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all’interno della barra, dove il raffreddamento è più lento, le segregazioni si

accumuleranno insieme e produrranno le cosiddette anime, oppure potrebbero

tendere a raggiungere la superficie ed accumularsi sulla testa della barra demolita.

Per ottenere una struttura equiassiaca giocano un grande ruolo la turbolenza del

flusso, la vibrazione del getto, l’uso di agenti nucleanti.

Le proprietà del pezzo dipendono molto dalla microstruttura delle dendriti e dalla

composizione. Con le velocità normali non si dà il tempo al getto di omogenizzarsi in

composizione. Negli spazi

interdendritici si ha concentrazione

differente (microsegregazione).

Rompendo le dendriti si aumenta

l’omogeneizzazione.

Esempio di solidificazioni di leghe: In figura è mostrato

l’andamento delle dendriti nella

11

solidificazione della ghisa. Dopo

minuti le dendriti si uniscono

ed il fuso rimane allo stato

2 semisolido tra i bracci delle

dendriti stesse. Sono necessarie circa ore per la solidificazione completa.

In figura sono mostrati gli

andamenti di solidificazioni

di acciai, con diversa

concentrazione di

carbonio.

Tempo di solidificazione:

= Tempo richiesto dal getto per solidificarsi dopo la colata

= Volume del getto

= Area superficiale del getto

= & = Esponente con valore tipico pari a 2

= Costante dello stampo

3

La costante dello stampo dipende da:

- Il materiale dello stampo.

- Le proprietà termiche del getto metallico.

- La temperatura di colata relativa al punto di fusione

per l’alzata deve essere più

Per alimentare il metallo fuso alla cavità principale,

grande della per la colata principale. Il valore di per un’operazione di colata

può essere basato su dati sperimentali da operazioni precedenti effettuate usando

gli stessi materiali dello stampo, metallo, e temperatura di colata, mentre la forma

della parte può essere molto differente.

L’indice di fluidità è la lunghezza del metallo

fuso nel passaggio a spirale. Più grande è la

lunghezza del metallo solidificato, maggiore

sarà la sua fluidità.

Ritiro durante la solidificazione: Si verifica in quasi tutti i metalli poiché la fase solida

ha una densità maggiore di quella liquida: la solidificazione provoca una riduzione di

volume per unità di peso del metallo. (0) Il livello inziale del metallo fuso dopo la

colata;

(1) Riduzione nel livello causato dalla

contrazione liquida durante il

raffreddamento;

(2) Riduzione in altezza e formazione della

cavità di contrazione a causa della

solidificazione;

(3) Ulteriore riduzione di volume dovuta alla

contrazione termica durante il

raffreddamento del metallo solido.

4

Modelli delle tolleranze di contrazione:

I modelli corretti per il ritiro di solidificazione e contrazione termica vengono fatti

sovradimensionando la cavità dello stampo: la quantità di cui lo stampo è fatto è

maggiore rispetto alla dimensione finale del getto ed è chiamata tolleranza di ritiro

del modello. Ci sono due categorie delle tolleranze del modello, denominate:

+

- Tolleranza del ritiro (dipende dal coefficiente di espansione termica del

materiale).

- Tolleranze delle macchine.

La contrazione totale di un getto avviene in tre passaggi, e consiste di:

- La contrazione del liquido dalla temperatura di colata alla temperatura di

solidificazione.

- La contrazione associata al cambiamento di fase dal liquido a solido.

- La contrazione del solido dalla temperatura di solidificazione alla temperatura

ambiente.

Processi di Fusione:

1. Processi a stampo espandibile: Utilizzano uno stampo espandibile che deve

essere distrutto per rimuovere il pezzo (Materiali tipici dello stampo: sabbia,

malta, e materiali simili, uniti a leganti):

- Sono ottenibili geometrie più complicate.

- I gradi di produzione sono spesso limitati dalla produzione degli stampi

piuttosto che dal getto stesso.

2. Processi a stampo permanente: Utilizzano uno stampo permanente che può

essere usato per produrre molti pezzi (fatti di metallo o, meno comunemente,

un materiale ceramico refrattario):

- Alti tempi di produzione.

- Geometria limitate dalla necessità di aprire lo stampo.

5

1. Colata in sabbia (sand casting): - Uno dei processi di colata

più diffuso.

- Quasi tutte le leghe

possono essere colate in

sabbia, inclusi i metalli con

alto punto di fusione.

- Le parti realizzabili sono

sia piccole che grandi.

- Le quantità produttive

variano da poche a milioni

di unità.

Steps:

1. Preparare lo stampo per la colata.

2. Colare il metallo fuso nello stampo di sabbia.

3. Lasciare che il metallo solidifichi.

4. Rompere lo stampo e rimuovere il pezzo.

5. Pulire ed ispezionare il pezzo.

6. Un trattamento a caldo del pezzo è a volte richiesto per incrementare le

proprietà metallurgiche.

Descrizioni delle parti:

Consiste di due metà, semistaffa superiore (cope) ed inferiore (drag).

Stampo:

Contenitore delle due metà.

Flask: Il piano che separa le due metà.

Linea divisoria dello stampo:

Il corpo che definisce la geometria interna del pezzo.

Anima: Canale attraverso il quale il metallo fuso entra.

Cono di entrata: Canale attraverso cui il metallo fuso scorre nella cavità principale.

Canale di colata:

Serbatoio all’interno dello stampo. È una fonte di metallo liquido, che

Materozza:

serve a compensare il ritiro della parte durante la solidificazione.

In cima al cono di entrata una vasca d’immissione è spesso usata per ridurre al

minimo gli spruzzi e la turbolenza quando il metallo fluisce all’interno del cono di

6

entrata. Nella colata in sabbia, le anime sono generalmente fatte di sabbia. Le

materozze devono essere progettate per raffreddarsi dopo la colata principale al

fine di compiere la loro funzione.

Modello: La cavità dello stampo è realizzata

impacchettando la sabbia intorno al

modello, che ha la forma esterna

della parte: quando il modello è

rimosso, la cavità rimanente della

sabbia impacchettata assume la

forma desiderata della parte colata.

Il modello è generalmente sovradimensione per permettere il ritiro del metallo

durante la solidificazione ed il raffreddamento.

I modelli presentano un angolo di sformo per facilitare la rimozione dello stampo di

sabbia.

I materiali del modello sono: legno (facile da produrre ma si deforma) metallo (più

costoso), plastica (compromesso tra legno e metallo).

La sabbia per lo stampo è umida e contiene un legante per mantenere la sua forma.

In figura è mostrata una colata

verticale senza serbatoio. La sabbia è

schiacciata tra due metà del modello.

Gli stampi assemblati scorrono lungo

una linea di assemblaggio per la

colata.

Proprietà e caratteristiche desiderabili dello stampo sono:

- Resistenza: Per mantenere la forma e resistere all’erosione.

Permeabilità: Per permettere all’aria calda ed ai gas di passare attraverso i

- vuoti nella sabbia.

Stabilità termica: Per resistere alle fratture a causa del contatto con il metallo

- fuso.

- Collassabilità: Abilità di collassare e permettere al pezzo di ritirarsi senza

fratture.

- Riutilizzabilità: La sabbia, dopo che lo stampo è stato rotto, può essere

riutilizzata per fare altri stampi? 7 ,-./ 1

0

La per lo stampo è normalmente la silice o silice umida con altri

sabbia

minerali e contenente un legante per mantenere la sua forma, differenza delle

caratteristiche delle dimensioni dei grani:

Grani fini permettono una migliore finitura superficiale del pezzo fuso.

Grani di grandi dimensioni sono più permeabili, permettendo ai gas di fuoriuscire

durante la colata.

Forme irregolari dei grani tendono a rafforzare gli stampi a causa degli

aggrovigliamenti, rispetto ai grani rotondi, ma gli aggrovigliamenti tendono a ridurre

la permeabilità.

Anima: - È inserita all’interno della cavità dello

stampo prima della colata.

- Il metallo fuso scorre e solidifica tra la

cavità dello stampo e l’anima fino a formare

le superfici esterna ed interna del pezzo.

- Potrebbero essere richiesti supporti per

mantenerla in posizione all’interno della

cavità durante la colata.

1

,2

Durante la colata, il galleggiamento del metallo fuso tende a spostare l’anima. La

3

1 ,4 1:

,4 è la differenza tra il peso spostato dal

forza che tende a sollevare l’anima 5

liquido ed il peso dell’anima stessa

2 = 4 − 4

3 5

Ingresso e materozza:

Il metallo deve fluire all’interno di tutte le regioni dello stampo, soprattutto

all’interno della cavità principale, prima che solidifichi. I fattori che ne determinano

la riuscita sono:

- La temperatura di colata.

