Rettificatrice cilindrica Gioria R/152 5000×1000 CNC

La R/152 5000×1000 CNC è una rettificatrice cilindrica per la lavorazione di diametri esterni e spallamenti; si tratta di una macchina derivata da un modello a catalogo, ma con sensibili innovazioni al suo interno.
La macchina è composta da due basamenti, il portamola e il portapezzo. Il primo si rifà a modelli di macchina esistenti, pur con delle modifiche nella struttura per soddisfare il campo di lavoro diametrale richiesto dall’applicazione. In questo caso infatti, i diametri rettificabili vanno da 100 mm a 2.000 mm per cui per garantire il supporto della slitta portamola su tutta la corsa trasversale è stato aumentato l’interasse tra le guide longitudinali del carro portamola. Inoltre, in questa applicazione è stato richiesto un asse B rotativo della testa portamola, con conseguente aumento del peso dell’intero carro.

Per il più grande stabilimento al mondo per la produzione di turbine a gas
La macchina è stata concepita per la rettifica di alberi di turbina ed è impiegata negli Usa presso il più grande stabilimento al mondo per la produzione di turbine a gas.
Altre rettificatrici appartenenti a questa famiglia trovano impiego in vari settori, come la rettifica di rulli di laminatoio: si tratta in tale caso di componenti altrettanto pesanti, ma di norma vengono lavorati su lunette e le punte servono solo a evitare lo slittamento assiale. Nel caso specifico della R/152 5000×1000 CNC, le lunette non possono essere impiegate per la geometria dei pezzi e la natura della lavorazione pertanto il peso grava esclusivamente sulle punte.
Questa rettificatrice deve lavorare pezzi fino a 5 metri di lunghezza e diametri fino a 2 metri. Una tale dimensione dei pezzi, pesanti fino a 30 tonnellate e supportati unicamente sulle punte, ha posto dubbi circa il ricorso a cuscinetti meccanici per il mandrino portapezzo e il cannotto contropunta in esecuzione rotante. Per questo si è puntato sulla soluzione idrostatica, evitando così un dimensionamento eccessivo degli elementi rotanti sulla linea pezzo direttamente responsabili del raggiungimento delle precisioni di lavoro.
Non si tratta di un concetto nuovo per Gioria: da tempo l’azienda adotta cuscinetti idrostatici per il mandrino portamola, si è quindi trattato di utilizzare questa tecnologia su altri assi rotanti.

Un netto passo avanti
L’albero è il fulcro della turbina a gas e la sua rettifica risulta cruciale per garantire l’efficienza, il runout d’esercizio e la durata della turbina. La lavorazione dei cuscinetti idrostatici dell’albero turbina e delle sedi sulle quali vengono montate le corone di palette deve avvenire con una tolleranza di runout complessivo nei 3 micron. Ciò ha giustificato il ricorso alla soluzione idrostatica. Cuscinetti meccanici di grandi dimensioni in grado di garantire tolleranze simili oltre che essere ingombranti sono difficilmente reperibili; inoltre, il mantenimento delle precisioni negli anni di servizio della macchina ha rappresentato un’ulteriore deterrente nell’impiego di tale soluzione.
Le altre rettificatrici, installate presso il cliente parecchi anni fa, erano in grado di fornire la precisione richiesta solo grazie ai “virtuosismi” e all’esperienza degli operatori. Trattandosi di macchine a tavola mobile, dove i movimenti lineari e rotazionali si sommano sulla linea pezzo, era di fatto impossibile rettificare alberi oltre un determinato peso nelle tolleranze prescritte. Il ricorso a terzisti era perciò d’obbligo, ma essendo l’albero il componente cruciale della turbina, la volontà è stata quella incrementare verso l’alto, fino a 30 tonnellate, la taglia dei pezzi rettificati in casa.
La struttura della rettificatrice è in ghisa: le fusioni del basamento portamola e del basamento portapezzo, vengono affiancate e distanziate a seconda del campo diametrale da lavorare. Da questo punto di vista, la macchina è molto versatile dato che può lavorare diametri da 100 a 2.000 mm, grazie ad una corsa trasversale di quasi un metro.
L’utilizzo della ghisa per la costruzione della struttura è fondamentale per lo smorzamento delle vibrazioni: si tratta di un punto imprescindibile per Gioria, che può fare affidamento sulla propria fonderia. Ciò ha permesso di sviluppare una macchina realmente su misura e di scegliere la soluzione migliore per l’applicazione del cliente, senza scendere a compromessi.
Nell’ottica di una crescita tecnologica costante, inoltre, alla EMO 2015 di Milano Gioria esporrà una rettificatrice con caratteristiche simili a quella descritta, ma con una distanza punte di 7000 mm. Si tratterà probabilmente della più grande rettificatrice cilindrica mai esposta a una fiera internazionale di macchine utensili.

