Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione - 05 e – LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA 1 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione WATER JET MACHINING Definizione: lavorazioni in cui l’asportazione del materiale avviene per erosione mediante un getto d’acqua ad altissima velocità (1000 m/s – mach 3). Sviluppata a partire dalla metà del 1900, trovò subito applicazione nelle industrie minerarie per il taglio della roccia. Successivamente, l’utilizzo del W.J.M. si e’ affermato in vari campi dal taglio della carta a quello di materiali compositi e nell’industria aerospaziale. Le peculiarità di tale lavorazione, che la rende competitiva rispetto a tecnologie di più recente introduzione (laser), consistono nella possibilità di non alterare termicamente il materiale e di limitare la formazione di bave. Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 2 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Caratteristiche del processo L’asportazione del materiale avviene fondamentalmente secondo due distinti meccanismi: 1. le particelle asportate sono quelle investite direttamente dal getto d’acqua, fenomeno prevalente nei materiali duttili. 3 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Caratteristiche del processo 2. il getto d’acqua, dopo esser penetrato nel materiale, si insinua nelle porosità del materiale stesso, generando delle pressioni tali da far distaccare intere porzioni di materiale (craterizzazione della superficie) tipico dei materiali fragili. Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 4 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Caratteristiche del processo I materiali: la condizione indispensabile affinché un materiale risulti convenientemente lavorabile con le W.J.M. è che esso sia poroso, fibroso o granulare. Il parametro su cui agire per ottenere un taglio con qualità elevate è la forza con cui il getto colpisce la superficie del pezzo. Questa può essere calcolata dalla variazione di quantità di moto: Dove: ρ = densità dell’acqua supposta costate = 1kg/dm3 A (Ø) = qualche decimo di millimetro v = 1000m/s F risulta quindi essere circa 8N (5÷130N) essendo questo un valore medio è lecito supporre che localmente i valori delle forza siano maggiori. 5 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale L’impianto Accumulatore Controllo pressione Intensificatore Ugello (3800bar) Motore Water in Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Pompa olio (200bar) Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 8 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale L’equipaggiamento Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Pressione: e’ possibile risalire alla pressione dell’acqua da quella dell’olio dalla seguente equazione di equilibrio (principio del torchio idraulico) Si può così calcolare la pressione dell’acqua in funzione di quella dell’olio: Così facendo e’ possibile regolare la P di uscita agendo sulla pressione dell’olio. 9 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale L’equipaggiamento Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Accumulatore: ha lo scopo di attenuare i picchi di pressione dati dall’ intensificatore. Filtri: hanno lo scopo di eliminare particelle che andrebbero a rovinare l’ugello (potere selettivo 0.45μm). L’usura può essere data da: • elevata velocità di uscita (durezza, particelle in sospensione); • materiale asportato (scalfitture). Raccoglitore: ha lo scopo di raccogliere l’acqua e di dissiparne l’energia cinetica. L’elevata energia in gioco porta a dover avere vasche con profondità fino a 600mm per garantire che il flusso si disperda prime di toccare il fondo. Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 10 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Vantaggi/Svantaggi • Limitata usura dell’utensile (ugello) • Non si possono lavorare materiali metallici • Non si hanno alterazioni termiche e strutturali del materiale in fase di lavorazione • Elevato costo impianto • Elevata rumorosità • Trattamenti acqua di scarico • Taglio pulito e ridotta dispersione di particelle (fondamentale per lavorazioni di materiali pericolosi) 13 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Applicazioni Largamente utilizzato per il taglio di materiali duttili. Materiale Lana di vetro Compensato Burro Spessore [mm] 17 50 294 6 Cuoio (90Kg/m3) 2.2 Cartone (800g/m2) 294 98 3 Poliestere Velocità di taglio [mm/sec] 25 Kevlar Grafite Pressione [MPa] 2.3 2 1 294 294 294 431 245 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 167 8 50 80 330 2500 8330 14 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione -4LAVORAZIONI ABRASIVE 15 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione LAVORAZIONI A GETTO ABRASIVO (Abrasive Jet Machining) Definizione: lavorazioni in cui l’asportazione del materiale avviene per erosione mediante l’elevata velocità impressa a particelle di materiale immerso in un flusso di gas, che agisce da refrigerante. La presenza dell’abrasivo permette la lavorazione di metalli con caratteristiche meccaniche elevate. Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 16 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale L’attrezzatura Tecnologie e Sistemi di Lavorazione 18 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione PARAMETRI DI PROCESSO Velocità e pressione: generalmente si attestano intorno a valori di 150÷300 m/s e 690÷860 kPa (6,9÷8,6 bar). Portata di abrasivo: è il parametro più importante per ottenere un adeguata asportazione di materiale rispetto alla lavorazione che si vuole eseguire: • • asportazione materiale lavorazioni superficiali (pulitura) 10÷20 g/min 3÷5 g/min L’andamento del tasso di asportazione in funzione della portata di abrasivo presenta un massimo, che deve essere identificato per ogni lavorazione. Una portata eccessiva a parità di pressione del gas riduce la velocità media delle particelle e di conseguenza anche la capacità di asportare il materiale. Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 19 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Tasso di asportazione/portata 20 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Tasso di asportazione/portata/dimensione abrasivo Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 21 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Parametri di Processo L’ugello: la forma e le dimensioni incidono molto sul risultato delle lavorazioni. La condizione indispensabile per ottenere un flusso efficace e’ che esso non si disperda eccessivamente nel tragitto ugello/pezzo. Gli ugelli migliori risultano essere quelli a sezione quadrata o rettangolare. Distanza pezzo-ugello Fino a 0,75 mm il flusso è compatto successivamente tende ad allargarsi con un angolo di 7° Per la pulitura si arriva fino a distanze di 75 mm. 22 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione -6Abrasive Water Jet Machining Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 25 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione LAVORAZIONI A GETTO D’ACQUA ABRASIVO (Abrasive Water Jet Machining) I meccanismi di asportazione del materiale sono di due tipi: in superficie e per la maggior parte del taglio abbiamo la prevalenza dell’effetto abrasivo; mentre in profondità avremo quella dell’acqua. Con questa tecnologia si possono ottenere velocità di taglio elevate e si possono tagliare spessori di materiale fino a 200 mm. Lavorazione che unisce le tecnologie di asportazione a getto d’acqua e di asportazione a getto abrasivo. Tale lavorazione prevede un getto d’acqua con immerse particelle di materiale abrasivo. 26 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale L’impianto Accumulatore Controllo pressione Intensificatore Ugello (3800bar) Motore Water in Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Pompa olio (200bar) Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 27 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale La Strumentazione Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Gli elementi impiantistici di maggior interesse sono: • sistema di alimentazione dell’abrasivo • ugello L’ingresso della polvere nell’ugello avviene radialmente , mentre l’acqua in pressione procede assialmente. Grazie alla velocità e alla geometria dell’ugello l’acqua nel suo passaggio crea una depressione tale da risucchiare la polvere abrasiva. Tale metodologia non garantisce un afflusso di abrasivo costante. Si preferisce generalmente un’immissione della polvere assiale. Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 28 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale La Strumentazione Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Per ridurre i problemi di rumorosità ed emissione di nebulizzati, si può eseguire la lavorazione in acqua. Così facendo si ha una riduzione di efficienza pari al 20÷30% ma con notevoli vantaggi dal punto di vista delle condizioni lavorative. Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 29 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Parametri di processo 1. Alcuni valori comuni dei parametri di lavorazione prevedono una percentuale di abrasivo (ossido di alluminio od olivina) pari a circa in 30% in massa del getto. La dimensione delle particelle è di 0.2÷0.5 mm, con una portata di polvere pari a 0.5 Kg/min e di 11 l/min per l’acqua. 2. I costi di impianto e di manutenzione sono influenzati dal costo della polvere fino ad un valore del 50% 3. Un paramero fondamentale in fase di lavorazione e’ la distanza tra ugello e pezzo (taglio fino 12 mm, pulitura 80 mm). 30 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Parametri di processo Pressione: il legame tra pressione e profondità di taglio risulta pressoché lineare. Dal diagramma si evidenzia l’esistenza di un valore minimo sotto al quale non si ottiene il taglio. Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 31 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Parametri di processo Velocità di avanzamento: La profondità di taglio diminuisce all’aumentare della velocità di avanzamento dell’ugello. Questo perché a parità di tempo l’energia del getto viene distribuita su una superficie più vasta. 32 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Parametri di processo Portata della polvere: l’efficienza di taglio risulta essere influenzata anche dalla portata di polvere abrasiva. Esiste un valore ottimale a seconda delle condizioni lavorative come mostrato in figura. Se la portata è bassa si ha un calo di efficienza laddove l’azione dell’abrasivo risulta predominante. Se la portata è alta si ha una richiesta di maggiore energia per accelerare la polvere. Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 33 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Parametri di processo Distanza ugello/pezzo Come si può notare all’aumentare della distanza diminuisce la profondità di taglio. Esiste comunque una distanza ottimale. 34 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Parametri di processo Superfici: caratteristica a tutte le tecniche di taglio mediante un getto (fiamma, laser,plasma,..) sono le superfici di taglio che non sempre presentano piani paralleli. Lungo il fianco tagliato si notano tre principali zone: 1. quella superiore che presenta bassa rugosità 2. zona mediana dove le creste si accentuano 3. zona di uscita del getto dove le creste si estendono in direzione perpendicolare al getto. Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 35 Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Aspetti teorici L’allargamento del diametro del tubo all’interno dell’ugello, dovuto all’usura, determina condizioni di taglio variabili (taglio più largo e di peggiore qualità). Analisi sperimentali hanno mostrato che esiste un diametro ottimale dell’ugello. Il parametro che permette un controllo agevole dell’operazione e’ la pressione del getto: in tal modo e’ possibile ottenere tagli uniformi nonostante la mutevoli dimensioni dell’orifizio. 36 Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale Applicazioni Tecnologie e Sistemi di Lavorazione La lavorazione a getto d’acqua abrasivo permette di lavorare materiali anche molto duri come i ceramici e i metalli. In particolare si e’ rilevata molto efficacie per il taglio di materiali compositi e fibre di carbonio. La possibilità di ottenere tagli precisi e particolarmente accurati pone questa tecnologia tra le più diffuse e in continuo sviluppo. Corso di Tecnologie Meccaniche – Le lavorazioni a getto d’acqua 37
