Tecnologia meccanica asportazione di truciolo e saldatura (III parziale)

Asportazione di truciolo e saldatura

Capitolo 1 - Fondamenti lavorazione

La lavorazione che permette geometrie che altri processi non consentono (es. spigoli vivi) ha dei tempi di lavoro maggiori rispetto agli altri processi però permette di avere tolleranze e rugosità migliori. Parto da un volume di materiale che contiene il volume del pezzo finito, la lavorazione consiste nell’eliminare la parte di materiale in eccesso. Posso fare ciò con processi di asportazione di truciolo o per abrasione (tipo asportazione truciolo ma per quantità di materiale infinitesimali, permette di realizzare tolleranze molto strette).

Noi ci occuperemo dei processi di asportazione tradizionali: tornitura, foratura, fresatura, ma anche segagione e brocciatura che però si basano sui processi precedenti.

Vantaggi e svantaggi

Vantaggi:

• Elevata varietà di materiali di lavoro possono essere lavorati.
• Usato più di frequente per tagliare materiali metallici.
• Varietà di forma delle parti e caratteristiche geometriche speciali possibili: Filettature delle viti, fori rotondi precisi, bordi e superfici molto dritti, buona precisione dimensionale e finitura superficiale.

Svantaggi:

• Spreco di materiale: i trucioli generati nella lavorazione sono materiale sprecato.
• Tempistiche lunghe: un'operazione di lavorazione richiede generalmente più tempo per modellare una data parte rispetto ad altri processi.

OSS. La lavorazione fornisce la forma finale, le dimensioni, la finitura e dettagli geometrici speciali che altri processi non possono creare.

Lavorazione

L'utensile deforma i grani ed asporta il materiale. Il materiale ruota intorno al suo proprio asse. Si avrà una variazione del diametro del pezzo, il diametro sarà accorciato di una quantità corrispondente allo spessore di sovrametallo che ho asportato. Chiamo piano di scorrimento il piano in cui ho scorrimento del materiale indotto dalla pressione dell’utensile.

OSS. Si ottengono, per costruzione dell’utensile stesso, oggetti assial-simmetrici. Petto dell’utensile = superficie dove scorre il truciolo. Velocità di taglio = velocità con cui l’utensile vede arrivare il materiale sul tagliente. Flank = dorso dell’utensile.

Tagliente = intersezione tra la superficie del petto e la superficie del dorso dell’utensile genera una linea che è il tagliente, cioè quello che genererà la superficie lavorata. Parte caratterizzata da uno spigolo vivo (nella realtà non sarà esattamente spigolo vivo ma sarà caratterizzata da un certo angolo di raccordo).

Angolo di spoglia superiore = α = angolo tra petto dell’utensile e la normale alla velocità di taglio (lo considero positivo quando angolo tra velocità di taglio e il petto dell’utensile è maggiore di 90°, negativo quando angolo tra velocità di taglio e il petto dell'utensile è minore di 90°).

Angolo di spoglia inferiore = Φ o gamma = angolo tra dorso dell’utensile e la direzione della velocità di taglio (valore sempre positivo, valore negativo è impossibile perché corrisponderebbe a compenetrazione tra utensile e pezzo lavorato).

Tipologie di taglio

Taglio ortogonale = pezzo perpendicolare alla direzione di formazione di truciolo. Taglio libero = tagliente ha lunghezza maggiore della sezione trasversale pezzo.

Noi considereremo sempre tagli ortogonali liberi. Adottare l’ipotesi di taglio ortogonale libero ci permette di fare l’ipotesi che in ogni piano di sezione perpendicolare al petto dell’utensile ci sia sempre la stessa cinematica, si ha formazione del truciolo sempre nello stesso modo.

Analisi matematica forze in gioco

Φ è l’angolo nel quale ipotizziamo avvenga il taglio. Si noti che t è un parametro di processo quindi facilmente calcolabile/rilevabile. Considero che il processo è di deformazione plastica a taglio portato fino a rottura.

Per stimare le forze in gioco studiamo l’equilibrio del truciolo, consideriamo il truciolo come materiale a sé stante. Si osserva che tra truciolo e petto si forma uno scorrimento e quindi un attrito.

Forze che agiscono su un utensile da taglio durante il taglio bidimensionale. Notare che la forza risultante, R, deve essere allineata con R’ per bilanciare le forze. L’equilibrio delle forze è il seguente: Di tutti i possibili angoli a cui può verificarsi la deformazione di taglio, il materiale da lavorare selezionerà un angolo del piano di taglio Φ che minimizza l'energia (calcolato da Merchant tramite considerazioni energetiche).

β è l’angolo tra il petto e il dorso dell’utensile. Con beta angolo di attrito.

