Sistemi
di bloccaggio
Obiettivi
Prerequisiti
• Conoscere le tensioni che si generano su un corpo per effetto delle
sollecitazioni.
• Saper applicare le condizioni di
equilibrio su un corpo.
• Distinguere le proprietà dei materiali ferromagnetici, diamagnetici e
paramagnetici.
11
• Saper effettuare il bloccaggio dei
pezzi con i metodi tradizionali.
• Scegliere il sistema di serraggio
adeguato in funzione delle dimensioni dei pezzi.
• Conoscere vantaggi e svantaggi
dei metodi flessibili.
11.0
Introduzione
La fase di montaggio del pezzo sulla macchina è molto importante per poter
ottenere una corretta lavorazione; gli obiettivi da raggiungere sono:
• conoscere la posizione e l’orientamento del sistema di riferimento del pezzo rispetto a quello della macchina;
• mantenere la posizione durante la lavorazione;
• compensare le sollecitazioni che nascono durante la lavorazione.
Figura 11.1
Classificazione dei
sistemi di bloccaggio.
Nella tornitura il pezzo può essere montato sulla
macchina tramite diverse modalità a seconda delle
sue dimensioni e della lavorazione da eseguire: se il
pezzo non è troppo lungo, per esempio, è possibile
utilizzare una piattaforma autocentrante; se invece
la lunghezza è maggiore, il pezzo durante la lavorazione tenderebbe a deformarsi, quindi si può utilizzare un autocentrante e una contropunta; si può
usare una lunetta nel caso in cui la lunghezza sia
elevata e si debbano eseguire lavorazioni interne.
In Figura 11.1 sono riportati i principali sistemi di
bloccaggio per centri di lavoro.
I sistemi di bloccaggio del pezzo da realizzare devono perseguire una molteplicità di obiettivi:
• riferire il pezzo nello spazio di lavoro della macchina;
• bloccarlo in posizione stabile e senza deformazioni.
La scelta dell’attrezzatura idonea deve essere tale da soddisfare le esigenze esplicitate dall’analisi delle superfici del pezzo, delle lavorazioni da
SR1
SB
effettuare in ogni fase e sottofase del processo,
4,5
della precisione dimensionale e della tolleranza di
lavorazione richiesta. L’attrezzatura è dimensionata o progettata in base al principio del posizionamento isostatico. Ogni corpo nello spazio – e nel
caso specifico si intende lo spazio di lavoro della
A
A
sez A-A
SR3
macchina XYZ – ha 6 gradi di libertà; il principio
consiste nell’eliminare i 6 gradi di libertà con il miSR2
nimo numero indispensabile di punti di contatto
tra pezzo e attrezzatura.
Figura 11.2
Superfici da considerare Diverse sono le superfici da prendere in considerazione (Figura 11.2):
nel posizionamento del
pezzo a bordo macchina.
306
1. superfici di bloccaggio SB - sono le superfici sulle quali agiscono i dispositivi di bloccaggio dell’attrezzatura;
2. superfici di appoggio SA - sono le superfici attraverso le quali si scaricano
le sollecitazioni generate dalle forze di taglio;
3. superfici di partenza SP - sono le superfici del greggio di partenza che
svolgono la funzione di superfici di riferimento (in genere durante la prima
sotto-fase);
4. superfici di riferimento SR - sono superfici del pezzo dove sono localizzati i
6 punti, che entrano a contatto con gli elementi dell’attrezzatura. Per quanto possibile devono coincidere con i riferimenti di quotatura.
11. Sistemi di bloccaggio
11.1
Morse
Figura 11.3
Morsa di precisione.
Le morse meccaniche o idrauliche (Figura 11.3) sono molto utilizzate nei centri di lavoro, quando si devono lavorare pezzi variabili, a causa del rapido
posizionamento e il loro facile trasferimento da una macchina all’altra: i pezzi
devono avere due superfici parallele, su cui si generano, per effetto del serraggio, delle tensioni.
Quando è richiesta una precisione di serraggio elevata, prevalentemente su
fresatrici e rettificatrici, si possono impiegare morse ad alta precisione (quelle
a posizionamento rapido sono particolarmente adatte per la lavorazione di
elettroerosione).
Quando è necessario effettuare bloccaggi multipli si possono utilizzare morse
in parallelo, come in Figura 11.4.
Le caratteristiche principali sono le seguenti:
• sono in acciaio legato, temprate e finemente rettificate;
• serraggio e sbloccaggio sono ottenibili semplicemente con vite di comando;
• le ganasce a gradini sono regolabili, ingranaggio automatico;
• hanno effetto autostaffante.
