IT202100013130A1 - Macchina utensile per lavorazione di semilavorati in lega di alluminio o titanio - Google Patents

Macchina utensile per lavorazione di semilavorati in lega di alluminio o titanio Download PDF

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IT202100013130A1
IT202100013130A1 IT102021000013130A IT202100013130A IT202100013130A1 IT 202100013130 A1 IT202100013130 A1 IT 202100013130A1 IT 102021000013130 A IT102021000013130 A IT 102021000013130A IT 202100013130 A IT202100013130 A IT 202100013130A IT 202100013130 A1 IT202100013130 A1 IT 202100013130A1
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Marcello Marchetti
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Description

DESCRIZIONE
La presente invenzione si colloca nel settore delle macchine utensili, ed in particolare nel settore tecnico delle macchine utensili di grandi dimensioni, quali una macchina alesatrice orizzontale oppure una macchina fresatrice o un tornio. In particolare, forma oggetto della presente invenzione una macchina utensile adatta alla lavorazione di semilavorati in lega di alluminio oppure in lega di titanio.
Tali macchine utensili sono utilizzate per l?esecuzione di lavorazioni meccaniche su semilavorati di grandi dimensioni destinati all?industria aeronautica, aerospaziale e navale.
A causa della criticit? di tali applicazioni industriali, sono generalmente richieste tolleranze di lavorazione estremamente contenute. I produttori di macchine utensili sono pertanto costantemente impegnati nella ricerca e sviluppo di soluzioni che possano garantire tali tolleranze.
Nella fattispecie delle lavorazioni di semilavorati in lega di titanio si osserva che, durante le operazioni di asportazione di truciolo, l?utensile sviluppa delle vibrazioni con frequenza compresa tra 12 e 18 Hz.
Considerando che la frequenza di risonanza delle macchine utensili secondo lo stato dell?arte ? tra 14 e 16 Hz, appare evidente al tecnico del ramo come la lavorazione delle leghe di titanio produca delle vibrazioni nell?intervallo di risonanza delle macchine, che di fatto impediscono l?ottenimento delle tolleranze richieste dalle applicazioni industriali cui il pezzo finito ? destinato.
Invece nella fattispecie delle lavorazioni di semilavorati in lega di alluminio, il rispetto delle tolleranze dimensionali richiede tempi di produzione molto lunghi. ? chiaro che, incrementando la rigidezza della macchina e aumentando il valore della prima frequenza di risonanza, le prestazioni dinamiche della macchina utensile migliorerebbero e di conseguenza i tempi di produzione potrebbero essere ridotti senza per questo compromettere il rispetto delle tolleranze richieste.
Pertanto, al fine di rispettare le tolleranze e/o migliorare le prestazioni dinamiche, le macchine utensili dovrebbero essere sufficientemente rigide da garantire una frequenza di risonanza compresa tra 23 e 30 Hz.
Finora, gli sforzi compiuti dai produttori sono stati orientati ad aumentare la rigidezza delle macchine.
Sebbene sia possibile migliorare la rigidezza attraverso un aumento di rigidit? delle strutture della macchina, tale pregiudizio tecnico, per altro giustificato dalla scienza strutturale, non ha finora prodotto alcun risultato soddisfacente.
Scopo della presente invenzione ? quello di realizzare una macchina utensile di grandi dimensioni in grado di ovviare agli inconvenienti sopra lamentati.
Tale scopo ? conseguito con una macchina utensile per la lavorazione di semilavorati in lega di alluminio o in lega di titanio secondo la rivendicazione 1 allegata. Le rivendicazioni da questa dipendenti individuano ulteriori vantaggiose forme di realizzazione dell?invenzione.
