Tecnologia Meccanica. Asportazione di truciolo 1

1.

1. Asportazione di truciolo Asportazione di truciolo

• ^Fonti

• ^Fonti

Giusti M., Santochi F., Tecnologia Meccanica e studi di fabbricazione, Casa Editrice Ambrosiana

Cap.7

Gabrielli F., Ippolito R., Micari F., Analisi e Tecnologia delle lavorazioni, McGraw-Hill Cap.7

PROCESSO DI TAGLIO: processo dove l’utensile, dotato di moto relativo rispetto al pezzo, ne asporta uno strato superficiale detto soprametallo trasformandolo in truciolo.

Generalità

ne asporta uno strato superficiale detto soprametallo trasformandolo in truciolo.

Si genera una superficie con caratteristiche di precisione e rugosità specifiche.

•

input: pezzo

•

output: superficie

•

scarto: truciolo

Processo avviene grazie ad uno o più

Processo avviene grazie ad uno o più

moti della macchina utensile.

L’asportazione di truciolo prevede il distacco di alcune parti di materiale dal pezzo attraverso l’interazione con utensili che agiscono in maniera progressiva

Generalità

attraverso l’interazione con utensili che agiscono in maniera progressiva

•

cinematica del taglio

•

meccanica del taglio

•

parametri di lavorazione

•

risultati delle lavorazione

•

macchine e processi

Il processo di taglio richiede sempre quattro elementi:

•

pezzo grezzo, proveniente da processi

•

pezzo grezzo, proveniente da processi precedenti come fusione, stampaggio, deformazione plastica, ecc;

•

la macchina utensile

•

^l’utensile

•

l’attrezzatura

Misure sperimentali mostrano:

•

produzione di calore

•

Generalità

•

produzione di calore

•

spessore del truciolo h_c> h₀

•

durezza del truciolo > durezza metallo base

La lavorazione avviene a T → calore sviluppato da

La formazione del truciolo avviene

per deformazione plastica

La lavorazione avviene a T

_amb

→ calore sviluppato da

lavoro di deformazione plastica e forze di attrito causa

innalzamento della temperatura del pezzo, dell’utensile e

del truciolo.

Metodi per analizzare la deformazione plastica durante la lavorazione

•

taglio interrotto

Dispositivo quick stop

•

taglio interrotto

•

microscopia ottica ed elettronica della morfologia del truciolo

Dispositivo quick stop tests: dispositivo per prove di taglio bruscamente interrotto per ottenere un campione di truciolo in

formazione che rappresenti le reali condizioni di taglio di regime.

Caratteristiche:

Caratteristiche:

- adeguata rigidezza;

- utilizzabile sia a basse sia ad alte velocità e con diversi utensili;

- misurare/monitorare tutte le variabili (forze di taglio, temperature e vibrazioni);

- elevato grado di ripetibilità delle prove;

- salvaguardare l'integrità del truciolo.

Truciolo

In condizioni di taglio libero e ortogonale i fenomeni della formazione del truciolo possono ricondursi a fenomeni bidimensionali.

Taglio ortogonale

possono ricondursi a fenomeni bidimensionali.

IPOTESI:

•

larghezza del tagliente maggiore della larghezza del pezzo

•

velocità di taglio costante lungo il tagliente

•

tagliente perpendicolare alla velocità di taglio

•

utensile è perfettamente affilato (no contatto nel piano dorsale)

Es. di taglio puramente ortogonale piallatura – utensile elementare monotagliente

Studio del meccanismo della formazione del truciolo nel piano HKML:

•

penetrazione del tagliente dell’utensile dello spessore s nel materiale, compressione e

Formazione del truciolo

•

penetrazione del tagliente dell’utensile dello spessore s nel materiale, compressione e conseguente deformazione plastica per scorrimento secondo il piano di scorrimento OA e distacco del truciolo.

φ angolo di scorrimento s₁ spessore del truciolo

s spessore del truciolo indeformato

c = s /s₁= L₁/L rapporto di taglio c = s /s₁= L₁/L rapporto di taglio r_c = s₁ /s = L/L₁ fattore di ricalcamento

α angolo di spoglia dorsale o inferiore γ angolo di spoglia frontale o superiore

Utensile elementare

γ angolo di spoglia frontale o superiore β angolo di taglio

α + γ + β = 90°

Geometricamente:

c = sen (φ) / cos (φ-γ) r_c = cos (φ-γ) / sen (φ)

di conseguenza angolo di scorrimento φ può essere scritto in funzione dell’angolo di spoglia frontale γ:

tg φ = c ⋅ cos (γ) / (1 – c ⋅ sen (γ))

Formazione del truciolo

Diversi modelli sono stai proposti per rappresentare la formazione del truciolo.

