Management Engineering - Tecnologia Meccanica e Qualità

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1 Tecnologia Meccanica e Qualità TECNOLOGIA MECCANICA E QUALITÀ 31 /08/2022 Nota: Il t ema d ’esame presenta divers e versioni che differiscono tra loro in al cuni valor i numerici. Questo documento si riferisce a d una delle vers ioni. QUESITO DI FONDERIA (PUNTI 10) Un giunto speciale per un impianto idroelettrico in AlSi8 viene realizzato con un ciclo produttivo che prevede , come primo step, una colata in piano in forma transitoria. Dati: I dati geometrici del la cavità e del sistema di colata sono indicati in Figura 1 (per semplicità non si riportano angoli di sformo e raggi di raccordo) . Rapporti del sistema di colata: �������:�������:������������= 2∶2∶1. Il sistema ha un si ngolo attacco con sezione: 2000 mm2. Figura 1. Il sistema di alimentazione, non riportato in figura , è composto da una materozza cieca . a) Si calcoli il volume complessivo del modello in Figura 1 e il modulo termico della parte 1 seguendo la suddivisione indicata in Figura 1. b) Si semplifica la forma ad ottenere un volume di cavità posto nella semistaffa inferiore, fino al piano di separazione delle staffe , di ��������� = 6,5⋅ 10 6 ��3. Tramite un opportuno sistema sensoristico, si è misurato sperimentalmente un tempo di riempimento della semistaffa inferiore pari a ������������ = 5 �. Ricavare sperimentalmente la portata volumetrica, la velocità di efflusso media e il coefficiente di perdite di carico c . c) Assumendo c = 0,3 ed un’altezza finale di colata pari a ℎ� = 100 �� , si stimi no l’altezza media di colata ������� e la velocità del flusso liquido sapendo che il volume totale di riempimento, compreso di sistema di alimentazione vale ���� = 16 ⋅ 10 6 mm3 e che le porzioni di volume del getto sotto e sopra il PDS valgono rispettivamente �′= 0,4 e �′′= 0,6. d) A valle di aggiustamenti nella progettazione delle staffe, si ottiene una velocità del fluido ���� = 0,6 �/�. Il volume totale di riempimento, compreso di sistema di alimentazione vale ���� = 16 ⋅ 10 6 ��3. Si calcoli la portata volumetrica e il tempo di riempimento se si volesse sostituire l’attacco di colata con uno a sezione circolare di diametro ������������������ = 60 �� . QUESITO DI DEFORMAZIONE (PUNTI 10) Un’azienda produce mediante processi di estrusione billette cilindriche di ottone con sezione iniziale �0= 1000 �� 2 e lun ghezza iniziale �0= 1,5 �. Si ipotizzi un comportamento perfettamente plastico del materiale , con ������= 205 �������� . Si ipotizzi inoltre assenza di attrito per tutte le lavorazioni. a) Si producono profilati con sezione finale ��= 144 mm 2. Si calcoli la lunghezza finale del profilato, e il lavoro ideale di deformazione �. b) Si determini il rapporto di forma limite � e la minima sezione del profilato corrispondente dato il vincolo di massima forza erogabile �������������� = 300 kN . 2 Tecnologia Meccanica e Qualità c) Sapendo che la sezione finale dei profilati estrusi è ��= 200 mm 2, si calcoli la potenza che garantirebbe una velocità in uscita ��= 2 m/s. Si calcoli il relativo tempo di lavorazione ipotizzando estrusione competa della billetta. d) Durante una lavorazione , viene misurata l’energia assorbita dalla macchina , che risulta ����������� = 180 kJ. Si calcoli il costo energetico della lavorazione sapendo che il costo energetico unitario vale �= 0,3 € kWh . QUESITO ASPORTAZIONE (10 PUNTI) Partendo dal grezzo di fonderia in acciaio nella figura 2 di sinistra (per semplicità si trascurano angoli di sformo e reggi di raccordo) , si ottiene il pezzo finito come da figura 2 di destra mediante un’operazione di asportazione di truciolo eseguita al tornio. La lavorazione viene eseguita in una sola passata. Dimensioni nominali: �1= 200 �� ,�2= 102 �� ,�3= 100 �� ,�4= 96 �� ,������1= 100 �� ,������2= 60 �� . Figura 2. Sezione del grezzo iniziale (sinistra) e sezione del prodotto a valle delle operazioni di asportazione di truciolo (destra) a) Sapendo che la potenza di targa del tornio è �� = 20 kW con rendimento ������= 0,9, si verifichi la fattibilità della lavorazione. Si co nsiderino ��������������� = 1400 giri /min , �= 0,3 mm /giro , ��= 2100 MPa . b) Si calcoli il tempo di contatto . Si considerino ��������������� = 1400 giri /min , �= 0,3 mm /giro , ��= 2100 MPa . c) Il pezzo viene fissato mediante mandrino autocentrante sulla superficie indicata con “A” in figura. Supponendo una forza di taglio costante pari a � = 2150 N per tutta la lavorazione, si ricavi no il momento di taglio e la pressione minima di serraggio. Si considerino tre pinze di �������= 400 mm2 con coefficiente di attrito morsa -pezzo ������= 0,3. d) A valle di valutazioni aggiuntive, si sceglie utilizza una velocità di taglio ��= 300 m/min , costante lungo la lavorazione, risultando in un tempo di taglio �� = 0,35 min . Si valuti il tempo di lavorazione sapendo che il cambio tagliente richiede 13 s e può avvenire interrompendo e riprendendo la lavorazione di un pezzo . I parametri di Taylor per l’utensile sono � = 300 MPa e �= 0,3. 3 Tecnologia Meccanica e Qualità Cognome e nome Tema Codice persona Data TMQ 31 /0 8/22 QUESITO DI FONDERIA ( PUNTI 10) Punti Risposta udm DOMANDA A Volume complessivo del modello 1 Modulo termico della parte 1 1 DOMANDA B Portata volumetrica sperimentale 1 Velocità di efflusso sperimentale 1 Coefficiente di perdite di c arico sperimentale 1 DOMANDA C Altezza media di colata ������� 1,5 Velocità di efflusso media 1,5 DOMANDA D Portata volumetrica 1 Tempo di riempimento 1 QUESITO DI DEFORMAZIONE (PUNTI 10) Punti Risposta udm DOMANDA A Lunghezza finale profilato 1 Lavoro specifico � 1,5 Lavoro ideale � 1 DOMANDA B Rapporto di forma � 1 Sezione minima ottenibile 1 DOMANDA C Potenza necessaria 1,5 Tempo di estrusione 1 DOMANDA D Costo energetico 2 QUESITO DI ASPORTAZIONE (PUNTI 10) Punti Risposta udm DOMANDA A Potenza di taglio 2 Potenza disponibile 1 Fattibilità (si/no) 1 DOMANDA B Tempo di contatto 2 DOMANDA C Momento di taglio 1 Pressione minima di serraggio 1 DOMANDA D Tempo di lavorazione 2 4 Tecnologia Meccanica e Qualità SOLUZIONE QUESITO DI FONDERIA (PUNTI 10) a) Volume del modello Il Volume del modello è ricavabile dalla somma dei volumi delle 3 parti: �������� = �1+ �2+ �3 �1= ������ 4�2 ℎ= ������ 4⋅150 2 ⋅200 = 3534292 mm3 �2= ������ 4�2 ������ = ������ 4⋅170 2 ⋅300 = 6809402 mm3 �3= �1 �������� = 13877986 mm3 Il modulo termico della parte 1 è calcolabile tramite: �1 = �1 �1 dove �1 è la superficie di scambio termico della parte 1, ricavabile come segue: �1= ������������������������ + ������������� = ������ 4�2 + ������⋅�⋅ℎ= ������ 4150 2 + ������⋅150 ⋅200 = 111919 mm2 Il modulo termico risulta: �1 = �1 �1= 3534292 ��3 111919 ��2 = 31 ,57 mm b) Coefficiente perdite di carico c Il coefficiente di perdite di carico può essere ricavato sfruttando la relazione della velocità di efflusso. La velocità dovrà eguagliare quanto osservato sperimentalmente, quindi: ������������ = ����������������������� ⋅������������ E sapendo che: ������������ = ��������� ������������ Il volume da riempire risulta: �������� = 65000 00 ��3 Quindi: ������������ = ��������� ������������ = 6500000 5 ∗ 1 1000 = 1300 cm3 s La velocità del flusso liquido sperimentale è quindi: 5 Tecnologia Meccanica e Qualità ������������ = ������������ ����������������������� = 1300 2000 = 0,65 m s La velocità del flusso liquido è: �= �√2⋅�⋅ ℎ������ Imponendo �= ������������ , si ottiene: �= ������������ √2⋅�⋅ ℎ������ = 0,65 √2⋅9,81 ⋅200 1000 = 0,328 c) Velocità del flusso liquido. La velocità è ricavabile da: �= �√2⋅�⋅������� Dove ℎ� = (√ℎ������+ √ℎ� 2 ) 2 = (√200 + √100 2 ) 2 = 145 ,71 mm Le porzioni da riempire sono: �′= 0,4 �′′= 0,6 Quindi ������� = 1 ( �′ √ℎ������ + �′′ √ℎ� ) 2= 1 ( 0,4 √200 + 0,6 √145 ,71 ) 2= 164 ,41 mm La velocità vale quindi: �= �√2⋅�⋅������� = 0,3⋅√2⋅9,81 ⋅164 ,41 1000 = 0,54 m s d) Tempo di riempimento con velocità del fluido v=0.6 m/s e un attacco da 60 mm. La portata volumetrica vale: �′= #���������������� ℎ������∗������′���������������� ∗���� = 1∗ ������ 4∗60 2∗ 0,6= 1696 ,5 cm3 s �′���������� = ����������� �′ = 14000000 ∗ 1 1000 1696 ,5 = 8,25 s 6 Tecnologia Meccanica e Qualità QUESITO DI DEFORMAZIONE (PUNTI 10) A) Lunghezza finale e lavoro La lunghezza finale del profilato si può calcolare sfruttando il principio di conservazione del volume. �0∙�0= ��∙�� Da cui ��= �0∙�0 �� = 1,5∙1000 144 = 10 ,42 m Il lavoro specifico ideale di deformazione, ipotizzando materiale perfettamente plastico, si calcola come �= ������∙������= ������∙ln � = ������∙ln �0 ��= 205 ∙ln1000 144 = 397 ,28 MPa = 0,397 J mm 3 Si può infine calcolare il lavoro ideale, sfruttando il calcolo del volume �= �∙� = �∙�0∙�0= 0,397 ∙1,5∙1000 ∙1000 = 596 kJ B) Vincolo di forza Sapendo che, in assenza di attrito, la forza di estrusione si può stimare come � = �0∙������∙ln � Il rapporto di forma limite per rispettare il vincolo di forza imposto è calcolabile come � = � ������������������������������0∙������ = � 300 ∙1000 1000 ∙205 = 4,32 Si può dunque stimare la sezione minima ottenibile come ��= �0 � = 1000 4,32 = 231 ,44 mm 2 C) Potenza La stima della potenza di estrusione si può ottenere sfruttando la formula � = �∙�0= �0∙������∙ln �∙�0 Bisogna quindi ricavare la velocità del pistone sfruttando il principio di conservazione della portata volumetrica �0= �� � = 2 1000 200 = 0,4 m/s A questo punto la pot enza si calcola come � = �0∙������∙ln �∙�0= 1000 ∙205 ∙ln 1000 200 ∙0,4= 131974 W È possibile infine calcolare il tempo di estrusione di una billetta �= �0 �0= 0,462 ∙1,5= 0,694 s 7 Tecnologia Meccanica e Qualità D) Consumo energetico Il costo energetico si calcola come � = ����������� [������� ] 3600 [������� �� ℎ] ∙�= 180 3600 ∙0,3= 0,015 € QUESITO ASPORTAZIONE (PUNTI 10) a) Verifica potenza La profondità di passata varia durante la lavorazione. Per il tratto a diametro �2: �������2= �2− �4 2 = 102 − 96 2 = 3 mm Per il tratto a diametro �3: �������3= �3− �4 2 = 100 − 96 2 = 2 mm La forza maggiore si avrà per il tratto a diametro �2. La velocità della lavorazione varia essendo il numero di giri costante. La velocità massima si ottiene nella lavorazione del tratto a diametro �2. Quindi si verifica la potenza per il so lo tratto �2 come condizione più stringente. SI ottiene: ��= ��⋅�⋅�������2= 2100 ⋅0,3⋅3= 1890 N La velocità della lavorazione è: ��2= �⋅������⋅�2 1000 = 1400 ⋅������⋅102 1000 = 448 ,6 m/min Quindi: ��= ��⋅��2= 1890 ⋅ 448 ,6 60 ⋅1000 = 14 ,13 kW La potenza disponibile è: � = ��⋅������= 20 ⋅0,9= 18 kW La lavorazione è fattibile (��≤ �). b) Tempo di contatto Il tempo di contatto si calcola come: �� = � �⋅� La corsa dell’utensile si calcola come: �= (������1− ������2)+ ������2+ �2− �3 2 = 100 + 102 − 100 2 = 101 mm Quindi: �� = 101 1400 ⋅0,3= 0,240 min = 14 ,43 s 8 Tecnologia Meccanica e Qualità c) Verifica serraggio (��= 2150 �) Il momento di taglio massimo si rileva sul diametro massimo, ovvero �2. Quindi: ��= �⋅�2 2 = 2150 ⋅102 2 = 109650 N⋅mm = 109 ,65 Nm La pressione minima di serraggio si ricava dalla seguente condizione: ��≤ �� ������������������������� ⋅�1 2 ≤ �� �������������� = ���2 �1������������ �������= 2150 ⋅102 200 ⋅0,3⋅3⋅400 = 3,05 N mm2 d) Tempo di lavorazione Il tempo complessivo di lavorazione è: ��= �ℎ+ �� + ��⋅�� � La vita utile dell’utensile si ricava dalla formula di Taylor: �= (� ��) 1�= (300 300 ) 10,3= 1 min Trascurando extracorse e tempi fissi si ottiene: ��= 0,35 + 13 60 ⋅0,35 1 = 0,426 min = 25 ,55 s