Le caratteristiche e i vantaggi della macchina utensile secondo la presente invenzione risulteranno comunque evidenti dalla descrizione di seguito riportata di suoi esempi preferiti di realizzazione, dati a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento alle allegate figure, in cui:
- la figura 1 ? una vista prospettica di una macchina utensile in una forma di realizzazione;
- la figura 2 ? una vista prospettica della macchina utensile di figura 1 secondo una diversa angolazione; - la figura 3 ? una vista frontale della macchina utensile di figura 1;
- la figura 4 ? una vista laterale della macchina utensile di figura 1;
- la figura 5 ? una vista ingrandita del dettaglio V riquadrato in figura 4;
- la figura 6 ? una vista ingrandita del dettaglio VI evidenziato in figura 1;
- la figura 7 ? una vista ingrandita del dettaglio VII evidenziato in figura 1, e
- la figura 8 ? una vista ingrandita del dettaglio VIII riquadrato in figura 4.
Nel prosieguo della descrizione, elementi comuni alle varie forme di realizzazione rappresentate nei disegni sono indicati con gli stessi numeri di riferimento.
Con riferimento alle figure delle tavole allegate, con 1 si ? complessivamente indicata una macchina utensile adatta alla lavorazione di semilavorati in lega di alluminio oppure in lega di titanio.
In una forma generale di realizzazione, la macchina utensile 1 per la lavorazione di semilavorati in lega di alluminio o in lega di titanio ? destinata ad essere poggiata su un piano di riferimento orizzontale G, ad esempio il piano di terra. Tale macchina utensile 1 comprende una struttura di supporto 2, un montante 4, un carro 6 ed una testa di lavoro 7.
La struttura di supporto 2 comprende un banco 20 ed un supporto posteriore 22. Il banco 20 ha un?estensione prevalente lungo una direzione longitudinale X, mentre il supporto posteriore 22 si estende sia lungo la direzione longitudinale X sia lungo una direzione verticale Y.
Il banco e il supporto posteriore sono rigidamente collegati tra loro, ossia impegnati e resi solidali. Ad esempio, il banco 20 ed il supporto posteriore 22 sono collegati in modo tale che la struttura di supporto 2 ha una sezione trasversale a forma di ?L?, dove tale sezione trasversale si intende ricavata lungo un piano ortogonale alla direzione longitudinale X.
La struttura di supporto 2 ? inoltre provvista di mezzi di traslazione montante 3 orientati secondo la direzione longitudinale X.
Il montante 4 ? collegato alla struttura di supporto 2 mediante i mezzi di traslazione montante 3, in modo tale da traslare lungo la direzione longitudinale X. Tale montante 4 ? inoltre dotato di mezzi di traslazione carro 5 orientati secondo la direzione verticale Y.
Il carro 6 ? collegato al montante 4 per il tramite dei mezzi di traslazione carro 5, in modo tale da essere traslabile lungo la direzione verticale Y.
La testa di lavoro 7 ? impegnata al carro 6 e reca una sede portautensile 70 adatta ad alloggiare un utensile per le lavorazioni di asportazione di truciolo.
La macchina utensile 1 comprende anche quattro coppie di motoriduttori 81, 82, 83, 84 che sono posizionate a bordo del montante 4 e impegnano i mezzi di traslazione montante 3.
In una forma di realizzazione rappresentata nelle allegate figure 6 e 7, i mezzi di traslazione montante 3 comprendono una prima coppia di organi di traslazione montante 31 fissata al banco 20 ed una seconda coppia di organi di traslazione montante 32 fissata al supporto posteriore 22.
Secondo una forma di realizzazione illustrata nelle allegate figure 1 e 2, una prima coppia di motoriduttori 81 ed una seconda coppia di motoriduttori 82 delle quattro coppie di motoriduttori 81, 82, 83, 84 impegnano la prima coppia di organi di traslazione montante 31. Invece, una terza coppia di motoriduttori 83 ed una quarta coppia di motoriduttori 84 di tali quattro coppie di motoriduttori 81, 82, 83, 84 impegnano la seconda coppia di organi di traslazione montante 32.
