Approfondiremo il tema della vibrazione nella fase di tornitura e barenatura di un componente meccanico, analizzandone cause ed effetti.
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Approfondiremo il tema della vibrazione nella fase di tornitura e barenatura di un componente meccanico, analizzandone cause ed effetti. Passeremo poi alla definizione delle soluzione utili al contenimento di questo fenomeno.
Il termine vibrazione si riferisce a un’ oscillazione meccanica attorno ad un punto d’equilibrio. Le vibrazioni rappresentano un fenomeno indesiderato in meccanica; esse infatti provocano dispersione di energia e creano suoni e rumori indesiderati. Le vibrazioni possono inoltre causare danni all’utensile impiegato, al macchinario e al pezzo in lavorazione.
La generazione di rumori e vibrazioni è determinata da tre aspetti principali:
L’approccio di base per il controllo delle vibrazioni in lavorazione è l’incremento della rigidità degli elementi del sistema. Per limitare i movimenti indesiderati è necessario che la macchina utensile sia costruita con elementi strutturali rigidi e pesanti, rinforzati con cemento o altro materiale che assorba le vibrazioni come ad esempio la ghisa. I cuscinetti e le boccole della macchina devono avere tolleranze strette ed essere robusti.
Per massimizzare la rigidità una barra di barenatura o di tornitura deve essere il più corta possibile, ma sufficientemente lunga per accedere alla profondità del foro o del componente. Il diametro della barra di barenatura dovrebbe essere il più grande consentito dal diametro del foro, permettendo comunque un’ evacuazione efficiente dei trucioli.
Mentre i trucioli si formano e si rompono, le forze di taglio aumentano e diminuiscono. Queste variazioni diventano una fonte di vibrazioni, che a loro volta possono creare una risonanza sulla frequenza propria del portautensili o della macchina, diventando così autoalimentate o addirittura aumentando. Altre fonti di vibrazioni sono gli utensili usurati o quelli che non eseguono una passata abbastanza profonda. Questi causano instabilità di processo o risonanza alla stessa frequenza naturale del mandrino o dell’ utensile generando vibrazioni indesiderate.
Una barra di barenatura lunga o un’ elevata sporgenza della barra di tornitura possono causare vibrazioni in macchina. L’approccio di base al controllo delle vibrazioni comporta l’uso di strumenti corti e rigidi. Maggiore è il rapporto tra lunghezza della barra e diametro, maggiore è la possibilità che si verifichino vibrazioni.
I diversi materiali delle barre offrono un differente comportamento. Le barre di acciaio sono generalmente resistenti alle vibrazioni fino a un rapporto 4:1 della barra (lunghezza:diametro). Le barre di metallo pesante, realizzate con leghe di tungsteno, sono più dense dell’acciaio e possono gestire rapporti L:D fino a 6:1. Le barre in metallo duro integrale offrono una maggiore rigidità e consentono rapporti L:D fino a 8:1. Quest’ultima tipologia di barre ha però lo svantaggio di un costo elevato, specialmente su barre di grandi dimensioni.
Un modo alternativo per affrontare il problema delle vibrazioni prevede l’uso di una barra a smorzamento regolabile. Questo utensile presenta uno smorzatore a massa risonante interno, progettato per andare in risonanza fuori fase rispetto alle vibrazioni indesiderate, assorbire l’energia e ridurre al minimo l’ampiezza della vibrazione. Il sistema STMD® di MAQ AB, ad esempio, presenta uno smorzatore di vibrazioni autoregolante costituito da una massa in materiale ad alta densità sospesa all’interno della barra del portautensili tramite elementi smorzanti asso-radiali. Lo smorzatore di massa assorbe immediatamente la vibrazione quando viene trasmessa dall’utensile da taglio al corpo della barra.
Un controllo attivo delle vibrazioni, più complesso a costoso, può essere rappresentato da dispositivi elettronici in grado di rilevare le vibrazioni e da attuatori secondari, anch’essi elettronici, per produrre un moto vibrazionale nel portautensili per cancellare quello indesiderato indotto dalla lavorazione.
I pezzi da lavorare devono essere posizionati accuratamente e bloccati in maniera salda all’interno della macchina utensile. Gli elementi di bloccaggio devono essere progettati preoccupandosi innanzitutto di semplicità e rigidità, inoltre devono essere posizionati il più vicino possibile alle operazioni di taglio. Dal punto di vista del pezzo, le regioni con pareti sottili, quelle saldate o quelle non supportate sono soggette a vibrazioni quando vengono lavorate. Queste pareti dovrebbero essere ri-progettate per migliorare la rigidità.
