Asportazione di truciolo A. Boschetto L....

Asportazione di truciolo

Tecnologie Meccaniche

1A. BoschettoL. Bottini




Distacco di alcune parti di materiale dal pezzoattraverso l’interazione con utensili che agisconoin maniera progressiva

Lavorazioni per asportazione di truciolo

Taglio ortogonale

- cinematica del taglio- meccanica del taglio- parametri di lavorazione- risultati delle lavorazione- macchine e processi




Azione di utensile elementare

misure sperimentali mostrano:- produzione di calore- spessore del truciolo hc > ho - durezza del truciolo > durezza metallo base

la formazione del truciolo avviene per deformazione plastica

utensile

truciolo

materiale in lavorazione

ho

hc

Formazione del truciolo




Fluente, continuoframmentato, indica che nella zona di deformazione primaria si è avuta unavariazione della direzionedi deformazionevibrazioni,irregolarità, durata inferiore di utensile.

Segmentato tipico di materiali duri ma tenaci (acciai alto carbonio).Si ha modesta deformazione nella zona secondaria.

Fluente, continuo,tipico di materiali duttili(acciai basso carbonio,alluminio, alcune leghe leggere). La deformazione e l’attrito nella zona di deformazione secondaria portano a notevole produzione di calore.

Ad elementi staccatitipico di materiali duri,fragili (ottone, ghisa).Non si ha deformazione nella zona secondaria.

Tipi di truciolo




Dispositivo quick stop tests

Metodi per analizzare la deformazione plastica durante la lavorazione

- taglio interrotto- microscopia ottica ed elettronica della morfologia del truciolo




Truciolo continuo Truciolo segmentato Truciolo discontinuo

zona di deformazione plastica secondaria

zona di deformazione plastica primaria




IPOTESI:- larghezza del tagliente maggiore

di larghezza del pezzo- velocità di taglio costante lungo tagliente- tagliente perpendicolare alla velocità di taglio

TAGLIO ORTOGONALE LIBERO




angolo di scorrimentohc spessore del trucioloho spessore del truciolo indeformatorc = hc / ho fattore di ricalcamentogeometricamente:rc = sen ( ) / cos ( )

ho

hcFormazione del truciolo




ANGOLI DI TAGLIOangolo di spoglia frontale > 0, < 0, = 0 angolo di spoglia dorsale > 0angolo di taglio > 0

+ + = 90°

g

b

a

+-

Utensile elementare




E’ necessario trovare il piano sul quale si ha lo scorrimento.Un piano caratterizzato da un certo nel quale la s sia massima E necessariamente maggiore della resistenza alla deformazione del materiale.La forza Fz che provoca scorrimento su quel piano è quindi la forza minima chepuò formare truciolo.Il problema è quindi quello di trovare una espressione Fz = f( ricavare il valore di che rende minima la F

Studio cinematico e dinamico

la forza generica che si scambiano utensilee pezzo può essere scomposta lungo direzionidi interesse tecnologico:

- direzione velocità di taglio potenza di taglio scelta macchina e parametri- direzione perpendicolare inflessione pezzo tolleranza di lavorazione- direzione petto utensile usura utensile cambio utensili- direzione piano di scorrimento minima forza condizioni per il taglio

Meccanica del truciolo




Truciolo

Utensile

Piano di scorrimento

Pezzo

Angolo di spoglia frontale

permette di ottenere la deformazione: s = cot + tan ( )

e poi (minimizzando s )

s = AB/CO=(AO+OB)/CO

Modello di Pijspanen per la formazione del truciolo




VfVt velocità relativa utensile pezzo

velocità di taglio Vs

Vs velocità relativa truciolo pezzovelocità di scorrimento Vt

Vf velocità relativa truciolo utensilevelocità di flusso

Vt x ho = Vf x hc Vt = Vf x rc Vs = Vf cos/ sinφ

ed infine la velocità di deformazione s = Vt / d cos / cos ( )

Con varie relazioni è possibile determinare tali valori

.

.

Misurando d c.a. 1/1000÷1/100 mm La velocità di taglio 2m/s c.a. 10° c.a. 40°

Questa velocità di deformazione è molto maggiore di quella utilizzata nella prova di traziones [ 102 - 106 s-1 ]




Il truciolo è in equilibrio sottol’azione dell’utensile e la reazionedel pezzo

Modello di Merchant




Scomposizione della forza risultantesecondo il ‘cerchio di Merchant’

R = SQR ( Fz2 + Fx

2 )

Fz = R cos ( )

Fx = R sen (

Fs = R cos ( ) = Fz cos Fx sen

Fn = R sen ( ) = Fz sin Fx cos

T = R sen e N = R cos




Sul piano di scorrimento

cos sinsins s

ss

RF FS S S

sin sinsinn n

ss

RF FS S S

0cos coscos sin cos

s sz

F hF

0 1S h




derivando rispetto a ed uguagliando a zero:

cioè:

2 2

cos cos sin sin0

sin cosz

sdF Sd

cos cos sin sin cos 0




Relazione di Ernst - Merchant

2 = / 2

angolo di scorrimento: - diminuisce con l’aumentare dell’angolo di attrito- aumenta con l’angolo di spoglia frontale

