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Materiali per utensili da taglio: usura e durata degli utensili
Riferimenti:• Levi/Zompì Tecnologia Meccanica cap. 4• Santochi/Giusti Tecnologia Meccanica cap. 8
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• 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.
IntroduzioneIntroduzione
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Principali requisiti dei materiali per utensili da taglioPrincipali 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
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Materiali per utensiliMateriali 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)
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ProprietProprietàà meccaniche e fisiche dei materiali per utensilimeccaniche e fisiche dei materiali per utensili
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Acciai al carbonio ed acciai debolmente legatiAcciai 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
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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 superrapidiAcciai rapidi e superrapidi
Gli acciai superrapidi (4÷15% di Co) non subiscono la dissociazione a caldo dei carburi doppi e 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
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Composizione chimica di alcuni acciai rapidi Composizione chimica di alcuni acciai rapidi e superrapidi per utensilie superrapidi per utensili
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Andamento della durezza di un acciaio 18Andamento della durezza di un acciaio 18--44--1 + 5% 1 + 5% CoCoin funzione della temperatura di rinvenimentoin funzione della temperatura di rinvenimento
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Leghe fuse di cobalto (Leghe fuse di cobalto (stellitistelliti))
• 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%
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Carburi metallici sinterizzati (metalli duri)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.
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Variazione di alcune caratteristiche e proprietàmeccaniche dei carburi sinterizzati in funzione della % di cobalto
Carburi metallici sinterizzatiCarburi metallici sinterizzati
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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 sinterizzatiCarburi metallici sinterizzati
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Fasi del processo tecnologico di produzione del carburo di tungsteno
Fabbricazione dei carburi metallici sinterizzatiFabbricazione dei carburi metallici sinterizzati
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Durezza a caldo dei materiali per utensiliDurezza a caldo dei materiali per utensili
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• 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
InsertiInserti
Alcune forme tipiche di inserti per operazioni di tornitura e fresatura
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Utensile da tornio con placchetta riportata mediante brasatura
Acciaio da costruzione
Carburometallicosinterizzato
Collegamento dellCollegamento dell’’inserto allo steloinserto allo stelo
•Rischi di fessurazioni o scheggiature dell’inserto durante la brasatura
•Difficoltà nel sostituire l’inserto usurato
Problemi:
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Collegamento dellCollegamento dell’’inserto allo steloinserto allo stelo
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
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Bloccaggio a leva:
• adatto per il bloccaggio meccanico di inserti fragili (ad es. in materiali ceramici)
Bloccaggio con scanalaturaprismatica:
• accoppiamento stabile• smontaggio rapido
Collegamento dellCollegamento dell’’inserto allo steloinserto allo stelo
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Classificazione ISO dei carburi metallici sinterizzatiClassificazione ISO dei carburi metallici sinterizzati
Ghi
sa,
acci
aio
tem
prat
o,
non
ferro
si
Inox
aust
., ac
ciai
o M
n,
ghis
e le
gate
Acc
iai l
owC
, in
ox,
ghis
e m
all.
Res
ist.