A seconda delle caratteristiche del materiale e delle condizioni di lavoro:

A seconda delle caratteristiche del materiale e delle condizioni di lavoro:

Può accadere che la parte che ha subito deformazione si distacchi dal pezzo

Oppure si ha uno scorrimento con relativa deformazione plastica, che procede di strato in strato formando un truciolo continuo.

Si suppone che la deformazione avvenga per scorrimento di blocchi rigidi a forma di parallelogramma in corrispondenza

Modello di Pijspanen

blocchi rigidi a forma di parallelogramma in corrispondenza del piano di scorrimento

Il valore della deformazione per scorrimento

γ

_s è:

γ_s = Δs/ Δx = AB / CO = (AO + OB) / CO = AO/CO + OB/CO AO = CO∙ctg (φ) ; OB = CO∙tg (φ-γ)

γ_s = ctg (φ) + tg (φ-γ)

•

^γs ↑ se γ ↓ e quindi ↑ forze necessarie alla deformazione

•

per ogni γ esiste un φ per cui γ_s è minimo

•

per ogni γ esiste un φ per cui γ_s è minimo minimizzando γ_s :

∂ γ_s / ∂ φ = -1/sen²(φ) + 1/ cos² (φ-γ) = 0

sen (φ) – cos (φ-γ) = sen (φ) - sen (90°-φ+γ) = 0

2φ -γ = π /2 se γ = 0 allora γ_{s min} si ha con φ = 45° → c=1

La velocità di deformazione

Cinematica del taglio

v_s v_t

90-γ φ

v = velocità relativa utensile pezzo: velocità di taglio

v_s = velocità relativa truciolo pezzo: velocità di scorrimento v_t= velocità relativa truciolo utensile: velocità di flusso

→ Dall’invariabilità del flusso volumetrico e considerando v_s somma settoriale di v_t e v:

v φ

Misurando Δx c.a.1/1000-1/100 mm Velocità di taglio 2 m/s

γ c.a. 10° >> di quella

D K

Il piano lungo il quale si ha scorrimento è caratterizzato da un certo

φ

ed è tale che la

τ

_s^sia massima e maggiore della resistenza alla deformazione del materiale.

Studio della formazione del truciolo

massima e maggiore della resistenza alla deformazione del materiale.

La forza F_z che provoca scorrimento su quel piano è quindi la forza minima che può formare truciolo.

Il problema è quindi quello di trovare una espressione F_z = f(

φ

, ρ ,

γ

),

ricavare il valore di φ che rende minima la F

La forza generica che si scambiano utensile e pezzo può essere scomposta lungo direzioni di interesse tecnologico:

- direzione velocità di taglio potenza di taglio scelta macchina e parametri - direzione perpendicolare inflessione pezzo tolleranza di lavorazione

- direzione petto utensile usura utensile cambio utensili

- direzione piano di scorrimento minima forza condizioni per il taglio

Ernst e Merchant

Il modello di Ernst e Merchant è basato su ipotesi semplificative:

semplificative:

•

Taglio ortogonale

•

Formazione del truciolo continuo per scorrimento secondo piano OA

•

Assenza attrito contatto fianco-superficie in lavorazione

•

Strisciamento del truciolo sul petto dell’utensile con μ costante

Analisi grafica delle forze necessarie alla formazione del truciolo

formazione del truciolo

Studia truciolo in equilibrio sotto l’azione della forza risultante R (utensile) e della reazione uguale e contraria R’ (pezzo)

•

R ed R’ giacciono su due rette parallele di distanza

R →

N normale al petto dell’utensile

→

T tangente al petto dell’utensile

Ernst e Merchant

→

T tangente al petto dell’utensile

R’ →

Fs tangente rispetto al piano di scorrimento OA

→

Fn normale rispetto al piano di scorrimento OA

•

In particolare:

→ T, N stabiliscono le condizioni di attrito sulla superficie di contatto truciolo-utensile

→ Fs, Fn stabiliscono lo stato di sollecitazione sul piano di scorrimento

E’ possibile determinare graficamente i valori delle componenti

componenti

Ernst e Merchant

Scomposizione della forza risultante secondo il “cerchio di Merchant”