L’evidenza sperimentale mostra una certa differenza da tale relazione e allora Merchant, considerando anche la s, secondo la s = o + k sha proposto la:

2 =

la determinazione sperimentale di permette un migliore accordo




FORZA DI TAGLIO

Metodo del s(analitico)

cos 2sin cosz sF S

sin 2sin cosx sF S

- difficile determinazione s e - alcune ipotesi semplificative per ottenere soluzione

0 1S h




- tiene conto della reale situazione tecnologica- le approssimazioni sono più che accettabili e si evitano molti calcoli

Il metodo è prettamente tecnologico in quanto la determinazionedel Ks viene fatta attraverso la misura delle forze di taglio nelle condizioni reali di lavoro

Determinazione del Ks

- si scelgono alcune condizioni sperimentalispessore del truciolovelocità di taglioangolo

- si effettuano prove di taglio e si misura la Ft- si calcola Ks = Ft / Ao

Ao = ho b = a p sezione del truciolo indeformato

Fz = Ks A(sperimentale)

Forze di lavorazione Metodo del Ks




Relazione pressione (energia) specifica di taglio / spessore truciolo indeformato

Ks = Kso h-z

prove sperimentali per vari materiali danno i risultati riportati in tabellaacciai ghise ottoni leghe leggere

z 0.197 0.137 0.255 0.060

Relazione di Kronemberg: Kso = 2.4 Rm0.454 0.666 [ daN/mm2 ]

log Ks

log ( Ao , ho )

Ks

Ao , ho

Attenzione: ha una validità limitata ad alcuni acciai lavorati con utensili HSS




La conoscenza della forza principale di taglio permette inoltre attraverso relazioni empiriche la determinazione delle altre forze di interesse tecnologico, Fn e Fa (normale e avanzamento)

Metodi e strumenti per la misura delle forze di taglio

trasduttorimagnetici

trasduttori capacitivi

trasduttoriinduttivi

celle di caricopiezoelettriche

celle di caricoelastiche




in funzione dell’angolo

in funzione della velocità di taglioFt serve principalmente per la determinazionedella potenza di taglio

Fa influenza inflessione utensile, contribuisce (poco) alla potenza di taglio

Fr determina principalmente l’inflessione delpezzo e quindi le tolleranze di lavorazionenon contribuisce alla potenza di taglio




Potenza di lavorazione

- Velocità di taglio- Forza di taglio

( P = L / t = F · s / t = F · V )

Potenza di taglio:

Potenza di avanzamento: - Velocità di avanzamento- Forza di avanzamento

Potenza di repulsione: - Velocità di repulsione - Forza di repulsione

Dati noti: Vt, Ft, Va, Vr

inoltre: Fr = 15-25 % Ft Fa = 20-30% FtP = Vt · Ft + Va · Fa




Parametri di lavorazione

- angolo di spoglia frontale γ diminuisce Fttruciolo fluentemigliora finitura superficialeminori potenzeminore usura utensileutensile meno robusto

sgrossatura max 6° finitura fino a 20° (alluminio)

- angolo di spoglia dorsale α evita strisciamento del dorso dell’utensileevita danneggiamento superficie lavoratadeve essere - piccolo per non indebolire l’utensile

- grande per non causare strisciamento- grande se E è piccolo (alluminio)

acciai 6-8° Al 10-12°

Utensile

Forma dell’utensile




Materiali dell’utensile

- Effetti termici- Effetti meccanici- Usura

- Durezza alta temperatura- Elevata resistenza meccanica staticae dinamica ad alta temperatura

- Resistenza all’abrasione

I materiali per utensili nella storia




Durezza vs. temperatura




durezza a caldo vs. tenacità




Acciai alto legati medio carbonio (0.7)alto contenuto di elementi di lega (W 18%, 4 Cr, 2.5 Co, 1 V)adeguato TT --> formazione di WC e CrCgrani fini (Cr)resistenza all’usura (V4C3)durezza a caldo (Co in soluzione)fucinatura (900 °C) tempra (1250 °C) rinvenimento (580 °C) X75W18KUTF X80WCo1818KUTFVt 80 m / min

Carburi sinterizzati WC (>90%), Co (legante, <10%)TiC resistenza all’usuraTaC resistenza alla craterizzazioneNbC tenacità, durezza a caldoVt 200 m / min

Carburi ricoperti TiN TiC Al2O3 TiCN ZrN ottima resistenza all’usura, buona tenacità




Produzione insertisinterizzati in WC




Ricoprimenti multistrato




Utilizzo insertisinterizzati

Porta-utensiliRompi-truciolo




Tipi di bloccaggio




Lavorabilità

attitudine del materiale ad essere lavorato per asportazione di truciolo

criteri per valutare la lavorabilità di un materiale

finitura superficialevita utensileforze e potenzeevacuazione del truciolo

Le prove per determinare la lavorabilità devono necessariamente essere di tipo tecnologico:usura utensile (microscopia), forze di taglio (dinamometri), finitura superficiale (rugosimetri) determinati nelle condizioni di lavoro, per certi set di parametri tecnologici

Materiale in lavorazione




Dipende da varie caratteristiche

- del materiale - composizione chimica- lavorazioni / trattamenti deformazione plastica

subiti in precedenza incrudimentoricristallizzazionetrattamenti termici

- caratteristiche strutturali fasidimensioni dei graniorientazione dei grani

- della tecnologia / lavorazione sgrossatura / finitura fresatura concorde / discordelubro-refrigerazione

