F
ACOLTÀ DI
I
NGEGNERIA
T
ESI DI LAUREA SPECIALISTICA IN
INGEGNERIA MECCANICA
OTTIMIZZAZIONE DEI PARAMETRI DI TAGLIO
DELLA TECNOLOGIA ABRASIVE WATERJET SU
MATERIALI LAPIDEI
RELATORI CANDIDATO
Prof. Ing. Lanzetta Michele Giulio Santini
SOMMARIO
Questa tesi nasce in seguito ad un tirocinio formativo effettuato presso l’azienda Henraux S.P.A. con sede a Querceta Lucca leader mondiale nel settore lapideo.
A seguito di diverse prove sperimentali, è stata effettuata, un’analisi sulla qualità geometrica e superficiale della lavorazione ottenuta con taglio abrasive water jet ad alta pressione su materiali lapidei in particolare taglio di marmo Bianco di Carrara.
Questa tesi cerca di stabilire una correlazione tra i differenti parametri di processo e la qualità del taglio ottenuta al fine di un’ottimizzazione qualitativa ed economica del processo.
INDICE
AZIENDA HENRAUX S.P.A ... 7
1. INTRODUZIONE ... 8
1.1 AREA DI APPLICAZIONE DELLA TECNOLOGIA A GETTO D’ACQUA .... 8
1.2 APPLICAZIONI TIPICHE DI WATERJET IN AMBIENTI DI PRODUZIONE 9 1.3 APPLICAZIONI WATERJET CON ACQUA PURA ... 10
1.4 APPLICAZIONI WATERJET CON ABRASIVO (AWJ) ... 11
2 COMPONENTI DI UN SISTEMA ABRASIVE WATERJET ... 12
2.1 IL SISTEMA DI TRATTAMENTO DELL’ACQUA ... 12
2.1 IL SISTEMA DI GENERAZIONE DELLA PRESSIONE ... 13
2.2 TUBAZIONE TRA INTENSIFICATORE E TESTA DI TAGLIO ... 15
2.3 TESTA DI TAGLIO ... 17
2.4 SISTEMA DI ALIMENTAZIONE DELL’ABRASIVO ... 19
2.5 STRUTTURA DELLA MACCHINA ... 20
2.6 SISTEMA DI MOVIMENTAZIONE E CONTROLLO DEL PROCESSO ... 21
2.7 CATCHER ... 22
2.8 SISTEMA SEPARAZIONE DEI DETRITI ... 23
2.9 ALTRI EQUIPAGGIAMENTI ... 24
3 CARATTERISTICHE DELLA TECNOLOGIA AWJ... 25
3.1 ENERGIA CINETICA DEL GETTO IDROBRASIVO ... 28
3.1.1 CALCOLO VELOCITA’ DI EFFLUSSO DALL’UGELLO PRIMARIO ... 28
3.1.2 CALCOLO DELLA VELOCITA’ IN USCITADAL FOCALIZZATORE . 31 3.1.3 CALCOLO ENERGIA CINETICA DEL GETTO DI SOLA ACQUA ... 34
3.1.4 CALCOLO ENERGIA CINETICA DEL GETTO IDROABRASIVO ... 35
4 MECCANISMI DI TAGLIO ... 37
4.1.1 MATERIALI DUTTILI ... 39
4.1.2 MATERIALI FRAGILI ... 40
4.2 MODELLIZZAZIONE DEL PROCESSO DI TAGLIO ... 41
4.3 FORMAZIONE DELLE STRIATURE ... 44
4.4 IL FENOMENO DELLE STRIATURE: STATO DEL’ARTE ... 45
5 PARAMETRI CARATTERIZZANTI LA QUALITA’ DEL TAGLIO ... 55
5.1 PROFONDITA’ DI PENETRAZIONE ... 55
5.1.1 L’EFFETTO DELLA PRESSIONE DELL’ACQUA ... 55
5.1.2 L’EFFETTO DELLA VELOCITA’ DI TRASLAZIONE ... 56
5.1.3 L’EFFETTO DELLA DISTANZA DI STAND OFF ... 57
5.1.4 L’EFFETTO DELLA PORTATA DI ABRASIVO ... 58
5.2 MODELLI DI PREVISIONE DELLA PROFONDITA’ DI PENETRAZIONE . 60 5.2.1 MODELLI BASATI SUL MECCANISMO DI EROSIONE ... 60
5.2.2 MODELLI BASATI ULLA MECCANICA DELLA FRATTURA ... 62
5.2.3 MODELLI BASATI SU UN APPROCCIO ENERGETICO ... 63
5.3 AMPIEZZA DEL SOLCO ... 64
5.4 CONICITA’ DEL SOLCO ... 65
5.5 PRESENZA DI STRIATURE ... 66
6 ATTIVITA’ SPERIMENTALE ... 67
7 DISCUSSIONE RISULTATI ... 69
7.1 CONICITA’ ... 69
7.2 PRESENZA DI STRIATURE ... 70
7.3 AMPIEZZA DEL SOLCO ... 73
8 ANALISI ECONOMICA ... 74
8.1 NOMENCLATURA ... 74
8.2 COSTI VARIABILI ... 75
8.2.2 COSTO DELL’ENERGIA ELETTRICA ... 76
8.2.3 COSTO UGELLO E FOCALIZZATORE ... 77
8.2.4 COSTO DELLA MACCHINA ... 78
8.2.5 COSTO DELL’ABRASIVO ... 79 8.2.6 SPESE GENERALI ... 80 8.3 COSTI FISSI ... 81 8.4 COSTO TOTALE ... 82 9 CONCLUSIONI ... 83 APPENDICE ... 85
AZIENDA HENRAUX S.P.A
La Henraux S.p.A. fondata nel 1821 è una delle aziende più dinamiche e all’avanguardia nel settore dell’estrazione e della lavorazione del marmo. Riconosciuta da sempre per l’elevata qualità ed esclusività dei suoi marmi, ha realizzato numerosi e prestigiosi progetti in tutto il mondo grazie all’utilizzo di tecnologie sempre più avanzate e al contributo, fondamentale, delle sue eccelse maestranze.
L’azienda, fortemente radicata nel suo territorio, la cui competenza e storicità la collocano in posizione di rilievo in ambito nazionale e internazionale è, fin dalla sua fondazione, proiettata al futuro.
L’elevato profilo aziendale, frutto di un’esperienza e un’autorevolezza uniche e acquisite nel tempo, delineano la mission di Henraux S.p.A.: contribuire in maniera significativa alla storia del marmo e al suo divenire.
1.
INTRODUZIONE
1.1
AREA DI APPLICAZIONE DELLA TECNOLOGIA A GETTO
D’ACQUA
Questo capitolo fornisce un'introduzione alla tecnologia abrasive water jet e come questa tecnologia viene oggi applicata nel campo della produzione di materiali. Le aree di applicazione per la tecnologia abrasive water jet sono utilizzati in un vasto campo di applicazioni che vanno dall'industria mineraria, agli ambienti di produzione fino a molteplici campi di applicazione.
Il motivo principale per l'utilizzo di acqua invece di altri liquidi è, che l'acqua è economica e comunemente disponibile. L'acqua inoltre non danneggia ne l'operatore ne l'ambiente. Poiché le applicazioni a getto d'acqua è così ampio è necessario restringere l'ambito delle applicazioni descritte. Nell'ambito di questa tesi vengono esaminate solo le applicazioni in ambienti di produzione. La Tabella 1.1 mostra varie applicazioni per AWJ in un ambiente di produzione, secondo intervallo di pressione e per portata di acqua.
PRESSIONE VELOCITA’ PORTATA
ACQUA APPLICAZIONE
< 20 MPa < 200 m/s Bassa Pulizia e Raffreddamento
Alta Pulizia
20 – 250 MPa 200 -700 m/s Bassa Applicazioni atipiche
Alta Rimozione rivestimenti e vernici
>250 Mpa >700 m/s Bassa Lavorazioni di materiali
Alta Nessuna applicazione
La Tabella 1.1 chiarisce come l'interazione del getto d'acqua con un materiale di lavoro cambia radicalmente quando la velocità del getto aumenta. Aumentando la pressione con cui l'acqua viene espulsa viene aumentata la velocità del getto d'acqua.
Applicazioni AWJ a bassa velocità sono in grado di rimuovere le particelle che aderiscono liberamente al materiale di lavoro come sporco e ruggine, ma non andranno a modificare la struttura del materiale stesso.
