Basi fisiche del processo di taglio dei metalli

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1 Basi fisihe del proesso di taglio dei metalli Altri riferimenti: Levi/Zompì Tenologia meania ap. 3 Giusti/Santohi Tenologia meania ap Proesso di taglio dei metalli Proesso fisio omplesso in quanto aompagnato dall azione simultanea di diversi fenomeni (inrudimento, generazione e propagazione di alore per deformazione plastia e per attrito) he interagisono tra di loro. Controllato mediante opportuni modelli per la previsione: del omportamento del materiale in lavorazione e dell utensile; delle forze e potenze in gioo. A tale sopo é fondamentale spiegare la natura fisia dei fenomeni e la loro interazione. Modelli teorii semplifiati Analisi FEM 2 1

2 Proesso di taglio dei metalli Meanismo di formazione del truiolo legato ad un proesso di deformazione plastia he si manifesta sia su sala mirosopia he su sala marosopia SCALA MICROSCOPICA Marata distorsione della struttura ristallina del truiolo SCALA MACROSCOPICA Sviluppo di alore notevolmente superiore a quello dovuto al solo attrito tra petto e truiolo Spessore del truiolo maggiore di quello del truiolo indeformato Durezza del truiolo maggiore di quella del pezzo 3 Morfologia del truiolo Truiolo ontinuo (o fluente): è mantenuta la ontinuità del materiale materiali duttili on elevati valori di v t e/o γ Caratteristihe della lavorazione: buona finitura superfiiale; tendenza del truiolo ad avvolgersi intorno all utensile e alle attrezzature ponendo problemi di allontanamento del truiolo e di natura antinfortunistia. 4 2

3 Morfologia del truiolo Truiolo ondulato: è anora un truiolo fluente; la superfiie libera è ondulata a ausa di uno stato di deformazione he varia periodiamente nella zona di sorrimento. 5 Morfologia del truiolo Truiolo segmentato: ostituito da elementi di truiolo più o meno ollegati dovuto alla presenza di zone in ui la deformazione per sorrimento plastio tende a onentrarsi. Tipio di: materiali a bassa onduibilità termia e on tensione di sorrimento plastio he derese rapidamente all aumentare della temperatura (Ti e sue leghe) 6 3

4 Morfologia del truiolo Truiolo disontinuo (frammentato): ostituito da partielle metallihe ompletamente distaate tra loro. Tipio di lavorazioni: su materiali fragili (ghisa); su materiali on inlusioni dure e impurezze; on v t molto alte o on valori elevati di p e bassi di γ. 7 Condizioni di taglio ortogonale Tagliente alla direzione del moto di taglio Flusso del truiolo seondo la retta n he giae sul petto ed è al tagliente Proesso di taglio su un piano al tagliente e ontenente l asse e la retta n Sistema artesiano Il truiolo si muove rispetto al petto on veloità v f esi di riferimento on avvolge a spirale per effetto dell inurvamento dopo il asse oinidente distao on la direzione di v t Angolo di spoglia frontale (γ): angolo formato tra la direzione n del moto di flusso del truiolo e l asse z alla direzione di taglio 8 4

5 Meania del proesso di taglio (Simulazione del taglio ortogonale) 9 Meania dei proessi di taglio Taglio libero e ortogonale: tagliente rettilineo e alla direzione di taglio; utensile più largo del pezzo (truiolo non vinolato lateralmente) h << b Fenomeni di formazione del truiolo bidimensionali Deformazione plastia prodotta per sorrimento di piani ristallini lungo il piano di sorrimento inlinato dell angolo ϕ rispetto alla direzione di taglio. 10 5

