Elaborato finale - L. S. Cutullo - C320

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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI eCAMPUS

Corso PAS C320 (Laboratorio Meccanico – Tecnologico)

MOTORE RADIALE PNEUMATICO

A 5 CILINDRI

“Metodi e strumenti didattici per trasmettere un apprendimento significativo permanente”

Matricola n°: 010019823 Nome e Cognome: Lorenzo Sergio Cutullo Relatore: Prof.ssa Michela Simoncini Anno: 2013/2014

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CAPITOLO 1: LA MIA ESPERIENZA FORMATIVA E DIDATTICA PREGRESSA.

La mia esperienza formativa, ad indirizzo meccanico, inizia nel settembre del 1997 quando cominciai un percorso professionale (CFP) presso il Centro di Formazione Professionale Don Bosco con sede a Milano. Nel 1999 raggiungo e ottengo l’attestato di “operatore alle macchine utensili tradizionali” e nell’anno 2000 completo il percorso professionale qualificandomi come “operatore meccanico e programmatore CNC”. Sempre nell’estate del 2000 supero gli esami per effettuare il passaggio al 4° anno di istituto tecnico industriale ad indirizzo meccanico e concludo il percorso scolastico nel luglio del 2002 ottenendo il diploma di “Perito industriale capo tecnico meccanico”. Il vantaggio del mio particolare percorso di studi mi ha permesso di conoscere gli aspetti teorici meccanici applicati alla pratica. Mentre gli svantaggi si sono presentati soprattutto durante il 4° anno ITI dal fatto che la mia preparazione era molto pratica e meno teorica. Il mio percorso formativo è stato affiancato da esperienze professionali, iniziate anni prima, in aziende di settore completata da un’esperienza di lavoro autonomo come progettista, costruttore e venditore di motoriduttori epicicloidali e particolari meccanici per il “tuning”. Solo nel gennaio 2009 inizio la mia esperienza professionale come formatore/educatore presso il centro di formazione professionale Don Bosco con sede a Milano. Dall’anno scolastico 2009/2010 ho iniziato a fare lezioni frontali rivolte a studenti del primo, secondo, terzo e successivamente anche al quarto anno IeFP (Istruzione e Formazione Professionale) insegnando materie tecnico/pratiche quali: disegno, tecnologia meccanica e in particolar modo laboratorio meccanico dedicato alle macchine utensili tradizionali e a controllo numerico. Da due anni sono anche assistente di laboratorio meccanico per le classi terza, quarta e quinta dell’istituto tecnico industriale meccanico e meccatronico. Inoltre collaboro con 150 aziende per l'organizzazione degli stage (percorso "Alternanza" scuola -lavoro) che ritengo indispensabili per la formazione in senso globale della persona e per le nuove relazioni, sociali e professionali, che si

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instaurano nei giovani. I progetti e le costruzioni meccaniche, eseguiti con i nostri ragazzi presso il laboratorio dell'istituto, vengono richiesti dalle aziende (realtà professionali) alle quali forniamo un servizio "conto terzi". Questo passaggio è determinante, a mio parere, dato che non si propongono esercizi pratici con lo scopo nozionistico/didattico, ma si realizzano veri e propri componenti e o assiemi meccanici in collaborazione alle richieste delle realtà aziendali. Questo comporta per me e i miei ragazzi, un continuo apprendimento e lavoro di squadra, mettendo sempre in gioco gli aspetti analitici, critici e creativi basati su confronti tra le nostre idee e le richieste/obiettivi delle aziende di settore. I ragazzi trovano interesse, stimoli e divertimento in questo, perché si sentono coinvolti nelle esigenze che hanno le aziende e ciò li motiva a riflettere sul problema "problem solving". Organizzo con i formatori/educatori diversi incontri per far si che le diverse discipline interagiscano fra loro con l'obiettivo comune di formare il ragazzo, non sulle nozioni a "compartimenti stagni", ma sul "sapere" delle teorie applicate alla sperimentazione per costruire in lui una capacità analitica generale degli aspetti, far emergere un senso creativo e di conseguenza critico. Mettiamo in campo tutte le tecnologie e gli strumenti disponibili per promuovere l'integrazione dei ragazzi con difficoltà di ogni genere (casi B.E.S.). Nella "IeFP" per cui lavoro vi è una percentuale sempre maggiore di ragazzi con disturbi e disagi vari. Ed è proprio qui che trovo maggior soddisfazione nel studiare le soluzioni migliori per far scoprire al ragazzo la stima per se e per gli atri, metterlo in condizione di apprendere tramite l'adozione di adeguati e specifici strumenti, lavoro in "equipe", confronti, stimolare il suo interesse, puntare sui suoi punti forti, il laboratorio come mezzo sperimentale per gli apprendimenti permanenti, interazioni sociali e professionali tra pari e con le realtà aziendali (tutto questo deve essere costruito interagendo costantemente con tutti gli aspetti teorici e pratici delle varie discipline). Individualizzo percorsi didattici in base agli aspetti cognitivi degli studenti. Non mi prefiggo mai dei tempi comuni per tutti, per il raggiungimento di un obiettivo. L’obiettivo si può raggiungere con diversi metodi e in tempi differenti. Non siamo tutti uguali e non voglio creare degli “automi” che rispondono alla vita senza alcun criterio fondamentale. Piuttosto vorrei

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vedere dei giovani capaci di agire e reagire agli eventi della vita sociale e professionale in modo maturo e responsabile. Voglio che gli studenti si pongano sempre domande e ritengo che nessuna domanda possa essere reputata “stupida”. Ogni ragazzo ha un potenziale che nemmeno lui sa di averlo. Ritengo che un buon insegnante debba essere in grado di scoprire quel potenziale e portarlo alla “luce” dell’educando. L'esclusione sociale, professionale o il fallimento personale di uno di questi ragazzi corrisponde al mio fallimento come formatore ed educatore. Il lamentarsi non rientra nella mia concezione di vita, cerco di vivere con una "teoria" che rammento sempre ai miei ragazzi, studenti e in futuro a mio figlio piccolo: "Ciò che incontreremo e vedremo come DIFFICOLTA', dovremo imparare a vederla e interpretarla come OPPORTUNITA', per dare un senso forte alla nostra vita e al nostro coraggio di viverla pienamente e consapevolmente".

