Tornio parallelo

Materie:	Tesina
Categoria:	Tecnologia Meccanica
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Data:	02.07.2007
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Il Tornio parallelo è una macchina utensile per asportazione di truciolo. Dotato di moto rotatorio, funziona tenendo in rotazione il pezzo in lavorazione, mentre un utensile tagliente ne asporta il materiale in eccesso rispetto alla forma voluta. L'utensile può essere fatto avanzare parallelamente o a varie angolazioni rispetto all'asse di rotazione, in modo da produrre superfici cilindriche o coniche. Dotato di vari accessori, il tornio può essere usato anche per produrre superfici piane, per forare, alesare o filettare.
CENNI STORICI
Si ritiene che le prime macchine utensili nel senso moderno del termine siano state l'alesatrice per superfici cilindriche interne, costruita verso il 1775 dal britannico John Wilkinson, e il tornio parallelo, sviluppato intorno al 1794 da Henry Maudslay. L'uso di queste macchine ricevette un notevole impulso intorno al 1830, quando Joseph Whitworth realizzò diversi strumenti di misura che garantivano una precisione dell'ordine di un centomillesimo di millimetro e consentivano la produzione in serie di articoli con parti sostituibili. I primi tentativi di produrre pezzi sostituibili si verificarono contemporaneamente in Europa e negli Stati Uniti, ed erano basati sull'uso delle cosiddette maschere per limatura, con le quali si potevano produrre molti pezzi limati a mano di dimensioni praticamente identiche; il primo sistema di vera produzione in serie si deve tuttavia allo statunitense Eli Whitney, il quale iniziò nel 1798 la produzione di 10.000 moschetti per l'esercito, tutti comprendenti parti sostituibili.
Nel XIX secolo le comuni macchine utensili (torni, limatrici, piallatrici, rettificatrici, segatrici, fresatrici, trapanatrici, alesatrici) raggiunsero un buon grado di precisione ed ebbero ampia diffusione nei paesi industrializzati.
Macchine utensili più grandi e precise, molto somiglianti a quelle attuali, furono costruite nei primi anni del XX secolo: a partire dal 1920 iniziò la produzione di macchine specializzate, che consentivano una produzione di serie a basso costo, potevano essere utilizzate anche da manodopera non specializzata, ma erano poco flessibili e non adatte alla lavorazione di prodotti differenziati o a cambiamenti di produzione. Nonostante ciò diedero man forte all’industria bellica del riarmo dopo la prima guerra mondiale che in quegli anni necessitava sempre di nuove tecnologie.
A partire dal 1950 si iniziò a progettare macchine utensili altamente versatili e precise, sempre più spesso comandate da una centrale computerizzata (le cosiddette macchine a controllo numerico, o digitale).
CENTRAL LATHES
It is one of the most useful machine tools in mechanics, because it can carry out a great number of jobs. Its basic working is the manufacture of surfaces where all the sections perpendicular to the main axis have a circular shape. We may make cylindrical an conical surfaces.
However, as the change of tools necessary to pass from on working stroke to another means a considerable loss of time, the central lathe is not the ideal machine tool for mass production.
Nowadays, thanks to technological progress, modern specialized lathes have a great precision and speed possible in mechanical industrial production. In the central lathe, the working movements is rotary, and goes from the piece which is brought to rotation by a spindle, on the main shaft of the machine. The piece may be fixed on a base with independent clamps, tightened to the spindle, the end of which is threaded. Otherwise, the piece may be assembled between the bits, that is, it is supported by a bit connected to the spindle and by a tailstock set on the body moving on the horizontal slideways of the bed.

THE LATHE AND ITS PARTS
Headstock
The spindle is driven by means of hydraulic clutches whit an incorporated device allowing the adjustment of spindle rotation. The braking of the movement is effected by an hydraulic brake, acting on all speeds. The brake is automatically engaged; should this not be required, it is possible to eliminate the brake by a selector switch. Clutches and brake are large to assure power and elasticity of movements. The lubrication must be carefully studied in order to prevent emulsifying of oil and consequent overheating.