6 Meania del proesso di taglio Deformazione graduale in una zona di transizione tra materiale indeformato (pezzo) e deformato (truiolo). Grani (inizialmente di forma sferia) deformati, per effetto di una τ, seondo una forma ellissoidale on assi prinipali orientati seondo una direzione ben definita. Regione AOB: zona di deformazione primaria. OA: superfiie sulla quale τ raggiunge il valore limite di sorrimento del materiale. Basse v t : OA si estende in avanti rispetto al tagliente e penetra all interno del pezzo on aumento di durezza della superfiie lavorata. 11 Modello di formazione del truiolo a superfiie di sorrimento Al resere di v t : la dimensione di OA e la sua penetrazione diminuisono si ridue anhe l estensione della regione AOB e, per le normali v t adottate, la zona di deformazione primaria può essere approssimata ad una superfiie di spessore infinitesimo (superfiie di sorrimento) A O a: superfiie onvessa b: superfiie onava : superfiie piana Andamento della superfiie di sorrimento dipendente dalla distribuzione delle tensioni di ontatto tra utensile, truiolo e pezzo e dalla geometria del tagliente Modello a piano di sorrimento 12 6

7 Modello di formazione del truiolo a zona di deformazione Nel modello a superfiie di sorrimento si ipotizza he tutta la deformazione si produa nell attraversamento di una superfiie a spessore nullo. Ciò implia una variazione istantanea nel ampo delle veloità (fisiamente inammissibile perhé rihiede un aelerazione infinita). Per superare tale inongruenza si ipotizza (Oley) uno spessore della zona di deformazione non nullo Modello di formazione del truiolo a zona di deformazione Contorni della zona di deformazione definiti da due segmenti // alla traia del piano di sorrimento 13 Zona di deformazione seondaria Loalizzata sulla superfiie di ontatto truiolo-petto dell utensile Non è appliabile il modello di attrito derivato dalla teoria di Amonton e Coulomb (F = μn, on μ dipendente dalla natura e non dall area delle superfii a ontatto), valido per bassi valori di N (A r <<A) Al resere di N l area reale A r diventa onfrontabile on quella apparente A Caso limite: A r A ondizione di adesione tra le parti a ontatto A non dipende più da N Seondo Bowden e Tabor il moto relativo si produe solo per sorrimento relativo dei piani ristallini nelle zone interne del materiale F diventa indipendente da N ed è direttamente proporzionale alla τ di sorrimento plastio del materiale più tenero e all area apparente di ontatto 14 7

8 Zona di deformazione seondaria Petto dopo brusa interruzione della tornitura di un aiaio: parte del materiale ostituente il truiolo rimane inollato Andamento qualitativo delle tensioni all interfaia truiolo-petto: σ deresente on ma nel punto A e valore nullo nel punto C τ = τ s : σ si mantiene al di sopra di un valore limite (ondizioni di adesione e moto relativo per sorrimento all interno del truiolo) fino all inrudimento quando σ sende al di sotto del valore limite di adesione, τ diminuise e le ondizioni di ontatto diventano quelle tipihe dei orpi in moto relativo on attrito 15 Mirografia della superfiie di ontatto truiolo-petto: si evidenzia l elevata distorsione del truiolo dovuta alla deformazione per sorrimento relativo dei piani al suo interno Zona di deformazione seondaria Nella zona in prossimità del distao del truiolo dal petto si ha strisiamento Nella rimanente superfiie di ontatto si ha adesione e onseguente deformazione plastia all interno del truiolo. Per tale ragione la parte di truiolo a più stretto ontatto on il petto è onsiderata anora zona di deformazione 16 8

9 Zona di deformazione terziaria Prodotta dallo strisiamento di una parte della superfiie dorsale dell utensile sulla superfiie lavorata Cause: raggio di arrotondamento, piolo ma finito, presente sul tagliente anhe quando è a spigolo vivo ritorno elastio del materiale lavorato Effetti: fasia d usura sul dorso dell utensile inrudimento della superfiie lavorata Spesso trasurata nei modelli elementari perhé omporta una dissipazione di energia inferiore rispetto a quanto avviene sul petto e sul piano di sorrimento 17 Tagliente di riporto (Built( Up Edge,, BUE) Costituito da strati suessivi sovrapposti di metallo fortemente inrudito, il ui numero rese on il progredire della formazione del truiolo, he si adagiano sul tagliente dando luogo ad una struttura on onvessità sempre maggiore. Si sviluppa nelle lavorazioni: on v t basse o medie; di materiali on forte tendenza all inrudimento; on bassi valori di γ. Si può formare sia in aso di truiolo ontinuo he di truiolo disontinuo. 18 9