Applicazioni AWJ a velocità media sono in grado di rimuovere i componenti che aderiscono strettamente al materiale di lavoro come vernici e rivestimenti. Tali getti possono anche modificare la struttura del materiale. In questa operazione il getto d'acqua costituisce uno strumento di pallinatura.
Applicazioni AWJ ad alta velocità sono in grado di rimuovere le particelle dal materiale, per cui questo tipo di getto d'acqua agisce come un utensile di lavorazione. Ogni tipo di particella solida può essere aggiunta al getto d'acqua per migliorare l'efficacia dell'azione del getto. Nella maggior parte dei casi queste particelle si faranno carico dell'azione erosiva, relegando così il getto d'acqua al mezzo che viene utilizzato per accelerare le particelle e lavare via le particelle utilizzate e i detriti generati. Questa tesi si occupa di analizzare alcuni aspetti dell’applicazione AWJ utilizzati per lavorare materiali lapidei in un ambiente industriale.
1.2
APPLICAZIONI TIPICHE DI WATERJET IN AMBIENTI DI
PRODUZIONE
Le applicazioni water jet in generale possono essere suddivise in due categorie fondamentalmente:
• Applicazioni a getto d'acqua pura • Applicazioni con abrasivo
Nelle applicazioni a getto d'acqua pura, l’utensile è il getto stesso, di conseguenza l'acqua assolve tre funzioni: taglio , raffreddamento e rimozione dei detriti di taglio.
Per migliorare la struttura del getto, possono essere aggiunti additivi, ad esempio la coerenza del getto può essere aumentata aggiungendo polimeri a catena lunga. Una migliore coerenza del getto implica, una maggiore densità di energia del getto d'acqua, che aumenta l'efficacia
Nelle applicazioni a getto d'acqua abrasivo, particelle abrasive vengono aggiunte al getto d'acqua, queste sono accelerate dal getto diventando esse stesse l’utensile per lavorare il materiale. L’acqua oltre ad accelerare le particelle ricopre il compito di raffreddamento del materiale in lavorazione e la rimozione del materiale asportato.
1.3 APPLICAZIONI WATERJET CON ACQUA PURA
Water jet pure sono state utilizzate dal 1971 in poi per una vasta gamma di attività di produzione tra cui il taglio di schede di circuiti elettronici, il taglio della carta, il taglio di guarnizioni in gomma o plastica, il taglio di elementi interni nel settore automobilistico e il taglio di prodotti alimentari. Due esempi di applicazioni tipiche water jet sono mostrati in Figura 1.1.
Figura 1.1
Il processo di taglio a getto d'acqua pura può essere implementato come parte di una macchina operatrice, questo lo rende più adatto per grandi serie di prodotti specifici oppure può essere usato come una macchina utensile universale e versatile per lavorare una vasta gamma di prodotti, rendendolo particolarmente adatto per produzione di piccoli lotti.
1.4 APPLICAZIONI WATERJET CON ABRASIVO (AWJ)
Applicazioni di taglio a getto d'acqua abrasivo sono relativamente nuove, perché la tecnologia di aggiungere abrasivi a un getto d'acqua è stato introdotto solo nel 1983 [1].
Tra le applicazioni più popolari troviamo il taglio di acciaio e alluminio in lamiere dallo spessore da 5 a 100 mm e il taglio di granito e marmo e vetro.
Due esempi di applicazioni di taglio tipiche abrasivo-getto d'acqua sono mostrati in Figura 1.2
Figura 1.2
I principali vantaggi del taglio a getto d'acqua rispetto ad altre tecnologie in questi settori di applicazione sono:
• La possibilità di poter tagliare una vasta gamma di materiali, da molto duttili a molto fragili.
• Il processo di taglio non influenza la microstruttura del materiale. Non c'è zona termicamente alterata e non vi è alcun cambiamento nella durezza nella superficie tagliata.
• Il processo di taglio utilizza un utensile multi-direzionale, che dà grande versatilità geometrica.
L'uso di abrasivi in combinazione con acqua rende il processo meno adatto ad essere integrato in una macchina operatrice dedicata, così quasi tutte le applicazioni utilizzano una macchina operatrice universale e versatile per produrre parti che costituiscono piccoli lotti.
2
COMPONENTI DI UN SISTEMA ABRASIVE
WATERJET
Un sistema a getto d'acqua abrasivo può essere suddiviso in nove componenti: il sistema di trattamento dell'acqua, il sistema di generazione di pressione, le tubazioni ad alta pressione, il getto, il sistema di alimentazione dell’ abrasivo, la struttura della macchina, il sistema di movimento e Process Control, il catcher ed il sistema di rimozione dei detriti.
Nella Figura 1.3 viene data una visione d'insieme di un sistema di taglio a getto d'acqua abrasivo suddivisa nelle sue componenti. Questi componenti sono descritti in dettaglio nelle sezioni successive.
Figura 1.3
2.1
IL SISTEMA DI TRATTAMENTO DELL’ACQUA
Il compito del sistema di trattamento dell'acqua è di fornire acqua al sistema di generazione ad alta pressione ad un livello richiesto di purezza. Purificare l'acqua impedirà l’usura delle parti del sistema di generazione di pressione. Generalmente, particelle nell'acqua che sono più
grandi di un micron di diametro devono essere filtrati per garantire il corretto funzionamento del sistema per un tempo più lungo. A seconda delle condizioni locali, l'acqua del rubinetto deve essere addolcita.
2.1
IL SISTEMA DI GENERAZIONE DELLA PRESSIONE
Il compito del sistema di generazione ad alta pressione è quello di fornire un flusso costante e continuo di acqua ad alta pressione regolabile. Nella maggior parte dei casi, l'azione di taglio può essere iniziata e finita semplicemente accendendo o spengendo l'acqua. I materiali fragili posso richiedere un controllo addizionale della pressione per prevenire la rottura del materiale stesso in lavorazione.
Per un livello medio-basso di pressione dell’acqua (fino a 280MPa), la pressurizzazione può essere diretta attraverso una pompa volumetrica a tre pistoni chiamata Hyplex, vedi Figura 1.4.
Figura 1.4
Queste pompe forniscono acqua mediante l'azione di pistoni oscillanti che sono direttamente accoppiati ad un albero motore che ruota a velocità costante. Con pressioni più elevate, questo tipo di pompa è meno affidabile, così solitamente la pressurizzazione avviene in modo indiretto
attraverso un intensificatore. La consueta gamma di pressioni a taglio a getto d'acqua va da 250 a 400 MPa fino ad arrivare ai 600MPa nei sistemi di ultima generazione.
In un intensificatore, due cilindri con differenti diametri interni sono collegati dai loro pistoni. Il pistone di diametro maggiore è azionato da un sistema idraulico a bassa pressione, normalmente da 5 a 35 MPa. Il cilindro dell’ acqua produce una pressione superiore corrispondente al rapporto delle aree delle sezioni trasversali dei pistoni. Questo rapporto si trova comunemente 1:10-1:25, che si traduce in pressioni dell'acqua fino a 400 MPa e oltre.
In Figura 1.5 è possibile vedere lo schema di un intensificatore di pressione.
Figura 1.5
Per ottenere un flusso d'acqua quasi continuo, due oppure più intensificatori vengono utilizzati in serie o in parallelo.
La pressione dell'acqua può essere regolata modificando la pressione dell'olio dell’impianto idraulico. La massima portata dell’acqua dipende dalla sezione trasversale dell'orifizio attraverso il quale l' acqua viene espulsa dalla massima potenza disponibile e dalla stroke-frequency massima. Usualmente un intensificatore ha una potenza elettrica di ingresso di 25 kW e una stroke-frequency di 1 H , che si traduce in una massima portata di acqua di circa 40 mm3 / s. Un’area troppo grande della sezione trasversale dell'orifizio causerà un aumento eccessivo della portata dell’acquai acqua che non potrà essere mantenuto dall’intensificatore alla pressione prescritta.
Oltre alla tecnologia dell’ intensificatore, altri metodi di generazione di pressione sono stati esplorati come l' utilizzo di espansione del gas, la scarica elettrica e una polvere hydro-canon.
Questi metodi non forniscono un flusso continuo di acqua ad alta pressione e sono
momentaneamente utilizzato solo in applicazioni quali scavo di rocce o demolizione di calcestruzzo.
