Tecnologia meccanica, Dispense di Tecnologia Meccanica

Scarica Tecnologia meccanica e più Dispense in PDF di Tecnologia Meccanica solo su Docsity! Tecnologia meccanica LEZIONE 1 (dal punto di vista tecnico) Le tecnologie di lavorazione meccanica o tecnologie di produzione costituiscono l’insieme dei processi fisici e chimici e dei metodi atti a modificare la geometria, le proprietà, e/o l’aspetto di un materiale in ingresso per realizzare un prodotto o parti di esso; la produzione comprende l’assemblaggio delle parti per formare il prodotto finale. Lo scopo della tecnologia meccanica è trasformare la materia, con dei metodi e dei processi implementati con un sistema, ovvero una sequenza di processi. Il sistema di produzione implementa un processo, ed è dato dall’insieme delle macchine (rappresentate da insieme di utensili), le quali operano trasferendo dell’energia meccanica o termica al materiale. L’obbiettivo è partire da un blocco di materiale e ottenere un certo pezzo, ottenendo degli scarti, scarti industriali e sfridi, che possono essere anche pezzi difettosi. I processi di produzione necessitano di una combinazione di materiali, macchinari, utensili, energia, informazioni e lavoro. Processo, lavorazione o trasformazione sono sinonimi, e hanno bisogno di materia ed energia. Il materiale in ingresso è chiamato grezzo o semilavorato. Il metodo è la ricetta di come avviene il processo. All’uscita si ha ancora un semilavorato, mentre il finito si ha solo nell’ultima lavorazione. Una cosa importante sono i feedback sul processo per migliorarlo o cambiarlo, per cui devo archiviare dei dati statistici. Le risorse da usare sono macchine, utensili, attrezzature e manodopera. Dal punto di vista economico, la produzione è la trasformazione di materie prime o semilavorati in oggetti di maggior valore mediante una o più trasformazioni e/o operazioni di assemblaggio. La produzione aggiunge valore al materiale modificandone la forma o le proprietà, o combinandolo con altri materiali alterati in modo analogo, così da permette un ricavo/profitto. I prodotti finali realizzati si classificano in: beni di consumo (se acquistabili direttamente dagli utilizzatori) o beni strumentali (acquistati dalle aziende per produrre altri beni o fornire dei servizi). Inoltre oltre ai prodotti finali esistono i materiali, i componenti e gli approvvigionamenti che sono usati dalle aziende che realizzano i prodotti finali. Il settore manifatturiero in Europa e in Italia (vedi presentazione intro 1) Il manifatturiero è necessario al mondo dei servizi. Le fabbriche sono necessarie a sostenere le moderne economie dei servizi. Manifatturiero in Italia: aziende più piccole, quindi si ha lo svantaggio che non si può fare carriera e non hanno molti soldi per investire. Prima e seconda posizione per Valore della Produzione. Al 2012 l’Italia è tra i primi sei Paesi al mondo per il valore aggiunto generato dal manifatturiero dove i primi 10 Paesi rappresentano il 70% del valore aggiunto mondiale. Secondo paese manifatturiero Europeo dopo la Germania per produzione industriale pro-capite. La Lombardia è la prima regione Europea per numero di imprese ed è la terza regione Europea per numero di addetti. Processi manifatturieri La produzione manifatturiera si divide in due grandi categorie: • Di processo: prodotti continui (semilavorati); fabbrica che lavora sempre 24/24, e solitamente il pezzo in uscita è un semilavorato e solitamente è venduto al chilo e non al pezzo, quindi si parla di nastri, fili, prodotti da estrusione, carta, prodotti del petrolio, aziende che producono materie prime -> LAVORAZIONI PRIMARIE Gli elementi originari che costituiscono il prodotto finale non possono essere facilmente identificabili. Il prodotto non può essere scomposto a ritroso poiché i componenti originari non sono più distinguibili tra loro a valle della trasformazione. • Discrete/ per parti: Il prodotto finale risulta composto da un numero finito di componenti discreti (parti). Prodotto che si può contare. Il nostro prodotto finito generalmente è un assieme, composto da sottoassiemi assemblati da pezzi semilavorati/finiti. Il prodotto finito potrebbe essere un sottoassieme di un altro prodotto di un'altra azienda. Molti prodotti discreti nascono come continui o semi continui, tipo cavi elettrici, ma vengono poi tagliati in pezzi. Esploso o anche distinta base: elenco dei pezzi che compongono l’assieme. Le aziende più grandi hanno fornitori per ogni pezzo, e alla fine l’azienda lavora