10 Tagliente di riporto (Built( Up Edge,, BUE) Sopravanza il tagliente e genera la superfiie O D Crese finhé la zona sporgente raggiunge uno sbalzo tale he, sotto l azione delle F t, si distaa dalla massa prinipale inastrandosi nella superfiie in lavorazione La parte restante viene asportata dal truiolo sotto l azione delle forze di attrito Crese di nuovo fino a raggiungere le dimensioni ritihe per le quali si rompe e il ilo riominia Le partielle he rimangono nel truiolo provoano un aumento dell usura sul petto,, quelle inorporate sulla superfiie lavorata un peggioramento della rugosità superfiiale e possono danneggiare gli utensili usati nelle lavorazioni suessive. Le dimensioni del BUE diminuisono on l aumentare della v t fino a he esso si trasforma nella zona di sorrimento seondario he rende trasurabile l usura sul petto dell utensile. 19 Morfologia del truiolo Tagliente di riporto Fonte: H. Opitz

11 Morfologia del truiolo Tagliente di riporto Fonte: H. Opitz Forze agenti nel sistema utensile - truiolo - pezzo Conosenza utile per: dimensionare motori elettrii e organi di trasmissione progettare struttura e omponenti meanii della MU proporzionare orrettamente gli utensili Approio sperimentale alla determinazione delle forze Alune omponenti della risultante delle forze di taglio sono misurabili sperimentalmente mediante dinamometri: prinipio basato sulla misura delle deformazioni elastihe subite da idonei elementi sotto l azione delle forze di taglio i sensori di deformazione utilizzati sono prinipalmente estensimetri elettrii a resistenza o sensori piezoelettrii in presenza di rigidezze e frequenze di risonanza elevate 22 11

12 Pressione di taglio e pressione speifia di taglio Approio alternativo per esprimere la resistenza alla deformazione di un materiale in ondizioni di taglio Per definizione (UNI ISO 3002/4) la pressione di taglio si definise dalla: F def = A dove: F forza di taglio pressione di taglio A = fp = hb area della sezione del truiolo indeformato on: f avanzamento p profondità di passata h spessore di truiolo b larghezza di taglio (o larghezza del truiolo) 23 Pressione di taglio e pressione speifia di taglio la pressione di taglio non è ostante, ma dipende da: dall area della sezione del truiolo indeformato A dalle proprietà meanihe del materiale in lavorazione (ario di rottura, durezza, struttura ristallina (v. trattamenti termii)) dal materiale dell utensile e dalla geometria del tagliente (in partiolare da γ) dalla veloità di taglio v (on v : veloità di taglio) dalle ondizioni di lubrifiazione della zona di taglio I valori di eventualmente ottenuti attraverso misure della F, sono validi solo per le ondizioni adottate nella sperimentazione 24 12

13 Pressione di taglio e pressione speifia di taglio Kronenberg allora riavò un espressione in funzione di h e b: = h s b y dove: s pressione di taglio speifia per asportare una sezione di truiolo di 1 mm 2 on h = 1 mm e b = 1 mm quindi, sostituendo: F = A = h b s y hb = di solito non si onosono h e b ma l avanzamento al giro f e la profondità di passata p: s h 1 b 1 y h = f sin χ b sin χ = p b = p sin χ 25 on: χ angolo di registrazione del tagliente prinipale Pressione di taglio e pressione speifia di taglio p h = f sin χ b = sin χ sostituendo: = h b s y = f s y y ( sin χ ) p ( sin χ ) = s f p y 1 sin χ y F = A = s f p y y y f p = s f p 1 sin χ sin χ y di solito on gli attuali materiali per utensili y 0, quindi: = f s 1 sin χ F = s f 1 p 1 sin χ 26 13

