne possiede due rotazionali. Uno dei principali problemi di questa fase risiede nel fatto di dovere fresare superfici all’estremità di un pezzo snello con spessori sottili: questo genera vibrazioni che possono essere avvertite a bordo macchina dal rumore causato dall’utensile in lavorazione. Il pezzo viene staffato in verticale mediante dei tiranti con 4 staffe sulla superficie piana della flangia, e centrato su apposito diametro, mentre la fasatura viene garantita mediante una spina impegnata in un foro realizzato nella FASE 52 B sulla flangia. Naturalmente questo tipo di posizionamento non risulta essere abbastanza rigido per cui viene utilizzato un collare costituito da due semi-parti che abbracciano il pezzo ad opportuna altezza raggiunta mediante dei montanti fig.2.18. I semi-collari sono di materiale polimerico, per non marcare la superficie cilindrica

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Figura 2.17: Superfici lavorate durante la FASE 60

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del pezzo che è già stata finita nelle fasi precedenti. L’utilizzo dei collari non è sufficiente però a portare le vibrazioni sotto un livello accettabile, per questo si utilizza un disco di teflon a contatto con la cava interna del Gimball, posizionato mediante un tirante fig.2.17. Inoltre a causa di problemi di fine-corsa in senso verticale, il pezzo deve affondare parzialmente nell’attrezzo per diminuire l’ingombro.

2.6.8 Fase 100

Questa fase, fig.2.19, è molto critica in quanto si realizzano superfici tollerate. Le tolleranze più problematiche da ottenere sono quelle di posizione dei fori della forcella rispetto al piano della flangia e quelle di parallelismo tra i piani della forcella (che tuttavia sono meno critiche). Per eseguire un corretto posizionamento si deve realizzare una regolazione ottimale dei vari sistemi di attrezzaggio, che si basano molto sull’esperienza dell’operatore. Infatti uno dei problemi principali riguarda la regolazione delle viti di appoggio: un serraggio eccessivo permetterebbe di realizzare superfici più precise, ma quando il pezzo viene smontato e le forze di serraggio si scaricano, il pezzo tende a variare la sua posizione. Altrettanto se si serra con una forza ridotta, il pezzo tende a inflettersi eccessivamente in lavorazione. Di seguito viene inserita una tabella (A.8) con le varie operazioni, le superfici da lavorare sono rappresentate in fig.2.19. Le operazioni di fresatura per finire le superficie nella tabella sono indicate una sola volta, tuttavia si possono ripetere più passate a vuoto. In queste passate in teoria non si dovrebbe realizzare truciolo, ma in realtà viene asportato, perché il pezzo si inflette leggermente rispetto al posizionamento teorico. Siccome esistono delle tolleranza strette l’operatore si trova nella condizione di fermare il programma dopo le varie passate a vuoto e controllare con il micrometro il pezzo, per verificare le quote tollerate. Quindi i tempi di lavorazione sono incrementati da questi controlli intermedi.

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Capitolo 3

Analisi dei tempi

L’ottimizzazione di un ciclo di produzione, dal punto di vista economico, dipende dalla valutazione dei tempi di produzione. Per comprendere meglio la sorgente di possibili cause di perdita, si classificano i tempi in due categorie:

• TEMPO DI SET-UP: questo tempo comprende il tempo di set-up propriamente detto e il tempo di montaggio/smontaggio dei componenti da lavorare; viene misurato sul lotto, per non associare il tempo di preparazione della macchina solo sul primo pezzo.

• TEMPO DI LAVORAZIONE: è il tempo con cui viene eseguito il part-program; in caso si avessero fasi senza CN, sarebbe il tempo che intercorre tra il montaggio e lo smontaggio del pezzo (tempo truciolo + tempo cambio utensile + tempi passivi). Questi tempi differentemente dagli altri sono valutati sul singolo pezzo; vengono compresi in questa categoria anche i tempi di controllo tra le operazioni.

