Foratura, alesatura, brocciatura - itis galileo galilei conegliano

Tecnologie mecc. di proc. e prod. - UdA n° 2 - Taglio dei metalli: Lavorazioni di foratura
Lavorazioni di foratura
Il Trapano
Il trapano é una macchina utensile
utilizzata soprattutto per l’esecuzioni di
fori, ma anche per allargare, svasare,
alesare e filettare fori già eseguiti.I
trapani più utilizzati nelle officine sono
il trapano sensitivo, il trapano a colonna
e quello radiale (detto “a bandiera”).
Un trapano molto utilizzato nelle
officine é il “Trapano sensitivo”,
illustrato a fianco, cosiddetto perché il
sistema di avanzamento é a mano:
l’operatore, agendo su una leva, regola
la velocità di avanzamento del mandrino
(e quindi dell’utensile) in base alla
resistenza che il materiale oppone alla penetrazione della punta elicoidale, resistenza che l’operatore
stesso apprezza con la sua sensibilità.
Nella testa motrice sono alloggiati il motore
elettrico ed il gruppo cono-puleggia per la
trasmissione e la variazione del moto di rotazione
della punta elicoidale, che costituisce l’utensile per
la lavorazione. Una cinghia di trasmissione collega
i coni-puleggia del motore con quelli dell’albero
mandrino.
Variando per mezzo della cinghia il
collegamento tra i due coni di pulegge, variano i
rapporti tra i diametri e di conseguenza tra le
velocità dell’albero motore e dell’albero mandrino.
Supponendo di avere un motore a tre velocità con
due pulegge interscambiabili a cinque gole, si
possono avere 30 diverse velocità del mandrino (3 ·
5 · 2).
La leva di manovra, azionata dall’operatore,
attraverso un collegamento rocchetto-dentiera,
permette lo spostamento verticale del cannotto del
mandrino e, quindi, l’avanzamento dell’utensile,
che è fissato e bloccato attraverso il suo codolo
conico o cilindrico direttamente nel cannotto.
Il pezzo da forare è montato, attraverso morsa o staffe, sulla mensola (che può muoversi
verticalmente per regolare la distanza tra pezzo e utensile.
Nel trapano a colonna, la testa motrice e la tavola portapezzo possono scorrere su una colonna
cilindrica; la sua struttura è regida e in ghisa. In genere tale trapano è dotato di avanzamento anche
automatico, possedendo nella testa motrice il cambio di velocità ed i rotismi necessari
all’avanzamento.
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Il trapano radiale o “a
bandiera” è caratterizzato da
un robusto basamento a
colonna sul quale può
scorrere verticalmente e
ruotare orizzontalmente (da
ciò la denominazione “a
bandiera”) la mensola portacarrello porta-utensile. Anche
la tavola porta-pezzo può
ruotare attorno all’asse della
colonna.
Il
movimento
di
alimentazione è realizzato automaticamente attraverso coppie di ingranaggi conici, una vite-ruota
elicoidale e un pignone azionante una dentiera investita sul mandrino porta-punta.
Il trapano radiale è adatto per eseguire lavorazioni su pezzi pesanti, perché è possibile spostare
l’utensile senza spostare il pezzo.
- Montaggio dei pezzi
Per poter eseguire una qualunque foratura, è necessario montare e bloccare il pezzo sulla tavola.
Il mezo più semplice che consente tale operazione è la morsa, soprattutto quando non è richiesta
una precisione elevata, la superficie da forare è perpendicolare all’utensile ed il tempo necessario
per la foratura non è elemento fondamentale nel processo di fabbricazione.
Nelle lavorazioni in serie, per
esempio, si rende necessario “guidare”
la punta elicoidale con una apposita
attrezzatura speciale che va progettata
e realizzata appositamente.
La figura a lato, per esempio,
consente la realizzazione di fori su
pezzi circolari.
- La punta elicoidale
Gli utensili per trapanatrici sono comunemente denominate “punte elicoidali”. Esse, grazie alla
loro forma, facilitano l’allontanamento del truciolo.
La punta elicoidale é costituita da:
- un codolo, di forma generalmente conica, che s’investe nel serrapunte portato dal mandrino
- uno stelo, provvisto di una testa munita di spigoli taglienti.
