Terzo Parziale Tecnologia meccanica

TECNOLOGIA MECCANICA

Appunti completi – III Parziale

Asportazione di truciolo: formazione del truciolo, tornitura, fresatura, foratura

Usura degli utensili e analisi di Taylor

Rettifica per molatura

Processi di saldatura

Indice

Processi di asportazione di truciolo ..................................................................................................... 3

Formazione del truciolo ........................................................................................................................... 3

Gli utensili .............................................................................................................................................. 14

Tornitura ................................................................................................................................................ 14

Fresatura (milling) .................................................................................................................................. 24

Altri processi di asportazione del truciolo ............................................................................................. 31

Usura dell’utensile ................................................................................................................................. 38

Rettifica per molatura ...................................................................................................................... 45

Molatura (grinding) ................................................................................................................................ 46

Saldatura ......................................................................................................................................... 51

SMAW – Shielded Metal Arc Welding .................................................................................................... 53

GTAW – Gas Tungsten Arc Welding ....................................................................................................... 58

GMAW – Gas Metal Arc Welding ........................................................................................................... 59

CMT – Cold Metal Transfer (saldature a freddo) ................................................................................... 62

FCAW – Flux Cored Arc Welding ............................................................................................................ 63

SAW – Saldatura ad arco sommerso ...................................................................................................... 63

PAW – Plasma Arc Welding .................................................................................................................... 64

LBW – Laser Beam Welding ................................................................................................................... 64

RSW – Resistance Spot Welding ............................................................................................................ 64

RSEW – Resistance Seam Welding ......................................................................................................... 65

OW – Oxyfuel Welding ........................................................................................................................... 66

FRW – Friction Welding.......................................................................................................................... 66

Brasatura ................................................................................................................................................ 67

Processi di asportazione di truciolo

L’asportazione di truciolo è uno dei processi produttivi più utilizzati in assoluto, perché è il più versatile di

tutti. A discapito di un tempo di lavorazione più lungo, permette di ottenere forme molto più complesse

e particolari che con altri processi produttivi non sarebbero realizzabili, come gli spigoli vivi, oltre a

ottime tolleranze superficiali e dimensionali.

Lavorare per asportazione di truciolo significa partire da un volume di materiale maggiore di quello

richiesto dal componente e rimuovere il volume in eccesso fino a ottenere la forma finale. I processi

sono di asportazione di truciolo (una lama rimuove il materiale in eccesso tagliandolo) oppure abrasivi

(con mole dure e componenti abrasivi).

Esistono anche processi non convenzionali, che non vedremo in questo corso: ci concentreremo sui

processi classici di asportazione di truciolo.

Analizzando rapidamente pregi e difetti: si possono lavorare tutti i materiali, ottenere ogni forma e

raggiungere tolleranze superficiali e dimensionali molto spinte. Tra i difetti ci sono invece il tempo di

lavorazione, che aumenta notevolmente, e il truciolo di scarto, che ha un impatto ambientale notevole

perché è imbevuto di oli che non possono essere dispersi nell’ambiente e devono quindi essere trattati

appositamente.

Formazione del truciolo

Lo studio del truciolo (la sua formazione, la sua geometria e il suo equilibrio) ci permette di analizzare il

processo di asportazione. Il truciolo si forma grazie al moto relativo tra il componente e l’utensile, che

genera stati tensionali di taglio capaci di causare deformazione plastica e strappo in modo locale,

asportando il truciolo. Con i processi di asportazione di truciolo, vista la cinematica della macchina,

possiamo produrre generalmente solo componenti assialsimmetrici (nel caso della tornitura).

Durante la lavorazione l’utensile penetra nel materiale di partenza e si muove di moto relativo,

generando stati tensionali locali che provocano una zona di scorrimento plastico.

