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Tecnologia Meccanica ITecnologia Meccanica I1

Basi fisiche del processo di taglio dei metalli

Altri riferimenti:• Levi/Zompì Tecnologia meccanica cap. 3• Giusti/Santochi Tecnologia meccanica cap. 7-8


Processo di taglio dei metalliProcesso di taglio dei metalliProcesso fisico complesso in quanto accompagnato dall’azione simultanea di diversi fenomeni (incrudimento, generazione e propagazione di calore per deformazione plastica e per attrito) che interagiscono tra di loro.

Controllato mediante opportuni modelli per la previsione:• del comportamento del materiale in lavorazione e dell’utensile;• delle forze e potenze in gioco.

A tale scopo é fondamentale spiegare la natura fisica dei fenomeni e la loro interazione.

• Modelli teorici semplificati• Analisi FEM

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Processo di taglio dei metalliProcesso di taglio dei metalli

Meccanismo di formazione del truciolo legato ad un processo di deformazione plastica che si manifesta sia su scala microscopica che su scala macroscopica

SCALA MICROSCOPICA• Marcata distorsione della struttura cristallina del truciolo

SCALA MACROSCOPICA• Sviluppo di calore notevolmente superiore a quello dovuto al

solo attrito tra petto e truciolo• Spessore del truciolo maggiore di quello del truciolo

indeformato• Durezza del truciolo maggiore di quella del pezzo


Truciolo continuo (o fluente):• è mantenuta la continuità del materiale• materiali duttili con elevati valori di vt e/o γ

Caratteristiche della lavorazione:• buona finitura superficiale;• tendenza del truciolo ad avvolgersi intorno

all’utensile e alle attrezzature ponendo problemi di allontanamento del truciolo e di natura antinfortunistica.

Morfologia del trucioloMorfologia del truciolo

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Truciolo ondulato:• è ancora un truciolo fluente;• la superficie libera è ondulata a causa di

uno stato di deformazione che varia periodicamente nella zona di scorrimento.



Truciolo segmentato:• costituito da elementi di truciolo

più o meno collegati

• dovuto alla presenza di zone in cui la deformazione per scorrimento plastico tende a concentrarsi.

Tipico di:• materiali a bassa conducibilità

termica e con tensione di scorrimento plastico che decresce rapidamente all’aumentare della temperatura (Ti e sue leghe)

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Truciolo discontinuo (frammentato):• costituito da particelle metalliche

completamente distaccate tra loro.

• Tipico di lavorazioni:• su materiali fragili (ghisa);• su materiali con inclusioni dure e

impurezze;• con vt molto alte o con valori elevati di p e

bassi di γ.



Condizioni di taglio ortogonaleCondizioni di taglio ortogonale

• Tagliente ⊥ alla direzione del moto di taglio• Flusso del truciolo secondo la retta n che giace sul

petto ed è ⊥ al tagliente

• Processo di taglio su un piano ⊥ al tagliente e contenente l’asse x e la retta n

• Il truciolo si muove rispetto al petto con velocità vf e si avvolge a spirale per effetto dell’incurvamento dopo il distacco

Sistema cartesiano di riferimento con asse x coincidente con la direzione di vt

• Angolo di spoglia frontale (γ): angolo formato tra la direzione n del moto di flusso del truciolo e l’asse z ⊥ alla direzione di taglio

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Meccanica del processo di taglio Meccanica del processo di taglio (Simulazione del taglio ortogonale)(Simulazione del taglio ortogonale)


Meccanica dei processi di taglioMeccanica dei processi di taglioTaglio libero e ortogonale: • tagliente rettilineo e ⊥ alla direzione di taglio; • utensile più largo del pezzo (truciolo non vincolato lateralmente)• h << b

Fenomeni di formazione del truciolo bidimensionali

Deformazione plastica prodotta per scorrimento di piani cristallini lungo il piano di scorrimento inclinato dell’angolo ϕrispetto alla direzione di taglio.

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Meccanica del processo di taglio

• Deformazione graduale in una zona di transizione tra materiale indeformato (pezzo) e deformato (truciolo).

• Grani (inizialmente di forma sferica) deformati, per effetto di una τ,secondo una forma ellissoidale con assi principali orientati secondo una direzione ben definita.

• Regione AOB: zona di deformazione primaria.

• OA: superficie sulla quale τraggiunge il valore limite di scorrimento del materiale.