Una volta cronometrati i tempi per capire su che fase di lavoro intervenire, si fa ricorso ai diagrammi di Pareto. In particolare vengono prese in analisi le fasi di lavorazione meccanica; sono escluse cioè le fasi che comprendono montaggio assemblati, controllo di qualità, trattamenti termici e altri tipi di trattamento (pallinatura, verniciatura, etc.). Vengono realizzati prima i diagrammi dei tempi di set-up, in seguito si presenteranno quelli dei tempi di lavoro, concludendo con i diagrammi associati ai tempi delle operazioni delle fasi più significative.

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CAPITOLO 3. ANALISI DEI TEMPI

3.1 Diagrammi di Pareto

L’analisi di Pareto è una tecnica statistica a supporto di ogni processo decisionale, in cui occorre individuare il sottoinsieme significativo di cause o di azioni che produce la percentuale più alta di effetti. Essa sfrutta il Principio di Pareto (noto anche come regola 80/20), che esprime l’idea che facendo il 20% del lavoro è possibile generare l’80% dei benefici del lavoro complessivo. Oppure, in termini di miglioramento della qualità, che la grande maggioranza dei problemi (80%) sono prodotti solo da alcune cause principali (20%). Tale principio è frutto di ricerche svolte in vasti contesti applicativi da parte dell’economista italiano Vilfredo Pareto. Ad esempio, in prima approssimazione è possibile rilevare che:

• l’ 80% dei reclami dei clienti di un’azienda provengono dal 20% dei clienti; • l’ 80% dei ritardi in un progetto derivano da un 20% di cause;

• il 20% dei prodotti e servizi rivolti al mercato genera l’80% dei profitti; • il 20% dei difetti di un sistema causa l’80% dei problemi all’utente finale. I passaggi più significativi dell’analisi di Pareto consistono nel:

1. costruire una tabella che associa a ciascuna causa la sua frequenza di accadimento in percentuale;

2. organizzare le righe della tabella in ordine decrescente di importanza percentuale; 3. aggiungere una colonna con le percentuali cumulate;

4. sviluppare un grafico lineare con le cause sull’asse x e le percentuali cumulate sull’asse y, interpolando i punti;

5. sviluppare sullo stesso template un grafico a barre con l’asse x associato alle cause e l’asse y alle corrispondenti percentuali;

6. individuare il punto di intersezione con la curva tracciata, di una linea parallela all’asse x e posizionata al valore cumulato pari all’80% sull’asse y. Il punto individuato separa sulla sinistra le cause più importanti da quelle sulla destra meno importanti.

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Figura 3.1: Diagramma di pareto dei tempi di set-up

3.2 Tempi di set-up

I primi ad essere analizzati sono i tempi di set-up delle varie FASI; in tab.B.1 sono elencati i vari valori. Il diagramma è presentato invece in fig.3.1. Dal grafico si può osservare che le FASI su cui intervenire sono: 50, 60, 100. Le FASI 30 e 45 rientrano tra le cause rilevanti del processo secondo l’analisi di Pareto ma sono fasi di tornitura su cui è difficile intervenire nel migliorare l’attrezzaggio in quanto è fortemente integrato sulla macchina. In alcuni casi si potrà sfruttare in maniera più efficiente la lunetta in modo da rendere il piazzamento più rigido e aumentare i parametri di taglio riducendo quindi i tempi di lavorazione (anche se non in modo molto significativo). Tuttavia come sopra accennato la piazzatura tende ad influenzare i tempi di lavorazione, in quanto generalmente un struttura più rigida permette di alzare i parametri di taglio. Per le FASI che impiegano centri di lavoro invece è possibile migliorare le attrezzature dedicate, sia in ottica di riduzione dei tempi per il ciclo del particolare di studio, sia in ottica di aumento della flessibilità che porterà ad una riduzione dei tempi globali della famiglia dei Gimball. Pare scontato, ma è giusto sottolineare, che se è possibile abbattere una fase è meglio partire da quelle più significative.