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CAPITOLO 2: COMPETENZE ACQUISITE DURANTE IL PERCORSO ABILITANTE, RELATIVAMENTE AI TEMI DI DIDATTICA GENERALE E SPECIALE. Il percorso di abilitazione speciale (PAS) mi ha permesso di scoprire nuove realtà in ambito educativo. Grazie a questo percorso ho potuto approfondire competenze, apprenderne di nuove e soprattutto ampliare la mia visione sotto l’aspetto didattico. Le parole “chiave” della pedagogia, che per effetto di un trasmettere mediante lo stile della “ridondanza”, mi sono rimaste più impresse sono: riflessione, creatività e senso critico. Anche se queste caratteristiche dovrebbero essere assimilate dagli studenti tramite metodi e strumenti individualizzati dal docente, posso confermare che il corso abilitante in questione mi ha permesso di approfondire questi elementi prima di tutto su me stesso, offrendomi la possibilità di aumentare ancor di più il mio pensiero riflessivo, creativo e critico. Ritengo molto importanti queste acquisizioni dato che il docente, il formatore o l’educatore non si devono limitare a pensare che hanno raggiunto tutte le competenze necessarie per la vita professionale e sociale solo perché la nomina di “prof.” gli concede di poter essere presuntuosi. Al contrario, penso che la mia professione debba nascere innanzitutto da un interesse verso il futuro dei ragazzi e che per poter dar loro competenze permanenti sia indispensabile non solo la conoscenza della disciplina di insegnamento ma essere abili nel determinare metodi e strumenti adeguati e individualizzati per permettere il raggiungimento degli stessi obiettivi per gli allievi “normali” e “diversamente abili”. Essere sensibili verso chi necessita di maggior supporto attuando piani didattici ed educativi mirati e individualizzati, in cui gli accorgimenti didattici (come attività, strategie e materiali) sono altamente specifici ed il percorso di insegnamento-apprendimento è svolto in rapporto uno ad uno, per potenziare i punti forti dell’educando limitandone quelli deboli per ridurre situazioni di svantaggio. Costruire questo approccio didattico in condivisione con gli altri docenti curriculari e di sostegno, basandosi sulle diagnosi funzionali (fatte da neuropsichiatri e psicologi) per poter poi costruire insieme agli operatori dei servizi socio-sanitari un profilo

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dinamico funzionale e il piano educativo individualizzato (ovviamente approvato e condiviso con la famiglia dello studente, per evitare criticità). Nonostante molte difficoltà, credo che sia giusto che vengano introdotte leggi come la 170/2010 con linee guida del 2011 che attua il diritto allo studio degli alunni e degli studenti con DSA (Disturbi Specifici dell’apprendimento), o come la legge 4/2004 “Stanca” che definisce disposizioni per favorire l’accesso dei soggetti diversamente abili agli strumenti informatici garantendo “Accessibilità” e “Tecnologie Assistive”. Come può un’insegnante trasmettere il sapere se lui per primo non sa, non agisce, non reagisce ed evita le difficoltà, discriminando ed escludendo quindi quel che reputa un problema non risolvibile? La storia ci insegna che molti pedagogisti, filosofi, medici e psicologi (come Lev Tolstoj, Makarenko, le sorelle Agazzi, Maria Montessori, Decroly, Claparède, Freinet, Cousinet e Dewey) che con metodi e strumenti innovativi, rispetto ai relativi contesti sociali, condividevano l’obiettivo comune di favorire l’integrazione sociale e la riduzione degli svantaggi nelle persone diversamente abili e con disagi. Purtroppo, per anni molte istituzioni scolastiche hanno trasmesso contenuti di tipo nozionistico, basandosi su metodi didattici tradizionali. L’insegnante trasmette la disciplina in modo lineare secondo il testo dell’autore da lui scelto. Si pone dei criteri di verifica e valutazione secondo degli standard da lui definiti e che vengono utilizzati in modo univoco per tutti gli studenti. La scuola che punta verso la direzione giusta è quella che costruisce il percorso scolastico partendo innanzitutto da un lavoro di squadra da parte di tutti i docenti, che con umiltà e collaborazione, pensino esclusivamente al bene e allo sviluppo del ragazzo e quindi a definire un programma didattico globale, cioè che ciascuna disciplina interagisca con l’altra con un senso logico e che costruisca un sapere ampio, globale, significativo e permanente nello studente mettendo ogni teoria in rapporto con la sperimentazione, la ricerca e la pratica. Trasmettere nozioni disciplinari a “compartimenti stagni” non trae interesse nell’educando e non si trasmettono competenze significative. L’interazione delle varie discipline deve essere coordinata da una figura

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professionale che verifica la qualità dell’azione educativa, mediante l’insieme degli indicatori, e la didattica deve essere supportata e arricchita da strumenti che facilitano l’apprendimento e stimolino interesse. Approfondendo ancor più l’analisi su ciascun studente individualizzando, dove necessario, il piano educativo e didattico. La legge 118 del 1971 avvia l’istituzione dell’insegnante di sostegno specializzata. Questo però non significa che per casi particolari il docente curriculare può permettersi a priori di escludere studenti. Grazie all’ Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) e alle varie classificazioni in ordine ICIDH del 1980, ICDH 2 del 1993 e infine ICF del 2002 e ICF-CY del 2007, al manuale diagnostico e statistico dei disturbi mentali, alla classificazione dei B.E.S. (bisogni educativi speciali), si è arrivati alla conclusione che l’educazione deve necessariamente e per diritto essere rivolta a tutti i giovani, compresi i ragazzi diversamente abili che presentano difficoltà più o meno gravi: dalla sindrome di down, disabilità intellettiva, l’autismo e gli spettri dell’autismo, ai D.S.A. ed infine tutti quei disturbi dell’attenzione, disagi comportamentali, culturali, familiari, sociali, emotivi. Quest’ultimi possono condizionare l’apprendimento in modo determinante. Tutte queste situazioni citate possono modificarsi nello sviluppo (peggiorare, migliorare, cambiare, risolversi, ripresentarsi, ecc.). La pedagogia, che è la scienza dell’educazione, ha un ruolo fondamentale in ambito educativo perché mi ha permesso, durante questo corso di abilitazione, di acquisire e approfondire competenze in merito ai metodi educativi e di verifica fornendomi indicazioni precise sui contesti sociali, adolescenziali, famigliari, scolastici. Oggi abbiamo la possibilità di poter usufruire delle Tecnologie dell’Informazione e della Comunicazione (TIC) che ci consentono di raggiungere le competenze permanenti grazie ad evoluti sistemi informatici e tecnologici che arricchiscono la didattica, stimolando maggior interesse nell’educando, eliminando o riducendo difficoltà o svantaggi nei casi BES. La tecnologia multimediale permette l’approccio ai contenuti disciplinari da un modello tradizionale – lineare ad un modello reticolare (ipermediale o ipertesto). Oggi è possibile che il docente costruisca i contenuti didattici in collaborazione attiva con la classe promuovendo iniziative