- dell’utensile materialeangoli di spogliarompitruciolo




Acciai al piombo (particelle lubrificanti) Ghise fragiliallo zolfo (particelle infragilizzanti) truciolo cortoal calcio (particelle desossidanti) abrasività cementiteal carbonio (vedi HB -> Ks)inox - tenacità (austenitici) Compositi sollecitazioni variabili

- abrasività (martensitici) urti/usura/vibrazioni

Alluminio bassa HB Ottone truciolo cortobuona finitura superficiale lunga durata utensilialta Vt

Magnesio basso Ks Leghe Ni alta R ad alta temperaturaincrudimento / tenacità

Titanio bassa conducibilità termica / alto Ks




Cause: - deformazione plastica zona primaria- attrito utensile truciolo- deformazione zona secondaria

Dipende da: - Vt velocità di taglio- Ks energia specifica di taglio- ho spessore truciolo- c calore specifico- conducibilità termica

Si ripartisce: - utensile - pezzo- truciolo

R aumenta se u / m aumenta

a bHSS 0.5 0.4WC 0.2 0.12

utensile

pezzo truciolo

QRQ Q

0a b

tT V h

Temperatura di taglio




Stima della temperatura

Analisi sperimentale

utensile può: essere toccatoessere vistonon essere toccato né visto mercurio

isolante contatto elettrico

pirometro fresa

pezzo

macchina utensile

pirometro

termocoppia




Analisi numerica modellazione del processo, ad esempio con Equazioni di Fourier sulla trasmissione del calore

Analisi dimensionale

assumendo come variabili del processo di taglio

1. Vt (m / min) velocità di taglio [ L t-1]

2. A (mm 2) sezione del truciolo [ L2 ]

3. ks (N / mm2) pressione di taglio [ M L-1 t-2 ]

4. (W / m K) conducibilità termica del materiale [ M L t -3 T-1]

5. C (J / mm3 K) calore specifico (per unità di volume) [ M L-1 t -2 T-1 ]

6. T temperatura [ T ]




si determinano le 2 grandezze adimensionali:

affinché le grandezze siano adimensionalila somma degli esponenti di tutte le dimensionidevono essere = 0

1

2

, , , ,

, , , ,

a b c dt s t s

e f g it s t s

Q f V C K T V K C T

Q f V C K A V K C A

2 3 21

2 3 2 22

ba a b b c c c c d d d d

fe e f f g g g g i i i i

Q L t M L t M L t T M L T t T

Q L t M L t M L t T M L T t L

0 1 2 0 0 20 0 1 0

,2 3 2 0 2 3 2 0 0 2

1 0 0 1 2

L a b c d L e f g a eM b c d M f g i b ft a b c d t e f g i c gT c d T g i d i




Sperimentalmente si trova fra Q1 e Q2una relazione empirica:

Q1 = C0 Q2n

per gli acciai :C0 = 0.4n = 0.3 (0.5)

Log Q1

Log Q2quindi (per n = 0.3):

= Co Ks Vt0.6 A0.3 / 0.6 C)0.4

1s

TQ KC

2

2 2

2

tV AQ

C

quindi:




Formazione del tagliente di riporto Built Up Edge (BUE)

Truciolo

Tagliente di riporto

Pezzo

Deposito

Utensile

Deposito




Riduzione del tagliente di riporto:

+ velocità di taglio

Aumento della temperatura all’interfaccia

Miglioramento delle condizione di attrito

- velocità di taglio+ temperuta ambiente+ angolo di spoglia frontale

+ lubrificazione




Meccanismi di fuori servizio utensile

DEFORMAZIONI PLASTICHE

modifica della forma dell’utensile,

degli angoli di taglio e delle dimensioni

ROTTURA FRAGILE

Di tipo improvviso

USURA PROGRESSIVA

Graduale modifica della geometria




Meccanismi di usura: - adesione- abrasione- diffusione- fatica

Modifica forma utensile: - cratere di usura- labbro di usura

Conseguenze: - aumento di Ft - aumento di T - indebolimento utensile

Usura utensili




Tagliente di riportoRotturaScheggiatura Criccatura da fatica

meccanicaMicrofessurazione

termica

Intaglio sul tagliente secondarioDeformazione plasticaCraterizzazioneUsura sul fianco

Principali forme diUsura degli utensili




• diretta- microscopio- rugosimetro- fotografia (analisi di immagini)- pesate differenziali

• indiretta- isotopi radioattivi- finitura superficiale- misura delle forze- misura della temperatura- vibrazioni

Misura dell’usura




AB

C

VB

Tempo di contatto

Usura dorsale

labbro d’usura VB

a: rottura del filo taglienteb: usura progressiva a V costantec: aumento catastrofico

VB




Usura progressiva

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Tempo di lavorazione [s]

Vb [m

m]