3.3 Tempi di lavorazione

In tab.B.2 e fig.3.2 sono riportati rispettivamente i tempi di lavorazione e il diagramma di Pareto. Le fasi da ottimizzare sono: 52 B, 100, 45, 60. Per realizzare una riduzione dei tempi le leve su cui agire sono la riprogettazione della metodologia da adottare, la scelta di utensili innovativi e il cambiamento dei parametri di taglio.

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Figura 3.2: Diagramma di pareto per i tempi di lavorazione 3.3.1 Tempi Fase 52 B

La FASE 52 B è la più lunga del ciclo di lavorazione; come è possibile osservare dalla fig.3.3 le operazioni che incidono maggiormente riguardano le lavorazioni di fresatura della flangia e della camma, soprattutto le finiture mediante le frese sferiche

Figura 3.3: Diagramma di Pareto Fase 52 B

3.3.2 Tempi Fase 100

I tempi più alti si hanno per le lavorazioni di finitura dovute alle passate a vuoto dell’utensile (fig.3.4), per la realizzazione della forcella. Per ridurre questi tempi, ha più senso modificare l’attrezzatura rispetto alla modifica degli utensili e dei parametri, dato che le vibrazioni sono causate principalmente dallo sbalzo del pezzo rispetto alle forze di taglio.

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Figura 3.4: Diagramma di Pareto Fase 100 3.3.3 Tempi Fase 45

In questa fase le operazioni che richiedono i tempi maggiori sono le barenature, fig.3.5, i cui tempi possono essere ridotti modificando la posizione della lunetta e aumentando i parametri di taglio; tuttavia probabilmente, la riduzione che ne consegue non sarà eccessiva.

Figura 3.5: Diagramma di Pareto Fase 45

3.3.4 Tempi Fase 60

Anche in questa fase i tempi più alti delle operazioni (fig.3.6) sono causati dalla limita-zione dei parametri di taglio, al fine di attenuare le vibrazioni. E’ possibile modificare

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l’attrezzatura esistente per poter incrementare quest’ultimi di qualche valore percentuale.

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Capitolo 4

Proposte di riduzione dei tempi di

lavorazione

Per la riduzione dei tempi di lavorazione le azioni correttive possibili da attuare sono: • Modifica dei parametri di taglio;

• Modifica del metodo di lavorazione; • Modifica degli utensili utilizzati;

• Abbattimento di una fase di lavorazione.

Dai risultati dell’analisi di Pareto nel presente capitolo vengono evidenziate le varie fasi da ottimizzare, apportando modifiche anche alle singole operazioni. Le fasi vengono analizzate secondo la sequenza proposta dai diagrammi di Pareto, agendo prima su quelle che hanno un tempo di lavorazione maggiore. Per inciso è bene precisare che la modifica dei parametri di taglio è un operazione molto delicata per questa famiglia di pezzi, a causa del metallo da lavorare (titanio) e degli spessori sottili. Alcune ricerche scientifiche [3] hanno mostrato che la velocità di taglio ha una considerevole influenza sulla vita dell’utensile. Quest’ultima può essere tracciata in funzione della velocità di taglio, ad avanzamenti e profondità di passata costanti, la fig.4.1 ne è un esempio. Si può osservare come la vita dell’utensile sia estremamente breve ad alte velocità di taglio, ma aumenta considerevolmente se questa viene diminuita. Un’altra importante variabile che influenza la durata dell’utensile è la velocità di avanzamento. Tuttavia la vita dell’utensile non varia sensibilmente con l’avanzamento, ma le leghe di titanio alluminio possono comunque risentirne (fig.4.1). Chandler [4] asserisce che per aumentare la produttività è più conveniente operare ad

