Pin-on-Disk
Tipo di prove:
Misura d’attrito
Prove d’usura
Caratteristiche: Forza
Velocità
Temperatura
0 ÷ 10 kN
0 ÷ 420 mm/s
20 ÷ 300°C
20°C (usura)
Ambito di Interesse
- Valutazione dell’attrito nelle operazioni di stampaggio e deformazione plastica a
differenti temperature, pressioni e velocità.
- Analisi dell’influenza dei rivestimenti di stampi.
- Analisi di resistenza ad usura.
Attrezzatura
Il banco di prova consiste in un tribometro di tipo Pin-on-Disk su larga scala. Due corpi, Pin e Plate,
vengono mantenuti in contatto con un carico di compressione noto (F) e fatti muovere l’uno rispetto
all’altro così da creare un moto relativo. Misurando la forza d’attrito (T), il coefficiente d’attrito
coulombiano µ può essere stimato dal rapporto tra la forza d’attrito e il carico di compressione
(µ=T/F). Il Pin è montato su un carro che viene spinto da un cilindro idraulico. Il Plate è montato su
un disco in grado di ruotare grazie ad un motore brushless di cui è possibile regolare la velocità con
continuità, permettendo così di ottenere un moto relativo tra le due superfici. Un sistema di celle di
carico opportunamente posizionate ed un trasduttore di pressione permette di stimare forza normale
(F) e tangenziale (T) agenti tra Pin e Plate. I segnali dei trasduttori vengono acquisiti ed elaborati da
un sistema di acquisizione dati.
È prevista la possibilità di effettuare prove con temperature del Plate superiori a quella ambiente
utilizzando delle cartucce riscaldanti. Interponendo tra Plate e Disco un componente prismatico nel
quale viene ricavata una sede per la cartuccia, è possibile portare in temperatura il Plate. Un sistema
di regolazione basato su termocoppie, permette di impostare e mantenere costante la temperatura.
Motore
Cilindro
Idraulico
Disco
Cartuccia
Riscaldante
Termocoppia
Carro
del Pin
Φ
T
F
Pin
R
Celle di Carico
Plate
B
s
L
Plate
Limit Dome Height (LDH)
Tipo di prove:
FLD
Misura d’attrito
Caratteristiche: Carico max
R punzone
F lamiera
100 kN
50mm
180mm
Ambito di Interesse
- Identificazione dei limiti di formabilità delle lamiere nelle operazioni di stampaggio.
- Confronto tra lubrificanti.
Attrezzatura
La lamiera da testare viene fissata tra matrice e premilamiera mediante viti di serraggio. Il punzone,
azionato idraulicamente, avanza deformando la lamiera.
Nel caso di prove per determinare gli FLD, vengono utilizzate più lamiere caratterizzate da una
geometria a porzione di cerchio simmetrica a larghezza variabile, così da generare nella lamiera uno
stato tensionale e quindi di deformazione differente. Su ogni lamiera viene applicata una griglia di
riferimento. La prova viene interrotta ai primi segni di strozzatura o rottura della lamiera ai quali
viene associato lo stato di deformazione della lamiera ottenuto attraverso la misura della
deformazione della griglia di riferimento. Lo stato di deformazione planare (ε1 ed ε2) e lo stato della
lamiera (sano, rottura o strozzatura) vengono diagrammati ottenendo gli FLD.
Nel caso di prove per la stima dell’attrito, vengono utilizzate lamiere a geometria circolare con un
foro di piccolo diametro al centro. Durante la corsa, il punzone deforma la lamiera e con essa il foro
entrale. L’entità della deformazione del foro dipende dall’attrito tra punzone e lamiera. Mediante
analisi inversa (es: analisi FE) è possibile stimare il coefficiente d’attrito tra lamiera e punzone.
Questo tipo di prove permette principalmente di confrontare tra loro diversi lubrificanti.
Punzone
Lamiera
Premilamiera
Matrice
d0
d0
d1
d2
Figura 1. In alto: attrezzatura per le prove (sx) e un esempio di FLD (dx). In basso: lamiere utilizzate per le
prove con griglia di riferimento.
Minimal Qantity Lubrication (MQL)
Tipo di
prove:
Usura Utensile
Stress Residui
ZTA
Finitura superficiale
Caratteristiche: Lavorazione
Lubrificazione
Portata
Refrigerazione
Tornitura
Lubrificante + Aria
Tamb – p = 2.5 bar
0 ÷ 60 ml/h
Aria (Tmin = - 46 °C)
Ambito di Interesse
- Valutazione dell’influenza delle condizioni di lubrificazione durante operazioni di
tornitura sull’usura dell’utensile e sugli stress residui nel pezzo lavorato.