usur
aTe
naci
tà
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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 rivestitiUtensili rivestiti
TiN
Al2O3
TiCWC
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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 rivestitiUtensili rivestiti
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• 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 rivestimentoPrincipali materiali utilizzati per il rivestimento
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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 multistratoRivestimenti 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
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Processi di fabbricazione degli inserti rivestitiProcessi di fabbricazione degli inserti rivestiti
1) Deposizione chimica mediante vapore (Chemical Vapor Deposition, CVD):Utilizzato per il rivestimento di utensili in HSS sagomati emolto affilati (es: frese a candela, punte elicoidali)
2) Deposizione con materiale di ricoprimento allo stato di plasma (Physical Vapor Deposition, PVD):Utilizzato per il rivestimento di inserti di carburi metallici sinterizzati e per ricoprimenti con più strati di materiali diversi
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Materiali ceramiciMateriali 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
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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 ceramiciMateriali ceramiciCollegamento al corpo dell’utensile mediante bloccaggio a staffa (inserto privo di foro centrale) per la minore resistenza al taglio
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Alcune forme di insertiin materiale ceramico
Profili di raccordo frapetto e fianco del tagliente
Materiali ceramiciMateriali ceramici
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Materiali ceramici a base di Materiali ceramici a base di nitruronitruro di siliciodi 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)
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NitruroNitruro di boro cubico (di boro cubico (CubicCubic BoronBoron NitrideNitride, CBN), 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
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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
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Schema del processo di fabbricazione di un inserto in PCD
Processi di fabbricazione degli inserti in PCDProcessi di fabbricazione degli inserti in PCD
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ProprietProprietàà e campi di impiego dei materiali per utensilie campi di impiego dei materiali per utensili
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Evoluzione temporale dei principali materiali per utensiliEvoluzione temporale dei principali materiali per utensili
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Degrado ed usura degli utensili da taglioDegrado ed usura degli utensili da taglioDurante la lavorazione l’utensile, strisciando contro il truciolo e la superficie lavorata, si usura.
Zona usurataTagliente nuovo
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Principali cause di degrado delle caratteristiche di un utensile
a) usura per abrasioneb) usura per adesionec) usura per diffusioned) scheggiaturae) deformazione plastica
Degrado ed usura degli utensili da taglio
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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
Degrado ed usura degli utensili da taglioDegrado ed usura degli utensili da taglio
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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
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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
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Modalità di degrado e usura degli utensili da taglio
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Caratteristiche geometriche di un tagliente usuratoCaratteristiche 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 subisce una perdita di materiale e un’alterazione:• della forma• delle dimensioni
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Labbro dLabbro d’’usurausura
• 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)• lunghezza b (coincide con la profondità
di taglio)• distanza tra tagliente principale usurato
e originario (N)
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Modalità di degrado e usura degli utensili da taglio
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Cratere dCratere d’’usurausura
• 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)• larghezza (KL)• distanza del centro del
cratere dal tagliente originario (KM)
• distanze dei bordi del cratere dal tagliente originario (KB e KF)
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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 dellDurata dell’’utensileutensile
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Curve di usura del taglienteCurve 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
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Curve di usura del taglienteCurve di usura del tagliente
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 dAndamento tipico del labbro d’’usura usura in funzione del tempo di contatto con il trucioloin funzione del tempo di contatto con il truciolo
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All’aumentare di vt le curve si spostano verso l’alto e la durata del tagliente diminuisce
Curve di usura del taglienteCurve 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
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Curve di usura del taglienteCurve di usura del tagliente
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.
Tecnologia MeccanicaTecnologia Meccanica50
Curva di usura per v = 100 m/min
Curve di usura del taglienteCurve di usura del tagliente
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Influenza della velocitInfluenza della velocitàà di taglio sulldi taglio sull’’usura utensile KTusura 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