2.2
TUBAZIONE TRA INTENSIFICATORE E TESTA DI TAGLIO
Il compito della tubazione è di trasportare acqua ad alta pressione dall’intensificatore alla testa di taglio. Questa tubazione è costituita da tubi in acciaio inox di elevato spessore, appositamente trattate. Questi tubi sono disponibili in una vasta gamma di diametri standard.
I diametri più grandi vengono utilizzati come linee principali di alimentazione dell'acqua. I tubi più piccoli vengono utilizzati in prossimità della testa di taglio che essendo flessibili permettono la movimentazione della testa stessa.
I tubi sono collegati attraverso una connessione conica che permette un contatto di tenuta metallo-metallo, come mostrato in Figura 1.6.
Figura 1.6
Esistono tre metodologie per consentire il movimento relativo tra la parte fissa del tubo e la testa di taglio:
• Una bobina di tubo ad alta pressione. I tubi più piccoli , con un diametro esterno di 6,3 mm possono essere arrotolati. Ogni avvolgimento permette una deformazione elastica da 5°-7°. Specialmente nelle applicazioni di taglio in cinque dimensioni, dove si hanno grandi angoli di lavorazione questo principio è molto affidabile.
• Un giunto rotante che è più compatto di una bobina, ma che ha una tenuta tra le superfici in movimento meno affidabile rispetto alla bobina.
• Un tubo flessibile può essere applicato se la testa di taglio deve spostarsi solo di un piccolo angolo. Oggi tubi flessibili possono essere acquistati per pressioni fino a 300 MPa, che è leggermente inferiore rispetto alle pressioni massime comuni di 400 MPa dei sistemi più utilizzati nell'industria, quindi questa metodologia fino ad ora è stata raramente applicata nei tagli ad alta pressione.
Le tipiche portate del flusso di acqua nelle applicazioni di taglio sono nella gamma da 8.3x10-6 m3/s (0,5 1/min ) a 41x10- 6 m3/s ( 2,5 l / min ).
Il diametro medio delle tubature in uscita dall’intensificatore hanno un diametro medio di 4,8 mm. Invece in prossimità della testa di taglio il diametro si riduce a circa 2,0 mm.
Il numero di Reynolds per la massima velocità nei tubi più piccoli è
=
∗
= 26 ∗ 10
Questo numero di Reynolds implica che il flusso nei tubi più piccoli è turbolento. Assumendo che la parete interna del tubo sia liscia, il coefficiente di caduta di pressione (λ) può essere calcolato utilizzando l'equazione Blasius:
=
0.316
.= 2.5 ∗ 10
La caduta di pressione per unità di lunghezza per i tubi più piccoli equivale a:
Δ
=
∗
1
2 ∗ ∗
= 1
/
A causa della bassa velocità dell'acqua nei tubi di connessione dall’ intensificatore alla testa di taglio, la perdita di energia in queste linee è bassa. Così tubi con lunghezza fino a 50 m possono essere utilizzati senza difficoltà.
2.3
TESTA DI TAGLIO
Il compito della testa di taglio è di convertire l' energia idraulica dell'acqua in energia cinetica delle particelle abrasive. L'efficacia di questa trasformazione è cruciale per l'efficienza del processo di taglio. Pertanto, la progettazione di questo elemento è una parte importante dello sviluppo della tecnologia di taglio a getto d'acqua.
Due sistemi sono stati sviluppati per formare un getto d'acqua abrasivo :
• Sistemi di trascinamento dell’ abrasivo, in cui la formazione di un getto d'acqua abrasivo è realizzato in due fasi. Nella prima fase l'energia idraulica dell'acqua in pressione viene convertita in energia cinetica attraverso la formazione di un getto d'acqua pura . Questo getto potrebbe essere utilizzato anche per applicazioni di taglio a getto d'acqua pura. Nella seconda fase, l'energia cinetica dell'acqua viene parzialmente convertita in energia cinetica delle particelle abrasive che vengono trascinate dal flusso dell’acqua.
• Sistemi di sospensione dell’ abrasivo in cui gli abrasivi sono premiscelati con l' acqua prima della pressurizzazione. L'energia idraulica viene direttamente convertita in energia cinetica dell’acqua contenente l’abrasivo che viene espulso dalla testa di taglio.
Il primo sistema è più utilizzato in campo industriale, pertanto, questa tesi si concentra su questi sistemi. Un tipico sistema è descritto in dettaglio più avanti.
Per convertire l'energia potenziale dell'acqua ad alta pressione in energia cinetica è installato un orifizio all'estremità del tubo ad alta pressione. Un tipico esempio di tali orifizi è mostrato in Figura 1.7.
Figura 1.7
L' orifizio è costituito da uno zaffiro ( esagonale rhomboedral Al203 ) , un rubino o una parte diamantata con un foro centrale che ha un diametro interno compreso tra 0,08 e 0,8 mm. Questo orifizio è montato in un involucro di acciaio inossidabile o alluminio , principalmente al fine di avere un’installazione più semplice del pezzo nel caso di sostituzione. Fori di diamentro inferiore a 0,25 mm sono utilizzati nelle applicazioni di taglio a getto d'acqua pura ad alta pressione, poiché il rendimento energetico totale di questi piccoli diametri con le pressioni attualmente disponibili è troppo basso per accelerare efficacemente le particelle abrasive. Fori di diametro compreso tra 0,25 e 0,40 millimetri sono utilizzati in applicazioni a getto d'acqua abrasivo e fori oltre 0,40 millimetri sono utilizzati in applicazioni a bassa pressione per la pulizia.
Per formare un getto d'acqua abrasivo, una camera di miscelazione viene installata a valle del foro ( Figura 1.8 ). Attraverso l'interazione del getto d'acqua pura con l'aria che circonda il getto, si crea una depressione nella camera di miscelazione. Questo vuoto provoca un flusso d'aria, che passa dall'esterno alla camera di miscelazione attraverso il canale abrasivo.
Figura 1.8
2.4
SISTEMA DI ALIMENTAZIONE DELL’ABRASIVO
Il compito del sistema di alimentazione dell’ abrasivo è di fornire i grani abrasivi e di assicurare una determinata portata. Il sistema deve essere in grado di alimentare le particelle con un diametro compreso tra 0,1 e 0,3 mm con una quantità di circa tra 0,1 e 0,5 kg / min. I principi utilizzati per misurare la portata di abrasivo sono:
• Un alimentatore a tramoggia costituito da un dispositivo a vibrazione per trasportare in modo lineare una quantità di abrasivi che può essere variata regolando l'ampiezza della vibrazione.
• Un alimentatore a vite rotante per trasportare l’abrasivo in modo elicoidale. La quantità di abrasivi è variata regolando la velocità di rotazione della vite.
Per garantire una produzione continua senza intervento umano, una quantità relativamente grande di abrasivi deve essere conservato. Per esempio 4 ore di funzionamento continuo con 2 teste di taglio, ognuna delle quali ricevente una portata di abrasivo di 0.3 kg/min, richiede un contenitore di abrasivi in grado di contenere fino a 144 kg. Per garantire il corretto dosaggio
degli abrasivi, il dispositivo di misurazione deve essere posizionato il più vicino possibile alla testa di taglio. Nella maggior parte delle applicazioni, la testa di taglio viene posizionata sopra un materiale di lavoro per tagliare il profilo richiesto. Dotare l'asse mobile con un contenitore abrasivo di 144 kg non è consigliabile, perché ridurrà drasticamente il comportamento dinamico degli assi. Per superare questo problema, si utilizzano due o più dispositivi. Un dispositivo stazionario che serve per contenere la massa e uno più piccolo installato vicino alla testa di taglio. Il trasporto di abrasivo tra i due dispositivi viene fatto con un flusso d'aria generato tramite aria compressa.
Il trasporto di abrasivo tra il dispositivo più piccolo e la testa di taglio è effettuato da un flusso di aria generato dal vuoto di pressione all’interno della camera di miscelazione precedentemente citato.
2.5
STRUTTURA DELLA MACCHINA
Il compito della struttura della macchina è di generare un moto relativo tra la testa di taglio e il materiale in lavorazione. La bassa massa della testa di taglio, 5-10 kg , in combinazione con le basse forze di reazione del getto, normalmente inferiore a 40 N, consentono l’utilizzo di una struttura poco pesante. La realizzazione del sistema è legato ai gradi di libertà necessari, che a sua volta dipendono dall'applicazione.