- La velocità di colata.

- La turbolenza. 8

Caratteristiche:

- Più ingressi sono spesso preferibili e necessari per parti di grandi dimensioni.

- Gli ingressi dovrebbero confluire in grosse sezioni di getti.

- Uno smusso dovrebbe essere utilizzato quando un ingresso incontra un getto;

questo accorgimento comporta meno turbolenza rispetto a bruschi raccordi.

- L’ingresso più vicino al cono dovrebbe essere posto sufficientemente lontano

così l’ingresso possa essere facilmente rimosso.

- La lunghezza minima d’ingresso dovrebbe essere dalle tre alle cinque volte

maggiore il diametro dell’ingresso, in base al metallo che viene colato.

- Ingressi curvilinei dovrebbero essere evitati, ma quando necessari, una

sezione rettilinea nell’ingresso dovrebbe essere immediatamente posta vicino

al getto.

La materozza è fatta da metallo di scarto che è separato dalla colata e rifuso per fare

più getti.

Per minimizzare gli scarti durante il funzionamento, è desiderabile che il volume di

metallo all’interno della materozza sia al minimo.

Dal momento che forma della materozza è normalmente progettata per

massimizzare il rapporto volume – area, questo permette al volume della materozza

di essere ridotto al valore minimo possibile.

- Il metallo all’interno della materozza non deve solidificare prima della colata.

- Il volume della materozza deve essere grande abbastanza in modo da fornire una

quantità sufficiente di metallo liquido per compensare il ritiro nella cavità.

- Le giunzioni tra i getti e l’alimentazione non dovrebbero sviluppare una zona calda

dove la porosità da ritiro si possa verificare.

- Le materozze devono essere poste in modo tale che il metallo liquido possa essere

inviato nei posti dove ne è richiesto.

- Ci deve essere sufficiente pressione per condurre il metallo liquido nei posti dove

ne è richiesto.

- La pressione in cima alla materozza dovrebbe sopprimere la formazione di cavità e

permettere il riempimento completo della cavità.

Difetti: 9

(Shell – Mold Casting):

2. Colata in Guscio Una coppia di piatti è riscaldata e posizionata su una

scatola contenente sabbia mescolata ad una resina

termoindurente.

La scatola è capovolta in modo tale che la sabbia e la resina si

depositino sulla parte calda, causando uno strato di miscuglio

che si solidifica parzialmente sulla superficie fino a formare

una conchiglia dura. La conchiglia di

La scatola è riposizionata sabbia è riscaldata

e quindi le particelle che in forno per

non hanno aderito completare la

ricadono in basso. solidificazione.

Due metà dello stampo a

conchiglia sono assemblate,

Il guscio viene supportate dalla

sabbia o staccato dal polvere di

metallo in una modello.

scatola, viene quindi

effettuata la colata.

Pro Contro

1) La superficie lisca della cavità 1) Modelli di metallo molto costosi.

2) Difficile da utlizzare per la produzione

permette un più facile flusso della colata di piccole quantità.

di metallo ed una migliore superficie

finale.

2) Non è spesso richiesta una buona

accuratezza dimensionale delle

macchine.

3) Meno crepe nella fusione a causa

della pregiabilità della forma.

4) Può essere meccanizzata per la

produzione in massa. 10

(Vacuum Molding):

3. Colata sotto Vuoto Viene utilizzato un modello speciale

con piccoli fori per consentire un

vuoto. Un sottile foglio di plastica è

posizionato sopra il modello di colata

e la pressione a vuoto è accesa,

causando l’adesione del foglio sulla

superficie del modello.

Uno speciale recipiente con fori per

utilizzare la pressione a vuoto è posto

sopra il modello di colata ed è

riempito di sabbia, ed un altro foglio

di plastica sottile è posto sulla parte

superiore dello stampo. La pressione

a vuoto agente attraverso il recipiente

è azionata, ed il film plastico aderisce

alla parte superiore dello stampo.

Il vuoto sul modello speciale di colata

viene spento ed il modello è rimosso. La

pressione a vuoto dal recipiente è ancora

accesa. Questo fa in modo che il film

plastico sulla parte superiore aderisca alla

parte superiore ed il film plastico

precedente aderisca sulla parte inferiore.

Due metà sono quindi assemblate per

la colata del getto. Si noti che ora ci

sono quattro film plastici in uso. Uno

su ciascuna metà della cavità di

stampo interna ed uno su ciascuna

delle superfici esterne del cope e drag.

Durante la colata del getto, il metallo

fuso brucia facillmente rimuovendo la

plastica.

11

Pro Contro

1) Facile recupero della sabbia, poiché 1) Processo lento.

non vengono utilizzati leganti. 2) Non facilmente adattabile alla

2) La sabbia normalmente non richiede meccanizzazione.

un ricondizionamento meccanico

quando si usano leganti.

3) Dal momento che l’acqua non è

mescolata con la sabbia, difetti connessi

all’umidità sono assenti. (Lost foam molding):

4. Processo a Schiuma Persa

Un modello di Il modello di

polistirene è schiuma è

rivestito con posto in una

un composto scatola di

refrattario. stampo, e la

sabbia è

pressata

intorno al

modello.

Il metallo fuso è colato nella porzione del

modello che forma la coppa traboccante. Non

appena il metallo entra nello stampo, il

polistirene espanso è vaporizzato a causa

dell’avanzamento del liquido, permettendo così

alla conseguente cavità dello stampo di essere

riempita.

Pro Contro

1) Un nuovo modello è necessario per

1) Il modello non deve essere rimosso

dallo stampo. ogni colata.

2) Semplici e veloci realizzazioni dello 2) L’economia del processo è molto

stampo, dal momento che non sono dipendente dal costo di produzione dei

richieste le due metà come in un modelli.

convenzionale stampo di sabbia. 12

(Investment Casting: Lost Wax):

5. Processo a Cera Persa Modelli in cera sono prodotti e collegati ad un canale

a formare un modello di albero.

Il modello ad albero è ricoperto con

un sottile strato di un materiale

refrattario.

L’intero stampo è formato dalla

copertura dell’albero rivestito con

sufficiente materiale refrattario a

renderlo rigido. Lo stampo è tenuto in una posizione invertita e riscaldato

per fondere la cera e permetterle di gocciolare fuori dalla

cavità.

Lo stampo viene riscaldato ad una

temperatura elevata, al fine di

eliminare tutti gli agenti inquinanti e

permettere al metallo liquido di fluire

più facilmente nella cavità dettagliata;

il metallo fuso viene colato; quindi

solidifica. 13

Pro Contro

1) Possono essere ottenute parti di 1) Sono richiesti molti processi

grande complessità. intermedi.

2) Si raggiungono dimensioni accurate e 2) Processo relativamente costoso.

buone superfici finali.

3) La cera può essere usualmente

recuperata per riutilizzi successivi.

4) Macchine aggiuntive non sono

generalmente richieste. (Permanent mold casting):

6. Stampo Permanente

A causa degli alti costi dello stampo, questo processo viene utilizzato quando si

hanno alti volumi di produzione e può essere quindi automatizzato.

Uno dei due stampi è fisso, mentre l’altro viene

spostato attraverso una forza.

Inizia la colata del metallo liquido e

si aspetta che solidifichi. Alla fine,

sempre dallo stesso lato, dove

abbiamo chiuso lo stampo, si

separano le due metà e si estrae il

pezzo finito. Pro Contro

1) Controllo dimensionale accurato e 1) In genere limitati a metalli con punto

buona superficie finale. di fusione basso.

2) Più rapida solidificazione a causa 2) Sono realizzabili sono semplici parti

dello stampo metallico freddo che geometriche rispetto alla colata in

porta ad una struttura di grani più sabbia, a causa della necessità di aprire

fine, di conseguenza vengono lo stampo.

realizzati pezzi più resistenti. 3) Alti costi dello stampo.

14

(Squeeze Casting):

7. Pressofusione È un metodo che combina le tecnologie di

fusione e forgiatura.

- Basso ritiro e porosità dei gas.

- Potenziamento delle proprietà meccaniche

a causa della struttura dei grani fini, poiché

si ha una rapida solidificazione.

- Buona qualità superficiale.

(Slush casting):

8. Colata a Rigetto È usata per produrre parti cavi, generalmente giochi

e parti che sono ornamentali in natura. Lo stampo

aperto viene rovesciato ed il metallo non solidificato

fuoriesce lasciando un pezzo di spessore controllato

dal tempo di raffreddamento.

Sono possibili una buona superficie finale ed

un’accurata geometria esteriore.