• Basse vt: OA si estende in avanti rispetto al tagliente e penetra all’interno del pezzo con aumento di durezza della superficie lavorata.


Modello di formazione del truciolo a superficie Modello di formazione del truciolo a superficie di scorrimentodi scorrimento

Al crescere di vt:• la dimensione di OA e la sua penetrazione diminuiscono• si riduce anche l’estensione della regione AOB e, per le normali vt

adottate, la zona di deformazione primaria può essere approssimata ad una superficie di spessore infinitesimo (superficie di scorrimento)

Andamento della superficie di scorrimento dipendente dalla distribuzione delle tensioni di contatto tra utensile, truciolo e pezzo e dalla geometria del tagliente

Modello a piano di scorrimento

O

A

•a: superficie convessa•b: superficie concava•c: superficie piana

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Modello di formazione del truciolo a zona Modello di formazione del truciolo a zona di deformazionedi deformazione• Nel modello a superficie di scorrimento si ipotizza che

tutta la deformazione si produca nell’attraversamento di una superficie a spessore nullo.

• Ciò implica una variazione istantanea nel campo delle velocità(fisicamente inammissibile perché richiede un’accelerazione infinita).

Per superare tale incongruenza si ipotizza (Oxley) uno spessore della zona di deformazione non nullo

Modello di formazione del truciolo a zona di deformazione

Contorni della zona di deformazione definiti da due segmenti // alla traccia del piano di scorrimento


Zona di deformazione secondariaZona di deformazione secondaria

Localizzata sulla superficie di contatto truciolo-petto dell’utensile

Non è applicabile il modello di attrito derivato dalla teoria di Amonton e Coulomb (F = μN, con μ dipendente dalla natura e non dall’area delle superfici a contatto), valido per bassi valori di N (Ar<<A)

Al crescere di N l’area reale Ar diventa confrontabile con quella apparente ACaso limite: Ar ≅ A ⇒ condizione di adesione tra le parti a contatto ⇒ A non dipende più da N

F diventa indipendente da N ed è direttamente proporzionale alla τ di scorrimento plastico del materiale più tenero e all’area apparente di contatto

Secondo Bowden e Tabor il moto relativo si produce solo per scorrimento relativo dei piani cristallini nelle zone interne del materiale

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Petto dopo brusca interruzione della tornitura di un acciaio: parte del materiale costituente il truciolo rimane incollato

Andamento qualitativo delle tensioni all’interfaccia truciolo-petto:

Micrografia della superficie di contatto truciolo-petto: si evidenzia l’elevata distorsione del truciolo dovuta alla deformazione per scorrimento relativo dei piani al suo interno

•σ decrescente con max nel punto A e valore nullo nel punto C

•τ = τs: σ si mantiene al di sopra di un valore limite (condizioni di adesione e moto relativo per scorrimento all’interno del truciolo) fino all’incrudimento

•quando σ scende al di sotto del valore limite di adesione, τ diminuisce e le condizioni di contatto diventano quelle tipiche dei corpi in moto relativo con attrito



Nella rimanente superficie di contatto si ha adesione e conseguente deformazione plastica all’interno del truciolo.

Nella zona in prossimità del distacco del truciolo dal petto si ha strisciamento

Per tale ragione la parte di truciolo a più stretto contatto con il petto è considerata ancora zona di deformazione

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Zona di deformazione terziariaZona di deformazione terziaria

Prodotta dallo strisciamento di una parte della superficie dorsale dell’utensile sulla superficie lavorata

• raggio di arrotondamento, piccolo ma finito, presente sul tagliente anche quando è a spigolo vivo

• ritorno elastico del materiale lavorato

Cause:

Effetti:• fascia d’usura sul dorso dell’utensile• incrudimento della superficie lavorata

Spesso trascurata nei modelli elementari perché comporta una dissipazione di energia inferiore rispetto a quanto avviene sul petto e sul piano di scorrimento


Tagliente di riporto (Tagliente di riporto (BuiltBuilt Up Up EdgeEdge, BUE), BUE)

Costituito da strati successivi sovrapposti di metallo fortemente incrudito, il cui numero cresce con il progredire della formazione del truciolo, che si adagiano sul tagliente dando luogo ad una struttura con convessitàsempre maggiore.

