SISTEMI DI PRODUZIONE

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1 SISTEMI DI PRODUZIONE Dario Antonelli Lezione A4 Introduzione alla lezione Cosa caratterizza uno strumento di misura? Quali sono i principali strumenti di misura usati in azienda? Come si misura la durezza? A cosa serve la misura di durezza di un pezzo? 1

2 Moduli del corso A: I materiali B: Formatura C: Deformazione D: Taglio e Controllo Numerico E: Altri Processi Lezioni del Modulo A Introduzione al corso Tecnologia di produzione I materiali La misura della durezza Le prove meccaniche distruttive Prove non distruttive La meccanica dei materiali

3 Metrologia Il concetto di misura 6 La misura può essere definita come un entità matematica composta da tre elementi: valore (spesso indicato con V) incertezza (spesso indicata con U) unità di misura (V U) [unità di misura] 3

4 Definizioni di base 7 Misura: entità matematica composta da valore, incertezza e unità di misura. Misurazione: azione che produce una misura. Misurando: grandezza misurata (es.: lunghezza). Oggetto misurato: oggetto sottoposto a misurazione (es.: tavolo). Caratteristica di funzionamento 8 Ingresso (E) Strumento di misura (trasduttore) Uscita (U) U f(e ) 4

5 Proprietà degli strumenti di misura 9 Sensibilità Accuratezza Ripetibilità Riproducibilità Risoluzione di lettura (e portata) Stabilità Prontezza Proprietà degli strumenti di misura 10 Sensibilità capacità di uno strumento di rilevare anche le minime variazioni della grandezza misurata 5

6 La sensibilità assoluta 11 Caratteristica non lineare U f(e ) Sensibilità assoluta S A du de La sensibilità assoluta 1 Caratteristica lineare: U K E E U S A K Quando la caratteristica si avvicina per un certo tratto alla retta si può individuare un campo di linearità del trasduttore 6

7 Il trasduttore induttivo di spostamento 13 Segnale in uscita [V] 0 0 Spostamento [mm] Il trasduttore induttivo di spostamento 14 Segnale in uscita [V] campo lineare di misura Spostamento [mm] 7

8 Proprietà degli strumenti di misura 15 Sensibilità Accuratezza massima differenza tra il valore della misura fornita dallo strumento e il valore di riferimento della grandezza misurata Proprietà degli strumenti di misura 16 Sensibilità Accuratezza Ripetibilità margine di variazione del valore ottenuto dallo strumento misurando ripetutamente la stessa grandezza nelle stesse condizioni 8

9 Accuratezza e ripetibilità 17 Accuratezza alta bassa Ripetibilità alta bassa Proprietà degli strumenti di misura 18 Sensibilità Accuratezza Ripetibilità Riproducibilità margine di variazione del valore ottenuto dallo strumento misurando ripetutamente la stessa grandezza in condizioni diverse 9

10 Proprietà degli strumenti di misura 19 Sensibilità Accuratezza Ripetibilità Riproducibilità Risoluzione di lettura (e portata) il più piccolo incremento di misura leggibile sulla scala Proprietà degli strumenti di misura 0 Sensibilità Accuratezza Ripetibilità Riproducibilità Risoluzione di lettura (e portata) Stabilità capacità di fornire un segnale in uscita costante nel tempo quando la grandezza misurata rimane costante nel tempo 10

11 Proprietà degli strumenti di misura 1 Sensibilità Accuratezza Ripetibilità Riproducibilità Risoluzione (e portata) Stabilità Prontezza rapidità con cui lo strumento esegue la misura o rileva le variazioni della grandezza misurata Strumenti per la misura 11

12 Calibro a corsoio (analogico) 3 Uso del nonio 4 1

13 Calibro a corsoio (digitale) 5 Micrometro (analogico) 6 13

14 Uso del nonio 7 Micrometro (digitale) 8 14

15 Macchine di misura a coordinate (CMM) 9 Macchine di misura a coordinate (CMM) 30 15

16 Misura di durezza Prove di durezza: perché? 3 Possono essere eseguite su pezzi già montati Non distruggono né alterano il pezzo o la parte di questo sottoposto alla prova Si eseguono con rapidità e con mezzi semplici Sono prove facilmente automatizzabili Sono indici di confronto delle proprietà meccaniche dei materiali, dei processi tecnologici e dei trattamenti termici 16