Da una settimana a un giorno
La R/152 5000×1000 CNC è dotata di un sofisticato sistema di centraggio dei rulli mediante flange montate sul mandrino porta pezzo e sul cannotto contropunta in grado di disassare i centri sulla base della lettura del runout sull’albero turbina serrato tra le punte prima di essere rettificato. Quando l’albero viene serrato, i dispositivi di centraggio dotati di viti a doppio filetto ad alta coppia permettono all’operatore di spostare l’asse dei centri e di migliorare così il posizionamento del pezzo. Simili calibrazioni su pezzi da 30 tonnellate non sono operazioni semplici, in passato il cliente usava dei leveraggi per forzare il posizionamento, rendendo inservibili le attrezzature dopo ogni attrezzaggio. La soluzione ideata dagli ingegneri Gioria ha convinto a tal punto il cliente che è stata adottata anche sulle altre macchine presenti in officina: questa e altre soluzioni sviluppate ad hoc hanno permesso non solo di migliorare precisione e profittabilità nell’impiego della macchina ma di incrementare anche la ripetibilità.
Sempre in tema di dimensioni, un albero lungo 5 metri e dal diametro fino a 2 metri non è semplice da spostare e posizionare: per garantire la sicurezza e la facilità per gli operatori di condurre la macchina, pur con la ridotta visibilità legata alla mole degli alberi, sono stati installati dei sensori acustici che permettono di eseguire il posizionamento della mola sul pezzo o sul diamante in modo automatico.
Come accennato, inoltre, non è previsto l’impiego di lunette per le caratteristiche geometriche dei pezzi: sono stati però previsti dei supporti di pre-posizionamento che l’operatore può usare per semplificare le operazioni di carico e scarico pezzo. Questo viene adagiato sui supporti in prossimità del mandrino portapezzo; la contropunta è movimentata da un asse supplementare controllato dal CNC, in modo che una volta inserita la lunghezza del pezzo e la forza di serraggio, l’operazione venga eseguita automaticamente. La forza di serraggio è sufficiente a sollevare il pezzo, che risulterà quindi staccato dai supporti e potrà girare liberamente.
I dispositivi di centraggio montano delle punte di diversa lunghezza: questa scelta è stata fatta perché i fori da centro possono risultare più o meno incassati rispetto al diametro maggiore dell’albero della turbina; in ogni caso, i coni delle punte di centraggio hanno un diametro tale da serrare tutti i fori da centro del cliente. Un singolo set di coni è quindi sufficiente per tutti i pezzi.
Oltre ai diametri, la rettificatrice Gioria svolge anche la lavorazione degli spallamenti. Le tolleranze nella rotazione delle corone di palette, che su queste turbine possono arrivare fino a 16, sono particolarmente strette. Ciascuna corona deve ruotare entro un runout combinato radiale e assiale prescritto.
I collaudi hanno confermato la qualità della lavorazione degli spallamenti con l’ottenimento del taglio incrociato. Questo particolare texturing si ottiene sulla superficie del pezzo solo quando il fianco della mola copia perfettamente lo spallamento a testimonianza di un perfetto set geometrico nella costruzione della macchina.
Ogni caratteristica della macchina è stata pensata per migliorare le precisioni e ridurre i tempi ciclo. Un valore significativo è proprio quello del tempo necessario a completare la lavorazione di un albero turbina: con le soluzioni integrate nella rettificatrice Gioria si è passati da lavorazioni completate in non meno di un’intera settimana a un solo giorno.

