Lo sviluppo di un prototipo per il monitoraggio della temperatura degli utensili per il taglio dei metalli
Una sfida associata agli utensili per il taglio dei metalli impiegati nel settore della produzione è rappresentata dal calore da essi generato. Le elevate temperature viaggiano attraverso il corpo dell’utensile e possono comportare una diminuzione delle prestazioni di taglio, riducendo così la qualità delle superfici lavorate. Ciò rende fondamentale monitorare in modo preciso la temperatura dell’utensile nel corso della fase di lavorazione. La temperatura degli utensili può essere stimata a partire dal colore delle otturazioni e delle schegge note come trucioli; tuttavia, monitorare la distribuzione della temperatura in modo preciso è un compito problematico. A causa delle difficoltà insite nell’ambiente, la misurazione diretta mediante l’impiego di sensori è pressoché impossibile poiché sono presenti rischi di danneggiamento degli stessi dovuti a pressioni elevate e fluidi da taglio. La soluzione sviluppata dal progetto MoMenT, sostenuto dall’UE, era quella di creare un utensile in grado di effettuare contemporaneamente il taglio e il monitoraggio grazie a sensori integrati distribuiti attentamente. «I nostri prototipi e algoritmi ci hanno consentito di valutare accuratamente la temperatura nella zona di taglio sulla base delle letture dei sensori», spiega Rachid M’Saoubi, esperto di R&S presso Seco Tools, l’azienda che ha ospitato il progetto, nonché supervisore del borsista Marie Skłodowska-Curie Vyacheslav Kryzhanivskyy.
Moduli per monitorare la distribuzione del calore
Quando le temperature e le proprietà termofisiche degli utensili sono note, è possibile determinare i flussi di calore. Per aggirare il problema di non riuscire a ottenere letture relative alla zona di taglio stessa, i sensori di MoMenT hanno misurato temperature in diversi punti al di sotto dell’inserto di taglio. Successivamente, gli algoritmi hanno ricavato da queste letture i dati necessari per calcolare la temperatura di qualsiasi punto dell’utensile. Un modulo di «Resistenza termica» ha utilizzato un Light Flash Apparatus (LFA, letteralmente «apparato a lampo di luce») per raccogliere informazioni sulla resistenza termica dei componenti dell’utensile, nonché un algoritmo di modellizzazione che calcola la temperatura di taglio. Ciò è stato integrato da un modulo di «Distribuzione della temperatura» contenente i prototipi MoMenT di utensili per il taglio dotati di sensori a termocoppia e a termistore. Questo modulo ha inoltre utilizzato algoritmi di modellizzazione per calcolare la distribuzione del calore o il suo flusso. Infine, i moduli «Studio sul rivestimento» e «Studio sul raffreddamento» hanno quantificato l’effetto esercitato dai rivestimenti sui flussi di calore che scorrono verso l’utensile e hanno misurato il coefficiente dello scambio di calore, sulla base della strategia di raffreddamento adottata. «I test hanno dimostrato che il nostro sistema è stato in grado di restringere la gamma delle strategie di lavorazione efficaci, aiutando il mondo dell’industria a quantificare gli effetti termici dei diversi rivestimenti, materiali e strategie di raffreddamento da utilizzare per gli utensili», aggiunge Kryzhanivskyy.
Verso l’Industria 4.0
Macchine dotate di una tecnologia per il taglio più efficiente consentiranno una maggiore produttività per i fabbricanti, oltre a migliorare la qualità dei prodotti offerti ai consumatori. Gli strumenti dotati di sensori termici risulteranno di particolare interesse per l’automazione delle tradizionali pratiche industriali e di fabbricazione che si avvalgono di moderne tecnologie intelligenti o dell’Industria 4.0. «Un utensile ampiamente disponibile dotato di sensori termici in grado di effettuare un monitoraggio online della temperatura nella zona di taglio è un obiettivo ancora ben lungi dall’essere raggiunto. Per adesso stiamo migliorando e collaudando ulteriormente il nostro prototipo», osserva Kryzhanivskyy. Il team ha già integrato la trasmissione dei segnali wireless nei sensori per il controllo della temperatura sviluppati. Il prossimo passo è quello di integrare ulteriormente il sistema affinché le decisioni in merito alle condizioni di taglio, come la velocità, l’avanzamento e la profondità, possano basarsi sulla distribuzione della temperatura nel corpo dell’utensile in tempo reale. Questo lavoro in corso di svolgimento è stato intrapreso congiuntamente al progetto ToolSense (con VINNOVA e i finanziamenti del cluster Eureka). Esso è stato istituito al fine di sviluppare, ampliare e commercializzare i sensori per la misurazione e il monitoraggio online di forze, vibrazioni e temperature nei processi di lavorazione.
Parole chiave
MoMenT, taglio dei metalli, distribuzione del calore, lavorazione, produzione, temperature, algoritmi, rivestimento, raffreddamento, Industria 4.0, resistenza termica, sensori