SINTESI di:
Analisi sperimentale dell’usura di perline diamantate sinterizzate
nel taglio di materiale lapideo
di
Marco Clemente
Tesi proposta per il conseguimento del titolo accademico di DOTTORE IN INGEGNERIA MECCANICA
presso la Facoltà di Ingegneria
della
Università degli Studi di Pisa
3 Ottobre 2007
Tipo di Tesi: Lunga, Vecchio Ordinamento
Autore:
Marco Clemente
Approvata da:
Prof. Ing. Giovanni Tantussi Prof. Ing. Valter Romoli
Stato delle conoscenze di partenza
I fili diamantati sono largamente impiegati nel taglio di materiale lapideo in cava, sia nel taglio al monte che per operazioni di riquadratura. Sono costituiti da un cavo di acciaio sul quale vengono inserite numerose perline diamantate che costituiscono la parte tagliente del filo. Nel 2001 il D.I.M.N.P. – ( Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione dell’Università di Pisa ) - ha realizzato una macchina di prova che permette di simulare il comportamento di una singola perlina diamantata durante il taglio del marmo. Negli anni precedenti con questa macchina sono state eseguite prove con perline elettrodepositate mentre quelle sinterizzate non erano mai state testate prima d’ora.
Definizione del problema affrontato
Lo scopo della tesi è quello di confrontare l’usura di alcune perline sinterizzate tradizionali con un nuovo tipo di perline sinterizzate con matrice priva di cobalto ideate dal Politecnico di Torino.
In attesa di riceverle è stato necessario studiare il comportamento all’usura di alcune perline sinterizzate tradizionali create appositamente dalla “Diamond Pauber” con diamanti aventi le stesse caratteristiche di quelli utilizzati dal Politecnico ( geometria, tipologia di diamanti, mesh ) che differiscono dalle altre solo per la composizione della matrice metallica.
Le perline sinterizzate presentano sempre nuovi diamanti in taglio durante l’assottigliamento della matrice e hanno una durata molto maggiore rispetto a quelle elettrodepositate. Ciò ha richiesto un lungo periodo di prove per poterne valutare il degradamento.
Infatti, il cambiamento del profilo medio della perlina si è subito rivelato molto modesto ed è stato necessario analizzare la superficie dell’utensile anche attraverso foto digitali ad alto ingrandimento per notare delle variazioni locali significative.
Lavoro svolto:
Il lavoro svolto può essere diviso in due parti: Prove di taglio e analisi delle perline.
Prima di iniziare i test di taglio sono state apportate delle modifiche alla macchina di prova, successivamente prima di ogni prova è stato necessario preparare i dischi di marmo con tempi di lavoro 5 volte superiori alla durata delle prove. Sono state effettuate quindi 41 prove di taglio con marmo bianco di Carrara ed altrettante con perlato di Coreno. Durante le lavorazioni si sono verificati alcuni inconvenienti che hanno allungato i tempi di prova.
La seconda parte del lavoro è stata svolta nel laboratorio di visione dove le perline sono state misurate ad intervalli regolari con diversi approcci sperimentali per valutare i cambiamenti della matrice metallica e studiare l’andamento dell’usura. La mancanza di processi
automatizzati e il carattere sperimentale delle misure ha richiesto un notevole impiego di tempo, soprattutto per l’analisi dei numerosi dati raccolti.
Modifiche alla macchina di prova
E’ stato modificato il circuito di retroazione della cella di carico per permettere un miglior controllo della forza di contatto tra la perlina ed il disco di marmo. Inoltre, è stata velocizzata la preparazione dei solchi nei dischi di marmo con un solo posizionamento del disco. E’ stato migliorato il sistema di scorrimento delle guide di traslazione della cella di carico in quanto, durante le prove, l’attrito di primo distacco non permetteva un buon controllo della forza di contatto. Infine, si sono sperimentati nuovi modi per stabilizzare la forza di contatto.
