Materiali per utensili da taglio: usura e durata degli utensili Riferimenti: Levi/Zompì Tecnologia Meccanica cap. 4 Santochi/Giusti Tecnologia Meccanica cap. 8
Introduzione Il comportamento di un utensile da taglio influenza in maniera determinante la qualità ed il costo delle parti lavorate Le capacità di un utensile dipendono principalmente dal tipo e dalle proprietà del materiale impiegato per la sua costruzione, dalla 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 Ciascun utensile è caratterizzato da un tempo di vita utile
I principali requisiti degli utensili da taglio Durezza, specialmente ad elevate temperature (durezza a caldo) Tenacità, intesa come capacità di resistere agli urti che sollecitano l utensile in condizioni di taglio interrotto Resistenza alla deformazione plastica che si può presentare per effetto delle elevate sollecitazioni meccaniche e termiche agenti sull utensile Resistenza all usura, causata dallo strisciamento sia del truciolo sul petto dell utensile che della superficie lavorata sul dorso dello stesso Inerzia chimica
Materiali 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)
Acciai al carbonio ed acciai debolmente legati Composizione chimica di due acciai al carbonio per utensili Composizione chimica di alcuni acciai debolmente legati per utensili
Acciai rapidi e superrapidi Gli acciai rapidi si suddividono in due gruppi: al molibdeno (serie M); miglior resistenza all abrasione, subisce minori distorsioni durante i trattamenti termici, minor costo al tungsteno (serie T). Negli acciai superrapidi (al cobalto) non avviene la dissociazione a caldo dei carburi doppi e mantengono un elevata durezza fino a 600 C. Sono largamente diffusi per utensili da taglio di forma complessa (es.: punte elicoidali, punte da centro, frese di forma, maschi filettatori, alesatori multitaglienti).
Composizione chimica di alcuni acciai rapidi e superrapidi per utensili
Andamento della durezza di un acciaio 18-4-1 + 5% Co in funzione della temperatura di rinvenimento
Leghe fuse di cobalto Composizione percentuale di tre diversi tipi di stellite Durezza a temperatura ambiente pari a quella degli acciai rapidi ma conserva valori adeguati alle condizioni di taglio anche alle temperature elevate Chimicamente più stabili rispetto agli acciai rapidi Buona resistenza all usura Maggior rigidezza rispetto agli acciai rapidi Maggior fragilità Disponibili solo in forme relativamente semplici Costo elevato
Carburi metallici sinterizzati Prodotto della metallurgia delle polveri Durezza a caldo molto elevata velocità di taglio elevate Elevata conducibilità termica Basso coefficiente di dilatazione termica Chimicamente stabili Tenacità notevolmente più bassa rispetto agli acciai Modulo di Young 2-3 volte più elevato rispetto agli acciai rapidi
Carburi metallici sinterizzati Variazione di alcune caratteristiche e proprietà meccaniche dei carburi sinterizzati in funzione della % di cobalto
Carburi metallici sinterizzati Carburi di tungsteno (WC): Taglio di ghisa o di materiali non ferrosi Inadeguata resistenza all usura per craterizzazione nelle lavorazioni su acciaio Per accrescere la resistenza all usura per craterizzazione vengono aggiunti carburo di titanio (TiC), carburo di tantalio (TaC) e carburo di niobio (NbC) Carburi di titanio (TiC): Più elevata resistenza all usura e minore tenacità Velocità di taglio più elevate nella lavorazione di acciai legati e ghise
La fabbricazione dei carburi metallici sinterizzati Vengono prodotti mediante un complesso processo tecnologico secondo le seguenti fasi:
La fabbricazione dei carburi metallici sinterizzati Produzione della polvere Ossido di Tungsteno WO 3 L ossido di tungsteno viene ridotto con H 2 per ottenere la polvere di W La polvere di tungsteno viene miscelata con carbonio (W + C) In atmosfera protetta da idrogeno e ad una temperatura di 1700 2000 C il tungsteno ed il carbone formano il carburo di tungsteno (WC) In forma di polvere vengono miscelati: carburi WC ( fase ); TiC, TaC, NbC (fase ); legante Co (fase ) Carburo di tungsteno, cobalto e lubrificante, per migliorare la fase di pressatura, sono miscelati e macinati in mulini contenenti sfere di metallo duro
La fabbricazione dei carburi metallici sinterizzati
La fabbricazione dei carburi metallici sinterizzati Sandvik Seco Sandvik Sandvik A 350 il lubrificante evapora A 1290 C il cobalto fonde Nell intervallo tra 1300 1500 C si completa la densificazione con riduzione della porosità
La fabbricazione dei carburi metallici sinterizzati Seco
Proprietà meccaniche e fisiche dei materiali per utensili
Durezza a caldo dei materiali per utensili
Inserti La costruzione di un utensile da taglio in un solo materiale non consente di soddisfare appieno i principali requisiti di resistenza ad esso richiesti Costruzione di utensili di tipo composito con lo sviluppo degli inserti in carburi metallici sinterizzati Alcune forme tipiche di inserti per operazioni di tornitura e fresatura
Collegamento dell inserto allo stelo Utensile da tornio con placchetta riportata mediante brasatura Carburo metallico sinterizzato Acciaio da costruzione
Collegamento dell inserto allo stelo Bloccaggio a vite: semplice da realizzare poche parti di ricambio ingombro ridotto no ostacoli al deflusso del truciolo 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
Collegamento dell inserto allo stelo Bloccaggio a leva: adatto per il bloccaggio meccanico di inserti fragili (ad es. in materiali ceramici) Bloccaggio con scanalatura prismatica: accoppiamento stabile smontaggio rapido
Classificazione ISO dei carburi metallici sinterizzati
Utensili rivestiti Su un inserto in carburo metallico, e recentemente anche su utensili in HSS, vengono riportati uno o più strati di materiale molto duro per aumentarne le resistenza all usura ed alle sollecitazioni termiche, senza ridurne la tenacità.
Utensili rivestiti 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
Principali materiali utilizzati per il rivestimento Nitruro di titanio (TiN) basso coefficiente di attrito, elevata durezza e resistenza alle alte temperature, buona adesione al substrato, adatto per inserti in metallo duro e in acciaio rapido Carburo di Titanio (TiC) aumento della resistenza ad usura sul fianco nella lavorazione di materiali abrasivi Ossido di alluminio (Al 2 O 3 ) resistenza alle alte temperature, bassa conducibilità termica, elevata resistenza all usura e per craterizzazione, difficoltà di adesione al substrato Carbonitruro di titanio (TiCN)
Rivestimenti multistrato Oltre agli inserti rivestiti a strato singolo, sono stati sviluppati inserti rivestiti a strato doppio e triplo (con spessori variabili tra 2 e 12 µm) per combinare le diverse proprietà di ciascun materiale di rivestimento. Esempi: substrato + (TiC) + (TiN) substrato + (TiC) + (Al 2 O 3 ) substrato + (TiC) + (Al 2 O 3 ) + (TiN)
Processi di fabbricazione degli inserti rivestiti 1) Deposizione chimica mediante vapore (Chemical Vapor Deposition, CVD) Utilizzato per il rivestimento di inserti di carburi metallici sinterizzati e per ricoprimenti con più strati di materiali diversi 2) Deposizione con materiale di ricoprimento allo stato di plasma (Physical Vapor Deposition, PVD) Utilizzato per il rivestimento di utensili in HSS sagomati e molto affilati (es: frese a candela, punte elicoidali)
Materiali ceramici Componente principale: Al 2 O 3 Possono essere presenti: TiC e ZrO Ceramica bianca: si ottiene con pressatura delle polveri a temperatura ambiente e successiva sinterizzazione a temperature elevate Ceramica nera: si ottiene mediante pressatura e sinterizzazione ad elevate temperature
