16330-Forze Toleranze Usura Materiali Pubblicato

1

Materiali per utensili da taglio: usura e durata degli utensili

2

• Il comportamento di un utensile influenza in maniera determinante la qualità ed il costo delle parti lavorate: Sgrossatura: l’utensile deve asportare elevati volumi di truciolo;Finitura: l’utensile deve permettere l’ottenimento di finiture superficiali adeguate.

• La capacità di un utensile di soddisfare tali esigenze dipende dal tipo e dalle proprietà del materiale impiegato per la sua costruzione, dalla sua geometria e dai parametri di lavorazione.

• L’utensile è soggetto a sollecitazioni meccaniche e termiche che si manifestano come usura progressiva e talvolta come collasso improvviso.

• Ogni utensile è caratterizzato da un tempo di vita utile (durata)durante il quale può eseguire, con le prestazioni desiderate, una data operazione con parametri di taglio definiti.

Introduzione

3

Principali requisiti dei materiali per utensili da taglio

•Elevata durezza, soprattutto ad elevate temperature•Elevata tenacità, intesa sia come capacità di resistere agli urti che sollecitano l’utensile in condizioni di taglio interrotto, sia come capacità di deformarsi sotto carico prima di rompersi

•Elevata resistenza alla deformazione plastica che può presentarsi a causa delle elevate sollecitazioni meccaniche e termiche agenti sull’utensile

•Elevata resistenza all’usura, causata dallo strisciamento del truciolo sul petto e della superficie lavorata sul dorso dell’utensile

•Elevata conducibilità termica, allo scopo di favorire lo smaltimento del calore dalla zona di taglio

•Elevata inerzia chimica per evitare che si esalti il fenomeno dell’usura

•Basso coefficiente d’attrito, allo scopo di impedire eccessivi riscaldamenti nella zona di taglio

4

Materiali per utensili

1) Acciai al carbonio ed acciai debolmente legati

2) Acciai rapidi e superrapidi (High-Speed Steels, HSS)

3) Leghe fuse di cobalto (Stelliti)

4) Carburi metallici sinterizzati

5) Carburi metallici rivestiti

6) Materiali ceramici

7) Nitruro di boro cubico (CBN)

8) Nitruro di silicio

9) Diamante policristallino (PCD)

5

Proprietà meccaniche e fisiche dei materiali per utensili

6

Acciai al carbonio ed acciai debolmente legati

Composizione chimica di due acciai al carbonio per utensili

Composizione chimica di acciai debolmente legati per utensili

Usati nella costruzione di utensili per lavorazioni eseguite a bassa vt

Al crescere del tenore di C aumentano durezza e resistenza all’usura ma diminuisce la tenacità

•Cr: migliora la resistenza all’usura

•W: migliora la durezza a caldo

•Mn: migliora la temprabilità

•V: migliora la tenacità

Caratteristiche: elevata tenacità, basso costo, facilmente riaffilabili e profilabili, limitata durezza, resistenza all’usura relativamente bassa

7

Gli acciai rapidi si suddividono in due gruppi:• al molibdeno (serie M): fino al 10% di Mo con Cr, V e W• al tungsteno (serie T): 13÷19% di W con Cr e V

Acciai rapidi e superrapidi

Gli acciai superrapidi (4÷15% di Co) mantengono elevata durezza fino a 600°C.

•Elevato tenore di C (0.7÷1%) con aggiunte di elementi di lega.•Consentono vt notevolmente superiori rispetto agli acciai al C e debolmente legati grazie a T di rinvenimento maggiori.

•Largamente diffusi per utensili da taglio di forma complessa (punte elicoidali, punte da centro, frese di forma, maschi filettatori, alesatori multitaglienti).

•Serie M caratterizzata da migliore resistenza all’abrasione, minori distorsioni durante i trattamenti termici e minore costo

•Resistenza all’usura migliorata mediante rivestimento di TiN

8

Composizione chimica di alcuni acciai rapidi e superrapidi per utensili

9

Leghe fuse di cobalto (stelliti)

• Durezza a T ambiente pari a quella degli acciai rapidi ma con valori adeguati alle condizioni di taglio anche a T elevate

• Chimicamente più stabili rispetto agli acciai rapidi• Buona resistenza all’usura• Maggior rigidezza rispetto agli acciai rapidi• Maggiore fragilità rispetto agli acciai rapidi che non ne consente

l’uso in condizioni di taglio interrotto• Disponibili solo in forme relativamente semplici• Costo elevato

Composizione % di tre diversi tipi di stellite

Composizione chimica: Co=38÷58%, Cr=30÷33%, W=10÷20%

10

Carburi metallici sinterizzati (metalli duri)

• Prodotti mediante tecniche di metallurgia delle polveri

• Durezza a caldo molto elevata velocità di taglio elevata

• Elevata conducibilità termica

• Basso coefficiente di dilatazione termica

• Elevata stabilità chimica

• Modulo di Young maggiore (2-3 volte) rispetto agli acciai rapidi

• Tenacità notevolmente più bassa rispetto agli acciai

Costituiti da una fase dura di carburi metallici (WC, TiC, TaC, NbC), dal 50 al 95%, inglobata in una matrice metallica con funzione di legante.

