METROLOGIA d'officina
METROLOGIA d'officina
La metrologia d'officina riguarda la misura e il controllo delle dimensioni dei pezzi lavorati dall'industria meccanica; gli strumenti relativi sono numerosi e di vario tipo, anche in relazione alla lavorazione in serie che, fondata essenzialmente sull'applicazione delle tolleranze dimensionali, ne ha suggerito nuovi tipi meglio rispondenti alle nuove esigenze di collaudo.
Tolleranze dimensionali. - È praticamente impossibile, come è noto, realizzare in senso assoluto una determinata dimensione; gli errori commessi da chi esegue la lavorazione e la misurazione (errori soggettivi) e quelli proprî degli strumenti all'uopo impiegati (errori strumentali), fanno variare la dimensione effettiva di un pezzo entro limiti più o meno ampî. Esigenze funzionali, di montaggio, di produzione, ecc., possono riehiedere che siano prestabiliti i limiti entro i quali si dovrà mantenere la dimensione effettiva (limite superiore di tolleranza, corrispondente alla dimensione massima consentita, e limite inferiore di tolleranza, corrispondente alla dimensione minima consentita). In tal caso, se D è la dimensione che si dovrebbe in teoria realizzare (dimensione nominale), si adotterà nel disegno esecutivo la notazione
per indicare che la dimensione effettiva deve essere compresa fra il limite superiore D + SS e quello inferiore D − SS; SS ed Si sono i cosiddetti scostamenti superiore ed inferiore e vanno preceduti dal segno algebrico positivo o negativo. Infatti per la posizione del campo di tolleranza (individuato dai due limiti) rispetto alla linea dello zero (linea ideale individuata sul grafico delle tolleranze dalla dimensione nominale) si possono avere i casi indicati nella fig.1. L'ampiezza del campo di tolleranza definisce inoltre il grado di precisione della lavorazione. Le tolleranze dimensionali si applicano anche nella realizzazione degli accoppiamenti, con i quali si indica genericamente la connessione di due pezzi, uno interno (albero) ed uno esterno (foro). Caratteristica di un accoppiamento è il giuoco (accoppiamento mobile) o l'interferenza (accoppiamento stabile); l'entità del giuoco o dell'interferenza definisce rispettivamente il grado di mobilità o di stabilità dell'accoppiamento. Una serie sistematica di accoppiamenti diversi, rispondenti ad una graduale successione del grado di mobilità o di stabilità, costituisce un sistema di accoppiamenti, ciascuno dei quali può avere un determinato impiego pratico.
La necessità di attuare la lavorazione intercambiabile ed in serie ha indotto i paesi industriali, durante e dopo la prima Guerra mondiale, ad introdurre nelle lavorazioni meccaniche l'impiego di un sistema nazionale di accoppiamenti. In Italia, in particolare, furon0 adottati i sistemi albero-base e foro-base studiati dal comitato di unificazione nazionale (UNI), ciascuno dei quali prevede ventidue accoppiamenti, ripartiti fra quattro gradi di precisione della lavorazione: extrapreciso, preciso, medio e grossolano. Per favorire lo scambio di prodotti fra le varie nazioni il competente comitato della Federazione internazionale di unificazione (ISA modificata, dopo la seconda Guerra mondiale, in ISO) ha concretato un sistema di tolleranze unificate a carattere internazionale (sistema ISA), che sta sostituendo i sistemi nazionali adottati dai varî paesi industriali. Il sistema ISA comprende n. 21 posizioni del campo di tolleranza rispetto alla linea dello zero (contraddistinte con lettere alfabetiche minuscole per gli alberi e maiuscole per i fori) che si possono combinare fra loro per realizzare il tipo di accoppiamento desiderato e n. 16 qualità o gradi di precisione della lavorazione (contraddistinte con un numero da 1 a 16). Il gruppo di qualità da 6 a 11 corrisponde, in linea di massima, ai quattro gradi di precisione del sistema UNI; il gruppo da 1 a 5 e quello da 12 a 16 riguardano rispettivamente la lavorazione di maggiore precisione (calibri, loro riscontri, ecc.) e quella molto grossolana (laminazione, stampaggio, ecc.). Un campo di tolleranza unificato ISA viene indicato con la lettera alfabetica che ne individua la posizione, seguita dal numero corrispondente della qualità: per es. g6 (per un albero) H7 (per un foro). Esempio di designazione dell'accoppiamento ISA di un foro H7 e di un albero g6: H7/g6 o H7-g6.
Classificazione degli strumenti: 1) calibri per dimensioni effettive, se nei limiti stabiliti dalla precisione dello strumento consentono di misurare il valore effettivo di una dimensione; 2) calibri per dimensioni fisse, quando consentono di controllare se una dimensione è compresa nei limiti prestabiliti di tolleranza; 3) calibri mobili, se effettuano la misurazione mediante lo spostamento relativo di un indice rispetto ad una scala graduata; in caso contrario sono chiamati calibri fissi; 4) calibri registrabili, se la distanza fra le superfici che ne definiscono la misura può essere registrata su varie dime11sioni; in caso contrario sono chiamati calibri non registrabili. Queste caratteristiche possono combinarsi in varî modi nei singoli strumenti.
