ITMI20011366A1 - Utensile con condotti di raffreddamento ad elevata efficenza - Google Patents

Description

"Utensile con condotti di raffreddamento ad elevata efficienza"

La presente invenzione si riferisce ad un utensile per lavorazioni a macchina, in particolare per elevate velocità operative, vale a dire di tipo HSM (High Speed Machining).

Grazie alle prestazioni intrinseche delle moderne macchine utensili sarebbe possibile incrementare grandemente le velocità di lavorazione, fino anche a 2000-3000 m/min ed oltre. Purtroppo, le temperature che si sviluppano nei normali utensili a causa di un tale incremento di velocità lo rendono in pratica impossibile da realizzare.

Durante la lavorazione per asportazione di truciolo, la fonte principale di calore consiste nello scorrimento del truciolo sul petto dell’utensile e la zona di generazione del calore non è limitata alla parte affilata.

Sono stati proposti sia sistemi nei quali un getto di lubrorefrigerante ad alta pressione è irrorato sulla zona di taglio, sia utensili che comprendono al loro interno percorsi di fluido refrigerante.

Nel caso delle lavorazioni ad alta velocità la prima soluzione, per l’effetto della forza centrifuga, comporta l’impiego di pompe ad alta pressione, con il costo e la criticità che ciò comporta per quello che, tutto sommato, è solo un sottosistema della macchina utensile, anche se importante. Inoltre, la lavorazione stessa richiede notevoli quantità di refrigerante e date le portate coinvolte è altamente probabile che notevoli quantità di emulsionanti e/o oli da taglio venga dispersa nell 'ambiente. Inoltre, il getto di refrigerante non può essere applicato nel campo dei materiali compositi a causa dell’ incompatibilità fra oli e fibre.

La circolazione di fluido refrigerante all’interno dell’utensile ovvia ai problemi della soluzione precedentemente detta, ma soffre solitamente di una relativamente bassa efficienza, anche perché lo spazio interno all’utensile è relativamente limitato e perciò le portate di fluido sono necessariamente ridotte.

Scopo generale della presente invenzione è ovviare agli inconvenienti sopra menzionati fornendo un utensile per lavorazione con asportazione di truciolo che abbia una circolazione interna di fluido refrigerante che consenta una elevata efficienza di raffreddamento e che permetta perciò elevate velocità di lavoro.

In vista di tale scopo si è pensato di realizzare, secondo l'invenzione, un utensile per lavorazioni a macchina con asportazione di truciolo, comprendente al suo interno un percorso di circolazione di fluido per il raffreddamento, caratterizzato dal fatto che il percorso comprende condotti con pareti aventi superfici che si sviluppano con andamento non lineare.

Per rendere più chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriverà di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, una possibile realizzazione esemplificativa applicante tali principi. Nei disegni:

-figura 1 rappresenta un utensile realizzato secondo i principi dell’invenzione;

-figure 2 e 3 rappresentano due possibili andamenti della superficie di condotti di raffreddamento dell’utensile;

-figura 4 rappresenta un grafico di distribuzione delle temperature sull’utensile; Con riferimento alle figure, in figura 1 è mostrato un esempio di utensile per lavorazioni a macchina con asportazione di truciolo che applica i principi della presente invenzione. L’utensile mostrato, indicato genericamente con 10, è di tipo rotante. Esso comprende un codolo 11, di montaggio al mandrino della macchina, e una testa 12 dotata di un tagliente 13. Il tagliente può eventualmente comprendere un inserto 14 in materiale duro.

AH’interno dell’utensile sono presenti percorsi 15 (schematicamente indicati a tratteggio) per la circolazione di fluido refrigerante. La distribuzione dei condotti potrà essere quella sostanzialmente conosciuta per le vari tipologie di utensili.

Secondo l’invenzione, i percorsi di circolazione del fluido comprendono condotti aventi parete con superficie che si sviluppa con andamento non lineare, al contrario dei tradizionali condotti di tecnica nota dove le pareti sono rettilinee con andamento lineare (ad esempio un condotto a sezione circolare con pareti lisce), vale a dire senza variazioni di andamento se non negli ovvi punti di intersezione fra un condotto e l’altro.

E’ stato trovato che condotti con andamento non lineare delle pareti, incrementano in modo sorprendente l’efficienza del raffreddamento dell’utensile. In particolare, è stato trovato particolarmente vantaggioso come andamento non lineare un andamento scanalato, con sequenze di scanalature, della parete interna del condotto.