Possiamo quindi evidenziare il materiale di base come la linea orizzontale a sinistra, il materiale lavorato

come la linea orizzontale a destra e il piano di scorrimento plastico come la linea tratteggiata che li

collega. In verde abbiamo il volume del truciolo che si distacca. Da questo schema di partenza possiamo

cominciare uno studio analitico che ci permette di determinare le forze di taglio.

In tornitura, come in tutti gli altri processi di asportazione, conta sempre e solo il moto relativo tra

utensile e componente, non quello assoluto.

L’utensile è caratterizzato da una velocità di taglio, ovvero la velocità con cui l’utensile vede arrivare il

materiale sul tagliente. Ha inoltre una superficie frontale sulla quale scorre il truciolo, detta petto del

tagliente, e una superficie inferiore detta dorso; la loro intersezione genera il tagliente. Nell’utensile si

definisce poi un angolo fondamentale ovvero l’angolo formato dal petto dell’utensile rispetto alla

,

perpendicolare alla superficie del componente passante per il tagliente. Questo angolo è chiamato

angolo di spoglio superiore. La geometria del truciolo dipende fortemente da questo angolo, che può

essere sia positivo sia negativo.

I processi di tornitura si suddividono in tre tipologie. Noi studieremo la più semplice, il taglio ortogonale

libero, in cui il tagliente e la velocità di taglio sono tra loro ortogonali; per «libero» si intende che il

tagliente ha dimensioni maggiori della parte di truciolo asportata. Esistono anche processi di

asportazione con taglio obliquo, libero e non libero.

Nel taglio ortogonale libero facciamo l’ipotesi semplificativa che le deformazioni siano le stesse su tutta

la sezione.

Definiamo ora alcune grandezze fondamentali. Si definisce

=

come il rapporto tra lo spessore del materiale non deformato ( ) e lo spessore del truciolo ( ). Lo

spessore del truciolo risulta sempre maggiore dello spessore di materiale non deformato, per cui < 1.

Questo rapporto lo possiamo controllare gestendo l’angolo .

Si definisce poi l’angolo come angolo di spoglio superiore e come angolo del piano di scorrimento

(shear angle), ovvero l’angolo che si genera tra il piano orizzontale e la retta che congiunge i piani di

lavorazione: cos

tan = 1 − sin

Detto questo potremmo calcolare le forze di taglio, ma prima cerchiamo di capire la meccanica

dell’asportazione del truciolo.

Possiamo immaginare la lavorazione come lo scorrimento di una serie di elementi infinitesimi lungo il

piano di deformazione plastica del materiale. Il truciolo scorre sul petto dell’utensile con velocità ,

mentre il materiale scorre lungo il piano di scorrimento con velocità . Possiamo quindi costruire il

triangolo delle velocità, da cui ricavare anche la velocità di scorrimento di ogni infinitesimo di truciolo

lungo il piano di deformazione.

Possiamo quindi concludere con la seguente relazione cinematica:

sin

= =⋅

cos( − )

Analizzando la deformazione che ogni singolo elemento infinitesimo subisce, possiamo determinare

anche lo shear strain (la deformazione angolare) come relazione trigonometrica:

= tan( − ) + cot

Si intuisce quindi l’importanza dell’angolo di spoglio superiore.

Conoscendo le deformazioni possiamo stimare le forze di processo. Il modo più semplice per studiarle è

analizzare l’equilibrio del truciolo. Il truciolo avrà in ogni caso delle forze di attrito con il petto del

tagliente, visto il moto relativo che si genera tra i due. La normale è invece la risposta alla pressione

che il materiale esercita sul petto a causa dello scorrimento. La somma delle due azioni dà:

=+

e si definisce come il coefficiente di attrito tra utensile e truciolo, tale che:

= tan

Dal lato del piano di deformazione plastica si genererà sicuramente uno sforzo di taglio, parallelo al

piano stesso, per cui si può definire:

=

con area di taglio, definita come:

= sin

dove è la larghezza del tagliente in presa.