(High Pressure Die Casting: Hot Chamber):

9. Pressocolata in Camera Calda

Il processo a camera calda, grazie alla presenza

della fornace, garantisce un maggior controllo

della temperatura di esercizio ed elevati ritmi

produttivi. Infatti il prelievo diretto dal serbatoio

rende il processo più veloce ed inoltre,

considerate le maggiori dimensioni del serbatoio,

la lega risulta più uniforme come composizione e

temperatura rispetto alla camera fredda, quindi

anche la struttura del prodotto sarà più

omogenea. Per contro la temperatura del

processo non potrà essere troppo elevata per

non compromettere la produttività del processo,

evitando lunghi tempi di raffreddamento, per cui

l'utilizzo di questo processo è limitato a metalli a

basso punto di fusione.

15

Pro Contro

1) Alti ritmi produttivi – 500 parti per 1) Applicazioni limitate a metalli a basso

ora. punto di fusione che non attaccano

2) Buona accuratezza dimensionale e chimicamente lo stantuffo ed altri

superficie finale. componenti meccanici.

3) Piccole sezioni sono possibili. 2) Porosità.

4) Il rapido raffreddamento consente

piccole dimensioni di grano e buona

resistenza alla fusione. (High pressure die casting: cold chamber):

10. Pressocolata in Camera Fredda Il processo a camera fredda presenta

un minor controllo di temperatura

del getto liquido ed una produttività

minore, visti i tempi maggiori dovuti

all'inserimento del metallo fuso e

soprattutto alla temperatura di

esercizio decisamente maggiore che

nella camera calda: perdendo

capacità produttiva il processo

recupera in flessibilità di materiali

adatti al processo. La pressione di

mantenimento è decisamente più

alta rispetto alla camera calda e

vanno dai 15 ai 150 MPa.

Pro Contro

1) Alta produzione ma di solito non 1) Applicazioni limitate a metalli a basso

veloce come le macchine a camera calda punto di fusione che non attaccano

a causa della fase di colata. chimicamente stantuffo ed altri

2) Buona accuratezza dimensionale e componenti meccanici.

superficie finale. 2) Porosità.

3) Sezioni sottili sono possibili.

4) Il raffreddamento rapido consente

grani di piccole dimensioni e buona

resistenza alla fusione. 16

(Low pressure casting):

11. Pressocolata a Bassa Pressione

Il metallo viene spinto nello stampo dalla

differenza di pressione tra il fuso e la cavità dello

stampo. Si usa pressione di gas sul fuso o vuoto

nello stampo. La quantità di produzione è

relativamente bassa, le tolleranze e le superfici

finali sono le stesse ottenute dalla fusione per

gravità.

(Centrifugal casting):

12. Colata Centrifuga La colata avviene introducendo il metallo liquido

nella forma con l’ausilio di una pressione indotta

dall’esterno mediante vari sistemi.

- Il metallo liquido colato nella forma è costretto a

riempirla per effetto della forza centrifuga che nasce

dalla rotazione della forma stessa.

- Si ottengono in questo modo pezzi di forma assialsimmetrica senza dover

impiegare anime per la realizzazione della cavità interna.

- Le forme possono essere metalliche od in terra; le forme in terra devono essere in

grado di resistere all’azione erosiva esercitata dal metallo durante il riempimento.

La forza centrifuga ha due funzioni:

• Riempire la forma in conchiglia od in terra.

• Determinare la superficie interna del pezzo.

Vantaggi:

- Compattezza del getto ed assenza di soffiature.

- Buona solidificazione direzionale (assenza di cavità di ritiro).

- Processo economico (non impiega materozze, canali di colata, ecc.).

- Flessibilità nella composizione del getto e flessibilità dimensionale.

17

Impiego:

- Produzione di tubi bi – metallici.

- Produzione di grossi tubi in ghisa sferoidale per condotte di acqua e gas.

Colata:

Il metallo fuso può essere introdotto da una o due estremità oppure attraverso un

canale di lunghezza variabile.

Se la velocità di colata è troppo lenta si possono avere formazione di pieghe o di

porosità gassose.

Se la velocità di colata è troppo alta si possono generare cricche longitudinali.

Velocità di Rotazione: 70g 120g.

La velocità deve garantire una forza centrifuga tra e

La velocità viene variata durante la colata seguendo un preciso ciclo:

- Mentre si cola la forma è ruotata ad una velocità sufficiente da mantenere il

fuso contro le pareti.

- Quando il metallo raggiunge la parte opposta della forma la velocità aumenta.

- Infine si tiene costante la velocità per un intervallo di tempo che è funzione

della forma dello spessore e del tipo di metallo fuso.

La velocità ideale è quella che porta ad una rapida adesione del fuso alle pareti della

forma con la minima vibrazione. (Semi – centrifugal):

13. Colata Semi – Centrifuga

Viene utilizzata con forme in terra e con conchiglie. La forza centrifuga determina un

ottimo riempimento della forma (anche se complicata).

18 L’ara presente nella forma

viene evacuata, sotto la spinta

del metallo, attraverso la

porosità della sabbia.

La densità del getto sarà

maggiore all’esterno che

all’interno.

Vantaggi:

- Compattezza del getto.

- Scarsa porosità.

Impiego: 9.

- Pezzi di medie dimensioni in acciaio dolce e

- Getti nei quali la parte centrale deve essere asportata (ingranaggi, pulegge,

ruote, ventole, ecc.) 19

20

Principi delle Macchine Utensili e Tornitura:

Elenco delle famiglie di operazioni per asportazione, la cui caratteristica comune è la

rimozione di una parte di materiale del pezzo di iniziale di lavoro in modo da

ottenere la geometria desiderata:

- Lavorazioni con utensili da taglio: Il materiale viene rimosso da un tagliente, come

nella tornitura, fresatura, foratura.

- Processi abrasivi: Il materiale è rimosso da particelle abrasive, dischi, come ad

esempio la rettifica.

- Processi non tradizionali: Varie forme di energia diverse da utensili affilati per

rimuovere il materiale.

Lavorazioni con utensili da taglio:

Pro Contro

Molti materiali lavorabili. Spreco di materiale (trucioli).

Molteplici forme e specifiche geometrie Richiedono molto più tempo a lavorare

una determinata parte rispetto ad altri

ottenibili: processi.

- Filettature

- Fori rotondi precisi

- Molti bordi e superfici dritti

Buona accuratezza dimensionale e

superfici finali. L’azione del tagliente comporta deformazioni a taglio del

pezzo di lavoro per formare un truciolo, e non appena il

truciolo viene rimosso, la nuova superficie è esposta.

Un solo punto del tagliente rimuove il materiale

Tornitura:

dal pezzo in rotazione per formare una forma cilindrica.

2 − D

Taglio Ortogonale: In figura è rappresentato un

modello semplificato delle macchine per

asportazione di taglio che descrive le meccaniche

delle macchine in modo abbastanza preciso.

1

È l’angolo formato dal tagliente principale dell’utensile con

Angolo di Registrazione:

la direzione di avanzamento della lavorazione; a seconda di tale angolo si possono

avere due tipi di tagli: Taglio ortogonale: Taglio obliquo:

= 90°

Angolo di registrazione: Angolo di

< 90°

registrazione:

Il truciolo tende a

rimanere nei pressi

della zona di taglio, per

questo l’utensile

presenta un piccolo

gradino sul petto detto

rompitruciolo che evita

la formazione di un

truciolo ininterrotto.

Meccanica della formazione del truciolo:

Nelle lavorazione per asportazione il materiale viene rimosso producendo trucioli.

L’utensile si muove lungo il pezzo ad una certa velocità (velocità e

di taglio)

. In corrispondenza dell’utensile si forma il truciolo,

profondità di passata

mediante continuo del materiale lungo il piano di scorrimento.

scorrimento

Le lavorazioni per asportazione, sono in genere tridimensionali, ma è utile studiarle

secondo il metodo bidimensionale. In questo modello, noto anche come taglio

(in quanto il tagliente dell’utensile è perpendicolare alla direzione di

ortogonale

taglio), l’utensile presenta un ed un

angolo di spoglia superiore angolo di spoglia

90°.

La somma dei due angoli di spoglia e dell’angolo (angolo incluso

inferiore. di taglio

dell’utensile) è pari a I trucioli vengono prodotti attraverso un

meccanismo di che avviene lungo un

scorrimento,

che forma un angolo , detto

piano di scorrimento, con la superficie del pezzo.

angolo di scorrimento,

Al di sotto del piano di scorrimento, il pezzo rimane

indeformato (con l’eccezione di una piccola

deformazione elastica), mentre sopra al piano di scorrimento il truciolo è già

formato e si muove verso il petto dell’utensile. A causa del movimento relativo, vi è

è calcolabile

attrito tra il truciolo ed il petto dell’utensile. Lo spessore del truciolo

2

e .

a partire da , Il rapporto tra e è noto come rapporto di taglio, (od il

suo inverso, chiamato calcolabile come:

fattore di ricalcamento del truciolo)

sin

= = cos −

può essere misurato sperimentalmente e,

Nota Bene: Lo spessore del truciolo

dalla conoscenza di e si può calcolare l’angolo di scorrimento . Pertanto:

cos

tan = 1 − sin >

0 < < 1 ,

Lo spessore del truciolo è sempre maggiore della profondità di passata

pertanto il valore di è sempre inferiore all’unità .