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condivisibili. La scuola moderna offre modalità d’insegnamento a distanza (FAD) mediante diversi contesti come: on line learning (formazione a distanza supportata dalle tecnologie) e augmented learning (formazione in presenza arricchita da tecnologie di supporto). Dalla creazione di e-book educativi e dei social reading si promuove il lavoro cooperativo, collaborativo e l’integrazione. Penso che le istituzioni scolastiche e, in particolar modo gli insegnanti, devono uscire dal tradizionale schema di “fare scuola” tanto per dare nozioni culturali per disciplina e tenerle tra loro svincolate e diventare protagonisti nell’ improntare agli studenti un interesse attivo nel sapere, saper fare, saper agire, co-agire e reagire trasmettendo nei loro aspetti cognitivi-metacognitivi un senso riflessivo, analitico, critico e creativo che li condurrà in maniera decisiva alla soluzione dei problemi (problem solving) e per affrontare in modo forte e maturo le “sfide” della vita. Ovviamente questo potrà avvenire solo se l’insegnante sarà il primo a mettersi “in gioco” e acquisire in prima persona tutte le caratteristiche appena citate mantenendo costante i suoi apprendimenti durante tutta la sua vita (long life learning).

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CAPITOLO 3: ESPOSIZIONE DEI CONTENUTI DISCIPLINARI MOTORE RADIALE PNEUMATICO A 5 CILINDRI. Fig. 3.1 Il motore a cilindri radiali rappresentato in Fig. 3.1, più conosciuto come motore radiale o motore stellare, è un motore endotermico nel quale i cilindri sono disposti secondo linee radiali, intorno all'albero motore; un motore radiale può essere composto da una o più "stelle", da cui il nome che lo identifica, cioè da una o più serie, autonome, di cilindri. In questo caso si parlerà di motore a doppia e quadrupla stella. Il motore radiale conobbe un grande successo in aeronautica e rimase in produzione fino all'avvento del motore a getto o Jet. Era con questo tipo di motore che erano equipaggiati tutti i grandi velivoli da trasporto civile e militare con i quali si chiuse l'era del motore a pistoni in aviazione. In un motore radiale i pistoni sono connessi all'albero motore con un sistema particolare. Un solo pistone è connesso direttamente all'albero motore attraverso una biella di grandi dimensioni detta biella madre. Tutti gli altri sono connessi, a questa biella madre, con delle bielle di dimensioni ridotte. Anche se tale collegamento può essere inteso come meccanicamente scorretto, per via del differente centro di rotazione della biella madre rispetto alle biellette, il calo di rendimento derivante può spesso intendersi come limitato. Vale una regola generale, al fine di limitare i cimenti meccanici (gli sforzi) sulla biella, i motori radiali a due tempi hanno numero pari di cilindri per ciascuna stella, i motori a quattro tempi hanno numero dispari (sempre per ciascuna stella). Rif. bibliografico (http://it.wikipedia.org/wiki/Motore_radiale)

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Il motore preso in esame è un prototipo in scala ridotta di un motore stellare a 5 cilindri, alimentato ad aria compressa, con un sistema ad albero rotante che grazie ad una particolare valvola (disegno 11_ Valvola) ricavata direttamente sull’albero riesce a gestire l’alimentazione dei cinque cilindri contemporaneamente. In questa relazione verrà analizzata la scelta dei materiali e la componentistica del motore in esame presentando come si realizzano i singoli particolari meccanici e relativo assemblaggio e collaudo finale (dall’idea al prodotto). Concludendo, poi, con il calcolo della cilindrata (in cm3), della potenza (in CV) e della coppia (in Nm) in maniera empirica. Senza quindi provare il motore con un banco prova. Componenti motore radiale e relativi aspetti tecnologici-costruttivi: 01_Corpo Principale: Il corpo principale è la struttura portante del motore, sul quale vengono fissati i cilindri mediante un sistema vite-madrevite per avere una maggiore semplicità costruttiva e di assemblaggio in fase finale. Il corpo principale presenta una sezione cilindrica, tubolare con cinque fori sulla sua periferia, disposti radialmente per alloggiare i cinque cilindri del motore. Si notano le cinque lamature realizzate prima della filettatura, per creare una battuta di appoggio per il cilindro. Altrimenti impossibile, dato che il foro è stato realizzato radialmente su una superficie circolare. In senso longitudinale al corpo principale sono stati creati n° 5 fori (filettati) disposti a 72° tra di loro e a 36° rispetto ai fori radiali per l’alloggiamento del cilindro. Questi fori filettati serviranno in seguito per montaggio del 10_Distributore e per il 02_Puntale. Il componente è stato realizzato in AL Mg1SiCu (EN AW-6061), Alluminio comune in lega 6061, comunemente chiamato Anticorodal. Presenta caratteristiche costruttive ben specifiche per l’impiego in questo progetto: 1) Un ridotto peso specifico; 2) Una discreta lavorabilità alle macchine utensili.