Utensile WC non rivestitoMateriale: Al6061 con 10% Al2O3




volumecratere

tempo di contatto

Vt

adesione, tagliente di riportodiffusione, reazioni chimiche

temperatura superficie utensile

°C500 600 700 800 900

acciaiosuperrapidocarburo

Usura frontale

Volume del cratere




Criteri di usura

Cratere di usura KT / KM 0.1

KT 0.1 + 0.3 f

Labbro di usura 0.3 – 1.0

Un utensile deve essere cambiato quando: - la lavorazione supera i limiti di tolleranza

- la rugosità supera i valori ammissibili

- il labbro di usura è troppo grande

- il petto dell’utensile presenta un crateretroppo grande




Influenzata da - materiale da lavorare- spessore truciolo- angolo di spoglia frontale- velocità di taglio- lubrorefrigerazione

approccio sperimentale

Ln Du

Ln Vt

Durata utensili




Relazione di Taylor ottenuta empiricamentecon ripetute prove, con diversi materiali,diversi angoli, diverse condizioni di taglio

Vt x Dun = C

0.28 WC

n 0.12 HSS

0.70 Ceramici

C dipende da criterio di usurageometria utensilerapporto di forma del truciolotipo di lavorazionemateriale in lavorazione




Vita utensile per varievelocità di taglioe vari criteri di usura

In un certo (limitato) campo la relazione è lineare




Relazione di Taylor ottenuta empiricamentecon ripetute prove, con diversi materiali,diversi angoli, diverse condizioni di taglio

n dipende da materiale dell’ utensile

0.28 WC0.12 HSS0.70 Ceramici

C dipende da criterio di usurageometria utensilerapporto di forma del truciolotipo di lavorazionemateriale in lavorazione

è la Vt alla quale l’utensile dura 1 minuto

Vt x Dun = C

ln Du

ln Vt

1arctann

matematicamente graficamente

1 1ln ln lnu tD V Cn n




1. criterio : VBmax

2. variabili della lavorazione : Vt h, b, VB

3. tipo di relazione:

Legge di Taylor generalizzata

m = 0.44

x = 0.66 HSS0.4 WC

y = 0.46 HSS0.21 WC

NB: y < x e x - y = 0.2

mn VB

t u x y

c VBV Dh b




Relazione di Kronemberg

A = b * hG = b / h

0.28 acciaif 0.20 ghise

0.1 non ferrosi 0.14 acciaig 0.1 ghise

0.1 non ferrosi carburo - acciaio 0.2-03

- ghisa 0.25q

HSS - acciaio 0.15- ghisa 0.25

605

qu VB

t gf

D cVGA




cosa ottimizziamo? tempo di produzione tpcosto di produzione cptasso di profitto pr

strumenti relazioni vita utensilerelazioni forze / potenzerelazioni parametri / produzione

Ottimizzazione delle condizioni di taglio

vincoli potenzadeformazione del pezzodeformazione dell’utensilemin / max f Vtrugosità Ra = k f2 / r




Asportazione di materiale

d

l

c

volume da asportare

tempo di contatto

velocità di asportazione

V l c d

c corse corsat

l ct n tb V

t tc

t

V l c dZ b V d A Vl ctb V

b




Funzioni obiettivo

Tempo di produzione

Costo di produzione

to = tempi passivi (carico / scarico e ritorno utensile, attrezzaggio, avviamento, posizionamenti, afferraggi, etc. etc.)tcu = tempo cambio utensile

co = costo di attrezzaggiocm = costo orario (macchina, materiali, personale)cut = costo utensili

Tasso di profitto

0 0 1cu cup

u u

t tV V Vt t tZ Z D Z D

0 0 0

01' 1

cup m p cu m m m cu

u u u

utm cu

m u

tV V V Vc c c t c c c t c c cZ D Z Z D Z D

cVc c tZ c D

R = ricavi

Pr p

p

R ct




Ricordando che Z = A * Vt

si ottiene

ovvero

11

0 2

nn

tt

kF k k VV

11

0 31 nt

t

kF k k VV

con tp cp

k0 to co + cm tok1 V/A cm V/Ak2 tcuV/(A*C1/n) cm (tcu + cut / cm) V/(A*C1/n) k3 k2 / k1n esponente della TaylorC costante della TaylorA sezione del trucioloV volume da asportare

cp = f ( Vt )

tp = f ( Vt )

cioè

un termine costanteAmbedue le funzioni hanno un termine crescente con Vt

un termine decrescente con Vt




graficamente

Costo o Tempo (passivi)

Costo o Tempo (lavorazione)Costo o Tempo (utensili)

Vt

Costo Tempo Costo o Tempo (totale)




Ricerca dei minimi

Funzione

Derivata prima

Derivata seconda

Velocità ottima

Durata alla velocità ottima

11

0 31 nt

t

kF k k VV

1

1 3

2

1 nt

t t

k n n k VFV nV

31

n

ottimanVn k

1

21 32

2 2 3

2 1 1 2 nt

t t

k n n n k VF

V n V

1

31 n

uottimanD k C

n

21

2 3 1 0 21

nn n

n




Tempo Costo

Velocità ottima

Durata alla velocità ottima

>

<

1

1

n

n

ottimacu

C nVn t

1 1

11

nn

n nm

ottimaut m cu ut

cum

C nC C nVn C C t Cn t

C

1uottima cu

nD tn

11

utcu

ut m cu muottima

m

Cn tn C C t C

DnC n

utcu cu

m

Ct tC




Ln Du

Ln Vt

45°

considerazioni

1

tcu acciaio = 3 tcu carburiCacciaio = 0.3 Ccarburinacciao = 0.12 ncarburo = 0.28

n<1

2 ipotizzando

( )

