Tecnologie e studi di fabbricazione - terzo parziale

Processi di asportazione di truciolo

I processi di asportazione di truciolo sono generalmente caratterizzati da bassi costi fissi, il che li rende convenienti anche per piccoli lotti. Uno stesso componente può essere realizzato in modi diversi, a seconda anche della dimensione dei lotti. L’asportazione di truciolo viene spesso usata anche per rifinire dei semilavorati realizzati con altre tecniche. Questo perché con l’asportazione di truciolo possiamo ottenere una precisione molto maggiore, sia come finitura superficiale che dimensionale.

Il processo di asportazione di truciolo, però, spreca materiale; in particolare, per geometrie complesse, spesso il materiale sprecato è maggiore rispetto al materiale che rimane. Inoltre, durante i processi di asportazione di truciolo cerchiamo di rimuovere il minor materiale possibile. I processi convenzionali sono:

• La tornitura
• La fresatura
• La foratura

Vantaggi dell'asportazione di truciolo

Un vantaggio principale dell’asportazione di truciolo, oltre all’ottima finitura superficiale, è che è eseguibile su qualsiasi tipo di materiale, che sia metallo, plastica, legno, ecc. Ovviamente, più il materiale è duro, più è difficile eseguire il processo. I problemi dell’asportazione di truciolo sono che è un processo abbastanza lungo e lo spreco di materiale.

La tornitura

La tornitura è uno dei sistemi di asportazione di truciolo più usati: il pezzo viene messo in rotazione da una macchina mentre un utensile rimuove il materiale. L’utensile è solitamente caratterizzato da spigoli taglienti; la parte dell’utensile che scalfisce il materiale si chiama petto, mentre quella su cui scivola il truciolo si chiama dorso. L’utensile è costituito di materiale estremamente duro, in modo che non si consumi velocemente; spesso si usano i carburi di tungsteno.

L’utensile affonda nel materiale per rimuovere il materiale, che nella zona di taglio inizia a scorrere plasticamente, subisce una deformazione plastica estremamente localizzata. Si forma un piano di scorrimento. Solitamente l’utensile non è dritto rispetto al materiale, ma è un po’ inclinato, in modo da facilitare il processo. Gli utensili sono molto particolari e hanno un funzionamento complesso; le aziende che producono utensili sono altamente specializzate.

Meccanismi di funzionamento nei processi di asportazione di truciolo

Nei processi di asportazione di truciolo si possono avere dei meccanismi di funzionamento diversi; in alcuni casi può essere l’utensile fermo e il materiale che si muove, mentre in altri il materiale è fermo e l’utensile si muove. Ovviamente, la convenienza a muovere il pezzo o l’utensile è dettata principalmente dalle dimensioni del componente da lavorare.

Per pezzi molto grandi è più conveniente far muovere l’utensile, mentre per piccoli pezzi, in particolare assialsimmetrici, è molto più conveniente mettere in rotazione il pezzo.

Fattore di ricalcatura

Il fattore di ricalcatura è il rapporto fra truciolo in ingresso e truciolo in uscita. Serve ad identificare il piano di scorrimento, necessario per identificare le forze, dove avviene la deformazione plastica. Poiché il piano di scorrimento è dove avviene la deformazione plastica, è lì che si concentrano quasi tutte le forze. È importante sapere le forze che entrano in gioco nel processo, per poter calcolare la potenza della macchina necessaria per fare quel determinato processo, e per capire quanto sarà preciso il processo. Più sono alte le forze, meno il pezzo sarà preciso.

Applicazioni nell'asportazione di truciolo: sgrossatura e finitura

I processi di asportazione di truciolo hanno due differenti applicazioni: sgrossatura e finitura. Il processo di sgrossatura serve a rimuovere più materiale possibile, fin dove lo consente la macchina, cioè ha come vincolo la potenza del macchinario usato. Il processo di finitura, invece, serve per ottenere una buona finitura superficiale, si usano quindi forze più basse.

Per un componente che deve avere una buona finitura superficiale, solitamente si esegue prima un’operazione di sgrossatura per ottenere più o meno la geometria desiderata, e poi un’operazione di rifinitura in modo da garantire quella determinata finitura superficiale. Poiché la sgrossatura può lasciare una superficie particolarmente scabrosa e imprecisa, possiamo fare una lavorazione intermedia, fra sgrossatura e finitura, altrimenti l’operazione di finitura non sarebbe sufficiente a pareggiare il materiale.