Materiali ceramici Gli inserti in ceramica hanno forme simili a quelle degli inserti di carburi sinterizzati ma sono privi di foro centrale Caratteristiche: elevatissima durezza ottima resistenza all usura per abrasione chimicamente molto stabili elevata fragilità Campi di impiego: lavorazione di semifinitura o di finitura di parti in ghisa ed in acciaio
Materiali ceramici Alcune forme di inserti in materiale ceramico (a) Profili di raccordo fra petto e fianco del tagliente (b)
Materiali ceramici a base di nitruro di silicio Gli inserti a base di Si 3 N 4 si ottengono per sinterizzazione e si compongono principalmente di nitruro di silicio a cui vengono aggiunti Al 2 O 3, TiC e Y 2 O 3 Esempio: Sialon (Silicio - Alluminio - Ossigeno - Azoto) Campi di impiego: lavorazioni per asportazione di truciolo su ghise e superleghe a base di titanio
Nitruro di boro cubico (Cubic Boron Nitride, CBN) Caratteristiche: materiale più duro che si conosca dopo il diamante ottima resistenza all usura per abrasione buona stabilità chimica Non esiste in natura ma viene prodotto mediante un processo di sintesi a temperature e pressioni elevate Viene impiegato nella costruzione di inserti da taglio e di mole abrasive che forniscono ottime prestazioni in operazioni di finitura su acciaio temprato ed una durata del tagliente più elevata rispetto agli inserti di carburi metallici sinterizzati e materiali ceramici
Diamante policristallino (Poly Crystalline Diamond, PCD) Caratteristiche: massimo grado di durezza basso attrito elevata resistenza all usura capacità di mantenere a lungo l affilatura del tagliente Campi di impiego: lavorazione di leghe non ferrose materiali non metallici fortemente abrasivi
Processi di fabbricazione degli inserti in PCD Schema del processo di fabbricazione di un inserto in PCD
Proprietà e campi di impiego dei materiali per utensili
Evoluzione temporale dei principali materiali per utensili
Degrado ed usura degli utensili da taglio Durante la lavorazione l utensile subisce usura: Tagliente nuovo Zona usurata
Degrado ed usura degli utensili da taglio Principali cause di degrado delle caratteristiche di un utensile a) usura per abrasione b) usura per adesione c) usura per diffusione d) scheggiatura e) deformazione plastica
Degrado ed usura degli utensili da taglio Usura: perdita o asportazione progressiva di materiale sulla superficie di un corpo. Usura per abrasione: prodotta dallo scorrimento di una superficie dura e rugosa su una superficie più tenera. La resistenza a questo tipo di usura dei materiali ceramici e metallici è proporzionale alla durezza Usura per adesione: originata dalle elevate pressioni di contatto fra truciolo e utensile, tali da provocare vere e proprie saldature fra le sporgenze delle superfici a contatto Usura 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
Ulteriori cause di degrado degli utensili da taglio Scheggiatura: asportazione di particelle di materiale in prossimità del tagliente per effetto di urti o pressioni eccessive Deformazione plastica dell utensile: 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 ed usura degli utensili da taglio Diverse modalità di degrado dei taglienti: a)usura dorsale e craterizzazione b)scheggiatura c)comparsa di cricche longitudinali e/o trasversali per sollecitazioni di fatica d)deformazione plastica
Forme di usura:
Caratteristiche geometriche di un tagliente usurato Aspetto di un utensile monotagliente usurato (a) Dimensioni caratteristiche dell usura sul fianco e del cratere (b)
Tra tutte le principali forme di usura, quella che si riflette maggiormente sulla qualità di lavorazione è l usura sul fianco: influenza la precisione dimensionale e la finitura superficiale; si misura con le grandezze VB medio e VB max.