Φ = 45 + −2

OSS. Se aumento molto Φ devo avere una riduzione dell’angolo β e ciò mi comporta una minore resistenza dell’utensile perché dato che è più appuntito resiste peggio alle sollecitazioni.

Attraverso passaggi matematici si ottengono le seguenti espressioni analitiche delle forze in gioco:

F è la forza totale, suddivisa nelle sue componenti F e F_z c f. F è la forza di taglio cioè quella che darà origine alla potenza di taglio. F è una forza perpendicolare alla velocità di taglio quindi non fa lavoro, agisce sull’utensile e lo allontana dal pezzo, è identificabile con la forza di repulsione.

La differenza tra il caso ideale e quello reale è che il tagliente non viene considerato perfettamente appuntito ma con un raggio di raccordo. Dato che non è più perfettamente appuntito ciò che avviene non è più esattamente tagli ma avrò anche una deformazione di tipo trafilatura lungo la superficie di contatto.

Nella deformazione ideale ho deformazione lungo una sola direzione, nel caso non ideale devo valutare l’attrito. Ho attrito coulombiano quando le pressioni non sono elevatissime, quando lo sono ho il fenomeno dell’attrito adesivo. Si formano due zone di deformazione secondaria: una a causa dell’adesione e un’altra a causa della ricalcatura (o trafilatura, possiamo associare la deformazione anche a questa tipologia di lavorazione).

Da questa immagine possiamo vedere come si modifica la forma dei grani durante il processo di formazione e asportazione del truciolo.

Si osserva che nel caso di lavorazioni reali e non ideali la relazione di Mechant deve essere modificata perché non risulta più adeguata per descrivere il processo.

2Φ + − = 2 : 2Φ + − = che dipende dal materiale.

Temperatura utensile durante asportazione di truciolo

L’energia di deformazione viene trasformata in calore durante le lavorazioni. La fonte di calore è la zona di plasticizzazione primaria. Il calore fluisce nel pezzo, truciolo e infine per contatto col truciolo nell’utensile. Il truciolo è quello che subisce di più il calore e questo è buono dato che è la parte di scarto. Il truciolo però è sempre in contatto con l’utensile che quindi si ritrova costantemente sottoposto a flusso di calore quindi le temperature più alte saranno quelle corrispondenti all’utensile, andrà quindi raffreddato. Il materiale subisce surriscaldamenti modesti. Il picco di temperatura non è sul tagliente ma nella zona di attrito adesivo che si trova ad una certa distanza dal tagliente.

Velocità di taglio elevate permettono di garantire minor surriscaldamento dell’utensile, miglior finitura superficiale e una maggiore produttività, ci sono però delle complicazioni a livello di controllo delle macchine utensili.

Forma del truciolo

La forma del truciolo è caratteristica del processo, può essere significativa per distinguere un processo da un altro ma anche per distinguere una lavorazione corretta da una non corretta.

• Discontinuo = tanti piccoli separati oppure un unico truciolo molto segmentato. Si forma quando si hanno materiali fragili, basse velocità di taglio, alti avanzamenti e profondità. Non permette buona finitura superficiale.
• Continuo = pericoloso per l’operatore perché fortemente tagliente, talvolta di grandi dimensioni (si utilizzano rompi-trucioli) ed ad elevate temperatura. Permette buona finitura superficiale. Si forma quando si hanno materiali duttili, elevate velocità di taglio, piccoli avanzamenti e profondità.

Esiste anche una condizione intermedia. I migliori sono i piccoli trucioli che si separano facilmente.

Classificazione

• Monotaglienti = prevalentemente utilizzati in tornitura.
• Pluritaglienti = prevalentemente utilizzati in fresatura, si possono vedere come un insieme di tanti oggetti monotaglienti.

Capitolo 2 – Tornitura (Turning)

Processo che permette di ottenere qualsiasi tipo di geometria del pezzo purché sia assialsimmetrica. Moto di taglio dato al pezzo, è il pezzo che gira. La velocità periferica del pezzo cioè quella riferita alla parte di materiale a contatto col tagliente da origine alla velocità di taglio nel punto di contatto.

Velocità di avanzamento = feed = moto di alimentazione, porta sempre nuovo materiale in contatto col mandrino, può non essere parallela all’asse del pezzo.

Tipologie di lavorazioni per tornitura

• Troncatura rettilinea (straight turning) – feed parallela al pezzo, si ottengono corpi cilindrici, il diametro finale corrisponde a quello iniziale meno due volte la profondità di passata (parametro che abbiamo imposto noi per effettuare la lavorazione).
• Troncatura (cutting off) – tramite utensili particolari, il tagliente principale è parallelo alla velocità di rotazione.
• Spianatura (facing) – due taglienti, moto di alimentazione è radiale, si ottiene una superficie piana perpendicolare all’asse di rotazione del mandrino.
• Generazione di scassi laterali o frontali (face grooving)
• Fare filettature sia interne che esterne (threading)
• Foratura (drilling)

Posso avere varie tipologie di utensile, a seconda di quale uso otterrò un diverso profilo filettato, può capitare anche di avere il tagliente secondario completamente impegnato come il primo.