In una forma di realizzazione, la prima 81 e la terza coppia di motoriduttori 83 sono posizionati su un primo fianco 41 del montante 4, mentre la seconda 82 e la quarta coppia di motoriduttori 84 sono posizionati su un secondo fianco 42 del montante 4 opposto al primo fianco 41.
Tali primo 41 e secondo fianco 42 sono laterali rispetto alla posizione dei mezzi di traslazione carro 5 su cui trasla il carro 6. In altre parole, il primo 41 e il secondo fianco 42 sono disposti lateralmente rispetto al carro 6.
Secondo una forma di realizzazione, un primo motoriduttore principale 831 appartenente alla prima 81 o alla terza coppia di motoriduttori 83 ? un master, mentre i rimanenti tre motoriduttori della prima e della terza coppia di motoriduttori sono slave. Inoltre, un secondo motoriduttore principale 842 appartenente alla seconda 82 o alla quarta coppia di motoriduttori 84 ? un master, mentre i rimanenti tre motoriduttori della seconda e della quarta coppia di motoriduttori sono slave.
Preferibilmente, il primo motoriduttore principale 831 appartiene alla terza coppia di motoriduttori 83 ed ? posizionato in prossimit? di un?estremit? superiore 22? del supporto posteriore 22. Il secondo motoriduttore principale 842 appartiene alla quarta coppia di motoriduttori 84 ed ? posizionato in prossimit? dell?estremit? superiore 22?.
In particolare, sia sul primo fianco 41 che sul secondo fianco 42 del montante 4 ? presente un?architettura master-slave.
In una forma di realizzazione, ciascun organo di traslazione montante della prima 31 e della seconda coppia di organi di traslazione montante 32 ? una cremagliera. Inoltre, ciascun motoriduttore di ognuna delle quattro coppie di motoriduttori 81, 82, 83, 84 comprende un motore elettrico 800 e un riduttore 802. Il motore elettrico 800 ha un asse motore M che ? parallelo alla direzione verticale Y. Il riduttore 802 ha ingresso impegnato con il motore elettrico 800 ed uscita impegnata con la cremagliera.
Nelle allegate figure 5-8 ? illustrata la catena cinematica, dove ciascun organo di traslazione montante ? una cremagliera fissata alla struttura di supporto e dove ciascun motoriduttore ? fissato a bordo del montante 4 e ingrana la cremagliera.
Preferibilmente, ingresso e uscita del riduttore 802 sono coassiali all?asse motore M e l?uscita comprende una ruota dentata che ingrana la cremagliera.
Secondo una forma di realizzazione, i mezzi di traslazione carro 5 comprendono una coppia di viti a ricircolo di sfere, dove ciascuna vite a ricircolo di sfere di tale coppia di viti a ricircolo di sfere ? azionata da una coppia di motoriduttori di movimentazione carro 61, 62; 63, 64, che sono montati a bordo del montante 4.
In altre parole, si consideri che ciascuna vite a ricircolo di sfere di tale coppia di viti a ricircolo di sfere che costituiscono i mezzi di traslazione carro 5 ? azionata da una coppia di motoriduttori di movimentazione carro 61, 62; 63, 64. Pertanto, a bordo del montante 4 sono presenti anche due coppie di motoriduttori di movimentazione carro, ossia una prima coppia di motoriduttori di movimentazione carro 61, 62 ed una seconda coppia di motoriduttori di movimentazione carro 63, 64.
In particolare, la coppia di viti a ricircolo di sfere ingrana una rispettiva coppia di chiocciole ricavata sul carro 6.
In accordo con una forma di realizzazione, solo un motoriduttore di movimentazione carro tra i quattro motoriduttori di movimentazione carro 61, 62, 63, 64 che costituiscono le due coppie di motoriduttori di movimentazione carro 61, 62; 63, 64 ? master, mentre i rimanenti tre motoriduttori di movimentazione carro sono slave.
Pertanto, anche l?azionamento della traslazione del carro 6 lungo la direzione verticale Y ? guidata da un?architettura master-slave.