( )

1

81

acciaio cuu ottima acciaiocarburo

u ottimacu

carburo

n tD nnD t

n




3 strategie

cp

tp

Vt opt costo Vt opt tempo Vt

cp

tpzona di massima redditività




Moto di taglio - rettilineo- alternativo- rotatorio

all’utensileo al pezzo

Classificazione secondo i movimenti

Classificazione delle lavorazioniper asportazione di truciolo

Moto di avanzamento - continuo- intermittente

Moto di registrazione - per posizionare l’utensile in prossimità della zona di lavoro




Classificazione secondo il contatto utensile pezzo

Continuo

Discontinuo

Monotaglienti - tornitura- limatura- piallatura- stozzatura

Bitaglienti - foratura

Pluritaglienti - brocciatura

Pluritaglienti - fresatura

Taglienti indefiniti - rettifica




Rotatorio Rettilineo

Torni (pezzo) Limatrici (utensile)Trapani (utensile) Piallatrici (utensile)Alesatrici (utensile) Stozzatrici (utensile)Fresatrici (utensile) Brocciatrici (utensile)Rettificatrici (utensile)

In genere è più facile mettere in movimento ad elevata velocità l’utensile piuttosto che il pezzo

Classificazione secondo il moto di taglio




Moto di taglio pezzo rotatorio

Moto di avanzamento utensile linearerettilineo o meno

Moto di registrazione utensile linearediscontinuo

Moto di lavoro elicoidale(tornitura longitudinale)

Moto di lavoro a spirale archimedea(tornitura di sfacciatura)

Tornitura

AvanzamentoUtensile




Elementi caratteristici del tornio:

1

2

3

4

Struttura tornio I

1. bancale (guide)2. testa (mandrino)3. carro porta-utensile (torretta)4. controtesta




Struttura tornio

Selettore velocità del mandrino Mandrino

autocentrantePorta utensile

Torretta

Carrello

Carro

TestaAlbero della contropunta

Contropunta

Controtesta

Manovella della avanzamento controtesta

Guide

Telaio

Selettore degli avanzamenti

Frizione

Contenitore dei trucioli

Grembiale

Leva della frizione

Leva di innesto dell’avanzamento longitudinale e trasversale

Barra dell’avanzamento

Barra a viteLeva di blocco del carro

Struttura tornio II




Lavorazioni possibili




tornitura cilindrica esterna

tornitura piana esternasfacciatura




tornitura esterna di superfici complesse

tornitura interna




filettatura internaesterna

esecuzione di gole




troncatura

zigrinatura




tra punta e contropunta con brida e disco menabrida

con autocentrante dall’esterno

con autocentrante dall’interno

con autocentrante con griffe tornibili

con piattaforma a griffe indipendenti

con piattaforma e squadra

su spina, tra punta e contropunta

Attrezzature per torni

con trascinatore frontale, fra le punte




posizionamento relativo utensile / pezzo

Piano di lavoro




angoli di registrazione angolo di inclinazione

forma dell’utensile

angoli della sezione normaleangoli del profilo




Effetto di e sulla formazione del truciolo

= 90° ,

= 90° , =

= 45 , < 0

= 45 , > 0

= 90° ,




FORZE DI TAGLIO

Ft : Fr : Ff1 : 1/2 - 1/4 : 1/4 - 1/8

Ft

90°15° 30° 45° 60° 75°

200 kN

400 kN

600 kN

800 kN

1000 kN

1200 kN

Fr

0 kN

Angolo di registrazione χ

Com

pone

nti d

ella

forz

a di

tagl

io




A = h x b

h = a x sin b = p / sin

A = a x p

Individuazione della sezione del truciolo

p

a

A = sezione del trucioloh = spessore del truciolob = larghezza del trucioloa = avanzamento per girop = profondità di passata= angolo di registrazione del tagliente principale‘ = angolo dell’utensile robustezza dell’utensile

’

’




Ft = Ks A

P = Fi Vi = Ft Vt + Fa Va + Fr Vr

Forza di taglio e potenza di lavorazione

Ks = pressione di taglio

Kso = pressione specifica di taglio

Vt = r = r 2 n / 60 / 1000 = d n / 60 / 1000 [rad / s]

n [giri / minuto]

r [mm]

a = [mm / giro]

Vt , Va, Vr [ m / s]

Va = a n / 60 / 1000

Vr = 0

60 s / min ; 1000 mm / m




P = Ft d n / 60 /1000 + Fa a n / 60 / 1000 =

= n Ft ( d + a ) / 60 / 1000

essendo Fa = Ft

con [ 1/4 - 1/5 ] ≈ 3 d > alcuni mma < 1 mm/giro

e quindi, essendo > e d > a

in conclusione P = Ft Vt = Ft p d n = Ks a p d n / 60 / 1000

si ha che d >> a e quindi si può trascurare la Pa




t = L / Va = L / a / n * 60 * 1000

Tempo di lavorazione

Vt = d n / 60 / 1000

Va = a n / 60 / 1000

Per ridurre il tempo di lavorazione si può: aumentare aaumentare n

aumenta la rugosità

aumenta la potenza richiesta




La rugosità teoricadipende da fattori geometrici

Rugosità nelle operazioni di tornitura

La rugosità realedipende da: - deformazioni plastiche

- vibrazioni- dilatazioni termichedifferenziali

- attrito- struttura cristallina- velocità di taglio (vt , Ra )- angolo g (g , Ra )- raggio di raccordo fra i taglienti (r , Ra )- profondità di passata (p , Ra )- avanzamento (f , Ra )- usura utensile