17 Prove di durezza: perché? 33 Consentono di risalire indirettamente a molte caratteristiche del materiale: resistenza a trazione tenacità incrudimento del materiale effetto di trattamenti termici lavorabilità alle macchine utensili resistenza all abrasione Osservazioni 34 La prova di durezza non consente di esprimere un giudizio esaustivo sullo stato del materiale I valori di durezza misurati dipendono dalle condizioni di prova 17

18 35 Definizione della durezza di un materiale Punto di vista fisico resistenza alla deformazione elasto-plastica del materiale 36 Definizione della durezza di un materiale Punto di vista fisico Punto di vista mineralogico resistenza alla scalfittura (scala Mohs) 18

19 Definizione della durezza di un materiale 37 Punto di vista fisico Punto di vista mineralogico Punto di vista metallurgico resistenza superficiale che il materiale oppone alla penetrazione di un corpo Durezza: grandezza strumentale 38 Una grandezza è strumentale se i suoi valori sono espressi come punti di scale convenzionali interpolabili (UNI 4546) L unità di misura è un termine convenzionale (non esiste un campione naturale di durezza) Il rapporto tra due grandezze della stessa specie non ha significato 19

20 Tipologie di prove di durezza 39 Prove di Macrodurezza l impronta impressa dal penetratore interessa un notevole volume di materiale i carichi applicati sul penetratore sono compresi tra 10 N 50 kn esempi: prove Brinell, Vickers, Rockwell Tipologie di prove di durezza 40 Prove di Macrodurezza Prove di Microdurezza l impronta incide su un piccolissimo volume di materiale i carichi applicati variano tra 0.05 N 10 N esempi: prove Vickers, Knoop, Berkwitch 0

21 I durometri 41 Classificazione applicazione del carico (idraulico o meccanico) misurazione del carico (manometro o pendolo) Tipologie di durometri universali (esecuzione secondo diversi metodi) speciali (esecuzione di un solo metodo) automatici o manuali fissi o portatili La prova Mohs Misure di durezza 1

22 La prova Mohs 43 Introdotta nel 18 Prova basata sulla capacità di un materiale più duro di scalfire uno più fragile La scala di Mohs è usata dai geologi, si può confrontare con la durezza Knoop La prova Mohs 44 È basata su una scala da 1 a 10 materiale più fragile è il talco (1) materiale più resistente è il diamante (10) Ogni materiale con un grado di durezza superiore può scalfire quelli di durezza minore

23 La prova Brinell La prova di durezza Brinell 46 La prova consiste nel far penetrare nel pezzo una sfera di acciaio di diametro D con una forza F 3

24 La prova di durezza Brinell 47 La prova consiste nel far penetrare nel pezzo una sfera di acciaio di diametro D con una forza F Si misura il diametro d dell impronta del penetratore sul pezzo La prova di durezza Brinell 48 La prova consiste nel far penetrare nel pezzo una sfera di acciaio di diametro D con una forza F Si misura il diametro d dell impronta del penetratore sul pezzo Si ricava la durezza Brinell (sigla: HB) come rapporto tra carico applicato e superficie dell impronta 4

25 La prova di durezza Brinell 49 La prova consiste nel far penetrare nel pezzo una sfera di acciaio di diametro D con una forza F Si misura il diametro d dell impronta del penetratore sul pezzo Si ricava la durezza Brinell (sigla: HB) come rapporto tra carico applicato e superficie dell impronta Fisicamente la misura corrisponde alla pressione di contatto La prova di durezza Brinell 50 F h d 5

26 La prova di durezza Brinell 51 F Carico di prova F La prova di durezza Brinell 5 F Diametro del penetratore D (standard: 10 mm) 6