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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 dellDurata dell’’utensile: legge di utensile: legge di TaylorTaylor
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
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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
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a: avanzamento [giri/min]p: profondità di passata [mm]r: sensibilità della durata all’avanzamentos: sensibilità della durata alla profondità di passata
Durata dellDurata dell’’utensile: legge di utensile: legge di TaylorTaylor generalizzatageneralizzata
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
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Durata dellDurata dell’’utensile: legge di utensile: legge di TaylorTaylor generalizzatageneralizzata
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
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Influenza di vt e di a sulle modalitàdi degrado di un utensile in metallo duro nella lavorazione di un acciaio inox austenitico:
Durata dell’utensile
•vt basse: tagliente di riporto. La vta cui scompare diminuisce al crescere di a
•vt medio-alte: degrado per craterizzazione e deformazione plastica. Al crescere di a, tali meccanismi si innescano e diventano marcati a vt più basse
La zona di utilizzazione è delimitata dai diversi meccanismi di degrado (area più chiara)
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LavorabilitLavorabilitàà
Attitudine di un materiale a subire lavorazioni di taglio con asportazione di truciolo.Punto di vista economico: definita come pezzi/h, costo di lavorazionePunto di vista tecnologico: definita con riferimento ad uno dei criteri:a)Durata del tagliente: la lavorabilità è proporzionale al volume di
truciolo asportato durante il periodo di vita utile dell’utensileb)Forza ed energia assorbita nel taglio: la lavorabilità è
inversamente proporzionale all’energia specifica di taglioc)Finitura ed integrità superficiale: la lavorabilità è tanto maggiore
quanto migliore è la finitura superficiale e/o l’integrità superficialed)Tipo e forma del truciolo: un materiale lavorabile consente di
ottenere trucioli frammentati facilmente evacuabili
Difficilmente un materiale soddisfa tutti i criteri elencati ⇒quantificazione della lavorabilità piuttosto aleatoria
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Indice di lavorabilitIndice di lavorabilitàà
campionematerialevprovainmaterialev
It
t
60
60=
Rapporto tra la vt corrispondente ad una durata prefissata dell’utensile nella lavorazione del materiale in prova e quella corrispondente alla stessa durata nella lavorazione di un materiale campione (AISI B 1112 per i materiali ferrosi)
Lavorabilità proprietà di sistema ⇒ tutti i parametri che la caratterizzano devono essere definiti in modo preciso (norma ISO 3685 – 1977: codifica le procedure sperimentali per la valutazione di I)
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LavorabilitLavorabilitàà
• bassa duttilità: consente formazione e distacco del truciolo con minimo scorrimento e facilita la rottura del truciolo
• bassa τs: riduce l’energia e quindi la forza di taglio• Debole legame metallurgico tra utensile e truciolo: riduce
l’usura per diffusione• ridotta presenza di inclusioni dure: riduce l’usura per abrasione• elevata conducibilità: riduce le temperature raggiunte nella
zona di taglio e nella parte di utensile a diretto contatto• basso punto di fusione: comporta temperature non troppo
elevate nella zona di taglio e quindi riduce il rischio di deformazioni plastiche dell’utensile o di reazioni chimiche
Influenzata significativamente dalle proprietà fisiche e meccaniche del materiale in lavorazione:
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Lavorabilità dei materiali metallici
• Acciai: aumento di durezza e resistenza meccanica e diminuzione della lavorabilità al crescere del C% e degli elementi di lega
• Acciai ad elevata lavorabilità: ottenuti con aggiunta di elementi di lega come Pb o S che però riducono le proprietàmeccaniche. Utilizzati quando la lavorabilità è prioritaria rispetto alle proprietà meccaniche (sollecitazioni non gravose)
• Acciai inossidabili:- austenitici: difficili da lavorare sia per la tendenza ad incrudire,
sia per la bassa conducibilità termica;- ferritici: presentano buona lavorabilità, simile a quella degli
acciai al C debolmente legati;- martensitici: sono generalmente abrasivi e richiedono utensili
ad elevata durezza a caldo e resistenti all’usura.
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• Ghise: buone caratteristiche di lavorabilità relativamente alla formazione del truciolo (la grafite, soprattutto in forma sferoidale, favorisce la frattura del truciolo a causa della suaresistenza meccanica inferiore rispetto a quella della matrice metallica), alle vt ammissibili, alla durata degli utensili e all’energia assorbita durante il taglio.
• Al e sue leghe: soddisfano la maggior parte dei criteri di lavorabilità. Le basse temperature nella zona di taglio permettono di adottare vt elevate
• Cu e sue leghe: il Cu ha bassa lavorabilità che migliora sensibilmente nel caso di leghe (ottone meglio del bronzo)
Lavorabilità dei materiali metallici
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Aspetti economici nel taglio dei metalliAspetti economici nel taglio dei metalli
Fattori considerati nelle diverse strategie di ottimizzazione:• Ciclo di lavorazione• Disponibilità e scelta delle MU• Possibilità di eseguire più operazioni contemporaneamente• Materiale del pezzo e sua lavorabilità• Materiale, tipo e geometria dell’utensile• Parametri di taglio• Condizioni di lubro-refrigerazione
Criteri di ottimizzazione:a) minimo costo b) massima produttivitàc) massimo profitto
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Costi di un’operazione di asportazione
Ci: costo associato al tempo di non taglio (o improduttivo);Cl: costo della lavorazione;Ccu: costo dell’operazione di sostituzione dell’utensile;Cu: costo dell’utensile;Cg: costi generali di produzione ripartiti per pezzo.