Figura 11.4
Pallet a serraggi multipli con morse in parallelo.
11.2
Mandrini autocentranti
Nelle lavorazioni assiali simmetriche, quando la lunghezza del pezzo, rispetto
al suo diametro, non è eccessivamente elevata, si possono utilizzare mandrini (piattaforme) autocentranti, composti da un corpo cilindrico portante
(normalmente cavo per consentire lavorazione su barre intere) a tre o quattro
griffe a gradini, regolabili con una chiave (si allontanano o si avvicinano al
centro): questi morsetti stringono il pezzo e lo mettono in rotazione. Le griffe
possono essere per interni o per esterni e sono numerate, cosicché ciascuna
griffe corrisponde a una determinata guida (Figure 11.5, 11.6).
Figura 11.5
Autocentrante a 4 griffe
per torni.
Figura 11.6
Autocentrante a 3 griffe.
11. Sistemi di bloccaggio
307
Figura 11.7
Contropunta.
Se il pezzo presenta una lunghezza elevata, potrebbe deformarsi durante la
lavorazione, quindi l’estremità libera viene fissata con una contropunta (Figura 11.7), che va a impegnarsi sul pezzo, precedentemente forato con un foro
conico (la conicità è la stessa della punta).
Il pezzo, tenuto in asse da mandrino autocentrante e contropunta, ruota con
asse perfettamente orizzontale. La contropunta è fissata nella controtesta,
che può in certi casi essere spostata, con una chiave di manovra, di una piccola entità in direzione trasversale alle guide del bancale. In questo modo
l’asse di rotazione del pezzo non sarà più parallelo alle guide del bancale,
realizzando così torniture di debole conicità.
Per il bloccaggio di pezzi snelli (nell’operazione di tornitura, per esempio), si
possono utilizzare degli elementi detti lunette (Figura 11.8), che vengono impiegate per contrastare le forze di inflessione sull’albero. La precisione di una
lunetta dipende, oltre che da altri fattori, dal suo supporto. Le condizioni più
importanti sono:una notevole rigidità, una superficie di appoggio perpendicolare a 90° rispetto all’asse della macchina e la resistenza alle vibrazioni.
Figura 11.8
a) Lunetta mobile
montata sul carro;
b) lunetta fissa.
11.3
Brida - menabrida
Se il pezzo non può essere montato su un autocentrante, si può utilizzare un sistema punta-contropunta; il foro da centro dovrà essere realizzato su entrambe
le estremità del pezzo e l’oggetto da lavorare viene messo in rotazione da un
sistema brida-menabrida o da un trascinatore frontale: nel primo caso, si utilizza
un collare (brida, Figura 11.9) solidale con l’autocentrante e, se i pezzi sono
lunghi, sul mandrino viene
coda
montato un disco, menabricontrotesta
da, che ha un perno solidale
che trascina in rotazione la
brida (Figura 11.10) agganciata al pezzo da tornire.
brida
Figura 11.10
Figura 11.9
Brida.
308
piattello
menabrida
11. Sistemi di bloccaggio
Sistema di trascinamento con
piattello menabrida-brida.
11.4
Mandrini a espansione
Nel caso si debbano eseguire lavorazioni di tornitura cilindrica su pezzi forati,
si possono utilizzare mandrini elastici, come in Figura 11.11a), o comunque
mandrini ad espansione, che afferrano cioè con le griffe che spingono dall’interno (Figura 11.11b).
Nei settori di lavorazioni di finitura, tornitura, rettifica, dentatura e controllo, i
mandrini a espansione acquisiscono grande importanza.
L’elemento centrale è la bussola di serraggio. Una bussola convenzionale in
acciaio per molle, che ha la durezza delle molle, perché si deve piegare per
serrare il pezzo.
a)
b)
Figura 11.11
a) Mandrini elastici,
b) Mandrino a espansione
con griffe.
11.5
Staffe rotanti
In alcune lavorazioni il serraggio avviene utilizzando staffe rotanti. Questi cilindri
(Figura 11.12) sono realizzati in particolare per applicazioni che richiedono alte
forze di fissaggio e quando si lavora in spazi ridotti, specialmente quando il sistema di fissaggio deve risultare incassato e la superficie di lavorazione libera.
Possono essere a semplice o doppio effetto a seconda che comprimano il pezzo
in lavorazione verso la tavola portapezzo o comprimano e spingano rispetto il
piano di lavoro.
Figura 11.12
Staffa rotante a effetto semplice.
