AUTOMAZIONE

Sistema automatico per l’inserimento di una valvola di sicurezza all’interno di un contenitore metallico

Riccardo Romitti, Davide Mavillonio

L’attività di seguito descritta è il processo d’inserimento di una valvola di sicurezza all’interno di un serbatoio che successivamente conterrà gas butano per fornelli da camping. Grazie all’inserimento della valvola, il serbatoio diventa così riutilizzabile senza dispersione di gas nell’ambiente. Per rendere solidali il serbatoio e la valvola, ad inserimento avvenuto, è necessario realizzare una doppia graffatura mediante l’utilizzo di due punzoni e rispettivi contrasti per avere una ben determinata sagomatura. Per la realizzazione della macchina automatica, sono state necessarie diverse simulazioni cinematiche e strutturali per valutare le forze e la resistenza dei principali organi meccanici; il risultato della progettazione e degli studi di simulazione è coperto da brevetto. La macchina è stata realizzata ed è in funzionamento presso lo stabilimento della committenza.

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Funzionamento generale macchina automatica

La macchina è costituita da una giostra rotante i cui componenti principali, chiamati ad effettuare l’operazione di inserimento e fissaggio della valvola all’interno del serbatoio, sono il gruppo testa graffatrice e il gruppo martinetto.

Fig.1 - Inserimento valvola all’interno della cartuccia e contenimento mediante la doppia graffatura.

Fig. 2 - Assieme della macchina automatica preposta all’operazione di inserimento della valvola nella cartuccia.

Il gruppo martinetto scorre su una camma cilindrica e svolge due funzioni principali: l’introduzione della valvola all’interno del serbatoio e la fornitura dei contrasti di graffatura mediante due leve meccaniche (di colore rosso nella Fig.3). La testa graffatrice, ha invece il compito di realizzare la graffatura deformando opportunamente il contenitore mediante due punzoni e si compone di due manovellismi di spinta, attivati contemporaneamente da un cilindro pneumatico. Analisi cinematiche sono state condotte per determinare la legge del moto e le forze del meccanismo durante il suo funzionamento.

Fig. 3 - Sezione del martinetto meccanico scorrevole su camma.

Fig. 4 - Sezione testa graffatrice composta da due manovellismi di spinta.

Analisi cinematica manovellismo di spinta.

È possibile schematizzare il manovellismo di punzonatura come in Figura 5. In particolare, considerando come punto fisso il numero 3, si possono ottenere le forze e gli spostamenti del manovellismo durante l’azionamento del pistone pneumatico (posto nel punto 1). Al variare dell’angolo α, il punto 1 si sposterà verso l’alto determinando una forza ‘F’ mentre il punto 4 spostandosi orizzontalmente genererà una forza di equilibrio ‘Q’.

Fig. 5 - Configurazione iniziale (sx) e finale (dx) del manovellismo destro

Fig. 6 - Rapporto di moltiplicazione del manovellismo = α – tanβ)

All’analisi realizzata con il foglio di calcolo, sono state affiancate analisi dinamiche mediante l’utilizzo del software SOLIDWORKS MOTION (Adams solver), in cui si è simulata la dinamica dell’intero sistema come visibile in Figura 8. Le analisi hanno permesso di ricavare la legge di moto del punzone e le forze ottenibili dal meccanismo.

Fig. 7 - Modello dinamico realizzato in SolidWorks Motion

Analisi agli elementi finiti nei processi di deformazione plastica

Grazie alle informazioni ricavate dalle analisi cineto-dinamiche, è stata impostata un’analisi esplicita all’interno della piattaforma ANSYS WORKBENCH allo scopo di ricavare la forza di graffatura necessaria (Q). Le proprietà del materiale del serbatoio sono state approfonditamente studiate per tenere conto dell’incrudimento subito durante la sua formazione. L’analisi è stata realizzata semplificando il modello con simmetrie, considerando un quarto del modello.

Fig. 8 - Modello 3D semplificato del contrasto, serbatoio e punzone

Fig. 9 - Simulazione esplicita allo scopo di determinare la forza di reazione necessaria a deformare il serbatoio.

La fase significativa è quella di andata del punzone (con andamento prossimo all’esponenziale) e ha permesso di ricavare attraverso interpolazioni lineari l’andamento della forza necessaria a movimentare il cilindro pneumatico e quindi la sua pressione di esercizio.

Fig. 10 - Risultati ottenuti dall’analisi esplicita mediante Ansys Workbench

Fig. 11 - Le forze F e Qtot (2 ∙ Qpunzone) nonché la pressione p durante la fase di andata

Fig. 12 - Fenomeni di flessione lungo le pareti interne ed esterne delle leve

Fig. 13 - Le maggiori tensioni sono presenti sullo spigolo vivo nell’alloggiamento della chiavetta

Fig. 14 - Analisi a fatica del manovellismo di spinta

Fig. 15 - Punti maggiormente interessati durante la fase di graffatura

Fig. 16 - Criterio di Soderberg per valutare la resistenza a fatica

Verifica delle sollecitazioni sugli altri organi

Ricavata la forza massima necessaria al sistema, si sono verificati a fatica gli altri componenti del meccanismo come le leve di contrasto e il manovellismo. Le analisi realizzate in ANSYS WORKBENCH STRUCTURAL, hanno portato all’idonea scelta dei materiali e dei trattamenti termici per assicurare una vita a fatica superiore ai 100’000’000 di cicli.

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