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Tecnologia MeccanicaTecnologia Meccanica1

Materiali per utensili da taglio: usura e durata degli utensili

Riferimenti:• Levi/Zompì Tecnologia Meccanica cap. 4• Santochi/Giusti Tecnologia Meccanica cap. 8


• Il comportamento di un utensile influenza in maniera determinante la qualità ed il costo delle parti lavorate: Sgrossatura: l’utensile deve asportare elevati volumi di truciolo;Finitura: l’utensile deve permettere l’ottenimento di finiture superficiali adeguate.

• La capacità di un utensile di soddisfare tali esigenze dipende dal tipo e dalle proprietà del materiale impiegato per la sua costruzione, dalla sua geometria e dai parametri di lavorazione.

• L’utensile è soggetto a sollecitazioni meccaniche e termiche che si manifestano come usura progressiva e talvolta come collasso improvviso.

• Ogni utensile è caratterizzato da un tempo di vita utile (durata)durante il quale può eseguire, con le prestazioni desiderate, una data operazione con parametri di taglio definiti.

IntroduzioneIntroduzione

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Principali requisiti dei materiali per utensili da taglioPrincipali requisiti dei materiali per utensili da taglio•Elevata durezza, soprattutto ad elevate temperature•Elevata tenacità, intesa sia come capacità di resistere agli urti che sollecitano l’utensile in condizioni di taglio interrotto, sia come capacità di deformarsi sotto carico prima di rompersi

•Elevata resistenza alla deformazione plastica che può presentarsi a causa delle elevate sollecitazioni meccaniche e termiche agenti sull’utensile

•Elevata resistenza all’usura, causata dallo strisciamento del truciolo sul petto e della superficie lavorata sul dorso dell’utensile

•Elevata conducibilità termica, allo scopo di favorire lo smaltimento del calore dalla zona di taglio

•Elevata inerzia chimica per evitare che si esalti il fenomeno dell’usura

•Basso coefficiente d’attrito, allo scopo di impedire eccessivi riscaldamenti nella zona di taglio


Materiali per utensiliMateriali per utensili

1) Acciai al carbonio ed acciai debolmente legati

2) Acciai rapidi e superrapidi (High-Speed Steels, HSS)

3) Leghe fuse di cobalto (Stelliti)

4) Carburi metallici sinterizzati

5) Carburi metallici rivestiti

6) Materiali ceramici

7) Nitruro di boro cubico (CBN)

8) Nitruro di silicio

9) Diamante policristallino (PCD)

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ProprietProprietàà meccaniche e fisiche dei materiali per utensilimeccaniche e fisiche dei materiali per utensili


Acciai al carbonio ed acciai debolmente legatiAcciai al carbonio ed acciai debolmente legati

Composizione chimica di due acciai al carbonio per utensili

Composizione chimica di acciai debolmente legati per utensili

Usati nella costruzione di utensili per lavorazioni eseguite a bassa vt

Al crescere del tenore di C aumentano durezza e resistenza all’usura ma diminuisce la tenacità

•Cr: migliora la resistenza all’usura

•W: migliora la durezza a caldo

•Mn: migliora la temprabilità

•V: migliora la tenacità

Caratteristiche: elevata tenacità, basso costo, facilmente riaffilabili e profilabili, limitata durezza, resistenza all’usura relativamente bassa

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Gli acciai rapidi si suddividono in due gruppi:• al molibdeno (serie M): fino al 10% di Mo con Cr, V e W• al tungsteno (serie T): 13÷19% di W con Cr e V

Acciai rapidi e superrapidiAcciai rapidi e superrapidi

Gli acciai superrapidi (4÷15% di Co) non subiscono la dissociazione a caldo dei carburi doppi e mantengono elevata durezza fino a 600°C.

•Elevato tenore di C (0.7÷1%) con aggiunte di elementi di lega.•Consentono vt notevolmente superiori rispetto agli acciai al C e debolmente legati grazie a T di rinvenimento maggiori.

•Largamente diffusi per utensili da taglio di forma complessa (punte elicoidali, punte da centro, frese di forma, maschi filettatori, alesatori multitaglienti).