Spindle
It is large whit a large hole; it is supported in 3 points. Its large size and the high quality ball thrust bearings avoid any vibration.
The rotation movement is effected by a helicoidal gear.
Tailstock
Sleeve and body are large in order to give great stability and rigidity.
The longitudinal traverse of the tailstock is by a pinion engaging the rack placed under the tracks of the bed.
Bed
It has been carefully designed to ensure absolute rigidity under the most severe working conditions. The equipment offers the possibility of working pieces of large diameter along all the length of the gap.
Carriage
It slides on the bed by means of prismatic guide and rearward by means of a flat one. These guides are lubricated by means of an incorporated hand pump.

PARTI PRINCIPALI
In un tornio parallelo le parti principali sono: banco, testa motrice, controtesta, carrello portautensili e organi per la trasmissione dei movimenti.
Banco
Il banco costituisce la struttura di sostegno e di collegamento dei vari organi della macchina. Esso deve essere rigido e robusto in modo che, sotto lo sforzo di taglio, vibri e si deformi entro limiti tollerabili. Per questo vengono adottate forme geometriche cave o scatolari, irrigidite con nervature trasversali o diagonali e impiegati materiali ad elevato modulo di elasticità e con buone capacità di smorzamento, cioè capaci di non trasmettere vibrazioni agli altri organi con cui sono a contatto.
Il materiale che possiede le suddette caratteristiche è la ghisa e pertanto la maggior parte dei banchi è in ghisa fusa ad elevata resistenza. Un altro vantaggio per il quale è maggiormente utilizzata la ghisa è che il banco può essere ottenuto tramite uno stampo, richiedendo solamente una leggera lavorazione finale in corrispondenza delle guide metalliche. Attualmente viene utilizzato nei torni che richiedono una maggiore precisione del granito sintetico il quale ha una capacità di smorzamento delle vibrazione da 4 a 7 volte superiore in confronto alla ghisa; tutto ciò è a vantaggio della finitura superficiale dei pezzi, della durata degli utensili e della possibilità di lavorare a velocità più elevate.
Nella parte superiore del banco sono ricavate le guide per il movimento del carrello portautensili e della controtesta, le quali debbono soddisfare le seguenti esigenze:
meccaniche, cioè di resistenza a carichi che comprendono il peso della parte mobile, il peso del pezzo e la forza di taglio;
geometriche, in quanto deve dare all’organo mobile la direzione prestabilita e deve conservarla nel tempo entro minime tolleranze di rettilineità e di parallelismo rispetto all’asse del tornio.
Sarà opportuno utilizzare materiali con durezza superiore a 65 HRC. Per migliorare la resistenza all’usura si ricorre:
1. ad ampie superfici d’appoggio tecnicamente piane;
2. a superfici di scorrimento indurite con la tempra superficiale oppure a guide di acciaio cementate, temprate e rettificate, fissate sul banco tramite viti in fori fresati;
3. un’adeguata finitura superficiale
Soddisfano queste caratteristiche varie forme tra cui quelle a coda di rondine, piane, prismatiche e miste.
Testa motrice
La testa motrice, detta anche toppo fisso, sostiene il mandrino che imprime il movimento rotatorio al pezzo: contiene i cambi per i moti di taglio e di alimentazione e gli organi di collegamento al motore.
Il mandrino dalla parte del banco termina con una filettatura esterna, in cui si avvitano gli organi accessori per il fissaggio di sbalzo dei pezzi, e con una sede conica interna dove alloggia la punta conica, destinata insieme alla punta della controtesta a sostenere il pezzo in caso di lavorazione fra le punte. Il mandrino è di acciaio (18 NiCrMo 7 UNI 7846) carbocementato, temprato, rettificato, supportato da cuscinetti a rulli conici. L’apertura massima del mandrino indica il diametro massimo da poter tornire e quindi è un parametro importante per la macchina.