Secondo una forma di realizzazione, ? presente un controllo GANTRY tra ciascun master ed i rispettivi slave.
Pertanto, ? presente un controllo GANTRY sia sul primo fianco 41 che sul secondo fianco 42 del montante 4. Inoltre, anche tra i quattro motoriduttori di movimentazione carro 61, 62, 63, 64 ? presente un controllo GANTRY.
Il controllo GANTRY viene implementato sulle architetture master-slave laddove, per mezzo della comunicazione MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output), i motoriduttori slave seguono le posizioni comandate dal master ed inviano al master i propri dati di feedback, in modo tale da ottenere un controllo ad anello chiuso. In una forma di realizzazione, la testa di lavoro 7 ? ruotabile attorno ad un asse di beccheggio A e attorno ad un asse di rollio C.
Secondo una forma di realizzazione illustrata in figura 4, la sede portautensile 70 ? ruotabile attorno ad un asse utensile T.
Si osservi che, in virt? della tipologia di lavorazione da effettuare sul semilavorato, l?asse utensile T pu? essere collineare o incidente l?asse di rollio C.
In una forma di realizzazione, il banco 20 comprende anche una prima coppia di guide 201 su cui scorre il montante 4.
Inoltre, il supporto posteriore 22 si estende tra un?estremit? inferiore 22? collegata al banco 20, ed un?estremit? superiore 22? dove, in corrispondenza di tale estremit? superiore, sono posizionati la seconda coppia di organi di traslazione montante 32 ed una seconda guida 202 su cui scorre il montante 4.
In una forma di realizzazione rappresentata nelle allegate figure 1 e 2, in una posizione intermedia tra l?estremit? superiore 22? e l?estremit? inferiore 22? ? posizionata almeno una terza guida 203 che ? fissata al supporto posteriore 22 e su di essa scorre il montante 4.
Preferibilmente, tale terza guida 203 ? distanziata verticalmente, ossia lungo la direzione verticale Y, dalla seconda coppia di organi di traslazione montante 32.
In particolare, la prima coppia di guide 201, la seconda guida 202 e la terza guida 203 sono dei binari di scorrimento longitudinali, ossia orientati lungo la direzione longitudinale X.
Secondo una forma di realizzazione, sia la prima 31 sia la seconda coppia di organi di traslazione montante 32 si estendono lungo la direzione longitudinale X tra una prima estremit? 3? ed una seconda estremit? 3? opposta alla prima 3?. A tali prima 3? e seconda estremit? 3? ? associato un trasduttore di posizione 30, ad esempio una riga ottica.
In una forma di realizzazione, il montante 4 comprende anche una coppia di guide verticali 9 su cui scorre il carro 6.
Preferibilmente, anche le due guide verticali di tale coppia di guide verticali 9 sono dei binari di scorrimento verticali, ossia orientati lungo la direzione verticale Y.
Innovativamente, la macchina utensile oggetto della presente invenzione assolve allo scopo preposto, in quanto raggiunge una rigidezza tale che la prima frequenza di risonanza ? compresa nell?intervallo tra 24 e 30 Hz.
Analiticamente, a seguito di simulazioni software per l?analisi agli elementi finiti (FEA) della macchina utensile oggetto della presente invenzione, si ? calcolato che la prima frequenza di risonanza ? a circa 30 Hz. Considerando che il valore ottenuto ? il risultato di un modello che rappresenta una semplificazione della realt?, si ? deciso in favore di sicurezza di considerare l?80% del valore calcolato. Pertanto, la prima frequenza di risonanza calcolata in modo conservativo ? pari a 24 Hz, ossia all?80% del risultato ottenuto attraverso simulazioni FEA.
Vantaggiosamente, la macchina utensile oggetto della presente invenzione ? pi? rigida delle macchine utensili secondo lo stato dell?arte.
Contrariamente al pregiudizio tecnico, che cercava di migliorare la rigidezza delle macchine aumentando solo la rigidit? delle strutture, nella presente invenzione sono stati incrementati i gradi di vincolo tra il montante e la struttura di supporto.