Prove di taglio
Con la collaborazione della ditta Lochmans, che ha fornito i parametri di taglio per operazioni di riquadratura dei blocchi di marmo in cava, è stato possibile calcolare la forza di contatto tra la perlina ed il disco di marmo ( 14,8 N ). Inoltre, è stato possibile confrontare i valori della velocità di asportazione ( 0,16 m2/h) e del volume di marmo asportato durante le prove con i dati reali del taglio in cava. I risultati ottenuti dimostrano che la macchina di prova riproduce con buona approssimazione le condizioni reali.
Prima di iniziare le prove di taglio è stato necessario montare la perlina su un alberino di acciaio 6φ ( Fig.1 di pag 3 ) per poi inserirla in un elettromandrino in grado di portarla in rotazione alla velocità di 65000 giri/min.
In seguito, ogni disco di marmo è stato lavorato con una fresa diamantata montata sulla macchina di prova per creare in ogni disco 3 anelli dello spessore di 5,5 mm ( Fig. 2 di pag.3 ) per permettere alla perlina di lavorare su tutta la superficie di taglio. Questa operazione eseguita prima di ogni ciclo di prove ha sempre richiesto più di un’ora di preparazione. All’inizio di ciascuna prova la perlina in rotazione è stata avvicinata al disco di marmo anch’esso portato in rotazione alla velocità di 8 giri/min. ( Fig. 3 di pag.3 )
Durante le prove la perlina è stata refrigerata con acqua ( Fig. 4 di pag.3 ) e premuta contro la superficie del disco con una forza costante ( ≈15N per il marmo bianco di Carrara , ≈25N per il perlato di Coreno ) grazie ad un opportuno feedback.
Con la prima perlina sono state effettuate 41 prove di taglio su marmo bianco di Carrara, mentre la seconda è stata testata con altrettante prove accelerate su perlato di Coreno, un carbonato di durezza superiore.
Fig. 1 Perlina montata sull’albero Fig. 2 Disco prima dei solchi
Fig. 3 Disco con i solchi e perlina Fig. 4 Perlina durante il taglio del allineata e pronta al 1° taglio 2° disco
E’ stato analizzato lo stato di usura di ciascuna perlina dopo le prime 5 prove di taglio e successivamente ogni 9 prove. Questo per permettere ai diamanti di entrare in taglio e per controllare l’usura ad intervalli corrispondenti alla lavorazione di 3 dischi di marmo. Durante ogni prova sono stati monitorati gli andamenti della forza, della posizione e della coppia in funzione del tempo con acquisizioni di 50 scan/s. Elaborando questi dati è stato possibile disegnare l’andamento di queste grandezze durante le prove. Le figure seguenti rappresentano i diagrammi delle prove ( 6 – 10 ) della perlina_2 testata con perlato di Coreno.
tor2 6+7+8+9+10 Forza 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 1 241 481 721 961 1201 1441 1681 1921 2161 240 264 288 3121 Tempo [ s ] F o rz a [ N ] H2O
tor2 6+7+8+9+10 Posizione 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 1 241 481 721 961 1201 1441 1681 1921 2161 240 264 288 3121 Tempo [ s ] R a g g io [ m m ] tor2 6+7+8+9+10 Coppia 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 1 241 481 721 961 1201 1441 1681 1921 2161 240 264 288 3121 Tempo [ s ] C o p p ia [ N m ]
Diagrammi di Forza (pag. 3), Posizione e Coppia della perlina 2 nelle prove 6-10 Per l’analisi di tutte le prove di taglio sono stati realizzati 246 grafici, grazie ai quali è stato possibile esprimere le seguenti valutazioni:
Durante le prime 5 prove l’asportazione di marmo è molto ridotta e il grafico presenta un andamento non lineare in quanto la perlina non ha ancora un numero sufficiente di diamanti in taglio. L’asportazione assume un andamento costante dopo circa 12 minuti per la lavorazione del marmo, mentre per il perlato di Coreno occorrono circa 30 minuti con forza di contatto di 15N. In seguito l’asportazione assume un andamento costante nel tempo.
Le prove 6-41 con perlato di Coreno sono state effettuate con una forza di contatto pari a 25N, in questo modo la macchina riusciva ad ottimizzare l’asportazione di materiale riuscendo a lavorare alla stessa velocità del marmo.