I materiali più utilizzati per costruire le punte elicoidali sono gli acciai rapidi e super rapidi.
Punte speciali possono avere il corpo in acciaio rapido e gli spigoli taglienti costituiti da placchette
in carburo metallico sinterizzato.
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L’angolo tra i taglienti può variare da un minimo di 80° (per
lavorazione di materie plastiche), a 118° (per lavorare acciai avente
Rm < 700 kg/mm2, ghise ed ottone), a 130° (per forare acciai duri), a
140° (per la lavorazione degli acciai inox, il rame e l’alluminio).
La punta elicoidale può
essere introdotta direttamente,
attraverso il suo codolo conico,
nel mandrino (è il caso delle
punte di diametro maggiore A),
oppure indirettamente attraverso
il suo codolo cilindrico o conico
tra le griffe di un mandrino a sua
volta allogato nella bussola del
mandrino (nel caso di punte di
diametro minore B).
Il grado di precisione e di finitura ottenibile con la punta elicoidale
é scadente. In genere non si riesce ad ottenere
una grado di precisione più ristretto di H 10.
Quando é richiesta una precisione più spinta
bisogna ripassare il foro con appropriati
alesatori.
Il diametro di un foro eseguito mediante
una punta elicoidale è sempre maggiore del
diametro della punta stessa. Per esempio,
volendo eseguire un foro di diametro 10 mm
in un pezzo d’acciaio dolce, è necessario
utilizzare una punta elicoidale avente
diametro:
d = 10 – 0,2 = 9,8 [mm].
Nelle macchine trapanatrici il pezzo rimane fermo durante
la lavorazione e perciò:
- l’utensile possiede il moto di taglio, che é rotatorio
- l’utensile possiede il moto di avanzamento, che é traslatorio assiale
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Parametri di taglio nella trapanatura
Velocità di taglio ed Avanzamenti per punte elicoidali in acciaio Super Rapido
Velocità
di taglio
Materiale
Refrigerante
da forare
in
m/min
Acciaio R
≤ 450
N/mm2
Olio
Acciaio R
= 450÷700
N/mm2
Olio
Acciaio R
= 700÷900
N/mm2
Olio
Acciaio R
=
900÷1100
N/mm2
Olio
Ghisa dolce
A secco
Ghisa dura
A secco
Acciaio
inossidabile
Olio
Acciaio al
Ni-Cr-Mo
Olio
Ottone
A secco Olio
Ottone
tenace
Olio
Rame e
metalli
leggeri
Olio
Electron
A secco
1
a
ag
mano
n
12000
a
ag
mano
30 ÷ 35
n
10000
a
ag
mano
15 ÷ 20
n
5600
a
ag
12 ÷ 15
mano
n
4300
a
ag
20 ÷ 30
mano
n
8000
a
ag
10 ÷ 20
mano
n
4800
a
ag
9 ÷ 13
mano
n
3500
a
ag
mano
6 ÷ 12
n
2800
a
ag
80÷100
mano
n
28000
a
ag
50 ÷ 60
mano
n
17500
a
ag
50÷120
mano
n
28000
a
ag
150÷300
mano
n
72000
35 ÷ 40
Diametro della punta elicoidale [mm]
2
5
8
12
16
25
Avanzamento in mm/giro
Numero di giri medio in giri/min
40
63
0,05
6000
0,12
2400
0,20 0,25
1500 1000
0,30
750
0,40
600
0,40
300
0,50
190
0,05
5000
0,12
2100
0,20
1300
0,25
850
0,30
640
0,40
410
0,40
260
0,50
165
0,03
2800
0,08
1100
0,12
700
0,16
580
0,20
350
0,25
220
0,32
140
0,36
90
a
mano
2150
0,06
860
0,10
540
0,15
360
0,20
270
0,30
170
0,30
110
0,30
70
0,07
4000
0,12
1600
0,20
1000
0,30
660
0,40
500
0,50
320
0,60
200
0,60
127
a
mano
2400
0,10
9600
0,20
600
0,30
400
0,40
300
0,50
190
0,60
120
0,60
95
0,02
1750
0,05
700
0,12
440
0,20
290
0,20
220
0,30
140
0,35
85
0,35
55
a
mano
1400
0,05
570
0,10
360
0,12
240
0,15
180
0,20
110
0,20
70
0,30
45
0,08
14000
0,20
5700
0,25 0,30 0,40 0,50
3600 2400 1800 1100
0,60
700
0,70
450
0,05
8700
0,15
3500
0,25 0,30 0,40
2200 1500 1100
0,50
700
0,60
440
0,70
280
0,05
14000
0,15
5700
0,25 0,30 0,40 0,50
3600 2400 1800 1100
0,50
700
0,50
450
0,05
0,15 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80
36000 15000 9000 6000 4500 3000 1800 1100
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Potenza di taglio nella trapanatura
Perché avvenga l’asportazione di truciolo, il
mandrino deve vincere la resistenza opposta dalle due
forze Fs sui due taglienti.