nel montaggio, per cui è difficile coordinare la produzione dei singoli pezzi con il prodotto, quindi il simultaneous engineering è molto difficile da applicare al processo di produzione. Per gli assiemi quindi distinguiamo due fasi: • Produzione/Fabbricazione: Insieme delle lavorazioni (trasformazioni) che modificano la forma, le dimensioni, lo stato superficiale di parti singole. • Assemblaggio: Insieme delle operazioni di giustapposizione di almeno due parti singole per formare un assieme. Le parti che compongono un prodotto assemblato sono spesso di materiali 1differenti, al fine di ottimizzarne le caratteristiche e funzioni. Da un punto di vista della complessità del prodotto è molto più complesso per la fabbrica gestire un prodotto formato da milioni di componenti, rispetto ad uno fatto da 10/100 componenti. Caratteristiche di una produzione complessa: 1. numerosità dei componenti che formano i prodotti finiti, 2. volume produttivo (generalmente annuo). Il quantitativo di prodotti da realizzare, o volume di produzione, influenza notevolmente il modo in cui sono organizzate le persone, le strutture e le procedure di una fabbrica. I volumi di produzione annuali possono essere classificati in tre gruppi: • produzione in serie limitata, per quantitativi da 1 a 100 unità l’anno. • produzione media, da 100 a 10.000 unità l’anno. • produzione grande serie, da 10.000 a milioni di unità. I confini tra le tre categorie sono comunque arbitrari. Infatti, a seconda della tipologia dei prodotti, i limiti possono variare anche di un ordine di grandezza. 3. mix produttivo (varietà di produzione) La varietà di prodotto si riferisce infatti al numero di prodotti diversi che sono realizzati in una fabbrica, ed è limitata. Il lotto di produzione si riferisce al numero di unità di un particolare tipo di prodotto fabbricato in sequenza. Vi è generalmente una correlazione inversa tra varietà di Discorso su processi particolari: tipo sinterizzazione di poveri che con calore e pressione le trasformano in un pezzo meccanico Coating: processi di copertura superficiale tipo galvanizzazione o cromatura ecc. Assemblaggio (fastener): Processi permanenti: saldatura, brasatura, incollaggio strutturale. Non permanenti: con viti e bulloni. Ci sarebbe anche l’ultima categoria che è una tecnica ottenuta con la rivettatura (ribattini, montaggi a stampa o incastri con linguette ad espansione), che è un collegamento ottenuto con una deformazione plastica grazie ad una vite non filettata. Macchinari e attrezzature I processi produttivi sono eseguiti da macchinari e attrezzature (nonché da operatori), fin dalla Rivoluzione Industriale. Le macchine utensili furono le prime macchine realizzate, ovvero quelle che permettevano di compiere operazioni prima realizzate a mano. Altre macchine, presse per stampaggio, magli per forgiatura, laminatoi, saldatrici e le macchine automatiche per l’inserimento di circuiti elettronici in circuiti stampati. Si distinguono in: • General-purpose: uso genetico • Special-purpose: per produrre un pezzo specifico -> per ottimizzare la produzione di un particolare pezzo o perché non esistono macchine per un particolare processo. I macchinari di produzione di solito richiedono degli utensili per essere personalizzati per il particolare pezzo o prodotto richiesto. Per le special di solito gli utensili sono già integrati nella macchina. TAB 1.3 PAG 15 Materiali impiegati Metalli: leghe e metalli puri. •Ferrosi: acciaio – metallo più importante di tutti (C fra 0,02 e 2,11%) - e ghisa – C fra 2 e 4%. •Non-ferrosi: Alluminio, rame, magnesio, nichel, titanio. Le leghe valgono più dei metalli puri. MATERIALI PER UTENSILI (anche acciai migliori rispetto ai materiali lavorati, quindi molto ricchi di elementi di lega): Ceramiche: composto contenente elementi metallici (o semimetallici) e non-metallici. Possono avere una struttura cristallina o vetrosa. •Silicio, allumina, argilla. •Carburi (sinterizzati – di tungsteno) e nitruri. Polimeri: composto formato da unità strutturali ripetute, i cui atomi condividono elettroni formando molecole molto grandi di carbonio ed elementi come idrogeno, azoto, ossigeno e cloro. 