Processi per asportazione di truciolo, Tecnologia meccanica

Ingegneria gestionale - Università degli studi di Palermo

Tecnologia meccanica

Processi per asportazione di truciolo

Riccardo Scimeca – Claudio Scimeca

Capitolo 1

Le lavorazioni per asportazione di truciolo comprendono tutti quei processi nei quali il componente desiderato è ottenuto tramite asportazione di materiale da un semilavorato di geometria più semplice. In una generica operazione di questo tipo è sempre possibile distinguere tre moti fondamentali: il moto di taglio, il moto di avanzamento (o di alimentazione) e il moto di registrazione. Descriviamo quest’ultimi nelle principali lavorazioni per asportazione di truciolo:

In un processo di tornitura il moto di taglio è rotatorio ed è posseduto dal pezzo montato tra mandrino e contropunta, il moto di avanzamento è traslatorio ed è compiuto dall’utensile, ed infine il moto di registrazione comprende tutte quelle operazioni con le quali viene registrata la posizione dell’utensile rispetto al pezzo e stabilita la quantità di sovrametallo da asportare. Al moto di taglio è associata una velocità di taglio definita come la velocità periferica del pezzo in rotazione e calcolata mediante la relazione V = πDN/1000 espressa in metri/minuti, nella quale N è la velocità di rotazione (espressa in numero di giri al minuto) e D è il diametro del pezzo espresso in millimetri.

Il moto di avanzamento è descritto dal parametro avanzamento per giro a, ed espresso in millimetri/giri. Il moto di registrazione è invece individuato dal parametro profondità di passata p, che per una cilindratura, ad esempio, determina l’entità della riduzione del raggio.

In un processo di fresatura il moto di taglio, ancora rotatorio, è conferito all’utensile, mentre il moto di alimentazione è posseduto dal pezzo. In altri processi quali limatura e piallatura il moto di taglio è rettilineo. Nel primo caso il moto è posseduto dall’utensile, viceversa nel secondo. Nei processi ora accennati il moto di avanzamento è anch’esso rettilineo, avviene lungo la direzione normale al taglio ed è posseduto dall’utensile (tranne in alcune limatrici).

Tipologie di processi

I processi per asportazione di truciolo possono distinguersi in processi di forma o processi per generazione. Nei primi la forma del componente lavorato è principalmente determinata dalla geometria dell’utensile (ad esempio l’esecuzione di ruote dentate, per le quali l’utensile dovrebbe ricopiare la forma del vano tra i denti). I secondi invece comprendono tutte quelle lavorazioni per le quali la forma del pezzo ottenuto è determinata dall’inviluppo di tutte le posizioni assunte dall’utensile nel moto relativo utensile-pezzo. Per esempio al tornio, avendo a disposizione la medesima coppia utensile-pezzo, si può ottenere un cilindro o un cono dipendentemente dalla direzione secondo cui si fa spostare l’utensile rispetto all’asse di rotazione del pezzo.

Caratteristiche degli utensili

Essendo gli utensili gli esecutori del taglio, essi sono sempre dotati di almeno uno spigolo tagliente. Nel caso di tornitura per esempio, l’utensile possiede anche un tagliente secondario, ma l’azione di taglio è essenzialmente svolta dal tagliente principale. L’azione di un utensile monotagliente può facilmente dedursi pensando ad un cuneo che si sposta rispetto al pezzo in lavorazione e che, a causa della sua velocità e dell’esistenza dello spigolo tagliente, determina una frattura nel materiale del pezzo e costringe il truciolo a scorrere sulla superficie del petto dell’utensile.