Le due forze determinano un momento:
Mt = Fs · b [N · mm]
La forza di taglio Fs, che agisce su ogni tagliente,
è data da:
Fs = σS · S [N]
S è la sezione di truciolo, che per un tagliente vale:
S = (a/2) · (d/2) = (a · d)/4 [mm2]
Per i due taglienti è quindi:
S = 2 · (a · d)/4 = (a · d)/2 [mm2]
Per quanto riguarda il coefficiente di strappamento
σS, esso può essere assunto pari a:
- σS = (4,8 ÷ 6) ∙ Rm per gli acciai ed i materiali
non ferrosi
- σS = (4,2 ÷ 5) ∙ Rm per le ghise
Il braccio b può essere assunto pari a:
b = (0,45 ÷ 0,6) ∙ d [mm]
(valori maggiori per i materiali tenaci, valori minori per quelli fragili).
La velocità angolare della punta elicoidale è:
ω = (2 ∙ π ∙ n)/60 [rad/s]
Ricordando la relazione della Potenza:
P = (Mt · ω)/1000 [kW]
sostituendo, si ha:
P = (Mt · n)/9550 [kW] con Mt espresso in [N · m]
Considerando per il trapano un rendimento η = 0,6 ÷ 0,8, la potenza del motore dovrà essere:
PM = P/η [kW]
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Calcolo del tempo attivo (di macchina)
Dalla regola generale:
t = corsa / va = L / (ag · n)
con riferimento alla figura, il tempo di lavoro risulta:
t = (b + e + h) / (ag · n) [min]
dove:
b = altezza della punta conica
c = corsa a vuoto (o di avvicinamento)
h = profondità del foro da eseguire
Dalla figura si rileva:
b = AB / tgα/2
= d/2 / tgα/2 = d / 2 · tgα/2
Supponendo α = 120°, si ha tgα/2 = 1,73
Quindi:
b = d / 3,46 ≈ 0,3 · d [mm]
La corsa a vuoto dipende dalla capacità del lavoratore e si può assumenre pari a 5 ÷ 30 [mm].
Si può ritenere che la corsa di ritorno venga compiuta ad una velocità pari a 10 volte quella
impiegata nella fase di lavoro.
Il tempo per la corsa di ritorno vale perciò:
tr = t / 10 [min]
In definitiva, il tempo totale di macchina sarà:
T = 1,1 · [(0,3·d + e + h) / (ag · n)] [min]
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Alesatura
La foratura con punta elicoidale non consente precisione inferiore ad H10. Quando le tolleranze
sono più ristrette bisogna ricorrere alla alesatura.
L’alesatura è una operazione di finitura da realizzare con molta accuratezza perché deve
assicurare al foro dimensioni entro la tolleranza H7 ed una finitura superficiale Ra ≤ 3 [μm] (fino a
0,6).
L’alesatura viene eseguita mediante un
alesatore, utensile multitagliente che è
manovrato a mano mediante un attrezzo
detto “gira alesatore”, oppure montato sul
trapano.
In pratica si determina l’allargamento
del diametro di un foro asportando del
materiale dopo aver eseguito un foro di
preparazione con una punta elicoidale
avente diametro
più
piccolo.
Il
sovrametallo da asportare è di 0,1 ÷ 0,4
[mm].
E bene che, per evitare vibrazioni, il
moto rotatorio di lavoro sia lento e
realizzato in senso orario in modo che i
trucioli non si incastrino tra i denti e la parete interna del foro danneggiando i taglienti e la finitura
superficiale del foro.