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CAPITOLO 4. PROPOSTE DI RIDUZIONE DEI TEMPI DI LAVORAZIONE

Figura 4.1: Effetti della velocità di taglio e dell’avanzamento nella fresatura del Ti6Al4V [3]

alti avanzamenti rispetto che ad alte velocità di taglio, per i motivi sopra citati. Quando si lavora il titanio, l’effetto della profondità di passata va inoltre considerato. Come indicato in fig.4.2 [4], incrementando la profondità di passata da 0.75 mm a 3 mm la durata

Figura 4.2: Effetto della velocità di taglio e della profondità di passata sulla durata dell’utensile nella fresatura del Ti5Al2Sn

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4.1 Fase 52 B

Per la denominazione delle varie operazioni si prenda a riferimento la fig.C.1. Dai risultati dei diagrammi di Pareto si può notare che le operazioni più significative risultano la

fresatura 34, la fresatura 35 e le smussature. Per migliorare la fase si può cambiare la

metodologia di posizionamento (fig.4.3). Il pezzo invece che essere piazzato tra autocentrante

Figura 4.3: Confronto tra i due posizionamenti adottati

e contropunta per tutta la lavorazione sarà posizionato tra autocentrante e lunetta, in una prima fase e in seguito verrà inserita la contropunta per eseguire la cilindratura esterna finale della fase 52 B (tab.C.1). Questa operazione non prevede lo smontaggio del particolare ma solamente la disabilitazione della lunetta e l’abilitazione della contropunta (che avviene in modo automatico sul tornio-fresa a controllo). Come è possibile osservare dalla tab.C.1 verrà realizzata prima la contornatura della flangia per diminuirne l’ingombro radiale (fig.4.4). Uno dei vantaggi del nuovo posizionamento risiede nell’eliminazione dell’ingombro creato dalla contropunta, permettendo di lavorare con utensile avente l’asse del gambo

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Figura 4.4: Luce minima tra il gambo della fresa e Gimball

parallelo all’asse Z. Questo cambiamento oltre a semplificare la programmazione (l’utensile in fresatura eseguirà una interpolazione circolare in piano), accorcia di molto i tempi di lavorazione, senza dover incrementare velocità di taglio o avanzamento.

4.1.1 Fresa a disco a inserti

Per le operazioni di fresatura della superficie in fig.4.5, sia di finitura che di sgrossatura si

Figura 4.5: Superficie 34 da realizzare tramite fresa a disco

adotterà una fresa a disco ad inserti di diametro φ80 (PH HORN), avendo il raccordo un raggio di 40 mm. Scegliere una fresa di diametro inferiore provocherebbe una collisione tra il gambo dell’utensile e la flangia. L’utensile scelto con la rispettiva placchetta è riportato

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in fig.C.1,fig.C.2. Con questa fresa si riesce ad avere una luce minima di 2 mm (fig.4.4) che garantisce una lavorazione in sicurezza. Per ridurre le vibrazioni si è impostato un F.P (fuori pinza) in base agli ingombri del tappo e dei bulloni di 45 mm (il rapporto L/D ≤ 3) [5]. Si riporta il montaggio della fresa a disco sul gambo dell’utensile in fig.4.6. Il tempo

Figura 4.6: Montaggio fresa a disco HORN su gambo ed elenco di quote principali

della lavorazione è stato calcolato mediante un software CAM e risulta pari a

Ttruciolo= 45 min

Rispetto al ciclo attuale si ottiene in questo modo ∆T % = 47%

In tab.4.1 si può ricavare il costo totale dell’utensile (con N=8 che rappresenta il numero Costo ( e)

Corpo Fresa 667,42

Inserto 33,7

Tabella 4.1: Costo utensili scelti PH HORN

delle placchette da montare sul corpo fresa):

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Figura 4.7: Finitura superficiale superficie 35

Da questo si deduce che il costo dell’investimento è recuperabile entro due lotti. Il calcolo del costo di un’operazione sfrutta la seguente formula

∆Clotto = Ch· Tlav· Nlotto (4.1)

Dove Ch rappresenta il costo orario, non riportati esplicitamente per motivi di privacy.