I° caso: taglienti non raccordati

ap

Rt

’

Linea di compenso

Va

’

a

a/2

A C

B

H

H’

D

D’

Ra = 1 / L y dx = 1 / a (AHH’ + ABC + CDD’) = 1 / a ( 2 a/2 /2) = /2

L

0

Rugosità teorica

Rt = 4 Ra (valida per profili simmetrici e rettilinei)e




B

A C

P

’

a1 a2

a / 2

a / 2 = a1 + a2

Determinare: = ( a, 1 , 2 )

= a 1 tan = a2 tan ’

a1 = / tan

a2 = / tan ‘

a / 2 = ( 1/tan + 1/tan ‘ )

Ra = /2 = a/4 / ( 1/tan + 1/tan ‘ )

= a/2 / ( 1/tan + 1/tan ‘ )

‘ a

Ra aumenta

( ruotare l’utensile vuol dire far variare in senso opposto e ’ e quindi le tangenti )




2° caso: taglienti raccordati:

Si dimostra……… l’effetto dell’avanzamento è analogo (al quadrato)l’effetto degli angoli di registrazione e sostituito dall’effetto del raggio di raccordo

Formula di Schmalzl -> Ra = 1000/32 a2 / r

a

+r

a [ mm ]r [ mm ]Ra [ m ](valida se lavora solo la parte raccordata)




Sequenza delle operazionie scelta dei parametri

grezzo finito

-- fonderia

grezzo da

-- semilavorato da deformazione plastica




Quanto deve essere asportato : la differenza fra quota del grezzo e quota del finito

Htot è noto

In quante passate Htot = H1 + H2 + …. + Hn

?

Elementi di valutazione: tolleranze richiestefinitura superficiale richiesta

tolleranze / finiture modeste poche passate, grande profonditàelevate molte passate, le ultime con piccola profondità

sgrossatura semifinitura finitura




Come deve essere asportato : il più velocemente possibile

il più economicamente possibile

compatibilmente con i vincoli di -- tolleranze-- finiture-- forze-- potenze-- ………

Il più velocemente possibile vuol dire alla velocità di taglio ottima per il tempocon l’avanzamento più grande possibile

Il più economicamente possibile vuol dire alla velocità di taglio ottima per il costousurando gli utensili il meno posssibile

Compatibilmente con i vincoli vuol dire ……………..

?




Compatibilmente con i vincoli vuol dire che: le forze in gioco non devono essere troppo elevate per evitare che il pezzo si infletta troppo (scarse tolleranze) piccoli p e a

l’avanzamento deve essere adeguato per ottenerela rugosità richiesta piccolo a

La Vt deve essere piccola per non usurare troppo gli utensili

l’utensile deve essere abbastanza robusto per non rompersi sotto l’azione delle forze di taglio grande

deve essere fatto con un materiale ‘povero’ per non costare troppo

la macchina deve essere abbastanza robusta per non deformarsi sotto l’azione delle forze di taglio

la macchina deve essere abbastanza potente per fornire adeguata Vt e F

Parametri

Utensili

Macchine




Caso ideale: no forzeno deformazionirigidezza infinita

Caso reale: forzedeformazionielasticità

F

Tolleranze

p

’’’

va

vr

materiale realmente asportato

materiale idealmente asportato




caso ideale

caso realemandrino autocentrante

caso realepunta e contropunta




Soluzione: ridurre le forze ridurre la sezione del truciolo ridurre p e a

Riduzione di p: aumenta il numero di passate

Riduzione di a: aumenta il tempo della singola passata

Metodo del Ks




Finiture

Relazione di Schmalzl

Aumentare raggio dell’utensile aumenta ingombro dell’utensile

Diminuire l’avanzamento aumenta il tempo della passata




Forze

Metodo del Ks

forze troppo grandi basse tolleranze vedi soprasul pezzo

sull’utensile

sulla macchina

forze troppo grandi rischio rottura aumento (piccolo) usura

forze troppo grandi potenze elevate deformazioni danni e rischi vari




Potenze

Se la potenza disponibile è inferiore alla potenza richiesta è necessario:

ridurre la potenza riducendo l’avanzamento porta a: finiture superficiali miglioriaumento dei tempi di lavorazione

ridurre la potenza riducendo la profondità di passata porta a: tolleranze miglioriaumento dei tempi di lavorazione

ridurre la potenza riducendo la velocità di taglio porta a: minore usura utensiliaumento dei tempi di lavorazione

