Lavorazioni per asportazione di truciolo

Transcript

1 Lavorazioni per asportazione di truciolo Distacco di alcune parti di materiale dal pezzo 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 Taglio ortogonale Asportazione di truciolo 1

2 Formazione del truciolo h c utensile Azione di utensile elementare truciolo h o misure sperimentali mostrano: - produzione di calore - spessore del truciolo h c > h o - durezza del truciolo > durezza metallo base materiale in lavorazione la formazione del truciolo avviene per deformazione plastica Asportazione di truciolo 2

3 Tipi di truciolo Ad elementi staccati tipico di materiali duri, fragili (ottone, ghisa). Non si ha deformazione nella zona secondaria. Segmentato tipico di materiali duri ma tenaci (acciai alto carbonio). Si ha modesta deformazione nella zona secondaria. Fluente, continuo, tipico di materiali duttili (acciai basso carbonio, alluminio, alcune leghe leggere). La deformazione e l attrito nella zona di deformazione secondaria portano a notevole produzione di calore. Fluente, continuo frammentato, indica che nella zona di deformazione primaria si è avuta una variazione della direzione di deformazione vibrazioni,irregolarità, durata inferiore di utensile. Asportazione di truciolo 3

4 Metodi per analizzare la deformazione plastica durante la lavorazione - taglio interrotto - microscopia ottica ed elettronica della morfologia del truciolo Dispositivo quick stop tests Asportazione di truciolo 4

5 Truciolo continuo Truciolo segmentato Truciolo discontinuo zona di deformazione plastica secondaria zona di deformazione plastica primaria Asportazione di truciolo 5

6 TAGLIO ORTOGONALE LIBERO IPOTESI: - larghezza del tagliente maggiore di larghezza del pezzo - velocità di taglio costante lungo tagliente - tagliente perpendicolare alla velocità di taglio Asportazione di truciolo 6

7 Formazione del truciolo h c Φ angolo di scorrimento h c h o spessore del truciolo spessore del truciolo indeformato r c = h c / h o fattore di ricalcamento geometricamente: r c = sen ( φ ) / cos ( φ γ ) h o φ Asportazione di truciolo 7

8 Utensile elementare ANGOLI DI TAGLIO γ angolo di spoglia frontale > 0, < 0, = 0 α angolo di spoglia dorsale > 0 β angolo di taglio > 0 γ + α + β = 90 - g + b a Asportazione di truciolo 8

9 E necessario trovare il piano sul quale si ha lo scorrimento. Un piano caratterizzato da un certo φ nel quale la τ s sia massima E necessariamente 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, µ, 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 Studio cinematico e dinamico Asportazione di truciolo 9

10 Modello di Pijspanen per la formazione del truciolo Truciolo Angolo di spoglia frontale γ Utensile γ γ Pezzo Piano di scorrimento γ γs = AB/CO=(AO+OB)/CO permette di ottenere la deformazione: γ s = cot φ + tan (φ γ) e poi (minimizzando γ s ) φ = 45 + γ / 2 Asportazione di truciolo 10

11 V t velocità relativa utensile pezzo velocità di taglio V s velocità relativa truciolo pezzo velocità di scorrimento γ V f V t φ V s V f velocità relativa truciolo utensile velocità di flusso Con varie relazioni è possibile determinare tali valori V t x h o = V f x h c V t = V f x r c V s = V f cosγ / sinφ. ed infine la velocità di deformazione γ s = V t / d cos γ / cos ( φ γ ) Misurando d c.a. 1/1000 1/100 mm La velocità di taglio 2m/s γ c.a. 10 φ c.a. 40. γs [ s -1 ] Questa velocità di deformazione è molto maggiore di quella utilizzata nella prova di trazione Asportazione di truciolo 11

12 Modello di Merchant Il truciolo è in equilibrio sotto l azione dell utensile e la reazione del pezzo Asportazione di truciolo 12

13 Scomposizione della forza risultante secondo il cerchio di Merchant R = SQR ( F 2 z + F 2 x ) F z = R cos ( µ γ ) F x = R sen ( µ γ ) F s = R cos (φ + µ γ ) = F z cos φ F x sen φ F n = R sen ( φ + µ γ ) = F z sin φ + F x cos φ T = R sen µ e N = R cos µ Asportazione di truciolo 13

14 Sul piano di scorrimento τ σ s s ( + ) F cos sin s F R φ µ γ φ s = = sin φ = S S S s ( + ) F sin sin n F R φ µ γ φ n = = sin φ = S S S s ( S = h 0 1) F z ( ) ( ) ( ) ( ) Fs cos µ γ τ sh0 cos µ γ = = cos φ + µ γ sin φ cos φ + µ γ Asportazione di truciolo 14