Per concludere si consideri che si devono imporre incrementi di passata lungo Z, dato lo spessore ridotto della fresa, che generano dei solchi (fig.4.7) lungo la superficie da eliminare in una fase intermedia di aggiustaggio.

4.1.2 Fresa cilindrica per sgrossatura

In fig.C.3 è riportata la fresa da utilizzare per realizzare la sgrossatura del contorno della flangia (fig.4.8). L’utensile è una fresa cilindrica di φ20 (Fraisa), in quanto i raccordi hanno un raggio di 10 mm, il tempo di lavorazione risulta pari a

Tlav = 6 min

con un risparmio

∆T % = 76%

rispetto al posizionamento precedente, inoltre dato che la fresa è già presente a magazzino

non rappresenta un costo aggiuntivo1_{. Il risparmio di costo percentuale è analogo a quello}

temporale, non variando il costo macchina e il numero di pezzi del lotto.

1_{In realtà è vero soltanto per questa realtà aziendale, che lavorando su commessa tende ad associare i}

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Figura 4.8: Fresatura in contornatura della superficie 34 4.1.3 Fresa cilindrica per finitura

In fig.C.4 è riportata la fresa scelta per eseguire la contornatura di finitura della superficie 34; la fresa scelta è della Stellram (Kennametal), ed ha un costo di 294,50 e, i parametri di taglio sono riportati in tab.4.2. Il tempo della lavorazione risulta pari a

D (mm) vc (m/min) Z fz (mm/giro) n (giri/min) Va (mm/min)

20 50 6 0,03 800 140

Tabella 4.2: Parametri di taglio fresatura di finitura superficie 5

Tlav = 6min

con un risparmio temporale rispetto alla situazione precedente del: ∆T % = 87%

Lo stesso risparmio percentuale si ha anche sul costo dell’operazione, non variando i costi orari della macchina, il che rende l’investimento recuperabile entro il primo lotto prodotto con il nuovo utensile.

4.1.4 Fresa biconica

Nel posizionamento precedentemente utilizzato per realizzare i due smussi della flangia venivano impiegati 30 min; lavorando con un utensile con asse parallelo all’asse Z (fig.4.3), è possibile ridurre di molto il tempo di questa operazione. L’utensile utilizzabile è una fresa biconica che permette di realizzare entrambi gli smussi in successione; la fresa come nel

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Figura 4.9: Ingombri dell’utensile in lavorazione

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caso precedente lavora in contornatura piana le superfici 18 e 20 (fi.4.10). Ne è disponibile una a magazzino (come esempio si riporta in fig.C.5 una fresa della Horn), per cui il costo dell’utensile è nullo. In tab.4.3 vengono riportati i parametri per implementare l’utensile nel ciclo Simulando l’operazione sul CAM si è dedotto un tempo di lavorazione pari a 5

D (mm) vc (m/min) n (giri/min) Z fz (mm/dente) Va (mm/min) F.P (mm)

21,7 80 1200 3 0,08 250 45

Tabella 4.3: Parametri di taglio per la fresa angolare

min, permettendo un risparmio di tempo del ∆T % = 83% con analoga riduzioni dei costi dell’operazione.

4.2 Fase 100

4.2.1 Fresa sagomata

Una delle operazioni da ottimizzare riguarda la finitura delle superfici 1,15,16,17 (fig.4.11) su una macchina alesatrice. Attualmente si esegue una passata di sgrossatura e una di

Figura 4.11: Fase 100 superfici 1,15,16 e 17 da realizzare in finitura

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quanto lo sbalzo delle superfici è ridotto e il posizionamento rigido; inoltre la quantità di materiale da asportare non è eccessiva per una passata di finitura. Viene quindi scelta una fresa sagomata (fig.4.12), che esegue le 4 superfici con una sola passata in interpolazione

Figura 4.12: Dimensioni fresa sagomata per lavorazione della flangia

circolare piana, utilizzando i parametri in tab.4.4. Accorpando le operazioni con un solo

