Sviluppo di cuscinetti ad aria per l’alta velocità e precisione

I cuscinetti con caratteristiche oil free sono particolarmente apprezzati in alcune applicazioni per la totale assenza di olio lubrificante. Quando si utilizza l’aria come elemento lubrificante si ha un ulteriore vantaggio, dovuto alla pressochè assenza di attrito e di usura. Tale proprietà favorisce l’impiego dei cuscinetti ad aria, sia nelle applicazioni ad alta velocità, sia in quelle a elevata precisione.

Nell’industria sono sempre più frequenti i segnali di sostegno alle soluzioni ecosostenibili. La tecnologia dei supporti ad aria è una di queste, in quanto coniuga richieste di ecocompatibilità dei componenti alle esigenze tecniche di poter operare a elevatissima velocità di rotazione, oppure con grande precisione di movimentazione. Entrambe queste esigenze possono essere soddisfatte grazie alla bassa viscosità dell’aria utilizzata come lubrificante fra le superfici in movimento.

Per quanto riguarda le applicazioni rotative, i cuscinetti ad aria trovano impiego nei compressori ad alta velocità, nelle turbomacchine di taglia ridotta, negli elettromandrini.

Per quanto riguarda invece gli ambiti di precisione, i cuscinetti ad aria vengono adoperati nel settore metrologico e in generale nel micro posizionamento.

In questo lavoro vengono presentati alcuni prototipi sviluppati al Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Aerospaziale del Politecnico di Torino per contesti ad alta velocità e per il comparto della metrologia.

Elettromandrini pneumatici

In tale sezione vengono mostrati alcuni prototipi di mandrini sostentati su cuscinetti ad aria, nati per le microlavorazioni e la foratura PCB. Il primo prototipo è un elettromandrino con diametro di rotore 50 mm e lunghezza 480 mm che è stato testato fino alla massima velocità consentita dal motore elettrico, che è 75000 giri/min [1]: è dotato di due cuscinetti radiali e di un reggispinta assiale bidirezionale, entrambi ad aria ed alimentati esternamen- te. I cuscinetti sono stati progettati al fine di ottimizzarne la rigidezza e ridurre l’effetto delle forze di taglio sulla precisione di lavorazione. In Figura 1 è visibile lo spostamento che si ha sull’utensile dovuto alla forza di taglio radiale per diverse pressioni di alimentazione. Chiaramente la rigidezza aumenta con la pressione di alimentazione. Per quanto concerne la stabilità, il funzionamento è affidabile nel campo di velocità operativa e anche oltre.

L’elettromandrino è stato testato anche durante la lavorazione di una resina con frese di diametro da 1 a 6 mm. Mediante slitta motorizzata sono state imposte velocità di avanzamento al pezzo da 1 a 10 mm/s con sovrametalli di altezza pari a 1 mm. In Figura 2 è mostrato un prototipo di pneumomandrino per microlavorazioni testato fino a 170000 giri/min.

Il prototipo è stato sviluppato nell’ambito del progetto regionale M-Flex, in collaborazione con Mager.

Il diametro del rotore in questo caso è pari a 12 mm. Per le prime prove di verifica della stabilità dei cuscinetti ad aria si è pensato di realizzare una turbina ad aria, che consente di regolare facilmente la velocità senza la necessità di un controllo elettronico.

Al fine di aumentare la stabilità dei cuscinetti radiali è stata sperimentata una geometria ellittica, la cui maggiore stabilità è stata verificata numericamente [2].

La Figura 3 mostra la misura del profilo interno della boccola fatta mediante un rotondimetro.

 

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