11

Variazione di alcune caratteristiche e proprietàmeccaniche dei carburi sinterizzati in funzione della % di cobalto

Carburi metallici sinterizzati

12

Carburi di tungsteno (WC):• Fase legante a base di Co• Taglio di ghisa o di materiali non ferrosi• Resistenza all’usura inadeguata per craterizzazione nelle

lavorazioni su acciaio a causa di una migrazione per diffusione di atomi di W e C dal petto dell’utensile al truciolo

• Durezza a caldo e soprattutto resistenza all’usura per craterizzazione accresciute aggiungendo TiC, TaC e NbC

Carburi di titanio (TiC):• Fase legante a base di Ni e Mo • Maggiore resistenza all’usura e minore tenacità rispetto al WC• Velocità di taglio più elevate nella lavorazione di acciai legati e

ghise rispetto al WC

Carburi metallici sinterizzati

13

Durezza a caldo dei materiali per utensili

14

• La costruzione di un utensile da taglio in un solo materiale non consente di soddisfare appieno i principali requisiti di resistenza richiesti (elevata durezza e resistenza all’usura dei taglienti, elevata resistenza agli urti del corpo)

• Con lo sviluppo degli inserti in carburi metallici sinterizzati èstato possibile costruire utensili di tipo composito per soddisfare le diverse esigenze

Inserti

Alcune forme tipiche di inserti per operazioni di tornitura e fresatura

15

Utensile da tornio con placchetta riportata mediante brasatura

Acciaio da costruzione

Carburometallicosinterizzato

Collegamento dell’inserto allo stelo

•Rischi di fessurazioni o scheggiature dell’inserto durante la brasatura

•Difficoltà nel sostituire l’inserto usurato

Problemi:

16


Bloccaggio a vite:

• semplice da realizzare• poche parti di ricambio• ingombro ridotto• deflusso del truciolo non

ostacolato• richiede l’impiego di

inserti forati

Bloccaggio a staffa:

• consente l’impiego di inserti non forati• con inserti piani permette di interporre fra staffa e inserto una

piastrina rompitruciolo

17

Bloccaggio a leva:

• adatto per il bloccaggio meccanico di inserti fragili (ad es. in materiali ceramici)

Bloccaggio con scanalaturaprismatica:

• accoppiamento stabile• smontaggio rapido


18

Classificazione ISO dei carburi metallici sinterizzati

19

Ottenuti riportando su inserti in carburo metallico (recentemente anche su utensili in HSS) uno o più strati di materiale molto duro per aumentare:•la resistenza all’usura •la resistenza alle sollecitazioni termichesenza ridurne la tenacità

Utensili rivestiti

TiN

Al2O3

TiCWC

20

Requisiti dei materiali da ricoprimento:

- elevata durezza ad alta temperatura

- stabilità chimica rispetto al materiale in lavorazione

- bassa conducibilità termica

- buon legame con il substrato per evitare scheggiature

- porosità molto bassa

- basso coefficiente d’attrito col truciolo

Utensili rivestiti

21

• Nitruro di titanio (TiN)basso coefficiente di attrito, elevata durezza e resistenza allealte temperature, buona adesione al substrato

• Carburo di titanio (TiC)elevata resistenza ad usura sul fianco nella lavorazione di materiali abrasivi

• Ossido di alluminio (Al2O3)resistenza alle alte temperature, bassa conducibilità termica, elevata resistenza all’usura sul fianco e per craterizzazione, difficoltà di adesione al substrato poiché chimicamente poco reattivo

Principali materiali utilizzati per il rivestimento

22

Inserti rivestiti a strato doppio e triplo (spessori: 2÷12 µm) per combinare le diverse proprietà di ciascun materiale di rivestimento.

Esempi:• substrato + TiC + TiN• substrato + TiC + Al2O3• substrato + TiC + Al2O3 + TiN

Rivestimenti multistrato

• Strato interno: deve garantire buona adesione al substrato• Strato esterno: deve garantire buona resistenza all’usura e

fungere da barriera termica• Strato intermedio: deve essere compatibile per la

realizzazione di un legame stabile con gli altri strati

23

Materiali ceramici

Componente principale: Al2O3 con tenori anche > 99%Altri componenti eventualmente presenti: TiC e ZrO per incrementare alcune proprietà fisiche e meccaniche (conducibilità termica, tenacità, resistenza agli shock termici)

Ceramica bianca: • composta quasi esclusivamente da Al2O3• ottenuta con pressatura delle polveri a freddo e successiva

sinterizzazione a temperature elevate (1600-1800°C)

Ceramica nera (CERMET):• composta indicativamente dal 70% di Al2O3 e dal 30% di TiC• altri CERMET contengono MoC, NbC e TaC• ottenuta mediante pressatura e sinterizzazione a temperature

elevate

24

Caratteristiche:• elevatissima durezza a caldo• ottima resistenza all’usura che consente di lavorare ad altissime vt• stabilità chimica maggiore degli altri materiali per utensili• elevata fragilità che provoca un degrado prematuro dell’inserto

(attenuato con MU rigide e taglio non interrotto)• non idonei alla lavorazione di Al, Ti e rispettive leghe per la

marcata affinità chimica di alcuni dei loro componenti

Campi di impiego:• lavorazione di semifinitura o finitura di parti in ghisa ed in acciaio

adottando valori elevati di vt e bassi di a • lavorazione di acciai dopo trattamenti termici di indurimento

superficiale evitando successive operazioni di rettificatura

Materiali ceramiciCollegamento al corpo dell’utensile mediante bloccaggio a staffa (inserto privo di foro centrale) per la minore resistenza al taglio

25

Materiali ceramici a base di nitruro di silicio

• Ricadono nella famiglia dei ceramici anche se hanno proprietà meccaniche e tecnologiche che differiscono sostanzialmente da quelli a base di Al2O3