Supponendo un andamento scanalato lineare, le variabili sono altezza, lunghezza, inclinazione e sezione della scanalatura (o, in modo complementariamente equivalente, della nervatura fra due scanalature).

L’inclinazione della scanalatura (rispetto all’asse del condotto) può variare da inclinazione zero (scanalature parallele all’asse) ad inclinazione trasversale (scanalature circonferenziali o trasversali all’asse). Fra le due inclinazioni estreme le scanalature hanno andamento a spirale attorno all’asse.

E’ stato trovato vantaggioso legare l’altezza delle scanalature al diametro del condotto, realizzando scanalature che abbiamo altezza tale che il rapporto AltezzaScanalatura/DiametroCondotto non sia inferiore a 0.02, preferibilmente non inferiore a 0.04. E’ stato inoltre trovato vantaggioso che il limite superiore del rapporto sia non superiore a 0.15 e preferibilmente non superiore a 0.1. Un soddisfacente intervallo è stato trovato in 0.04-0.07.

Anche per la distanza fra le nervature è stato trovato vantaggioso fissare il rapporto Distanza/DiametroCondotto. Un valore vantaggioso del rapporto è stato trovato in non inferiore a 0.04, preferibilmente non inferiore a 0.08. Il limite superiore è vantaggiosamente non superiore a 0.2, preferibilmente 0.1. Un intervallo soddisfacente è stato trovato compreso fra 0.08 e 0.09.

Il rapporto fra la larghezza delle scanalature e larghezza delle nervature può variare fra 0.01 e 100. Particolarmente vantaggioso è stato trovato l’intervallo 0.1-10. Valore preferito è poi nell’intorno di 1.

Per quanto riguarda la sezione, forme vantaggiose sono state trovate nella sezione rettangolare e nella sezione triangolare. Per quest’ ultima una forma vantaggiosa delle nervature è risultata la forma a dente di sega.

Nelle figure 2 e 3 è mostrato l’andamento di due preferite sezioni trasversali alle scanalature (rettangolare e a dente di sega) con segnati alcuni dei parametri sopra menzionati (E=altezza, D=ampiezza delle nervature, P= distanza delle nervature). Con l’applicazione dei principi dell’invenzione si è trovato che la temperatura superficiale dell’utensile si riduce di ben il 25%-35%, a parità di altre condizioni, rispetto ad un analogo utensile con condotti tradizionalmente lisci.

A titolo di esempio, nella figura 4 è mostrato un grafico di distribuzione della temperatura sulla superficie esterna di un utensile di prova, di tipo cilindrico, con condotto assiale, 20 mm di lunghezza laterale dei taglienti impegnata nella lavorazione, velocità di rotazione di 28000 rpm, flusso di raffreddamento 12 lt/min di acqua, diametro nominale del condotto 6mm. Nella figura 4 è mostrato il caso dell’utensile con condotti tradizionalmente lisci (curva tratteggiata) e con condotti secondo l’invenzione (curva tratteggiata). Nell’esempio, il condotto secondo l’invenzione e di tipo con scanalature semplicemente assiali.

Si vede come la temperatura massima (in x=0, vale a dire la estremità di testa del tagliente) è di 716 K nel primo caso e di 536 k nel secondo, con una riduzione di ben 180 K e un gradiente meno ripido.

Si vede come l’applicazione dei principi dell’invenzione porti a risultati veramente sorprendenti.

Si ritiene che l’aumento di efficienza sia dovuto in particolar modo (anche se non esclusivamente) all’aumento di turbolenza nel fluido che scorre nei condotti realizzati secondo l’invenzione. Ulteriore elemento da considerare è l’aumento delle aree di contatto con il fluido.

Oltre all’aumento dell’efficienza nel raffreddamento, si è anche rilevato un secondo effetto vantaggioso. Si è infatti verificato che con un condotto secondo l’invenzione (specialmente con nervature circonferenziali) il diametro nominale del condotto può essere aumentato anche fino al 25% del diametro dell’utensile senza penalizzare la resistenza strutturale dell’utensile stesso. E’ così possibile ottenere maggiori portate a parità di pressione di alimentazione.