Forze di attrito nei processi di asportazione di truciolo

Durante il processo di asportazione di truciolo non ci sono solo le forze di taglio, ma anche forze di attrito. Abbiamo una zona di attrito primaria e una zona di attrito secondaria. Quella primaria è dovuta allo strisciamento dell’utensile sul materiale, mentre quella secondaria è dovuta al fenomeno del ritorno elastico.

Angolo di taglio

L’angolo in cui si posiziona l’utensile rispetto al materiale è importante, poiché a seconda delle dimensioni dell’angolo cambia la sezione del truciolo e quindi anche le forze. In particolare, un angolo maggiore porterà a un truciolo di dimensioni maggiori e quindi forze più elevate. Infatti, dei due disegni, quello che coinvolgerà forze minori è quello a sinistra. Inoltre, più è grande l’angolo di petto, più l’utensile diventa fragile, quindi non lo possiamo aumentare troppo, a parte che con determinati materiali che si lavorano facilmente, come il legno. La scelta dell’angolo è dovuta anche al materiale utilizzato.

L’angolo di dorso (alpha) non deve essere 0, per l’attrito, impedisce che l’utensile strusci sulla superficie appena lavorata. È sempre circa 5°.

Raggi di raccordo

Solitamente gli utensili non hanno spigoli vivi, ma hanno dei raggi di raccordo. Anche perché anche se avesse uno spigolo vivo, lavorando il materiale, si smusserebbe o si romperebbe. Questo comporta che il piano di scorrimento, in realtà, non è un piano ma una zona di scorrimento. Ci sarà una zona di scorrimento primaria, cioè dove avviene principalmente la deformazione, e una zona di scorrimento secondaria, dove l’utensile struscia sulla superficie che sta lavorando, e dove il truciolo struscia sull’utensile. Il piano di scorrimento è un’approssimazione.

Inoltre, in realtà, il materiale non scorre tutto insieme, ma scorre un po’ a scaglie, non si muove con continuità. Non c’è quindi una deformazione costante.

Temperature

Durante l’asportazione di truciolo il materiale raggiunge comunque delle temperature elevate, infatti il materiale risulta un po’ temprato. Il sistema di asportazione di truciolo deve essere progettato in modo che la maggior parte del calore vada via con il truciolo, in modo da non scaldare troppo la superficie lavorata. Inoltre, gran parte del calore va sull’utensile, che deve essere fatto di materiali con alto punto di fusione; solitamente si utilizzano carburidi di tungsteno. Temperature di taglio elevate comportano una riduzione della vita dell’utensile. Inoltre, anche il truciolo non può essere troppo caldo, altrimenti comporta dei rischi per l’operatore della macchina.

Energia specifica

L’energia specifica è l’energia richiesta per rimuovere un certo volume del materiale. L’energia specifica aumenta quando lo spessore del truciolo diminuisce a causa della maggiore importanza delle forze di attrito su quelle di taglio. Può essere usata per prevedere l’aumento della temperatura all’interfaccia utensile-truciolo durante la lavorazione.

Velocità di taglio e temperatura

Più il processo di taglio avviene velocemente, più aumenta la temperatura; c’è quindi un limite alla velocità massima che possiamo usare. Questo dipende anche dal materiale usato.

Formazione del truciolo

Il truciolo che si forma non è sempre uguale e dipende molto dal tipo di materiale che si lavora. Solitamente il truciolo si forma a scaglie, cioè con scorrimenti successivi di materiale. Le scaglie solitamente si staccano l’una dall’altra. Solo su materiali molto duttili si creano trucioli continui.

I trucioli continui possono dare problemi, poiché possono impigliarsi nell’utensile, hanno quindi una gestione complicata. Danno però delle ottime finiture superficiali. La forma del truciolo dipende anche dalla profondità di passata; con profondità di passata più elevate, il truciolo tende a fratturarsi.

