Tecnologie industriali, parte 11 - Processi di lavorazione per asportazione di truciolo: tornitura e fresatura

5.4-PROCESSI DI LAVORAZIONE PER ASPORTAZIONE DI TRUCIOLO

INTRODUZIONE

Il Processo per Asportazione di Truciolo (o Machining, “macinatura”) è un processo

so ra vo per il quale si o ene il componente desiderato andando a rimuovere il

materiale in eccesso: il truciolo è proprio questo materiale in eccesso che si rimuove da una

certa bille a.

L’utensile è il tool rigido che viene u lizzato per effe uare la lavorazione: la rimozione di

truciolo avviene tramite interazione tra utensile e pezzo che, a lungo termine, porta anche

ad usura dell’utensile (che deve essere di volta in volta cambiato per mantenere una certa

qualità di lavorazione).

Si hanno due macchine principali u lizzate nella lavorazione per asportazione di truciolo

che, sebbene siano molto simili, seguono una logica completamente differente per

raggiungere lo stesso obie vo (e cioè l’asportazione di truciolo)

 Tornio (Operazione di Tornitura)

 Fresatrice (Operazione di Fresatura)

Quando si parla di processi per asportazione di truciolo si dis ngue tra Processi di Forma e

Processi per Generazione:

 Processi di Forma

Processi di asportazione di truciolo in cui la forma che viene impressa sul pezzo è

stre amente legata alla forma dell’utensile realizzato

 Processi per Generazione

Processi di asportazione di truciolo in cui la forma sul pezzo è realizzata

esclusivamente grazie al movimento rela vo tra pezzo e utensile (non dipende

esclusivamente dalla forma dell’utensile). Solitamente sono processi di tornitura.

In base al materiale che deve essere lavorato si va a scegliere uno specifico utensile:

 In tornitura gli utensili sono placche e standard

 In fresatura gli utensili sono placche e differen fra loro (di diametro e geometria

completamente diversi) oppure utensili a corpo unico

= + ℎ

Il portautensili è sempre lo stesso, ciò che cambia è la punta di placche a che viene

smontata e rimontata.

TORNIO: OPERAZIONE DI TORNITURA

Il Tornio è una macchina cos tuita da:

 Mandrino

Accoglie il pezzo da lavorare e tramite il sistema di bloccaggio (morse-ganasce) fissa il

pezzo al suo interno. Il mandrino poi comincia a girare e quindi gira anche il pezzo.

 Sistema di Bloccaggio

 Tamburo porta-utensili

E’ un sistema che “porta” agli utensili, porta nella zona di lavorazione. L’utensile si va

a legare a questo tamburo con apposite appendici e viene spinto verso il pezzo in

lavorazione. Il tamburo porta-utensili con ene al suo interno diversi utensili e tramite

un’azione programmata (automa ca) questo ruota e avvicina l’utensile al pezzo in

lavorazione, cambiando di volta in volta l’utensile necessario in modo automa co.

La macchina, nel suo complesso, si trova all’interno di un Cubo di Lavoro (spazio per la

lavorazione). Di conseguenza, ciò che cara erizza il tornio è la dimensione del suo cubo di

lavoro. Maggiore è il cubo di lavoro e maggiori sono le dimensioni dei pezzi che si possono

lavorare

Il mandrino viene messo in rotazione e, ruotando intorno al proprio asse, a sua volta,

costringe il pezzo a ruotare. Contemporaneamente l’utensile si muove sulla superficie del

pezzo con una certa velocità, imprimendo sul pezzo una forza che ne causa l’asportazione

del materiale.

Esistono diverse applicazioni di tornitura:

 Sfacciatura

L’utensile si sposta radialmente lungo la superficie “facciale del pezzo”

 Cilindratura

L’utensile si sposta lungo la superficie laterale di un pezzo cilindrico (l’utensile si

muove l’ungo l’asse del cilindro)

 Foratura

L’utensile si muove all’interno del pezzo seguendo la direzione del suo asse

Dunque, ciò che cara erizza e dis ngue le operazioni di tornitura le une dalle altre è il

movimento rela vo dell’utensile (si può muovere radialmente, assialmente, all’interno,

mentre il pezzo durante qualsiasi processo di tornitura è solamente messo in rotazione).