27 Modalità di esecuzione della misura 53 Si misurano su ogni impronta due diametri disposti ortogonalmente Per determinare la durezza, si prende la media di queste due letture Lo strumento di misura deve permettere la lettura del diametro delle impronte con una incertezza assoluta non superiore a 0,01 mm La prova di durezza Brinell 54 F Diametro dell impronta della calotta sferica h d 7

28 La prova di durezza Brinell 55 F Altezza dell impronta della calotta sferica h d 56 La prova di durezza Brinell Tradizionalmente il carico di prova (P) è espresso in kg f Il passaggio dall espressione del carico di prova in N all espressione in kg f è dato da: P 1 1 F F F g n 8

29 Misura della durezza Brinell HB P S Rapporto tra forza applicata e superficie della calotta sferica dell impronta [kg f / mm ] 5 7 Misura della durezza Brinell HB P S D D S D d 5 8 9

30 30 59 Misura della durezza Brinell S P HB d D D D S d D D D P HB 60 Misura della durezza Brinell S P HB d D D D S 1 d D D D F g HB n d D D D P HB

31 Limitazioni della prova Brinell 61 La prova è valida se è rispettata la condizione: 0,D d 0, 5D 6 Limitazioni nell utilizzo della prova Brinell Se questa condizione non è verificata si procede ad una riduzione della forza applicata sul penetratore secondo la legge: P k D Il campo di applicazione è limitato al fine di evitare la deformazione permanente della sfera 31

32 Durometro Brinell 63 Impronte lasciate sul provino Analisi di Meyer 64 Il diametro dell impronta nella durezza Brinell non varia in modo lineare con il variare del carico applicato ma: P a d n 3

33 Analisi di Meyer 65 Il diametro dell impronta nella durezza Brinell non varia in modo lineare con il variare del carico applicato ma: P a d n Resistenza del materiale alla penetrazione iniziale Analisi di Meyer 66 Il diametro dell impronta nella durezza Brinell non varia in modo lineare con il variare del carico applicato ma: P a d n Misura dell effetto della deformazione sulla durezza del metallo 33

34 Significato dell analisi di Meyer 67 La resistenza alla penetrazione varia con la profondità di penetrazione della sfera Significato dell analisi di Meyer 68 La resistenza alla penetrazione varia con la profondità di penetrazione della sfera La durezza dipende dalla geometria del penetratore 34

35 Significato dell analisi di Meyer 69 La resistenza alla penetrazione varia con la profondità di penetrazione della sfera La durezza dipende dalla geometria del penetratore Con la definizione adottata per HB, la durezza varia in modo nonlineare al variare del carico Significato dell analisi di Meyer 70 La resistenza alla penetrazione varia con la profondità di penetrazione della sfera La durezza dipende dalla geometria del penetratore Con la definizione adottata per HB, la durezza varia in modo nonlineare al variare del carico Ridefinendo la durezza come rapporto tra carico e il quadrato del diametro dell impronta l influenza della variazione del carico si riduce 35

36 Relazione tra durezza e compressione 71 Se la prova avvenisse così: la prova di durezza darebbe un valore uguale alla prova di trazione Siccome il materiale è vincolato ai bordi, la compressione è di tipo triassiale La forza richiesta per ottenere lo snervamento è più alta Prove Vickers, Rockwell e Knoop 36

37 La prova Vickers 73 Si fa penetrare nel materiale in esame una punta di diamante a forma piramidale a base quadrata sottoponendo il penetratore a un carico prestabilito Il valore della durezza Vickers non varia con il carico La prova Vickers 74 37

38 Il metodo Vickers 75 F 136 d Il metodo Vickers 76 F 136 d Il carico di prova è funzione del materiale e delle dimensioni del pezzo 38

39 77 Misura della durezza Vickers Tradizionalmente il carico di prova (P) è espresso in kg f Il passaggio dall espressione del carico di prova in N all espressione in kg f è dato da: P 1 1 F F F g n Misura della durezza Vickers 78 P HV S 39

