Università degli studi di Pisa Facoltà di Ingegneria a.a. 2013-2014 “ OTTIMIZZAZIONE DEI PARAMETRI DI TAGLIO DELLA TECNOLOGIA ABRASIVE WATERJET SU MATERIALI LAPIDEI” RELATORI Prof .Ing. Michele Lanzetta CANDIDATI Giulio Santini Pisa, 4 Giugno 2014

PRESENTAZIONE AZIENDA Questa tesi nasce in seguito ad un tirocinio formativo effettuato presso l’azienda Henraux s.p.a. leader mondiale nel settore lapideo. FILIERA COMPLETA Estrazione nelle cave Materiale grezzo

PRESENTAZIONE AZIENDA Questa tesi nasce in seguito ad un tirocinio formativo effettuato presso l’azienda Henraux s.p.a. leader mondiale nel settore lapideo. FILIERA COMPLETA Semilavorati Prodotti finiti Moderne tecnologie

OBIETTIVO DELLO STUDIO: OTTIMIZZAZIONE PROCESSO AWJ ESIGENZA AZIENDALE ANALISI PARAMETRI QUALITA’ DEL TAGLIO CORRELAZIONE TRA I PARAMETRI DI PROCESSO E LA QUALITA’ DEL TAGLIO ANALISI ECONOMICA

SISTEMA ABRASIVE WATER JET SCHEMA IMPIANTO

PARAMETRI DI TAGLIO PRESSIONE DEL GETTO IDRO-ABRASIVO VELOCITA’ AVANZAMENTO PORTATA ABRASIVO DISTANZA DI STAND OFF

PARAMETRI QUALITA’ DEL TAGLIO FINITURA SUPERFICIALE GEOMETRIA DEL TAGLIO FINITURA SUPERFICIALE PROFODITA’ PENETRAZIONE PRESENZA STRIATURE E ASPETTO SUPERFICIALE AMPIEZZA DEL SOLCO CONICITA’ SUPERFICI

PROFONDITA’ DI PENETRAZIONE La profondità di penetrazione è la profondità massima raggiunta del getto idro-abrasivo all’interno del materiale MODELLI MATEMATICI DI PREVISIONE Modelli basati sul meccanismo di erosione Modelli basati sul meccanismo della frattura Modelli basati su un approccio energetico

AMPIEZZA DEL SOLCO L’ampiezza dl solco è la larghezza del taglio nella parte superiore del pezzo DIAMETRO GETTO STAND OFF DISTANCE Setup della testa Combinazione diametro dell’ugello primario (orifizio) e diametro del focalizzatore

CONICITA’ DEL SOLCO   Wtop H Wbottom

CAUSA CONICITA’ DEL SOLCO DISTRIBUZIONE VELOCITA’ La velocità delle particelle tende ad essere bassa alla parete del getto e aumenta fino ad un massimo al centro del getto Per rimuovere il materiale, l’energia del getto deve superare l'energia di frattura necessaria all’erosione La parte interna del getto possiede energia cinetica sufficiente per penetrare il materiale più in profondità rispetto alla parte esterna

PRESENZA DI STRIATURE va H MODELLO MATEMATICO : CARATTERISTICHE :  Ondulazione più o meno marcata     Angolo di inclinazione fra la tangente alla curva delle striature alla profondità H e l'asse del getto  

PRESENZA DI STRIATURE Cause della generazione delle striature cause fenomenologiche: le striature derivano dal processo intrinseco di asportazione del materiale cause relative al controllo dei parametri: l’instabilità dei parametri di taglio cause relative all’attrezzatura di supporto, vibrazioni del pezzo e/o dell’ugello durante il taglio

PRESENZA DI STRIATURE MODELLO ZONA D’IMPATTO A DUE STADI Zona impatto diretto Zona impatto secondario Zona impatto diretto Bassi angoli d’impatto Particelle vengono deviate dalla zona di impatto diretto e cambiamento curvatura Zona impatto secondario Elevati angoli d’impatto

PRESENZA DI STRIATURE CINQUE GRADI DI FINITURA SUPERFICIALI Q5 Q4 Q3 Q5 pareti molto lisce (valori Ra sotto 6,3 micron) e ondulazioni poco evidenti Q4 pareti piuttosto lisce (Ra fino a 12,5 micron) e ondulazioni leggermente più marcate Q3 ondulazioni ben distinte (Ra fino a 50 micron) Q2 ondulazioni molto marcate con ampiezze che raggiungono alcuni decimi di millimetro Q1 enormi ondulazioni, formazione di cavità sulle pareti e piccole zone dove il taglio risulta non passante.