Anche il moto assiale di avanzamento deve essere piccolo per evitare che i denti dell’alesatore
si impuntino, bloccando la rotazione dell’utensile stesso.
Gli alesatori cilindrici hanno UNI 6853.
Esempio di designazione: alesatore 16 UNI 6853.
-
Dati tecnologici
Nel caso di alesatura con utensile in HS, si può assumere:
- se diametro del foro è 5 ÷ 20 [mm]
- se diametro del foro è 20 ÷ 40 [mm]
p = 0,1 ÷ 0,2 [mm]
p = 0,2 ÷ 0,3 [mm]
Come avanzamento si può assumere ag = 0,05 ÷ 0,3 [mm/giro]
Per la finitura di fori su pezzi di grandi dimensioni si utilizzano macchine speciali dette
“alesatrici”. Per fori di piccole dimensioni si utilizzano alesatori multitaglienti, per fori di grandi
dimensioni alesatori monotaglienti detti “barre alesatrici”.
Nell’alesatrice è l’utensile che possiede il moto
di taglio, mentre il moto di alimentazione è
posseduto dal pezzo o dal mandrino portautensili.
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Filettatura e maschiatura
La filettatura e maschiatura sono le operazione
mediante le quali si eseguono e si creano sui pezzi i
“filetti”.
Queste operazioni sono eseguite sulle superfici
cilindriche o coniche e possono essere esterne od
interne.
Gli utensili impiegati per le lavorazioni a banco di
maschiatura (a mano) sono i “maschi” (per
l’esecuzione di filetti interni) e le “filiere” (per
l’esecuzione di filetti esterni).
Il maschio è, in pratica, una vite nella quale sono
stati eseguiti dei solchi assiali che tagliano quasi
normalmente i filetti creando così i taglienti.
I maschi sono forniti in serie di tre pezzi: il primo
è conico e serve da sbozzatore; gli altri due procedono
alla finitura del filetto. Essi sono forzati nel foro da
filettare mediante una leva giramaschi.
Le filiere, che possono essere monolitiche o in due pezzi, vengono avvitate al cilindro tramite
apposite portafiliere.
L'operazione di filettatura, tanto con maschi che con filiere, va fatta procedendo con cautela,
lubrificando abbondantemente e retrocedendo quanto necessario, quando viene avvertita una
notevole resistenza all'avanzamento.
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La filettatura di un foro (a) è sempre
preceduta dalla foratura e da alcune
operazioni di preparazione del foro, quali
svasatura (c) o lamatura (b).
Il foro di preparazione del diametro dp
può essere determinato con la seguente
formula:
dp = d - p
dove d = diametro esterno della filettatura
metrica e p = passo della filettatura.
La svasatura del foro si effettua con
una punta elicoidale per una profondità pari
al passo, facilitando così l’imbocco del
maschio.
Generare la filettatura sui pezzi ha lo
scopo di creare le condizioni meccaniche
per eseguire i collegamenti ed il bloccaggio
tra più pezzi.
Brocciatura
E’ un procedimento di lavorazione su macchina utensile, che consiste nell’asportazione lineare e
progressiva di truciolo da superfici interne od esterne, per mezzo di un utensile speciale, di forma
tronco-conica a piccola conicità, a denti multipli, detto “broccia”.
La brocciatura più frequentemente usata è quella interna, con lavorazione in serie, qualità di
lavorazione IT7 e rugosità Ra = 0,3 ÷ 0,4 [μm] (migliore dell’alesatura).
- Caratteristiche geometriche delle brocce
Per ciascuna forma da bocciare è necessaria una particolare broccia.
Le brocce sono costruite in acciaio speciale temprato (tipo 88 Mn V 8 KU UNI 2955).
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Sono costituite da:
- un’appendice per l’attacco all’organo della macchina
- una guida cilindrica, dello stesso diametro del foro circolare da bocciare e di lunghezza
maggiore o guale allo spessore da bocciare
- un tratto attivo provvisto di denti adatti alla sgrossatura
- un tratto attivo provvisto di denti per la finitura
- un codolo per il sostegno e l’appoggio della broccia
Nella broccia si ha soltanto il moto di lavoro rettilineo continuo della broccia che può essere
realizzato mediante trazione o spinta (compressione). In quest’ultimo caso, però, essendoci
flessione deviata, la broccia deve essere più corta.