La , che il materiale

deformazione di taglio per scorrimento

"# "$ $#

subisce durante la lavorazione può essere espressa come:

!= = +

$% $% $%

! = cot + tan −

oppure:

Si noti che le deformazioni per scorrimento più elevate sono associate a piccoli

angoli di scorrimento ed ad angoli di spoglia superiore piccoli o negativi.

=

Nel taglio ortogonale lo spessore del truciolo indeformato e la profondità di

passata coincidono , ma questo non vale in generale per le altre

lavorazioni. Dunque:

< ⟹ velocità del truciolo < velocità di taglio

Per continuità di massa: sin

= ⟹ = ⟹ = cos −

Morfologia del truciolo:

La morfologia del truciolo influenza in modo significativo la finitura superficiale e

l’integrità della superfici, ma anche l’intera lavorazione per asportazione. Il truciolo

presenta due superfici: 3

- Una che è stata in contatto con il petto dell’utensile. Questa ha un aspetto

lucido a causa dello sfregamento del truciolo sul petto dell’utensile.

- Una che rappresenta la superficie originaria del pezzo. Questa non è entrata

in contatto con alcun corpo solido e presenta un andamento a gradini dovuto

al meccanismo di scorrimento.

• Tipologie di trucioli:

1. Truciolo Continuo:

Si forma con velocità di taglio ed angolo superiore elevati.

La deformazione del materiale avviene lungo una zona di

scorrimento molto stretta, chiamata zona di scorrimento

primaria. Il truciolo continuo è associato ad una buona

qualità superficiale, ma spesso è considerato un fenomeno

negativo, perché tende ad aggranellarsi attorno all’utensile e la lavorazione deve

essere interrotta per la sua rimozione. A causa dell’incrudimento (provocato dalla

deformazione per scorrimento), il truciolo diventa più duro e resistente, e meno

duttile rispetto al materiale del pezzo. Al diminuire dell’angolo di spoglia superiore,

la deformazione aumenta, e quindi il truciolo diventa più duro e resistente. È anche

caratterizzato da un basso attrito tra l’utensile ed il truciolo

2. Truciolo Segmentato:

Si tratta di un truciolo costituito da un numero di elementi

collegati con alcune zone che presentano deformazione

elevata ed altre limitata. Questo tipo di truciolo è tipico di

metalli, come il titanio, che hanno bassa conducibilità termica

ed una resistenza che diminuisce rapidamente all’aumentare

della temperatura.

3. Truciolo discontinuo:

Consiste in segmenti parzialmente collegati. Si forma

nelle seguenti condizioni:

- Il materiale del pezzo è fragile, poiché non è in grado di

sopportare l’elevata deformazione presente nelle

lavorazioni di taglio.

- Il materiale del pezzo contiene inclusioni ed impurità.

- La velocità di taglio è molto bassa o molto elevata.

4

- La profondità di passata è elevata o l’angolo di spoglia superiore è piccolo.

- La macchina utensile ha una scarsa rigidezza ed uno smorzamento delle vibrazioni

inadeguato.

- Non si utilizza un fluido lubrorefrigerante efficace.

- Presenta un elevato attrito tra il truciolo e l’utensile.

4. Tagliente di riporto:

Si può formare sulla punta dell’utensile durante la

lavorazione. Consiste in strati di materiali del pezzo che si

depositano gradualmente sull’utensile. Ad un certo punto

il tagliente di riporto diventa instabile e di conseguenza si

rompe. La parte superiore del tagliente di riporto viene

trascinata via dal truciolo sul petto dell’utensile, mentre la

parte inferiore si deposita casualmente sulla superficie

lavorata. Il processo di formazione del tagliente di riporto e la sua rottura sono

fenomeni che si ripetono continuamente durante la lavorazione. Il tagliente di

riporto modifica la geometria dell’utensile. Infatti si ha un aumento del raggio di

raccordo del tagliente causato dal tagliente di riporto e la scarsa finitura superficiale

che ne consegue. A causa dell’incrudimento e della stratificazione successiva di

materiale, la durezza del tagliente di riporto aumenta notevolmente.

Distribuzione della durezza nella zona di

taglio. In alcune zone del tagliente di riporto la

durezza è tre volte superiore a quella del

pezzo.

• Forze nel taglio ortogonale:

Nelle lavorazioni per asportazione è importante conoscere le forze di taglio e la

potenza richiesta, per le seguenti ragioni:

1. La deve essere nota, per consentire la scelta o la

potenza richiesta

progettazione di una macchina utensile adeguata per la particolare

applicazione.

2. La conoscenza delle è importante per una corretta

forze di taglio

progettazione delle macchine utensile, in modo tale che queste siano

5

sufficientemente rigide, in grado di evitare deformazioni eccessive e

vibrazioni al fine di ottenere un’adeguata accuratezza dimensionale.

3. Il pezzo deve essere in grado di resistere alla forza di taglio senza eccessive

per mantenere le tolleranze dimensionali.

deformazioni,

I vari fattori che influenzano le forze e la potenza richiesta nel taglio ortogonale

vengono ora descritti:

1. Forze di Taglio: /

- La , agisce nella

forza di taglio

direzione della velocità di taglio, .

/

0 , agisce nella

- La forza di repulsione

direzione perpendicolare alla velocità di

taglio ovvero perpendicolare al pezzo.

1,

Queste due forze producono una forza

risultante che si può dividere in due

/,

componenti sul petto dell’utensile: una

2, lungo l’interfaccia

forza di attrito

perpendicolare a tale interfaccia. Si può

utensile – truciolo ed una forza normale

dimostrare che: a forza di attrito è:

Forza di attrito: / = 1 sin 7

3 Forza normale: 2 = 1 cos 7 /

SI noti che la forza risultante è bilanciata da una forza uguale ed opposta sul piano di

9

/

scorrimento che si può scomporre in una ed in una

forza di scorrimento forza

: /, 2, / , /

.

normale 9 : / /

Le quattro forze: non possono essere

0

calcolate direttamente, a differenza di: e .

Pertanto ci riferiamo alle seguenti equazioni per

poter calcolare le forze non misurabili

direttamente: /=/ sin + / cos

0

2=/ cos − / sin

< 0

= / cos − / sin

/

9 0

/ = / sin + / cos

: 0

6

2. Forza di Repulsione:

La forza di repulsione non contribuisce all’energia richiesta dalla lavorazione, ma è

importante conoscerla, poiché lo stelo dell’utensile, l’attrezzattura di fissaggio del

pezzo e la macchina utensile devono essere sufficientemente rigidi per minimizzare

le deformazioni causate da tale forza.

Se la forza di repulsione è troppo elevata e la macchina utensile non è abbastanza

rigida, l’utensile si allontanerà dalla superficie del pezzo. Questo spostamento,

causerà la riduzione dell’effettiva profondità di passata portando ad una riduzione

/ /

dell’accuratezza dimensionale del pezzo ed all’insorgenza di vibrazioni.

0

Dal momento che (forza di taglio) è sempre positiva, il segno di può essere sia

positivo sia negativo, quindi:

Se 7 > il segno di / è positivo

3 0

Se 7 < il segno di / è negativo

0

La forza di repulsione sarà quindi diretta verso l’alto quando:

- L’attrito utensile – truciolo è limitato.

- L’angolo di spoglia superiore è elevato. @ = 0, 7 = 0

1 2.

Quest’ultima situazione è analizzabile notando che quando e di

conseguenza la forza risultante coincide con

= 0 7 = 0, , 1

Un’altra situazione particolare è quando e la forza di repulsione è

/

zero. La profondità di passata influenza il processo, in quanto all’aumentare di

aumenta e quindi anche . Tutto questo comporta maggiore energia per rimuovere

l’ulteriore materiale associato alla maggiore profondità di passata.

3. Osservazioni sulle forze di taglio:

Le forze di taglio sono influenzate, oltre che dalla resistenza del materiale del pezzo,

anche da altre variabili: all’aumentare della profondità di passata.

/ A al diminuire dell angolo di spoglia.

D

al diminuire della veloctà.