Controtesta
La controtesta, detta anche toppo mobile, serve a sostenere i pezzi che debbono essere torniti fra le punte. La punta e la contropunta individuano l’asse del tornio e del pezzo in lavorazione.
Il toppo mobile è costituito da una base che porta superiormente il sopporto della punta. La punta è fissata al cannotto filettato internamente. L’avanzamento e l’arretramento del cannotto e della relativa punta si ottengono manovrando il volantino.
Carrello portautensili
Nel carrello vi sono i cinematismi per la trasmissione del moto di avanzamento all’utensile. Rispetto all’asse di rotazione del pezzo l’utensile si deve poter muovere longitudinalmente per la tornitura cilindrica, trasversalmente per la tornitura in piano e secondo una retta inclinata per la tornitura conica. Per permettere questi movimenti il carrello portautensili è costituito da 4 slitte sovrapposte. La prima slitta (longitudinale) scorre sul banco sulle apposite guide esterne che si trovano su di esso. La seconda slitta (trasversale) scorre sulle guide opportunamente ricavate sulla prima slitta, in direzione normale rispetto al banco. Sulla seconda poggia la terza (piastra girevole) che può ruotare su guide circolari attorno un asse verticale. Infine sulla terza vi è la quarta slitta (portautensili) con torretta girevole attorno un asse verticale.
L’utensile dunque per il movimento della prima slitta si può spostare parallelamente all’asse del tornio (tornitura cilindrica), per il movimento della seconda perpendicolarmente all’asse (tornitura i piano), per la rotazione della terza si può disporre in direzione trasversale per la lavorazione conica e infine dalle loro combinazioni simultanee si possono ottenere superfici di rotazione comunque profilate. Il movimento della prima e della seconda slitta si può effettuare sia manualmente che automaticamente mentre la rotazione della terza e traslazione della quarta si eseguono solo manualmente.
Organi di trasmissione dei movimenti alla vite madre ed alla barra.
Il movimento automatico longitudinale e trasversale del carrello portautensili viene derivato dal mandrino (M) mediante ruote dentate, alcune delle quali sono facilmente intercambiabili. Tale movimento può essere trasmesso al carrello per mezzo della barra (B)o della vite madre (V) mediante opportuni cinematismi trasformando il moto rotatorio del mandrino in moto di traslazione per il carrello.
La vite madre si adotta per la costruzione di viti, mentre per tutti gli altri casi si adotta una barra che è costituita da una albero scanalato. La vite madre trasmette soltanto il moto longitudinale, mentre la barra può trasmettere sia quello longitudinale che quello trasversale.
Il movimento del mandrino è trasmesso alla barra o alla vite madre attraverso:
Gruppo d’inversione: (1) serve per invertire il senso di rotazione della barra o della vite madre e quindi il senso di avanzamento dell’utensile lasciando inalterato il senso di rotazione del mandrino.
I torni moderni possiedono una seconde barra che ruota velocemente in senso contrario alla prima che serve per il ritorno rapido del carrello.
Gruppo di rapporto: (2)serve a realizzare la velocità di avanzamento. A tale scopo ogni tornio possiede una serie di ruote dentate, con le quali è inoltre possibile ottenere i differenti passi delle filettature che si debbono costruire.
Cambio di velocità per la vite madre e per la barra: (3) riceve il moto dal gruppo di rapporto e serve sostanzialmente a indirizzare il moto o alla barra o alla vite madre.

MONTAGGIO DEL PEZZO
Il pezzo viene montato sul tornio in due diversi modi:
- fra le punte, se è sufficientemente lungo;
- di sbalzo, fissandolo ad un’estremità mediante un piattaforma a morsetti indipendenti o mediante un autocentrante.