• Componente principale: Si3N4 a cui vengono aggiunti Al2O3, TiC e Y2O3

• Processo produttivo: sinterizzazione

Esempio: Sialon (Silicon - Aluminum - Oxygen - Nitrogen):• conserva elevata durezza a temperature superiori a quelle

dei carburi metallici• è più tenace della ceramica a base Al2O3 e presenta migliore

resistenza agli shock termici

Campi di impiego:• lavorazioni su ghise e superleghe a base Ti (non sugli acciai)

26

Nitruro di boro cubico (Cubic Boron Nitride, CBN)

• elevatissima durezza (inferiore solo al diamante)• ottima resistenza all’usura per abrasione• buona stabilità chimica (chimicamente inerte rispetto a Fe e Ni)

• Processo produttivo:

• Utilizzo: costruzione di inserti e di mole abrasive

• Ottime prestazioni in operazioni di finitura su acciaio temprato (Ra=0.3 μm e tolleranze molto contenute) ed una durata del tagliente più elevata rispetto agli inserti in carburo e in ceramico

• Operano, come i ceramici, prevalentemente in condizioni di taglio a secco

• Caratteristiche:

• inserti prodotti riportando, sopra un inserto in carburo, in prossimità del tagliente, uno strato sottile di CBN mediante brasatura

• soluzioni più recenti prevedono la realizzazione di inserti con riporto di CBN realizzato durante la sinterizzazione del carburo o in CBN integrali ma più piccoli

• sintesi a temperature e pressioni elevate

27

Diamante policristallino (Poly Crystalline Diamond, PCD)

Caratteristiche:• elevatissima durezza (seconda solo al diamante naturale)• basso attrito• elevata resistenza all’usura• capacità di mantenere a lungo l’affilatura del taglienteUtilizzo: costruzione di inserti e di mole• inserti ottenuti riportando, mediante sinterizzazione, uno strato di

particelle di diamante a grana molto fine su un substrato in carburoCampi di impiego:• la forte affinità con il Fe non consente di lavorare parti in ghisa o

acciaio• lavorazione di leghe non ferrose e di materiali non metallici

fortemente abrasivi• ottenimento di tolleranze dimensionali molto strette e finiture

superficiali elevate

28

Proprietà e campi di impiego dei materiali per utensili

29

Evoluzione temporale dei principali materiali per utensili

30

Degrado ed usura degli utensili da taglio

Durante la lavorazione l’utensile, strisciando contro il truciolo e la superficie lavorata, si usura.

Zona usurataTagliente nuovo

31

Principali cause di degrado delle caratteristiche di un utensile

a) usura per abrasioneb) usura per adesionec) usura per diffusioned) scheggiaturae) deformazione plastica


32

Usura: perdita o asportazione progressiva di materiale dalla superficie di un corpo.Originata da cause diverse che di rado agiscono singolarmente:Usura per abrasione: prodotta dallo scorrimento di una superficie dura e rugosa su una superficie più tenera.Usura per adesione: originata dalle elevate pressioni di contatto fra truciolo e utensile che provocano vere e proprie saldature fra le sporgenze delle superfici a contattoUsura per diffusione: prodotta dalla migrazione di atomi attraverso l’interfaccia utensile-truciolo ed è originata da processi di mutua solubilità fra alcuni componenti dei due materiali a contatto


33

Scheggiatura: asportazione di particelle metalliche in prossimità del tagliente per effetto di urti o pressioni eccessive

Deformazione plastica: si manifesta quando la temperatura della zona di taglio raggiunge valori tali da causare una riduzione della tensione di scorrimento plastico del materiale dell’utensile ed una deformazione dello stesso

Degrado e usura degli utensili da taglio

34

Modalità di degrado e usura degli utensili da taglio

a)per usura dorsale e craterizzazione

b)per scheggiatura

c)per sollecitazione di fatica

d)per deformazione plastica

35

Caratteristiche geometriche di un tagliente usurato

• Usura sul petto: si manifesta attraverso la formazione di una cavità o cratere originata prevalentemente per diffusione

• Usura sul fianco: si manifesta mediante il labbro d’usura, caratterizzato da una serie di striature // alla direzione di taglio originate da fenomeni di abrasione

In entrambi i casi l’utensile subisceuna perdita di materiale e un’alterazione:• della forma• delle dimensioni

36

Labbro d’usura

• Provocato dallo strisciamento del dorso sulla superficie lavorata

• Sempre presente in maggiore o minore misura

• Influenza la finitura superficiale e la precisione dimensionale

• Principali dimensioni:• larghezza misurata attraverso il valore

medio (VB) o quello massimo (VBmax)

37

Cratere d’usura

• Causato dall’usura per diffusione che si manifesta a T elevate• Presente solo negli inserti in materiali che consentono di

raggiungere vt elevate (ad es. i carburi metallici sinterizzati)• Non è presente nella lavorazione dei materiali fragili che danno

origine ad un truciolo interrotto (ad es. ghisa)• Determina l’indebolimento dell’inserto• Principali dimensioni:

• profondità massima (KT)• distanza del centro del

cratere dal tagliente originario (KM)

38

Modalità di degrado e usura degli utensili da taglio

39

E’ influenzata:

•dalla velocità di taglio•dall’avanzamento•dalla profondità di passata•dal materiale dell’utensile•dal materiale in lavorazione•dalla geometria dell’utensile•dall’azione del fluido da taglio se presente

Durata dell’utensile

40

Curve di usura del tagliente

•Durata (T) definita imponendo un limite al valore di VB.