ridurre le forze (a o p)oridurre la velocità

P = F Vt = Ks A Vt = Ks a p Vt




Ottimizzazione vincolata multi parametri

Ottimizzazione vincolata pochi parametri

Ottimizzazione vincolata ad un parametro

Ottimizzazione non vincolata ad un parametro

potrebbero non esistere soluzioni

esiste sicuramente almeno una soluzione




Moto di taglio utensile rotatorio

Fresatura

Moto di avanzamento pezzo linearerettilineo o meno

Moto di registrazione pezzo linearediscontinuo

Moto di lavoro cicloidale

Periferica asse fresa // superficie lavorata

Frontale “ “ “ “




orizzontale verticale per attrezzisti

Struttura fresatrici




spianatura taglio ruote dentate

Lavorazioni possibili




esecuzione caveesecuzione scanalature




fresatura di superfici complesse

contornatura

interna

esterna




daavanzamento della fresa: f [mm/giro]Avanzamento per dente: fz [mm/giro]velocità di avanzamento: Vf = f n [mm/s]Numero di denti: z




fresatura in discordanza

up milling

fresatura in concordanza

down milling




Confronto up milling vs down milling

usura dorsale frontalequindi grande piccolo

il pezzo viene sollevato schiacciatoquindi basse tolleranze migliori tolleranze

il pezzo viene spinto contro l’utensile allontanato dall’utensilequindi moto regolare moto irregolarequindi sistema di recupero automatico dei giochi

zona di lavoro già lavorata crosta superficialenon adatta su grezzi di fonderia




è necessario individuare latraiettoria del dente:

il moto relativo, somma del moto di avanzamento con il moto di taglio è dato dal rotolamento senza strisciamento di una polare mobile su una polare fissa;la fresa è solidale con la polare mobile

polare fissa

polare mobile

centro istantanea rotazione

Diagramma delle velocità di un punto sulla periferia della fresa quando si trova alle varie distanze dalla polare fissa

A’A B B’

f = z fz

fz

fz

y

x

Sezione del truciolo




Con alcune ipotesi semplificative:- trascuriamo centro di istantanea rotazione- un solo dente in presa- denti dritti

lo spessore del truciolo vale:

lo spessore medio:

lo spessore massimo:

( da semplificare se dr << D )

sin sinzh AD AB AC f

0

1 2 r zmed

d fh h df D

da

max sin 2 1z zdr drh f fD D




Le forze di taglio hanno quindi il seguente andamento:

Ft

t φ t 2

vibrazioni urtiusura utensile

avere almeno 3 denti in presa

tφ

θ1 θ2 θ3

fz fz fz

dr




Potenza di lavorazione

(per un dente in presa)

Pa viene trascurata

,t sF K A

, 2t sDM K A

2 2 2t s s medio s a medD D DM K A K A K z d h

2t s a medM K d h DP

2 r zmed

d fhD

02z

2 n

s a r fs a r zt

K d d VK d d z f nP




Rugosità teorica

fz x

y

c

per simmetria

viene soddisfatta per

ma per piccoli angoli

allora:

dobbiamo trovare l’ascissae l’ordinata del punto c

2z

cfx

sin2

zc f c

fR t V t

sin c ct t

2 2c

f t f

f f

tR V V V

2 2 2

2 2

z z z

czz

z

f f f

t fR z f n R z f R z




L’ordinata y è la rugosità massima (altezza picco valle)

+ discordanza- concordanza

NB: la rugosità reale è maggiore

22

2

2 2 22

2

1 cos 1 1 sin 1 1

21 12 2 2 2 2

2

c c c

z

c zc

z

Y R t R t R t

ft fR R RR t f R z fR z

2 2 22

max max22 82zse R z fz zf fRR R

RR z f




Fresatura frontaletraiettoria dente spessore del truciolo

arco di lavoro

1 1

2 2

1 2 1 2

' cos cos1 cos

sin sin sin sin

z

zmed

z z

h HH HC ffh h d d

f f

1 2sin sin 22 2

r zmed

d fD Dse dr hD

drφ2

θ

φ1

H’H C

A A’

B B’

O’




Geometria delle frese frontali

materiali duritagliente robustopeggiore evacuazione truciolo

materiali duttili tagliente robustoevacuazione truciolo




Finitura superficiale

Angolo di registrazione Inserto raschiante

Segni di lavorazione

inclinazione asse fresa




eccentricità

diametro troppo piccolo





Moto di avanzamento utensile rettilineo

Moto di registrazione utensile pezzo

Moto di lavoro elicoidale

lavorazioni

Foratura




da banco, sensitivo a colonna radiale

Struttura trapani




Struttura della punta:

codolo, testa, corpo

Grandezze caratteristiche:

angolo fra i taglienti

quadretto

faccette di affilatura

Punta elicoidale




Refrigerata ad inserti a gradini doppia da centri svasatore svasatore conico bareno

Altri utensili per foratura




Angoli di spoglia reali




P1componenti resistenza all’avanzamentodella forza P3di taglio

P2 coppia di taglio

sezione del truciolo s = a/2 D/2

empiricamente P2 = 2 P1

P3

22

2

2 2 2 2 82 1 1 [ ]60 8 1000

st s

t s

KD a D DM P K a D

W M a D K n W

Forze di taglio




Alesatura

Calibratura di un foro precedentemente eseguito mediante foratura

Utensile monotagliente o pluritagliente




Struttura delle macchine




Maschiatura

Utensile pluritagliente

Tagliente interrotto da 3 o 4 canali di forma e sezioni tali da avere una adeguata spoglia frontale