15 derivando rispetto a φ ed uguagliando a zero: ( + ) ( + ) 2 2 sin cos ( + ) df cosφ cos φ µ γ sin φ sin φ µ γ z = τ s S = dφ φ φ µ γ 0 cioè: ( ) ( ) ( ) cos φ cos φ + µ γ sin φ sin φ + µ γ = cos φ + φ + µ γ = 0 Asportazione di truciolo 15

16 Relazione di Ernst - Merchant 2 φ + µ γ = π / 2 angolo di scorrimento: - diminuisce con l aumentare dell angolo di attrito - aumenta con l angolo di spoglia frontale L evidenza sperimentale mostra una certa differenza da tale relazione e allora Merchant, considerando anche la σ s, secondo la τ s = τ o + k σ s ha proposto la: 2 φ + µ γ = ζ la determinazione sperimentale di ζ permette un migliore accordo Asportazione di truciolo 16

17 FORZA DI TAGLIO Metodo del τ s (analitico) F F z x = τ S s = τ S s ( ζ φ ) ( ) cos 2 sin φ cos ζ φ ( ζ φ ) ( ) sin 2 sin φ cos ζ φ ( S = h 0 1) - difficile determinazione τ s e φ - alcune ipotesi semplificative per ottenere soluzione Asportazione di truciolo 17

18 Metodo del Ks (sperimentale) F z = K s A - tiene conto della reale situazione tecnologica - le approssimazioni sono più che accettabili e si evitano molti calcoli Il metodo è prettamente tecnologico in quanto la determinazione del Ks viene fatta attraverso la misura delle forze di taglio nelle condizioni reali di lavoro Determinazione del K s - si scelgono alcune condizioni sperimentali spessore del truciolo velocità di taglio angolo γ - si effettuano prove di taglio e si misura la F t - si calcola K s = F t / A o A o = h o b = a p sezione del truciolo indeformato Asportazione di truciolo 18

19 Metodi e strumenti per la misura delle forze di taglio celle di carico piezoelettriche trasduttori magnetici celle di carico elastiche trasduttori capacitivi La conoscenza della forza principale di taglio permette inoltre attraverso relazioni empiriche la determinazione delle altre forze di interesse tecnologico, F n e F a (normale e avanzamento) trasduttori induttivi Asportazione di truciolo 19

20 Relazione pressione (energia) specifica di taglio / spessore truciolo indeformato K s = K so h -z prove sperimentali per vari materiali danno i risultati riportati in tabella acciai ghise ottoni leghe leggere z Relazione di Kronemberg (per gli acciai): K so = 2.4 R m β [ dan/mm 2 ] log K s K s log ( A o, h o ) A o, h o Asportazione di truciolo 20

21 in funzione dell angolo γ Ft serve principalmente per la determinazione della potenza di taglio in funzione della velocità di taglio Fa influenza inflessione utensile, contribuisce (poco) alla potenza di taglio Fr determina principalmente l inflessione del pezzo e quindi le tolleranze di lavorazione non contribuisce alla potenza di taglio Asportazione di truciolo 21

22 Potenza di lavorazione Potenza di taglio: - Velocità di taglio - Forza di taglio ( P = L / t = F s / t = F V ) Potenza di avanzamento: - Velocità di avanzamento - Forza di avanzamento Potenza di repulsione: - Velocità di repulsione - Forza di repulsione Dati noti: Vt, Ft, Va, Vr inoltre: Fr = % Ft Fa = 20-30% Ft P = Vt Ft + Va Fa Asportazione di truciolo 22

23 Parametri di lavorazione Utensile Forma dell utensile - angolo di spoglia frontale γ diminuisce F t truciolo fluente migliora finitura superficiale minori potenze minore usura utensile utensile meno robusto sgrossatura max 6 finitura fino a 20 (alluminio) - angolo di spoglia dorsale α evita strisciamento del dorso dell utensile evita danneggiamento superficie lavorata deve essere - piccolo per non indebolire l utensile - grande per non causare strisciamento - grande se E è piccolo (alluminio) acciai 6-8 Al Asportazione di truciolo 23

24 Materiali dell utensile - Effetti termici - Effetti meccanici - Usura - Durezza alta temperatura - Elevata resistenza meccanica statica e dinamica ad alta temperatura - Resistenza all abrasione I materiali per utensili nella storia Asportazione di truciolo 24