•Quando tale limite viene superato, l’utensile ha esaurito la vita utile:• nel caso di utensili integrali, la geometria originale del tagliente

può essere ripristinata mediante riaffilatura• nel caso di utensili con inserti, il tagliente viene sostituito

mediante riposizionamento e ricambio della placchetta

•Valore massimo dell’usura sul dorso (VBmax) dipendente dal materiale dell’utensile e dal tipo di operazione. Orientativamente:• per acciai rapidi: 1.5 mm in tornitura e fresatura frontale, 0.5 mm

in fresatura periferica, 0.4 mm in foratura e 0.15 mm in alesatura• per carburi metallici sinterizzati: 0.8 mm in operazioni di tornitura

o fresatura di sgrossatura e 0.4 mm in finitura

41


Perdita delle caratteristiche di forma e dimensionali: capacitàdi taglio compromessa.Aumento di forza e temperatura di taglio che può condurre al collasso

Andamento tipico del labbro d’usura in funzione del tempo di contatto con il truciolo

42

All’aumentare di vt le curve si spostano verso l’alto e la durata del tagliente diminuisce

Curve di usura del taglientevt è il parametro che influenza maggiormente l’usura e quindi la durata essendo correlato alla temperatura nella zona di taglio

Curva T-vt: andamento di tipo iperbolico

Curva T-vtsu scala logaritmica: andamento di tipo rettilineo

43


Se vt varia in un intervallo molto ampio

Variazione di T con vt non monotona

•Per vt<vt1 ⇒ T diminuisce all’aumentare di vt e raggiunge un minimo in corrispondenza di vt1

•Per vt1<vt<vt2 ⇒ T cresce all’aumentare di vt

•Per vt>vt2 ⇒ T torna a diminuire all’aumentare di vt e la curva diventa monotona. Questo è il tratto che, per le elevate vt, presenta interesse pratico e tecnico.

44

Influenza della velocità di taglio sull’usura utensile KT

Grafici KT-t: andamento di tipo lineare

Grafici KT-t su scala log: andamento rettilineo con rette sempre più inclinate, rispetto all’asse delle ascisse, di quelle relative a VB

45

T : durata utile [min]vt: velocità di taglio [m/min]C: costante pari alla vt corrispondente ad una durata

dell’utensile di 1 minn: sensibilità della durata alla velocità di taglio

Durata dell’utensile: legge di Taylor

CTv nt =⋅

Su scala logaritmica la legge di Taylor assume andamento lineare:•C è individuata dall’intersezione con l’asse delle ascisse per T=1 min•n è pari alla tangente dell’angolo minore tra retta e asse delle ordinate

n=1 corrisponderebbe ad un processo di usura a tasso costante, dipendente solo dallo spazio percorso e indipendente da vt

In realtà, la temperatura all’interfaccia, crescente con vt, accelera il degrado per cui n<1

46

Valori indicativi della costanteC e dell’esponente n dell’equazione di Taylor

Rappresentazione grafica della legge di Taylor per:• Acciaio rapido (C=60, n=0.15)• Carburo metallico sinterizzato(C=300, n=0.3)

• Materiale ceramico(C=1500, n=0.6)

Durata dell’utensile: legge di Taylor

47

a: avanzamento [giri/min]p: profondità di passata [mm]r: sensibilità della durata all’avanzamentos: sensibilità della durata alla profondità di passata

Durata dell’utensile: legge di Taylor generalizzata

CpaTv srnt =⋅⋅⋅

ns

nr

nt

n pavCT−−−

⋅⋅⋅=11

Utensili in acciaio rapido (n=0.15, r=0.6, s=0.15):

147 7 −− ⋅⋅⋅=−

pavCT ta è il parametro che, dopo vt, esercita la maggiore influenza su T

48

Durata dell’utensile: legge di Taylor generalizzata

ns

nr

nt

n pavCT−−−

⋅⋅⋅=11

• Per mantenere invariata T, ad un aumento di vt deve corrispondere una diminuzione di a e/o p

• Sgrossatura: la principale richiesta è asportare elevate quantità di truciolo ⇒ è opportuno adottare sezioni del truciolo (p·a) grandi e vt moderate

• Finitura: è necessario adottare bassi valori di a ⇒ si utilizzano vt maggiori

• Per aumentare la sezione del truciolo è preferibile accrescere p poiché ha una minore incidenza su Trispetto ad a

49

Forze agenti nel sistema utensile - truciolo - pezzo

Conoscenza utile per:• dimensionare motori elettrici e organi di trasmissione• progettare struttura e componenti meccanici della MU• proporzionare correttamente gli utensili

Sono misurate sperimentalmente mediante dinamometri:• principio basato sulla misura delle deformazioni elastiche

subite da idonei elementi sotto l’azione delle forze di taglio• i sensori di deformazione utilizzati sono principalmente

estensimetri elettrici a resistenza o sensori piezoelettrici in presenza di rigidezze e frequenze di risonanza elevate

50


• all’azione di compressione esercitata dall’utensile;• all’adesione del truciolo sul petto;• al moto relativo con attrito tra truciolo e petto.

