Rendimenti processi fresature

[France97]

Salve a tutti,
recentemente ho acquistato un piccolo motore da fresatrice che ho voluto testare per capire le sue prestazioni e il rendimento di lavorazione (rapporto tra potenza meccanica generata dal motore e potenza meccanica necessaria al taglio).
Il test consisteva nel creare una cava in una piastra in lega di alluminio tramite una fresatura cilindrico-frontale con fresa a codolo.
Togliendo le perdite elettriche del motore ho ottenuto una potenza meccanica utile pari a 179,5 W e ho calcolato una potenza meccanica necessaria alla lavorazione pari a 46,5 W. Il rendimento della fresatura di conseguenza sarà pari a 0,26.

Secondo voi il rendimento della lavorazione di fresatura 0,26 è nella norma? Se non lo fosse quanto dovrebbe essere generalmente? Avete dei testi di riferimento che trattano questo argomento?

Parametri di taglio utilizzati:
- diametro della fresa: 6 mm;
- velocità rotazione mandrino: 10200 giri/min;
- velocità di avanzamento: 1885 mm/min;
- pressione specifica di taglio: 55 N/mm2;
- numero di denti fresa: 4;
- profondità di passata: 1,2 mm.

[brunart]

ma la cava è venuta bene?

[torn24]

Parli da ingegnere teorico rendimento della fresatura non l'avevo mai sentito.
Però se progettando una macchina, sappiamo il diametro massimo dell'utensile e il tipo di utensile che richiede più potenza, calcolo la potenza massima necessaria, di conseguenza un motore che possa fornire effettivamente quella potenza. La potenza comunque non è l'elemento che crea più problemi, quanto la coppia erogata dal mandrino. Esempio un torio cnc con elettromandrino ha buona potenza ma coppia limitata, in quanto non ha riduttori di giri, un tornio tradizionale ha un motore con meno potenza, ma una scatola per ridurre giri e aumentare la coppia, e ci troviamo che un tornio tradizionale potrebbe lavorare grossi diametri mentre il tornio cnc con più potenza non ce la fa.
Stesso discorso per le fresatrici, elettromandrino molta potenza poca coppia non può fare grosse asportazioni, testa con riduzione giri e meno coppia può fare grosse lavorazioni.
Comunque per calcoli ingegneristici non è un forum frequentato in prevalenza da ingegneri o progettisti "sono pochi in questo forum". E' anche da dire che poi i pochi ingegneri che lavorano con cnc hanno un approccio più pratico che teorico alla meccanica.

[hellfire39]

Non è mica chiaro cosa intendi!

Parli di potenza meccanica utile, ma che intendi? La potenza massima erogabile?
In generale i motori non lavorano *sempre* alla massima potenza ma si adattano al carico. Un motore, a vuoto, non sta erogando la stessa potenza di quando è sotto carico.

Sarebbe interessante capire come hai ottenuto i valori indicati.

[Fiveaxis]

Interessante esperimento.
Aggiungo i miei 2 cent.

Se ho inteso bene, stai testando il motore che muove un asse. La potenza meccanica (spinta dell'asse) sull'utensile è il risultato del rendimento del "sistema asse". Ovvero data la potenza di ingresso, andrebbero sottratte le perdite dei vari componenti del sistema: motore, trasmissione motore-vite, chiocciola, guide.

Non trovo sia corretto dire: il motore assorbe tot Watt, mi trovo tot Watt sull'utensile...il rendimento del motore è questo!

[France97]

ma la cava è venuta bene?

Non molto, principalmente perché il carrello su cui ho fissato il motore è fatto con un pannello di compensato da 15 mm, dovrei provare a sostituirlo con una piastra in alluminio. Inoltre ho notato che la ventola di raffreddamento è leggermente fuori asse, ad alte velocità produce vibrazioni parecchio fastidiose.