Si sviluppa nelle lavorazioni:• con vt basse o medie;• di materiali con forte tendenza

all’incrudimento;• con bassi valori di γ.

Si può formare sia in caso di truciolo continuo che di truciolo discontinuo.

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Tagliente di riporto (Tagliente di riporto (BuiltBuilt Up Up EdgeEdge, BUE), BUE)

•Sopravanza il tagliente e genera la superficie O’’D•Cresce finché la zona sporgente raggiunge uno sbalzo tale che, sotto l’azione delle Ft, si distaccadalla massa principale incastrandosi nella superficie in lavorazione

•La parte restante viene asportata dal truciolo sotto l’azione delle forze di attrito

•Cresce di nuovo fino a raggiungere le dimensioni critiche per le quali si rompe e il ciclo ricomincia

Le particelle che rimangono nel truciolo provocano un Le particelle che rimangono nel truciolo provocano un aumento aumento delldell’’usura sul pettousura sul petto, quelle incorporate sulla superficie lavorata un , quelle incorporate sulla superficie lavorata un peggioramento della rugositpeggioramento della rugositàà superficialesuperficiale e possono e possono danneggiare gli danneggiare gli utensili usati nelle lavorazioni successiveutensili usati nelle lavorazioni successive..

Le dimensioni del BUE diminuiscono con l’aumentare della vt fino a che esso si trasforma nella zona di scorrimento secondario che rende trascurabile l’usura sul petto dell’utensile.


Morfologia del truciolo

Tagliente di riporto

Fonte: H. Opitz - 1950

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Morfologia del truciolo

Tagliente di riporto

Fonte: H. Opitz - 1950


Conoscenza utile per:• dimensionare motori elettrici e organi di trasmissione• progettare struttura e componenti meccanici della MU• proporzionare correttamente gli utensili

• principio basato sulla misura delle deformazioni elastiche subite da idonei elementi sotto l’azione delle forze di taglio

• i sensori di deformazione utilizzati sono principalmente estensimetri elettrici a resistenza o sensori piezoelettrici in presenza di rigidezze e frequenze di risonanza elevate

Approccio sperimentale alla determinazione delle forzeAlcune componenti della risultante delle forze di taglio sono misurabili sperimentalmente mediante dinamometri:

Forze agenti nel sistema utensile Forze agenti nel sistema utensile -- truciolo truciolo -- pezzopezzo

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Pressione di taglio e pressione specifica di taglioPressione di taglio e pressione specifica di taglioApproccio alternativo per esprimere la resistenza alla deformazione

di un materiale in condizioni di taglio

Per definizione (UNI ISO 3002/4) la pressione di taglio si definisce dalla:

AkF c

def

c =

dove: Fc forza di tagliokc pressione di taglioA = f p = h b area della sezione del truciolo indeformato

con: f avanzamentop profondità di passatah spessore di truciolob larghezza di taglio (o larghezza del truciolo)


• dall’area della sezione del truciolo indeformato A• dalle proprietà meccaniche del materiale in lavorazione (carico di rottura,

durezza, struttura cristallina (v. trattamenti termici))• dal materiale dell’utensile e dalla geometria del tagliente (in particolare da γ)

• dalla velocità di taglio vc (con vc: velocità di taglio)• dalle condizioni di lubrificazione della zona di taglio

I valori di kc eventualmente ottenuti attraverso misure della Fc, sono validi solo per le condizioni adottate nella sperimentazione

Pressione di taglio e pressione specifica di taglioPressione di taglio e pressione specifica di taglio

la pressione di taglio kc non è costante, ma dipende da:

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Kronenberg allora ricavò un’espressione in funzione di h e b:

yx bhk

k csc =

dove: kcs pressione di taglio specifica per asportare una sezione di truciolo di 1 mm2 con h = 1 mm e b = 1 mm

yxyx bhkbh

bhkAkF −−=== 11

cscs

cc

quindi, sostituendo:

di solito non si conoscono h e b ma l’avanzamento al giro f e la profonditàdi passata p:

χsinpb =

h = f sin χb sin χ = p

con: χ angolo di registrazione del tagliente principale



sostituendo:

( ) ( )yx

yxyyxxyx pfk

pfk

bhkk

−

− ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

⋅==

χχχ sin1

sinsincscscs

c

yxyx

yx

yx pfkpfpf

kAkF−

−−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==

χχ sin1

sin1 11

cscs

cc

di solito con gli attuali materiali per utensili y ≅ 0, quindi:

xx pfkF ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= −

χsin11

csc

h = f sin χχsin

pb =

x

xfkk ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

χsin1cs

c

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Sui cataloghi non si trova kcs ma kc0,4 (pressione di taglio per f = 0,4 mm/giro e per χ = 90°), da cui si può ricavare kcs:

x

x

x

kkk4,090sin

14,0

cscsc0,4 =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

°= xkk 4,00,4ccs =

così, sostituendo, si ottiene infine:

xxx pfkF ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= −

χsin14,0 1

0,4cc


Se ci si discosta dalle condizioni standard indicate dal produttore di utensili, devono essere applicati coefficienti correttivi alla formula del kc e della forza


• x costante dipendente principalmente dal materiale dell’utensile

• kcs costante dipendente principalmente dal materiale da lavorare (in condizioni standard)


xx

x hkfkk −=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= cs

csc sin

1χ

h-x

kcxhkk −= csc

kcs =1740 MPa

x = 0,27

csc logloglog khxk +−=

• kc diminuisce con legge esponenziale all’aumentare di h

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Noti kcs e x per date condizioni di lavorazione, Fc si ottiene come:

(forza su unità di lunghezza)

( ) ( ) xxxxxx

x phfkpffkpfkpfkF −−−−−− ===⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= cscs

1cs

1csc sinsin

sin1 χχχ

se χ = 90°: f = h; p = b

xbhkF −= 1csc

xhkbF −= 1

csc

kcs =1740 MPa

1-x

= 0,

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( ) hxkbF log1loglog cs

c −+=

x

bFc

xhkbF −= 1

csc

Se aumenta la lunghezza del tagliente in presa, aumenta in proporzione la forza.


kcs decresce all’aumentare di vc a causa della diminuzione della resistenza alla deformazione provocata dall’aumento della temperatura nella zona di taglio

m: costante dipendente dal materiale in lavorazione (determinata per via sperimentale)

Dipendenza della pressione specifica di taglio dalla Dipendenza della pressione specifica di taglio dalla velocitvelocitàà di tagliodi taglio

Funzione che lega kcs e vc con andamento esponenziale:

Dipendenza del rapporto Ft/b dallo spessore del truciolo indeformato h per diversi valori di vc : a parità di sezione del truciolo, Fc diminuisce all’aumentare di vc

( )m

tv vkk −= ⋅= min/m1cscs t

αtan=m

kcs

kcsbFc

x−=1tanα

( )m

tv vkk −= ⋅= min/m1cscs t

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Metodi sperimentali per la misura delle forze di taglio

Tipi fondamentali di dinamometri:

Meccanici Idraulici


Metodi sperimentali per la misura delle forze di taglio

Pneumatici

Piezoelettrici

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Potenza assorbita nel taglioPotenza assorbita nel taglio

Composta dai seguenti termini:ccc vFW ⋅=

• potenza necessaria per produrre la deformazione plastica nella zona di deformazione primaria (Ws)

• potenza dissipata nella zona di deformazione secondaria (Wf)• potenza assorbita per generare una nuova superficie quando

uno strato viene rimosso dal pezzo• potenza corrispondente ad una variazione della quantità di

moto del materiale asportato• potenza dissipata nella zona di deformazione terziaria

In condizioni di taglio ordinarie, gli ultimi tre termini possono essere ritenuti trascurabili:

fsc WWW +=

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Lavoro specifico di taglioLavoro specifico di taglio

Potenza di taglio necessaria per asportare l’unità di volume di truciolo nell’unità di tempo:

Z = portata volumetrica

cc

c

ccc kAF

vAvF

ZW

==⋅⋅

=


Effetti termici nel taglioEffetti termici nel taglio

Quasi tutta la potenza assorbita nel taglio è trasformata in calore che si sviluppa entro un volume assai limitato dando luogo così a notevoli aumenti di temperatura che influenzano:

• resistenza meccanica dell’utensile;• resistenza all’usura dell’utensile;• accuratezza di lavorazione per effetto delle deformazioni

termiche.