Scomposizione della forza risultante R esercitata dal petto sul truciolo e quindi sul pezzo per tener conto separatamente degli effetti di σ e τ:N: forza normale al petto dell’utensileF: forza tangente al petto dell’utensile

F = R sen βN = R cos β

β: angolo di attritoμ: coeff. di attrito = tan β

Stato di sollecitazione all’interfaccia utensile-truciolo dovuto:

51

Forze agenti nel sistema utensile - truciolo - pezzoR’: reazione che il pezzo oppone in condizioni di equilibrio (uguale e contraria a R)

Sul truciolo agiscono anche le due componenti esercitate dal pezzo:

Fs = R cos (ϕ + β − γ)Ns= R sen (ϕ + β − γ)

Fs: forza sul piano di scorrimentoNs: forza normale al piano di scorrimento

F, N, Fs e Ns non possono essere misurate direttamente poiché agiscono lungo direzioni variabili con geometria dell’utensile e condizioni di taglio

Ft: forza di taglio (// alla direzione del moto di taglio)Fn: forza normale o di repulsione (⊥ alla direzione del moto di taglio)

Strumentando la MU con dinamometri è possibile misurare due ulteriori componenti, con direzioni note, della forza scambiata tra utensile e pezzo:

52

Cerchio di Merchant

Rappresentazione grafica ottenuta traslando la linea d’azione della risultante R in modo da farla coincidere con la proiezione dello spigolo tagliente sul piano di taglio: R coincide con il diametro di un cerchio passante per lo spigolo tagliente

F = R sen βN = R cos βFt = R cos (β − γ)Fn = R sen (β − γ)Fs = R cos (ϕ + β − γ)Ns= R sen (ϕ + β − γ)

Ft: forza di taglioFn: forza normale Fs: forza sul piano di scorrimentoNs: forza normale al piano di scorrimentoF: forza tangente al petto dell’utensileN: forza normale al petto dell’utensile

53


•Fs può essere calcolata in funzione della τs del materiale poiché, secondo il modello a piano di scorrimento, su tale piano si produce tutta la deformazione:

As: area del piano di scorrimentoA: area della sezione del truciolo indeformatoϕ

ττsen

AAF ssss ⋅=⋅=

•Ns può essere espressa in funzione della σs che agisce sul piano di scorrimento:

ϕσσ

senAAN ssss ⋅=⋅=

)cos()cos( γβϕϕτ

γβϕ −+⋅⋅

=−+

=sen

AFR ss

•Risultante R:

54


Il calcolo di R richiede la conoscenza di: γ, ϕ, β e τs

γγ

γγγγβ

tantan

coscos

⋅−⋅+

=⋅−⋅⋅+⋅

==nttn

nttn

FFFF

senFFsenFF

NF

• γ è caratteristico dell’utensile utilizzato;• ϕ può essere ricavato previa determinazione sperimentale di rc:

• τs si ricava, noti gli angoli γ, ϕ, β e la forza Ft, dalla relazione:

)cos()cos(

γβγβϕϕτ

−⋅−+⋅⋅

=A

senFts

γγϕ

senrr

cc

⋅−⋅

=1

cosarctan

• β può essere stimato sperimentalmente mediante la misura di Ft e Fn in condizioni di taglio ortogonale:

55

Pressione di taglio e pressione specifica di taglio

• Calcolo delle forze nel taglio richiede la conoscenza della relazione:

• Non disponendo di espressioni analitiche, τs può essere stimata sperimentalmente attraverso misure di forza con dinamometro.

• Approccio alternativo per esprimere la resistenza alla deformazione di un materiale in condizioni di taglio basato sulla pressione di taglio.

• Pressione di taglio: rapporto tra forza di taglio e area della sezione del truciolo indeformato (A = p·a = b·h)

• Pressione specifica di taglio: rapporto tra la forza di taglio e l’area del truciolo indeforrmato quando questa ha valore unitario (A0=1 mm2)

• ks può essere determinata sperimentalmente attraverso la misura di Ft.

AFk t

s =

ot

so AFk =

)T,,(f sss γγ=τ &

56

Pressione di taglio

Dipende:

• dalle proprietà meccaniche del materiale in lavorazione (carico di rottura, durezza, struttura cristallina conseguente a trattamenti termici)

• dall’area della sezione del truciolo indeformato A (in particolare da h)• dal materiale e dalla geometria del tagliente (in particolare da γ)• dalla velocità di taglio vt

• dalle condizioni di lubrificazione della zona di taglio (coefficiente di attrito μ)

• I valori di ks, ottenuti attraverso misure della Ft, sono validi solo per le condizioni adottate nella sperimentazione

57

Dipendenza della pressione di taglio dall’area della sezione del truciolo indeformato

z:costante dipendente, al pari di kso, dalle condizioni di lavorazione

Per b>>h ⇒ ks:

•diminuisce con legge esponenziale all’aumentare di h

•è pressoché indipendente da b

Noti kso e z per un dato materiale, Ft si ottiene come:

)1( zsost hbkAkF −⋅⋅=⋅=

zsos hkk −⋅=

58

kso decresce all’aumentare di vt a causa della diminuzione della resistenza alla deformazione provocata dall’aumento della temperatura nella zona di taglio

m: costante dipendente dal materiale in lavorazione (determinata per via sperimentale)

Dipendenza della pressione di taglio dalla velocità di taglio

mtmvsoso vkk

t−

= ⋅= min)/1(

Funzione che lega kso e vt con andamento esponenziale:

Dipendenza del rapporto Ft/b dall’altezza del truciolo indeformato h per diversi valori di vt: a parità di sezione del truciolo, Ft diminuisce all’aumentare di vt

59

Metodi sperimentali per la misura delle forze di taglio

Tipi fondamentali di dinamometri:

Meccanici Idraulici

60

Metodi sperimentali per la misura delle forze di taglio

Pneumatici

Piezoelettrici

61

Dinamometro installato su tornio CNC (CLASD-Bovisa)

62

Potenza assorbita nel taglio

Composta dai seguenti termini:ttt vFW ⋅=

• potenza necessaria per produrre la deformazione plastica nella zona di deformazione primaria (Ws)

• potenza dissipata nella zona di deformazione secondaria (Wf)• potenza assorbita per generare una nuova superficie quando

uno strato viene rimosso dal pezzo• potenza corrispondente ad una variazione della quantità di

moto del materiale asportato• potenza dissipata nella zona di deformazione terziaria