Piastre e pezzi lastriformi richiedono soltanto due assi controllati ( X , Y) e un terzo asse controllato manualmente ( Z ) per regolare l'altezza della testa di taglio per lo spessore della pista. Con queste applicazioni, il più delle volte viene utilizzato un tipo di struttura a portale o un tipo di struttura con braccio a sbalzo. Tali configurazioni di movimento a tre assi sono anche in grado di tagliare una vasta gamma di pezzi con angoli di inclinazione fino a 1 rad con risultati accettabili, per esempio pannelli di copertura ondulati. Tipiche dimensioni dei pezzi lavorabili con queste strutture della macchina sono 3.000 mm x 2.000 mm x 150 mm. La rifilatura dei pezzi con forme complesse, quali cruscotti nell'industria automobilistica, richiedono una configurazione di movimento a cinque assi. In tali applicazioni, in cui i requisiti di precisione non sono così rigorosi, vengono utilizzate le configurazioni di movimento robotici RRR -tipe.
Configurazione braccio a sbalzo a 3 assi Configurazione a portale a 3 assi
Configurazione a portale 5 assi Configurazione a braccio robotico a 6 assi
Figura 1.9
2.6
SISTEMA DI MOVIMENTAZIONE E CONTROLLO DEL
PROCESSO
Il compito del sistema di movimento e controllo del processo è quello di eseguire l'azione di taglio definito e il controllo dei parametri di taglio prescritti. Piccole imprecisioni nei valori prescritti di questi parametri devono essere corretti dal sistema di controllo. Grandi deviazioni possono indicare guasti del sistema che dovrà portare opportune azioni di controllo per garantire la sicurezza della macchina e l'ambiente.
Nella maggior parte dei casi il sistema ad alta pressione ha un proprio circuito di controllo e correzione degli errori implementato su un programmable logic controller (PLC). Nella maggior parte dei casi anche il moto della struttura è controllato da un computer numerical controller (CNC), che è programmato utilizzando un linguaggio standardizzato NC language.
In generale la portata di abrasivo desiderata viene impostata manualmente. La messa a punto del processo di taglio si basa molto sull'esperienza dell'operatore.
2.7
CATCHER
Il compito del catcher è di assorbire l'energia residua del getto d'acqua abrasivo . Solitamente nel taglio di prodotti con elevata qualità solo il 10 % dell'energia cinetica totale viene consumata nel processo di taglio. Il catcher deve assorbire il restante 90 % dell'energia. Pertanto, il catcher deve essere progettato per assorbire di continuo il 100 % dell'energia del getto. I principi di cattura e assorbimento comunemente utilizzati sono:
• Uno strato di 0,5-1,0 m di acqua
• Uno strato di 0,15-0,30 m di sfere d'acciaio. L'interazione del getto porta le sfere a muoversi in modo turbolento che provoca un’efficace dissipazione dell'energia getto • Piastre Catcher , realizzate in materiale resistente all'usura, per esempio carburo di
boro, che sono posti in un piccolo angolo rispetto all'asse del getto. La piastre va a deviare il getto e a rompere la sua coerenza. Diverse piastre devono essere usate per la corretta cattura dei getti che vengono deviati dalla azione di taglio.
A seconda dell'applicazione, saranno utilizzati diversi tipi catcher, Figura 1.10. La scelta è legata fortemente alla struttura della macchina prescelta.
Figura 1.10
Quando la testa di taglio effettua il movimento in tutte le direzioni (Figura 1.11a) le configurazioni possibili sono: superficie del catcher statica, un catcher mobile in una
direzione e un catcher mobile in 2 direzioni. Quando la testa di taglio fa un movimento in una sola direzione e il pezzo viene spostato nella direzione perpendicolare alla direzione di movimento del getto precedente (Figura 1.11b),allora può essere utilizzato un catcher a 1 direzione o a 2, che si sposta in combinazione con la testa di taglio. Quando viene utilizzato un getto stazionario (Figura 1.11c), un catcher a 2 direzioni è sufficiente. Questa configurazione è per esempio utilizzata in applicazioni dove i prodotti stampati vengono tagliati manualmente con l'aiuto della tecnologia a getto d'acqua abrasivo.
Nello sviluppo di sistemi di taglio, vi è la tendenza ad utilizzare la configurazione di movimento di Figura 1.11a , dove il primo getto è in grado di muoversi in entrambe le direzioni.
Figura 1.11
Questa configurazione ha dimostrato di essere la più conveniente per il posizionamento di materiale di lavorazione, che rimane fermo e può essere serrato più facilmente rispetto a materiale in movimento. Vi è inoltre la sicurezza sui pezzi del materiale, che se non è tagliato completamente potrebbe ostacolare il movimento del materiale stesso.
Si noti che, a causa del cutting lag le direzioni del getto in uscita sono diverse rispetto a quelle d’ingresso.
Lo sviluppo dei cinque assi di taglio a getto d'acqua abrasivo aumenterà i requisiti di progettazione del catcher.
2.8
SISTEMA SEPARAZIONE DEI DETRITI
Il compito del sistema di rimozione dei residui è pulire il catcher e separare le particelle abrasive e residui di materiale di lavoro dall'acqua. La separazione avviene principalmente per ridurre il peso totale del materiale residuo, che ridurrà i costi di smaltimento. Le acque reflue
possono essere facilmente pulite e riutilizzate nel processo. Fino ad ora, il riutilizzo di materiale abrasivo era troppo costoso, in quanto questo materiale deve essere essiccato e setacciato per estrarre le particelle riutilizzabili. Mediante la setacciatura e successivamente l’essiccamento della frazione utilizzabile è possibile avere un efficace sistema di riciclo dell’ abrasivo con abbattimento dei costi, questa metodologia è stata introdotta nel 1999. Si afferma che in alcuni casi oltre il 68% del materiale abrasivo può essere riutilizzato. La necessità di riciclare additivi del processo diventerà più forte in futuro a causa di una maggiore consapevolezza ambientale.
2.9
ALTRI EQUIPAGGIAMENTI
Per garantire un ambiente di lavoro sicuro per gli operatori di macchina, devono essere inclusi dei circuiti di arresto di emergenza, come valvole di scarico per rilasciare la pressione alta. Per ridurre il livello di rumore, che potrebbe facilmente superare i 100 dBA vicino alla testa di taglio, devono essere prese misure di riduzione del rumore. Materiali adatti possono essere tagliati in acqua, infatti un water film di diversi centimetri è sufficiente per ridurre drasticamente il rumore. Il altri casi la macchina può essere incapsulata. Riducendo ulteriormente il livello di rumore. Inoltre, si eviterà anche che particelle abrasive vadano a causare danni ad altre apparecchiature vicino alla fase di taglio.
Oltre ai componenti del sistema primari descritti nelle sezioni precedenti, altri componenti possono essere aggiunti come sistemi per la movimentazione automatica del materiale da lavorare, sistemi per la pulizia e l'essiccazione di prodotti, ecc. Questi sono principalmente sistemi dedicati, che non verranno descritti.
3
CARATTERISTICHE DELLA TECNOLOGIA AWJ
Il processo di asportazione, per effetto dell’interazione tra materiale in lavorazione e getto idro-abrasivo, dipende strettamente da un certo numero di parametri.Trascurando le caratteristiche relative al materiale da lavorare, è possibile suddividere l’insieme dei parametri in due categorie: un insieme che è legato direttamente alle peculiarità del getto (parametri idraulici-fluidodinamici), ed un insieme che è caratteristico del processo (parametri tecnologici).
I seguenti parametri sono sempre presenti sia nella tecnologia WJ che in quella AWJ:
Parametri idraulici-fluidodinamici
• Pressione dell’acqua; • Portata dell’acqua;
• Diametro e geometria dell’ugello primario; • Potenza idraulica.
•
Parametri tecnologici
• Velocità di avanzamento della testa di taglio; • Stand off distance;
• Numero di passate;
• Angolo di incidenza del getto rispetto al pezzo in lavorazione.
Nel caso di getto idro-abrasivo si devono prendere in considerazione anche altri parametri:
Parametri idraulici-fluidodinamici
• Geometria della camera di miscelazione; • Diametro del focalizzatore;
• Lunghezza del focalizzatore. Parametri tecnologici
• Tipo di abrasivo;
• Portata di abrasivo;
• Tipo di alimentazione dell’abrasivo (asciutto o bagnato).
Indicazioni generali relative al modo con cui tali parametri influenzano il processo di taglio non possono prescindere dal tipo di materiale da tagliare.