11.6
Fissaggio magnetico
Con i normali metodi di fissaggio il pezzo non è mai completamente libero
su tutte le sue superfici e le forze di serraggio creano nel materiale delle tensioni: l’ancoraggio magnetico garantisce senza limiti temporali, mantenendo
costante la forza di bloccaggio, il fissaggio su tutta la superficie, mentre tutte
11. Sistemi di bloccaggio
309
le altre possono essere lavorate in un unico piazzamento (Figura 11.13). È un
sistema caratterizzato da elevate flessibilità e riconfigurabilità.
Nel caso si debbano eseguire frequenti posizionamenti e bloccaggi del pezzo sul piano di una macchina utensile, questo metodo è estremamente utile
e consente un notevole risparmio di tempo. Il pezzo non subisce né tensioni,
né deformazioni.
Anche se la velocità di carico/scarico pezzo è elevata, questa soluzione non
è direttamente applicabile a materiali para e diamagnetici, mentre nel caso
di materiali ferromagnetici la permeabilità del materiale al flusso magnetico,
specie su pareti sottili, può portare alla cattura del truciolo.
Figura 11.13
Piano di ancoraggio
magnetico.
11.7
Sistemi modulari
Per diminuire i costi, nel caso della lavorazione di piccoli lotti si può utilizzare
un sistema modulare (Figura 11.14), caratterizzato da un kit di elementi combinabili a seconda della forma dell’oggetto da lavorare (cambiano di volta in
volta, quindi si possono bloccare pezzi di forma anche complessa), a scapito
tuttavia di rigidezza, forza di bloccaggio e compattezza dell’insieme e con un
notevole impegno di manodopera.
Figura 11.14
Sistemi modulari per il bloccaggio del pezzo e kit.
310
11. Sistemi di bloccaggio
11.8
Sistemi di fissaggio a depressione
Figura 11.15
Tavola forata attraverso
cui si genera il serraggio
per depressione.
11.9
Sono sistemi adatti per la lavorazione di piccoli
e medi lotti con alesatrici orizzontali e verticali,
centri di lavoro con o senza pallets, torni a controllo numerico e manuali, rettifiche, macchine
per incisione, macchine di misura, macchine e
applicazioni speciali.
Sono costituiti da una tavola forata (Figura
11.15) che è sottoposta all’azione di una pompa
a vuoto che aspira l’aria tra pezzo e superficie di
appoggio. Ovviamente la superficie del pezzo
da lavorare deve essere piana.
I tempi di carico e scarico sono molto ridotti e si
possono raggiungere elevate forze di serraggio senza danneggiare o deformare il pezzo; inoltre, come per il bloccaggio magnetico, le altre superfici del
pezzo sono libere di essere lavorate in un unico piazzamento.
Cambiamento di fase (RFPE) e pseudo cambiamento
Figura 11.16
Fasi di realizzazione
del bloccaggio a
cambiamento di fase.
Un sistema di fissaggio con pseudo cambiamento di fase utilizza materiali
bifasici costituenti un letto di particolato fluidizzato. Un contenitore è riempito con particelle e incorpora un pavimento poroso attraverso cui fluisce un flusso di aria a una velocità controllata. Quando il flusso è attivato il
letto di particolato si comporta come un fluido permettendo (letto fluido)
l’inserimento del pezzo da lavorare con una minima resistenza. Quando
il flusso cessa le particelle si compattano per effetto della forza peso o
per l’azione di una sollecitazione idraulica, formando una massa solida
che immobilizza la parte da lavorare. Occorre considerare che la forza di
fissaggio, non particolarmente elevata, è distribuita sull’intera superfice
immersa, ma costituisce il limite di questo sistema, mentre un punto di
vantaggio è la possibilità di essere applicato per forme comunque complesse.
lavorazione
incapsulamento
calore
riposizionamento
lavorazione
fusione ed eliminazione del
mezzo di fissaggio
Nei sistemi di fissaggio con reale cambiamento di fase
la temperatura è il parametro utilizzato per controllare il cambiamento di stato. I sistemi di fissaggio di
questo tipo utilizzano prevalentemente materiali con
basso punto di fusione. Questi vengono utilizzati per
incapsulare l’oggetto di forma libera (RFPE - Reference Free Part Encapsulation) (Figura 11.16). In alcuni
casi, in cui componenti sottili e fragili necessitano di
lavorazioni leggere come mezzo per il fissaggio viene
utilizzata acqua (bloccaggio criogenico), la solidificazione viene ottenuta utilizzando un dispositivo Peltier.
Chiaramente questo processo non è idoneo quando
c’è sviluppo di calore durante la lavorazione o quando
11. Sistemi di bloccaggio
311
sono richieste tolleranze strette. La forza di serraggio non è molto elevata
(è quindi adatta per lavorazioni leggere) e risulta distribuita su tutta la superficie del pezzo.