- La forza di taglio aumenta:

Per quale motivo diminuendo la velocità, aumenta la forza di taglio? Si può notare

che diminuendo la velocità, l’angolo di scorrimento diminuisce ed il coefficiente di

attrito aumenta. 7

Un altro parametro importante è il raggio di raccordo del tagliente: maggiore è il

raggio (e quindi più usurato è l’utensile), maggiore sarà la forza di taglio. Per

spessori di taglio nell’ordine di cinque o più volte il raggio di raccordo, l’effetto

dell’arrotondamento del tagliente sulle forze di taglio è trascurabile.

4. Tensione tangenziale e normale:

Le tensioni nel piano di scorrimento ed all’interfaccia utensile – truciolo sono

studiabili, assumendo che queste siano uniformemente distribuite. Le forze nel

"

piano di scorrimento sono scomponibili in forze e quindi tensioni di scorrimento

9

tangenziale e normale. Si noti che l’area del piano di scorrimento vale:

E

" = sin

9

pertanto, la nel piano di scorrimento è pari a:

tensione tangenziale media / sin

/ =

F= 9 9

" E

9

e la tensione normale media al piano di scorrimento vale:

/ / sin

G= =

: :

" E

9 L’angolo di spoglia è un parametro,

mentre l’area del piano di

scorrimento viene aumentata

aumentando la profondità di passata

durante la lavorazione. Le curve in

figura suggeriscono le seguenti

considerazioni:

- La tensione tangenziale nel piano di scorrimento è indipendente dall’angolo di

spoglia.

- La tensione normale al piano di scorrimento diminuisce all’aumentare

dell’angolo di spoglia.

- La tensione normale al piano di scorrimento non ha alcun effetto sul valore

della tensione tangenziale. Tuttavia la tensione normale influenza fortemente

il valore della tensione tangenziale ammissibile nella zona di scorrimento

8

prima di pervenire a rottura. La tensione tangenziale massima a rottura

aumenta all’aumentare della tensione normale di compressione. Per questa

ragione si utilizzano spesso angoli di spoglia superiori piccoli o nulli nella

lavorazione di materiali poco duttili, al fine di favorirne lo scorrimento senza

frattura.

5. Misurazione delle forze di taglio: Le forze di taglio possono essere misurate

utilizzando trasduttori di forza (come cristalli

piezoelettrici) oppure dinamometri (con

estensimetri a resistenza elettrica), montanti

sullo stelo dell’utensile o sulle attrezzature di

fissaggio del pezzo sulla macchina utensile.

6. Angolo di Scorrimento:

Fra tutti gli angoli ai quali la deformazione a taglio può avvenire, il pezzo sceglierà un

angolo di scorrimento che minimizza l’energia:

7 = per > 15°

H = 45 + 3 = 15° per < 15°

2

2

Maggiori angoli di scorrimento significano un minore piano di scorrimento che

significano minor forze di deformazioni, forze di taglio, potenza, e temperatura.

• Processi cinematici con un utensile ideale: 7

- L’utensile è definito dagli angoli: ,

! .

(angolo dell’utensile) e l’angolo di spoglia

ortogonale

- L’utensile penetra il materiale e causa

deformazioni elastiche e plastiche.

- A causa della geometria data, il materiale

deformato sta formando un truciolo che scorre

lungo il petto.

9

• Processi cinematici con un utensile arrotondato:

- Nella realtà ci sono solo utensili arrotondati.

K .

- Il raggio dell’utensile è generalmente misurato sul

piano ortogonale dell’utensile

- Le direzioni di avanzamento e di taglio sono funzioni

dell’angolo di avanzamento .

- Le direzioni delle velocità di taglio effettive e delle

L.

velocità di taglio sono funzioni dell’angolo di velocità

effettivo di taglio

• Zone di Deformazioni: Le deformazioni sono molto essenziali nel

taglio.

La più importante zona di deformazione è

chiamata zona primaria di deformazione.

Le zone dove il taglio è causato dall’attrito sono

chiamate zone secondarie di taglio.

Se l’usura è assente la zona di deformazione

secondaria del fianco non c‘è.

1. Zona di deformazione primaria.

2. Zona di deformazione secondaria del petto.

3. Zona di separazione (punto di ristagno).

4. Zona di deformazione secondaria del petto.

5. Zona di deformazione inziale.

10

• Temperatura di taglio: Come si evince dal grafico la maggiore

distribuzione di calore in percentuale è

nel truciolo. Questa aumenta con

l’aumentare della velocità di taglio.

Alte temperature sono dannose in

quanto:

- Riducono la vita dell’utensile.

- Generano trucioli caldi che mettono a

rischio la sicurezza degli operatori.

- Possono causare imprecisioni a causa

dell’espansione termica del materiale.

Nomenclatura del tagliente: In figura è mostrato un utensile a punta

singola. Le rispettive viste sono raffigurate

nell’immagine superiore.

11

Parametri di Tornitura:

1. Geometria dell’utensile: I vari angoli di un utensile da taglio hanno importanti

funzioni: Sono importanti per il controllo della direzione di

- Angoli di spoglia superiori:

deflusso del truciolo e per la resistenza della punta dell’utensile. Se positivi,

consentono di ridurre le forze e la temperature, ma impongono angoli di taglio

ridotti. L’angolo di spoglia superiore principale è più importante di quello

secondario, anche se quest’ultimo consente di controllare la direzione di deflusso

del truciolo. L’angolo di spoglia superiore può essere sia positivo

che negativo:

! > 0:

Se

- Minori deformazioni e forze per produrle.

- Riduzioni dell’attrito sul petto grazie alla

diminuzione della pressione di taglio.

- Riduzione della potenza assorbita e della temperatura di taglio.

- Possibilità di scelta dei parametri di taglio in modo meno conservativo con

evidenti vantaggi produttivi.

- Riduzione della resistenza meccanica dell’utensile.

! < 0:

Se - Aumento della sezione resistente.

- Sollecitazione prevalente a compressione anziché a taglio necessaria con

materiali per utensili poco tenaci (es. ceramici).

- Aumento di forze, potenze assorbite e temperature di taglio.

Controllano l’interferenza e lo sfregamento

- Angoli di spoglia inferiori:

all’interfaccia utensile – pezzo. Se l’angolo è eccessivo, si può avere scheggiatura

dell’utensile, mentre se è troppo piccolo aumenta notevolmente l’usura sul fianco.

L’angolo di spoglia superiore principale è sempre maggiore di zero, un suo

aumento causa:

- Il raggiungimento, in un tempo maggiore del valore ammissibile di usura.

- La diminuzione della sezione resistente.

- Dipende dal materiale in lavorazione:

12

- Diminuisce al crescere della pressione di taglio poiché deve aumentare la

sezione resistente.

- Deve essere maggiore per materiali che subiscono un consistente recupero

elastico dopo la lavorazione.

- Dipende dal materiale dell’utensile:

- Deve essere più piccolo nel caso di materiali poco tenaci (ad esempio i

ceramici) poiché questi necessitano di sezioni resistenti maggiori.

M È l’angolo formato tra tagliente

- Angolo di inclinazione del tagliente principale :

principale e piano di riferimento. È assunto negativo se il

tagliente si eleva dalla punta

verso lo stelo.

- Esercita una notevole influenza sulla robustezza dell’utensile: N < 0

Se per utensili

in materiali poco

tenaci (ad esempio i

ceramici) poiché

questi necessitano di

sollecitazioni di

compressione.

- Influenza la direzione di deflusso del truciolo.

! N

Effetto di e sullo stato di sollecitazione:

N ! N !

e postivi e negativi

- 13

Influiscono in vario modo su formazione del truciolo, resistenza

- Angolo di attacco:

dell’utensile e forze di taglio. O:

- Angolo di registrazione / attacco del tagliente principale È formato, sul piano di

riferimento, tra la proiezione del tagliente principale e la generatrice della superficie

da lavorare. Ha molta influenza sull’entità della pressione di contatto tra utensile e

pezzo e quindi sull’usura del tagliente. Un forte angolo di attacco produce trucioli

spessi, mentre un angolo di attacco minore riduce lo spessore del truciolo, ma fa

aumentare la forza radiale e dovrebbe, perciò essere evitato, quando si torniscono

alberi lunghi e sottili. Un angolo di attacco ridotto richiede rigidità dell’utensile, del

O = 45°.

pezzo da lavorare e dell’attrezzature di fissaggio. Nella sgrossatura in genere si

adottano angoli P: O + O + P = Q

D

- Angolo dei taglienti È formato, sul piano di riferimento, tra le proiezioni

ortogonali del tagliente principale e di quello secondario .

Influenza la robustezza della punta e finitura superficiale del pezzo.