La pressione influenza direttamente la velocità effettiva, ed è quindi direttamente proporzionale all’energia posseduta dal getto: un aumento di pressione è accompagnato da un incremento della profondità di passata (Figura 3.1a).
Anche tra la portata di abrasivo e la profondità di passata esiste una diretta proporzionalità; oltre un certo limite, però, si presentano problemi di intasamento e difficoltà nel trasferimento della quantità di moto a tutte le particelle di abrasivo, riducendo l’energia del getto (Figura 3.1b).
La stand off distance rappresenta la distanza che percorre il getto libero in aria.
Nel caso di taglio WJ tale misura corrisponde alla lontananza dell’ugello primario dal pezzo in lavorazione, mentre nel caso di taglio con getto idro-abrasivo, corrisponde alla distanza tra l’uscita del getto dal focalizzatore ed il pezzo stesso. Tale distanza viene generalmente mantenuta tra 1 e 5 mm; come appare dalla Figura 3.1c, per valori elevati di questa distanza la profondità di taglio diminuisce fortemente a causa della divergenza del getto, mentre per valori troppo piccoli la velocità di usura del focalizzatore aumenta.
Le dimensioni delle particelle di abrasivo (mesh) influenzano sensibilmente la velocità di asportazione: minore è la meshe maggiore è la velocità di asportazione.
La tecnologia AWJ offre numerosi vantaggi. Consente di lavorare materiali di qualsiasi durezza e con spessori elevati senza che ci siano problemi di usura per l’utensile.
Caratteristiche di questa tecnologia sono:
• estrema flessibilità, cioè tempi di realizzazioni delle lavorazioni immediati indipendentemente dal tipo di materiale.
• Assoluta precisione, qualità e facilità di esecuzione di qualunque sagoma complessa. • Assenza di sollecitazioni termiche e meccaniche, che possono danneggiare le
caratteristiche fisico chimiche delle superfici e bave di lavorazione assai limitate anche per materiali duttili; consentendo di evitare processi di finitura post lavorazione per eliminare sbavature, etc.
• La larghezza del solco di taglio del getto idro-abrasivo è contenuta ( non supera il millimetro quindi è contenuto anche lo sfrido generato dal taglio) ed inoltre il getto può iniziare a tagliare in qualunque punto della superficie per poi proseguire in ogni direzione.
• Energia di taglio “modulabile” attraverso la scelta della pressione di lavoro e della sezione dell’orifizio di taglio.
• Tecnologia assolutamente non inquinante, infatti vi è totale assenza di produzioni di fumi e polveri durante il taglio.
• Bloccaggio del pezzo semplice o addirittura inesistente perché il taglio avviene per l’applicazione di forze limitate dell’ordine delle decine di newton.
Il sistema AWJ è dotato di un sistema a Controllo Numerico che garantisce una gestione automatica delle funzioni operative con alta qualità e precisione, è possibile inoltre un interfacciamento con un sistema CAD-CAM che permette la massima libertà di espressione; si possono eseguire disegni tecnici con tolleranza ristrette, disegni artistici di qualsiasi complessità; etc.
3.1
ENERGIA CINETICA DEL GETTO IDROBRASIVO
Le caratteristiche del getto idro-abrasivo possono essere sintetizzate da un solo parametro “l’energia del getto idro-abrasivo”. In seguito viene riportato il calcolo dell’energia cinetica del getto d’acqua con abrasivo.
3.1.1 CALCOLO VELOCITA’ DI EFFLUSSO DALL’UGELLO PRIMARIO
L’ugello primario ha il compito di trasformare l’energia di pressione posseduta dall’acqua in uscita dalla pompa in energia cinetica. E’ costituito da una struttura in acciaio inossidabile con un inserto in zaffiro sintetico. Lo zaffiro sintetico è il materiale più comunemente utilizzato per la realizzazione degli ugelli primari, grazie alla facile lavorabilità ed all’elevata resistenza all’usura. Il diametro del foro, in dipendenza delle applicazioni industriali, può variare tra 0.05 mm e 0.40 mm. La vita utile di un ugello varia tra le 30 e le 200 ore a seconda che l’acqua della rete idrica venga trattata o meno.
Considerando in prima approssimazione l’acqua come fluido incomprimibile (ipotesi di fluido ideale) e stazionario, la trasformazione viene descritta dal principio di conservazione dell’energia tramite l’equazione di Bernoulli:
!" #
+ ℎ +
&'#
= ()*+
Dove:
• P è la pressione del fluido [MPa]
• è la densità del getto di acqua [Kg/m3] • h è la quota piezometrica [m]
• g è l’accelerazione di gravità [m/s2] • v è la velocità del fluido [m/s]
applicando Bernoulli al fluido tra l’ingresso (1) e l’uscita (2) dell’ugello primario si ottiene:
,
!" #
+ ℎ
-+
&,'essendo P2 << P1 , v1 << v2 e h1 ≅ h2 si può trascurare il loro peso pertanto si calcola la velocità ideale che coincide con la classica formula di Torricelli:
=
./= 0
2
Per ottenere la velocità reale in uscita dall’ugello primario bisogna considerare le perdite energetiche all’interno dell’orifizio per mezzo di un coefficiente moltiplicativo, detto “coefficiente di efficienza”, che caratterizza la quantità di moto persa per attrito sulle pareti dell’ugello, (Figura3.2). Tale coefficiente dipende oltre che dalla forma dell’ugello primario anche dal suo diametro e dalla pressione utilizzata.
Fig.3.2_Coefficienti di efficienza per diverse forme di ugello primario
Da cui la velocità reale del getto di sola acqua all’uscita dall’ugello primario è data dalla relazione:
12
30
2
dove:
È importante osservare come la velocità del getto di acqua in uscita dall’ugello primario non dipenda da nessun parametro geometrico dell’ugello stesso.
Inoltre, considerando le pressioni operative abituali, generalmente utilizzate per il taglio, l’acqua non può essere assunta incomprimibile, di conseguenza la sua densità risulta funzione del livello di pressione (Fig.3.3); da ciò deriva una velocità di efflusso calcolabile tramite la seguente equazione:
45
= 0
71 8 (9 :;1 $ 6<
2 6
- 48 1=
Dove ρ0è la densità dell’acqua alla pressione atmosferica, L=300 MPa, c=0.1368
Tenendo presente che ad una pressione di circa 400 MPa l’acqua ha un coefficiente di comprimibilità del 12 %, l’errore commesso è di qualche percento specie se si utilizza una densità media tra quella dell’acqua alla pressione atmosferica e quella alla pressione di esercizio.
Fig.3.3_Velocità di efflusso al variare della pressione per fluido comprimibile e non comprimibile
> = ? ∗
12Dove Aw è l’area di efflusso che è legata alla dimensione dell’orificio attraverso un coefficiente di scarica ( CD <1) che dipende dalla geometria dell’ugello:
?
#2@@5?
51.A.B.5∗ C
da cui:
>
? ∗
12D ∗ C ∗
E
4 ∗ 3 ∗ 0
F2
3.1.2 CALCOLO DELLA VELOCITA’ IN USCITADAL FOCALIZZATORE
All’uscita dell’ugello primario, l’acqua ad alta velocità, penetra nella camera di miscelazione dove incontra il materiale abrasivo e l’aria aspirati per effetto Venturi.
Come mostrato nella Figura 3.4, dopo la miscelazione, all’interno dell’apposita camera, la “poltiglia” arriva all’ingresso del focalizzatore.
All’uscita del focalizzatore il getto è composto quindi da una sospensione caratterizzata dalle tre fasi:
• aria che penetra all’interno della camera di miscelazione insieme alle particelle abrasive
• acqua, proveniente dall’accumulatore
• abrasivo, proveniente dall’apposito contenitore (tramoggia)
La portata volumetrica totale la si può esprimere come somma di tre contributi:
>
H1.H+ >
H4IJH+ >
HK1HL.&5= >
@5@>
H1.H= 0.95 ∗ >
@5@da cui :
>
H1.H=
0.95
0.05 ∗ (>
H4IJH+ >
HK1HL.&5)
note le densità a pressione ambiente:
H1.H
= 1.14
NO
= 1000
NO
si può passare al calcolo della portata massica m = ρQ .