Costo complessivo di una singola operazione di taglio secondo il modello proposto da Gilbert:
guculiT CCCCCC ++++=
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Costo associato al tempo di non taglio (o improduttivo)Costo associato al tempo di non taglio (o improduttivo)
Comprende:• il tempo per l’attrezzaggio della macchina [ta, min/pezzo]• il tempo per le operazioni di carico e scarico del pezzo sulla
macchina [tcs, min/pezzo]• il tempo di appostamento dell’utensile [tap, min/pezzo]
imapcsami tctttcC ⋅=++⋅= )(
• cm: costo della macchina e della manodopera per unità di tempo [€/min]
• ti: tempo improduttivo [min/pezzo]
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Costo della lavorazioneCosto della lavorazioneCosto associato al tempo in cui la MU esegue l’operazione di taglio con asportazione di truciolo:
lml tcC ⋅=
• tl: tempo di taglio dell’operazione [min]
Esempio: tornitura longitudinale di un pezzo cilindrico
avLD
anLt
tl
⋅⋅
⋅⋅=
⋅= 310
π
• D:diametro del pezzo [mm]• L: lunghezza del pezzo [mm]
• vt: velocità di taglio [m/min]• a: avanzamento [mm]• n: velocità di rotazione del
pezzo [giri/min]
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Costo dellCosto dell’’operazione di sostituzione delloperazione di sostituzione dell’’utensileutensile
Deve essere ripartito sul numero di pezzi (Np) lavorati con il medesimo utensile (o tagliente per utensili pluritaglienti):
• tcu: tempo richiesto per l’operazione di sostituzione dell’utensile o tagliente [min]
• T: durata dell’utensile o tagliente [min]
Tttc
NtcC l
cump
cumcu ⋅=⋅=
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Costo dellCosto dell’’utensile ripartito sulle parti lavorateutensile ripartito sulle parti lavorate
• cu: costo dell’utensile (o tagliente) relativo alla durata T [€/tagliente]. Per utensili a taglienti multipli:
Ttc
NcC l
upu
u ⋅==
tins
u nCc =
• Cins: costo del singolo inserto [€]• nt: numero di inserti dell’utensile
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Costi generali di produzione ripartiti per pezzoCosti generali di produzione ripartiti per pezzo
• cg: costo per unità di tempo comprendente tutte le voci di spesa a carattere generale (quote di ammortamento di impianti, spese generali di gestione, energia, materiali di consumo, manutenzione, ….) [€/min]
• tT: tempo complessivo richiesto dalla lavorazione di un pezzo [min]:
Tgg tcC ⋅=
Tttttt l
culiT ⋅++=
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Costo totale di un operazione
Tttcc
TtctcctccC l
cugml
ulgmigmT ⋅⋅++⋅+⋅++⋅+= )()()(
Tttc
TtctctcC l
cuLl
ulLiLT ⋅⋅+⋅+⋅+⋅=
• cL: costo complessivo della lavorazione per unità di tempo [€/min]
guculiT CCCCCC ++++=
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Andamento qualitativo dei costi di una lavorazione in funzione della velocità di taglio
Esempio: tornitura longitudinale
TavLDtc
TavLDc
avLDctcC
tcuL
tu
tLiLT
110
11010 333 ⋅
⋅⋅
⋅⋅⋅⋅+⋅
⋅⋅
⋅⋅⋅+
⋅⋅
⋅⋅⋅+⋅=
πππ
Applicando la legge di Taylor alla relazione precedente e ponendo:
n
nnt
ucuLt
LiLTC
vHctc
vHctcC /1
/)1()(
−⋅⋅+⋅+⋅+⋅=
aLDH⋅
⋅⋅= 310π
si ottiene:
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Andamento qualitativo dei costi di una lavorazione in funzione della velocità di taglio
Esempio: tornitura longitudinale
n
nnt
ucuLt
LiLTC
vHctc
vHctcC /1
/)1()(
−⋅⋅+⋅+⋅+⋅=
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VelocitVelocitàà di taglio di minimo costodi taglio di minimo costo