Principali strumenti. - Oltre agli strumenti per la verifica delle lunghezze comunemente noti (dai più elementari, come il metro d'officina, il nastro flessibile graduato, la riga centimetrata o millimetrata, nelle forme più svariate ecc., al compasso in asta o calibro a cursore) vengono usati quelli appresso descritti.
Il compasso a vite micrometrica (v. calibro, VIII, 409) o micrometro o Palmer (dal nome del suo ideatore) può raggiungere nella misura un'approssimazione del mezzo centesimo di millimetro e in alcuni tipi speciali, anche maggiore, come per es. nel tipo a lancetta sensibile (fig. 2d), il quale consente la lettura di due micron. Un dispositivo (nottolino a scatto od altro) limita e mantiene costante la pressione di misura esercitata dall'operatore sul pezzo.
La fabbricazione dei micrometri solleva numerosi ed importanti problemi tecnici, soprattutto per quanto riguarda la rigidezza e la leggerezza dello strumento, la precisione della vite micrometrica, l'esatta giacitura delle due superfici di misura, ecc. Normalmente essi vengono costruiti per campi di misura limitati (intorno ai 25 millimetri).
Il calibro a forchetta viene impiegato per il controllo degli alberi: schematicamente è costituito da un arco robusto che termina, alle estremità, con due superfici piane e parallele; la loro distanza definisce la misura del calibro. Per controllare la dimensione di un albero si presenta al pezzo la forchetta della misura corrispondente ed evitando qualsiasi soqquadramento si verifica se essa, sotto determinate condizioni di carico (carico di lavoro), scorre o no sul pezzo o, come si suol dire, "passa" o "non passa": in questo modo è possibile apprezzare soltanto qualitativamente le eventuali differenze fra la dimensione del pezzo e quella del calibro. Per verificare se la dimensione di uu albero è compresa entro i limiti della tolleranza prestabilita occorre una coppia di calibri a forchetta, le cui misure corrispondano rispettivamente ai due limiti (limite superiore: dimensione massima; limite inferiore: dimensione minima) consentiti per quella dimensione. La dimensione è compresa entro detti limiti se il calibro a forchetta corrispondente alla dimensione massima scorre sul pezzo (calibro "passa") ed invece l'altro non vi scorre (calibro "non passa"). La coppia di calibri a forchetta può essere sostituita con un unico calibro differenziale a lati "passa" e "non passa" (fig. 2b).
Secondo le norme di unificazione italiana, sui calibri differenziali devono essere indicate le due misure corrispondenti con le relative diciture "passa" e "non passa", la dimensione nominale, la temperatura (20° C) di riferimento delle dimensioni, le sigle della ditta costruttrice e di quella utente. Sui calibri rispondenti alle tolleranze del sistema UNI deve essere indicata inoltre la sigla unificata della tolleranza ed essere applicata la colorazione prescritta in base al grado di precisione (azzurro chiaro per l'extrapreciso, nero per il preciso, giallo chiaro per il medio, verde chiaro per il grossolano). Il calibro "non passa" n viene contrassegnato con una striscia color rosso chiaro. Analoghe prescrizioni valgono per le forchette semplici. La costruzione dei calibri a forchetta solleva problemi tecnici di grande interesse soprattutto per quanto riguarda la rigidezza e la leggerezza dello strumento, il valore del coefficiente d'attrito delle superfici di misura, ecc.
I calibri ad anello hanno una funzione di controllo analoga a quella dei calibri a forchetta; in più essi controllano contemporaneamente l'intera superficie dell'albero, in corrispondenza di una determinata sezione, e ciò consente di mettere in evidenza gli eventuali errori di forma (conicità, concavità, ecc.); ciò che, con i calibri a forchetta, è possibile solo ripetendo il controllo, in quella sezione, per ciascun diametro. Sono più pesanti del corrispondente calibro a forchetta e richiedono uua lavorazione più costosa.
Il calibro a tampone è impiegato per il controllo dei fori: schematicamente è costituito da un corpo cilindrico a sezione circolare (sostenuto da un manico), accuratamente lavorato, il cui diametro definisce la misura dello strumento. Si impiegano anche tamponi prismatici, conici, per accoppiamenti filettati, per fori scanalati, ecc. (fig. 2g). Le dimensioni dei fori vengono controllate con il tampone seguendo una procedura analoga a quella adottata per verificare con le forchette le dimensioni degli alberi.