Un valore che va oltre l’officina
In definitiva, quali benefici apporta tutta questa precisione nella costruzione di una turbina? 
La precisione nella rotazione radiale/assiale delle palette coniugata al particolare design degli iniettori così come di altri elementi costruttivi consentono a queste turbine di bruciare il gas naturale non raffinato direttamente dal giacimento. I vantaggi per le società elettriche che le impiegano in termini di riduzione del costo dell’energia elettrica sono lampanti.
Questo ha un riflesso positivo anche sulla vita utile delle turbine: oltre a costruirne di nuove, è richiesta la manutenzione di quelle in attività.
In tal caso, la principale causa di arresto di questi complessi impianti è il distacco di una o più palette dovuto sovente a vibrazioni derivanti da un runout eccessivo talvolta in concomitanza con la presenza di corpi estranei nelle camere di compressione (a monte) e combustione (a valle). Il contenimento del runout, già in fase progettuale, entro limiti stringenti grazie al macchinario d’officina disponibile rappresenta quindi un fattore strategico per ridurre i guasti ed allungare la vita di ogni singola turbina.

Hardware e software su misura
La macchina è dotata di controllo Fanuc 31i – B. La proposta iniziale prevedeva l’impiego di un altro controllo numerico, ma nell’officina del cliente erano presenti prevalentemente CNC Fanuc per cui ci si è conformati a questa richiesta sebbene l’interfaccia di programmazione ideata dalla Gioria ha convinto a tal punto il cliente che questi ha acconsentito alla modifica dell’interfaccia del costruttore giapponese per gestire lo stesso tipo di pagine.
L’interfaccia grafica si avvale di pagine video all’interno delle quali l’operatore può eseguire le operazioni preliminari alla lavorazione: caricare forme o tipi di mola nella memoria del controllo numerico, eseguire lo zero pezzo e lo zero diamante rispetto alla mola con i sensori acustici, realizzare cicli di diamantatura o profilatura sulla base delle lavorazioni da effettuare. Nella compilazione dei part program è stata lasciata massima flessibilità all’operatore il quale può eseguire il programma per rettificare l’intera turbina, inclusi diametri esterni e sballamenti, o selezionare i singoli settori da lavorare. Inoltre è possibile impostare i parametri del processo di rettifica, dividendo la lavorazione tra sgrossatura, semifinitura e finitura, con cicli di spegnifiamma, e di diamantatura automatica intermedia. Apposite grafiche e richiami guidano passo passo l’operatore affinché tutte le operazioni siano programmate in modo sicuro.
Sempre nell’ambito del software, dato che la lavorazione degli spallamenti è importante tanto quanto quella dei diametri, sono previste tre diverse modalità di lavorazione: nella prima, definita “a misura”, l’operatore imposta una quota che il controllo esegue. In modalità “con volantino” la mola si posiziona ad una data distanza dallo spallamento e quindi viene attivato il volantino elettronico con il quale l’operatore può avanzare manualmente la mola sullo spallamento e lavorarlo fintanto che non si raggiunge la condizione di taglio incrociato. Infine, la modalità “taglio in aria” prevede l’impiego del sensore acustico: la mola si posiziona a breve distanza dallo spallamento da lavorare e avanza automaticamente mentre il sensore verifica l’effettivo contatto mola/pezzo: al momento del tocco inizia la lavorazione del sovrametallo programmato.