Supponendo la risultante R applicata in O e tracciando una circonferenza di diametro R Supponendo la risultante R applicata in O e tracciando una circonferenza di diametro R Componenti misurabili (strumenti) della forza di taglio F

_z

e F

_x

•

^Fz = componente di R parall. alla vel. di taglio

•

^Fx = componente di R perp. alla vel. di taglio

R = √ (F_z² + F_x²) F_z = R cos (ρ -

γ

⁾ F_x= R sen (ρ -

γ

) F = R sen (

φ

^+ρ-

γ

⁾ F_n = R sen (

φ

^+ρ-

γ

⁾ F_s = R cos (

φ

+ρ-

γ

) T = R sen ρ

N = R cos ρ

Ernst e Merchant

Esprimendo tutte le componenti in funzione di F_x e F_z (determinabili sperimentalmente):

(determinabili sperimentalmente):

Forza di scorrimento:

F_s = OK cos

φ

= (OG – GK) cos

φ

^{= (F}_z^{– F}_x ^tg

φ

^{) cos}

φ

F_s = F_zcos

φ

^{- F}_x^sen

φ

Forza normale:

F_n = R sen (

φ

+ ρ-

γ

) F_n = F_xcos

φ

+ F_zsen

φ

Componenti T e N:

Componenti T e N:

T = R senρ = F_xcos

γ

^{+ F}_z^sen

γ

N = R cosρ = F_zcos

γ

- F_xsen

γ

Ernst e Merchant

Il coefficiente di attrito tra truciolo e utensile :

Sul piano di scorrimento:

→ Tensione tangenziale di scorrimento

→ Tensione normale al piano di scorrimento

Ernst e Merchant

La teoria di Ernst e Merchant → applicazione del principio di minima energia → F_z responsabile del lavoro fatto nel taglio

del lavoro fatto nel taglio

Forza F_zper provocare scorrimento sul piano φ (dove τ_s massima ) è la più piccola forza di taglio che genera il truciolo

Fissato il sistema e la geometria (quindi ρ e γ), si tratta di minimizzare F_z sul piano di scorrimento (rispetto φ), dove τ_s è massima (indip. da φ):

Angolo che rende min F_z

Simile a 2φ -γ = π/2 dove in più c’è ρ: angolo di attrito

Ernst e Merchant

Angolo di scorrimento :

→ Diminuisce con l’aumentare dell’angolo di attrito ρ

→ Aumenta con l’angolo di spoglia frontale γ

→ Rapporto di taglio c < 1

L’evidenza sperimentale mostra una certa differenza:

in realtà: τ = f (T, deform., vel di deform.) → in realtà: τ_s = f (T, deform., vel di deform.) →

Merchant modifica considerando τ_s non cost. ma funzione di σ_s

Ernst e Merchant

Da cui:

Per cui facendo la derivata:

→ La determinazione

sperimentale di ζ permette un migliore accordo

Riassumendo:

•

ρ risulta indirettamente misurabile con appositi sistemi dinamometrici

Ernst e Merchant

•

ρ risulta indirettamente misurabile con appositi sistemi dinamometrici

•

φ può essere calcolato noto ρ e la geometria del sistema

•

Con i dati dinamometrici e con il valore di φ così ricavato, tutti gli altri parametri di interesse possono essere valutati.

Inoltre:

→ All’aumentare del coefficiente d’attrito l’angolo ρ diminuisce (trucioli più “spessi”).

→ All’aumentare dell’angolo di spoglia superiore, l’angolo ρ aumenta (trucioli più “sottili”).

→ Il rapporto di taglio è sempre ≤1, infatti:

Ernst e Merchant

Differenza con dati sperimentali dovuta anche a:

•

Condizioni di contatto sono tali da determinare una certa

•

Condizioni di contatto sono tali da determinare una certa distribuzione delle tensioni tangenziali e normali:

→ AB: attrito adesivo per σ_s elevato e τ_s= τs di snervamento – zona di scorrimento secondaria

→ BC: attrito di scorrimento, τ=µσ, σ_s minori

•

^{μAB > μBC} → valori sperimentali intermedi

•

L’ampiezza delle zone AB e BC dipende da condizioni di taglio e angolo γ: se aumenta riduce tensione normale e quindi aumenta BC con riduzione del coefficiente di quindi aumenta BC con riduzione del coefficiente di attrito globale

τs varia, in modo complesso, con la temperatura e con il grado di incrudimento del materiale, il quale dipende, fra l’altro, dalla velocità di deformazione (deformazione plastica)

Limiti di Ernst e Merchant

quale dipende, fra l’altro, dalla velocità di deformazione (deformazione plastica)

Il valore di μ sul petto dell’utensile può non essere costante e possono insorgere fenomeni di attrito adesivo. Per cui la tensione all’interfaccia è costante (indipendente da tensione

normale) ed assume il valore del flow stress del materiale τ₀. Nella zona in cui la tensione normale scende al di sotto del valore critico, si ha un normale attrito di scorrimento.

