Lavorazioni per asportazione di truciolo, tornitura, fresatura, foratura: Appunti Tecnologie generali

Introduzione alle lavorazioni per asportazione di truciolo

Kalpakjian S., Schmid S.R. (Prentice Hall 2008) Tecnologia meccanica [cap. 8]

Obiettivo

Asportare materiale per portare un pezzo grezzo ad avere la geometria desiderata (ΔM<0). In generale, sono le ultime lavorazioni che vengono eseguite sui componenti meccanici, infatti, le lavorazioni per asportazione di truciolo consentono di ottenere buona accuratezza a livello:

• Macrogeometrico (tolleranze geometriche e dimensionali);
• Microgeometrico (finitura superficiale / rugosità).

Viene solitamente svolta a freddo, determinando deformazione plastica nella superficie del pezzo che genera un truciolo: all’aumentare della deformazione plastica, diminuisce la resistenza del materiale che poi si rompe. L'asportazione di truciolo è tecnologicamente una delle ultime lavorazioni e quindi produce pezzi finiti, con dimensioni e finiture superficiali finite (finitura è diversa dalla tolleranza dimensionale e di forma!).

Analisi dei processi

• Taglio “ortogonale”: processo “semplice”
• Lavorazioni industriali: processi “complessi” (tornitura e foratura / fresatura - cenni)

Taglio ortogonale

Poco usato nella realtà produttiva industriale, lo studiamo perché:

• Ci consente di capire il meccanismo elementare di formazione del truciolo;
• È semplice da descrivere dal punto di vista cinematico (moti) e dinamico (forze);
• Molte delle grandezze che si incontrano nel taglio ortogonale sono presenti anche nelle lavorazioni industriali (tornitura, foratura, ecc.).

DEFINIZIONE: si ha il taglio ortogonale quando le grandezze cinematiche e dinamiche appartengono a un piano (due piani: uno è il petto e uno è il dorso del tagliente); ciò lo posso notare dalla figura e le forze sono: quella perpendicolare alla direzione di taglio (che permette di tenere l’utensile spinto contro il pezzo da tagliare, se non ci fosse avrei scorrimento ma poi lo accarezza e non taglia) oltre a quella in direzione del taglio che fa scorrere l’utensile sul pezzo.

Forza di repulsione

Queste due forze appartengono allo stesso piano, perpendicolare al tagliente (FORZA DI TAGLIO). Nell’immagine vedo il pezzo e l’utensile che sta formando del truciolo esportandolo dal pezzo. Grandezze caratteristiche:

• v = velocità di taglio dell’utensile
• cb = larghezza di taglio che coincide con la larghezza del pezzo nel caso in cui l’utensile è più largo del pezzo; che invece coincide con la larghezza dell’utensile nel caso in cui il pezzo ha una larghezza maggiore dell’utensile.
• h = spessore di taglio cioè spessore del truciolo in deformato
• Dh = spessore del truciolo deformato

Il cuneo è inclinato in modo tale da formare un angolo di spoglia dorsale o inferiore e uno frontale o superiore. α = angolo tra pezzo e utensile, che non deve strisciare sul pezzo, quindi tale angolo deve essere >0°, cioè se no utensile striscerebbe sul pezzo che è già stato lavorato in quella zona; β = angolo dell’utensile. Prima fase di sgrossatura e una seconda fase di finitura, ultima fase può anche non avvenire nel caso io non voglia ottenere una finitura superficie non per forza elevata.

Tagliente

Il tagliente è la linea d’intersezione del piano del petto e del piano del dorso dell’utensile.

Ipotesi

• Tagliente rettilineo e perpendicolare alla direzione di taglio;
• Utensile più largo del pezzo (truciolo non vincolato lateralmente);
• h << b.

Rottura per deformazione plastica

Rottura di schianto

L’utensile presenta:

• Petto: superficie su cui fluisce il truciolo
• Dorso: superficie che si affaccia sulla superficie già lavorata del pezzo
• Tagliente: linea di intersezione tra petto e dorso

Processo di taglio

• Si genera un moto relativo tra utensile e pezzo, che genera calore sul petto dell’utensile e sul truciolo. Le temperature più alte non sono però proprio sulla punta dell’utensile ma sono sul lato a contatto del truciolo perché il truciolo si incurva sull’utensile scorrendo su di esso e incurvandosi e quindi avanzando sulla superficie superiore dell’utensile ho le maggiori temperature per (cioè sul petto) attrito;
• L’utensile sollecita profondamente il materiale che trova davanti a sé;
• Sovrametallo si deforma plasticamente, si separa dal pezzo e si trasforma in truciolo;
• Il truciolo fluisce sul petto dell’utensile e si allontana dalla zona di lavorazione (truciolo fluente si ha più facilmente quando ho delle passate molto profonde, ma varia soprattutto anche dal materiale: se il materiale è fragile, il truciolo tende a spezzettarsi, mentre se è duttile ho un truciolo fluente).