Se si esegue un bilancio della quantità di moto tra l’ingresso della camera di miscelazione e l’uscita dal focalizzatore si ottiene :
PH1.H∗ H1.H+ PHK1HL.&5∗ HK1HL.&5+ PH4IJH∗ 12QRSTQ = .HK∗ U PH1.H+ PHK1HL.&5+ PH4IJHV essendo la densità dell’aria molto inferiore a quella dell’acqua, la portata massica di aria può essere considerata nulla; inoltre la velocità del materiale abrasivo all’ingresso della camera di miscelazione è piccola, sia perché l’abrasivo viene aspirato per effetto Venturi, sia perché il contenitore (tramoggia) si trova ad una quota superiore rispetto alla camera di miscelazione; possiamo quindi riscrivere la precedente equazione nel seguente modo:
PH4IJH∗ 12QRSTQ = .HK∗ U PHK1HL.&5+ PH4IJHV dove PHK1HL.&5 è la portata di abrasivo [g/min]
ponendo : W = PHK1HL.&5P H4IJH ⇒ 1 + W = PHK1HL.&5+ PH4IJH PH4IJH si ottiene : .HK = Y ∗(1 + W)12
dove .HK è la velocità del getto idro-abrasivo.
Il parametro η, definito “ coefficiente di quantità di moto trasferita “, tiene conto della quantità di moto trasferita durante la miscelazione tra il getto d’acqua ad alta velocità e l’abrasivo all’interno della apposita camera di miscelazione e nel tubo focalizzatore.
Il coefficiente di energia trasferita è funzione dei diversi parametri di processo tra i quali; la pressione della pompa (velocità del getto di acqua in uscita dall’ugello primario), la portata di abrasivo e la geometria della camera di miscelazione e del focalizzatore.
Molti sono stati gli studi effettuati al fine di determinare il valore del coefficiente η in funzione dei diversi parametri di processo. I metodi si basano sulla misura delle forze di impatto del getto sulla superficie in lavorazione al fine di determinare la velocità reale dell’idrogetto in uscita dal focalizzatore.
Nel caso di basse portate di abrasivo il coefficiente di efficienza risulta essere compreso tra 0,60 e 0,81. Inoltre se la lunghezza ed il diametro del tubo di miscelazione sono sufficientemente elevati, può essere trascurata, all’uscita del focalizzatore, la velocità di scorrimento tra acqua e abrasivo. Questa analisi ci permette di affermare che la velocità del getto idro-abrasivo è uguale alla velocità della singola particella:
.HK
=
Z3.1.3 CALCOLO ENERGIA CINETICA DEL GETTO DI SOLA ACQUA
L’energia cinetica del getto (di sola acqua) in uscita dall’ugello primario può essere espressa dalla relazione:
[ =
1
2 ∗ P
H4IJH∗
12∗ +
dove:
• PH4IJH è la portata di acqua [Kg/s] • t è il tempo di esposizione [s]
La portata di acqua può essere determinata dalla semplice relazione:
P
H4IJH=
D
4 ∗ \
1000] ∗
E
F 12∗
dove dn è il diametro dell’ugello [mm].
Il tempo di esposizione può essere determinato invece dalla relazione:
Dove per spazio percorso si intende la lunghezza del provino mentre la velocità è quella di avanzamento della testa di taglio.
L’espressione della Ew, funzione dei parametri di processo quali, pressione, velocità di avanzamento della testa di taglio è:
[ = 1.1102 ∗ c ∗ 3 ∗ \
1000] ∗ + ∗
E
F -.d
dove α è un numero adimensionale che considera la diminuzione della portata di acqua dovuta all’improvviso cambio nelle condizioni meccaniche del fluido all’uscita dell’ugello. Tipici valori di αper un ugello in zaffiro sono compresi tra 0.6 e 0.8.
3.1.4 CALCOLO ENERGIA CINETICA DEL GETTO IDROABRASIVO
L’energia cinetica della singola particella abrasiva, supposta sferica, è data dalla seguente relazione:
[
=
12 ∗ E
D
Z∗
e∗
Zdove:
• e è la densità del materiale abrasivo; • dp è il diametro della particella abrasiva; • vp è la velocità della particella abrasiva;
Durante la miscelazione (acqua/abrasivo) l’energia cinetica del getto di acqua ad alta velocità è parzialmente assorbita dall’accelerazione delle particelle. La fase di miscelazione tra acqua e abrasivo è di fondamentale importanza ed è influenzata sia dai sistemi di iniezione delle particelle abrasive, sia dalla geometria della camera di miscelazione. Per migliorare questo aspetto vengono impiegati sistemi che impongono al getto un moto a spirale, all’interno della camera di miscelazione, o in alternativa sistemi che generano un flusso vorticoso. Un ulteriore
interessante aspetto è che le particelle in questo processo di miscelazione tendono a rompersi. Kulecki è stato uno dei primi ad interessarsi a questo fenomeno; afferma che il 70, 80% delle particelle sono soggette a frammentazione [40].
La percentuale dipende dalla dimensione del grano, dalla pressione della pompa e quindi la pressione con la quale l’acqua penetra nella camera di miscelazione e dal diametro del focalizzatore.
Da questa semplice analisi, l’energia cinetica della singola particella diminuisce con l’aumentare della portata di abrasivo e al diminuire del diametro medio della particella.
E’ inoltre possibile determinare approssimativamente, il numero di particelle di abrasivo contenute nella direzione di avanzamento del getto:
f
=
P
HK1HL.&5Z,HK1HL.&5
∗ +
Il numero di particelle risulta quindi essere funzione della portata di abrasivo, della massa di abrasivo e del tempo di esposizione. La portata di abrasivo viene impostata direttamente sulla macchina mentre la massa di abrasivo può essere ottenuta semplicemente dalla relazione:
Z,HK1HL.&5
=
D
6 ∗ E
Z∗
eL’energia cinetica del getto idro-abrasivo può essere ottenuta dalla seguente equazione:
[
Z @= 3 ∗ Y ∗ ; < ∗ + ∗
P
P
e∗ P
e
+ P
Dalla relazione precedente si può notare la dipendenza dell’energia del getto dai parametri di processo quali pressione, tempo (velocità di avanzamento) e portata di abrasivo.
4
MECCANISMI DI TAGLIO
Nella lavorazione AWJ , si è constatato che ci sono due categorie di tagli prodotti: il taglio "passante” e il taglio “non passante”.
La lavorazione water jet crea un solco caratteristico la cui qualità, dipende oltre che dai parametri di processo impostati anche da fattori esterni. E´ importante che la larghezza del solco di taglio sia tenuta sotto controllo.
La tecnologia di taglio con getto idro-abrasivo genera delle superfici che, indipendentemente dal materiale specifico in lavorazione, manifestano una morfologia superficiale del tipo rappresentato nella figura 4.1.
Figura 4.1_ Presenza di striature sulle pareti del taglio
Si distinguono inoltre tre zone:
• la zona superiore, denominata smooth zone, abbastanza liscia e regolare; • la zona intermedia ossia di transizione tra la zona superiore e quella inferiore; • la zona inferiore, denominata striation zone, visibilmente ondulata.
Alle zone del solco di taglio aventi diverse caratteristiche superficiali corrispondono diversi meccanismi di rimozione del materiale (Figura 4.2):
Figura 4.2_Regioni caratteristiche superfici di taglio
• nella parte superiore del solco, denominata cutting wear zone, il meccanismo di asportazione è per erosione ossia le particelle abrasive colpiscono il materiale a bassi angoli d’impatto. Le irregolarità superficiali sono casuali, ovvero prevale in essa una rugosità superficiale di tipo micro-geometrico;
• nella parte inferiore del solco, denominata deformation wear zone, le particelle abrasive colpiscono invece il materiale con elevati angoli d’impatto e la modalità di asportazione avviene per abrasione. La morfologia è marcatamente ondulata (weaviness) ovvero si formano striature con curvatura nel senso di avanzamento del getto e la cui ampiezza aumenta con la profondità. Il fenomeno di asportazione avviene in modo marcatamente ciclico tramite la formazione e la disgregazione di step di materiale, mentre la curvatura è provocata dalla deflessione del getto.
In un solco di taglio non sempre sono presenti tutte le zone evidenziate. Infatti, se la velocità di avanzamento del getto è sufficientemente elevata scompare la cutting wear zone e la superficie presenterà striature sin dal bordo di ingresso. Se invece la velocità di avanzamento è sufficientemente ridotta la superficie non mostrerà ondulazione bensì rugosità in funzione delle particelle d´abrasivo, del materiale e della velocità.
Da queste considerazioni si evince che una buona finitura superficiale è ottenibile solo per il taglio di materiali di spessore inferiore al valore della cutting wear zone. Nel taglio di spessori maggiori invece si formano le striature superficiali.