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Il componente è stato ricavato dal pieno, partendo da barra diametro 70 mm su un tornio a controllo numerico a 3 assi. Il pezzo può essere realizzato in serie prevedendo nella programmazione l’utilizzo di un puntalino/fermo che mi permette di far avanzare la barra fino ad una misura prestabilita, in modo da poter lavorare il componente ciclicamente. 02_Puntale: Il Puntale è il componete di sostegno dell’albero motore, per mezzo di questo componente trovano alloggiamento i cuscinetti sul quale ruota l’albero motore. Il componente presenta su entrambi i lati le sedi dei cuscinetti: una da 35 K7 (riferimento in tolleranza per l’accoppiamento dei cuscinetti ad interferenza) e l’altra da 32 K7, per poter alloggiare due cuscinetti differenti. Uno più grande nella parte interna del motore e uno più piccolo che affaccia sull’esterno del motore. La scelta di utilizzare un cuscinetto più grande nel lato interno è motivata dallo sforzo al quale è sottoposto questo componente. Le forze del moto alternato sono per la quasi totalità assorbite dai cuscinetti interni. Per questo si è giunti all’idea dell’utilizzo di un cuscinetto maggiorato nella parte interna. Si nota che sul puntale è presente una flangia con n° 5 fori disposti a 72° tra di loro. Questi fori serviranno per il successivo montaggio sul corpo centrale descritto in precedenza. Anche questo componente è stato realizzato in AL Mg1SiCu (EN AW-6061), Alluminio comune in lega 6061, comunemente chiamato Anticorodal con le caratteristiche citate precedentemente. Il componente è stato ricavato da un tondo pieno partendo da una barra diametro 70 mm, per poi essere ripreso successivamente su morsetti teneri per una seconda lavorazione. Questo è il caso in cui il componente presenta una asimmetricità tra le sue due facce. Per questo motivo il pezzo andrà ripreso in macchina due volte.

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Viene preferita la sgrossatura dell’esterno, poi dell’interno e infine eseguire la finitura dell’esterno e dopo dell’interno. Questa scelta è dovuta a causa di una deformazione del materiale ad alte temperatura che si possono creare nelle operazione di sgrossatura. Di conseguenza non andiamo a deformare termicamente la sede del cuscinetto (misura in tolleranza molto importante). Anche in questo caso si può utilizzare un puntalino/fermo per poter realizzare il componente in serie. In questo caso si devono valutare due aspetti: nel caso avessi a disposizione una sola macchina e non ho possibilità di utilizzarne altre devo prima eseguire la prima lavorazione a tutti i pezzi e poi la seconda lavorazione sempre su tutti; nel caso in cui avessi a disposizione due macchine posso realizzare la prima parte su una macchina e in contemporanea realizzare la seconda parte sull’altra macchina (per ridurre i tempi di lavorazione e di conseguenza i costi). 03_Albero: L’albero è il componete fondamentale per il cinematismo di tutto il motore, è il componente che trasforma il moto alternato dei pistoni in un movimento rotatorio di se stesso. Grazie a questa trasformazione possiamo dare motricità in uscita ad un terzo elemento che potrebbe essere per esempio un’elica, una puleggia, un ingranaggio, ecc. Il componente è realizzato in Acciaio C40 UNI EN 10027-1. Il C40 è il classico acciaio da bonifica, contenente 0,4% di carbonio, valore a cui si ha la massima tenacità. Insieme al 39NiCrMo3 costituisce l'80% degli acciai. Il suo modulo di Young è E=220GPa e la sua resistenza a rottura (σ) oscilla tra 650-750 N/mm2. La durezza oscilla intorno ai 220-230HB. Oltre a queste caratteristiche ne possiamo elencare altre: 1) Una ottima lavorabilità alle macchine utensili, grazie alla sua ottima

truciolabilità; 2) Basso costo di acquisto; 3) Facilità nel reperirlo in commercio.

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Anche in questo caso il componente è stato ricavato da un tondo pieno, e anche in questa situazione sono state necessarie due prese in macchina per poter finire il componente. Come per gli altri due casi descritti in precedenza posso andare a realizzare il componente in serie utilizzando un puntalino/fermo per far avanzare la barra ad una misura prestabilita. 04_Blocco bielle: Il blocco bielle è uno tra gli elementi che contraddistinguono un motore radiale. Ed è un componente che non troveremo in nessun’altro motore convenzionale (in linea o a “V”). Questo componente permette di sincronizzare il moto dei cinque pistoni radiali, andando a creare un moto rotatorio, con una sequenza circolare dei cinque cilindri in continuo, formando un moto uniforme. Questo componente è fondamentale tanto quanto la biella madre che andremo ad analizzare in seguito.

Il Blocco Bielle è realizzato in CuSn10Pb10 EN 1982 (CC495K), ovvero un Bronzo con una percentuale di piombo e di nickel riportate nella tabella in Fig. 3.2. Con una durezza Brinell di 60 punti, questo materiale si presta bene per il tipo di impiego. Fig. 3.2

Inoltre presenta le seguenti caratteristiche: 1) Ottima lavorabilità alla e macchine utensili, anche dovuta alla

presenza del piombo all’interno della lega. Ma di per sé anche senza questo legante il bronzo è un materiale non metallico che ha una ottima lavorabilità. Presenta un truciolo spezzato e piccolo.

2) Una ottima resistenza allo strisciamento tra Bronzo-Acciaio.

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Per la costruzione di questo componente, sotto il punto di vista della strategia di lavorazione sono state riscontrate alcune problematiche. La forma simmetrica del componente prevede due lavorazioni uguali su entrambi i lati, quindi bisogna decidere se lavorarlo in due prese, in maniera uguale. La perplessità nasce andando ad analizzare il disegno. Si nota che il diametro di presa utile è il diametro 30 mm. Meccanicamente si preferisce stringere sempre sul diametro più grande per lavorare il diametro piccolo (quando possibile) per evitare eventuali vibrazioni o imponendo l’utilizzo della contropunta (che presenterebbe, in tal caso, problemi d’ingombro). Di conseguenza si è pensato di andare a realizzare il componente in un’ unica presa. 05_Cilindro: Il cilindro è il componente che permette al pistone di muoversi, al suo interno, in modo alternato. Sul cilindro, sono state ricavate delle “alette” per il raffreddamento in esercizio, una filettatura sul fondo per poter realizzare il montaggio con il corpo centrale, un foro di alimentazione nella parte superiore e n° 4 fori di scarico posto nella mezzeria del cilindro, che in questo caso, corrisponde al punto morto inferiore (PMI) del nostro pistone. Il difetto strutturale di questo motore è rappresentato dal sistema di fissaggio del cilindro al corpo centrale. La filettatura a passo fine e la difficoltà di montaggio fanno si che l’assemblaggio risulti lungo e complesso. Per l’ugello di alimentazione, posto sul fianco del cilindro, risulta difficile il suo posizionamento, da realizzare dopo aver eseguito un pre-montaggio del motore. In seguito, per una eventuale seconda versione del motore, si pensa ad un sistema di fissaggio tramite quattro viti e una flangia di appoggio sul corpo centrale sostituendo il sistema a vite-madrevite. Il cilindro è costruito in AL Mg1SiCu (EN AW-6061), come per il corpo centrale e il puntale, il materiale è comune Alluminio Anticorodal in lega 6061. Un alluminio molto diffuso per le sue buone caratteristiche meccaniche in relazione alla sua leggerezza.