Agirà poi sicuramente anche uno sforzo normale, che non conosciamo, , tale che:

+ = ′

La risultante delle due azioni deve annullarsi affinché il sistema sia in equilibrio. Per imporre l’equilibrio

cambiamo il sistema di riferimento: questo non ci fa perdere generalità, ma semplifica i conti. Possiamo

farlo perché la forza di taglio la conosciamo (è imposta da noi) e dal punto di vista sperimentale è quindi

più semplice utilizzare questo sistema.

Disegniamo dunque il triangolo delle forze nel punto di contatto utensile–truciolo e osserviamo che uno

dei fattori fondamentali per definire l’equilibrio è l’angolo che però non conosciamo a priori. Noto

, ,

potremmo valutare tutte le componenti di tutte le forze nei vari sistemi di riferimento. Per calcolare

possiamo procedere sperimentalmente, misurando e ricavando dalla relazione con oppure

,

tramite un’analisi energetica. Uno dei primi modelli energetici si deve a Merchant, che descrisse la

seguente relazione:

= + −

4 2 2

dove è l’angolo di attrito. Merchant, cercando la configurazione di equilibrio a minor energia, riuscì a

determinare la relazione che individua tale angolo sulla base delle ipotesi semplificative viste anche da

noi e studiando il sistema al solo variare di una volta fissati tutti gli altri valori.

,

Come possiamo vedere, dipende fortemente da aumentando quest’ultimo aumenta l’angolo di

:

scorrimento plastico. L’aumento dell’angolo porta alla diminuzione della superficie del piano di

scorrimento, per cui, all’aumentare di (e quindi dell’angolo di spoglio superiore), ci aspettiamo una

diminuzione delle forze a parità di sforzo di taglio. Al contrario, se l’angolo diminuisce o per spogli

negativi, la superficie aumenta e quindi, a parità di tensione di taglio, la forza di processo aumenta

fortemente.

Conviene quindi, apparentemente, mantenere ampi angoli di spoglio superiore, ma questo ha un limite.

Per aumentare l’angolo di spoglio superiore dobbiamo infatti ridurre l’angolo di taglio , cioè l’angolo

che si genera tra il dorso e il petto del tagliente. Per ridurre ulteriormente questo angolo dovremmo

ridurre lo spessore dell’utensile, ma non è sempre possibile, altrimenti il tagliente non sarebbe

abbastanza rigido.

Compreso questo e assunta come vera l’ipotesi di Merchant, possiamo studiare il triangolo delle forze e

scrivere che la risultante delle azioni complessive vale:

⋅⋅ℎ

= )

sin ⋅ cos( + −

Definiamo poi la risultante scomposta nel sistema di riferimento visto precedentemente e otteniamo la

forza di taglio (nella direzione della velocità di taglio): )

cos( −

= ⋅ ⋅⋅ℎ

)

sin ⋅ cos( + −

e )

sin( −

= ⋅ ⋅⋅ℎ

)

sin ⋅ cos( + −

ovvero la forza perpendicolare al taglio (la quale quindi non compie lavoro), che però agisce sull’utensile

e tende ad allontanarlo dal materiale. Questo comporta un errore nella lavorazione in termini di

tolleranza dimensionale.

Nelle formule l’angolo di spoglio superiore è indicato con e lo spessore del truciolo non deformato con

è l’angolo di attrito.

ℎ;

Analizzando queste espressioni, vediamo che sono definite da una costante per , dove la costante è

tutto il resto del prodotto. Si può affermare che, stabiliti un utensile, un angolo di spoglio e l’attrito,

questa costante è indipendente dalla forma del tagliente e dalla sua penetrazione (ovvero è

indipendente dalla lunghezza del tagliente impegnato e dall’altezza del truciolo indeformato

ℎ).

Il prodotto è detto sezione del truciolo indeformato: è la sezione che non ha ancora subito il

⋅ ℎ

processo di deformazione, ma che stiamo per asportare applicandovi la forza.