Attrezzatura
Il dispositivo MQL, montato su un tornio CNC, permette di lubrificare e refrigerare petto e dorso
dell’utensile mediante due coppie ugello – diffusore che hanno la funzione di indirizzare
rispettivamente i flussi di lubrificante e di refrigerante. Un dispositivo di miscelazione prepara una
dispersione in aria di gocce di lubrificante che viene poi iniettata nei circuiti degli ugelli. Un
Ranque-Hilsch Vortex Tube separa un flusso di aria compressa in due flussi a diversa temperatura.
Il flusso a temperatura inferiore viene utilizzato per come refrigerante.
Durante la prova vengono misurate le temperature del refrigerante all’uscita del vortex tube, dei
diffusori in prossimità di petto e dorso e la temperatura all’interno dell’ambiente di lavoro del
tornio.
E’ possibile confrontare diversi sistemi di lubrificazione (secco, tradizionale, minimale) attraverso
la misura dell’usura dell’utensile, della finitura superficiale o analisi ottiche come la stima degli
stress residui e della zona termicamente alterata.
Press. Air
VERTEX TUBE
Cold
Flow
Hot
Flow
LUBRO-REFRIG.
Ugello
Diffusore
MISCELATORE
Figura 2. Attrezzatura per prove MQL.
Sheet Incremental Forming
Lavorazioni di
Caratteristiche: Dim. Max lamiera: 350x350 mm
SPIF e TPIF;
Prof. Max manufatto: circa 150 mm
Misura forze
Ambito di Interesse
- Analisi di forze e di fattibilità per lavorazioni di formatura incrementale di lamiere.
- Realizzazione di prototipi e preserie in lamiera.
- Ottimizzazione del percorso utensile.
Tipo di prove:
Attrezzatura
L’attrezzatura è composta da un premilamiera mobile solidale ad una tavola porta-stampo a sua
volta vincolata ad un telaio mediante 6 celle di carico monoassiali.
Il telaio viene fissato sulla tavola portapezzo rotante di una fresatrice a CN ad asse orizzontale che
gestisce la movimentazione del premilamiera tramite un motore brushless.
E’ possibile eseguire lavorazioni di formatura incrementale di lamiera in diverse configurazioni:
Single Point (SPIF), ossia senza la presenza di uno stampo; Two Points (TPIF), con stampo parziale
o completo; la modalità TPIF può inoltre essere realizzata con stampo positivo o negativo. La
modularità del telaio del premilamiera consente inoltre di adattarne le dimensioni a quelle della
lamiera lavorata, aumentando la flessibilità dell’attrezzatura.
Durante il processo di deformazione della lamiera è possibile misurare le forze di lavorazione lungo
tre direzioni principali. La stima viene effettuata in due diversi modi: attraverso le celle 6 celle di
carico opportunamente posizionate e attraverso un utensile strumentato con estensimetri posizionati
a misurare le forze di taglio.
Figura 3. In alto: Premilamiera mobile strumentato
(sx) e disposizione delle celle di carico (dx). A destra:
utensile strumentato con estensimetri.
Idroformatura
Tipo di Idroformatura
prove: di tubi e
lamiere
Caratteristiche: Unità di spinta
Corsa
Spinta
Pressione max
2 Allineate
1 ortogonale
150 mm
145 T
140 mm
76 T
1650 bar
Ambito di Interesse
- Realizzazione di prove per la caratterizzazione del comportamento di tubi idroformati
(flow stress – legge di flusso).
- Realizzazione di prototipi e preserie a componenti tubolari a 2 o 3 vie.
- Ottimizzazione dei parametri di processo (pressione, corsa degli attuatori).
Attrezzatura
La macchina di idroformatura, schematizzata in Figura 4, consiste in:
- un’unità di spinta forata all’interno della quale è presente il condotto di adduzione
dell’acqua che, a sua volta, può raggiungere una pressione massima di 1650 bar;
- un’unità di spinta non forata;
- un’unità di controspinta, da utilizzare in caso di lavorazione di raccordi a T o a Y;
- due piastre sulle quali vengono montate le unità di spinta;
- una piastra per vincolare l’unità di controspinta;
- un basamento con guide che permettono il posizionamento e il fissaggio delle piastre.
L’attrezzatura è stata progettata in modo modulare così da essere in grado di adattarsi alle diverse
geometrie e lavorazioni.
La distanza tra le unità di spinta può essere variata adattandosi così alle diverse geometrie da
lavorare. L’unità di spinta forata è dotata di un condotto in grado di immettere fluido ad alta
pressione (1650 bar) all’interno del pezzo da idroformare.
Le unità di spinta e controspinta sono collegate ad un circuito idraulico che eroga olio ad una
pressione massima di 300 bar: in questo modo il sistema è in grado di esercitare una forza assiale
che permette sia di alimentare il materiale all’interno dello stampo durante il processo di
deformazione che di controllarne l’espansione (raccordi a T).
UNITÀ DI
CONTROSPINTA
Lastra unità di controspinta
UNITÀ DI SPINTA
NON FORATA
UNITÀ DI SPINTA
FORATA
Lastra unità di spinta
BASAMENTO
Figura 4. Attrezzatura di idroformatura. Progetto CAD a sinistra e il banco prova a destra.