25 Durezza vs. temperatura Asportazione di truciolo 25

26 durezza a caldo vs. tenacità Asportazione di truciolo 26

27 Acciai alto legati medio carbonio (0.7) alto contenuto di elementi di lega (W 18%, 4 Cr, 2.5 Co, 1 V) adeguato TT --> formazione di WC e CrC grani fini (Cr) resistenza all usura (V 4 C 3 ) durezza a caldo (Co in soluzione) fucinatura (900 C) tempra (1250 C) rinvenimento (580 C) X75W18KUTF X80WCo1818KUTF Vt 80 m / min Carburi sinterizzati WC (>90%), Co (legante, <10%) TiC resistenza all usura TaC resistenza alla craterizzazione NbC tenacità, durezza a caldo Vt 200 m / min Carburi ricoperti TiN TiC Al 2 O 3 TiCN ZrN ottima resistenza all usura, buona tenacità Asportazione di truciolo 27

28 Produzione inserti sinterizzati in WC Asportazione di truciolo 28

29 Ricoprimenti multistrato Asportazione di truciolo 29

30 Utilizzo inserti sinterizzati Rompi-truciolo Porta-utensili Asportazione di truciolo 30

31 Tipi di bloccaggio Asportazione di truciolo 31

32 Materiale in lavorazione Lavorabilità attitudine del materiale ad essere lavorato per asportazione di truciolo (truciolabilità?) criteri per valutare la lavorabilità di un materiale finitura superficiale vita utensile forze e potenze evacuazione del truciolo Le prove per determinare la lavorabilità devono necessariamente essere di tipo tecnologico: usura utensile (microscopia), forze di taglio (dinamometri), finitura superficiale (rugosimetri) determinati nelle condizioni di lavoro, per certi set di parametri tecnologici Asportazione di truciolo 32

33 Dipende da varie caratteristiche - del materiale - composizione chimica - lavorazioni / trattamenti deformazione plastica subiti in precedenza incrudimento ricristallizzazione trattamenti termici - caratteristiche strutturali fasi dimensioni dei grani orientazione dei grani - della tecnologia / lavorazione sgrossatura / finitura fresatura concorde / discorde lubro-refrigerazione - dell utensile materiale angoli di spoglia rompitruciolo Asportazione di truciolo 33

34 Acciai al piombo (particelle lubrificanti) Ghise fragili allo zolfo (particelle infragilizzanti) truciolo corto al calcio (particelle desossidanti) abrasività cementite al carbonio (vedi HB -> Ks) inox - tenacità (austenitici) Compositi sollecitazioni variabili - abrasività (martensitici) urti/usura/vibrazioni Alluminio bassa HB Ottone truciolo corto buona finitura superficiale lunga durata utensili alta Vt Magnesio basso Ks Leghe Ni alta R ad alta temperatura incrudimento / tenacità Titanio bassa conducibilità termica / alto Ks Asportazione di truciolo 34

35 Cause: - deformazione plastica zona primaria - attrito utensile truciolo - deformazione zona secondaria Dipende da: - Vt velocità di taglio - Ks energia specifica di taglio - ho spessore truciolo - c calore specifico - λ conducibilità termica Temperatura di taglio Si ripartisce: - utensile - pezzo - truciolo R Q = Q + Q pezzo utensile truciolo R aumenta se λ u / λ m aumenta T V h a t b 0 a b HSS WC Asportazione di truciolo 35

36 Asportazione di truciolo 36

37 Stima della temperatura Analisi sperimentale utensile può: essere toccato essere visto non essere toccato né visto isolante contatto elettrico I caso mercuri o Asportazione di truciolo 37

38 II caso pirometro fresa pezzo macchina utensile Asportazione di truciolo 38

39 III caso termocoppia pirometro Asportazione di truciolo 39

40 Analisi numerica modellazione del processo, ad esempio con Equazioni di Fourier sulla trasmissione del calore Analisi dimensionale assumendo come variabili del processo di taglio 1. V t (m / min) velocità di taglio [ L t -1 ] 2. A (mm 2 ) sezione del truciolo [ L 2 ] 3. k s (J / mm2) energia specifica di taglio [ M L -1 t -2 ] 4. λ (W / m K) conducibilità termica del materiale [ M L t -3 T -1 ] 5. ρc (J / mm 3 K) calore specifico (per unità di volume) [ M L -1 t -2 T -1 ] 6. T temperatura [ T ] Asportazione di truciolo 40

