Studio di un elettromandrino ultraveloce supportato da cuscinetti a gas

Negli ultimi anni i mandrini ultraveloci sono sempre più utilizzati all’interno di numerose applicazioni come foratura e fresatura di circuiti stampati, fresature di stampi metallici, lavorazioni di lenti a contatto e microlavorazioni. Questo articolo descrive lo studio delle prestazioni di un elettromandrino ultraveloce supportato da cuscinetti a gas. Gli obbiettivi del lavoro sono quantificare le prestazioni dell’oggetto in questione e validare il modello numerico del sistema rotore-cuscinetti al fine di poterlo poi utilizzare per ottimizzazioni e progettazioni future.

Grazie al loro basso attrito i cuscinetti a gas sono componenti di primaria importanza soprattutto quando utilizzati all’interno di sistemi rotanti ad alta velocità (dell’ordine delle centinaia di migliaia di giri al minuto). Per quanto riguarda le applicazioni di tipo rotativo, i cuscinetti a gas vengono largamente impiegati all’interno di elettromandrini per la realizzazione di microlavorazioni come fresature e forature. In quest’ambito, il principale problema che un progettista si trova a fronteggiare è quello di garantire che, durante la sua rotazione, l’utensile presenti dei valori di runout adeguati. Il runout è la tendenza a oscillare che uno strumento manifesta durante la rotazione attorno al suo asse. Tanto più questo fenomeno risulta essere accentuato e tanto più la lavorazione risulterà imprecisa e l’usura dell’utensile irregolare. La centralità di questo problema deriva dal fatto che, almeno su utensili reali, il runout non può mai essere completamente eliminato. In prima battuta, quello che solitamente si cerca di fare per ridurre questa sorta di sbandieramento dell’utensile è:
valutare lo stato di “salute dei vari componenti del mandrino;
• verificare che la pinza afferri l’utensile in maniera opportuna;
ridurre al massimo la presenza di masse eccentriche (sbilanciamento statico).

Mentre i primi due aspetti possono essere facilmente evitati con un po’ di attenzione non è così per il terzo: lo sbilanciamento statico. Infatti, anche in presenza di grande esperienza e sofisticate macchine equilibratrici, è inevitabile ottenere degli sbilanciamenti di qualche micrometro. Una delle principali soluzioni al fine di ridurre i valori di runout è montare i cuscinetti in modo da renderli flottanti rispetto alla parte statorica tramite interposizione di anelli o-ring. Oltre a ridurre il runout, questa soluzione ha come principale effetto quello di aumentare significativamente le capacità smorzanti dei supporti a fronte di una piccola riduzione della loro rigidezza. Inoltre, il maggiore smorzamento consente sia di ridurre le ampiezze delle orbite descritte dal rotore durante il suo moto di precessione che innalzare il valore di velocità corrispondente alla soglia di instabilità del sistema.

Da un punto di vista teorico, il manifestarsi di questo tipo di instabilità coincide con la più bassa velocità di rotazione alla quale le capacità smorzanti del sistema rotore-cuscinetti si annullano. Nella letteratura tecnica questo fenomeno viene indicato con diversi nomi: half-speed whirl o asynchronous whirl. Queste definizioni sono legate al fatto che a seguito del superamento di questa soglia si verifica l’instaurarsi di oscillazioni autosostenute caratterizzate da una frequenza che è solitamente vicina alla metà della velocità di rotazione dell’albero e le cui ampiezze crescono in maniera esponenziale col tempo.

In questo articolo si presenta la sperimentazione effettuata su un elettromandrino ultraveloce iniziata a seguito di una collaborazione tra Carbomech S.r.l. (la casa produttrice) e il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale del Politecnico di Torino. Gli obbiettivi principali di questo lavoro sono stati quelli di quantificare le prestazioni dell’oggetto in questione e validare il modello numerico del sistema rotore-cuscinetti al fine di poterlo poi utilizzare per ottimizzazioni e progettazioni future.

Il prototipo in esame

La Figura 1 riporta una foto ed uno schema funzionale del mandrino sottoposto a sperimentazione. Anche se non visibile dallo schema il rotore presenta una geometria assialsimmetrica cava a sezione variabile per consentire l’afferraggio dell’utensile ed è supportato da due cuscinetti radiali ad aria con differenti diametri e valori di meato. Questa scelta ha permesso di differenziare le caratteristiche dei due cuscinetti in modo da poter garantire una maggiore rigidezza sul naso del mandrino. Inoltre, questa soluzione ha anche permesso di interporre una coppia di anelli o-ring tra le boccole e la carcassa per ottenere un montaggio di tipo flottante, ottenendo così un significativo aumento globale delle capacità smorzanti del sistema.

Oltre ai due cuscinetti radiali il mandrino presenta un cuscinetto areostatico reggispinta a doppio effetto per supportare i carichi assiali agenti sull’utensile. Per ridurre possibili dilatazioni termiche dovute al surriscaldamento, il mandrino è stato integrato con un opportuno sistema di raffreddamento ad acqua posizionato nella parte centrale. Al fine di poter descrivere le orbite del rotore la carcassa del mandrino è stata opportunamente modificata in modo tale da poter integrare due coppie di sensori capacitivi in prossimità dei cuscinetti radiali. Le Figure 2a e 2b riportano rispettivamente delle foto del rotore e della boccola posteriore del mandrino.