Angoli caratteristici

α non può diminuire troppo altrimenti dovrei diminuire molto β e questo comporterebbe che l’utensile non ha sufficiente sezione resistente per non rompersi. In particolare, ho che tengo γ = -15° (che comporta fare lavorazione in compressione sul pezzo) quindi utilizzo utensile in materiale ceramico, per evitare eccessivo scorrimento e perché sono ottimi in compressione e non a taglio e per questo ho che uso degli angoli γ negativi perché essi a taglio si rompono ma non a compressione. Tali utensili si usano per lavorare pezzi molto duri.

Se ho pezzi meno duri, allora posso lavorare con un utensile non di ceramica e che ha angolo γ > 0°, cioè uso un utensile a forma di cuneo, e che quindi va a lavorare in taglio non in compressione sul materiale: essi infatti sono ottimi resistenti in taglio e quindi con tali angoli di utensile riesco bene a avere ottimi sforzi di taglio sul pezzo da lavorare, comportando la formazione di truciolo.

→ Devo asportare un po’ più di truciolo di quello reale perché poi ho il ritorno elastico del materiale che è deformato. Ma come avviene la trasformazione del sovrametallo in truciolo? L’utensile sollecita il materiale davanti a sé finché quest’ultimo si deforma plasticamente. Con buona approssimazione si può ritenere che la zona dove il materiale si deforma sia un piano, detto piano di scorrimento. La deformazione si spinge fino alla rottura e conseguente separazione fra sovrametallo e pezzo. Il sovrametallo dà origine al truciolo che scorre sull’utensile.

Tipologia di truciolo

Truciolo discontinuo e segmentato sono quelli che vorrei sempre avere perché mi dà scarsa usura dell’utensile; quelli continui vorrei evitarli perché danno elevata usura dell’utensile andando ad accumularsi su di esso e a volte si salda sull’utensile e compromette la successiva finitura superficiale. Devo o mettere getto di lubrificante o un rompi truciolo che sono discontinuità di forma sulla superficie del petto che fa incurvare truciolo, cioè ostacolo che determina la sua rottura.

Denti di sega del truciolo è dato da scorrimento dei piani di materiale secondo l’angolo φ di scorrimento. Per evitare la formazione di truciolo continuo si utilizzano dispositivi rompitruciolo. La loro azione è quella di diminuire il raggio di curvatura del truciolo portandolo a rottura. Questo permette di evitare problemi di interferenza con la lavorazione, la macchina e le attrezzature che il truciolo lungo e continuo può creare.

Truciolo continuo con tagliente di riporto: truciolo continuo che si forma a basse velocità di taglio e ad alte temperature. Determina che si forma un tagliente di riporto, cioè truciolo che si salda sul tagliente vero e proprio e determina cambiamento del profilo dell’utensile e tagliente e fa perdere la spigolosità e affilatura dell’utensile. Determina così una diversa finitura superficiale del materiale e anche la possibilità di sbagliare la profondità di lavorazione (aumenta la profondità) a causa del tagliente ormai usurato e rovinato. Si creano anche delle vibrazioni a causa di questo difetto del tagliente che danneggiano ulteriormente la finitura del pezzo che determina crepe e questo può essere risolto lubrificando molto e lavorando non a basse temperature.

Forze associate all'asportazione di truciolo

• Forze: l'utensile ed il pezzo si scambiano le forze necessarie per deformare il sovrametallo, per separarlo dal pezzo e per trasformarlo in truciolo.
• Calore: la deformazione plastica del sovrametallo e gli attriti truciolo-utensile e pezzo-utensile comportano la generazione di una notevole quantità di calore.

Forze di taglio

Conoscere le forze è utile per:

• Dimensionare azionamenti e organi di trasmissione;
• Progettare struttura e componenti meccanici della macchina utensili;
• Proporzionare correttamente gli utensili.

Le forze di taglio sono dovute allo stato di sollecitazione all’interfaccia utensile-pezzo dovuto a:

• L’azione di compressione esercitata dall’utensile;
• L’adesione del truciolo sul petto;
• Il moto relativo con attrito tra truciolo e petto.

Tra l’utensile e il pezzo si sviluppa una forza F che può essere suddivisa nelle due componenti:

• Forza di taglio (cutting) (F_c) parallela alla velocità di taglio
• Forza di repulsione (thrust) (F_D) normale alla velocità di taglio

Queste forze non sono note, possono essere misurate o previste con modelli matematici. NB: nel taglio ortogonale:

• La forza di repulsione F_D è uguale alla forza di alimentazione o avanzamento F_f
• La forza totale F coincide con la forza attiva F_a

Potenza

Quanta potenza assorbe il taglio ortogonale?

Se v è la velocità relativa utensile-pezzo, la potenza è:

ma dato che nel taglio ortogonale θ = 0, si ottiene:

Se conosciamo la forza di taglio possiamo calcolare la potenza necessaria al taglio o potenza di taglio.

v = velocità di avanzamento cioè la velocità con cui l’utensile avanza contro il pezzo.