L?aumento della rigidezza e del valore della prima frequenza di risonanza sono stati raggiunti quando si ? passati dalla soluzione con solo quattro motoriduttori ingranati ai mezzi di traslazione montante, contemplata dallo stato della tecnica, alla presente invenzione in cui sono state introdotte quattro coppie di motoriduttori impegnate ai mezzi di traslazione montante. Pertanto, si ? passati da quattro a otto gradi vincolo tra il montante e la struttura di supporto.
Analiticamente si ? osservato che l?aumento dei gradi di vincolo tra il montante e la struttura di supporto produce un aumento della frequenza di risonanza tale da potere lavorare le leghe di titanio in assoluta sicurezza e nel rispetto delle tolleranze richieste. In altre parole, si ? osservato che sostituendo ciascun motoriduttore con una coppia di motoriduttori pi? piccoli, la rigidezza complessiva della macchina aumenta considerevolmente e migliorano le sue prestazioni dinamiche.
Secondo un aspetto vantaggioso, la macchina utensile oggetto della presente invenzione ? sicura, in quanto opera su frequenze lontane dalla frequenza di risonanza della macchina stessa.
Secondo un aspetto vantaggioso ancora ulteriore, la macchina utensile oggetto della presente invenzione ha un costo di realizzazione inferiore o confrontabile con le macchine utensili secondo lo stato dell?arte.
? chiaro che un tecnico del ramo, al fine di soddisfare esigenze contingenti, potrebbe apportare modifiche alla macchina utensile sopra descritta, oppure sostituire elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza tuttavia uscire dall'ambito di tutela delle seguenti rivendicazioni. Ognuna delle caratteristiche descritte come appartenente ad una possibile forma di realizzazione pu? essere realizzata indipendentemente nelle altre forme di realizzazione descritte.

Claims (15)

RIVENDICAZIONI
1. Macchina utensile (1) adatta alla lavorazione di semilavorati in lega di alluminio oppure in lega di titanio e destinata ad essere poggiata su un piano di riferimento orizzontale (G), ad esempio il piano di terra, detta macchina utensile comprendendo:
- una struttura di supporto (2) comprendente un banco (20) avente un?estensione prevalente lungo una direzione longitudinale (X), ed un supporto posteriore (22) estendentesi sia lungo la direzione longitudinale (X) sia lungo una direzione verticale (Y), in cui il banco e il supporto posteriore sono rigidamente collegati tra loro, e in cui la struttura di supporto (2) ? provvista di mezzi di traslazione montante (3) orientati secondo la direzione longitudinale (X);
- un montante (4) collegato alla struttura di supporto (2) mediante i mezzi di traslazione montante (3) in modo tale da traslare lungo la direzione longitudinale (X), detto montante (4) essendo inoltre dotato di mezzi di traslazione carro (5) orientati secondo la direzione verticale (Y);
- un carro (6) collegato al montante (4) per il tramite dei mezzi di traslazione carro (5) in modo tale da essere traslabile lungo la direzione verticale (Y);
- una testa di lavoro (7) impegnata al carro (6) e recante una sede portautensile (70) adatta ad alloggiare un utensile per le lavorazioni di asportazione di truciolo,
in cui la macchina utensile comprende anche quattro coppie di motoriduttori (81, 82, 83, 84) posizionate a bordo del montante (4) e impegnate ai mezzi di traslazione montante (3).
2. Macchina utensile (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui in cui i mezzi di traslazione montante (3) comprendono una prima coppia di organi di traslazione montante (31) fissata al banco (20) ed una seconda coppia di organi di traslazione montante (32) fissata al supporto posteriore (22).