L’ampiezza delle due zone dipende, fra l’altro, dal valore dell’angolo di spoglia superiore:

→ all’aumentare di γ il valore medio della tensione normale tende a ridursi e la zona di attrito non adesivo ad estendersi.

Teoria della plasticità adiabatica

Modelli formazione del truciolo si basano su:

•

Esistenza su piano di scorrimento di τs massima raggiunta

•

Esistenza su piano di scorrimento di τs massima raggiunta istantaneamente su tale piano

•

Piano di scorrimento implica cambio di velocità del materiale del truciolo da v a vt in maniera istantanea

•

Non si tiene conto dell’incrudimento del materiale che ne aumenta la resistenza alla deformazione

Si definisce “zona di deformazione” di larghezza definita funzione del materiale e dei parametri di taglio (es. vel. di taglio):

taglio):

•

↑ vel di taglio, ↑ c, ↓ zona di deformazione Una delle teorie che adottano tale schematizzazione è quella della plasticità adiabatica.

Teoria della plasticità adiabatica

Teoria della plasticità adiabatica si basa su esistenza:

•

Zona di deformazione

•

Zona di deformazione

•

Zona di scorrimento (materiali policristallini – piano di scorrimento ha un certo spessore)

•

Scorrimento avviene in condizioni adiabatiche (si suppone che lo scorrimento avvenga senza scambi di calore)

Formazione del truciolo:

•

Formazione avviene per compressione del metallo con deformazione elastica e plastica fino al superamento della tensione tangenziale critica (zona OAD):

tensione tangenziale critica (zona OAD):

→ Materiale sottoposto alla pressione dell’utensile subisce un rigonfiamento (c) dove piani atomici si orientano facilmente nella direzione di scorrimento

→ Velocità di deformazione > Velocità restaurazione- ricristallizzazione (↑T) materiale subisce incrudimento

Teoria della plasticità adiabatica

Formazione del truciolo:

•

La formazione della zona di scorrimento è favorita dalla

•

La formazione della zona di scorrimento è favorita dalla crescita di temperatura che si ha in seguito delle azioni dell’utensile.

•

Una concentrazione locale di tensioni fa apparire l’instabilità localizzata nel tratto OA di scorrimento facili ad alte temperature:

→ Concentrazione locale delle tensioni con aumento della T che rende trascurabile l’incrudimento – riduzione della tensione tangenziale critica – slittamento rapido dello strato di scorrimento facile.

dello strato di scorrimento facile.

→ Materiali plastici: susseguirsi di deformazioni rapide con instabilità e continuo formarsi di strati paralleli

unidirezionali di scorrimento facile

→ Regime di fluttuazioni pseudo-periodiche.

Effetti variazione di vt

La velocità di taglio ha una influenza diretta su diversi parametri In particolare su:

In particolare su:

• Forza di taglio:Ft

• Durata dell’utensile: t

• Finitura superficiale della superficie lavorata: Ra

• Temperatura: θ In generale:

• ↑ velocità v ↑ temperatura (maggiore lavoro di deformazione maggiori effeZ dell’a[rito);

• ↑ velocità v ↑ l’usura dell’utensile dovuta ad un maggiore effe[o dello strisciamento→diminuisce t;

• ↑ velocità v ↓ forza di taglio Ft, forza di taglio diminuisce al crescere della temperatura

In fase iniziale In fase iniziale

Effetti variazione di vt

Continuando ad aumentare la velocità v si ha un ulteriore aumento della temperatura

Inoltre inizia ad apparire il fenomeno della formazione di MICROSALDATURE sul petto dell’utensile Inoltre inizia ad apparire il fenomeno della formazione di MICROSALDATURE sul petto dell’utensile

Aumentando v

Microsaldature

Alta T, parte del truciolo resta incollata all’utensile

(microsaldatura).

Il resto del truciolo continua a scorrere sopra la microsaldatura.

Incrudimento parte microsaldata Distacco per effetto della interazione meccanica con il truciolo.