Nota Bene: Controllo della direzione di flusso del truciolo in tornitura.

O N

e influenzano forma e direzione del truciolo, caso di truciolo continuo:

N

- determina il verso secondo cui fluisce il truciolo nel suo moto di

O

allontanamento da utensile e pezzo.

- permette di controllare l’angolo formato tra la direzione di flusso del

truciolo e quella dell’asse del pezzo.

14 R = ST°

Direzione di flusso e forma del truciolo nella tornitura

M > T.

di materiali duttili nel caso di utensile con: e

Quindi il truciolo tende ad avvolgersi intorno

allo stelo ed al portautensile. R = ST°

Direzione di flusso e forma del truciolo nella tornitura

M < T.

di materiali duttili nel caso di utensile con e

Quindi il truciolo tende ad avvolgersi attorno al

pezzo con peggioramento della finitura superficiale.

Direzione di flusso e forma del truciolo nella

R = ST° M = T.

tornitura di materiali duttili nel caso di utensile con

e Quindi il truciolo fluisce in

direzione parallela alla generatrice della superficie

lavorata e si avvolge a spirale su se stesso.

χ :

D

- Angolo di registrazione / attacco del tagliente secondario È formato, sul piano di

O D

riferimento, tra la proiezione del tagliente secondario e la generatrice della

O D

superficie lavorata. Nella finitura superficiale è opportuno che sia il più piccolo

O D

possibile. Nella sgrossatura l’angolo serve ad evitare i tallonamenti del tagliente

5 ÷ 10°. di circa

secondario sulla superficie già lavorate. In genere si adottano angoli di

W: W

- Angolo del tagliente principiale Influenza le componenti della forza di taglio.

elevati consentono maggiori durate, ma determinano un aumento della forza

principale e della forza di repulsione.

W ≤ 0 con pezzi poco rigidi o per realizzazione di spallamenti.

W > 0 in condizioni di lavoro normali e con sistemi macchina,

A pezzo, utensili rigidi.

Si consigliano: W : W P

D W D

- Angolo del tagliente secondario Insieme a determina l’angolo dei taglienti e

quindi influenza la robustezza della punta. dovrebbe avere valori elevati

compatibilmente con l’angolo di registrazione del tagliente secondario che influenza

15

P O D

la rugosità superficiale. Influenza l’angolo da cui dipende la robustezza della punta

(più grande possibile compatibilmente con ).

7. Raggio della punta: Il raggio di punta raccorda la punta dell’inserto

unendo il tagliente principale ed il tagliente

secondario. Influenza la finitura superficiale e la

resistenza della punta dell’utensile. Un grande raggio

di punta offre molti vantaggi in sgrassatura ed in

finitura, aumentando la resistenza anche se tende ad

aumentare le vibrazioni. Viceversa al diminuire del raggio, aumenta la rugosità

superficiale della superficie e diminuisce la resistenza dell’utensile. Per avere una

migliore finitura superficiale generalmente bisogna utilizzare un raggio di punta

ampio con un basso avanzamento al giro.

Forze nel processo di tornitura: / : Forza Risultante

] ^

/ : Forza di Taglio

[ `

/ : Forza di Avanzamento

b

/ : Forza di Repulsione

\ d

/ : Forza Attiva

[ e

/ : Forza di Spinta

Z f

E = Velocità di Taglio

E = Velocità di Avanzamento

g i

E = Velocità di Taglio Effettiva

j

Utensile:

1. Materiali: Nel grafico a sinistra, la durezza di vari materiali di

utensili da taglio è espressa in funzione della

temperatura. L’ampia gamma di ciascun gruppo dei

materiali è dovuto alla varietà delle composizioni e

trattamenti dell’utensile disponibili per ciascun gruppo.

16

Nel grafico a sinistra è raffigurato l’intervallo dei

valori tipici per velocità di taglio ed avanzamento,

per diverse tipologie di materiali ed utensili.

I ceramici (ed i diamanti) si contraddistinguono

per elevate velocità di taglio, mentre i carburi

non riversiti si contraddistinguono per elevati

avanzamenti.

2. Angolo del tagliente: La resistenza meccanica

del tagliente di un inserto

dipende dalla sua forma:

più piccolo è l’angolo del

tagliente, minore sarà la

sua resistenza meccanica.

Per aumentare la

resistenza meccanica del tagliente e per evitarne la rottura prematura, i taglienti

degli inserti sono in genere arrotondati o raccordati.

3. Usura: L’usura del tagliente è influenzata da:

- Alte tensioni di contatto,

- Alte temperature di taglio,

- Velocità relative di scorrimento.

Dipendono da:

- Materiale dello strumento e del pezzo di

lavoro,

- Geometria dello strumento,

- Condizioni di interfaccia,

- Parametri di lavorazione della macchina.

- Il lavoro totale durante la lavorazione si riferisce alla profondità del truciolo.

17

- Il lavoro di deformazione aumenta soprattutto con trucioli più ampi.

ℎ.

- L’attrito sul fianco dell’utensile ed il lavoro di separazione non dipendono dalla

profondità del truciolo

- L’energia spesa durante il processo è quasi completamente trasformata in calore.

- Il calore si sviluppa nella zona primaria di deformazione e la zona di attrito

sull’utensile (zona secondaria di deformazione).

• Meccanismi di Usura: L’usura totale sul bordo è una

sovrapposizione di diversi meccanismi di

usura.

Durante il taglio tutti i distinti meccanismi

d’usura si verificano simultaneamente.

La diffusione e l’ossidazione sono funzione

del livello della temperatura e si verificano

soprattutto ad alte velocità di taglio.

1. Adesione: Tagliente di Riporto:

Questo tipo di usura è provocato dalla

saldatura a pressione del truciolo

sull’inserto. Si verifica soprattutto durante

la lavorazione di materiali con tendenza

all’incollamento, come l’acciaio a basso

tenore di carbonio, l’acciaio inossidabile e

l’alluminio. La formazione di tagliente di

riporto aumenta a basse velocità di taglio.

Usura ad Intaglio:

È un tipo di usura dell’inserto caratterizzato da un

eccessivo danneggiamento localizzato sia sul petto

che sul fianco dell’inserto ed alla profondità della

linea del taglio. È causato dall’adesione (saldatura

dei trucioli dovuto alla pressione) e da una

deformazione della superficie incrudita. Si tratta di

un tipo di usura comune durante la lavorazione di

acciai inossidabili e superleghe resistenti al calore

18

L’adesione è caratterizzata da:

- Basse velocità di taglio provocano basse temperature di contattato tra il

trucio e l’utensile. Questo implica alti contatti di pressione.

- Bassi contatti di temperature, alti contatti di pressione e la predisposizione

dei materiali portano all’adesione.

- L’adesione al bordo può causare taglienti di riporto.

- I taglienti di riporto sono instabili. Essi si staccano dal bordo e scivolano sul

fianco e sulla faccia periodicamente.

2. Abrasione: Usura sul fianco:

È il tipo più comune, ed anche auspicabile,

in quanto consente di avere una durata del

tagliente stabile e prevedibile. L’abrasione

determina l’usura sul fianco, causata dai

costituendi duri del materiale da lavorare.

L’abrasione al bordo è causata da particelle

dure nel truciolo, che penetrano nel materiale

dell’utensile e scivolano sulla faccia e la

graffiano.

Dunque si generano un cratere sulla faccia ed

uno strato usurato (flank war) sul fianco.

3. Meccanica: La scheggiatura o rottura del tagliente è

dovuta a carichi di trazione eccessivi.

Queste sollecitazioni possono dovute a

molteplici cause, come il martellamento

del truciolo, profondità di taglio od

avanzamento troppo elevati, inclusioni

di sabbia nel materiale da lavorare,

tagliente di riporto, vibrazioni od usura

eccessiva sull’inserto.

19

4. Termica: Deformazione plastica:

La deformazione plastica si verifica quando il

materiale da taglio diventa morbido. Questo si

verifica quanto la temperatura di taglio è

troppo elevata per una determinata qualità. In

generale utilizzando qualità più dure e

rivestimenti di spessore più elevato si ottiene una maggiore resistenza alla

deformazione plastica. Quando la temperatura sul tagliente passa

rapidamente da alta a bassa, si possono

formare varie microfessurazioni perpendicolari

al tagliente. Le microfessurazioni termiche sono

connesse ai tagli interrotti, tipici

dell’operazione di fresatura, ed il fenomeno è

aggravato dall’uso di refrigerante.

Caratteristica usura utensile: VB: Lunghezza di usura del fianco.

KM = Distanza dal centro del cratere.

KF = Distanza dal cratere alla linea di bordo.

KB = Ampiezza del cratere.

KT = Profondità del cratere.