( )
n
LuCt cctcun
nCv ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+⋅−
⋅=/)1(min
A parità di condizioni, utensili di basso costo unitario e rapidamente sostituibili portano a vtCmin elevate
Si ottiene uguagliando a zero la derivata prima rispetto a vtdel costo totale:
Nota vtCmin, dalla legge di Taylor si risale alla durata economica del tagliente (Te):
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅
−=
Lu
cue cct
nn1T
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VelocitVelocitàà di taglio di massima produttivitdi taglio di massima produttivitàà
ncu
t
tn
n
CvP
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −
=1max
La velocità di taglio di massima produttività si ottiene derivando tT rispetto a vt e uguagliando a zero:
E’ la vt che minimizza il tempo richiesto per lavorare un singolo pezzo.
Tttttt l
culiT ⋅++=
Nel caso di tornitura longitudinale:
n
nnt
cut
iTC
vHt
vHtt /1
/)1( −⋅⋅++=
Il primo termine è indipendente da vt, il secondo èinversamente proporzionale a vt mentre il terzo cresce all’aumentare di vt ⇒ tT ammette una condizione di minimo
vtPmax > vtCminSe cu << cL ⇒ vtCmin ≅ vtPmax
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Andamento del costo totale di lavorazione e produttivitAndamento del costo totale di lavorazione e produttivitàà in in funzione della velocitfunzione della velocitàà di tagliodi taglio
• La scelta di un utensile è più importante di quella della vt• Al crescere di n vt influenza in modo meno marcato P e CT
Costo totale (CT): linee tratteggiateProduttività (P): linee continue
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Ottimizzazione tenendo conto dellOttimizzazione tenendo conto dell’’avanzamentoavanzamentoSi possono ripetere le considerazioni fatte a proposito della vt.• Si ricava a dalla legge di Taylor generalizzata• Si sostituisce tale espressione nella relazione di CT• Si deriva rispetto ad a (con vt e p costanti) e si uguaglia a zero
ottenendo l’avanzamento che minimizza il costo:
rn
mu
curs
r1
t
r1
minC
cct
nnrpv
Ca
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −⋅⋅
=
Nota aCmin si può ricavare la durata economica dell’utensile sulla base dell’avanzamento:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅
−=
Lu
cue cct
nnrT
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Ottimizzazione tenendo conto della velocitOttimizzazione tenendo conto della velocitàà di taglio e di taglio e delldell’’avanzamentoavanzamento
Facendo variare simultaneamente sia a che vt, per trovare il minimo dei minimi, si devono annullare simultaneamente le due derivate parziali rispetto ad a e vt.Tale minimo esiste se:
nnr
nn1 −=
−
ovvero quando n=1. Poiché n<1 ⇒ il minimo dei minimi non esiste
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Ottimizzazione tenendo conto della velocitOttimizzazione tenendo conto della velocitàà di taglio e di taglio e delldell’’avanzamentoavanzamento
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅
−=
Lu
cue cct
nnrT
Per realizzare la lavorazione al minimo costo è necessario scegliere l’avanzamento max e la velocità di minimo costo corrispondente
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VelocitVelocitàà di taglio di massimo profittodi taglio di massimo profitto
Se si indica con S il ricavo ottenuto per un’operazione di taglio, si definisce profitto il rapporto fra la differenza (S-Ct) ed il tempo totale Tt
T
tr t
CSP −=