•Serie M caratterizzata da migliore resistenza all’abrasione, minori distorsioni durante i trattamenti termici e minore costo

•Resistenza all’usura migliorata mediante rivestimento di TiN


Composizione chimica di alcuni acciai rapidi Composizione chimica di alcuni acciai rapidi e superrapidi per utensilie superrapidi per utensili

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Andamento della durezza di un acciaio 18Andamento della durezza di un acciaio 18--44--1 + 5% 1 + 5% CoCoin funzione della temperatura di rinvenimentoin funzione della temperatura di rinvenimento


Leghe fuse di cobalto (Leghe fuse di cobalto (stellitistelliti))

• Durezza a T ambiente pari a quella degli acciai rapidi ma con valori adeguati alle condizioni di taglio anche a T elevate

• Chimicamente più stabili rispetto agli acciai rapidi• Buona resistenza all’usura• Maggior rigidezza rispetto agli acciai rapidi• Maggiore fragilità rispetto agli acciai rapidi che non ne consente

l’uso in condizioni di taglio interrotto• Disponibili solo in forme relativamente semplici• Costo elevato

Composizione % di tre diversi tipi di stellite

Composizione chimica: Co=38÷58%, Cr=30÷33%, W=10÷20%

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Carburi metallici sinterizzati (metalli duri)Carburi metallici sinterizzati (metalli duri)

• Prodotti mediante tecniche di metallurgia delle polveri

• Durezza a caldo molto elevata velocità di taglio elevata

• Elevata conducibilità termica

• Basso coefficiente di dilatazione termica

• Elevata stabilità chimica

• Modulo di Young maggiore (2-3 volte) rispetto agli acciai rapidi

• Tenacità notevolmente più bassa rispetto agli acciai

Costituiti da una fase dura di carburi metallici (WC, TiC, TaC, NbC), dal 50 al 95%, inglobata in una matrice metallica con funzione di legante.


Variazione di alcune caratteristiche e proprietàmeccaniche dei carburi sinterizzati in funzione della % di cobalto

Carburi metallici sinterizzatiCarburi metallici sinterizzati

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Carburi di tungsteno (WC):• Fase legante a base di Co• Taglio di ghisa o di materiali non ferrosi• Resistenza all’usura inadeguata per craterizzazione nelle

lavorazioni su acciaio a causa di una migrazione per diffusione di atomi di W e C dal petto dell’utensile al truciolo

• Durezza a caldo e soprattutto resistenza all’usura per craterizzazione accresciute aggiungendo TiC, TaC e NbC

Carburi di titanio (TiC):• Fase legante a base di Ni e Mo • Maggiore resistenza all’usura e minore tenacità rispetto al WC• Velocità di taglio più elevate nella lavorazione di acciai legati e

ghise rispetto al WC

Carburi metallici sinterizzatiCarburi metallici sinterizzati


Fasi del processo tecnologico di produzione del carburo di tungsteno

Fabbricazione dei carburi metallici sinterizzatiFabbricazione dei carburi metallici sinterizzati

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Durezza a caldo dei materiali per utensiliDurezza a caldo dei materiali per utensili


• La costruzione di un utensile da taglio in un solo materiale non consente di soddisfare appieno i principali requisiti di resistenza richiesti (elevata durezza e resistenza all’usura dei taglienti, elevata resistenza agli urti del corpo)

• Con lo sviluppo degli inserti in carburi metallici sinterizzati èstato possibile costruire utensili di tipo composito per soddisfare le diverse esigenze

InsertiInserti

Alcune forme tipiche di inserti per operazioni di tornitura e fresatura

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Utensile da tornio con placchetta riportata mediante brasatura

Acciaio da costruzione

Carburometallicosinterizzato

Collegamento dellCollegamento dell’’inserto allo steloinserto allo stelo

•Rischi di fessurazioni o scheggiature dell’inserto durante la brasatura

•Difficoltà nel sostituire l’inserto usurato

Problemi:



Bloccaggio a vite:

• semplice da realizzare• poche parti di ricambio• ingombro ridotto• deflusso del truciolo non

ostacolato• richiede l’impiego di

inserti forati

Bloccaggio a staffa:

• consente l’impiego di inserti non forati• con inserti piani permette di interporre fra staffa e inserto una

piastrina rompitruciolo

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Bloccaggio a leva:

• adatto per il bloccaggio meccanico di inserti fragili (ad es. in materiali ceramici)

Bloccaggio con scanalaturaprismatica:

• accoppiamento stabile• smontaggio rapido



Classificazione ISO dei carburi metallici sinterizzatiClassificazione ISO dei carburi metallici sinterizzati

Ghi

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Ottenuti riportando su inserti in carburo metallico (recentemente anche su utensili in HSS) uno o più strati di materiale molto duro per aumentare:•la resistenza all’usura •la resistenza alle sollecitazioni termichesenza ridurne la tenacità

Utensili rivestitiUtensili rivestiti

TiN

Al2O3

TiCWC


Requisiti dei materiali da ricoprimento:

- elevata durezza ad alta temperatura

- stabilità chimica rispetto al materiale in lavorazione

- bassa conducibilità termica

- buon legame con il substrato per evitare scheggiature

- porosità molto bassa

- basso coefficiente d’attrito col truciolo

Utensili rivestitiUtensili rivestiti

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• Nitruro di titanio (TiN)basso coefficiente di attrito, elevata durezza e resistenza allealte temperature, buona adesione al substrato

• Carburo di titanio (TiC)elevata resistenza ad usura sul fianco nella lavorazione di materiali abrasivi

• Ossido di alluminio (Al2O3)resistenza alle alte temperature, bassa conducibilità termica, elevata resistenza all’usura sul fianco e per craterizzazione, difficoltà di adesione al substrato poiché chimicamente poco reattivo

Principali materiali utilizzati per il rivestimentoPrincipali materiali utilizzati per il rivestimento


Inserti rivestiti a strato doppio e triplo (spessori: 2÷12 µm) per combinare le diverse proprietà di ciascun materiale di rivestimento.