Lavorazione tra le punte
Si compie sostenendo il pezzo tra le punte alloggiate nei fori opportunamente praticati nelle due superfici terminali del pezzo.
Le punte devono avere una forma conica con angolo di 60°. Gli incavi di estremità del pezzo (intestatura) sono costituiti da una parte anteriore conica con conicità uguale alle punte e da una parte posteriore cilindrica per evitare problemi con la punta.
Per eseguire gli incavi di forma esatta sono impiegate delle punte per fori da centro (UNI 3223).
Il pezzo è sostenuto da due punte alloggiate rispettivamente nelle sedi del mandrino e del toppo mobile: quest’ultima è una contropunta rotante il cui fuso centrale diviene solidale con il pezzo e la rotazione è facilitata dal supporto dei cuscinetti.
Il pezzo è posto in rotazione essendo trascinato dal mandrino tramite un trascinatore.
I vantaggi sono evidenti: lavorazione del pezzo completa senza riprese; maggiore coppia di trascinamento rispetto agli autocentranti; compensazione automatica delle eventuali non planarità; felicitazione nelle macchine dove il pezzo è montato da un robot.
Se il pezzo ha un foro assiale si può lavorare fra le punte montandolo su una spina leggermente conica. Se il pezzo è molto lungo si ricorre ad una lunetta.
Lavorazione di sbalzo
Quando il pezzo è corto si fissa ad una sola estremità mediante una piattaforma montata sul mandrino.
Ci sono due tipi di piattaforme.
- una piattaforma a morsetti indipendenti che serve per montare pezzi asimmetrici in modo da poterli rendere coassiali col tornio;
- una piattaforma a morsetti autocentranti (detta semplicemente autocentrante) che serve per montare pezzi a sezione circolare o poligonale regolare e si può regolare mediante un’unica manovra effettuata con l’apposita chiave.
All’ autocentrante si richiede elevata precisione di centratura sia radiale che assiale, rigidità in tutte le direzioni, sicuro trascinamento in rotazione del pezzo, rapidità di manovra.

LAVORAZIONI ESEGUIBILI AL TORNIO
Il tornio parallelo è la macchina utensile avente la maggiore versatilità operativa
Tornitura cilindrica esterna
È la lavorazione tipica del tornio. Ha lo scopo di ottenere superfici cilindriche con il massimo grado di precisione realizzabile con il tornio, poiché può essere effettuata con utensili robusti e rigidi aventi una forma geometrica tale da consentire il conseguimento dei migliori risultati.
Tornitura cilindrica interna
Consiste nella lavorazione di superfici cilindriche di pezzi preventivamente cavi. È quindi una lavorazione più complessa della precedente in quanto richiede l’impiego di appositi utensili montati a sbalzo, la cui robustezza decresce con l’aumento della lunghezza della parte da lavorare e con il diminuire del diametro del foro in lavorazione. Inoltre in questa lavorazione il pezzo è sempre montato di sbalzo.
Tornitura conica
Consiste nel realizzare parti coniche. Si può realizzare a secondo della esigenze montando il pezzo tra punta e contropunta inclinandolo secondo l’angolo di conicità oppure inclinando la terza slitta del carrello portautensili dell’angolo della conicità e avanzare l’utensile manualmente.
Tornitura piana trasversale o sfacciatura
Per lavorare le superfici normali all’asse del tornio, l’utensile si muove trasversalmente al banco. In questa lavorazione si blocca il carrello e si sposta solo la seconda slitta.
Tornitura eccentrica
Utilizzando piattaforme a morsetti indipendenti si può spostare l’asse del pezzo dall’asse dal tornio ed effettuare una tornitura eccentrica del pezzo.
Filettatura al tornio
È l’operazione mediante la quale si ottiene il filetto disposto ad elica sulla superfice interna od esterna di un cilindro o di un cono.
