OTTIMIZZAZIONE DEI PARAMETRI DI TAGLIO DELLA TECNOLOGIA ABRASIVE WATERJET SU MATERIALI LAPIDEI

OTTIMIZZAZIONE

DEI

PARAMETRI

DI

TAGLIO

DELLA TECNOLOGIA ABRASIVE WATERJET SU

MATERIALI LAPIDEI

ABSTRACT

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, dove attualmente lavoro.

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.

INTRODUZIONE

La tecnologia abrasive water jet (AWJ) consente di lavorare i materiali lapidei attraverso un getto d’acqua ad altissima pressione unito ad un materiale abrasivo. Il sistema è costituito da un centro di lavoro composto sostanzialmente da una pompa di alimentazione più un gruppo filtraggio acqua, un gruppo pompa ad alta pressione, un’unità robotizzata con la testa di taglio sotto alla quale vengono collocati i pezzi in lavorazione, e un quadro comandi. L’acqua viene compressa tramite la pompa ad alta pressione ed inviata, all’interno della testa di taglio, ad un ugello di zaffiro, con foro calibrato, che serve ad aumentare la velocità dell’acqua fino a valori ipersonici; prima di essere espulsa attraverso l’ugello, l’acqua viene miscelata con una quantità prestabilita di polvere abrasiva.

L’AWJ è usato per tagliare materiali molto diversi tra loro, dai materiali duttili ai materiali fragili. Questa tecnologia offre diversi vantaggi come stretta larghezza di taglio, calore trascurabile nella zona colpita e flessibilità di lavorazione.

Il taglio AWJ è un processo di taglio complesso, influenzato da diversi parametri di tipo idraulico, di miscelazione, parametri abrasivi e di processo. La sua capacità di tagliare materiali di diverso spessore dipende dalla scelta dei vari parametri e dalle proprietà dei materiali tagliati. Diversi tentativi fatti per capire questo processo complesso, includono anche l'analisi del meccanismo di asportazione del materiale al fine di valutare i tassi di rimozione del materiale e gli studi di geometria del taglio per valutare la qualità e l'integrità della superficie ottenuta.

PARAMETRI CARATTERIZZANTI LA QUALITA’ DEL TAGLIO

 Profondità di penetrazione  Ampiezza del solco

 Conicità del solco

PROFONDITA’ DI PENETRAZIONE

La profondità di penetrazione è la profondità massima raggiunta del getto idro-abrasivo e si misura in mm. Questo valore può essere ricavato teoricamente, attraverso modelli di previsione della profondità di taglio presenti in letteratura: [1] e [2].

 Modelli basati sul meccanismo di erosione  Modelli basati sulla meccanica della frattura  Modelli basati su un approccio energetico

Nel nostro studio la profondità di penetrazione verrà mantenuta costante.

AMPIEZZA DEL SOLCO

L’ampiezza del solco, anch’essa misurata in mm (Figura1c), è legata al diametro del getto e quindi al setup della testa, ovvero la combinazione diametro dell’ugello primario (orifizio) e diametro del focalizzatore utilizzata. Inoltre l’ampiezza del solco dipende, dalla distanza di stand off (ovvero la distanza tra il focalizzatore e il materiale in lavorazione) poiché il getto idro-abrasivo tende ad allargarsi come evidenzia la Figura 1a e 1b.

Figura 1_Foto getto idro-abrasivo (a), zone caratteristiche getto (b), ampiezza solco (c)

CONICITA’ DEL SOLCO

La conicità del solco, misurata in gradi, è definita come:

dove e sono rispettivamente la larghezza del solco nella parte superiore e nella parte inferiore del taglio e H la profondità.

La comprensione della formazione dell’angolo di inclinazione delle superfici di taglio inizia con le caratteristiche del getto. La distribuzione della velocità all’interno del getto è il fattore principale di questo fenomeno [3], [4], [5], [6]. Per un flusso turbolento, la velocità delle particelle in qualsiasi sezione trasversale del getto tende ad essere bassa alla parete e aumenta fino ad un massimo al centro del getto, come mostrato infigura 2.

Figura 2_Andamento velocità all’interno del getto idroabrasivo

Questo fenomeno avviene a causa degli sforzi di taglio che il getto stesso incontra ai propri confini. Per rimuovere il materiale, l’energia del getto deve superare l'energia di frattura necessaria all’erosione. Considerando la distribuzione della velocità radiale del getto, la parte interna di esso possiede energia cinetica sufficiente per penetrare il materiale più in profondità rispetto alla parte esterna causando quindi tagli conici.

PRESENZA DI STRIATURE

Studi di visualizzazione hanno confermato l’AWJ come un processo di taglio al quale viene associata la formazione di striature lungo le superfici di taglio, Figura 3.