20

Usura cratere: Gli indicatori di misura per

la valutazione dell’usura

KT,

del cratere sono la

profondità del cratere

KM

la distanza dal centro del

SV

cratere e la rimozione

del tagliente nella

direzione del fianco.

L’indebolimento del tagliente è il risultato di una massiccia craterizzazione

pericolo di una frazione del tagliente (frattura sul bordo del cratere).

Illustrazione schematica di tipici profili di

usura di utensili da taglio in acciaio rapido

non rivestito e rivestito con nitruro di titanio.

Si noti che il labbro di usura è

significativamente più basso per utensili

rivestiti. I due diagrammi a sinistra

rappresentano l’usura e la

vita dell’utensile.

SI noti che maggiori sono le

velocità di taglio e maggiore

sarà la profondità del labbro

di usura e minore sarà la vita

dell’utensile.

Rugosità superficiale:

- Rugosità Teorica: Rugosità calcolabile teoricamente a partire dalle

caratteristiche geometriche della lavorazione.

1 1 @s)

peq r

o : Distanza massima (espressa in fra le creste predominanti ed i

punti più profondi dei solchi.

1 @s) t

e : Media aritmetica (espressa in dei valori assoluti delle deviazioni del

profilo reale dalla linea media. 21

1 x |t|

1 = v z{

u

e y

1

=

1 peq

4

e

Rugosità Teorica: utensile con raggio di punta nullo

Nella figura a sinistra è rappresento l’andamento della rugosità, mentre in alto a

~ ∙ †‡

destra viene fatto un zoom di un triangolo. †

1 1 1 2

1 ∙ ˆ=

= v|t| z{ = AHH + ABC + CDD′ = ƒ2

D 2

} ~ ~ 2

|

1 = 4 ∙ 1

0 |

e (valida per profili simmetrici e lineari).

† = † ~, O , O

‰ Š

Determinare: ~ = ~ + ~

A 2 ‰ Š

† = ~ tan O = ~ tan O D

‰ Š

~

Quindi: ~ 1 1

~ = † tan O 2

⟹ = †‹ + ⟹ †=

3 Œ

‰ 1 1

~ = † tan O′ 2 tan O tan O D +

… ‡

Š tan O tan O D

~

† 4

= = ⟹ Al crescere di: ~, O, O aumenta 1

1 D

1 1

2

| |

+

… ‡

tan O tan O D 22 O O D

Ruotare l’utensile vuol dire far variare in senso opposto e e quindi le tangenti.

•0

Rugosità Teorica: utensile con raggio di punta Poiché: ••••

••••

2Ž ≤ "%

••••

••••

Ž• ≤ ‘#

< ~

•••• ••••

2Ž = Ž• = 2

SI ha:

~ < ∙ sin O D

2

< ~ < ∙ sin O

2

Quindi si ottiene: ~ ~ Š

Š

•••• •••• •••• •••• •••• ”

“$2 ˜@s™

ƒ ˆ

1 = 1 = $’ − $Ž = $’ − − 2Ž = − − 10 – 10

• •

Š Š Š 2 8∙

peq r ~ =

Nota Bene: Avanzamento. Come si evince dal grafico all’aumentare

dell’avanzamento aumenta la profondità della

rugosità.

- Rugosità Reale: Rugosità che, a causa di molteplici fattori, si ha effettivamente

sul pezzo lavorato. 23

Fresatura:

La fresatura è una lavorazione in cui il pezzo viene fatto avanzare in direzione

opposta ad un utensile rotante con taglienti multipli. Caratteristiche:

- La fresatura è un’operazione di taglio interrotta.

- L’utensile da taglio è chiamato fresa ed i taglienti sono detti denti.

- La macchina utensile è detta fresatrice.

Si distinguono: 1. Fresatura Periferica:

L’asse di rotazione della fresa è parallelo alla superficie

che deve essere

fresata. L’utensile è

generalmente di

acciaio rapido e

presenta un certo

numero di denti, ciascuno dei quali agisce come

un utensile a punta singola. Le frese utilizzate

nella fresatura periferica possono avere denti

dritti od elicoidali, con un’azione di taglio rispettivamente ortogonale od obliqua.

1.1 Fresatura in Discordanza od Opposizione (Up Milling):

L’avanzamento del pezzo è in opposizione alla

direzione della fresa. Dunque la velocità

periferica della fresa nel punto teorico di

contatto risulta di verso opposto alla velocità

di avanzamento .

Vantaggi:

- Le modalità del di contatto del dente non

dipendono dalla geometria del pezzo.

- Eventuali impurità o scaglia sulla superficie non influenzano la durata dell’utensile.

- Forza orizzontale opposta all’avanzamento.

- Contatto continuo dei fianchi dei filetti della vite e della madrevite.

1

Svantaggi:

- Strisciamento iniziale: Usura del dente della fresa, incrudimento del materiale ed

eccesivo riscaldamento del tagliente.

- Forza verticale verso l’alto: Vibrazioni della macchina e distacco del pezzo

dall’attrezzatura. Nelle condizioni cinematiche di

fresatura in discordanza,

assegniamo al sistema fresa – pezzo

una velocità uguale ed opposta alla

velocità di avanzamento.

La velocità relativa varia da - nel

punto a + nel punto , mentre

il punto possiede velocità nulla ed

è quindi il centro di istantanea

rotazione. Se dalla superficie lavorata si conducono tutti i segmenti ad essa normali

e di lunghezza pari ad , si sarà costruita la polare fissa che risulterà quindi una

retta.

Se dalla circonferenza descritta dal punto si tracciano i segmenti ad essa normali e

di lunghezza pari ad , si sarà costruita la polare mobile che risulterà quindi una ,

circonferenza di centro e raggio .

La traiettoria del moto relativo che a noi interessa sarà quella descritta dal punto

appartenente al tagliente, solidale alla polare mobile che rotola senza strisciare sulla

polare fissa. La curva rappresentativa di questo moto è una cicloide allungata, dal

momento che il punto si trova ad una distanza maggiore del raggio dalla

circonferenza di centro e raggio . In figura si è supposto che la

fresa ha un solo dente ed è

rappresentata la superficie

lavorata.

Ovviamente che per un utensile politagliente, la

superficie lavorata si presenta come costituita

dall’inviluppo di tanti archi di cicloide, secondo il

valore dell’avanzamento per dente.

2

1.2 Fresatura in Concordanza (Down Milling):

L’azione di taglio inizia in corrispondenza dello

spessore massimo del truciolo.

Vantaggi:

- Assenza di strisciamento: Buona finitura superficiale,

ridotto riscaldamento del pezzo e del tagliente e

potenza assorbita minore.

- Forza verticale verso il basso: Stabilità del bloccaggio.

Svantaggi:

- Forza orizzontale concorde all’avanzamento: Distacco periodico dei fianchi dei

filetti della madrevite da quelli della vite.

- Urto iniziale: Rischi di rottura del dente. Le stesse considerazioni si possono

svolgere per una lavorazione di fresatura

in concordanza, come mostrato nella

figura accanto.

La traiettoria del moto

relativo fra utensile e pezzo

corrisponde ad una cicloide

allungata ma, in questo caso,

la superficie fresata risulterà

dall’inviluppo degli archi di

cicloide con raggio di

curvatura minore.

3

Confronto tra discordanza e concordanza: A parità di avanzamento per dente,

l’indice di rugosità, proporzionale

all’altezza massima del profilo,

risulterà maggiore per una

lavorazione in concordanza che

non per una lavorazione in

discordanza. Queste considerazioni

puramente geometriche

porterebbero quindi alla

conclusione che in una fresatura in

discordanza la finitura superficiale

è sempre maggiore di quella

ottenibile in concordanza. Considerazioni di carattere pratico, legate essenzialmente

al meccanismo di asportazione di truciolo ed ai sistemi di comando della fresatrice,

conducono invece a conclusioni differenti. Come si evince dal grafico

accanto, in discordanza, un

dente della fresa dovrebbe

iniziare ad asportare truciolo

nel punto e quindi con

spessore nullo. Nelle

condizioni pratiche di

lavorazione questo non

avviene, ma il dente comincia ad asportare truciolo quando davanti ad esso si

formerà, per deformazione plastica, uno spessore minimo di truciolo tale da

consentire al dente di penetrare nel materiale e cominciare quindi la lavorazione. Il

profilo della superficie non risulterà dal

semplice inviluppo di archi di cicloide,

ma si presenterà come in figura accanto,

con un valore di rugosità evidentemente

maggiore del caso teorico. Questo non

accade nella lavorazione in concordanza,

dal momento che il dente attacca il pezzo con uno spessore di truciolo che quasi

istantaneamente assume il valore massimo e si riduce gradualmente fino a zero,

quando il dente non sarà più a contatto col pezzo. In tal caso la finitura della

superficie lavorata risulterà molto prossima a quella prevista con considerazioni

puramente geometriche.