-
Elementi geometrici di una broccia
Gli angoli caratteristici assumono i seguenti valori:
- acciaio Rm = 450 ÷ 650 [N/mm2]
- acciaio Rm = 650 ÷ 850 [N/mm2]
α = 2° 30’ ; γ = 16 ÷ 20°
α = 2° ; γ = 16
Il passo (distanza tra due spigoli taglienti
consecutivi), detta “L” la lunghezza del foro da
brocciare, è pari a:
p = (1,75 ÷ 1,8) √L
Per evitare vibrazioni è bene che siano sempre
in presa almeno tre denti.
L’incremento radiale medio tra un dente ed il
successivo è dato da:
i = σd / σs
con σd = il carico specifico sopportato dal tagliente e σs lo sforzo specifico di taglio.
Tipo di broccia
Piatta
Striata
Tonda
Scanalata
Acciaio
Ghisa dura
250
160
125
200
Valori di σd in N/mm2
Materiale da lavorare
Alluminio
Materiale da lavorare
Acciaio
R < 300 N/mm2
R = 300 ÷ 500 N/mm2
R = 500 ÷ 700 N/mm2
R = 700 ÷ 900 N/mm2
160
100
80
125
Leghe del rame
Ghisa tenera
200
125
100
160
Valori di σs in N/mm2
2000
2500
3150
4000
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R = 900 ÷ 1100 N/mm2
Ghisa tenera, bronzo tenerp
Ghisa normale, bronzo duro
Ghisa dura
Ottone
Alluminio
5000
1000
1250
1600
800
650
Si possono assumere i seguenti valori:
-
i = 0,05 [mm] per bocciare gli acciai duri
i = 0,1 [mm] per gli acciai extradolci
i = 0,2 [mm] per le leghe leggere
Si assegna un incremento maggiore ai denti sgrossatori ed uno minore a quelli finitori; gli ultimi
denti, detti “calibratori” hanno un incremento nullo per “lisciare” il foro.
La profondità della gola può essere assunta pari a:
h = √(i·L·k)
dove k è un coefficiente che dipende dal materiale; nel caso di brocce scanalate, per gli acciai è
k = 4; per le ghise è k = 3,2.
Dato il costo elevato della broccia, la lavorazione è conveniente quando è elevato il numero di
pezzi da realizzare (60 000 ÷ 75 000).
-
Condizioni di lavoro
La trasformazione del profilo del foro avviene gradualmente,
man mano che la broccia penetra nel foro stesso.
In figura sono mostrate alcune fasi di questa trasformazione,
relative alla costruzione di un foro a profilo quadrato e di un foro
con quattro scanalature.
Per evitare vibrazioni della
macchina e della stessa
broccia, si adottano velocità di
taglio piuttosto limitate: circa
1/5 di quelle adottate per le
lavorazioni al tornio.
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Materiale da brocciare
R < 700 N/mm2
R = 700 ÷ 1000 N/mm2
R > 1000 N/mm2
Grigie
Malleabilizzate
Acciai
Ghise
Leghe leggere
Velocità di taglio [m/min]
Brocce in acciaio
Brocce in acciaio
al carbonio
rapido trattato
2,8
7
2,2
3,2
1,7
2,5
0,8
1,2
1,4
2
8
14
Indicando con:
-
b = la larghezza dei denti in presa
zp = numero di denti in presa
i = incremento radiale medio tra
un dente e quello successivo
σs = sforzo specifico di taglio
La Forza di taglio Ft si può calcolare con la seguente espressione:
Ft = S · σs = (b · i · zp) · σs [N]
La potenza necessaria per eseguire la brocciatura si calcola con:
P = Ft · vt / 60000 [kW]
Il motore deve fornire la potenza PM = P / η con η = 0,7 ÷ 0,8 il rendimento.
Il tempo attivo, di macchina, per eseguire la brocciatura di una lunghezza L, detta Lb la lunghezza
della broccia ed ex una extracorsa di sicurezza, è pari a:
t = (L + Lb + ex) / vt
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