Sul petto dell utensile si forma il cratere di usura che: determina l indebolimento dell utensile stesso; si misura tramite le grandezze KT, profondità del cratere, e KM, punto medio del cratere misurato dallo spigolo del tagliente originale.
Caratteristiche geometriche di un tagliente usurato Principali dimensioni del labbro di usura: larghezza VB lunghezza b distanza N fra tagliente principale usurato e quello originario Principali dimensioni del cratere: profondità massima KT larghezza KL distanza del centro del cratere dal tagliente originario KM distanze dei due bordi del cratere dal tagliente originario KB e KF
Curve di usura del tagliente Andamento tipico dell usura di un tagliente in funzione del tempo di contatto con il truciolo
Curve di usura del tagliente Curve di usura di un utensile per quattro diverse velocità di taglio (a) Curve di durata (T) con scala lineare (b) e logaritmica (c)
Curve di usura del tagliente Curva di usura per v = 100 m/min
Influenza della velocità di taglio sull usura utensile KT.
Durata dell utensile Modello di durata (legge di Taylor) v t T n = C T :durata utile [min] v t : velocità di taglio [m/min] C: costante pari alla velocità di taglio corrispondente alla durata pari ad un minuto primo dell utensile n: sensibilità della durata alla velocità di taglio Dipendenza tipica della durata di un utensile dalla velocità di taglio
Durata dell utensile v t T n = C logv t +nlogt = logc nlogt = -logv t + logc logt = (-logv t + logc)/n Valori indicativi della costante C 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 generalizzata v t T n a r p s = C dove a: avanzamento [mm/giro] p: profondità di passata [mm] r: misura dell influenza di a su T s: misura dell influenza di p su T T = C 1/n v -1/n t a -r/n p -s/n Nel caso di utensili in acciaio rapido (n=0,15, r=0,6, s=0,15) T = C 7 v t -7 a -4 p -1 dopo la velocità di taglio, il parametro che influenza maggiormente la durata dell utensile è l avanzamento a
Durata dell utensile Influenza della velocità di taglio e dell avanzamento sulle modalità prevalenti di degrado di un utensile in metallo duro La zona di utilizzazione pratica (fascia bianca) è delimitata da diversi meccanismi di degrado Il materiale lavorato è un acciaio inossidabile austenitico
Lavorabilità Lavorabilità: maggior o minor attitudine di un materiale a subire lavorazioni di taglio con asportazione di truciolo E influenzata dalle proprietà fisiche e meccaniche del materiale Viene definita con riferimento a uno dei seguenti criteri: a) Durata del tagliente b) Forza ed energia assorbita nel taglio c) Finitura ed integrità superficiale d) Tipo e forma del truciolo I v vt materialeinprova materialecampione t60 60 Materiale campione: AISI B 1112
Lavorabilità dei materiali metallici Acciai: all aumentare della % di carbonio e degli eventuali elementi di lega aggiuntivi, la durezza e la resistenza meccanica di un acciaio aumentano e la lavorabilità diminuisce Acciai ad elevata lavorabilità: la lavorabilità degli acciai aumenta aggiungendo elementi di lega come il piombo o lo zolfo (si degradano però le caratteristiche meccaniche) Acciai inossidabili: - austenitici sono difficili da lavorare sia perché sono fortemente incrudenti sia per il basso coeff. di conducibilità termica - ferritici presentano una buona lavorabilità, simile a quella degli acciai al carbonio debolmente legati - martensitici sono generalmente abrasivi e richiedono utensili ad elevata durezza a caldo e resistenti all usura
Lavorabilità dei materiali metallici Ghise: buona lavorabilità con riferimento alla formazione del truciolo e anche per quanto riguarda la velocità di taglio Alluminio e sue leghe: quasi tutte le leghe di alluminio soddisfano la maggior parte dei criteri di lavorabilità Rame e sue leghe: scarsa lavorabilità del rame Si hanno lavorabilità nettamente superiori nel caso di leghe a base di rame (ottone)