Un monotagliente è caratterizzato da due piani fondamentali: il sopracitato petto, ed il fianco, piano affacciato sulla superficie del pezzo dalla quale è già stato asportato truciolo. La geometria di un siffatto utensile necessita quindi di due soli parametri:

• Gamma (γ), l’angolo di spoglia superiore atto a definire l’inclinazione del petto
• Alfa (α), l’angolo di spoglia inferiore atto a definire l’inclinazione del fianco

È evidente che deve essere α₁ > 0°. Prendendo in esame un utensile da tornitura, questi avrà un fianco principale prospiciente la superficie da lavorare, un fianco secondario che si affaccia sulla superficie già lavorata e ovviamente il petto.

Secondo le norme si utilizzano quali riferimenti per definire un utensile attraverso i suoi parametri la giacitura parallela al piano di appoggio e lo stelo dell’utensile. In questo caso concentriamo l’attenzione su tre angoli: l’angolo di spoglia superiore γ, e l’angolo di spoglia inferiore α, ottenuti proiettando il tagliente principale secondo una giacitura parallela al piano di riferimento ed operando una sezione perpendicolare alla proiezione del tagliente principale sul piano di riferimento. L’angolo di inclinazione del tagliente principale rispetto all’asse dell’utensile è di minore importanza dal punto di vista applicativo ma pur sempre necessario per la completa definizione dell’utensile.

Materiali degli utensili

Un’importante caratteristica per un utensile da taglio è il materiale di cui è composto. Questo perché un utensile deve possedere elevata durezza, capacità di mantenerla ad alte temperature, e tenacità. Infatti il lavoro dissipato per provocare la deformazione del truciolo e quello generato per attrito a causa dello strisciamento del truciolo sul petto degradano quasi integralmente in calore, producendo un notevole aumento di temperatura dell’utensile. L’incremento di temperatura è tanto maggiore quanto più elevata è la potenza utilizzata per il taglio (industrialmente si registrano temperature comprese tra gli 800 e i 1000 °C).

In definitiva, i materiali da taglio devono possedere elevata durezza superficiale e capacità di mantenerla a caldo, resistenza ai fenomeni di usura, stabilità chimica anche ad elevate temperature, capacità di resistere a sollecitazioni impulsive e shock termici. Agli inizi dell’industria meccanica la scelta del materiale per gli utensili risultò quasi obbligata: gli acciai temprati erano i materiali più duri (65 HRC), e per quanto concerne la diminuzione di durezza con l’aumento delle temperature, quest’ultimo non era ancora un fattore importante date le basse velocità disponibili.

Il primo passo avanti venne fatto da Taylor, con l’introduzione degli acciai rapidi, ovvero acciai che raggiungevano un tenore di carbonio di 1% massimo, con un forte tenore di tungsteno (inizialmente 9%, poi fino a 18%), e un tenore di cromo tra il 4 e il 5%. Questi nuovi acciai permettevano di lavorare a velocità più elevate. Gli acciai rapidi si evolsero in acciai super-rapidi (HSS: High Speed Steel) con l’aggiunta di cobalto nella misura del 5-12%, con i quali era possibile lavorare sino a 600°C mantenendo una buona durezza.

Circa il 40-50% dei materiali oggi utilizzati per la fabbricazione degli utensili da taglio è costituita da acciai rapidi o super-rapidi, nonostante siano noti materiali di caratteristiche migliori (quali metalli duri, duri rivestiti, e materiali ceramici). Tali materiali però presentano ancora alcune difficoltà di applicazione nel settore degli utensili di forma complessa o di piccolo diametro.

Metalli duri

I metalli duri sono materiali da taglio costituiti da particelle dure cementate con un legante. Le particelle dure sono tipicamente carburi metallici, quali carburo di tungsteno (WC), carburo di titanio (TiC), e altri; il legante principalmente utilizzato è il cobalto. La materia prima da cui si ricava un metallo duro è normalmente un concentrato di minerale di W, dal quale si ottiene la polvere di tungsteno mediante riduzione in idrogeno. Questa viene miscelata con del nerofumo e infornata (a 1700°C), in modo che W si combini con il carbonio, formando il carburo di tungsteno. La polvere di WC così ottenuta viene mescolata con il legante. È poi necessario ridurre la porosità; si esegue una prima pressatura e si passa al processo di sinterizzazione, che crea un forte legame tra particelle dure e legante, formato dalle seguenti fasi:

• Preriscaldamento per eliminare l’umidità residua ed eventuali altre sostanze volatili
• Riscaldamento sino a temperature prossime a quelle di fusione del componente con T di fusione più bassa
• Raffreddamento

Il metallo duro ottenuto con WC e cobalto raggiunse elevatissima durezza e resistenza, tuttavia la modesta stabilità chimica del WC causava problemi di usura sul petto dell’utensile. Furono allora aggiunti altri carburi come il TiC e TaC (carburo di tantallio). I carburi metallici sinterizzati raggiungono tipicamente valori di durezza compresi tra i 70 e i 75 HRC, che si mantengono fino a 1000°C. I metalli duri si suddividono in categorie secondo l’ISO:

• Categoria P: metalli duri adatti per la lavorazione di materiali che producono un truciolo lungo e continuo (acciai al carbonio, acciai inox, ghise malleabili). In P ricadono i metalli duri in cui sono presenti, oltre al WC e il cobalto, anche il TiC e TaC e il carburo di niobio (NbC).
• Categoria K: metalli duri adatti per la lavorazione di materiali che producono un truciolo corto e discontinuo (in generale materiali non ferrosi). In K ricadono i metalli duri formati dai soli WC e cobalto.
• Categoria M: metalli duri adatti per la lavorazione di materiali difficili (materiali resistenti ad alte temperature). Ricadono in M metalli duri con buona percentuale di TiC per resistere all’usura.

Il metallo duro è inoltre caratterizzato da un numero distintivo da 1 a 50: ai numeri più bassi (1-10) corrisponde una elevata resistenza all’usura ed una modesta tenacità, viceversa ai numeri più alti (40-50). Le prestazioni dei carburi sintetizzati sono state notevolmente migliorate mediante il rivestimento dei metalli duri con uno o più sottili strati di carburi. Il primo esperimento fu l’aggiunta di un sottile strato di TiC, grazie al quale fu possibile raggiungere velocità di taglio più elevate; infatti, a parità di V, si ottene un incremento della durata del tagliente. Con questa innovazione è possibile superare il tradizionale punto debole dei metalli duri: il contrasto inconciliabile tra durezza e resistenza all’usura con la tenacità (oggi il 70% delle lavorazioni di tornitura e il 40% di fresatura sono effettuate utilizzando metalli duri rivestiti).

Il materiale principalmente utilizzato per i rivestimenti è il nitruro di titanio (TiN), che riduce il coefficiente di attrito dell’interfaccia truciolo-utensile ed aumenta la durezza superficiale. Nel complesso il rivestimento di TiN (riconoscibile dal caratteristico color oro) è in grado di aumentare la durata dell’utensile (riducendo il trasferimento di calore verso il substrato) e di migliorare la qualità della superficie lavorata. Altri rivestimenti utilizzati sono:

• Ossido di alluminio (Al₂O₃), un materiale in grado di conferire resistenza all’usura, realizzando di fatto una barriera chimica tra utensile e truciolo
• Nitruro di titanio-alluminio (TiAlN), rivestimento di più recente applicazione, che permette di raggiungere durezze fino a 3300 HV, e di mantenerle anche ad altissime temperature.

I metodi più comunemente utilizzati per realizzare i rivestimenti sono la deposizione chimica e quella fisica mediante vapore.

Materiali ceramici e altri materiali avanzati

Altri materiali con notevoli caratteristiche funzionali al taglio sono i materiali ceramici. Questi presentano elevatissima durezza a caldo e sono inerti chimicamente: con essi è possibile operare ad alte velocità di taglio. Tuttavia questi materiali presentano anche elevata fragilità, ed è per questo che possono essere utilizzati solo se il sistema macchina utensile-pezzo è perfettamente stabile. Il vincolo di macchine molto potenti e stabili giustifica la modesta diffusione (principalmente per processi di finitura al tornio) dei materiali ceramici.