Aggraffatura di lamiere
Tipo di prove: Aggraffatura.
Ambito di Interesse
- Realizzazione di prove di aggraffatura con analisi di fattibilità e ottimizzazione dei
parametri di processo.
- Realizzazione e ottimizzazione dei percorsi utensile.
Descrizione
L’aggraffatura è un’operazione che permette l’unione di due fogli di lamiera tramite ripiegatura del
bordo di una lamiera sull’altra. Tradizionalmente questa lavorazione avviene attraverso l’utilizzo di
stampi dedicati. Con questa attrezzatura il processo di aggraffatura avviene mediante l’utilizzo di un
rullino movimentato da un centro di lavoro a CN così da rendere la lavorazione più flessibile,
requisito necessario per la prototipazione o la produzione di pre-serie.
L’aggraffatura permette di piegare la lamiera fino ad un angolo di 180°. Tre sono le fasi in cui viene
diviso il processo (Figura 5).
Figura 5. Fasi dell’aggraffatura. a)Flangiatura;
b) Pre aggraffatura; c) Aggraffatura.
a) flangiatura (bending), ovvero la piegatura
a 90° della lamiera lungo un profilo
diritto o curvo;
b) pre-aggraffatura (pre-hemming), ovvero
fase in cui la lamiera viene ulteriormente
piegata di 45° raggiungendo un angolo
totale di piegatura di 135°;
c) aggraffatura vera e propria (hemming),
ovvero la fase conclusiva della
lavorazione dove la lamiera viene piegata
fino ad un angolo di 180°.
L’operazione di flangiatura viene effettuata utilizzando una piegatrice manuale con la quale si porta
la lamiera a 90°, ottenendo una flangia dell’altezza desiderata. La fase di pre-aggraffatura è il
risultato di due movimenti successivi del rullino montato sul mandrino. Il primo movimento ha la
funzione di piegare il bordo della flangia fino ad un angolo superiore a 90° dato dalla precedente
flangiatura; il secondo movimento porta la flangia all’angolo di pre-aggraffatura scelto (Figura 6a).
Il rullino viene quindi posizionato affinché il suo asse di rotazione sia parallelo alla lamiera interna.
Durante la fase di aggraffatura vera e propria il rullino porta la flangia a contatto con la lamiera
interna muovendosi lungo tutto il profilo della lamiera interna (Figura 6b). La Figura 6c. mostra le
due lamiere a lavorazione ultimata.
Figura 6. Lavorazione di aggraffatura. a) Pre-aggraffatura; b) Aggraffatura;c) Lavorazione ultimata.
Sala metrologica
Attrezzature:
CMM
Rugosimetro
Ambito di Interesse
- Rilevamento e misura di superfici.
- Reverse engineering
- Rilevamento di profili e misura della finitura superficiale.
Descrizione
La Macchina a Misura di Coordinate (CMM) disponibile è di tipo a portale (650x440x850) e
permette di rilevare in modo sia automatico che manuale la geometria di un pezzo.
Un tastatore di tipo piezoelettrico intercambiabile viene movimentato lungo i tre assi principali
rilevando gli ingombri del pezzo raggiungendo anche le superfici in sottosquadro (quando
accessibili).
I dati raccolti vengono elaborati ed interpolati tramite software.
E’ quindi possibile ricostruire forma e dimensioni di un componente esistente (reverse engineering)
o verificarne le effettive dimensioni (analisi di processo).
Figura 7. Macchina a CMM e particolare del tastatore.
Prototipazione rapida
Tipo di prove:
Realizzazione di
prototipi fisici da
modelli CAD 3D
Caratteristiche: Volume
Materiale
File input
254 x 254 x 305 mm
ABS
formato STL
Breakaway Support Technology
Ambito di Interesse
- Realizzazione di prototipi fisici di particolari meccanici partendo dal modello virtuale
sviluppato in ambiente CAD tridimensionale.
- Possibilità di testare ingombri, assemblaggi, forme e interazioni tra i componenti di
design.
Attrezzatura
Con una stampante 3D di prototipazione rapida è possibile passare dal modello virtuale realizzato in
ambiente CAD tridimensionale al prototipo fisico realizzato in materiale ABS. In questo modo è
possibile verificare forma, dimensioni, ingombri, assemblaggi e interazioni tra le varie parti di un
sistema complesso. E’ inoltre possibile valutare “dal vero” gli aspetti di design.
I modelli, comunque sviluppati, devono essere forniti alla macchina in formato STL.
Nell’ambito didattico, inoltre, il laboratorio con la macchina di prototipazione rapida dà la
possibilità agli studenti di completare il panorama delle problematiche connesse con lo sviluppo di
nuovi prodotti e con lo studio delle relative tecnologie.
Figura 8. Stampante 3D di prototipazione rapida.