Le striature che si formano sono caratterizzate da un’ondulazione più o meno marcata a seconda delle condizioni di taglio e da un angolo di inclinazione ovvero l'angolo fra la tangente alla curva delle striature alla profondità H e l'asse del getto.

Figura 3_Presenza di striature sulle pareti del taglio

Studi fatti su materiali fragili, [7],[8],[9],[10] , hanno suggerito un modello della zona di impatto del getto sul materiale a due stadi dove la regione di taglio è divisa in una zona di impatto diretto e una zona di impatto secondario.

Nella zona di impatto diretto, le particelle abrasive incidono direttamente tutto il fronte di taglio; con l’avanzamento della testa di taglio, l'area dietro il getto viene esposta all'impatto secondario delle particelle che vengono quindi deviate dalla zona di impatto diretto. Ciò si traduce in un improvviso cambiamento di curvatura del taglio stesso.

La presenza di striature sulle superfici tagliate è descritta attraverso la valutazione di 5 diversi gradi di finitura delle superfici di taglio (Figura 4)

Figura 4_Cinque diversi gradi di finitura delle superfici di taglio

La prima zona, Q5 in figura, è caratterizzata da pareti molto lisce (valori Ra sotto 6,3 micron). La seconda zona, Q4, ancora con pareti piuttosto lisce (Ra fino a 12,5 micron), la terza zona Q3, con una ondulazione ben distinta (Ra fino a 50 micron). La quarta zona Q2, è caratterizzata da una ondulazione molto marcata con ampiezze che raggiungono alcuni decimi di millimetro. Infine, la quinta zona Q1 è caratterizzata da un enorme ondulazione, dalla formazione di cavità sulle pareti e infine da piccole zone dove il taglio risulta addirittura non passante.

Il modello matematico di riferimento utilizzato, permette di calcolare l'angolo d’inclinazione delle striature teorico relativo ad una certa velocità di avanzamento, , con la seguente relazione [11]:

dove è l’angolo di inclinazione limite teorico delle striature, ovvero il massimo angolo di inclinazione relativo alle condizioni limite per cui si verifica la situazione di taglio passante, è la velocità di avanzamento impostata e è la velocità di avanzamento limite teoria con cui è

possibile eseguire un taglio passante su uno spessore H.

ATTIVITA’ SPERIMENTALE

L’attività sperimentale è stata svolta su 9 campioni di marmo Bianco di Carrara di spessore 20 mm (calibrati), ad ognuno dei quali sono stati effettuati 5 tagli, per un totale di 45 misurazioni differenti (Figura 5).

Sono stati usati 3 livelli di pressione del getto, 3 livelli di portata di abrasivo e 5 livelli di velocità di avanzamento della testa di taglio.

Figura 5_ Campioni

I tre livelli di pressione sono rispettivamente P= 300, 360 e 415 [MPa]. La portata di abrasivo utilizzata è ma= 0.317, 0.410 e 0,498 [kg/min].

Infine la velocità di avanzamento usata è pari a va= 193, 385, 578, 770 e 963 [mm/min].

Le caratteristiche meccaniche principali del materiale usato sono riportate in tabella 1:

Tabella1

Su ogni campione è stata fatta una valutazione sia sulla presenza di striature che sulla conicità delle pareti di taglio.

La Tabella 2 riassume tutte le varie combinazioni eseguite sperimentalmente e per ognuna delle quali è stato calcolato il valore dell’angolo di conicità e l’angolo di inclinazione delle striature.

P= 300 MPa P= 360 MPa P= 415 MPa Velocità [mm/min] Angolo striature [gradi] Conicità [gradi] Velocità [mm/min] Angolo striature [gradi] Conicità [gradi] Velocità [mm/min] Angolo striature [gradi] Conicità [gradi] ma= 0,317 [kg/min] 963 56 2.76 963 50 2.58 963 44 2.39 770 42 1.92 770 37 1.83 770 32 1.75 578 27 1.40 578 22 1.32 578 18 1.25 385 19 1.27 385 15 1.22 385 13 1.18 193 9 1.00 193 8 0.93 193 7 0.82 ma= 0,410 [kg/min] 963 55 2.76 963 48 2.58 963 42 2.39 770 40 1.92 770 35 1.82 770 31 1.74 578 25 1.39 578 21 1.32 578 18 1.25 385 17 1.27 385 15 1.22 385 12 1.18 193 8 0.99 193 7 0.92 193 6 0.81 ma= 0,498 [kg/min] 963 53 2.76 963 47 2.57 963 40 2.39 770 38 1.91 770 34 1.82 770 31 1.74 578 24 1.38 578 20 1.31 578 16 1.25 385 17 1.27 385 14 1.21 385 11 1.17 193 7 0.99 193 7 0.92 193 6 0.81 Tabella 2

Inoltre sono state effettuate prove di taglio a diversi valori della distanza di stand-off valutando il valore dell’ampiezza del solco.