4.1
MODALITA’ DI ASPORTAZIONE DEL MATERIALE
Il taglio AWJ avviene sostanzialmente grazie ad un processo erosivo che coinvolge due meccanismi distinti, in funzione del comportamento fragile oppure duttile del materiale. Nell’erosione duttile il processo di taglio avviene grazie alle particelle abrasive che progressivamente incidono e tagliano il materiale causandone una rimozione di volume. Nell’erosione fragile invece il materiale viene rimosso grazie all’azione delle particelle abrasive che, colpendo il materiale, causano la formazione e la propagazione di cricche. Entrambi i meccanismi d’usura sono presenti nel processo di taglio AWJ: in funzione del materiale lavorato, prevale l’uno o l’altro meccanismo.
4.1.1 MATERIALI DUTTILI
La lavorazione dei materiali duttili sfrutta due possibili modalità di asportazione: l’abrasione e l’erosione.
Si ha abrasione quando la particella d’abrasivo giunge sulla superficie del pezzo con un angolo d’impatto ridotto ed una velocità superiore alla velocità critica relativa al materiale (Figura 4.3). In questo caso il singolo grano abrasivo funge da micro-utensile da taglio.
Figura 4.3_Impatto della singola particella
La seconda modalità di asportazione, denominata asportazione plastica o erosione, ha luogo quando l’angolo d’impatto della particella è elevato: giungendo quasi perpendicolarmente sul
pezzo, il grano abrasivo provoca un’elevata deformazione plastica del materiale portandolo a rottura.
Lungo la profondità del solco di taglio, compaiono entrambe le modalità d’asportazione.
4.1.2 MATERIALI FRAGILI
L’asportazione per i materiali fragili avviene grazie alla generazione ed al successivo accrescimento e propagazione di cricche, a partire dalla superficie del pezzo, causate dalle particelle abrasive che operano un vero e proprio bombardamento del materiale (Figura 4.4).
Figura 4.4_Impatto particella abrasivo su materiale fragile
La rete di cricche generate da diverse particelle crea dei micro-volumi non più solidali al pezzo destinati a staccarsi. Questo fenomeno accade per qualsiasi angolo d’impatto dei grani di abrasivo sul materiale. Il vetro, la ceramica e la pietra seguono questo modello di asportazione.
Il comportamento dei diversi materiali, metallici e non, sotto l´azione del getto idro-abrasivo è prossimo ad uno di quelli appena accennati in funzione delle loro caratteristiche di duttilità; in base ad esse è possibile determinare anche quale modalità di asportazione i vari materiali possano sopportare maggiormente [2]: materiali duri e fragili si comportano meglio se sottoposti ad abrasione mentre materiali duttili e tenaci resistono bene all´erosione.
4.2
MODELLIZZAZIONE DEL PROCESSO DI TAGLIO
Il meccanismo di formazione del solco di taglio è un tema che ha coinvolto tutta la ricerca scientifica mondiale di questo settore e numerose sono state le sue interpretazioni. Nonostante ciò il meccanismo di formazione delle striature superficiali non è ancora ben noto.
La ricerca di Hashish si è molto concentrata sulla modellizzazione del processo di taglio giungendo a formule capaci di predire il valore della profondità di taglio o la massa del materiale asportato in funzione degli altri parametri di processo [3].
L’opera di Hashish è importante anche dal punto di vista della descrizione qualitativa del fenomeno del taglio AWJ: le conclusioni che egli trae dalla sperimentazione effettuata sono generalmente accettate come modello di comportamento del getto idro-abrasivo all’impatto con il materiale da lavorare. La sua interpretazione rimane quella più accettata da tutta la comunità scientifica. Per descrivere l’evolversi del solco di taglio all’interno del pezzo Hashish ha utilizzato provini in plexiglas riprendendo il processo di taglio con una telecamera. E’ possibile identificare tre fasi nello sviluppo del solco di un provino a sezione rettangolare.
Fase di ingresso
Seguiamo il processo di penetrazione del getto all’interno del pezzo riferendoci alla Figura 4.5:
• quando il getto arriva ad una distanza dall’ingresso pari al suo diametro (X1), la
profondità di taglio ha un valore pari ad H1;
• avanzando fino ad X2, il getto penetra alla profondità H2: durante questa fase il taglio
avviene per abrasione (piccoli angoli d’impatto);
• tra X2 e X3 l’asportazione prosegue con angoli d’impatto crescenti all’aumentare della
profondità: prevale quindi il fenomeno dell´abrasione nella parte alta del solco e di erosione nella parte bassa;
• alla distanza X4, dove il getto ha raggiunto una profondità pari ad H4, il processo di
penetrazione è completamente sviluppato. Il passaggio da H3 ad H4 avviene per
erosione con elevati angoli d’impatto.
Fase ciclica del taglio
La Figura 4.6 rappresenta soltanto la fase ciclica del taglio partendo dalla fine del ciclo (profilo a).
E’ possibile distinguere tre zone:
• nella zona 1 il getto colpisce la superficie del solco a bassi angoli d’impatto (abrasione);
• nella zona 2 il getto colpisce la superficie del solco in modo misto con angoli d’impatto piccoli e grandi (abrasione ed erosione);
• nella zona 3 il getto colpisce la superficie del solco ad elevati angoli d’impatto (erosione).
La curvatura del solco aumenta con la profondità a causa della diminuzione di materiale rimosso; tale calo è dovuto alla minore efficacia di taglio manifestata dalle particelle abrasive deflesse quando la profondità del solco è elevata (zona 2). Quando la rimozione di massa diviene nulla, un ulteriore avanzamento del getto provoca la formazione di un piccolo gradino (nella Figura 4.6 alla distanza dX dal profilo A). Quest’ultimo viene sottoposto ad un impatto pressochè perpendicolare delle particelle e quindi rimosso; un ulteriore avanzamento dX provoca la formazione di un nuovo
gradino in corrispondenza della nuova estremità del solco.
La rimozione del secondo gradino è ritardata fino al momento in cui il primo non risulta totalmente asportato. Le dimensioni dei successivi gradini divengono sempre più accentuate al crescere della profondità; questo fenomeno è accompagnato da un aumento dell’angolo di deflessione del getto e prosegue fino a che esso non risulti pari a 90° (profilo B, getto orizzontale all’uscita del solco).
A questo punto un avanzamento del getto produce la formazione di un gradino di dimensioni elevate con deflessione verso l’alto del flusso idro-abrasivo: si arriva cosi alla massima profondità del solco.
Il ciclo di taglio a questo punto è terminato ed un ulteriore spostamento in avanti del getto ne innesca uno nuovo.
Fase di uscita
La fuoriuscita del getto dal pezzo in lavorazione provoca una deflessione del solco in direzione opposta alla precedente: questo fenomeno lascia una zona triangolare non tagliata nella parte terminale del solco denominata uncut.
Quando si taglia un materiale si deve fare in modo che la profondità H2 sia superiore allo
spessore del pezzo. E´ importante notare che le dimensioni dei vari profili del solco analizzati dipendono dai parametri tecnologici e fluidodinamici impostati.
4.3
FORMAZIONE DELLE STRIATURE
Il taglio a getto d’acqua ad altissima pressione nel corso degli ultimi anni ha mostrato un sensibile miglioramento nelle prestazioni ed un sostanziale ampliamento delle sue applicazioni: rappresenta, infatti, un’alternativa molto interessante ad alcune tecnologie tradizionali sia per quel che riguarda problemi specificatamente tecnici sia per far fronte all’esigenza di concorrenza in un mercato che pone sempre più l’attenzione sul processo di produzione industriale.
Un considerevole contributo al miglioramento del processo può essere attribuito all’intensa attività di ricerca sulla tecnologia water jet condotta, a livello internazionale, sia dalle aziende costruttrici sia da istituti di ricerca e da utilizzatori di questa tecnologia.
Dopo una prima fase in cui la ricerca si è focalizzata sull’ottimizzazione dei parametri di processo (idraulici, fluidodinamici e tecnologici), fase che è risultata essere particolarmente difficoltosa a causa dell’instabilità di alcuni di essi durante la lavorazione, si assiste ora ad un particolare interesse per quegli aspetti tradizionalmente trascurati ma che risultano essere di particolare importanza per la comprensione della fisica del processo di taglio della tecnologia Water jet/Abrasive Water jet e per il miglioramento della qualità ottenibile.