11.10
Sintesi dei sistemi di bloccaggio
Tabella 11.1
Tipi di sistema di
fissaggio
Sistema di
fissaggio
Sistema
convenzionale.
Sistemi personalizzati
o dedicati.
Sistema a vuoto.
Sistema
modulare.
Sistemi flessibili di
fissaggio.
Descrizione
Sistemi per il
bloccaggio di
vario tipo collegati
da una base.
La parte poggia su
una tavola dotata
di microfori. Una
pompa a vuoto
garantisce la
rimozione dell’aria
tra il fondo del pezzo
e la superficie del
portapezzo.
Sono prodotte
diverse
configurazioni
combinando
elementi
standardizzati.
Sistemi in cui
posizionatori, pins
e dispositivi di
posizionamento
possono essere
immediatamente
posizionati in punti
di riferimento.
Vantaggi
e limitazioni
Idoneo per
produzione di
massa.
Elevata rigidezza e
forza di bloccaggio,
rapido caricamento
e scaricamento di
pezzo in lavorazione
elevata ripetibilità.
Richiede un’accurata
progettazione e
rilevanti investimenti.
Per produzioni di
piccoli lotti e medi
lotti. Le parti devono
avere una superficie
piana.
Rapida ed
economica, difficoltà
nell’applicarla su
parti complesse o
forate.
Per produzioni di
piccoli lotti e medi
lotti.
Non occupa spazio,
flessibile, può essere
dimensionato in
poco tempo, limiti.
Per parti con due
facce parallele.
Sistema con morsa.
Sistemi adattabili.
Applicazioni
Famiglie di parti
o comunque parti
simili.
Pieno accesso a una
faccia del
pezzo, molto
rapido il montaggio
e lo smontaggio,
provoca elevate
tensioni locali.
Preparazione
rapida con
componenti
dedicati, non
idonei per parti con
superfici irregolari.
Forze di bloccaggio
concentrate.
segue
312
11. Sistemi di bloccaggio
Tabella 11.1
Tipi di sistema di
fissaggio
Sistema di
fissaggio
Pseudo
cambiamento di
fase.
Sistemi che
usano bloccaggi
non meccanici o
magnetici.
Sistema a vuoto,
bloccaggio con
ghiaccio.
RFPE
Descrizione
Immersione della
parte nel letto
fluidizzato e
bloccaggio tramite
interruzione del
flusso di aria.
Il pezzo è posto su
una sottile lastra
di acciaio
inossidabile, rame o
alluminio,
ricoperta con un
sottile velo
di acqua
che viene poi
congelata.
L’oggetto di forma
complessa è
incapsulato
con lega basso
fondente.
Applicazioni
Vantaggi e
limitazioni
Lavorazioni
leggere.
Stabilità limitata
dalle forze
applicabili,
distribuite su
tutta la superficie.
Lavorazioni
leggere.
Rapida ed
economica, non
idonea per processi
in cui si ha sviluppo
di calore, scarsa
precisione.
Idoneo per forme
altrimenti non
gestibili.
Può indurre
distorsioni su pareti
sottili, caricamento/
scaricamento lenti.
11. Sistemi di bloccaggio
313
Scheda di valutazione
Lo studente, dopo avere risposto, verifichi quanto riportato nel testo
e valuti di conseguenza la propria risposta.
Quesito
1
2
3
Quali sistemi di bloccaggio sono più adatti per un pezzo
di lunghezza notevole e di piccolo diametro da tornire?
4
Quali sono le differenze tra fissaggio magnetico e a
depressione?
5
6
Individuare le differenze applicative tra mandrini ad
espansione e mandrini con griffe interne.
Sono dati un acciaio inossidabile ferritico e uno
austenitico. Sono entrambi fissabili alla tavola portapezzi
mediante sistemi magnetici?
Si commenti la seguente frase: “Un truciolo di alluminio
di un pezzo a parete sottile fissato con sistema
magnetico, aderisce alla parete del pezzo”.
7
8
Quali vantaggi offrono i sistemi modulari?
9
Qual è la procedura per eseguire il bloccaggio con
pseudo-cambiamento di fase?
È utilizzabile una lega di bismuto come mezzo di
bloccaggio in un sistema a cambiamento di fase per un
pezzo in acciaio?
Quali sono le superfici da considerare nel
posizionamento del pezzo?
10
11
314
Quando si utilizzano i mandrini ad espansione?
Quale è la procedura per eseguire il bloccaggio con
cambiamento di fase?
11. Sistemi di bloccaggio
Valutazione