La filettatura al tornio si ottiene dalla combinazione simultanea del moto circolare continuo uniforme del pezzo e del moto rettilineo uniforme dell’utensile che generano il moto elicoidale. La forma dell’incisione costituisce il profilo del filetto che può essere triangolare, quadrato, trapezoidale, etc.
Quindi per ottenere la filettatura voluta è necessario che l’utensile sia di forma appropriata e che ad ogni giro del mandrino l’utensile si sposti di una quantità uguale al passo della filettatura che si vuole costruire. Ad ogni passo corrisponde un diverso rapporto di trasmissione tra il mandrino e la vite madre.
UTENSILI E FLUIDI DA TAGLIO
Poiché il processo di taglio (ovvero il distacco di una parte di materiale sotto forma di truciolo) comporta intense sollecitazioni meccaniche e forte attrito, con conseguente grande produzione di calore, i materiali con cui sono realizzati gli utensili devono possedere requisiti di resistenza meccanica, tenacità, durezza e limitata sensibilità alle alte temperature; queste caratteristiche si ritrovano sia nei materiali ceramici di recente sviluppo, sia in materiali tradizionali come gli acciai al carbonio, gli acciai rapidi, il carburo di tungsteno e il diamante.
In molte operazioni di taglio si usano fluidi refrigeranti e lubrificanti: il raffreddamento aumenta la durata dell'utensile e contribuisce a stabilizzare le dimensioni del pezzo finito; la lubrificazione riduce invece l'attrito, e quindi anche la produzione di calore e la potenza necessaria per eseguire la lavorazione. I fluidi da taglio sono in genere soluzioni acquose, oli chimicamente inerti e fluidi sintetici.
PARAMETRI DI LAVORAZIONE
La velocità di taglio (Vt)
La velocità di taglio è la velocità periferica del pezzo in lavorazione, la quale non può essere calcolata inizialmente, ma è proporzionale a diversi parametri:
• inversamente alla durezza del materiale;
• direttamente al materiale dell’utensile;
• inversamente dalla sezione di truciolo da asportare;
• direttamente alla presenza e dal tipo di refrigerante;
• inversamente dalla sezione del truciolo sul tagliente dell’utensile;
• inversamente dal tempo di affilatura (durata dell’utensile).
Una volta stabiliti questi parametri, la velocità di taglio è tabellata per tutte le combinazioni. Avremo come risultato due valori di Vt dei quali scegliamo quello più basso per le operazioni di sgrossatura, mentre quello più alto per le operazioni di finitura.
La velocità di taglio, pur se continuamente variabile in funzione del diametro, serve per poter calcolare il numero di giri da impostare alla macchina per la lavorazione.
Si calcola in metri al minuto.
La profondità di passata dell’utensile (p)
La profondità di passata è la profondità dell’utensile che incide sul pezzo in lavorazione. Maggiore è la profondità, maggiore è la potenza di taglio. Quindi prima di andare a lavorare bisogna verificare se la potenza di taglio è comunque minore di quella effettiva del tornio.
Nel caso di tornitura cilindrica si calcola:
dove per D intendiamo il diametro del pezzo prima della lavorazione e per d quello del pezzo che vogliamo ottenere.
L’avanzamento (a)
L’avanzamento è il movimento dell’utensile durante la lavorazione lungo la corsa ed è indicato in mm al giro. Esso può essere manuale o automatico. Ovviamente si usa quello automatico che fornisce un miglior grado di finitura, ma a volte, per lavorazione particolari come conicità, smussi e gole, è necessario l’avanzamento manuale sia per mantenere la posizione delle slitte (nel caso della conicità), sia per la breve corsa (nel caso di gole o smussi).
L’avanzamento si calcola dividendo la profondità di passata per un coefficiente che dipende dalla lavorazione.
Sezione del truciolo sul tagliente dell’utensile (q)
Si ricava moltiplicando l’avanzamento per la profondità di passata e si misura in mm2. Serve per poter rilevare dalle tabella la velocità di taglio e per poter calcolare la potenza di tornitura.