14 Pressione di taglio e pressione speifia di taglio Sui ataloghi non si trova s ma 0,4 (pressione di taglio per f =0,4mm/giro e per χ = 90 ), da ui si può riavare s : s 1 0,4 = = 0,4 sin 90 0,4 s 4 s = 0,4 0, osì, sostituendo, si ottiene infine: F = 0,4 0,4 f 1 1 p sin χ Se i si disosta dalle ondizioni standard indiate dal produttore di utensili, devono essere appliati oeffiienti orrettivi alla formula del e della forza 27 Pressione di taglio e pressione speifia di taglio s 1 = = s f sin χ h h - s ostante dipendente prinipalmente dal materiale da lavorare (in ondizioni standard) diminuise on legge esponenziale all aumentare di h ostante dipendente prinipalmente dal materiale dell utensile = s h = 0,27 s =1740 MPa log = log h + log 28 s 14

15 Pressione di taglio e pressione speifia di taglio Noti s e per date ondizioni di lavorazione, F si ottiene ome: F = s f p = s f p s s sin χ ( sin χ ) = f pf ( sin χ ) = f ph se χ = 90 : F = f = h; p = b s bh 1 F b s =1740 MPa F 1 = s h b (forza su unità di lunghezza) Se aumenta la lunghezza del tagliente in presa, aumenta in proporzione la forza. F log b = log s + ( 1 ) log h 1- = 0,73 F = sh b 1 29 Dipendenza della pressione speifia di taglio dalla veloità di taglio s derese all aumentare di v a ausa della diminuzione della resistenza alla deformazione provoata dall aumento della temperatura nella zona di taglio Funzione he lega s e v on andamento esponenziale: s m s = s( v = 1m / min ) v t t m = tanα s m = s v = min v t ( 1m / ) t m: ostante dipendente dal materiale in lavorazione (determinata per via sperimentale) F b s Dipendenza del rapporto F t /b dallo spessore del truiolo indeformato h per diversi valori di v : a parità di sezione del truiolo, F diminuise all aumentare di v tanα =

16 Metodi sperimentali per la misura delle forze di taglio Tipi fondamentali di dinamometri: Meanii Idraulii 31 Metodi sperimentali per la misura delle forze di taglio Pneumatii Piezoelettrii 32 16

17 33 Composta dai seguenti termini: Potenza assorbita nel taglio W = F v potenza neessaria per produrre la deformazione plastia nella zona di deformazione primaria (W s ) potenza dissipata nella zona di deformazione seondaria (W f ) potenza assorbita per generare una nuova superfiie quando uno strato viene rimosso dal pezzo potenza orrispondente ad una variazione della quantità di moto del materiale asportato potenza dissipata nella zona di deformazione terziaria In ondizioni di taglio ordinarie, gli ultimi tre termini possono essere ritenuti trasurabili: W = W + W s f 34 17

18 Lavoro speifio di taglio Potenza di taglio neessaria per asportare l unità di volume di truiolo nell unità di tempo: W Z = F v A v = F A = Z = portata volumetria 35 Effetti termii nel taglio Quasi tutta la potenza assorbita nel taglio è trasformata in alore he si sviluppa entro un volume assai limitato dando luogo osì a notevoli aumenti di temperatura he influenzano: resistenza meania dell utensile; resistenza all usura dell utensile; auratezza di lavorazione per effetto delle deformazioni termihe

19 Effetti termii nel taglio Potenza assorbita nel taglio divisibile in tre ontributi: Potenza assorbita nella zona di deformazione primaria: produe soprattutto l aumento della temperatura del truiolo Aumento medio di temperatura del truiolo: ΔT m Ws = ρ s In ondizioni adiabatihe indipendente da v Potenza dissipata per attrito nella zona di deformazione seondaria: è smaltita in parte ome aumento di temperatura del truiolo e in parte ome aumento di temperatura del petto he, essendo stazionario rispetto alle fonti di alore, può smaltirlo solo per onduzione ed irraggiamento La temperatura del petto dell utensile rese on v Potenza assorbita nella zona di deformazione terziaria: è poo influente. 37 Effetti termii nel taglio Le temperature medie del truiolo e della superfiie lavorata, raggiunto il regime adiabatio, sono stazionarie e indipendenti dalla v di ui invee è funzione resente la temperatura del petto dell utensile Andamento tipio delle isoterme nella zona di taglio 38 19