[France97]

Parli da ingegnere teorico rendimento della fresatura non l'avevo mai sentito.
Però se progettando una macchina, sappiamo il diametro massimo dell'utensile e il tipo di utensile che richiede più potenza, calcolo la potenza massima necessaria, di conseguenza un motore che possa fornire effettivamente quella potenza. La potenza comunque non è l'elemento che crea più problemi, quanto la coppia erogata dal mandrino. Esempio un torio cnc con elettromandrino ha buona potenza ma coppia limitata, in quanto non ha riduttori di giri, un tornio tradizionale ha un motore con meno potenza, ma una scatola per ridurre giri e aumentare la coppia, e ci troviamo che un tornio tradizionale potrebbe lavorare grossi diametri mentre il tornio cnc con più potenza non ce la fa.
Stesso discorso per le fresatrici, elettromandrino molta potenza poca coppia non può fare grosse asportazioni, testa con riduzione giri e meno coppia può fare grosse lavorazioni.
Comunque per calcoli ingegneristici non è un forum frequentato in prevalenza da ingegneri o progettisti "sono pochi in questo forum". E' anche da dire che poi i pochi ingegneri che lavorano con cnc hanno un approccio più pratico che teorico alla meccanica.

Hai fatto centro! Sto studiando ingegneria meccanica, quindi tanta teoria e pochissima pratica
Sto cercando di studiare le lavorazioni di fresatura, uno dei miei obiettivi è quello di capire quanto del lavoro utilizzato nel taglio finisce nello trasformarsi in calore.
Il motore è a corrente continua e non ha riduttori di giri. La velocità di rotazione si regola variando il voltaggio di alimentazione, quindi durante la regolazione la coppia che il motore genera dovrebbe essere costante e dovrebbe variare solo la potenza. La coppia necessaria al taglio è di circa 0,044 Nm mentre quella che genera il motore è di 0,168 Nm.
Mi rendo conto che la mia richiesta è un po' insolita, ma ho provato lo stesso a chiedere qui. Grazie comunque!

[hellfire39]

Innanzitutto, se vari la tensione, il motore lavorerà male. Di solito si utilizza un PWM, che varia il duty cycle (la percentuale di tempo che il motore riceve tensione).

La coppia che eroga il motore è legata alla richiesta meccanica.
La puoi stimare osservando la corrente erogata. La coppia è legata più o meno linearmente alla corrente erogata.

Il punto di lavoro del motore sarà legato alla coppia richiesta perché il punto di equilibrio è dato (sempre semplificando) dalla somma della tensione dovuta alla resistenza ed alla corrente (e quindi alla coppia) (R*I) e alla forza elettromotrice inversa (e quindi la velocità).


Che significa la coppia generata dal motore è 0,168Nm? Hai un torsiometro? Come ricavi quel valore?

[France97]

Non è mica chiaro cosa intendi!

Parli di potenza meccanica utile, ma che intendi? La potenza massima erogabile?
In generale i motori non lavorano *sempre* alla massima potenza ma si adattano al carico. Un motore, a vuoto, non sta erogando la stessa potenza di quando è sotto carico.

Sarebbe interessante capire come hai ottenuto i valori indicati.

Cerco di chiarire meglio quello che ho combinato.
Inizialmente ho determinato i parametri di taglio che volevo utilizzare, questi mi hanno portato ad ottenere la coppia meccanica (0,044 Nm) e la potenza necessari per intagliare il pezzo di alluminio (46,5 W).

Successivamente ho regolato la tensione di alimentazione del motore elettrico per ottenere la velocità di rotazione (104,7 V per 10200 rpm) e ho misurato la corrente assorbita dal motore durante la lavorazione (2,04 A). Quindi ho potuto calcolare la potenza assorbita dal motore: 104,7*2,04=213,6 W.

Conoscendo la resistenza elettrica del motore (8,2 ohm) ho ricavato le perdite elettriche per effetto Joule: 8,2*2,04^2=34,1 W.
Sottraendo le perdite elettriche alla potenza assorbita ho ottenuto la potenza meccanica utile, cioè quella che il motore eroga sotto questo tipo di carico: 213,6-34,1=179,5 W.