3 categorie • Termoplastici (polietilene, il polistirene, PVC e il nylon) – sopportano diversi cicli di riscaldamento e raffreddamento. • Termoindurenti (composti fenolici, resine amminoacide e epossidiche) - dopo una fase iniziale di rammollimento per riscaldamento induriscono nel raffreddamento diventando termostabili e non possono essere più rammolliti, ma si decompongono • Elastomeri (gomma naturale, il neoprene, il silicone e il poliuretano). Compositi: materiale prodotto attraverso due o più fasi che vengono lavorate separatamente e poi unite per ottenere proprietà migliori di quelle dei singoli componenti (CRFP, fibre di vetro in matrice polimerica, etc.). Formati da due parti: matrice e fibre che irrigidisce il materiale, d possono essere lunghe o corte. Miscele di materiali/fasi (massa omogenea di materiale) la cui struttura è detta matrice. Esistono anche naturale tipo legno o sintetici tipo le fibre di vetro. PROCESSI TECNOLOGICI COME TRASFORMAZIONI EFFETTI DEI PROCESSI DI PRODUZIONE – PAG 97 Per eseguire una lavorazione ho bisogno di tempo, che è la fonte di costo maggiore (driver principale di costo), perché tengo occupato l’utensile, lo usuro e tengo occupato anche un dipendente. Per un processo si programma una traiettoria ideale: Lo stato iniziale e lo stato finale sono definiti in modo deterministico Trasformazioni reali: sono influenzate da fenomeni non controllabili (disturbi) che influenzano il risultato finale. Generalmente, anche lo stato iniziale della trasformazione non è noto con certezza. Ciò rende ancora più incerto il risultato finale. Ho una dispersione del dato ideale, dovuto anche all’usura degli utensili o alle precedenti lavorazioni del semilavorato. La duplice variabilità del pezzo iniziale e finale genera statisticamente la tolleranza naturale del processo. La presenza di disturbi implica che il risultato finale non sarà mai unico, bensì variabile all’interno di un certo intervallo di possibili soluzioni. • Il problema è quello di garantire che le possibili soluzioni ottenibili tramite la trasformazione siano contenute all’interno di un intervallo di tolleranza definito in fase di progettazione (specifiche). • L’intervallo delle possibili soluzioni legato alla trasformazione dovrà essere perciò contenuto all’interno dell’intervallo di tolleranza. La tolleranza del prodotto deve essere superiore alla tolleranza naturale del processo. Altrimenti ci sono delle soluzioni: • Cambiare il progetto del prodotto (solitamente si vogliono raggi ampi degli smussi) • Cambiare la macchina/processo • Migliorare il processo • Selezionare il prodotto -> una percentuale della produzione sarà scarto Tolleranze processi di produzione Ho due variabili molto importanti che la caratterizzano gli indici di difettosità: Rugosità superficiale media e la tolleranza (in mm). Diagramma in scala logaritmica: Meno precisi: processi di fonderia Poco più precisi: processi di deformazione (soprattutto a freddo) I migliori: asportazione Per questo si usano in sequenza, ovvero si usano i processi di fonderia per i grezzi (generalmente lo facciamo più grande). Le tolleranze si basano sulla capacità del processo in un’operazione specifica, ed è in funzione della dimensione (pezzi grandi, tolleranze alte). In generale il costo della lavorazione aumenta con il miglioramento della finitura superficiale. esempi legati soltanto alla tolleranza - Non esiste un unico processo per realizzare un determinato pezzo e nessuno è il migliore; ci sono sempre alternative tecnologiche. (immagine dx – anche sinterizzazione) -> la scelta del processo è legata alla precisione, a parità di tolleranza, il costo, disponibilità di materiali/attrezzature, tipo di materiale, dimensioni del pezzo – grandi: campane fatte con stampo nella terra, forgiatura a stampo aperto / piccole: microtornitura o sinterizzazione per piccole lavorazioni) Complementi sul comportamento in campo plastico dei materiali (capitolo 3) PROVA DI TRAZIONE È LA COSA DA SAPERE MEGLIO DI TUTTO. LEZIONE 3 Legame fra true stress e il true strain con andamento logaritmico con un andamento mai decrescente, diversamente dal legame ingegneristico. Con altri stati di sforzi i materiali possono resistere anche di più a rottura, ma quale materiale è il più duttile di tutti? 