In entrambi i casi non è stato possibile portare le perline a fine vita utile in quanto sono perline “a lunga durata”, comunque già dopo 41 prove è possibile valutare il comportamento della matrice metallica. Durante le prove si sono verificati diversi inconvenienti; il più significativo è stato la perdita di parallelismo tra gli assi del disco e della fresa, a causa di un urto accidentale, avvenuto durante la preparazione dei solchi nel marmo. Per risolvere questo problema è stato smontato il gruppo porta-disco diamantato per poter calibrare nuovamente il sistema di movimentazione.
Analisi sperimentale dell’usura delle perline
Per quantificare il processo di usura sono stati studiati più metodi; tra questi sono state eseguite molte misurazioni utilizzando sperimentalmente uno strumento ottico a riflessione (profilometro), che ha permesso di misurare l’abbassamento della matrice metallica. L’usura macrogeometrica è stata anche valutata attraverso le immagini dei profili retroilluminati. L’usura microgeometrica della perlina è stata studiata attraverso l’analisi di immagini digitali dettagliate.
Misurazioni con il profilometro
Dopo ogni ciclo di prove la perlina è stata smontata dall’elettromandrino e montata su di un supporto collegato ad un motore elettrico a passi fissato sul piano di misura.
Con il profilometro è stato possibile acquisire tante generatrici equidistanti, facendo ruotare la perlina di un angolo prestabilito dopo ogni misurazione, così da misurare tutta la parte tagliente. Questi dati hanno permesso di realizzare grafici dai quali valutare l’usura del profilo medio. Le prime acquisizioni sono servite anche per mettere a punto il programma di misura Acquire_1.0 , ideato e sviluppato da un altro laureando nel laboratorio di visione.
I grafici corrispondenti alla prima perlina testata con marmo bianco di Carrara presentavano diversi problemi. Nei valori acquisiti erano presenti degli errori di misura, in quanto il raggio laser veniva deviato in corrispondenza delle superfici irregolari di alcuni diamanti e non veniva riflesso correttamente. Questo, purtroppo, non era indicativo della posizione dei diamanti in quanto accadeva in maniera del tutto casuale, nonostante i tentativi di rendere opache le superfici riflettenti. Probabilmente, proprio la geometria del cristallo ( molto irregolare e talvolta spezzato) era la causa del problema sopra citato.
Le estremità della perlina presentavano delle superfici irregolari e l’analisi dei grafici ottenuti dimostravano che non era possibile trovare un riferimento rispetto al quale stimare quanto si era consumata la matrice.
La scheda di acquisizione del profilometro permetteva di misurare soltanto distanze comprese nel range -1< z <1 [mm]. Ciò non permetteva di acquisire il profilo fino all’albero sul quale era montata la perlina e di prendere questo come riferimento.
Dopo numerosi tentativi, i problemi sono stati risolti nel seguente modo:
• Sono state invertite le guide motorizzate in modo da permettere al raggio laser di seguire meglio il profilo. In questo modo il piano di incidenza è stato posizionato ortogonalmente rispetto alla direzione di spostamento, riducendo moltissimo gli errori di misura.
• A partire dalla prova 32 della prima perlina testata è stato inserito un distanziale di diametro noto sull’alberino della perlina, tale da permettere al raggio laser di lavorare entro il range e misurare la distanza tra il riferimento e la matrice.
• E’stato creato un riferimento angolare per misurare sempre le stesse generatrici.
• E’ stata calcolata la retta dei minimi quadrati del tratto centrale del profilo medio della perlina per analizzare meglio l’abbassamento della matrice.
• Le acquisizioni con alcuni errori sono state corrette con il programma Aquire_1.0.
Le prove eseguite su marmo bianco di Carrara hanno permesso di valutare questo abbassamento del profilo medio della matrice:
Intervallo di prove
Abbassamento
Matrice [ µm ] Note
0 - 5 30
E’ stato asportato un notevole strato di matrice prima che molti diamanti fossero in taglio.