Per ridurre al minimo le tendenze alle vibrazioni si possono adottare alcune strategie di lavorazione:
Una forza radiale inferiore consente di ottenere minore flessione radiale e meno problemi di vibrazione. Per ottenere risultati ottimali è preferibile usare una profondità di taglio radiale superiore al raggio di punta quando si usa un angolo di registrazione di 90° (angolo di attacco 0°). Se la profondità di taglio radiale è inferiore, un angolo di registrazione di 45° offre gli stessi risultati.
Reindirizzare le forze può consentire di ridurre la flessione:
Un angolo di registrazione più vicino possibile a 90° (angolo di attacco 0°) massimizza la parte di forza di avanzamento che ritorna dal pezzo lavorato in direzione assiale. Una forza in direzione assiale genera meno flessione dell’utensile rispetto a pari forze in direzione radiale.
Per la tornitura interna, l’angolo di registrazione non deve essere mai inferiore a 75° (angolo di attacco 15°).
Più positivo è l’angolo di spoglia, minori saranno le forze di taglio necessarie per lavorare il componente. Minori forze di taglio significano meno flessione.
Meno forza in direzione radiale genera minore flessione radiale.
La barenatura profonda si distingue dalle altre lavorazioni in quanto il tagliente opera nel foro ad una distanza elevata rispetto al collegamento con la macchina. La tornitura interna profonda presenta condizioni simili e entrambe queste operazioni, barenatura e tornitura, potrebbero dover lavorare fori con tagli interrotti, come nel caso di alloggiamenti di pompe o compressori. La sporgenza dell’utensile è dettata dalla profondità del foro e può provocare la deflessione della barra di barenatura o dell’utensile di tornitura a lunghezza estesa.
La flessione aumenta le forze variabili del processo di taglio e può causare vibrazioni e chatter che degradano la qualità della superficie del pezzo, usurano o rompono rapidamente gli utensili e danneggiano i componenti delle macchine utensili, come i mandrini. Le forze variabili derivano dagli squilibri dei componenti della macchina, dalla mancanza di rigidità del sistema o dalle vibrazioni indotte degli elementi del sistema. Anche le pressioni di taglio cambiano dato che l’utensile subisce cicli di carico e scarico mentre i trucioli si formano e si rompono. Gli effetti negativi delle vibrazioni comprendono scarsa finitura superficiale, dimensioni del foro imprecise, rapida usura degli utensili, riduzione dei tassi di asportazione, aumento dei costi di produzione, danni ai portautensili e alle macchine utensili.
La tecnologia ad assorbitore armonico auto-accordante (STMD dall’ inglese Self Tuning Mass Dumper) è la migliore tecnologia ad oggi sul mercato. Il concetto di base “mass damper” è conosciuto da anni e applicato in molteplici settori: grattacieli, ponti, utensili, macchinari ecc…
L’innovazione tecnologica apportata sul mercato dall’azienda svedese MAQ-AB, che ne detiene i brevetti internazionali, risiede nella capacità del sistema di adattarsi alla frequenza naturale di vibrazione dell’assieme macchina-utensile. Questa frequenza infatti è dettata da innumerevoli fattori (il tipo di pavimento, l’ancoraggio della macchina utensile, lo stato di usura dei cuscinetti mandrino, le tolleranze di accoppiamento del sistema portautensile…); due macchine uguali, che montano lo stesso utensile alla stessa sporgenza avranno sicuramente frequenze di vibrazioni diverse. Questa capacità di adattarsi alla frequenza di vibrazione permette agli utensili MAQ-AB di ottenere performance ottimali a qualsiasi esposizione dell’utensile. Ovvero l’utilizzatore non deve fare nessuna taratura e l’utensile si comporta sempre nel migliore dei modi, indipendentemente dal rapporto tra la lunghezza esposta e il diametro della barra utilizzato.
Gaspari Utensili è distributore ufficiale delle barre antivibranti MAQ-AB per L’Italia, puoi trovare il catalogo delle barre standard nella sezione download del sito. Possiamo inoltre realizzare barre speciali su richiesta, anche di grandi dimensioni (fino a ø500 mm e lunghezza 10Xd), sviluppate su apposito progetto.
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