FRESATRICE: OPERAZIONE DI FRESATURA

Con la fresatrice è possibile effe uare un po di lavorazione per asportazione di truciolo,

nota come Fresatura.

La Fresatrice è una macchina cos tuita da:

 Un Mandrino

Il mandrino è lo stesso componente presente nella tornitura ma, questa volta, non

accoglie il pezzo al suo interno ma accoglie l’utensile de o Fresa.

 Una tavola portapezzo

La tavola portapezzo è una vera e propria tavola sulla quale viene poggiato e bloccato

il pezzo che deve essere lavorato tramite delle guide mobili

 Un utensile-fresa (Tamburo portafrese)

Il Mandrino viene messo in rotazione e di conseguenza la fresa ruota a orno al proprio asse

seguendo l’andamento del mandrino che la accoglie. L’utensile esegue un movimento lungo

contemporaneamente, la tavola portapezzo si muove traslando in una direzione e

;

portandosi dietro il pezzo bloccato.

La fresa ruota ma non può traslare, dunque la punta della fresa si trova ferma sulla

superficie del pezzo che invece si sposta in seguito all’azione della tavola portapezzo (lungo

o In questo modo l’utensile è in grado di imprimere una forza sul pezzo che ne causa

).

l’asportazione del materiale.

DIFFERENZA FONDAMENTALE TRA TORNITURA E FRESATURA

Nel tornio il componente in rotazione è il

Tornitura pezzo da lavorare

Nella fresatrice il componente in rotazione

Fresatura è l’utensile u lizzato per la lavorazione

Gli utensili che vengono u lizza nel tornio e nella fresatrice hanno la cara eris ca di

essere più duri del materiale che si sta lavorando, per perme ere all’utensile di andare a

scalfire, quindi penetrare nel materiale andando a rimuoverne una parte

Il tornio consente di o enere un’asportazione di truciolo veloce ma si ha il vincolo per cui si

riescono a realizzare solo pezzi assial-simmetrici. La fresatrice consente di realizzare forme

diversificate ma richiede molto tempo.

DIVERSI TIPI DI MOTO NELL’OPERAZIONE DI MASHINING

I tre mo principali che perme ono di o enere l’asportazione di truciolo sono:

 Moto di Taglio

Si tra a del moto che perme e l’asportazione di materiale (perme e il taglio)

E’ associata una velocità

 Moto di Avanzamento

Garan sce il movimento del pezzo tra pezzo e utensile lungo la superficie del pezzo

E’ associata una velocità di avanzamento

 Moto di Registrazione

E’ associata una grandezza che va a definire la quan tà di materiale che si asporta per

singola fase di lavorazione e prende il nome di Passata

NELLA TORNITURA

 Moto di Taglio

Il moto di taglio (e quindi la velocità) che perme e l’asportazione del materiale è

legato al pezzo (perché è la rotazione del pezzo che perme e il taglio). La forza con

cui si va a determinare il taglio è legata alla rotazione del pezzo.

 Moto di Avanzamento

Il moto di avanzamento è il moto con cui l‘utensile si sposta lungo la generatrice del

pezzo. Il moto di avanzamento (e la velocità di avanzamento che in questo

),

specifico processo iden fica di quanto l’utensile avanza lungo la superficie del pezzo,

è legato all’utensile (perché è l’utensile che si muove)

 Moto di Registrazione

Il Moto di Registrazione o la Passata è la dimensione (o lo spessore) del truciolo che si

sta asportando. Nella tornitura è l’utensile che si sposta e va ad entrare nella

superficie del pezzo di una determinata passata, andando a registrare lo spessore del

truciolo che si sta asportando.

Il Moto di Registrazione (e quindi la passata) è data dall’utensile che, oltre a

muoversi lungo la generatrice, si muove anche lungo il raggio del pezzo, andando a

determinare lo spessore che di volta in volta si va ad asportare.