Esempi:• substrato + TiC + TiN• substrato + TiC + Al2O3• substrato + TiC + Al2O3 + TiN

Rivestimenti multistratoRivestimenti multistrato

• Strato interno: deve garantire buona adesione al substrato• Strato esterno: deve garantire buona resistenza all’usura e

fungere da barriera termica• Strato intermedio: deve essere compatibile per la

realizzazione di un legame stabile con gli altri strati

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Processi di fabbricazione degli inserti rivestitiProcessi di fabbricazione degli inserti rivestiti

1) Deposizione chimica mediante vapore (Chemical Vapor Deposition, CVD):Utilizzato per il rivestimento di utensili in HSS sagomati emolto affilati (es: frese a candela, punte elicoidali)

2) Deposizione con materiale di ricoprimento allo stato di plasma (Physical Vapor Deposition, PVD):Utilizzato per il rivestimento di inserti di carburi metallici sinterizzati e per ricoprimenti con più strati di materiali diversi


Materiali ceramiciMateriali ceramici

Componente principale: Al2O3 con tenori anche > 99%Altri componenti eventualmente presenti: TiC e ZrO per incrementare alcune proprietà fisiche e meccaniche (conducibilità termica, tenacità, resistenza agli shock termici)

Ceramica bianca: • composta quasi esclusivamente da Al2O3• ottenuta con pressatura delle polveri a freddo e successiva

sinterizzazione a temperature elevate (1600-1800°C)

Ceramica nera (CERMET):• composta indicativamente dal 70% di Al2O3 e dal 30% di TiC• altri CERMET contengono MoC, NbC e TaC• ottenuta mediante pressatura e sinterizzazione a temperature

elevate

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Caratteristiche:• elevatissima durezza a caldo• ottima resistenza all’usura che consente di lavorare ad altissime vt• stabilità chimica maggiore degli altri materiali per utensili• elevata fragilità che provoca un degrado prematuro dell’inserto

(attenuato con MU rigide e taglio non interrotto)• non idonei alla lavorazione di Al, Ti e rispettive leghe per la

marcata affinità chimica di alcuni dei loro componenti

Campi di impiego:• lavorazione di semifinitura o finitura di parti in ghisa ed in acciaio

adottando valori elevati di vt e bassi di a • lavorazione di acciai dopo trattamenti termici di indurimento

superficiale evitando successive operazioni di rettificatura

Materiali ceramiciMateriali ceramiciCollegamento al corpo dell’utensile mediante bloccaggio a staffa (inserto privo di foro centrale) per la minore resistenza al taglio


Alcune forme di insertiin materiale ceramico

Profili di raccordo frapetto e fianco del tagliente

Materiali ceramiciMateriali ceramici

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Materiali ceramici a base di Materiali ceramici a base di nitruronitruro di siliciodi silicio• Ricadono nella famiglia dei ceramici anche se hanno

proprietà meccaniche e tecnologiche che differiscono sostanzialmente da quelli a base di Al2O3

• Componente principale: Si3N4 a cui vengono aggiunti Al2O3, TiC e Y2O3

• Processo produttivo: sinterizzazione

Esempio: Sialon (Silicon - Aluminum - Oxygen - Nitrogen):• conserva elevata durezza a temperature superiori a quelle

dei carburi metallici• è più tenace della ceramica a base Al2O3 e presenta migliore

resistenza agli shock termici

Campi di impiego:• lavorazioni su ghise e superleghe a base Ti (non sugli acciai)


NitruroNitruro di boro cubico (di boro cubico (CubicCubic BoronBoron NitrideNitride, CBN), CBN)

• elevatissima durezza (inferiore solo al diamante)• ottima resistenza all’usura per abrasione• buona stabilità chimica (chimicamente inerte rispetto a Fe e Ni)

• Processo produttivo:

• Utilizzo: costruzione di inserti e di mole abrasive

• Ottime prestazioni in operazioni di finitura su acciaio temprato (Ra=0.3 μm e tolleranze molto contenute) ed una durata del tagliente più elevata rispetto agli inserti in carburo e in ceramico