5 - 14 < 5 La presenza di molti diamanti protrusi protegge la matrice. 14 - 23 10 Macro-fratture nei diamanti in taglio, la matrice si è ridotta.
23 - 32 5 Usura costante della matrice.
32 - 41 5 Abbassamento lieve ma costante.
Totale 50 - 55 Dopo 490’ di taglio la perlina si è ridotta circa dell’ 1% Tabella 1 : Valori dell’abbassamento della matrice perlina_1 ( test con marmo di Carrara ) Dei valori così ridotti di usura sono stati controllati attraverso l’analisi di immagini digitali ad alto ingrandimento per valutare l’usura microgeometrica della matrice e dei diamanti.
Le misure effettuate sulla seconda perlina testata con perlato di Coreno hanno permesso di ottenere dei grafici più facilmente confrontabili, in quanto erano già stati risolti i problemi emersi durante le acquisizioni precedenti. Anche la seconda perlina è stata misurata ad intervalli regolari dopo le prove 5-14-23-32-41, ottenendo i seguenti risultati:
Intervallo di prove
Abbassamento
Matrice [ µm ] Note
0 - 5 30
Le prime 5 prove sono state effettuate con una forza di contatto di 15N. Ciò ha comportato 176’ di test di taglio. Le successive sono state eseguite con forza di 25N per ridurre i tempi di taglio. 5 - 14 10 Il Perlato è più duro del marmo, inoltre pochi diamanti in taglio 14 - 23 5 Lieve abbassamento della matrice, evidenti i diamanti protrusi. 23 - 32 15 Aumentano i diamanti macro-fratturati, la matrice si abbassa. 32 - 41 < 5 Prove con 3 dischi di Coreno con molte venature, la perlina ha
tagliato un carbonato più fragile e si è usurata molto poco. Totale 60 - 65 Dopo 544’ di taglio sono stati asportati 10,58 dm3 di marmo Tabella 2: Valori dell’abbassamento della matrice della perlina_2 (test con perlato di Coreno)
Profilo medio perlina_2 dopo 41 prove
-1000- 950 - 900 - 850 - 800 - 750 - 700 - 650 - 600 - 550 - 500 - 450 - 400 - 350 - 300 - 250 - 200-150 -100-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 1 501 1001 1501 2001 2501 3001 3501 4001 4501 5001 5501 6001 6501 7001 7501 8001 8501 9001 9501 Acquisizioni A lte z z a [ m ic ro n ]
Profilo Rett a dei minimi quadrat i della zona di taglio
Fig. 5: Grafico elaborato utilizzando i dati acquisiti con il profilometro Valutazione dell’usura attraverso l’analisi dei profili delle perline
Per valutare l’usura della matrice sono state anche utilizzate delle immagini retroilluminate del profilo della perlina ad alta risoluzione. Sfruttando il motore elettrico a passi la perlina è stata fotografata ad intervalli regolari corrispondenti a rotazioni di 20 gradi. Correlando le dimensioni della perlina con le dimensioni del profilo attraverso il numero di pixel è stato possibile stimare l’erosione della matrice metallica durante le prove (fig. 6).
Fig. 6 Foto n° 528 Perlina_2 dopo 32 prove ( 1 pixel = 4,2 µm )
Analizzando i profili dopo ogni ciclo di prove è stato anche possibile valutare il numero dei diamanti in taglio e misurare le variazioni locali della geometria della matrice.
Il corretto posizionamento della perlina, e la necessità di avere immagini pressochè identiche per poterle confrontare, ha richiesto un notevole impiego di tempo non avendo a disposizione dei sistemi automatici di messa a fuoco e di posizionamento. Tuttavia, lo studio dettagliato delle piccole variazioni locali del profilo si è rivelato indispensabile per controllare i risultati ottenuti precedentemente. La semplice analisi macrogeometrica della perlina non permetteva di apprezzare dei cambiamenti così modesti della matrice.