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Per la costruzione si è partiti da una barra diametro 45 mm. In questo caso è obbligatorio andare a realizzare una produzione in serie di 5 pezzi, quindi bisogna prevedere un posizionamento della barra mediante un puntalino/fermo per evitare di rifare gli azzeramenti sul pezzo, per ogni particolare da realizzare. 06_Boccola Biella: E’ l’elemento più semplice presente nell’intero progetto, ma con una funzione fondamentale. La boccola biella è montata sulla testa di biella e praticamente rappresenta una bronzina. Infatti è realizzata in CuSn10Pb10 EN 1982 (CC495K), stesso materiale del blocco bielle, dove abbiamo già descritto le caratteristiche di questo materiale. Si parte da una barra diametro 8 mm. In questo caso la troncatura su pezzi piccoli risulta complessa. Il problema più grande si pone quando l’utensile raggiunge il foro con diametro 4 H7. Le dimensioni della boccola e il disegno, non prevedono smussi, ma spesso quando si deve troncare un elemento così piccolo con un utensile troncatore piatto, si andrà a creare una bava sul foro al centro, dopo la troncatura. Per ovviare a questo problema esiste una soluzione molto pratica e di facile utilizzo. Si utilizza un inserto sagomato come in Fig. 3.3. Cioè un inserto con un’ inclinazione sul fondo e non piatto. Questo permette di andare a lavorare prima il lato del pezzo da troncare e poi il lato del materiale rimanente sulla barra per non far creare di conseguenza la “bava” sul foro. 07_Biella Madre: La biella madre è l’elemento principale che trasforma il movimento alternato del pistone in movimento rotatorio dell’albero motore.

Fig. 3.3

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Possiamo aggiungere che la biella madre, è la biella che “obbliga” le altre quattro biellette ad un movimento circolare, in sequenza, in funzione del senso di rotazione. La forma della biella madre differisce dalle bielle semplici dalla presenza di una “C” che va a vincolarsi sul blocco bielle. Una volta assemblato, biella madre con blocco bielle, si ottiene un elemento unico, impossibilitato a muoversi. Questo perché la presenza della “C” sotto la testa di biella va ad accoppiarsi con il diametro centrale del blocco bielle. Il materiale di costruzione è un S 275 JR UNI EN 10027-1, comune acciaio da costruzione. Un Fe430B secondo la vecchia normativa UNI 7070. Un acciaio di comune utilizzo ma con una ottima resistenza meccanica, oltre a questa caratteristiche possiamo elencare anche: 1) Una buona lavorabilità alle macchine utensili; 2) Buon controllo del surriscaldamento del pezzo in lavorazione. In questo caso incontriamo il primo componente da realizzare in fresatura. In più bisogna considerare che questo componente va realizzato, non solo in due prese, ma per realizzare la seconda presa occorre un’ attrezzatura per poterlo lavorare in macchina senza andare a rovinare gli organi di fissaggio standard di un centro di lavoro. Per la lavorazione di questo pezzo si deve partire da uno spezzone di barra, in questo caso un parallelepipedo 60*12*4 (mm), dove lo spessore di 4 mm risulta già finito dalla laminatura del grezzo. (Le attrezzature dell’officina non prevedono un taglio laser quindi abbiamo optato per l’utilizzo di un centro di lavoro). L’attrezzatura per l’esecuzione della seconda presa è una piastra in alluminio con 2 fori filettati, uno M5 e uno M6, dove per mezzo di due viti, opportunamente sagomate per evitare il contatto con la fresa, si andrà a fissare lo spezzone forato in precedenza per effettuare le operazioni di contornatura della biella madre. La stessa attrezzatura andrà utilizzata anche per le bielle semplici, dato che l’interasse biella è il medesimo per biella madre e bielle semplici.

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08_Biella: La biella, a differenza della biella madre, ha il semplice scopo di trasformare il moto alternato in moto rotatorio. La biella è analoga alla biella madre, come materiale e strategia di lavorazione, differisce leggermente nella forma. Dato che non presenta la “C” per vincolare se stessa al blocco bielle. 09_Pistone: Il pistone è il componente che si muove in maniera alternata all’interno del cilindro. Esso riceve la spinta dell’aria compressa proveniente dalla testa, viene mandato verso il basso, per poi scaricare la pressione ricevuta attraverso n°4 luci di scarico poste sulla camicia del cilindro. Il lavoro eseguito da ogni cilindro è sequenziale, quindi, una volta che un pistone ha finito il suo lavoro, lo stantuffo adiacente è ancora in pieno esercizio, mentre quello successivo ancora sta cominciando il lavoro. Di conseguenza, una volta che un pistone finisce il suo lavoro, almeno altri 2 pistoni concorrono alla sua risalita. Il materiale con il quale è costruito è Teflon PTFE, un materiale plastico, che si presta bene all’impiego, grazie alle sue caratteristiche che possiamo elencare: 1) Ottima resistenza all’usura per strisciamento; 2) Buona lavorabilità alle macchine utensili; 3) Basso sforzo di taglio. In questo caso possiamo elencare anche qualche proprietà negativa riscontrata durante le lavorazioni: 1. Difficoltà nel mantenere le misure in tolleranza senza l’utilizzo di

refrigerante; 2. Alta deformabilità se sottoposto a calore. Per ovviare ad alcuni inconvenienti si è provato anche a lavorare il materiale utilizzando utensili in HSS e non in metallo duro o in carburo