NELLA FRESATURA

 Moto di Taglio

Il Moto di Taglio che perme e l’asportazione del materiale è legato all’utensile

perché è la rotazione dell’utensile che perme e il taglio. Quindi nella fresatrice non è

il pezzo ad avere velocità di taglio ma è l’utensile.

 Moto di Avanzamento

Il Moto di Avanzamento che iden fica di quanto la tavola portapezzo avanza rispe o

alla posizione della fresa, che invece rimane fissa, è legato al pezzo perché è,

appunto, il pezzo che si muove lungo o a causa del movimento della tavola.

 Moto di Registrazione

Il Moto di Registrazione iden fica quanto il materiale viene asportato lungo ed

, ,

è legato sia alla fresa sia al pezzo. Questo perché quando la fresa scende lungo il

piano del pezzo, viene asportato materiale lungo lo spessore effe uando quindi la

cosidde a Passata più la fresa scende più la passata aumenta.

:

La Passata può essere effe uata anche lungo e grazie al movimento della tavola e,

di conseguenza, del pezzo. Si parla di Moto di Registrazione perché va a “registrare”

lo spessore di truciolo che si va a rimuovere di volta in volta.

[]

→ = →

MOTO DI TAGLIO

La velocità di taglio è legata alla rotazione del pezzo o dell’utensile quindi maggiore sarà

la rotazione e maggiore sarà la velocità. Si tra a inoltre della velocità periferica e quindi la

sua espressione è:

= =

1000

( ( []

≔ ) ) =

≔ =

MOTO DI AVANZAMENTO

In tornitura la velocità di avanzamento si misura in (di quan l’utensile si

/

sposta assialmente sul pezzo per ogni giro effe uato del pezzo?) mentre in fresatura

sappiamo che la tavola portapezzi si sposta lungo e e la velocità di avanzamento si

misura in /

= → = →

MOTO DI REGISTRAZIONE

In tornitura, dato che il pezzo gira, dobbiamo ragionare sulla passata: se, ad esempio, si

parte da un diametro iniziale e si fa un’operazione di tornitura asportando una

= 30

passata di il diametro finale del pezzo alla fine della lavorazione sarà

1, = 98

perché Ovviamente, quando bisogna calcolare la velocità di taglio bisogna

100 − 2 = 98.

u lizzare il diametro iniziale perché è quello con cui si va a sba ere sull’utensile.

[]

= →

In fresatura, dato che non dobbiamo considerare una sola grandezza (quindi perché ci si

)

muove anche lungo il piano, dobbiamo considerare due pologie di passate: la passata con

cui si scende lungo e quella con cui si va ad asportare sul piano. In tornitura c’è una sola

passata mentre in fresatura ce ne sono due di passate.

= []

FORZE DI TAGLIO (Analisi rela vamente ai processi di tornitura)

Per capire quali sono le forze in gioco durante il processo di mashining par amo dai diversi

pi di moto che cara erizzano il processo di tornitura (che è più semplice da analizzare

rispe o la fresatura).

Il pezzo sta girando e vediamo che la è quella dire a lungo l’asse del pezzo. L’utensile si

sta muovendo lungo l’asse del pezzo e incontra nuovo materiale da asportare; c’è la forza

Il moto di avanzamento va a determinare la

La forza è legata al moto di registrazione: è la forza radiale di repulsione. L’utensile

sta sba endo sul pezzo e il pezzo lo va a respingere.

La forza è legata al moto di taglio: mentre si gira si va a impa are lungo la circonferenza

del pezzo con l’utensile e si va a generare una forza

Andiamo ad analizzare queste tre forze perché vogliamo quan ficare la potenza necessaria

ad eseguire il processo; questo perché, come ormai ben sappiamo, la potenza è legata

all’energia e questa è legata ai consumi da des nare alla lavorazione.