In condizioni di taglio ordinarie, gli ultimi tre termini possono essere ritenuti trascurabili:

fssfst vFvFWWW ⋅+⋅=+=

63

Lavoro specifico di taglio

Potenza di taglio necessaria per asportare l’unità di volume di truciolo nell’unità di tempo:

Z = portata volumetrica

st

tttt

t kAF

vAvF

ZWu ==

⋅⋅

==

tfssfs

t vAvFvF

ZW

ZWu

⋅⋅+⋅

=+=

64

Le componenti della forza

Fx = Forza di avanzamentoFy = Forza di repulsioneFz = Forza di taglio

65

Potenza in tornitura

Calcoliamo il prodotto scalare:

ma dato che vy = 0, si ha:

Inoltre è:

quindi:

zzyyxx vFvFvFP ⋅+⋅+⋅=×= VFrr

zxta FFvv <<< e

tz vFP ⋅=

tzax vFvFP ⋅+⋅=

66

Forze in tornitura

Come prevedere la forza di taglio Fz?Metodo della pressione specifica

Sperimentalmente si osservache la forza di taglio Fz èproporzionale alla sezione di truciolo:

dove ks è la pressione di taglio e dipende principalmente dal materiale in lavorazione.

SkF sz ⋅=

67

Forze in tornitura

La pressione di taglio dipende inoltre dalla sezione di truciolo con una relazione inversa:

dove ks0 è la pressione specifica di taglio. Quindi:

con ks0 e n costanti positive.

ns

s Skk /1

0=

( )nsz SkF /110

−⋅=

68

Forze in tornitura

Da cosa dipendono ks0 e n?– ks0 è la pressione specifica di taglio e dipende da:

• materiale in lavorazione• [angolo spoglia frontale, materiale utensile,

lubrificante,...]

– n è l’esponente della relazione e dipenda da:• materiale in lavorazione

69

Forze in tornitura

Esempio:– tornitura di ottone (ks0 = 800 N/mm2, 1/n = 0.255)– dati di taglio: a = 0.1 mm/giro, p = 1 mm, vt = 150

m/min– La forza di taglio vale– F = 800 ⋅ (0.1)0.745 = 144 N– La potenza di taglio vale– P = F ⋅ vt = 144 [N] ⋅ 150 [m/min] =

= 144 [N] ⋅ 2.5 [m/s] = 360 W

Il metodo della pressione specifica è valido anche per lavorazioni differenti dalla tornitura, utilizzando un’adeguata coppia di ks0 e n.

70

θθ sinas z ⋅=

Fresatura periferica - Forze e Potenze di taglio

x

θ

sθ

smax

az

p

ϕ

O

B

A

L

( )ϕϕ

θθϕ

θϕ

ϕϕ

θ cos111

00

−=== ∫∫ zzm

adsinadss

Dpas z

m ϕ2

=Dp21cos −=ϕ LsS mm ⋅=

msmm SkT =

Poiché la sezione del truciolo non è costante, risulta non costante anche il valore della pressione di taglio. Anche per questa ci si riferisce ad un valore medio ksm. Quindi:

71

fresa della denti di numero :2

z

zzc ⋅=π

ϕ

[kW] 1100060 η

⋅⋅

⋅⋅=⋅= ctm

cmtotzvFzPP

72

Fresatura frontale – Forze e Potenze di taglio

s

θ

∫∫ −=

−=

2

112

2

112

sin11 ϕ

ϕ

ϕ

ϕθ θθ

ϕϕθ

ϕϕdadss zm

θθ sinzas =

( )2112

coscos ϕϕϕϕ

−−

= zm

as

DBD

B

22

11

2cos

2cos

⋅−=

⋅=

ϕ

ϕ

( )12

2ϕϕ −⋅

⋅⋅=D

Bas zm

psS mm ⋅=

73

Anche in questo caso vale il discorso che poiché la sezione del truciolo non è costante, risulta non costante anche il valore della pressione di taglio. Anche per questa ci si riferisce ad un valore medio ksm. Quindi vale:

Il valore di ksm però questa volta non è funzione dello spessore medio del truciolo, bensì dellospessore medio effettivo som.

Questo vale:

msmm SkT =

χsin⋅= mom ss

sm

som

[kW] 1100060 η

⋅⋅

⋅⋅=⋅= ctm

cmtotzvFzPP

74

Effetti termici nel taglio

Quasi tutta la potenza assorbita nel taglio è trasformata in calore che si sviluppa entro un volume assai limitato dando luogo così a notevoli aumenti di temperatura che influenzano:

• resistenza meccanica;• resistenza all’usura dell’utensile;• accuratezza di lavorazione per effetto delle deformazioni

termiche.

75


Potenza assorbita nel taglio divisibile in tre contributi:

• Potenza assorbita nella zona di deformazione primaria: produce soprattutto l’aumento della temperatura del truciolo

• Potenza dissipata per attrito nella zona di deformazione secondaria: èsmaltita in parte come aumento di temperatura del truciolo e in parte come aumento di temperatura del petto che, essendo stazionario rispetto alle fonti di calore, può smaltirlo solo per conduzione ed irraggiamento

)cos(cos

γϕϕγτ

−⋅⋅⋅=⋅=

senvAvFW tssss

ss

m cZ/WT

⋅ρ=ΔAumento medio di

temperatura del truciolo:

• Potenza assorbita nella zona di deformazione terziaria: è poco influente.