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di metallo. Ottenendo buoni risultati soprattutto in troncatura, utilizzando un utensile con tagliente molto affilato. Per la costruzione di questo componente, come per molti dei pezzi di questo progetto, si è scelto di ricavare il componente da barra. Si è scelto di partire da un tondo di diametro 20 mm, utilizzando un puntalino/fermo, per poter creare lavorazioni in serie e realizzare n° 5 pezzi senza dover azzerare nuovamente la macchina utensile. 10_Distributore: Il distributore, insieme al puntale è uno dei due componenti di supporto per la struttura dell’albero motore. Questo componente oltre che sostenere la seconda parte dell’albero motore, è anche il componente che distribuisce l’aria compressa in maniera uniforme a tutti e cinque i cilindri. E’ caratterizzato dalla presenza di n° 5 fori disposti radialmente equidistanti, che sono i fori di alimentazione, mentre è presente un foro singolo, che funziona da alimentazione. L’aria compressa viene poi inviata nei cinque fori di distribuzione mediante un albero lavorato che funziona da camma. La rotazione della camma, o come la chiameremo di seguito valvola rotante, apre e chiude in sequenza ciclica i fori di alimentazione, andando a fornire ciclicamente aria compressa a tutti i cilindri in sequenza. Il distributore è costruito in CuSn10Pb10 EN 1982 (CC495K), materiale già descritto in precedenza. La scelta di questo materiale deriva dal fatto che la valvola rotante, con alloggiamento all’interno del distributore, lavorerà nella zona di distribuzione a strisciamento. In ogni caso sarà presente un cuscinetto sul supporto più interno della valvola rotante per assorbire il carico maggiore. Anche in questo caso si è deciso di ricavare il pezzo da barra e considerando il pezzo finito abbastanza pesante, una volta troncato, si è prevista una rete per attutire la caduta del pezzo sotto al mandrino, per evitare danni estetici sul componente.

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11_Valvola: La valvola rotante è stato uno dei componenti più difficili sotto il punto di vista di programmazione della macchina a CNC. Il componente presenta delle fresature sulla parte esterna sul diametro 24 mm, che funzionano da camma. In pratica, è per mezzo di quelle fresature che si decide il “timing” di alimentazione di ogni singolo cilindro. Più le fresature sono ampie e più il cilindro verrà riempito per maggior tempo e viceversa. Andando ad alterare la potenza erogata del motore. Maggiore portate e pressione e maggiore sarà la potenza erogata da questo motore. Nel disegno si notano due fresature. Una più ampia e larga, e una più piccola. Quella più larga, comunicante con una gola che corre lungo tutta la circonferenza è la cava di alimentazione. Mentre la cava più piccola presenta al suo interno un foro che comunica con l’esterno della valvola. Questa cava ha la funzione di scarico. Quando la valvola chiude un foro di alimentazione sul distributore, il condotto rimane in pressione e il pistone che risale crea un effetto compressore, quindi l’aria che il pistone spinge verso l’alto attraverso il tubo di alimentazione, va scaricato in qualche modo. Qui interviene la cava di scarico, che appunto scarica in atmosfera l’aria spostata dal pistone. Inoltre, la valvola, funziona anche come seconda spalla dell’albero motore, quindi la parte interna al carter motore presenta un foro eccentrico per la sede del blocco bielle. La valvola è stata costruita in C40 UNI EN 10027-1, materiale già descritto in precedenza. Per la costruzione si è deciso, anche in questo caso, di partire da una barra mediante processo di tornitura cnc a 3 assi. Montaggio: Prima di cominciare è bene fare una distinta dei materiali necessari per andare ad eseguire il montaggio del motore radiale a 5 cilindri, alimentato ad aria compressa, secondo la seguente sequenza:

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1) Come primo passaggio bisogna sempre effettuare la pulizia e lo sgrassaggio di tutti i componenti appena costruiti e acquistati in commercio (esempio viti e cuscinetti);

2) Montaggio dei cuscinetti nel distributore e nel puntale mediante l’utilizzo di un bilanciere o di una pressa ;

3) Installare il distributore al corpo centrale mediante viti M5; 4) Inserire in sede la valvola all’interno del distributore, andando

preventivamente a lubrificare la zona di contatto a strisciamento mediante olio lubrificante;

5) Lubrificare il foro dell’eccentrico e andare a posizionare il blocco bielle all’interno del foro;

6) Montaggio biella madre nel blocco bielle. Lubrificare preventivamente le pareti a strisciamento tra biella e blocco bielle. Fissare il tutto con viti M4;

7) Montaggio delle quattro bielle singole, andando sempre a lubrificare i punti di contatto;

8) Montaggio dei pistoni sul piede di biella mediante spina rettificata diametro 5 mm. Lubrificare sempre le zone di contatto;

9) Inserire l’albero motore nel blocco bielle, centrando l’albero motore rispetto al corpo principale;

10) Installazione del puntale mediante viti, inserendo prima l’albero motore, poi centrarsi con il corpo centrale. Prima di fissare il tutto con le viti, appoggiare la 13_Staffa (che ha funzione di supporto) e poi avvitare il tutto con viti M5;

11) Montaggio cilindri. Prestando attenzione a centrare correttamente il filetto. Lubrificare con olio il pistone prima del montaggio;

12) Montare i vari raccordi pneumatici (particolare 23), ed effettuare i vari collegamenti mediante tubo pneumatico.

Una volta eseguito il montaggio si consiglia di utilizzare, a monte del motore, un riduttore di pressione in modo da far girare il motore con una pressione ridotta nei primi momenti di attività, per eseguire un accurato rodaggio e collaudo.