Inoltre ho potuto calcolare la coppia meccanica del motore: (30*179,5)/(pi.greco()*10200)=0,167 Nm.

Da lì ho calcolato il rendimento della fresatura: 46,5/179,5=0,26.
Dalle coppie si può fare la verifica: 0,044/0,167=0,26.

[France97]

Innanzitutto, se vari la tensione, il motore lavorerà male. Di solito si utilizza un PWM, che varia il duty cycle (la percentuale di tempo che il motore riceve tensione).

La coppia che eroga il motore è legata alla richiesta meccanica.
La puoi stimare osservando la corrente erogata. La coppia è legata più o meno linearmente alla corrente erogata.

Il punto di lavoro del motore sarà legato alla coppia richiesta perché il punto di equilibrio è dato (sempre semplificando) dalla somma della tensione dovuta alla resistenza ed alla corrente (e quindi alla coppia) (R*I) e alla forza elettromotrice inversa (e quindi la velocità).


Che significa la coppia generata dal motore è 0,168Nm? Hai un torsiometro? Come ricavi quel valore?

Sì, la regolazione avviene attraverso un PWM, da quello che ho capito con la variazione del duty cycle ottieni la variazione di una tensione media, che nel mio caso è pari a 104,7 V. La coppia l'ho proprio ricavata misurando la corrente (2,04 A), sapendo la velocità di rotazione (10200 rpm) e la resistenza elettrica degli avvolgimenti (8,2 ohm). [30*(104,7*2,04-8,2*2,04^2)]/[pi.greco()*10200]=0,168 Nm

[Innaig]

Per riuscire a "vedere" veramente il rendimento oppure valutare se con un dato utensile ed un dato materiale rientri nella gamma di potenza/coppia del mandrino e se puoi "spingere" ulteriormente hai bisogno di molti dati e devono essere trasdotti in tempo reale.

In foto un esempio di come viene fatto in ambito professionale in cui istantaneamente nella curva caratteristica posta a destra viene visualizzato un pallino che mi conferma che sono all' interno del range di coppia/potenza/giri.

[France97]

Interessante esperimento.
Aggiungo i miei 2 cent.

Se ho inteso bene, stai testando il motore che muove un asse. La potenza meccanica (spinta dell'asse) sull'utensile è il risultato del rendimento del "sistema asse". Ovvero data la potenza di ingresso, andrebbero sottratte le perdite dei vari componenti del sistema: motore, trasmissione motore-vite, chiocciola, guide.

Non trovo sia corretto dire: il motore assorbe tot Watt, mi trovo tot Watt sull'utensile...il rendimento del motore è questo!

No, sto testando il motore elettrico che effettua il vero e proprio scavo, che fa girare la fresa. Questo motore l'ho montato su un carrello che si muove lungo l'asse.
Il suo rendimento mi viene all'incirca 0,84, ma in questo caso non mi interessa. Immagina di suddividere in due il processo:
1) potenza assorbita dal motore => potenza meccanica generata dal motore; le perdite sono quelle elettriche.
2) potenza meccanica generata dal motore => potenza necessaria alla fresatura; le perdite sono per attrito e lavoro ridondante (a me interessa quantificare queste perdite qui).

Il rendimento di "1)" è 0,84, il rendimento di "2)" è 0,26, assieme generano un rendimento pari a: 0,84*0,26=0,22.

Il mio problema è capire se 0,26 è un valore accettabile, se è nella norma. Tutti questi problemi me li sto facendo per un progetto di università

[France97]

Per riuscire a "vedere" veramente il rendimento oppure valutare se con un dato utensile ed un dato materiale rientri nella gamma di potenza/coppia del mandrino e se puoi "spingere" ulteriormente hai bisogno di molti dati e devono essere trasdotti in tempo reale.