Per passare dalla forza alla potenza sappiamo che bisogna mol plicare per la velocità e

quindi: → ∙ =

→ ∙ =

→ ∙ =

La potenza totale di processo sarà:

= + + = + +

Consideriamo però che:

 La velocità è la velocità lungo la direzione di avanzamento ed è una velocità bassa

(si parla infa di /)

 La velocità è la velocità dell’utensile lungo il suo asse ed è una velocità prossima

allo zero

 La velocità è la velocità di taglio legata alla rotazione del pezzo ed è la velocità che

incide maggiormente

A seguito delle osservazioni sopra riportate è possibile asserire che in la potenza che

incide maggiormente è e quindi la forza principale di taglio è

La Legge che si u lizza per s mare la Forza di Tornitura , quando la velocità di lavorazione

è costante, è la Legge di Kronenberg:

=

Costante che dipende dal materiale che si sta lavorando e dall’utensile che si sta

usando

Coefficien che dipendono dalla combinazione utensile-pezzo

, Avanzamento

Passata

Dunque, la forza è funzione di avanzamento e passata:

= (, )

Nella Legge di Kronenberg non è presente il termine rela vo alla velocità di rotazione

perché tale legge vale solamente se Al variare di però, la Legge di Kronenberg

= . ,

varia (perché cambiano i coefficien )

, ,

Se la velocità aumenta si va a riscaldare maggiormente il pezzo perché si va ad asportare

materiale (la stessa quan tà) in un tempo inferiore (ricordiamo che l’asportazione di

truciolo la possiamo pensare come una deformazione in cui si va a rompere del materiale e

abbiamo visto che deformare e portare a ro ura il materiale significa andare ad imprimere

sul materiale un lavoro e circa il 90% o più di questo lavoro si trasforma in calore).

Avere un pezzo più caldo significa avere un pezzo più facile da lavorare.

Lavorare più velocemente, inoltre, cambia la velocità di deformazione e quindi si ha anche

un aspe o nega vo: il materiale si impenna in seguito alla velocità di deformazione.

Osserviamo l’andamento della forza all’aumentare della velocità:

 Per velocità nulla la forza è infinita perché è come se si stesse asportando senza che ci

si muova (quindi impossibile)

 Man mano che aumenta la velocità la forza diminuisce a causa dell’aumento di

temperatura Se ↑:

 ↑

 à ↑

 ↓

Questo discorso vale da un punto di vista teorico, poi pra camente la situazione è diversa.

L’andamento reale è quello so o riportato e questo perché sperimentalmente è stato

dimostrato che a basse velocità (per l’utensile non lavora bene.

< 50 /)

Infa , per per sul pe o dell’utensile si crea un Tagliente di Riporto, ovvero

< 50 /

un accumulo di materiale.

Questo perché durante la lavorazione il truciolo non si stacca perfe amente ma rimane

a accato alla superficie dell’utensile, diminuendo la sua capacità di scalfire il materiale.

Aumentando poi la velocità e quindi la temperatura, il tagliente di riporto si va a

frantumare/allontanare e l’utensile ritorna alla sua forma ideale e la forza ritorna a

diminuire.

50

USURA DEGLI UTENSILI

Abbiamo già evidenziato come nel corso del processo di lavorazione l’utensile deve essere

più duro rispe o al pezzo perché deve essere capace di scalfire il pezzo senza andare a

rompersi; la durezza è legata anche alla fragilità e, infa , più un materiale è duro e più un

materiale è fragile. Questo ci fa pensare che quando utensile e pezzo sono avvicina

inizialmente, devono essere avvicina lentamente perché l’impa o tra utensile e pezzo è

pericoloso.

Nel corso del processo di taglio l’utensile si usura fino ad esaurire la sua vita u le.

L’usura è un fenomeno inevitabile, risultato dell’interazione tra utensile e materiale in corso

di lavorazione che prevede fenomeni di a rito, aumento della temperatura che fa si che

l’utensile diven meno duro, fenomeni di affinità chimica per cui si ha una migrazione di

atomi dall’utensile al pezzo (e viceversa) e questo comporta l’usura dell’utensile.

Generalmente la lavorazione per asportazione di truciolo avviene in condizioni di forte

lubrificazione: spesso si usa del refrigerante che viene sparato nella zona di lavorazione per

ridurre l’a rito e portare via il calore che si genera; nonostante ciò l’utensile si usura