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Calcolo potenza teorica di un motore radiale a 5 cilindri ad aria compressa: Come già preannunciato nell’introduzione non abbiamo la possibilità di andare a provare il motore con un banco prova. Quindi, di seguito, procediamo con il calcolo della Potenza in CV e della coppia in Nm, di un motore radiale a 5 cilindri alimentato ad aria compressa. Dati a disposizione: N° di gir i = 2400 giri/minuto Pressione aria = 4,5 bar N° cilindri = 5 Alesaggio = 17 mm Corsa = 12 mm

1) Calcolo cilindrata: La cilindrata totale del cilindro è definita dalla somma della cilindrata dei singoli cilindri. Quindi: Area pistone: (ø2 * π)/4 = Ap → (172 * π)/4 = (289 * π)/4 = (907.46 / 4) = 226.865 mm2 Volume cilindro = Area pistone * Corsa = Vc = Ap * C → 226.865 * 12 = 2722.38 mm3 Volume totale, quindi Cilindrata totale = Vtot = Vc * N° cilindri → 2722.38 * 5 = 13611.9 mm3 La cilindrata totale in cm3 è : da cm3 = mm3/1000 → 13611.9/1000 = 13.611 cm3 2) Calcolo potenza del motore ideale: La potenza effettiva è calcolabile grazie alla relazione: Peff = (PME * V * n) / (300 / h)

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Dove : PME = è la pressione media effettiva, ossia la pressione esercitata sullo stantuffo in bar; V = è il volume totale in dm3; n = è il numero di giri al minuto; h = è il numero di tempi del motore (consideriamo nel nostro caso un 2 tempi) → Peff = (4.5 * 0,0136 * 2400) / (300 * 2) = 146.88 / 600 = 0.244 kW In CV = 0.48 * 1.36 = 0.332 CV Per calcolare la coppia sempre a livello teorico: Sappiamo che la coppia è il momento torcente Mt Mt = (F/cos β) * r * sin (α+β) Dove: F = forza esercitata sullo stantuffo in N; r = raggio di manovella in metri; α e β sono gli angoli caratteristici dell’albero motore e della biella in posizione di quadratura. Con il disegno, in Fig. 3.4, andiamo a verificare gli angoli caratteristici del motore in posizione di quadratura, dove la componente della forza F, che corre lungo la biella, risulta in posizione di quadratura rispetto alla posizione dell’albero motore ( la biella crea un angolo di 90° con l’albero motore). In questo caso β = 8.97° mentre α = 81.03°, ricavato tramite sperimentazione su autoCAD con misure reali. Considero il motore in posizione di quadratura, quindi ad una velocità angolare ῳ massima. Mentre F è uguale alla pressione esercitata sullo stantuffo in pascal per l’area del cilindro

Fig. 3.4

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Quindi = F = Ap * P Dove: P è espresso in pascal quindi 4.5 bar = 450000 Pa Ap = area in m2 → F = 0.000226 * 450000 = 101.7N Mt = (101.7 / cos8.97) * 0.006 * (sin90) = 0.617 Nm Essendo un motore radiale, non posso considerare il valore di coppia solo in funzione di un cilindro. Dato che i cilindri che lavorano contemporaneamente non è solo uno ma più di uno, posso considerare come cilindri in esercizio n° 1.57 Quindi la coppia totale = Ctot = C * 1.57 = 0.614 * 1.57 =0.971 Nm Per confermare il calcolo della potenza possiamo ricavare la potenza stessa andando ad analizzare la velocità di rotazione angolare ῳ. ῳ = (2 * π * n° di giri) / 60 → ῳ = (2 * π * 2400) / 60 = 251.2 rad/sec La potenza effettiva espressa in Watt Peff = Ctot * ῳ → Peff = 0.971 * 251.2 = 243.91 Watt ≈244 Watt Oppure: → 244 Watt = 0.244 kW. Rif. Bibliografico: (Caligaris L., Fava S., Tomasello C., Manuale di meccanica, Milano, Ulrico Hoepli Editore S.p.A., 2006.)

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CAPITOLO 4: ELABORAZIONE DI UN PROGETTO DI APPLICAZIONE DIDATTICA NELL’AMBITO DI UN CONTESTO SCOLASTICO IPOTIZZATO (4° ANNO DELLA SCUOLA SECONDARIA DI SECONDO GRADO AD INDIRIZZO MECCANICO) - MOTORE RADIALE PNEUMATICO A 5 CILINDRI Sotto l’aspetto didattico si procede con la presentazione storica e le varie applicazioni che hanno caratterizzato il motore stellare includendo le diverse tecniche costruttive. La collaborazione con gli insegnanti delle altre discipline è necessaria per interagire in una didattica comune che mette in condizioni lo studente di attivare un processo mentale critico e analitico sul lavoro da fare, pensando non in modo nozionistico alla disciplina ma aperto ad ogni aspetto e legato alle varie scienze e teorie. Come formatore ed educatore tecnico pratico, cerco di promuovere la trasmissione dei contenuti mediante l’utilizzo delle TIC (Tecnologie dell’informazione e della Comunicazione) e delle TA disponibili (Tecnologie Ausiliarie). Inoltre definisco i contenuti mediante la “ricerca-azione” che mi permette di sperimentare insieme con i miei ragazzi le teorie pervenute dai colleghi teorici, utilizzando il laboratorio di macchine utensili tradizionali e CNC (controllo numerico) e gli ambienti di progettazione laboratoriali come mezzo per il raggiungimento delle abilità e delle competenze permanenti mediante l’approccio alla soluzione di problemi reali per ottenere un apprendimento significativo. Posso già dedurre che la trasmissione dei contenuti, sopra citati, sia di difficile comprensione per gli studenti. Questo perché è un testo cartaceo che segue una logica lineare dell’autore (in tal caso io) e quindi non adattabile ai diversi stili cognitivi dei singoli studenti. Potrei quasi definirlo “complesso e noioso” che non trae interesse per un giovane dato che non potrà appassionarsi se non ha mai avuto esperienze dirette con situazioni simili. Il mio scopo è quello di soddisfare i bisogni dell’allievo, nel suo progetto di vita, individualizzando tecniche e strategie (in tal caso didattiche) per il raggiungimento degli obiettivi (almeno minimi) in base alle diverse abilità degli studenti, promuovendo interesse, partecipazione attiva e collaborativa, coinvolgendo tutti in un lavoro di squadra. Cerco di creare