1100-O Al ricotto perché ha un allungamento finale molto grande con una resistenza molto bassa. Queste curve hanno come integrale l’energia di deformazione assorbita (tenacità). Sappiamo la duttilità è inversamente proporzionale al Rm. ALTRI LEGAMI/ DATI DAL LIBRO EFFETTO TEMPERATURA Cosa succede a queste curve se riscaldiamo il materiale e lo sottoponiamo a deformazione? Il campo plastico si allunga, si abbassano diminuendo il campo elastico perché si abbassa lo snervamento e si spostano verso destra, per cui diminuisce la resistenza ma aumenta la duttilità, aumenta la tenacità (area sottesa), diminuisce il modulo di elasticità (pendenza minore) e il carico di rottura e snervamento. Ci sono materiali che prima di diminuire la durezza hanno bisogno di scaldarsi un po’ prima, mentre altri iniziano prima a diminuire la durezza, tanto che sappiamo esistere leghe di nichel le quali resistono molto bene alle temperature, ma anche le ceramiche e gli acciai legati appunto. Andamento grandezze acciaio con temperature: Sul comportamento plastico del materiale influisce anche la pressione media che subisce un corpo, detta anche pressione idrostatica: Se aumenta la pressione la curva si abbassa, quindi si ha maggiore duttilità. Questo effetto si nota visibilmente nell’estrusione, per cui durante il processo aumenta la sua duttilità. Deformazione e velocità di deformazione 𝒗 = 𝒅𝑳 𝒅𝒕 ⁡⁡⁡⁡⁡⁡⁡ 𝒗 𝑳 = 𝒅𝑳 𝑳⁡𝒅𝒕 = 𝒅𝜺 𝒅𝒕 = ?̇? La velocità di deformazione influenza la duttilità, che possiamo definire come la derivata di epsilon nel tempo, ed essendo questa grandezza uniassiale anche la velocità sarà uniassiale (unità di misura 1/s). A questo punto bisogna distinguere le lavorazioni a freddo e quelle in temperature (fra le quale si aggiunge l’asportazione perché si scalda il pezzo durante il processo). L’effetto della velocità di deformazione se lavoriamo a freddo è trascurabile ai fini pratici (tralasciando crash test/spari), quindi 𝜎 = 𝐾𝜀𝑛e 𝜀̇ non cambia a freddo. Quando aumenta la temperatura, soprattutto quando arriviamo ai 2/3 della temperatura di fusione/ 0,5Tf – temperatura di ricristallizzazione il materiale ricristallizza e riforma la sua struttura (nuovi grani cristallini), per cui la resistenza diminuisce, però ha bisogno di tempo per farlo, quindi avviene solo se gli do il tempo di riscaldarsi e ristrutturarsi, mentre se faccio tutto velocemente non noto grandi deformazioni: ho due variabili che si influenzano a vicenda. All’aumentare della temperatura le curve si abbassano e cambia anche la pendenza, so che lavorando molto velocemente, quindi non do il tempo al materiale di rilassarsi, il materiale incrudisce e quindi aumenta la resistenza meccanica. Al contrario ad alta temperatura ma a velocità bassa, il materiale ha il tempo di ricristallizzarsi e quindi non c’è incrudimento. Temperatura e velocità di deformazione influenzano l’incrudimento. • Lavorazioni a caldo: sopra i 2/3 della temperatura di fusione • Lavorazioni tiepide: fra 1/3 e 2/3 Tf • Lavorazioni a freddo: sotto 1/3 Tf. PROVA DI COMPRESSIONE La prova di trazione ha dei limiti perché per esempio non si possono raggiungere alti valori di deformazione a causa della strizione, per cui si cambia prova per determinare i valori più alti, con la prova di compressione, in cui si usano provini cilindrici o anulari (tubi). Questa prova è utile perché misura deformazioni più elevate e ci consente di avere una rappresentazione di σ con valori negativi con deformazione negativa. Essa consiste nell’applicazione di un carico che riduce l’altezza del provino e ne aumenta la sezione. Prova senza strizione. Svantaggi compressione: il materiale non è simmetrico (per usare i dati nella prova di trazione – dovuto al singolo materiale/metallo) e in più salta fuori l’attrito in questa prova, per cui per la costanza del volume la sezione piano piano si allarga strisciando sulla macchina, avendo dell’attrito, e quindi una maggiore tensione ideale e una distorsione del campione a forma di barile -> soluzione lucidare provino o lubrificante o materiali interposti. Voglio conoscere il legame tra sigma ed epsilon nella deformazione a freddo, ed è scomoda questa rappresentazione con valori negativi, per cui voglio una formulazione equivalenti per sforzo e deformazione, chiamate con Yf e εf che sono legati ad uno stato di deformazione generico, in cui εf=|ε| nella prova di compressione. Ci hanno già pensato a come rendere lo stato di sforzo da uniassiale a multiassiale. In generale lo stato di sforzo e di deformazione non è uniassiale come nel caso della prova di trazione nel tratto a deformazione omogenea. Per risolvere il problema ci si riferisce ad uno stato di sforzo e di deformazione equivalenti e indichiamo la relazione costitutiva con il pedice f per sottolineare che la usiamo per prevedere il flusso del materiale 𝑌𝑓 = 𝐾𝜀𝑓 𝑛 Le principali relazioni di equivalenza triassiale-uniassiale sono (i pedici 1, 2 e 3 si riferiscono alle direzioni principali) sono quelle di Tresca e di Von Mises (massima energia di distorsione): 𝑌𝑓 = 1 √2 √(𝜎1 − 𝜎2)2 + (𝜎3 − 𝜎2)2 + (𝜎1 − 𝜎3)2 La quale considera uno stato di sforzo triassiale rappresentato da una matrice detto tensore degli sforzi, nel caso più generali con 9 componenti con sforzi di taglio, ma si può trovare sempre un sistema principale di inerzia, ovvero un sistema con sforzi di taglio nulli, rappresentando lo stato di sforzo con tre sforzi principali σ1>σ2>σ3. Nella compressione ho solo sigma1. Possiamo anche definire un epsilon equivalente e quindi il suo tensore delle deformazioni. Sono le componenti deviatoriche (differenza valori di sigma) a deformare veramente il materiale. TIPI LEGAMI TENSIONE-DEFORMAZIONE • Perfettamente elastico: comportamento definito solo dalla loro rigidezza (coefficiente E), cedono al punto di snervamento, tipo ceramiche, ghise e polimeri termoindurenti. • Elastico e perfettamente plastico: rigidezza definita da e successivamente vengono riscaldati a T alte cosi da farli ricristallizzare piuttosto che incrudire, tipo il piombo a Tamb: no incrudimento da deformazione • Elastico con incrudimento: seguono la legge di Hooke e successivamente n>0 con formula andamento plastico; in diagramma logaritmico è lineare. La formula del legame power law è una semplificazione. Spesso si fanno delle ipotesi di materiale rigido plastico perfetto, quando il materiale è un materiale perfettamente duttile e quando si ha una curva piatta e quindi si ha assenza di incrudimento, ovvero con deformazioni lente ad alte temperature, per cui il legame reologico si semplifica con una costante (n=0). Un’altra semplificazione può essere la rappresentazione del legame lineare tra sigma ed epsilon con n=1. Come faccio a considerare l’effetto della temperatura su questa legge? Moltiplico il legame per 𝜀̇𝑚 𝝈 = 𝑲𝜺𝒏?̇?𝒎 con un termine legato alla velocità di deformazione, che può essere semplificata: • A freddo m=0 • Caldo e 𝜀̇ piccolo → n=0 • Caldo e 𝜀̇ grande → non ho semplificazioni e di solito: m<=0,1 e n<=0,1 Manca un legame di n e m con T, quindi in generale k, m e n sono in funzione della temperatura: 𝜎 = 𝐾(𝑡)𝜀𝑛(𝑡)𝜀̇𝑚(𝑡), anche se non useremo questo legame. Fondamenti della colata dei metalli Solidificazione e raffreddamento In fonderia si usano leghe la maggior parte delle volte vengono fuse e poi ri-solidificate. Il comportamento cambia fra leghe e metalli puri, i quali sono più facili da studiare e sarebbe anche più buona la qualità metallurgica ottenuta. Dopo essere colato nella forma di fonderia alla temperatura di colata si raffredda cedendo calore dalla forma attraverso le pareti per conduzione e poco per irraggiamento. Quando inizia la solidificazione si ha un materiale semisolido (liquido + solido) periodo in cui si ha una trasformazione isoterma, anche se dobbiamo comunque sottrarre il calore di solidificazione. Le pareti smetteranno di sottrarre calore all’equilibrio termico; da quel momento si può velocizzare estraendolo dalla forma (dopo il tempo necessario formate i grani, altrimenti si ha un carico di rottura basso) e raffreddandolo ad aria, La solidificazione comporta il passaggio di stato del metallo dallo stato di fuso allo stato di solido. Il processo di solidificazione cambia a seconda che il metallo sia un elemento puro o una lega. Curva di raffreddamento - metalli puri (grafico a sinistra). Il processo si verifica in un tempo detto, tempo di solidificazione locale, a t costante per metalli puri, durante il quale viene rilasciato il calore latente, mentre quello totale è quello che intercorre tra la colata e la solidificazione. CARATTERISTICHE DEI PRODOTTI: • La colata può essere utilizzata per creare forme complesse, sia esterne che interne. Solitamente serve però avere molta pressione (non basta la gravità) per avere pareti sottili e quindi forme complesse. • Alcuni processi di colata sono in grado di produrre pezzi net shape, cioè che non necessitano di altre lavorazioni per ottenere la forma e le dimensioni richieste. • Altri processi di colata sono i near net shape, per cui sono necessarie poche lavorazioni aggiuntive (solitamente per asportazione di truciolo) per ottenere le accuratezze, le precisioni e la finitura superficiale richieste (per avere le giuste tolleranze). • La colata può essere utilizzata per produrre pezzi di grandi dimensioni, ma con maggiori rischi di cavità interne. I getti possono raggiungere un peso superiore alle 100 tonnellate. • Il processo di colata può essere eseguito su qualsiasi metallo che può essere trasformato in stato liquido. Dipende però dalle caratteristiche del metallo: formazione di dentriti, punto di fusione, coefficienti di ritiro dalla fusione (differenti velocità di solidificazione delle parti), e dalla fluidità/colabilità della lega (troppo viscosa non riempirà una cavità complesse) • Alcuni metodi di colata sono molto adatti alla produzione di massa. ESEMPI (da slide 11 a 17): motori, pezzi moto, pezzi elettrodomestici, valvole per tubazione, carter per trasmissione, componenti di leghe di zinco, rame, magnesio, titanio con dimensioni da molto piccole a molto grandi. CRITICITA’ E LIMITI TECNOLOGICI •Proprietà meccaniche dei getti. • Tensioni termiche di ritiro e residue. • Porosità dei getti. • Scarsa precisione dimensionale. • Scarsa finitura superficiale. • Sicurezza operatore durante la lavorazione dei metalli ad alte temperature. • Problematiche ambientali ed energetiche. Campo di applicazione Grafico dipendente da tolleranze e rugosità superficiale → classifico i processi produttivi → zona della fusione in arancione Nella fonderia in terra si usano i centimetri, essendo molto impreciso. Le migliori sono le tecniche in conchiglia. DIAGRAMMA DX: uguale precedente, ma relativo solo alla fonderia. PROCESSO DI COLATA La forma comprende una cavità la cui geometria determina la geometria che avrà il pezzo finale. Nel caso di una forma aperta (a), il metallo liquido viene versato semplicemente fino a riempire la cavità. In una forma chiusa, (b), viene realizzato un percorso, detto sistema di colata, per consentire al metallo fuso di fluire dall’esterno della forma verso la cavità. Si distingueranno due fasi: (i) fusione del metallo e colata (ii) solidificazione e raffreddamento. SCHEMA SISTEMA DI COLATA PER COLATA IN SABBIA: la forma è formata dalle cosiddette staffe superiore (cope) e inferiore (drag) separate dalla linea di separazione/divisione e ai lati abbiamo i serbatoi/box per inserire le staffe. Abbiamo nella cavità (creata con un modello sovradimensionato in legno, metallo o plastica avente la forma del pezzo), un canale di colata, successivamente un canale di distribuzione piano in corrispondenza della linea di separazione, poi la materozza (pezzo in più) – serbatoio di metallo liquido molto più caldo per compensare il ritiro - e infine la cavità vera e propria che riproduce il pezzo con una tolleranza di qualche millimetro in più, sia a causa del ritiro sia per le lavorazioni successive, ragion per cui la forma è progettata per lo specifico pezzo e materiale soprattutto. Si possono avere anche degli oggetti all’interno della cavità, detti anima (realizzata nella cassa d’anima), inserito nella forma per realizzare un foro o una cavità, ed è realizzato separatamente dalla forma, essendo in sottosquadro nella forma per poi facilitare la rimozione del pezzo. Fusione e colata Il fuso è metallo surriscaldato oltre la temperatura di fusione, quindi surriscaldato, per evitare che si solidifichi prima di arrivare alla forma, quindi la temperatura di colata è sicuramente sopra alla temperatura di liquidus (anche se di solito si considera la temperatura di fusione come media fra liquidus e solido). Chiamiamo quindi Tm come temperatura di fusione/ melting. L’energia termica richiesta per riscaldare il metallo ad una temperatura di fusione sufficiente è la somma dei seguenti termini: 1. Il calore necessario ad aumentare la temperatura fino al punto di fusione; 2. Il calore latente di fusione per convertire il metallo da solido a liquido; 3. Il calore per aumentare la temperatura del metallo fuso affinché ́possa essere versato, cioè abbia la fluidità necessaria alla colata Si può quindi calcolare considerando le seguenti limitazioni: il calore specifico non varia con la temperatura, la temperatura di fusione è unica (non applicabile alle leghe), e non si ha scambio d calore con l’ambiente durante il riscaldamento. Densità acciaio: 7,5÷8 (7500÷8000 kg/m³) densità alluminio: 2 700 kg/m³ Il terzo termine serve per assicurarci che il materiale non si solidifichi prima di aver finito di riempire. CALCOLO TEMPO DI COLATA Obiettivo: il metallo deve raggiungere tutte le regioni della forma prima di solidificarsi. Il tempo di colata deve essere inferiore dal tempo di inizio di solidificazione. Fattori di influenza: • Temperatura di colata (Tp) – regolato con indicatore forno. Se aumenta: o Tempo prima di solidificazione aumenta o Fluidità del metallo aumenta o Costo energetico aumenta • Velocità di colata (v), ovvero il tasso volumico a cui il metallo viene versato, non si può regolare, ma si può calcolare