Altri materiali interessanti, ma al momento poco utilizzati, sono i cermets e il diamante policristallino (PCD). I primi sono materiali composti da una componente metallica (carburi di titanio) e una ceramica (realizzati tramite sinterizzazione partendo da una componente del secondo tipo); i cermets possiedono elevata resistenza all’usura ed alla craterizzazione e ottima stabilità chimica. Il PCD è un materiale secondo per durezza al solo diamante monocristallino. A tale durezza però, si accompagna una elevatissima fragilità. L’impiego industriale dei PCD infatti è giustificato solo nelle lavorazioni di materiali fortemente abrasivi (come le leghe di alluminio-silicio), dove si riscontrano vantaggi in termini di vita utile dell’utensile anche di un paio di ordini di grandezza.

Forze di taglio

La valutazione delle forze che si destano durante il processo di taglio è un aspetto di notevole importanza poiché la sua conoscenza permette il corretto dimensionamento dell’utensile e perché, note tali forze, è possibile risalire alla potenza in gioco. In un processo di tornitura queste forze sono rappresentabili con un vettore nello spazio, che ha componenti secondo le tre direzioni. Delle tre, la componente predominante è P_z, poiché vale circa il doppio delle altre e svolge un ruolo dominante circa l’assorbimento di potenza; infatti per calcolare il termine di potenza associato a P_z occorre moltiplicare la precedente per la velocità di taglio, mentre la componente P_x va moltiplicata per la velocità di avanzamento e la potenza associata a P_y è teoricamente pari a zero non essendovi alcun movimento in quella direzione.

Dai parametri finora elencati, possono ricavarsi altri due parametri operativi: l’area A della sezione del truciolo tagliata per ogni giro e la snellezza del truciolo G: G = l/s, dove l ed s sono rispettivamente lunghezza e spessore del truciolo. La prima relazione trovata per P fu di tipo lineare (P = K * A), ma essa non forniva una adeguata rappresentazione dei dati sperimentali. La relazione oggi adottata è P = C * A^z1 * V^z2, dove K è definita pressione specifica di taglio, e z è una costante caratteristica del materiale che si sta tagliando.

Da quest’ultima può ricavarsi la seguente: Risulta z₁ < z₂, e infatti la profondità di passata gioca un ruolo più determinante rispetto all’avanzamento per giro. La costante C e gli esponenti z₁ e z₂ sono ottenuti mediante tecniche di regressione. Se la velocità di taglio tendesse a zero, la forza necessaria per realizzare il processo teoricamente tenderebbe ad infinito: l’azione dell’utensile sarebbe infatti di deformare e strappare il materiale.

In un ipotetico diagramma velocità di taglio; P_z, esso presenterebbe un massimo in corrispondenza di una V di circa 50 m/min. Questa velocità è detta tagliente di riporto, che naturalmente perde capacità di taglio. La presenza del tagliente di riporto altera il processo anche da un punto di vista geometrico: viene infatti modificato l’angolo γ. Il fenomeno scompare per velocità superiori, anche se permane un sottilissimo strato di materiale “spalmato” sul petto dell’utensile, che però non ha effetti negativi, bensì favorisce lo scorrimento del truciolo sul petto riducendo le forze di attrito.

Nel range di velocità industrialmente utilizzato (da 100 a 300 m/min) la dipendenza della componente principale della forza di taglio da V è di tipo esponenziale con esponente negativo pari a 0,1-0,2 (cresce progressivamente la temperatura del pezzo il quale riduce la sua resistenza al taglio). Infatti al crescere della velocità la potenza assorbita ha una crescita non proporzionale: essa va calcolata moltiplicando P_z per V, ma, dal momento che al crescere di V P_z diminuisce secondo le modalità sopracitate, nel complesso...