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un ambiente sereno, spazi colorati e multimediali, disposizione dei banchi a cerchio, dove la mia figura deve servire da stimolo per la creatività dei ragazzi, devono pensare a me come una persona che vuole il loro bene e punta a rispondere a tutti i bisogni e sulla loro integrazione sociale e professionale senza alcuna discriminazione. La mia figura deve cambiare in base alle situazioni che emergono. In alcuni casi dovrò rappresentare un leader per la classe, che preferisco sia di tipo autorevole piuttosto che autoritario, per raggiungere gli obiettivi considerando i sentimenti di ciascuno. In altre circostanze rappresento una figura su cui cercare differenti stimoli (input) per ottenere dai ragazzi un processo cognitivo e un’elaborazione meta-cognitiva che prevede un’azione basata sull’agire (output). In altri casi faccio da supporto tecnico e coordinatore dei gruppi di lavoro. Cerco di mantenere il giusto equilibrio nei rapporti con i vari studenti e uso la comunicazione verbale e non verbale, non solo per trasmettere contenuti disciplinari tecnici, ma anche per trasmettere le diverse modalità di raggiungimento degli obiettivi lasciando libera scelta allo studente in funzione alle sue preferenze e abilità. Mi piace basare il lavoro sull’ osservazione dei ragazzi (base del metodo pedagogico del medico e psicologo Ovide Decroly) per scoprire e puntare sulle potenzialità di ciascuno limitandone i punti di debolezza. Nessuno viene escluso dal gruppo classe perché ognuno è indispensabile per l’altro. Piuttosto chiedo collaborazione agli insegnanti di sostegno per prevedere le modalità migliori da adottare in funzione ai profili dinamici funzionali (strumenti di raccordo tra diagnosi funzionale ed eventuali PEI o PDP). Perdere un contenuto per aver concesso il raggiungimento dello stesso ad un altro compagno è sicuramente un obiettivo raggiunto al di fuori dalla disciplina tecnica ma che ha un’importanza maggiore in termini sociali. Per quanto riguarda il progetto in questione prevedo le seguenti fasi tecniche di lavoro didattico che si ripeteranno su tutti i particolari meccanici sopra descritti (farò riferimento solo ad un componente meccanico 03_Albero):

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1) Tutti i componenti del motore stellare a cinque cilindri vengono prima disegnati mediante l’utilizzo del software di disegno tecnico: Autodesk Inventor Professional. Questo software permette di realizzare, secondo semplici procedure, un disegno in tre dimensioni e mediante una funzione possiamo ottenere in automatico il disegno costruttivo in proiezione ortogonale (incluse le quotature). Questo permette di ottenere disegni costruttivi in modo semplice e veloce consentendoci anche di verificare gli ingombri del complessivo assemblato in 2D (due dimensioni) e 3D (tre dimensioni) come rappresentato nella Fig. 4.1 e Fig. 4.2.

Albero in 3D e 2D

Fig. 4.1 Assieme in 3D e 2D

Fig. 4.2

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2) Tutti i componenti del motore stellare a cinque cilindri vengono analizzati costruttivamente secondo il ciclo di lavorazione realizzato mediante l’utilizzo del software di disegno AutoCAD (Fig. 4.3 e Fig. 4.3.1) o, su richiesta dello studente e in relazione alle sue abilità, è possibile anche mediante il foglio di calcolo excel. Questa operazione viene fatta dopo un’attenta analisi tecnologica dei materiali scelti (rif. 03_Albero):

Fig. 4.3

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Fig. 4.3.1

(Caligaris L., Fava S., Tomasello C., Dal progetto al prodotto volume C., Torino, Paravia Bruno Mondadori, 2007.)

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3) Possiamo procedere con la simulazione virtuale della realizzazione del pezzo mediante simulatore “Sinutrain”, della Siemens, che prevede di poter programmare la macchina cnc mediante due modalità differenti che possiamo adattare alle abilità di ciascun ragazzo. Questo simulatore ci consente di determinare la correttezza della programmazione per realizzare ciascun componente e ci mette a conoscenza dei tempi di lavorazione. L’interfaccia del simulatore è identica al pannello a bordo macchina CNC 3 assi con la quale gli studenti dovranno passare alla realizzazione reale:

Modalità di programmazione ISO con sequenza di codici alfa numerici (più complessa) come riportato in Fig. 4.4:

Fig. 4.4

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Modalità di programmazione SHOPTURN di tipo conversazionale (più semplice e intuitiva) come riportato in Fig. 4.5:

Fig. 4.5 Verifica del programma mediante simulazione e rappresentazione del pezzo finito come in Fig. 4.6:

Fig. 4.6

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4) I calcoli meccanici per la definizione della potenza del motore vengono predisposti mediante l’utilizzo del foglio di calcolo Excel in modo tale che, in funzione alle diverse abilità degli studenti, possiamo semplicemente inserire i dati di partenza e ricavare le soluzioni dell’analisi stessa dall’elaborazione del foglio di calcolo. Con questo sistema possiamo anche prevedere un’analisi dei costi lasciando ad excel il compito di calcolare le soluzione ottenute dalle formule preimpostate da noi (vedi Fig. 4.7):

Fig. 4.7

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5) Passiamo alla fase costruttiva reale di ciascun componente del motore stellare utilizzando il laboratorio meccanico, con le macchine utensili, per la sperimentazione e la realizzazione del motore (vedi fig. Fig. 4.8). Ciascun ragazzo avrà un ruolo decisivo al raggiungimento del complessivo finito e le lavorazioni saranno assegnate in funzione alle reali potenzialità dei singoli soggetti senza escludere mai nessuno dall’obiettivo minimo “chiave”.

Fig. 4.8

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6) Dopo aver realizzato tutti i componenti del motore possiamo passare alla fase di assemblaggio che dopo aver dato degli input (stimoli), costruiamo insieme una tabella di riferimento e/o distinta materiali che ci aiuta nell’analizzare i passaggi sequenziali (Fig. 4.9):

Fig. 4.9 Codifiche e designazioni rilevate tramite supporto di riferimento bibliografico: (Baldassini L., Vademecum per disegnatori e tecnici, Milano, Ulrico Hoepli Editore S.p.A., 2013-2014 (20° ed.))

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BIBLIOGRAFIA Baldassini L., Vademecum per disegnatori e tecnici, Milano, Ulrico Hoepli Editore S.p.A., 2013-2014 (20° ed.). Caligaris L., Fava S., Tomasello C., Dal progetto al prodotto volume C., Torino, Paravia Bruno Mondadori, 2007. Caligaris L., Fava S., Tomasello C., Manuale di meccanica, Milano, Ulrico Hoepli Editore S.p.A., 2006. http://it.wikipedia.org/wiki/Motore_radiale