20 Effetti termii nel taglio Ripartizione del alore tra truiolo (Q), utensile (Q ) e pezzo (Q ): v basse: Q/Q /Q = 50/25/25 v medio-alte (normali ondizioni di taglio): Q/Q /Q =80/10/10 Il truiolo deve essere allontanato per evitare dilatazioni termihe negli elementi strutturali della mahina 39 Fluidi da taglio Assolvono, in genere, sia la funzione lubrifiante, sia quella refrigerante (fluidi lubro-refrigeranti). L azione predominante differise in base al tipo di lavorazione e ai parametri di taglio adottati: Lavorazioni on v medio - alte (es. tornitura e fresatura): refrigerazione della zona di taglio; Lavorazioni on v basse (es. mashiatura e broiatura): lubrifiazione al fine di prevenire la formazione del tagliente di riporto, aumentare la durata dell utensile e migliorare la finitura superfiiale della superfiie lavorata. Altre funzioni: favorire l evauazione del truiolo dalla zona di taglio; proteggere le superfii lavorate da ossidazione e/o orrosione

21 Fluidi da taglio Oli da taglio: oli minerali on additivi (antishiuma, antiruggine, ) impiegati generalmente on utensili in aiaio rapido a basse v. Caratterizzati da: buone proprietà lubrifianti e di protezione dalla orrosione; minore effiaia delle emulsioni nella refrigerazione. Emulsioni di olio in aqua on eventuali additivi himii: onsentono di ombinare le proprietà lubrifianti ed antiorrosive degli oli on quelle refrigeranti dell aqua: la mesolanza di olio e aqua è resa omogenea mediante moto vortioso he disperde l olio in aqua sottoforma di mirogoe; l aggiunta di additivi (emulsionanti) impedise o ritarda la suessiva separazione delle parti. Oli EP: oli minerali on aggiunta di additivi he hanno la funzione di depositare sulle superfii, mediante reazioni himihe, uno strato di lubrifiante solido on elevata resistenza a ompressione e al taglio he impedise la saldatura per pressione tra petto e truiolo. 41 Fluidi da taglio Le MU sono dotate di iruiti idraulii per: onvogliare il fluido lubro-refrigerante nella zona di taglio; reuperarlo; rimetterlo in irolo dopo il filtraggio. Metodo di inondazione della zona di taglio: mediante annelli flessibili on pressioni di pohi bar quando la zona è failmente aessibile; riorrendo a partiolari aorgimenti quando la zona non è failmente aessibile. Esempi: nella realizzazione di fori profondi: utilizzo di utensili on fori he permettono di onvogliare il fluido sotto pressione direttamente in prossimità dei taglienti; nella tornitura on v elevate e utensili in metallo duro: getto diretto, dal basso verso l alto e a pressione elevata, nella zona ompresa tra fiano dell utensile e superfiie lavorata per ridurre l usura

22 Il loro impiego omporta: un inremento dei osti della lavorazione; problemi di inquinamento atmosferio dei reparti di lavorazione (nebbie, fumi, odori sgradevoli); problemi eologii legati allo smaltimento dei fluidi esausti. Tendenza attuale: lavorazioni a seo utilizzando materiali per utensili dotati di L.R.C 0.2 Seo 0.02 elevata resistenza all usura e al alore 0 0 Ra ( m) Fluidi da taglio Tempo di lavorazione (min) 43 VB, mm 0.1 L.R.C Seo Tempo di lavorazione (min) Materiale lavorato: aiaio inossidabile Inserto: CERMET rivestito 22