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Potenza assorbita nel taglio divisibile in tre contributi:

• Potenza assorbita nella zona di deformazione primaria: produce soprattutto l’aumento della temperatura del truciolo

• Potenza dissipata per attrito nella zona di deformazione secondaria: èsmaltita in parte come aumento di temperatura del truciolo e in parte come aumento di temperatura del petto che, essendo stazionario rispetto alle fonti di calore, può smaltirlo solo per conduzione ed irraggiamento

s

sm c

WT⋅

=Δρ

Aumento medio di temperatura del truciolo:

• Potenza assorbita nella zona di deformazione terziaria: è poco influente.

La temperatura del petto dell’utensile cresce con vc

In condizioni adiabatiche indipendente da vc


Le temperature medie del truciolo e della superficie lavorata, raggiunto il regime adiabatico, sono stazionarie e indipendenti dalla vc di cui invece è funzione crescente la temperatura del petto dell’utensile

Andamento tipico delle isoterme nella zona di taglio


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Ripartizione del calore tra truciolo (Q), utensile (Q’) e pezzo (Q’’):• vc basse: Q/Q’/Q’’ = 50/25/25• vc medio-alte (normali condizioni di taglio): Q/Q’/Q’’=80/10/10

Il truciolo deve essere allontanato per evitare dilatazioni termiche negli elementi strutturali della macchina



Fluidi da taglio

• Lavorazioni con vc medio - alte (es. tornitura e fresatura): refrigerazione della zona di taglio;

• Lavorazioni con vc basse (es. maschiatura e brocciatura): lubrificazione al fine di prevenire la formazione del tagliente di riporto, aumentare la durata dell’utensile e migliorare la finitura superficiale della superficie lavorata.

Altre funzioni:

• favorire l’evacuazione del truciolo dalla zona di taglio;• proteggere le superfici lavorate da ossidazione e/o corrosione.

Assolvono, in genere, sia la funzione lubrificante, sia quella refrigerante (fluidi lubro-refrigeranti).L’azione predominante differisce in base al tipo di lavorazione e ai parametri di taglio adottati:

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• Oli da taglio: oli minerali con additivi (antischiuma, antiruggine, …) impiegati generalmente con utensili in acciaio rapido a basse vc. Caratterizzati da:• buone proprietà lubrificanti e di protezione dalla corrosione;• minore efficacia delle emulsioni nella refrigerazione.

• Emulsioni di olio in acqua con eventuali additivi chimici: consentono di combinare le proprietà lubrificanti ed anticorrosive degli oli con quelle refrigeranti dell’acqua:• la mescolanza di olio e acqua è resa omogenea mediante moto

vorticoso che disperde l’olio in acqua sottoforma di microgocce;• l’aggiunta di additivi (emulsionanti) impedisce o ritarda la

successiva separazione delle parti.• Oli EP: oli minerali con aggiunta di additivi che hanno la funzione di

depositare sulle superfici, mediante reazioni chimiche, uno strato di lubrificante solido con elevata resistenza a compressione e al taglio che impedisce la saldatura per pressione tra petto e truciolo.

Fluidi da taglio


Le MU sono dotate di circuiti idraulici per:• convogliare il fluido lubro-refrigerante nella zona di taglio;• recuperarlo;• rimetterlo in circolo dopo il filtraggio.Metodo di inondazione della zona di taglio:• mediante cannelli flessibili con pressioni di pochi bar quando la

zona è facilmente accessibile;• ricorrendo a particolari accorgimenti quando la zona non è

facilmente accessibile. Esempi:• nella realizzazione di fori profondi: utilizzo di utensili con fori che

permettono di convogliare il fluido sotto pressione direttamente in prossimità dei taglienti;

• nella tornitura con vc elevate e utensili in metallo duro: getto diretto, dal basso verso l’alto e a pressione elevata, nella zona compresa tra fianco dell’utensile e superficie lavorata per ridurre l’usura.

Fluidi da taglio

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Il loro impiego comporta:• un incremento dei costi della lavorazione;• problemi di inquinamento atmosferico dei reparti di lavorazione

(nebbie, fumi, odori sgradevoli);• problemi ecologici legati allo smaltimento dei fluidi esausti.

Tendenza attuale:• lavorazioni a secco

utilizzando materiali per utensili dotati di elevata resistenza all’usura e al calore 0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Tempo di lavorazione (min)

VB

, mm

L.R.CSecco

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Tempo di lavorazione (min)

Ra

(m

)

L.R.CSecco

Materiale lavorato: acciaio inossidabileInserto: CERMET rivestito

Fluidi da taglio

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