41 si determinano le 2 grandezze adimensionali: 1 2 (,,,, ) (,,,, ) Q = f V λ ρc K T = V K λ ρc T a b c d t s t s Q = f V λ ρc K A = V K λ ρc A e f g i t s t s affinché le grandezze siano adimensionali la somma degli esponenti di tutte le dimensioni devono essere = a a b b 2b c c 3c c d d d 2d Q = L t M L t M L t T M L T t T e e f f 2 f g g 3g g i i i 2i 2 Q = L t M L t M L t T M L T t L L a b + c d = 0 L e f + g 1+ 2 = 0 a = 0 e = 2 M b c d 0 M f g i 0 b = + + = = f = 0, t a 2b 3c 2d = 0 t e 2 f 3g 2i = 0 c = 0 g = 2 T c d 1 0 T g i 0 d 1 + = = = i = 2 Asportazione di truciolo 41

42 quindi: Q 1 = T Ks ρc Q V A λ 2 t 2 = 2 ( ρc) 2 Sperimentalmente si trova fra Q 1 e Q 2 una relazione empirica: Log Q 1 Q 1 = C 0 Q 2 n per gli acciai : C 0 = 0.4 n = 0.3 (0.5) quindi (per n = 0.3): Log Q 2 Τ = C o K s V t 0.6 A 0.3 / λ 0.6 (ρc) 0.4 Asportazione di truciolo 42

43 Meccanismi di fuori servizio utensile deformazioni plastiche rottura fragile usura progressiva modifica forma utensile improvvisa progressiva angoli di taglio dimensioni Asportazione di truciolo 43

44 Usura utensili Meccanismi di usura: - adesione - abrasione - diffusione - fatica Modifica forma utensile: - cratere di usura - labbro di usura Conseguenze: - aumento di Ft - aumento di T - indebolimento utensile Asportazione di truciolo 44

45 Principali forme di Usura degli utensili Usura sul fianco Craterizzazione Deformazione plastica Intaglio sul tagliente secondario Microfessurazione termica Criccatura da fatica meccanica Scheggiatura Rottura Tagliente di riporto Asportazione di truciolo 45

46 Misura dell usura diretta - microscopio - rugosimetro - fotografia (analisi di immagini) - pesate differenziali indiretta - isotopi radioattivi - finitura superficiale - misura delle forze - misura della temperatura - vibrazioni Asportazione di truciolo 46

47 Usura dorsale labbro d usura VB VB VB a: rottura del filo tagliente b: usura progressiva a V costante c: aumento catastrofico A B C Tempo di contatto Asportazione di truciolo 47

48 Usura progressiva Vb [mm] Tem po di lavorazione [s] Utensile WC non rivestito Materiale: Al6061 con 10% Al 2 O 3 Asportazione di truciolo 48

49 Usura frontale Volume del cratere volume cratere V t adesione, tagliente di riporto diffusione, reazioni chimiche tempo di contatto velocità di craterizzazione acciaio superrapido carburo C temperatura superficie utensile Asportazione di truciolo 49

50 Criteri di usura Un utensile deve essere cambiato quando: - la lavorazione supera i limiti di tolleranza - la rugosità supera i valori ammissibili - il labbro di usura è troppo grande Labbro di usura il petto dell utensile presenta un cratere troppo grande Cratere di usura KT / KM 0.1 KT f Asportazione di truciolo 50

51 Durata utensili Influenzata da - materiale da lavorare - spessore truciolo - angolo di spoglia frontale - velocità di taglio - lubrorefrigerazione Ln D u approccio sperimentale Ln V t Asportazione di truciolo 51

52 Relazione di Taylor ottenuta empiricamente con ripetute prove, con diversi materiali, diversi angoli, diverse condizioni di taglio V t x D u n = C 0.28 WC n 0.12 HSS 0.70 Ceramici C dipende da criterio di usura geometria utensile rapporto di forma del truciolo tipo di lavorazione materiale in lavorazione Asportazione di truciolo 52

53 Vita utensile per varie velocità di taglio e vari criteri di usura In un certo (limitato) campo la relazione è lineare Asportazione di truciolo 53

54 matematicamente graficamente 1 1 ln Du = lnvt + ln C n n ln D u 1 θ = arctan n θ Relazione di Taylor ottenuta empiricamente con ripetute prove, con diversi materiali, diversi angoli, diverse condizioni di taglio ln V t V t x D u n = C n dipende da materiale dell utensile 0.28 WC 0.12 HSS 0.70 Ceramici C dipende da criterio di usura geometria utensile rapporto di forma del truciolo tipo di lavorazione materiale in lavorazione è la V t alla quale l utensile dura 1 minuto Asportazione di truciolo 54