Stima dell’usura microgeometrica attraverso l’analisi di immagini digitali
Per controllare i valori di usura calcolati durante le prove sono state eseguite molte fotografie con fattore di ingrandimento 20X. Queste sono poi state montate in sequenza per ricreare tutta la superficie di taglio e misurare i cambiamenti microgeometrici della zona di taglio ( pag.9 ). E’ stato possibile valutare l’erosione della matrice nelle zone adiacenti al diamante, calcolare il numero dei diamanti in taglio, misurare la protrusione dei diamanti e raccogliere un notevole numero di dati significativi che caratterizzano il processo di usura.
Profilo 0 perlina nuova Profilo 0 dopo 5 prove (1h e 34 min ) di lavorazione
Nell’immagine a fianco si notano i solchi lasciati dalla polvere di marmo che scorre intorno al tagliente e aumenta la protrusione del cristallo.
0≤ Superficie≤π π ≤ Superficie≤2π 0≤ Superficie≤π π ≤ Superficie≤2π
Sviluppo piano della perlina_2 NUOVA Sviluppo piano della perlina_2 dopo 14 prove
Con lo sviluppo in piano della superficie di taglio della perlina è stato possibile valutare i cambiamenti della geometria della matrice e ricavare importanti parametri per quantificare lo stato di usura della perlina. Inoltre, attraverso l’analisi delle immagini è stato possibile raccogliere molte informazioni che evidenziano l’evoluzione dei diamanti durante le prove (Tabella 1 e grafici a pagina 10 ).
Tabella 3 : Evoluzione dei diamanti nella perlina 2 all’aumentare del numero delle prove
In queste immagini si può vedere l’effetto dell’usura sul singolo diamante durante le prove 32 – 41 eseguite su marmo bianco di Carrara.
PERLINA_ 2 Nuova 5 prove 14 prove 23 prove 32 prove 41 prove Diamante Emergente 106 145 152 158 163 160 Protruso 26 74 89 110 122 139 Lisciato 0 12 32 22 25 38 Micro-fratturato 0 18 38 29 22 35 Macro-fratturato 0 7 13 28 42 40 Pull-out 0 1 3 4 5 8
Grafico de ll'e voluzione de i diam anti pe rlina_2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Nuova 5 prove 14 prove 23 prove 3 2 prove 41 prove
Mis urazione N u m e ro d i d ia m a n ti Emergent i Prot rusi Lisciat i M icro f rat t urat i M acro f rat t urat i Pull out
Fig. 7: Grafico dell’evoluzione dei diamanti durante le prove
Conclusioni
La ricerca ha permesso di valutare inizialmente l’usura macro-geometrica della matrice. I risultati evidenziano un modesto consumo di questo tipo di perlina ( Tabella 1 di pag. 6 e Tabella 2 di pag. 7 ). Per questo motivo è necessario partire dai dati acquisiti con il profilometro, per poi approfondirli con un’accurata analisi micro-geometrica attraverso immagini fotografiche ad alto ingrandimento. Viste le difficoltà incontrate per ricreare i posizionamenti e le condizioni di luce, si consiglia in futuro l’utilizzo di un microscopio ottico a visione stereoscopica. Dall’analisi effettuata è emerso che l’evoluzione delle superfici dei diamanti in taglio sono un buon indicatore del processo di degradamento dell’utensile. Infatti, valutare l’usura della superficie attiva di una perlina sinterizzata soltanto dal numero dei diamanti fuoriusciti non è esauriente data la casualità della disposizione più o meno superficiale dei cristalli. Analizzando il numero dei diamanti micro e macro-fratturati si hanno invece importanti indicazioni sulla durezza della matrice metallica (tanto più compatto è il materiale legante, tanto più fratturati si presentano i diamanti). Una misura del numero di diamanti protrusi che si trasformano in fratturati è indicativo della capacità legante della matrice metallica che è in grado di contrastare la precoce fuoriuscita del cristallo ( Tabella 3 di pag. 9 ). In fine, lo studio ha permesso di raccogliere, per la prima volta, un gran numero di dati significativi sul comportamento all’usura di una perlina sinterizzata tradizionale. Questi saranno indispensabili per confrontare in futuro il comportamento di una nuova perlina sinterizzata con matrice priva di Co già realizzata dal Politecnico di Torino.