DISCUSSIONE RISULTATI

A seguito di un analisi dei valori sperimentali ottenuti è possibile evidenziare i risultati seguenti:

CARATTERISTICA VALORE

Densità 2714 kg/m3

Resistenza a compressione monoassiale 131 MPa

Resistenza a flessione 18 MPa

Conicità

Dal Grafico 1 si può vedere l’andamento della conicità delle superfici di taglio in funzione della velocità di avanzamento della testa relativo ai tre valori di pressione presi in considerazione.

Grafico 1_ Variazione dell’angolo d’inclinazione delle superfici di taglio in funzione della velocità di avanzamento al variare della pressione dell’acqua con

La pressione dell'acqua ha molta influenza sulla conicità delle superfici di taglio. I risultati sperimentali confermano che un incremento della pressione dell'acqua, causa una diminuzione degli angoli. Quando si aumenta la pressione dell'acqua, il getto aumenta la propria energia cinetica che viene trasferita alle particelle abrasive, generando un solco più ampio e più fondo. Pertanto, la differenza di larghezza superiore e inferiore del solco è ridotta, causando una diminuzione della conicità.

L'aumento della conicità è una conseguenza diretta del tempo di esposizione del getto idro-abrasivo sul materiale da tagliare. Infatti con velocità di avanzamento maggiori, (a parità di portata di abrasivo), si ha una minore interazione del getto sulla superficie da tagliare, quindi meno particelle abrasive concorrono all’erosione del materiale. Di conseguenza, tagli con bassa velocità di avanzamento presentano piccoli angoli di conicità.

Per una migliore qualità di taglio deve essere mantenuta una distanza ottimale tra l'ugello e il pezzo (distanza di stand-off). In genere questo valore oscilla tra 1 mm e 2 mm. All'aumentare della distanza sopra i 2 mm, l’effetto evidente è un arrotondamento sul bordo superiore del taglio. Ciò si verifica perché il flusso di getto d'acqua perde coerenza mentre viaggia attraverso l'aria aperta. Una maggiore altezza dell'ugello comporterà anche un aumento dell’angolo di inclinazione delle superfici di taglio, infatti aumentando la distanza di stand-off, il materiale è esposto ad un getto con un larghezza efficace ridotta la quale diminuisce all’aumentare della distanza dal focalizzatore. La larghezza efficace del getto diminuisce più velocemente sulla parte finale dello spessore del pezzo rispetto alla parte superiore causando quindi un aumento della conicità.

Con un aumento della portata di abrasivo l'angolo di conicità diminuisce anche se in modo irrilevante rispetto agli altri parametri.

In generale, l'effetto della velocità di avanzamento e della pressione dell'acqua sono notevolmente maggiori rispetto alla portata di abrasivo e alla distanza di stand-off.

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 A n go lo in cl in azi o n e [ gr ad i]

Velocità avanzamento [mm/min]

Angolo inclinazione taglio

P= 300 MPa P=360 MPa P= 415 MPa

Presenza di striature

La letteratura suddivide le cause responsabili della generazione delle striature nel caso di taglio con getto idro-abrasivo in [12]:

 cause fenomenologiche: le striature derivano dal processo intrinseco di asportazione del materiale;

 cause relative al controllo dei parametri: l’instabilità dei parametri di taglio (pressione, portata di abrasivo, velocità, ...) 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.

Dal Grafico 2 è possibile visualizzare l’andamento dell’angolo di inclinazione delle striature in funzione della velocità di avanzamento per diversi valori della pressione, (il calcolo dell’angolo di inclinazione delle striature è stato effettuato attraverso un software CAD)

Grafico 2_Variazione dell’angolo d’inclinazione delle striature in funzione della velocità di avanzamento al variare della pressione dell’acqua con

L’angolo di inclinazione, a parità del livello di pressione dell’acqua, cresce all’aumentare della velocità di avanzamento.

A parità della velocità di avanzamento, l’angolo d’inclinazione decresce all’aumentare della pressione dell’acqua.

Al di sotto di una certa velocità di avanzamento l´ondulazione superficiale è quasi completamente assente (zona Q5).

Ad ognuna delle cinque zone caratterizzanti la qualità delle superfici di taglio, è strettamente correlato un intervallo di valori dell’angolo d’inclinazione delle striature , visibile in Figura 6. Non sono state riscontrate significative variazioni dell’angolo di inclinazione con il variare della portata di abrasivo e con la distanza di stand off.