Il numero di giri (n)
In un tornio i vari rapporti di trasmissione del cambio forniscono diversi numeri di giri al mandrino. Si misura in giri al minuto e si calcola:
Se il numero di giri ottenuto non sarà tra quelli disponibili del tornio, si prende quello immediatamente più vicino indipendentemente se sarà più piccolo o più grande. Di conseguenza si calcola la velocità di taglio reale (Vtr) che sarà quella che incide sulla potenza.
La potenza di tornitura
Per poter avere la certezza che con i parametri scelti non si corra il rischio che la macchina non ce la possa fare e di conseguenza rovinare il pezzo in lavorazione e l’utensile, è necessario calcolare la potenza di cui lavorazione ha bisogno. Per far ciò bisogna calcolare la forza Fu necessaria per asportare il truciolo:
dove Ks è il carico di strappamento unitario, cioè lo sforzo necessario per asportare 1 mm2 di truciolo. La potenza di tornitura (Nt)vale allora:
La potenza necessaria per l’avanzamento risulta trascurabile rispetto a quella occorrente per il taglio. Infatti la forza che si oppone all’avanzamento vale circa il 20% della forza di taglio, ma la velocità di avanzamento è molto piccola, , quindi la potenza di alimentazione sarebbe al massimo:.
La lavorazione è possibile se la potenza del motore (Nm) è superiore alla potenza richiesta, deve essere soddisfatta al relazione:
Il valore del rendimento (I) dipende dallo stato d’uso della macchina utensile e si assume: .
DETERMINAZIONE DEL TEMPO DI LAVORAZIONE
Lo studio e la determinazione dei tempi di lavorazione servono per stabilire la durata media necessaria per l’esecuzione di un pezzo sulle varie macchine; il tempo ricavato si usa fondamentalmente per due scopi:
- programmare la produzione
- determinare il costo
che sono due tra le funzioni principali dell’azienda in quanto deve essere in grado di produrre e di vendere.
Il metodo più semplice per determinare il tempo necessario per l’esecuzione di un pezzo è quello di analizzare il ciclo di lavoro e sommare i singoli tempi impiegati per ogni fase di lavorazione.
L’espressione più generale del tempo (T) occorrente per eseguire un pezzo in una qualsiasi fase di lavorazione è data da:
in cui:
- tm = tempo macchina: è il tempo in cui la macchina lavora in automatico;
- ta = tempi accessori: sono tutti i tempi che l’operatore impiega per eseguire operazioni come montare il pezzo, cambio utensile, durante i quali la produzione non va avanti;
- tmm = tempo macchina in manuale: è il tempo in cui l’operatore lavora con avanzamento manuale, per realizzare ad esempio gole, conicità, smussi.
- tpm = tempo preparazione macchina: questo tempo viene impiegato una sola volta all’inizio della produzione, ma deve in ogni caso essere ripartito su tutti i pezzi costruiti.
Il parametro che si può calcolare è il tempo macchina, mentre gli altri tempi sono misurabili oppure stimabili da tabelle compilate in base all’esperienza di lavorazione.
Il tempo macchina si ricava con l’espressione:
in cui:
- C è la corsa, cioè lo spostamento in automatico dell’utensile;
- Va è la velocità di avanzamento dell’utensile.
Il valore della corsa dell’utensile è dato dalla misura della lavorazione (L) sommata a una quantità di extracorsa (e) che rappresenta la distanza dal pezzo alla quale si inserisce la lavorazione automatica oppure si ferma l’utensile in uscita, per cui:
Il valore da stabilire a queste due quantità di extracorsa è da stabilire caso per caso in base alla lavorazione, ma in generale si possono assumere tra 3 e 10 millimetri.
Il valore della velocità di avanzamento (Va) è espresso dalla relazione:
e determinabile in ogni lavorazione dopo che sono stati scelti i valori dei giri del mandrino (n) e dell’avanzamento (a).