OPERAZIONI PARAMETRI DI TAGLIO

p (mm) vc(m/min) Va(mm/min)

Sfacciatura 0,5

40 300

Cilindratura 1

Tabella 4.4: Parametri di taglio per fresa sagomata

utensile è possibile abbattere i tempi di cambio utensile. Considerando una traiettoria

circolare di Dm=140 mm, si ottiene una lunghezza della circonferenza paria a L=440 mm:

Ttruciolo= L/Va= 1, 5 min

Il tempo della lavorazione precedente era di 10 min, quindi per un lotto di 10 pezzi si avrà un risparmio di tempo, pari a ∆T % = 15%. Il costo utensile è di 100 e, quindi l’investimento è conveniente in quanto viene recuperato entro il lotto in lavorazione.

4.3 Fase 60

In questo paragrafo viene valutata la convenienza produttiva ed economica dell’impiego di una fresa ad alto avanzamento per eseguire la sgrossatura realizzata precedentemente mediante taglio water-jet.

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Figura 4.13: Posizione relativa fresa-pezzo nel caso di fresatura frontale 4.3.1 High Feed Milling

Le frese ad alto avanzamento sono largamente utilizzate nella tipologia ad inserti. E’ possibile ottenere elevanti avanzamenti per dente (fino a 4 mm/dente), grazie all’utilizzo di inserti con piccoli angoli di registrazione, oppure grazie all’uso di inserti rotondi che generano un assottigliamento del truciolo [6]. Essendo la fresatura HFM un caso di fresatura frontale, la componente tangenziale della forza di taglio T (fig.4.13) può essere espressa dalla relazione:

T = pt· Zi· S (4.2)

dove Zi è il numero di denti in presa, funzione del numero Z di denti della fresa e della

larghezza del pezzo da lavorare, ed S è la sezione del truciolo che si suppone costante. Essendo

S = p · az (4.3)

dove p è la profondità di passata e az l’avanzamento per dente, risulta che la componente

tangenziale della forza di taglio sarà pari a

T = pt· Zi· p · az (4.4)

si riesce così a mantenere circa costante la forza di taglio se ad un incremento di az

corrisponde un decremento della profondità di passata, la quale per questa applicazione è

di circa 1 mm, aumentando al contempo la produttività Q (mm3_/min_{) dovuta all’aumento}

della velocità di avanzamento Va = n · az· Zi:

Q= Va· S= Va· az· p= a2z· p · Zi· n (4.5)

Si nota come avendo az un andamento che decresce molto rapidamente con l’incremento

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avrà una produttività maggiore di una standard (p=11 mm, az = 0, 04 mm/Z), dovendo

lavorare il Ti6Al4V ad velocità di taglio vc≤50 m/min.

4.3.2 Scelta macchina

Scegliere una stazione diversa da quelle presenti nel ciclo attuale aumenterebbe i tempi di set-up, abbassando la convenienza economica della fresatura HFC, così le scelte possibili sono:

• MIKRON HPM 1000 : è un centro di lavoro a 5 assi e in questa macchina viene normalmente eseguita la sgrossatura e la finitura della FASE 60 (consecutiva al taglio water-jet);

• TORNIO FRESA: utilizzato nella fase 52B (precedente al taglio water-jet), in questo caso il pezzo va bloccato lato flangia con un nuovo dispositivo, utilizzando una lunetta di appoggio. La superficie della lunetta va tornita inoltre post-lavorazione;

Valutando i pro e i contro prima esposti, specificando che i costi macchina sono gli stessi, l’operazione realizzata con la MIKRON risulta sicuramente più vantaggiosa da un punto di vista tecnologico in quanto sfrutta il set-up di una fase esistente, compresa l’attrezzatura standard realizzata nel cap.5.

4.3.3 Scelta utensili

Si sono presi in considerazione 3 utensili presenti in tab.4.5 simulando la lavorazione

Figura 4.14: Tipologia di fresa ad alti avanzamenti