( ))cos(

cosγϕ

ϕγγ−

⋅⋅+⋅=⋅=senvFsenFvFW tntff

La temperatura del petto dell’utensile cresce con vt

In condizioni adiabatiche indipendente da vt

76


Le temperature medie del truciolo e della superficie lavorata, raggiunto il regime adiabatico, sono stazionarie e indipendenti dalla vt di cui invece è funzione crescente la temperatura del petto dell’utensile

Andamento tipico delle isoterme nella zona di taglio

77


Ripartizione del calore tra truciolo (Q), utensile (Q’) e pezzo (Q’’):• vt basse: Q/Q’/Q’’=50/25/25• vt medio-alte (normali condizioni di taglio): Q/Q’/Q’’=80/10/10

Il truciolo deve essere allontanato per evitare dilatazioni termiche negli elementi strutturali della macchina

78

FLUIDI DA TAGLIO

79

Fluidi da taglio

• Lavorazioni con vt medio - alte (es. tornitura e fresatura): refrigerazione della zona di taglio;

• Lavorazioni con vt basse (es. maschiatura e brocciatura): lubrificazione al fine di prevenire la formazione del tagliente di riporto, aumentare la durata dell’utensile e migliorare la finitura superficiale della superficie lavorata.

Altre funzioni:

• favorire l’evacuazione del truciolo dalla zona di taglio;• proteggere le superfici lavorate da ossidazione e/o corrosione.

Assolvono, in genere, sia la funzione lubrificante, sia quella refrigerante (fluidi lubro-refrigeranti).L’azione predominante differisce in base al tipo di lavorazione e ai parametri di taglio adottati:

80

Fluidi da taglio

• Oli da taglio: oli minerali con additivi (antischiuma, antiruggine, …) impiegati generalmente con utensili in acciaio rapido a basse vt.Caratterizzati da:• buone proprietà lubrificanti e di protezione dalla corrosione;• minore efficacia delle emulsioni nella refrigerazione.

• Emulsioni di olio in acqua con eventuali additivi chimici: consentono di combinare le proprietà lubrificanti ed anticorrosive degli oli con quelle refrigeranti dell’acqua:• la mescolanza di olio e acqua è resa omogenea mediante moto

vorticoso che disperde l’olio in acqua sottoforma di microgocce;• l’aggiunta di additivi (emulsionanti) impedisce o ritarda la

successiva separazione delle parti.• Oli EP: oli minerali con aggiunta di additivi che hanno la funzione di

depositare sulle superfici, mediante reazioni chimiche, uno strato di lubrificante solido con elevata resistenza a compressione e al taglio che impedisce la saldatura per pressione tra petto e truciolo.

81

Criteri di scelta dei fluidi da taglio

I fluidi da taglio devono essere scelti a seconda dei seguenti elementi:– 1) Tipo di utensile– 2) Tipo di materiale da lavorare– 3) Tipo di lavorazione

82

Come ha luogo la lubrificazione

Date le elevate pressioni che si vengono a generare, il fluido da taglio non riesce a formare un vero è proprio “film” per effetto idrodinamico (teoria classica della lubrificazione) che impedisca il contatto diretto tra truciolo e petto dell’utensile.

La lubrificazione avviene in strato limite, ovvero si forma uno strato di lubrificante che tiene separate le superfici.

83

Fluidi da taglio

Le MU sono dotate di circuiti idraulici per:• convogliare il fluido lubro-refrigerante nella zona di taglio;• recuperarlo;• rimetterlo in circolo dopo il filtraggio.Metodo di inondazione della zona di taglio:• mediante cannelli flessibili con pressioni di pochi bar quando la

zona è facilmente accessibile;• ricorrendo a particolari accorgimenti quando la zona non è

facilmente accessibile. Esempi:• nella realizzazione di fori profondi: utilizzo di utensili con fori che

permettono di convogliare il fluido sotto pressione direttamente in prossimità dei taglienti;

• nella tornitura con vt elevate e utensili in metallo duro: getto diretto, dal basso verso l’alto e a pressione elevata, nella zona compresa tra fianco dell’utensile e superficie lavorata per ridurre l’usura.

84

Cosa comporta la riduzione dell’attrito ?

• Una riduzione della forza necessaria per il distacco del truciolo

• Un minore spessore del truciolo sul petto dell’utensile (aumento dell’angolo di scorrimento) con conseguente minore produzione di calore perdeformazione plastica

• Un maggiore rendimentodel taglio

85

Fluidi da taglio

Il loro impiego comporta:• un incremento dei costi della lavorazione;• problemi di inquinamento atmosferico dei reparti di lavorazione

(nebbie, fumi, odori sgradevoli);• problemi ecologici legati allo smaltimento dei fluidi esausti.

Tendenza attuale:• lavorazioni a secco

utilizzando materiali per utensili dotati di elevata resistenza all’usura e al calore 0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Tempo di lavorazione (min)

VB

, mm

L.R.CSecco

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Tempo di lavorazione (min)

Ra

(m

)

L.R.CSecco

Materiale lavorato: acciaio inossidabileInserto: CERMET rivestito

86

Tendenza attuale

Per quanto detto, anche in considerazione degli effetti che il raffreddamento può avere in caso di taglio interrotto (ad esempio, con inserti ceramici si ha un evidente fenomeno di fatica termica che si esalta proprio con l’uso del fluido).

La tendenza attuale è quella del non uso del fluido da taglio (ovvero taglio a secco) impiegando materiali per utensili con caratteristiche sempre più spinte di resistenza all’usura ed al calore (inserti in ceramica o materiali pluririvestiti).

87

Taglio a secco eMQL – Minimal Quantity Lubrication

• Per lavorazioni più rispettose dell’ambiente, e in molti casi più economiche, si sta valutando la possibilità di eseguire lavorazioni senza utilizzare il fluido lubrorefrigerante.