Tagliente di riporto

Il fenomeno del tagliente di riporto avviene quando si accumula del materiale sulla punta dell’utensile. Del materiale si salda sull’utensile, peggiorando la finitura superficiale e aumentando le forze necessarie. Inoltre, del materiale del tagliente di riporto si stacca via via, lasciando del materiale in più sulla superficie lavorata. Inoltre, succede che tutto il tagliente di riporto si stacchi, e in molti casi, porta via una parte del materiale dell’utensile, rovinandolo. Il fenomeno del tagliente di riporto si verifica solo a basse velocità di taglio.

Quindi, per il processo di asportazione di truciolo non ci sono solo limiti di velocità massima ma anche di velocità minima, in modo da evitare questo fenomeno. In generale, la fascia dei parametri consigliati per un processo di asportazione di truciolo, per i vari materiali, è abbastanza piccola. Solitamente il fenomeno del tagliente di riporto avviene più facilmente nei materiali duttili.

Tipi di utensili

Gli utensili per i processi di asportazione di truciolo sono molto vari; in generale sono di due tipologie, cioè gli utensili con un solo tagliente e gli utensili con più taglienti, cioè monotaglienti e pluritaglienti.

Tornitura

La tornitura è un processo di asportazione di truciolo con utensile monotagliente. Consiste in un pezzo che è messo in rotazione, mentre l’utensile sta fermo e via via rimuove il materiale. Gli utensili che si utilizzano sono solitamente composti da due componenti: la parte dell’utensile vera e propria e una copertura tagliente. L’utensile è solitamente fatto di carburo di tungsteno. La parte di ‘copertura’ dell’utensile si chiama inserto, ed è la parte di taglio, è solitamente fatta in nitruro di tungsteno. L’utensile ha sia un tagliente principale che un tagliente secondario.

Il processo di tornitura è adatto, soprattutto, per oggetti assialsimmetrici, ad esempio per barre. La tornitura, in generale di asportazione di truciolo, dà una finitura superficiale molto buona, soprattutto in confronto a fusione e altri processi a caldo. È possibile anche ottenere forme più complesse, con un sistema di controllo. Per ottenere forme diverse si possono usare vari utensili con funzioni diverse. Con la tornitura è possibile anche creare una dentatura, sincronizzando la rotazione con l’avanzamento. Si ottiene una filettatura più precisa rispetto a quella per deformazione plastica, ma meno resistente. Perché il materiale lavorato per asportazione di truciolo non ha l’incrudimento che dà la deformazione plastica.

Inoltre, ci sono metodi di sfacciatura, per ottenere una faccia (perpendicolare all’asse di tornitura) piana. Ci sono anche metodi di tornitura interna, ad esempio per ottenere un foro. Solitamente l’utensile non è ortogonale al pezzo, ma un po’ inclinato, in modo da diminuire la superficie di contatto, e quindi di ridurre gli attriti. Gli utensili piatti si utilizzano solo nel caso di oggetti piccoli, ad esempio si può utilizzare per diminuire di sezione un disco.

Avanzamento per giro: quanto avanza il pezzo ad ogni giro. Le forze di taglio dipendono dalla sezione del materiale che viene rimosso, chiamata profondità di passata; più è grande, più aumentano le forze. Invece, aumentando la velocità di taglio, le forze diminuiscono.

Superficie

Durante la lavorazione per asportazione di truciolo si crea una rugosità superficiale. La rugosità teorica, calcolabile geometricamente, risulta diversa da quella reale. In particolare, a bassa velocità di taglio, la differenza fra rugosità reale e teorica è più marcata. La rugosità teorica è quella generata dalla geometria dell’utensile, come rappresentato in figura. Se l’utensile ha un raggio di raccordo, la superficie risulta fatta a tanti archi di circonferenza. La rugosità dipende anche dall’avanzamento per giro.

Teoricamente, per una buona finitura superficiale servono raggi di raccordo molto grandi, però questo non è possibile per motivi fisici del processo. Per le operazioni di finitura si lavorano spessori molto piccoli.

Materiali per gli utensili

Lo sviluppo tecnologico per quanto riguarda gli utensili, e in particolare i materiali utilizzati, ha permesso di ottenere degli utensili più resistenti alle alte temperature, e quindi processi con velocità di taglio maggiore. Gli utensili venivano fatti, inizialmente, di acciaio e carbonio, poi in acciaio ad alta velocità, poi i carburi, ultimamente si utilizzano anche materiali ceramici, fra cui il diamante.