ATTIVITA’ SPERIMENTALE FLOW MACH3 DYNAMIC Area di lavoro: 4 m x 2 m Precisione +/- 0,038 mm Ripetibilità +/- 0.05 mm Pressione max getto 4150 bar Diametro orifizio 0.33 mm Diametro focalizzatore 1.02 mm

ATTIVITA’ SPERIMENTALE MATERIALE MARMO BIANCO CARRARA Densità 2714 kg/m3 Resistenza a compressione monoassiale 131 MPa Resistenza a flessione 18 MPa Microdurezza Knoop 130 kg/mm2

ATTIVITA’ SPERIMENTALE 3 livelli di pressione del getto 300 360 415 [MPa] 9 campioni (spessore 20 mm) 3 livelli di portata di abrasivo 0,317 0,410 0,498 [Kg/min] 5 livelli di velocità di avanzamento 193, 385, 578, 770 e 963 [mm/min] 5 tagli passanti per campione

ATTIVITA’ SPERIMENTALE   P= 300 MPa P= 360 MPa P= 415 MPa Velocità [mm/min] Angolo striature [gradi] Conicità ma= 0,317 [kg/min] 963 56 2.76 50 2.58 44 2.39 770 42 1.92 37 1.83 32 1.75 578 27 1.40 22 1.32 18 1.25 385 19 1.27 15 1.22 13 1.18 193 9 1.00 8 0.93 7 0.82 ma= 0,410 [kg/min] 55 48 40 35 1.82 31 1.74 25 1.39 21 17 12 0.99 0.92 6 0.81 ma= 0,498 [kg/min] 53 47 2.57 38 1.91 34 24 1.38 20 1.31 16 14 1.21 11 1.17

ATTIVITA’ SPERIMENTALE DISTANZA STAND OFF 5, 4, 3, 2 [mm] ORE ORIFIZIO 1, 20, 50 [ore] 1 ora 20 ore 50 ore

ANALISI RISULTATI  

ANALISI RISULTATI INCREMENTO PRESSIONE MINORE CONICITA’ Solco più ampio e più fondo, differenza di larghezza superiore e inferiore ridotta Getto aumenta energia cinetica INCREMENTO VELOCITA’ MAGGIORE CONICITA’ Minore interazione del getto sulla superficie Meno particelle abrasive concorrono all’erosione del materiale Con un aumento della portata di abrasivo l'angolo di conicità diminuisce anche se in modo irrilevante rispetto agli altri parametri

ANALISI RISULTATI  

ANALISI RISULTATI MINORE ANGOLO STRIATURE INCREMENTO PRESSIONE MAGGIORE ANGOLO STRIATURE INCREMENTO VELOCITA’  Al di sotto di una certa velocità di avanzamento (Va< 200 mm/min) l´ondulazione superficiale è quasi completamente assente (grado Q5) Non sono state riscontrate significative variazioni dell’angolo di inclinazione con il variare della portata di abrasivo e con la distanza di stand off

ANALISI RISULTATI

ANALISI RISULTATI

ANALISI RISULTATI INCREMENTO STAND OFF DISTANCE MAGGIORE AMPIEZZA SOLCO Nel punto di impatto con il materiale il getto ha un diametro maggiore Natura divergente del getto

ANALISI RISULTATI INCREMENTO STAND OFF DISTANCE MAGGIORE AMPIEZZA SOLCO Aumento diametro del getto nel punto di impatto Natura divergente del getto INCREMENTO ORE ORIFIZIO MAGGIORE AMPIEZZA SOLCO Usura dell’orifizio Aumento diametro e perdita di coerenza getto E’ stata riscontrata una durata media dell’orifizio di circa 40/50 ore entro cui l’ampiezza del solco registra un incremento minore o uguale del 20 % dalla dimensione teorica di 1.2 mm

ANALISI ECONOMICA COSTI VARIABILI COSTI FISSI Costo del sistema di intensificazione della pressione Costo dell’energia elettrica Costo dell’ugello e del focalizzatore Costo della macchina Costo abrasivo Spese generali

ANALISI ECONOMICA

ANALISI ECONOMICA

ANALISI ECONOMICA

CONCLUSIONI intervallo Q4-Q3 Massima Pressione Esigenze qualitative Utilizzo basse Velocità P=390-400 MPa Va=400-500 mm/min Pressione 395 MPa Esigenze economiche Utilizzo alte Velocità Non è necessaria l’adozione di portate di abrasivo elevate, valori < 0.410 Kg/min sono sufficienti a garantire il livello qualitativo desiderato Distanza di stand off 3 mm per assecondare irregolarità Con l’utilizzo di questi parametri, la qualità delle superfici di taglio risulta compresa tra il grardo di finitura Q4 e Q3 e la conicità delle stesse limitata a valori non superiori a 1.3 gradi.