• Dal punto di vista tecnologico questo è oggi possibile, senza perdere in produttività, per operazioni di fresatura. Molto più critico per operazioni di foratura e maschiatura.

• Oggi per queste lavorazioni, le nuove macchine sono dotate di sistemi di lubrificazione a nebbia d’olio, che utilizzano piccole portate (dell’ordine dei 20 cm3/ora) di olio vegetale. Si preferisce questo lubrificante perchéevapora a contatto con il pezzo caldo, lenza lasciare deposti carboniosi o altri inquinanti per l’aria.

88

89

La lavorazione a secco pone seri problemi termici alla struttura della macchina, dato che il truciolo caldo non viene lavato via velocemente con il fluido lubrorefrigerante.

Per questo si stanno adottando soluzioni diverse:– Utilizzo del fluido refrigerante per ”lavare” il banco della

macchina, in modo da agevolare l’evacuazione dei trucioli. Dal punto di vista ambientale il fluido evapora molto di meno rispetto a quando viene inviato direttamente sulla zona di contatto utensile.

– Nuove architetture per la macchina, evitando piani orizzontali e “appendendo” le tavole porta pezzo in alto

– Aspirazione del truciolo, in zona vicina all’utensile come proposto dalla giapponese Horkos, o aspirando aria su un’area più vasta, come fa ad es. Heller, che mantiene in depressione tutta la zona di lavoro, chiusa della macchina.

90

Dimensioni del truciolo indeformato in tornitura

Condizioni di taglio tridimensionale (χ ≠ 90°)

b: larghezza di asportazioneb = p/sen χ

h: spessore di asportazioneh = a·sen χ

A = b·h = p·a

Sezione del truciolo indeformato(quadrilatero ACDG):

A = b·h

Area effettiva del truciolo asportato (ACFG) < dell’area teorica (ACDG). Differenza (CDFE) piccola rispetto all’area nominale e trascurabile

91

Rugosità superficiale: definizioni e richiami

Lunghezza base (o di campionatura) del profilo (L): lunghezza a cui si fa riferimento per la misura della rugositàscelta in modo che la misura non sia influenzata da irregolaritàdi tipo macrogeometrico

Linea media: divide idealmente il profilo reale in modo tale che la somma delle aree delle creste che emergono dalla linea media sia uguale alla somma delle aree delle valli sottostanti alla linea media

92

Rugosità superficiale: definizioni e richiami

Rugosità media (Ra): media aritmetica dei valori assoluti yidelle ordinate del profilo reale relativa alla lunghezza di campionatura

dxyL1R

L

0ia ∫=

Rugosità massima (Rt): distanza tra cresta più elevata e gola più profonda, valutata entro la lunghezza di campionatura

93

Rugosità superficiale

•della rugosità reale •della differenza tra i valori reali di Ra e quelli teorici calcolati sulla base dell’avanzamento e delle caratteristiche geometriche dell’utensile

L’aumento di vt provoca la diminuzione:

NBAl di sotto di un certo valore limite di vt, nella lavorazione di materiali duttili e incrudenti, si ha la formazione del BUE con degrado della finitura superficiale

94

Finitura superficiale derivante dalla lavorazione di tornitura

Parametri che influenzano la rugosità teorica:

• raggio di raccordo tra i taglienti (r)• angoli di attacco (χ e χ’)• avanzamento (a)

Superficie reale della parte lavorata caratterizzata da solchi con andamento elicoidale originati dall’impronta lasciata dall’utensile

95


a sufficientemente piccolo (a1)

Parte di utensile interessata al taglio limitata al solo arco di raccordo tra i taglienti

Forma d’onda composta da archi di cerchio di raggio r riprodotti con passo pari ad a1

Cresta di due onde contigue definita dall’intersezione di due archi di cerchio di raggio r

96


a > di un certo valore limite (a2)

Parte di utensile interessata al taglio riguarda l’arco di raccordo ed uno dei due taglienti

Forma d’onda composta da archi di cerchio di raggio r e da segmenti rettilinei dovuti all’azione di uno dei due taglienti

Cresta di due onde contigue definita dall’intersezione di un arco di cerchio di raggio r con un segmento rettilineo // ad uno dei taglienti

97

Finitura superficiale derivante dalla lavorazione di tornituraa ancora più grande (a3)

Parte di utensile interessata al taglio riguarda l’arco di raccordo e i due taglienti

Forma d’onda composta da archi di cerchio di raggio r e da segmenti rettilinei dovuti all’azione dei due taglienti

La cresta di due onde contigue èdefinita dall’intersezione di due segmenti rettilinei // al tagliente principale e a quello secondario

98


'senr2a1 χ⋅⋅=

32

t 10r8

aR⋅

≅

Condizione limite affinchél’intersezione di due profili consecutivi si presenti in corrispondenza degli archi di raccordo tra i taglienti (A’ e B coincidono):

Rugosità teorica massima (μm):

χ > χ’

99


32

2 10)4

( arrMHRt −−==

Rugosità teorica massima (μm):

100


Profilo teorico della superficie lavorata in tornitura con utensile privo di raccordo fra tagliente principale e secondario

101


Ra ≅ Rt/4

32

1032 raRa ≅

Sostituendo l’espressione di Rt per bassi valori di a si ottiene:

[μm]

Rugosità media in prima approssimazione:

102

Influenza dell’avanzamento e del raggio di punta sulla rugosità superficiale teorica in tornitura (Rt)

Documents

16330-Forze Toleranze Usura Materiali Pubblicato