A questo punto è chiaro come si siano raggiunti gli scopi prefissati. Con la presente soluzione inventiva è possibile ridurre la temperatura degli utensili ed allungarne la vita (cosa importante soprattutto nel caso di utensili in metallo duro e/o ricoperti). Inoltre, l’aumentata efficienza nella refrigerazione permette di ridurre sensibilmente il calore trasmesso al materiale, garantendo così una maggiore qualità del prodotto finale. Ciò è particolarmente importante nella lavorazione di materiali (quali ad esempio alcune leghe aeronautiche o i materiali compositi) sensibili al calore o che degraderebbero le proprie caratteristiche meccaniche se sottoposti ad un trattamento termico indiscriminato a causa della lavorazione.

Con utensili applicanti i principi dell’invenzione è possibile realizzare una efficace refrigerazione impiegando acqua senza additivi, cosa utile soprattutto in quelle applicazioni in cui è consigliabile non avere ad esempio presenza di oli.

L’uso di sola acqua ha anche notevoli vantaggi economici e per la cura dell’ambiente. Le portate in gioco possono essere nell’ordine di grandezza di circa 13 lit./min a 4bar.

E’ anche possibile applicare gli utensili in lavorazioni quali la contomatura di materiali compositi in condizioni “dry” o “semi-dry”.

Grazie alla elevata efficienza della refrigerazione, con utensili realizzati con refrigerazione secondo l’invenzione è possibile raggiungere elevatissime velocità di lavorazione, anche nell’ordine di grandezza dei 2000-3000 m/min. E’ perciò possibile realizzare efficaci utensili di tipo HSM.

La relativamente semplice modifica geometrica dei condotti, rispetto a condotti tradizionali, rende accettabile l’aumento di costo dovuto alla realizzazione di condotti secondo l’invenzione. Per facilitare la realizzazione gli utensili possono essere realizzati in più parti, lavorate con asportazione di truciolo, e/o mediante sinterizzazione di carburi metallici o simile.

Naturalmente, la descrizione sopra fatta di una realizzazione applicante i principi innovativi della presente invenzione è riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato. Ad esempio le nervature possono essere interrotte (ad esempio fino a realizzare alette separate lungo il condotto), o i tratti di condotto con superfici aventi andamento con variazione non lineare possono essere distribuiti nei condotti , secondo specifiche esigenze di raffreddamento di zone dell’utensile. L’utensile può essere di differente tipo e non necessariamente rotativo. I percorsi dei condotti possono essere vari a seconda delle esigenze specifiche

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Utensile per lavorazioni a macchina con asportazione di truciolo, comprendente al suo interno un percorso di circolazione di fluido per il raffreddamento, caratterizzato dal fatto che il percorso comprende condotti con pareti aventi superfici che si sviluppano con andamento non lineare.
2. 2. Utensile secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che per l’andamento non lineare le dette superfici comprendono sequenze di scanalature e/o nervature.
3. 3. Utensile secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che le scanalature sono ad andamento sostanzialmente lineare.
4. 4. Utensile secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che le scanalature sono estese sulle superfici del condotto secondo una inclinazione rispetto all’asse del condotto che è compresa fra la direzione parallela all’asse e la direzione trasversale all’asse.
5. 5. Utensile secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che le scanalature sono estese circonferenzialmente al condotto.
6. 6. Utensile secondo la rivendicazione 2 , caratterizzato dal fatto che le nervature e /o scanalature hanno sezione sostanzialmente rettangolare.
7. 7. Utensile secondo la rivendicazione 2 , caratterizzato dal fatto che le nervature hanno sezione sostanzialmente a dente di sega.
8. 8. Utensile secondo la rivendicazione 2 , caratterizzato dal fatto che il rapporto fra altezza delle scanalature e ampiezza del condotto è non inferiore a 0.02 e, preferibilmente, non inferiore a 0.04.
9. 9. Utensile secondo la rivendicazione 2 , caratterizzato dal fatto che il rapporto fra altezza delle scanalature e ampiezza del condotto è non superiore a 0.15 e, preferibilmente, non superiore a 0.1.
10. 10. Utensile secondo la rivendicazione 2 , caratterizzato dal fatto che il rapporto fra distanza delle nervature e ampiezza del condotto è non inferiore a 0.04, preferibilmente non inferiore a 0.08.
11. 11. Utensile secondo la rivendicazione 2 , caratterizzato dal fatto che il rapporto fra distanza delle nervature e ampiezza del condotto è non superiore a 0.2, preferibilmente 0.1 12. .Utensile secondo la rivendicazione 2 , caratterizzato dal fatto che il rapporto fra la larghezza delle scanalature e larghezza delle nervature è compreso fra 0.01 e 100 e, in particolare, fra 0 1 e 10