Anche i calibri a tampone si possono costruire, compatibilmente con le suaccennate esigenze, nel tipo differenziale e vi si appongono le stesse indicazioni prescritte dalle norme di unificazione italiana per i calibri a forchetta. Con procedura del tutto analoga si impiegano per il controllo dei fori i cosiddetti calibri piatti, che - analogamente ai calibri: a forchetta - non consentono di mettere in evidenza con un unico controllo gli eventuali errori di forma della superficie verificata; rispetto ai tamponi - a parità di misura - hanno un peso minore e sono meno ingombranti e più facili ed economici a lavorarsi. Compatibilmente con le suaccennate esigenze si costruiscono anche nel tipo differenziale (fig. 2e); e vi si appongono le indicazioni prescritte dalle norme UNI per le forchette.
Il logoramento dei calibri a forchetta, ad anello, a tampone e piatti viene controllato periodicamente con i riscontri, seguendo prescrizioni unificate, o con altri strumenti di adeguata precisione. Per controllare misure di lunghezza, è largamente impiegato dall'industria il blocchetto pian-parallelo di acciaio opportunamente stabilizzato e trattato, che deve rispondere a particolari requisiti di inalterabilità, di indeformabilità, di resistenza meccanica e chimica, ecc. La sua forma, parallelepipeda, consente di lavorare le due facce parallele, la cui distanza definisce la misura del blocchetto, con una precisione dell'ordine del decimo di micron; il controllo della dimensione di misura viene fatto con il principio della interferenza luminosa. Gli eventuali errori di parallelismo e di planeità delle due facce devono inoltre essere contenuti entro i limiti di tolleranza prescritti.
Portando a contatto, senza esercitare una pressione, le superfici di misura di due blocchetti, questi rimangono aderenti per effetto di mutue azioni molecolari che si eserciterebbero (ipotesi del Pietzsch) fra gli strati sottilissimi (dell'ordine del centesimo di micron) dei residui delle sostanze impiegate per la finitura delle due superfici di misura e localizzate nelle tracce di lavorazione rimaste sulle medesime. L'autoaderenza viene utilizzata per realizzare le dimensioni più svariate attraverso la combinazione di blocchetti di misure diverse. Il campo d'impiego dei blocchetti, assai vasto, viene ampliato con opportuni accorgimenti ed accessorî, come per es. i telai porta-blocchetti ed i beccucci di misura (fig. 2f).
Calibri di forma sono tutti gli strumenti, dalle sagomette agli altri più complessi, con i quali si controlla se il profilo di una superficie lavorata è compreso nei limiti di tolleranza prestabiliti. Sotto questa denominazione generica possono essere compresi i numerosi tipi di calibri ai quali ricorre l'industria, per es., per il controllo del raggio di curvatura di superfici sferiche e cilindriche e per il controllo della distanza fra due superfici parallele di uno stesso pezzo.
Il comparatore con quadrante ad orologio (fig. 2a) è largamente impiegato per verificare se la dimensione di un pezzo lavorato è compresa nei limiti di tolleranza prestabiliti. Previa taratura esso consente di determinare anche la dimensione effettiva di un pezzo, ma questo impiego è meno frequente.
Schematicamente tale strumento è costituito da un organo (tastatore), che viene a contatto con il pezzo, i cui spostamenti assiali vengono letti, opportunamente amplificati, a mezzo di un indice sulla scala del quadrante ad orologio. Disponendo con apposita taratura le tacche, scorrevoli sul quadrante, in corrispondenza delle due dimensioni limiti consentite per la dimensione effettiva del pezzo è possibile controllare se questa è stata realizzata secondo la tolleranza prescritta. Di norma questo strumento consente di leggere il centesimo di millimetro, ma è costruito per un campo di misura limitato; elevate amplificazioni consentono, in apparecchi molto precisi (minimetri), di leggere anche il micron.
Dal comparatore con quadrante ad orologio deriva la vastissima gamma di strumenti di misura ad indice 2h in uso presso l'industria meccanica e che differiscono tra loro per alcuni particolari costruttivi, principalmente per la trasmissione del movimento dal tastatore all'indice e per la conseguente amplificazione, che può avvenire attraverso dispositivi meccanici, elettrici, ecc.
Un tipo di calibro che si va diffondendo impiega per la misura delle dimensioni la variazione di pressione che si può avere nell'efflusso di un fluido.
Numerosi e di vario tipo sono i verificatori ottici per controllare in officina la forma e le dimensioni dei pezzi e degli utensili impiegati per la lavorazione: dal piccolo microscopio per le macchine utensili si passa al grande proiettore. Numerosi e di vario tipo sono anche gli strumenti impiegati per selezionare un assortimento di pezzi, lavorati con un determinato campo di tolleranza, in campi di tolleranza parziali di ampiezza minore e contenuti nel precedente.
Per la misura degli angoli si impiegano le squadre (che individuano comunemente gli angoli di 45°, di 60° e di 90°), i blocchetti angolari (simili a quelli pian-paralleli, ma meno diffusi), i goniometri. Questi ultimi consentono la misurazione di qualsiasi angolo; possono avere svariate forme, ma le più comuni sono il rapportatore ad alidada ed il goniometro ottico universale (fig. 2 c).