a seconda del sistema di colata. Se aumenta: o Si riduce il rischio che il materiale solidifichi prima di riempire la forma. o Si può verificare il rischio di turbolenze (che accelerano la formazione di ossidi che degradano il metallo) e delle conseguenti erosioni della forma (maggiore essendo i metalli fusi molto reattivi) e intrappolamenti di aria per le turbolenze (si fanno alla fine le tirate d’aria per far uscire quella intrappolata, mentre per la colata in sabbia la porosità della forma in terra favorisce la fuoriuscita dalla parete stessa) e anche le cosiddette gocce fredde (materiale fuso che raffredda istantaneamente e rovina la forma. ANALISI INGENGERITICA DEL SISTEMA DI COLATA Il sistema di colata è costituito da: • bacino di colata: coppa in cui viene versato il metallo fuso, contiene filtri e dispositivi, quali paratie, per evitare che la scoria entri nella forma, oltre che per regolare il flusso in modo da rallentare il fuso fino ad avere quasi v=0. • canale di colata: è il canale verticale all’interno del quale il metallo cade per gravità acquisendo velocità, ed è conico con la parte più grande in alto. • canale distributore (o collettore): è il canale orizzontale che consente al metallo fuso di raggiungere diversi punti della forma. • attacchi di colata: portano il materiale fuso alla/e figura/e, quindi direttamente nella cavità della forma. Obiettivo dell’analisi: Determinare l’area della sezione trasversale del canale di colata, A. L’accelerazione e la velocità del fluido è generata dall’altezza tra il pelo libero sul bacino/parte superiore della staffa e il piano di separazione. per calcolare la velocità si usano due leggi: • Legge di continuità: assumendo un fluido incomprimibile, una forma/ stampo con pareti impermeabili, la massa di fluido che passa in ogni sezione nell'unità di tempo, portata volumetrica Q, è costante. Si può applicare quindi in qualunque sezione. • Equazione/teorema di Bernulli: la somma delle energie potenziale, di pressione, cinetica è costante. Applicazione senza ΔP, essendo la pressione atmosferica costante praticamente. SISTEMI PRESSURIZZATI (disegno errato) La conicità del sistema fa sì che la pressione aumenta. Si ha alla fine una strozzatura, che può essere all’attacco di colata. Sd>Sc • PRESSURIZZATI: Sa<Sc. Esempio Sc/Sd/Sa=4/8/3 o 4/3/2 o Evita il distacco di liquidi dalle pareti e quindi il possibile risucchio di aria nel getto. • NON PRESSURIZZATI: progressivo aumento delle sezioni di passaggio (Sc/Sd/Sa=1/2/4): Sa > Sc Struttura finale di un getto fuso: anche in questo caso è auspicabile avere elevata velocità complessiva di raffreddamento. La struttura metallurgica non è solo dipendente dalla velocità di raffreddamento (e quindi ad esempio dal tipo di forma), ma anche, con riferimento agli acciai, dal tenore di carbonio. Leghe eutettiche: è una lega con composizione particolare per cui solidus e liquidus coincidono, quindi la solidificazione avviene a T costante (temperatura eutettica e per esempio sono leghe alluminio-silicio (11,6% Si9 e la ghisa (4,3%). La solidificazione dei metalli puri e delle leghe richiede del tempo. Il tempo di solidificazione totale è il tempo che occorre dalla colata affinché il pezzo solidifichi. Si può determinare molto precisamente con programmi al computer, oppure ci sono regole empiriche. Questo tempo dipende dalle dimensioni e dalla forma del pezzo, secondo una relazione empirica nota come regola Chvorinov, che afferma quanto segue: 𝑻𝑻𝑺 = 𝑪𝒎 ∙ 𝑴 𝒏 TTS: tempo di solidificazione totale [min] M: modulo termico [cm] dipendente dalla geometria del pezzo n: esponente sperimentale adimensionale (di solito pari a 2, comunque maggiore di 1) Cm: costante sperimentale della forma, ovvero esperimenti per tabularle [min/cm2]. Dipende da condizioni di colata: • Materiale della forma (calore specifico, conducibilità termica). • Proprietà termiche del metallo colato (calore latente di fusione, calore specifico, conducibilità termica) • Temperatura a cui viene effettuata la colata Se volessimo essere più accurati scomponiamo il pezzo in diversi pezzi così da calcolare i differenti moduli termici. Questo principio si usa nella progettazione delle materozze negli stampi. Per svolgere la funzione di alimentare la cavità principale con il metallo fuso, che deve rimanere tale per più tempo di quanto ci impiega il pezzo a solidificare. ESEMPI MODULI TERMICI Per il calcolo del modulo termico delle parti non si considerano come scambianti le superfici di sezione