3. Macchina utensile (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui una prima coppia di motoriduttori (81) ed una seconda coppia di motoriduttori (82) di dette quattro coppie di motoriduttori (81, 82, 83, 84) impegnano la prima coppia di organi di traslazione montante (31) e dove una terza coppia di motoriduttori (83) ed una quarta coppia di motoriduttori (84) di dette quattro coppie di motoriduttori (81, 82, 83, 84) impegnano la seconda coppia di organi di traslazione montante (32).
4. Macchina utensile (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui la prima (81) e la terza coppia di motoriduttori (83) sono posizionati su un primo fianco (41) del montante (4) e in cui la seconda (82) e la quarta coppia di motoriduttori (84) sono posizionati su un secondo fianco (42) del montante (4), opposto al primo fianco (41).
5. Macchina utensile (1) secondo la rivendicazione 4, in cui un primo motoriduttore principale (831) appartenente alla prima (81) o alla terza coppia di motoriduttori (83) ? un master e i rimanenti tre motoriduttori della prima e della terza coppia di motoriduttori sono slave, e in cui un secondo motoriduttore principale (842) appartenente alla seconda (82) o alla quarta coppia di motoriduttori (84) ? un master e i rimanenti tre motoriduttori della seconda e della quarta coppia di motoriduttori sono slave.
6. Macchina utensile (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 5, in cui ciascun organo di traslazione montante della prima (31) e della seconda coppia di organi di traslazione montante (32) ? una cremagliera, e in cui ciascun motoriduttore delle quattro coppie di motoriduttori (81, 82, 83, 84) comprende un motore elettrico (800), avente un asse motore (M) parallelo alla direzione verticale (Y) ed un riduttore (802) avente ingresso impegnato con il motore elettrico (800), ed uscita impegnata con la cremagliera.
7. Macchina utensile (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i mezzi di traslazione carro (5) comprendono una coppia di viti a ricircolo di sfere, dove ciascuna vite a ricircolo di sfere di detta coppia di viti a ricircolo di sfere ? azionata da una coppia di motoriduttori di movimentazione carro (61, 62; 63, 64), montati a bordo del montante (4).
8. Macchina utensile (1) secondo la rivendicazione 7, in cui solo un motoriduttore di movimentazione carro tra i quattro motoriduttori di movimentazione carro (61, 62, 63, 64) costituenti le due coppie di motoriduttori di movimentazione carro (61, 62; 63, 64) ? master, mentre i rimanenti tre motoriduttori di movimentazione carro sono slave.
9. Macchina utensile (1) secondo le rivendicazioni 5 e 8, comprendente un controllo GANTRY tra ciascun master ed i rispettivi slave.
10. Macchina utensile (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la testa di lavoro (7) ? ruotabile attorno ad un asse di beccheggio (A) e ad un asse di rollio (C).
11. Macchina utensile (1) secondo la rivendicazione 10, in cui la sede portautensile (70) ? ruotabile attorno ad un asse utensile (T).
12. Macchina utensile (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 11, in cui il banco (20) comprende anche una prima coppia di guide (201) su cui scorre il montante (4), e in cui il supporto posteriore (22) si estende tra un?estremit? inferiore (22?) collegata al banco (20), ed un?estremit? superiore (22?) dove, in corrispondenza di detta estremit? superiore, ? posizionata la seconda coppia di organi di traslazione montante (32) ed una seconda guida (202) su cui scorre il montante (4).
13. Macchina utensile (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui in una posizione intermedia tra l?estremit? superiore (22?) e l?estremit? inferiore (22?) ? posizionata almeno una terza guida (203) fissata al supporto posteriore (22) e su cui scorre il montante (4).
14. Macchina utensile (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 13, in cui sia la prima (31) sia la seconda coppia di organi di traslazione montante (32) si estendono lungo la direzione longitudinale (X) tra una prima estremit? (3?) ed una seconda estremit? (3?) opposta alla prima (3?), a dette prima (3?) e seconda estremit? (3?) essendo associato un trasduttore di posizione (30), ad esempio una riga ottica.
15. Macchina utensile (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il montante (4) comprende anche una coppia di guide verticali (9) su cui scorre il carro (6).
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