In particolare, risulta oggetto di ricerca la formazione delle irregolarità chiamate “striature” lungo tutta la superficie generata. L’interpretazione tradizionale del meccanismo di formazione delle striature, nel taglio AWJ, vuole che queste insorgano oltre una certa profondità e siano presenti soprattutto nel taglio di materiali molto consistenti.
La letteratura suddivide le cause responsabili della generazione delle striature nel caso di taglio con getto idro-abrasivo in [4]:
• cause fenomenologiche: le striature derivano dal processo intrinseco di asportazione del materiale in quanto tale;
• cause relative al controllo dei parametri: l’instabilità dei parametri di taglio (pressione, portata di abrasivo, velocità traversa, ...) è responsabile della formazione delle striature;
• cause relative all’attrezzatura di supporto: le vibrazioni del pezzo e/o dell’ugello durante il taglio provocano la formazione delle striature.
4.4
IL FENOMENO DELLE STRIATURE: STATO DEL’ARTE
La consapevolezza dell’intrinseca instabilità della pressione dell’acqua ha indotto i ricercatori a valutarne tutti i possibili effetti sulla qualità del taglio. Di fatto, gli innumerevoli modelli energetici e/o geometrici pubblicati sono concordi nell’attribuire alla fluttuazione della pressione una delle cause responsabili della formazione delle striature superficiali.
In particolare, in [5] é stato rilevato come la fluttuazione della pressione è in grado di accentuare le striature superficiali che, secondo l’autore, vengono generate dal meccanismo di asportazione caratteristico della tecnologia a getto d’acqua.
In [6] ed in [7] gli autori concludono che la fluttuazione di pressione causa una variazione ciclica della densità di potenza del getto la quale influenza direttamente il diametro del getto: conseguenza ultima è la fluttuazione periodica delle dimensioni del kerf.
Hashish considera solo le cause fenomenologiche ed osserva che [4]:
• l´ondulazione superficiale é direttamente proporzionale alla velocità d´avanzamento e inversamente proporzionale alla portata d´abrasivo;
• la larghezza del solco di taglio è inversamente proporzionale alla velocità d´avanzamento;
• ricerche sperimentali hanno dimostrato che l´ondulazione non é evidente quando il solco di taglio é divergente, cioè quando l´ampiezza del solco è maggiore nella parte inferiore del taglio;
• al di sotto di una certa velocità di avanzamento l´ondulazione superficiale è completamente assente;
• riducendo la taglia delle particelle di abrasivo (quindi all´aumentare della mesh) si assiste ad un aumento dell´ondulazione superficiale e ad una diminuzione della rugosità. Infatti, riducendo la taglia delle particelle d´abrasivo si ha una diminuzione dell´efficacia del getto;
• l´ondulazione superficiale é simile per tutti i tipi di materiale come vetro, metalli e materiali compositi;
• l´ampiezza dell´ondulazione superficiale varia lungo la profondità del taglio;
• il periodo dell´ondulazione, cioè la distanza fra i picchi, non é unica ma dipende da diversi parametri di processo. Il periodo aumenta all´aumentare della profondità; • la fluttuazione della pressione influenza la formazione delle striature superficiali, tanto
L´autore osserva anche che, nonostante si possa distinguere una frequenza ben definita, l´ondulazione è abbastanza irregolare. Sono i fattori esterni (instabilità dei parametri di processo e le vibrazioni della testa di taglio nonché quelle indotte sul pezzo in lavorazione) che determinano lo scostamento dell´ondulazione superficiale dalla situazione ondulatoria ideale. Per filtrare questi fattori esterni, ed eliminare così le irregolarità, utilizza un materiale molto difficile da tagliare come il zircone. Infatti, l´alta resistenza erosiva che offre questo materiale al taglio lo rende insensibile alle fluttuazioni dei parametri di processo nonché alle vibrazioni. In questo modo si ottiene una superficie del solco di taglio la cui ondulazione è dovuta ai fattori intrinsechi del processo: le striature sono uniformemente distribuite e ciò indica che sono formate da un preciso fenomeno ciclico. Hashish, infine, individua un´equazione che lega l’ampiezza della cresta della striatura (Rw) con il diametro del getto
(dj=dn), la velocità traversa (u), la profondità di penetrazione (h), la profondità della cutting
zone (hc), la velocità del getto (Vj), la portata di abrasivo (ma) e l’energia specifica per il
deformation mode (ε):
Se lo spessore del materiale è minore o uguale all´altezza hc, questa equazione non può essere
utilizzata. Quando invece lo spessore del materiale è inferiore ad hd ma maggiore ad hc, parte
del solco di taglio sarà ondulato e l´ampiezza delle striature può essere prevista dall´equazione.
Sebbene i valori qualitativi previsti siano in accordo con quelli sperimentali, esiste una certa discrepanza che può essere giustificata dal fatto che il diametro del getto all´uscita è differente da quello all´entrata.
Un differente approccio è stato quello di Louis, Meier e Guo in [8] secondo i quali la qualità superficiale di un taglio AWJ è influenzata da fattori interni ed esterni. Le vibrazioni del pezzo o dell’ugello primario e le fluttuazioni dei parametri di taglio sono considerati esterni; la fisica del processo, invece, é un fattore interno. Essi si concentrano sull’influenza della fisica del processo di taglio sulla struttura superficiale del solco di taglio. Per comprendere le cause della formazione delle striature superficiali utilizzano l´analisi spettrale di Fourier e trovano che:
• nella parte superiore del solco di taglio lo spettro é distribuito su un ampio range di frequenze, questo significa che il profilo superficiale é per lo piú random;
• all’aumentare della profondità di taglio la distribuzione spettrale è maggiormente concentrata in un range di frequenze confermando quindi l´esistenza di una armonica dominante (si ha infatti una successione di picchi e valli). La componente dominante é ancora più marcata all’aumentare della profondità di misura. Inoltre, i picchi più alti dello spettro di potenza a diverse profondità di taglio si trovano all´incirca alle stesse frequenze;
• la frequenza e l´ampiezza della componente ondulatoria dominante dipendono fortemente dai parametri di processo e dallo spessore del pezzo da lavorare. Il diametro del getto influenza notevolmente le sue caratteristiche. All´aumentare del diametro del focalizzatore la frequenza della componente ondulatoria dominante é spostata a frequenze inferiori;
• la distribuzione dell´intensità di potenza del getto rilevata dall´impronta lasciata dal getto all´uscita di un taglio passante ha mostrato che il processo è periodico e discontinuo;
• esiste un legame tra l´oscillazione periodica del getto e la componente ondulatoria superficiale.
La superficie generata non è caratterizzata da un solo tipo di morfologia ma è il risultato di più tipologie sovrapposte. L’utilizzo della trasformata di Fourier del profilo di rugosità nell’analisi delle superfici permette di riconoscere le armoniche dominanti, in frequenza spaziale, alle varie profondità di misura. Infatti è tramite l’analisi in frequenza che si distinguono le varie tipologie di profili e si riconoscono le singole componenti della tessitura superficiale che, sovrapposte, compongono la superficie così come la si osserva (Figura 4.7)
Figura 4.7_Componenti del profilo superficiale
Tan [9], basandosi sugli studi precedentemente condotti da Hashish per spiegare le formazione delle striature, elabora un modello cinematico/geometrico del processo di taglio. Egli suppone che le striature siano dovute alla cinematica ed alla geometria del processo di taglio piuttosto che alla dinamica del processo (instabilità del getto).
Basandosi sulle considerazioni della dissipazione di energia durante il processo di taglio nonché sulle osservazioni sperimentali, Tan elabora un possibile meccanismo di formazione della striature che tiene conto solo della pressione, della velocità d´avanzamento e della mesh dell´abrasivo utilizzato. Il modello assume che il getto colpisca ortogonalmente la superficie del pezzo da lavorare e che la stand off distance rimanga costante.
Quando il getto penetra nel materiale, la rimozione di materiale dissipa la sua energia: il tasso di penetrazione perciò decresce all´aumentare della profondità di penetrazione (h) fino a raggiungere la profondità limite (hm). Questa profondità dipende dalla pressione di lavoro (P), dalla velocità d´avanzamento (u), dalla dimensione delle particelle abrasive (g) e da altri parametri del getto.
Ad una fissata profondità h, la larghezza del solco, che rappresenta il diametro del getto (D), aumenta al diminuire della velocità d´avanzamento.