0 10 20 30 40 50 60 0 200 400 600 800 1000 1200 A n go lo st ri atu re [g rad i]

Velocità avanzamento [mm/min]

Angolo inclinazione striature

P=300 MPa P= 360 MPa P= 415 MPa

Figura 6_ Angoli di inclinazione delle cinque zone qualitative delle striature

Dal Grafico 3 è possibile notare la differenza tra i valori dell’angolo d’inclinazione misurati sperimentalmente e quelli teorici ottenuti mediante la formula matematica vista in precedenza

Grafico 3_ Differenza tra i valori misurati sperimentalmente e i valori calcolati attraverso l’equazione teorica con e P = 415 MPa

Ampiezza del solco

Dal Grafico 4 è possibile valutare l’influenza della distanza di stand-off sull’ampiezza del taglio a seguito di differenti valori delle ore di funzionamento dell’orifizio.

L’orifizio usato nelle prove sperimentali è costituito da zaffiro sintetico in Rubino.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 200 400 600 800 1000 1200 A n go lo st ri atu re [g rad i]

Velocità avanzamento [mm/min]

Inclinazione striature

valori misurati valori calcolati

Grafico 4_Variazione dell’ampiezza del solco in funzione della distanza di stand-off al variare delle ore di funzionamento dell’orifizio con e P = 415 MPa

L’ampiezza del solco aumenta con l’aumentare della distanza di stand-off a causa della natura divergente del getto idro-abrasivo, inoltre è stato registrato un aumento considerevole anche in funzione delle ore di lavoro dell’orifizio a causa dell’usura dello stesso che provoca un aumento del diametro del getto.

E’ stata riscontrata una durata media dell’orifizio di circa 40/50 ore entro cui l’ampiezza del solco registra un incremento minore o uguale del 20 % dalla dimensione teorica di 1.2 mm (diametro del getto).

ANALISI ECONOMICA

Come si può notare dal Grafico 5, il costo totale della lavorazione di taglio con tecnologia abrasive water jet, espressa in euro per metro lineare di taglio (€/m), diminuisce notevolmente con l’aumentare della pressione dell’acqua utilizzata fino a raggiungere un punto di minimo.

I costo totale è composto dai costi variabili:

 Costo del sistema di intensificazione della pressione  Costo dell’energia elettrica

 Costo dell’ugello e del focalizzatore  Costo della macchina

 Costo abrasivo  Spese generali e dai costi fissi.

Le voci di costo che influenzano maggiormente questa tecnologia sono il costo dell’abrasivo, i costi fissi (setup macchina, programmazione, ecc), il costo di ugelli e focalizzatori e altri componenti di manutenzione [13]. 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 1 2 3 4 5 6 A m p ie zza d e l t ag lio [m m ] Distanza stand-off [mm]

Ampiezza del taglio

1 h 20 h 50 h

Grafico 5_Variazione del costo totale di lavorazione in funzione della pressione dell’acqua con e

Da un analisi del grafico è possibile notare un punto di minimo della curva di costo pari 2.35 €/m in corrispondenza di una pressione dell’acqua di 395 Mpa.

CONCLUSIONI

I parametri che più influenzano la presenza di striature e la conicità sono la pressione dell’acqua e la velocità di avanzamento. Aumentando la pressione del getto, le striature risultano meno marcate e di conseguenza anche l’angolo di inclinazione delle stesse diminuisce; analogamente la conicità del solco diminuisce all’aumentare della pressione e più marcatamente al diminuire della velocità.

Per entrambe le caratteristiche qualitative, il variare della portata di abrasivo ha un’influenza minore rispetto ai due parametri sopra citati.

Per quanto riguarda l’ampiezza del solco, il parametro principale risulta essere la distanza di stand-off, infatti all’aumentare di questo parametro ne consegue un aumento dell’ampiezza del solco. Inoltre l’ampiezza è anche influenzata dal grado di usura dell’orifizio e del focalizzatore, infatti dopo diverse ore di lavorazione il degrado di questi due componenti provoca un aumento del diametro del getto.

Infine la profondità di penetrazione risulta essere influenzata principalmente dalla pressione dell’acqua e dalla velocità, anche se il valore della pressione ha un effetto maggiore.

L’esigenza qualitativa di effettuare lavorazioni con pressioni il più alte possibili risulta però essere limitata dal punto di vista economico a valori che si attestano su 390-400 MPa.

Per quanto riguarda la velocità di avanzamento, il giusto compromesso tra le esigenze qualitative dell’azienda e l’aspetto economico risulta essere l’adozione di velocità comprese tra 400 e 500 mm/min.

Infine, data la minore influenza sui risultati, non è necessaria l’adozione di portate di abrasivo elevate, valori che si attestano intorno a 0,350-0,400 Kg/min sono sufficienti a garantire il livello qualitativo desiderato.

Con l’utilizzo di questi parametri, la qualità delle superfici di taglio risulta compresa tra la zona Q4 e Q3 e la conicità delle stesse limitata a valori non superiori a 1.3 gradi.

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 Co sto [ € /m ] Pressione [Mpa]

Costo Totale

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