40 Misura della durezza Vickers P sin P HV HV S d Misura della durezza Vickers P sin P HV HV S d P HV d 40

41 Caratteristiche della prova Vickers 81 Non presenta limitazioni di utilizzo perché si può variare il carico di prova É una prova adatta a misure di microdurezza a causa dell impronta di piccole dimensioni La forma del penetratore quadrata rende meno incerta la misura dell impronta Il metodo Rockwell 8 Rilevazione diretta tramite strumento di misura delle prove L indicazione della durezza è solo funzione della penetrazione della punta nel materiale A differenza delle altre prove viene definita da una scala convenzionale 41

42 Le scale Rockwell 83 Esistono diverse scale Rockwell che si distinguono per alcuni elementi: tratto di scala di durezze coperto dimensioni del penetratore penetratore a cono o a sfera La prova di durezza Rockwell 84 La prova si esegue in due tempi: precarico carico La misura è legata all incremento e della profondità dell impronta 4

43 La prova di durezza Rockwell 85 La prova di durezza Rockwell 86 F 10 43

44 87 La prova di durezza Rockwell Tradizionalmente il carico di prova (P) è espresso in kg f Il passaggio dall espressione del carico di prova in N all espressione in kg f è dato da: P 1 1 F F F g n Esecuzione della prova 88 Precarico di 10 kg f e azzeramento del quadrante 44

45 Esecuzione della prova 89 Aggiunta di un secondo carico di 140 kg f Esecuzione della prova 90 Sottrazione del carico e lettura sul quadrante della misura in gradi HR e 45

46 Esempi di misura 91 HRC e HRB e Durometro Rockwell 9 46

47 La prova Knoop 93 Utilizzo di un penetratore con punta in diamante a forma di piramide allungata La prova Knoop 94 Utilizzo di un penetratore con punta in diamante a forma di piramide allungata Il carico varia tra 0.5 N 50 N 47

48 La prova Knoop 95 Utilizzo di un penetratore con punta in diamante a forma di piramide allungata Il carico varia tra 0.5 N 50 N La larghezza dell impronta (L) varia tra 0,01 0,10 mm La prova Knoop 96 Utilizzo di un penetratore con punta in diamante a forma di piramide allungata Il carico varia tra 0.5 N 50 N La larghezza dell impronta (L) varia tra 0,01 0,10 mm La prova Knoop è un test di microdurezza 48

49 Misura della durezza Knoop 97 HK 14, P L Lunghezza dell asse principale dell impronta L 98 Misura della durezza Knoop Tradizionalmente il carico di prova (P) è espresso in kg f Il passaggio dall espressione del carico di prova in N all espressione in kg f è dato da: P 1 1 F F F g n 49

50 Utilizzo della prova Knoop 99 Provini piccoli o sottili Materiali fragili Misure di durezza su singoli grani Confronto tra scale 100 HV o HB Mohs Carburo di tantalio Ceramiche di alumina Vetri policristallini Acciai al manganese Titanio Acciai al carbonio Alluminio Magnesio Leghe di piombo Piombo Diamante 9 Corindone 8 Topazio Quarzo Feldspato Apatite Fluorite Calcite Gesso Talco 50

51 Scheda riassuntiva delle durezze 101 Test Penetratore Forma dell impronta Carico vista laterale vista dall alto N Brinell sfera d acciaio o CW, 10 mm N 9 41 N Vickers piramide di diamante 9, N Knoop piramide di diamante 45, mn - 49,04 N Rockwell A cono di diamante C cono di diamante D cono di diamante B sfera d acciaio 1,587 5 mm F sfera d acciaio 1,587 5 mm G sfera d acciaio 1,587 5 mm E sfera d acciaio 3,175 mm definizione scala 588,4 N HRA = t N HRC = t 980,7 N HRD = t 980,7 N HRB = t 588,4 N HRF = t N HRG = t 980,7 N HRE = t Sommario della lezione 10 Definizione di misura Il trasduttore Proprietà dei trasduttori Le misure di durezza Proprietà della misura di durezza 51