Lavorazioni per moto di taglio rettilineo: brocciatura

Brocciatura interna

Brocciatura di superficie

Utensile multitagliente gradualmente diversificato per ottenere diverse lavorazioni con un’unica operazione

lavorazione:Utensile: prodotto:




Geometria dei taglienti:

Meccanica di formazione del truciolo:




Brocciatrice verticale

Struttura degli utensili




StozzatriceStozzatura

Moto alternativo conferito all’utensile

Tipicamente utilizzata per l’esecuzione di:

LinguetteChiavetteCave

anche interne

Utensile HSSvelocità di taglio ~ 10 m/min

Utensile monotagliente




Vecchia piallatrice

Operazioni obsolete:Limatura

Piallatura




Segagione

Utensile multitagliente

Operazioni tipiche:

Moto di taglio continuo

Utensile flessibile




Taglio delle ruote dentate

Con fresa di forma Con utensile a forma di ruota dentata

Diverse forme dell’utensile a seconda di:diametronumero di dentimodulo

Diversi utensili solo in dipendenza del modulo




Riproduce la cinematica del moto di accoppiamento tra profili ad evolvente

Coltello dentiera

Moto di avanzamento: combinazione tra le rotazioni dell’utensile e della ruota in lavorazione con l’avvicinamento degli assi

Moto di taglio: alternativo dell’utensile




Creatore Utensile pluritagliente

Taglio interrotto Cinematica

Permette la costruzione di ruote dentate cilindriche a denti elicoidali con e senza inclinazione




Ruote coniche Utensile pluritagliente

Mediante frese di forma con avanzamento discontinuo per denti dritti

Mediante utensile e avanzamento continuo (ingranamento) per denti inclinati




Finitura delle ruote dentate

Mole di forma





Moto di avanzamento utensile / pezzo rettilineocurvilineo

Moto di registrazione utensile

Moto di lavoro (cicloidale) rettilineo

Lavorazioni per abrasione (rettifica)




rettificatrice universale




Tipiche forme delle mole

Montaggio mole




codifica Norton

abrasivo - alundum Al2O3- carborundum SiC- borazon NB nitruro

di boro cubico- diamante

legante - vetrosi (forti, rigidibuona finitura)

argillesilicatifeldspati

- elastici (gomma)alta velocità e finitura

- resinosi (bachelite)- metallici

per diamante

Caratteristiche delle mole




Esempio di codifica Norton




Struttura delle mole: porosità per - maggiore raffreddamento- superficie di contatto estesa

aperta chiusa - materiali teneri a truciolo lungo

Durezza (del legante) della mola - capacità di trattenere i grani abrasivi

la mola dura deve essere ravvivata altrimenti i grani si arrotondano e perdono capacità di tagliare

la mola tenera presenta sempre nuovi grani perché cede facilmente sotto l’azione delle forze di taglio

mole diamantate (molto dure) ma con abrasivo durissimo

adatta per sgrossaturae per lavorazioni con buone tolleranze(se non ravvivata)

adatta per materiali durie per sgrossatura (bassetolleranze)

adatta materiali duri molto duri (WC)




Altre caratteristiche

- disposizione casuale dei grani attiviutensile elementare indefinito

- sezione del truciolo piccola e variabile- fortemente negativo- elevato ricalcamento / strisciamento- elevato Ks- generazione di elevate quantità di calore




Meccanica della rettifica

Formazione del truciolo




Potenza = Ft vt

MRR x Ks = [mm3/s] [ N/mm2 mm/mm]

= da dr va Ks

-> Ft = Ks A va / vt

Sezione del truciolob = k1 h

Volume del singolo trucioloVc = 1/3 1/2 b h ls




Lunghezza acro di contatto

Numero di trucioli

k2 = numero di grani attivi

Volume totale asportato

va vt dr comportamento tenero

s rl AB d D

2c t aN k V d

21 2

23

1 2 1 2

1 1 166 6

c c r t a a r a

a ra r ar

t tr t

V N k s d D k V d MR MRR d d V

V dV d Vs k dV Vk k d D V k k D




Diverso modo di utilizzare l’energia/nuove forme di energia:

Energia meccanica - water-jet- abrasive-jet- ultrasuoni- deformazione alta velocità

Energia elettrochimica - erosione elettrochimica- scarica elettrochimica

Energia chimica - dissoluzione chimicaEnergia elettrica - elettroerosione

- fascio elettronicoEnergia termica - laser

- plasma

Lavorazioni non convenzionali





va tolleranza Ra stato superficiale[mm3/min] [mm] m

truciolo 105 0.01 1 incruditarettifica 103 0.001 0.3 incruditalappatura 100 00001 0.03 poco incruditaelettroerosione 102 0.01 0.2 fusalaser 103 0.5 10 fusaawj 104 0.05 10 incruditaelettrochimiche 103 0.05 0.3 inalterataultrasuoni 102 0.005 0.1 incrudita

HB

va

truciolo

elettroerosione

in funzione della durezza del materiale

Confronto tra varie tecnologie





Fresatura elettro-chimica




Elettro-erosione




Elettro-erosione a filo




Laser




Fascio elettronico




Water-Jet

Asportazione di truciolo A. Boschetto L....

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