• Operano, come i ceramici, prevalentemente in condizioni di taglio a secco

• Caratteristiche:

• inserti prodotti riportando, sopra un inserto in carburo, in prossimità del tagliente, uno strato sottile di CBN mediante brasatura

• soluzioni più recenti prevedono la realizzazione di inserti con riporto di CBN realizzato durante la sinterizzazione del carburo o in CBN integrali ma più piccoli

• sintesi a temperature e pressioni elevate

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Diamante policristallino (Poly Crystalline Diamond, PCD)Caratteristiche:• elevatissima durezza (seconda solo al diamante naturale)• basso attrito• elevata resistenza all’usura• capacità di mantenere a lungo l’affilatura del taglienteUtilizzo: costruzione di inserti e di mole• inserti ottenuti riportando, mediante sinterizzazione, uno strato di

particelle di diamante a grana molto fine su un substrato in carburoCampi di impiego:• la forte affinità con il Fe non consente di lavorare parti in ghisa o

acciaio• lavorazione di leghe non ferrose e di materiali non metallici

fortemente abrasivi• ottenimento di tolleranze dimensionali molto strette e finiture

superficiali elevate


Schema del processo di fabbricazione di un inserto in PCD

Processi di fabbricazione degli inserti in PCDProcessi di fabbricazione degli inserti in PCD

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ProprietProprietàà e campi di impiego dei materiali per utensilie campi di impiego dei materiali per utensili


Evoluzione temporale dei principali materiali per utensiliEvoluzione temporale dei principali materiali per utensili

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Degrado ed usura degli utensili da taglioDegrado ed usura degli utensili da taglioDurante la lavorazione l’utensile, strisciando contro il truciolo e la superficie lavorata, si usura.

Zona usurataTagliente nuovo


Principali cause di degrado delle caratteristiche di un utensile

a) usura per abrasioneb) usura per adesionec) usura per diffusioned) scheggiaturae) deformazione plastica

Degrado ed usura degli utensili da taglio

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Usura: perdita o asportazione progressiva di materiale dalla superficie di un corpo.Originata da cause diverse che di rado agiscono singolarmente:Usura per abrasione: prodotta dallo scorrimento di una superficie dura e rugosa su una superficie più tenera.Usura per adesione: originata dalle elevate pressioni di contatto fra truciolo e utensile che provocano vere e proprie saldature fra le sporgenze delle superfici a contattoUsura per diffusione: prodotta dalla migrazione di atomi attraverso l’interfaccia utensile-truciolo ed è originata da processi di mutua solubilità fra alcuni componenti dei due materiali a contatto

Degrado ed usura degli utensili da taglioDegrado ed usura degli utensili da taglio


Scheggiatura: asportazione di particelle metalliche in prossimità del tagliente per effetto di urti o pressioni eccessive

Deformazione plastica: si manifesta quando la temperatura della zona di taglio raggiunge valori tali da causare una riduzione della tensione di scorrimento plastico del materiale dell’utensile ed una deformazione dello stesso

Degrado e usura degli utensili da taglio

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Modalità di degrado e usura degli utensili da taglio

a)per usura dorsale e craterizzazione

b)per scheggiatura

c)per sollecitazione di fatica

d)per deformazione plastica



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Caratteristiche geometriche di un tagliente usuratoCaratteristiche geometriche di un tagliente usurato

• Usura sul petto: si manifesta attraverso la formazione di una cavità o cratere originata prevalentemente per diffusione

• Usura sul fianco: si manifesta mediante il labbro d’usura, caratterizzato da una serie di striature // alla direzione di taglio originate da fenomeni di abrasione

In entrambi i casi l’utensile subisce una perdita di materiale e un’alterazione:• della forma• delle dimensioni


Labbro dLabbro d’’usurausura

• Provocato dallo strisciamento del dorso sulla superficie lavorata

• Sempre presente in maggiore o minore misura

• Influenza la finitura superficiale e la precisione dimensionale

• Principali dimensioni:• larghezza misurata attraverso il valore

medio (VB) o quello massimo (VBmax)• lunghezza b (coincide con la profondità

di taglio)• distanza tra tagliente principale usurato

e originario (N)

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Cratere dCratere d’’usurausura

• Causato dall’usura per diffusione che si manifesta a T elevate• Presente solo negli inserti in materiali che consentono di

raggiungere vt elevate (ad es. i carburi metallici sinterizzati)• Non è presente nella lavorazione dei materiali fragili che danno

origine ad un truciolo interrotto (ad es. ghisa)• Determina l’indebolimento dell’inserto• Principali dimensioni:

• profondità massima (KT)• larghezza (KL)• distanza del centro del

cratere dal tagliente originario (KM)

• distanze dei bordi del cratere dal tagliente originario (KB e KF)

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