Capito questo, possiamo comprendere ogni processo di asportazione di truciolo: le forze in gioco sono

sempre le stesse e tra processi differenti cambia solo la cinematica assoluta, che però, essendo

importante per l’asportazione solo la cinematica relativa, ci riguarda poco.

Questa analisi è però valida solo nel caso ideale, in cui il tagliente è uno spigolo vivo perfetto e la

deformazione avviene esattamente lungo il piano di scorrimento. Nella realtà lo spigolo vivo perfetto

non esiste, per cui il tagliente presenta un certo raggio di raccordo tra petto e dorso. A livello teorico

questo porta ad avere infiniti taglienti, con angoli di spoglio differenti, che vanno dal negativo fino a

quello ideale. Questo raccordo, per quanto impercettibile, ha notevoli conseguenze, prima tra tutte il

fatto che il piano di scorrimento nella realtà non è più un piano vero e proprio, ma diventa una zona

tridimensionale che coinvolge tre regioni:

• la zona di scorrimento primaria, la principale, che segue la stessa direzione del piano di

scorrimento ideale;

• la zona di plasticizzazione secondaria, in cui si deforma plasticamente il componente non

lavorato. Questa zona incrudisce leggermente rispetto al resto del materiale interno, per cui

qualsiasi prodotto ottenuto per asportazione di truciolo avrà nella parte esterna del materiale

incrudita, come nella trafilatura (il concetto è molto simile);

• la zona di scorrimento secondaria, di plasticizzazione sul truciolo. Questa deformazione plastica

deriva dal fatto che abbiamo supposto un attrito di tipo coulombiano tra truciolo e utensile, ma

in realtà, per via delle alte pressioni, può diventare adesivo e portare alla deformazione del

truciolo.

Come possiamo vedere, nel caso reale la zona di plasticizzazione è molto maggiore rispetto al piano del

caso ideale. Dal punto di vista della microstruttura del truciolo, tutto quello che abbiamo visto si

rispecchia sui grani cristallini.

A livello pratico le formule che abbiamo trovato non vengono utilizzate. Nonostante l’analisi energetica

di Merchant sia corretta nel caso ideale, nel caso reale deve essere modificata, considerando una diversa

formula per il calcolo dell’angolo di scorrimento:

= + −

2 2 2

dove non possiamo più considerare il caso ideale con ma dobbiamo sostituirlo con un valore da

/4,

determinare sperimentalmente.

Appare chiaro che è inutile determinare sperimentalmente conviene piuttosto determinare

:

sperimentalmente la costante relativa a diverse asportazioni di truciolo, in modo da scrivere le forze

come: e

= ⋅ ⋅⋅ℎ = ⋅ ⋅⋅ℎ

con e determinate sperimentalmente.

L’aumento di temperatura

Tutti i processi di deformazione plastica o di asportazione di truciolo provocano attriti e liberazione di

energia di deformazione, che portano a un aumento di temperatura locale. Il calore si trasferisce poi per

conduzione all’interno del pezzo, sul truciolo e sul petto del tagliente. Ovviamente il componente da

controllare è l’utensile: l’aumento di temperatura dell’oggetto in lavorazione è infatti positivo, perché

diminuiscono così le forze necessarie a deformarlo, e il truciolo si distacca, per cui non ci interessa la sua

temperatura (fortunatamente è quello che assorbe più calore). Il tagliente invece assorbe poco calore,

ma in maniera costante, e sarà quindi quello che, dopo un po’ che il tornio è in funzione, subirà il

maggior innalzamento di temperatura. Questo è un effetto sgradito, perché diminuisce la durezza della

punta, che invece è fondamentale perché il processo avvenga.

L’utensile viene quindi solitamente raffreddato e si cerca inoltre di produrlo con materiali ad alta

conducibilità termica. Il picco di temperatura sull’utensile non si raggiunge sul contatto tagliente–pezzo,

ma un po’ più in alto, perché i