Formazione del tagliente di riporto

Tagliente di riporto (Build Up Edge, BUE):

•

Condizioni di attrito adesivo sul petto dell’utensile: ^Pezzo

•

Condizioni di attrito adesivo sul petto dell’utensile:

→ Accumulo di metallo molto incrudito costituito da strati successivi e paralleli successivi e sovrapposti:

a) Tagliente avanza di Δa generando O’’D →

tagliente di riporto si accresce per strati successivi b) Frazione sporgente O’ raggiunge uno sbalzo che di

distacca incastrandosi nella superficie di

lavorazione l’altra parte del tagliente di riporto è asportata dal truciolo

c) Poi il tagliente di riporto ricomincia a crescere.

Utensile Pezzo

c) Poi il tagliente di riporto ricomincia a crescere.

Formazione del tagliente di riporto

Tagliente di riporto (Build Up Edge, BUE):

•

^Cause:

•

^Cause:

→ Basse velocità di taglio (basse T)

→ Angolo γ basso

→ Materiali che incrudiscono facilmente

•

^Effetti:

→ Peggioramento della rugosità superficiale

→ Azione abrasiva sul petto dell’utensile (↑ usura)

→ Aumento dell’angolo γ (↓forze di taglio)

•

^Soluzioni:

→ Aumento della T all’interfaccia:

→ Aumento della T all’interfaccia:

→ + vel.di taglio

→ + T ambiente

→ + Angoloγ

→ Miglioramento delle condizioni di attrito (lubrificazione)

Frammentato Segmentato:

Forme del truciolo

Frammentato discontinuo:

elementi distaccati, tipico dei materiali duri fragili; non si ha deformazione della zona secondaria

Segmentato:

elementi di truciolo più o meno collegati, tipico dei materiali duri ma tenaci; modesta deformazione della zona secondaria

Fluente continuo:

Mantenuta continuità del materiale, tipico dei

Fluente ondulato:

mantenuta continuità del

materiale, indica che nella zona del materiale, tipico dei

materiali duttili, la deformazione e l’attrito nella zona secondaria portano una notevole produzione di calore

materiale, indica che nella zona di deformazione primaria si è avuta una variazione della direzione di deformazione, vibrazioni, irregolarità, durata inferiore utensile.

Truciolo

Scorrimento primario:

•

Scorrimento plastico del materiale

•

Scorrimento plastico del materiale

•

Generazione di calore Scorrimento secondario:

•

Elevati scorrimenti plastici

•

Strato molto sottile

•

Forte generazione del calore

•

Elevata pressione sull’utensile Scorrimento sul fianco:

Scorrimento sul fianco:

•

Aumento usura fianco

•

Generazione di calore

Aspetti termici fondamentali per utensile e sua durata:

•

Zona scorrimento primaria: si sviluppa calore derivante

•

Zona scorrimento primaria: si sviluppa calore derivante dal lavoro di deformazione

•

Zona scorrimento secondaria: si sviluppa calore sia per deformazione plastica che per attrito dove si

scorrimento del truciolo

•

Fianco: si sviluppa calore per effetto dell’attrito nello strisciamento sulla superficie di lavorazione.

Calore sviluppato – calore perso per convez. e irragg. = trasmesso per conduzione a truciolo/utensile/pezzo:

trasmesso per conduzione a truciolo/utensile/pezzo:

•

70% al truciolo

•

20% all’utensile

•

10% al pezzo

→

In realtà da misure sperimentali Tutensile > Ttruciolo

In generale massima temperatura si raggiunge sul petto dell’utensile ad una certa distanza dal tagliente:

Fluidi da taglio (olio minerale o emulsioni) per irrorare la zona di taglio.

•

^Funzioni:

→ Lubrificazione: riduzione attrito contatto fianco- pezzo e truciolo-petto

→ Raffreddamento: asportazione calore per convezione e riduzione T_utensile e T_pezzo.

•

^Benefici:

→ Riduzione forze e potenze

→ Riduzione forze e potenze

→ Aumento durata utensile

→ Miglioramento della finitura superficiale

→ Riduzione deformazione termica

→ Eliminazione trucioli

Stima della temperatura

Analisi sperimentale

Il tipo di misura sperimentale dipende Il tipo di misura sperimentale dipende da:

• Se utensile può:

→ essere toccato (1° caso)

→ essere visto (2°caso)

→ non essere toccato né visto (3°caso)

1°Caso 1°Caso

Stima della temperatura

2°Caso

3°Caso