Caratteristiche utensile

Considero sezione perpendicolare al tagliente principale (quello più esteso), individuo delle superfici una del petto e uno di dorso. Devo definire angoli di spoglia, li prendo rispetto alle superfici di collegamento che abbiamo usato per costruire l’utensile.

Trovare angolo di spoglia superiore: 1 si prende tagliente, 2 si taglia con piano ortogonale al tagliente, 3 in questo piano disegniamo la velocità di taglio, 4 in questo piano disegniamo la normale alla velocità di taglio, 5 quindi l’angolo che il petto dell’utensile forma con questa normale individua l’angolo di spoglia superiore e l’angolo che il dorso dell’utensile forma con questo piano individua l’angolo di spoglia inferiore. Questi sono gli angoli caratteristici dell’utensile in condizioni nominali cioè quando la velocità di taglio è normale, se è diversa gli angoli cambiano (è importante considerare sempre gli angoli effettivi).

Materiale utensili: acciai al carbonio (elevati costi di affilamento, poco usati attualmente, usati spesso in passato), acciai rapidi, talvolta materiali ceramici. La scelta del materiale dei mandrini è legata alla scelta del materiale che dovrà lavorare, il mandrino dovrà avere una durezza più elevata del materiale da lavorare (se così non fosse sarebbe il mandrino quello che subisce la deformazione).

Angolo di registrazione = angolo che mi dice quanto è inclinato il tagliente rispetto alla velocità di avanzamento. Se durante la lavorazione l’angolo di registrazione cambia con continuità e questo ha degli effetti nella lavorazione. Il costruttore da informazioni sugli angoli nominali considerando come riferimento il montaggio dell’utensile parallelo agli assi della macchina, a noi interesseranno i parametri reali per stimare le forze in gioco effettive.

Profondità di passata = quanto il tagliente penetra il materiale da lavorare. L’angolo con il quale il tagliente arriva sul pezzo, cioè l’angolo di spoglia, fa variare la zona nella quale si formerà il truciolo. Di solito si preferiscono angoli positivi anche se questo comporta l’aggiunta di dispositivi rompitruciolo.

Posizionamento errato utensile

Osserviamo cosa succede se posiziono l’utensile in un punto sbagliato ad esempio più basso rispetto al piano di lavoro. L’utensile nel punto di contatto vedrà una velocità che non è più quella di taglio ma una velocità periferica del pezzo in quel punto che è inclinata. Se prendo la normale alla velocità di taglio traccio la linea, ottengo un utensile che nominalmente aveva un angolo di spoglia positivo ma per come è stato montato lavora con un angolo di spoglia negativo (diminuisce angolo di spoglia superiore e aumenta quello inferiore).

Forze di taglio

Le forze che si formano durante il processo di asportazione posso essere scomposte, nel punto di contatto, per tipologia:

• F_C è la forza di taglio dovuta alla generazione del truciolo, dipende sostanzialmente dell’angolo di spoglia superiore.
• F_F è la forza nella direzione del feed cioè la forza che dobbiamo vincere per portare nuovo materiale al tagliente per poi generare nuovo truciolo.
• F_P è la forza di repulsione che agisce nella direzione x ed è l’unica che non fa lavoro.

F cioè la risultante della forza di avanzamento F_D più la forza di repulsione F_P ed agisce sul piano di lavoro (= xz), la direzione dipende molto dall’angolo di registrazione del tagliente di conseguenza al variare dell’angolo registrazione riesco a modulare queste due forze in gioco: al >> dell’angolo di registrazione tende a sparire la forza di repulsione e rimane solo una forza di avanzamento, al << dell’angolo di registrazione si abbasserà una ed aumenterà l’altra.

La risultante di queste tre forze (F_C, F_F e F_P) è la vera e propria forza di taglio che dovremmo considerare nella generazione del truciolo per avere un risultato rigoroso, di fatti si fa un’approssimazione e si considera solo la forza di taglio F_C o al massimo F_C e F_F. Il calcolo del modulo di queste forze dipende dalle formule che abbiamo visto nell’introduzione, per le costanti ci sono due filoni di opzioni per il modelli.

L’approssimazione lineare è più teorica, tramite il calcolo numerico siamo in grado di introdurre un coefficiente correttivo che varia esponenzialmente e è in grado di garantire più accuratezza nel calcolo dei valori. Prodotto bh è l’area della sezione del truciolo che se rimane inalterata significa che il truciolo è costante. Possiamo vedere l’effetto della variazione dei vari parametri con i seguenti grafici.