55 Asportazione di truciolo 55

56 Legge di Taylor generalizzata 1. criterio : VB max 2. variabili della lavorazione : V t h, b, VB 3. tipo di relazione: c V D = VB h b n VB t u x y m m = 0.44 x = 0.66 HSS 0.4 WC y = 0.46 HSS 0.21 WC NB: y < x e x - y = 0.2 Asportazione di truciolo 56

57 Relazione di Kronemberg Du = 60 G acciai f 0.20 ghise 0.1 non ferrosi 0.14 acciai g 0.1 ghise 0.1 non ferrosi V t q A f c VB g A = b * h G = b / h q carburo - acciaio ghisa 0.25 HSS - acciaio ghisa 0.25 Asportazione di truciolo 57

58 Ottimizzazione delle condizioni di taglio cosa ottimizziamo? tempo di produzione t p costo di produzione tasso di profitto c p p r vincoli potenza deformazione del pezzo deformazione dell utensile min / max f V t rugosità R a = k f 2 / r strumenti relazioni vita utensile relazioni forze / potenze relazioni parametri / produzione Asportazione di truciolo 58

59 Asportazione di materiale l c volume da asportare V = l c d d tempo di contatto l c tc = ncorse tcorsa = b V t velocità di asportazione V l c d Z = = = b Vt d = A V t l c c b V t t Asportazione di truciolo 59

60 Funzioni obiettivo Tempo di produzione t p = t o + t contatto + t cambio utensili = = t o + V / Z + V / Z D u * t cu = t o + V / Z ( 1 + t cu / D u ) t o = tempi passivi (avviamento, carico / scarico, ritorno utensile, etc.) t c = tempo di contatto t cu = tempo cambio utensile Costo di produzione c p = c o + c lavorazione + c utensili = = c o + c m t p + c ut V / Z D u = = c o + c m t o + c m V / Z + c m V / Z D u * t cu + c ut V / Z D u = = c o + c m V / Z [1 + (t cu + c ut / c m ) * 1 / D u ] c o = costo di attrezzaggio (controlli, materiali, avviamento) c m = costo orario (macchina, personale) c ut = costo utensili Tasso di profitto Pr = ( R - c p ) / t p R = ricavi Asportazione di truciolo 60

61 Ricordando che Z = A * V t si ottiene k F = k + + k V ovvero Vt 1 n n t F = k k k V cioè 1 1 n t Vt con t p c p k 0 t o c o + c m t o k 1 V/A c m V/A k 2 t cu V/(A*C 1/n ) c m (t cu + c ut / c m ) V/(A*C 1/n ) k 3 k 2 / k 1 n esponente della Taylor C costante della Taylor A sezione del truciolo V volume da asportare t p = f ( V t ) c p = f ( V t ) Ambedue le funzioni hanno un termine costante un termine crescente con V t un termine decrescente con V t Asportazione di truciolo 61

62 graficamente Costo Tempo Costo o Tempo (totale) Costo o Tempo (lavorazione) Costo o Tempo (utensili) Costo o Tempo (passivi) V t Asportazione di truciolo 62

63 Ricerca dei minimi Funzione Derivata prima Derivata seconda F = k k k V 1 1 n t Vt 1 n k1 n + ( 1+ n) k3v t F = V nv 2 t t 1 2 n k1 2 ( 1 )( 1 2 ) 2 n + + n + n k3v t F = Vt n Vt n 1 n < n + > n > Velocità ottima V ottima n = ( 1 n) k 3 n Durata alla velocità ottima 1 1 n n Duottima = k3 C n Asportazione di truciolo 63

64 Tempo Costo Velocità ottima V ottima 1 n C n = ( 1 n) tcu n > V ottima 1 n 1 n n C ncm C n = = ( 1 n)( Cut + Cmtcu ) C ut ( 1 n) + tcu Cm n t C ut cu < + tcu Cm Durata alla velocità ottima D uottima 1 n = t n cu < D uottima ( 1 )( ) ( 1 n) ut + tcu n Cut + Cmtcu Cm = = nc m C n Asportazione di truciolo 64

65 considerazioni Ln D u n< Ln V t D ( acciaio) u ottima ( carburo) u ottima 1 n t cu n acciaio = = 8 1 n tcu n 2 ipotizzando D carburo t cu acciaio = 3 t cu carburi C acciaio = 0.3 C carburi n acciao = 0.12 n carburo = 0.28 Asportazione di truciolo 65

66 3 strategie c p t p t p c p zona di massima redditività V t opt costo V t opt tempo V t Asportazione di truciolo 66