Da quanto detto sembrerebbe più conveniente lavorare in concordanza. Se però si

considera l’inizio del contatto fra dente e pezzo, si può notare come, nel caso della

4

discordanza, il dente, prima di asportare truciolo, striscia su un materiale già

incrudito dal passaggio del dente precedente, usurandosi quindi soprattutto sul

dorso, ma per contro lavorando materiale che non ha subito alcun danno dal

contatto con l’atmosfera e con una variazione dello spessore di truciolo da un

minimo ad un massimo. Viceversa, nella lavorazione in concordanza, il dente, al

momento del primo contatto, subisce un urto, molto pericoloso se la superficie da

lavorare è per esempio ricoperta da uno strato di ossido.

La pratica delle lavorazioni di fresatura ha mostrato che una fresatura in

concordanza conduce ad una migliore finitura superficiale rispetto ad una fresatura

in discordanza, cosa del resto già intuibile dalle considerazioni fatte in precedenza, a

condizione che la macchina sia in buone condizioni e soprattutto che il meccanismo

di alimentazioni presenti giochi trascurabili. La figura a sinistra

consente di fare le

seguenti considerazioni. A

parità di tutte le

condizioni, nel caso della

discordanza, la

componente verticale

dello sforzo di taglio

tende a sollevare il pezzo

dalla tavola porta pezzo.

Poiché questo sforzo è variabile durante il contatto, perché è variabile lo spessore di

truciolo, si innescheranno fenomeni di vibrazione che fanno scadere la finitura

superficiale. Nella concordanza invece la stessa componente tende ad accoppiare

stabilmente il pezzo alla tavola porta pezzo e quindi sono le stesse azioni di taglio

che combattono l’insorgere delle vibrazioni.

La componente orizzontale dello sforzo di taglio, nel caso di fresatura in

discordanza, tende a recuperare automaticamente il gioco esistente tra vite e

madrevite della tavola porta pezzo, mentre nella fresatura in concordanza la stessa

componente esalta il gioco. In tal caso, durante la lavorazione, vi saranno momenti

nei quali la tavola porta pezzo si fermerà, quando la vite e la madrevite saranno

disaccoppiate, salvo a riprendere il moto quando i fianchi dei filetti della vite

torneranno di nuovo a contatto con i corrispondenti fianchi dei filetti della

madrevite. È evidente che il movimento del pezzo avverrà ad intervalli discreti e non

con continuità, conducendo ad una finitura superficiale assolutamente inaccettabile.

Solo se la fresatrice è dotata di un sistema di avanzamento esente da giochi (ad

esempio viti a ricircolazione di sfere precaricate), sarà possibile lavorare in

concordanza. 5

Parametri di Taglio:

Vengono di seguito elencati alcuni dei principali parametri da prendere in

considerazione in un’operazione di fresatura periferica, già incontrati in precedenza,

aggiungendone altri di particolare utilità.

- Velocità di taglio : ∙ ∙

= 1000

dove: $ %

= Diametro della fresa

, -

= Velocità angolare + .

Un primo valore di tentativo viene assunto ricorrendo a tabelle, generalmente

fornite dal fabbricante dell’utensile. Il valore ottimare verrà poi determinato

mediante algoritmi, costruiti in funzione del processo produttivo nel quale la

lavorazione è inserita.

- Avanzamento: /

0

1. Avanzamento per dente:

/

1

2. Avanzamento per giro: /

2

3. Avanzamento al minuto: 3

Queste grandezze, indicando con il numero di denti della fresa e la velocità

angolare di taglio, sono legate fra loro dalle relazioni:

/ /

/ = =

1 2

3 ∙3

0

I principale fattori che influenzano la scelta dell’avanzamento, in un’operazione di

sgrossatura sono:

- Natura del materiale da lavorare.

- Resistenza del materiale dell’utensile.

6

- Dimensioni della superficie da fresare.

- Resistenza del meccanismo di avanzamento.

In operazioni semi finitura e finitura il parametro più importante è la rugosità

imposta al pezzo finito. 4 5

profondità di passata e la larghezza di taglio si ricavano da tabella.

La 6

L’angolo di contatto è l’angolo formato dai

due raggi della fresa che passano per i punti

esterni di contatto fra utensile e pezzo,

misurato in un piano normale all’asse di

rotazione della fresa.

Dalla figura adiacente si ricava:

24

cos 6 = 1 7

9

Lo spessore indeformato è l’interferenza,

continuamente variabile, fra utensile e pezzo,

misurato in direzione radiale e varia lungo

l’intero arco di contatto.

:) :::)

All’inizio del contatto (posizione lo spessore di truciolo è uguale a zero ed

immediatamente prima della fine del contatto (posizione assume il valore

massimo dato dalla relazione approssimata:

9 < / sin 6

2 ; 0

Il numero di denti simultaneamente a contatto, nel caso di fresa a denti dritti, è

6∙3

dato da: = 360

Se 1 A A 2 il numero di denti contemporaneamente in presa è al massimo uguale a 2

Se 2 A A 3 il numero di denti contemporaneamente in presa è al massimo uguale a 3

? ………

Se 7 1 A A 1 il numero di denti contemporaneamente in presa è al massimo uguale a

7 24

Ricordando che: cos 6 = 1 7 4 3

si vede che il numero di denti simultaneamente in presa dipende dalla profondità di

passata, dal diametro della fresa e dal suo numero di denti. Maggiori saranno e

3

e minore , maggiore risulterà il numero di denti che lavorano

contemporaneamente. Nel caso che i valori di e di siano imposti, dipenderà

solamente dalla profondità di passata.

$ %

F

Il tempo di lavorazione è dato da:

G HIJIΔ

F= = ∙ 3 ∙

/ /

2 0

dove: $ %.

G = G :

• Lunghezza totale dello spostamento relativo fra utensile e pezzo

::.

Nella figura, corrisponde allo spostamento del pezzo dalla posizione alla

posizione $ %.

H =

• Lunghezza della superficie fresata

$ %.

J =

• Accostamento dell’utensile

$ %,

Δ = 1 A Δ A 5.

• Extracorsa generalmente

/ = 22

2 2NO

• Velocità di avanzamento . J

L’accostamento dell’utensile è definito come la

P Q

distanza, misurata nella direzione di avanzamento,

fra il punto inziale di contatto ed il punto di

QR

massimo arco di contatto tra utensile e pezzo.

J

Considerando il triangolo rettangolo si può

ricavare il valore di mediante la relazione:

V V

ST X

W4

7 7 4U = ∙ 7 4Y

J = U T 2

2

8

- Spessore del truciolo: Con alcune ipotesi semplificative:

- Trascuriamo il centro di istantanea rotazione.

- Un solo dente in presa.

-Denti dritti.

Lo spessore del truciolo vale: \\\\ \\\\ \\\\

ℎ = < 5 = sin ] = ^ sin ]

[ 0

lo spessore medio: 1 b ^

c

= a ℎ b] = 2

ℎ 0

^ e

2_` [

d

lo spessore massimo: b- b-

2S

ℎ = ^ sin e = ^ ∙ 7

T1 U

2 ; 0 0

Condizione per la continuità delle azioni di taglio nella fresatura periferica:

Il dente di una fresa a denti dritti, durante il taglio, resta a contatto col pezzo per

tutta la sua lunghezza contemporaneamente. Questo comporta, come visto,

variazioni di sezione di truciolo e, di conseguenza, delle forze che agiscono durante il

taglio.

Supponiamo che un solo dente di una fresa a denti dritti sia in contatto col pezzo.

Ciò significa che il dente precedente ha già lasciato il pezzo e che il dente

considerato è appena entrato in contatto col pezzo. Da questo istante la sezione di

truciolo aumenterà gradualmente dal valore nullo al valore massimo, annullandosi

nuovamente quando il dente lascia il pezzo.

L’azione di taglio è più uniforme di quella appena descritta se due o tre denti sono

impegnati contemporaneamente. In tal caso le variazioni di sezione di truciolo non

saranno molto brusche.

E' tuttavia impossibile mantenere le forze di taglio costanti nel tempo quando si

lavora con frese a denti diritti, per quanto grande sia il loro numero

contemporaneamente in presa. Un'azione di taglio uniforme richiede che la sezione

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Ghero33

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria meccanica (FIRENZE, PRATO)
SSD:
Università: Firenze - Unifi
A.A.: 2016-2017

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Ghero33 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Tecnologia meccanica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Firenze - Unifi o del prof Scippa Antonio.

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