In foto un esempio di come viene fatto in ambito professionale in cui istantaneamente nella curva caratteristica posta a destra viene visualizzato un pallino che mi conferma che sono all' interno del range di coppia/potenza/giri.

Sarebbe molto bello avere a disposizione degli strumenti del genere, per ora mi aggiusto con un tester e faccio le cose un po' alla buona. Le potenze in gioco sono mooolto al di sotto delle tue, con una velocità massima di 11400 rpm e una coppia di 0,168 Nm (precisione che lascia a desiderare) dovrei avere una potenza massima di circa 200 W. Comunque dovrei ritrovarmi nella parte crescente del diagramma delle potenze perché il motore è a magneti permanenti.
Secondo te comunque può essere accettabile un risultato del genere? Precisione a parte.

[Fiveaxis]

Mi scuso perchè avevo capito male, avevo inteso che stavi testando il motore di un asse invece stai testando un mandrino.

Calcolare l'efficenza di fresatura è molto complesso secondo me. Come evidenzia Innaig i produttori di macchine utensili valutano questi dati ma credo di non sbagliare nel dire che sono valutazioni empiriche, cioè che si verificano in pratica con vere e proprie prove.

Chiedi se i valori che hai riscontrato sono plausibili..Nel tuo caso è così! Ciò vale in modo generico? Dipende!...
Le variabili in gioco sono moltissime relativamente all'utensile, le condizioni di taglio, il materile da asportare e la macchina utensile...

Utensile
A parità di dimensione, un utensile con angoli di spoglia più positivi, o con taglienti lappati o, ancora, rivestiti, offre un taglio con minore atrito, più dolce e, quindi, con meno sforzo.
Le affilature degli utensili hanno tolleranze e non è infrequente imbattersi in lotti di utensili meno efficenti di altri (a parità di codice ovviamente)

Lubrorefrigerazione
Una corretta lubrorefrigerazione, a parità di utensile e parametri di taglio, diminuisce l'atrito dei taglienti e quindi ottimizza lo sforzo di taglio.

Il materiale
Il materiale da lavorare incide molto sullo sforzo di taglio e, anche in questo caso, a parità di materiale (sigla) spesso ci si trova con situazioni molto diverse. Addirittura nella stessa barra tra inizio e fine ci sono casi in cui il contatto pezzo del tagliente si riduce anche del 50%

Macchina utensile
Un utensile durante l' azione di taglio nel materiale, lavora meglio se in assenza di vibrazioni. Le vibrazioni infatti (in inglese Chattering) creano delle microfratture sul filo del tagliente.
Si innesca un circolo vizioso in cui: il tagliente deteriorato offre maggior resistenza di taglio, aumentano le vibrazioni che rovinano ulteriormente il tagliente...Fino alla rottura dell'utensile.
Migliore sarà la rigidità dinamica della macchina utensile, ovvero la capacità di smorzare le vibrazioni, migliore sarà l'efficenza della fresatura.

Insomma, tutto ciò per dire che ok, potrai calcolare l'efficenza di fresatura in certe condizioni: con un certo utensile, in determinate condizioni di taglio, su un dato materiale, con una specifica macchina...In quel istante ma... Temo che sia estremamente complesso calcolare e prevedere con precisione a tavolino certi dati in modo generico.

[hellfire39]

Alla fine hai potuto verificare che la velocità di rotazione fosse proprio 10200 rpm.
Sia a vuoto a che durante il taglio?
Dovesti avere un sistema di misura sull'albero motore per vedere come si comporta la velocità.
In linea teorica, se a vuoto vai a X rpm, sotto carico andrai a Y (Y< X) perché l'aumento della corrente necessario per erogare coppia si mangia un po' della tensione.

Per quanto riguarda il PWM non è proprio come avere il valore medio. Questo perché c'è anche una componente induttiva che beneficia nell'avere una variazione di tensione superiore.