ideale tra le parti: Alcune considerazioni sui moduli termici di elementi geometrici elementari: Più è grosso l’oggetto maggiore è il modulo termico. Una geometria interessante è la piastra (spessori sopra i 5/6mm), molto grande ed estesa. Spessore s, lato a e lato b. V=s*a*b A=2*s*(a+b)+2*a*b M=V/A= 1 2∙( 1 𝑏 + 1 𝑎 )+ 2 𝑠 ma se diciamo che a,b>> s allora 1/b e 1/a hanno un contributo trascurabile -> M ≈s/2. RITIRO Il ritiro in fase liquida e durante la solidificazione si calcola come una contrazione volumetrica, mentre in fase solida si considera il ritiro lineare. Il ritiro viene quantificato in due modi differenti. O attraverso il ritiro volumetrico percentuale: 𝑟𝑉 = 𝑉𝑇𝐶 − 𝑉𝑇𝑆 𝑉𝑇𝐶 o attraverso il ritiro lineare percentuale partendo dalla variazione di lunghezza di un'unica dimensione del pezzo 𝑟𝐿 = 𝐿𝑇𝑆 − 𝐿𝑇𝐴 𝐿𝑇𝑆 In tutti i processi a caldo si ha un ritiro in fase solida che complica il processo. Per contrastare il ritiro in fase solida è necessario sovradimensionare la cavità di una quantità pari al ritiro. L'entità del ritiro lineare per i materiali comunemente utilizzata in fonderia è: ESEMPIO: Acciaio=1,8% usato negli esercizi. Il ritiro avviene in tre fasi: (1) contrazione del liquido durante il primo raffreddamento, (2) contrazione durante il cambiamento di fase, detto ritiro di solidificazione e (3) contrazione termica del pezzo fuso solidificato durante il raffreddamento fino a T amb. X colata cilindrica in uno stampo aperto: la prima contrazione provoca la riduzione dell’altezza del liquido intorno allo 0,5%. La seconda contrazione ha due effetti: la riduzione dell’altezza e la riduzione di quantità di metallo liquido per alimentare la porzione centrale, fino a formare il cono di ritiro (cavità). Ultima contrazione diminuisce altezza e diametro secondo il coefficiente di dilatazione termica usato al contrario. La ghisa ha una fase di grafenizzazione a causa dell’altro contenuto di carbonio e quindi contrasta alla riduzione di volume del cambiamento di fase. Si può compensare il ritiro di solidificazione in diversi modi: nella colata in sabbia con la materozza, mentre nella profusione il metallo fuso viene applicato sotto pressione. I costruttori dei modelli gestiscono il ritiro aumentando le dimensioni dello stampo con la tolleranza di ritiro del modello, espresse linearmente anche se volumetrico, dando per costante in ogni direzione, per cui si usano metri di ritiro speciali con scale più ampie. La TABELLA sopra fornisce i valori di ritiro lineare di diversi materiali per dimensionare le materozze. FENOMENI PROBLEMATICI Durante il raffreddamento si ha contrazione di un getto cilindrico durante la solidificazione e il raffreddamento: Cavità di ritiro che è un problema, per cui vogliamo che la materozza sia calda e grande cosi da riempire questa cavità. Questo dipende dal costo, e quindi bisogna dimensionarla secondo un compromesso. Nel caso in cui vi sia lo sviluppo di dendriti colonnari occorre evitare la formazione di microporosità dovute al ritiro di piccoli volumi isolati dalle dendriti. Per evitare il problema occorre ridurre la banda di solidificazione ad esempio aumentando il gradiente termico sia spaziale (soprattutto) che temporale (in maniera minore). Le cavità dendritiche sono all’interno. La solubilità di alcuni gas nei materiali metallici (ad esempio l’idrogeno nelle leghe di alluminio) decresce bruscamente nel passaggio liquido – solido. Questo comporta la formazione di microporosità o microcavità nel solido. Allo stato liquido un alluminio intrappola un sacco di idrogeno, e quando si raffredda si dissocia dalla lega e tende a scappare sotto forma di gas, ma se è molto all’interno resta intrappolato nella forma e quindi si formano delle cavità soprattutto sulla pelle esterna e con forma tondeggiante. Per ovviare questi problemi sulla formazione di gas ci sono varie procedimenti; L’idrogeno nei processi di fonderia proviene principalmente dall’atmosfera: il risultato di una colata in lega di alluminio dipende fortemente dal tasso di umidità nell’aria. Il problema può essere risolto attraverso:  Degasaggio chimico: vengono inserita all’interno della lega degli elementi chimici che hanno grande affinità con il gas responsabile delle porosità. Si legano a quest’ultimo quando il materiale metallico è allo stato liquido formando una scoria solida che risale in superficie.  Fusione sotto vuoto: in questo modo si evita che il materiale fuso entri in contatto con l’atmosfera, evitando la contaminazione indesiderata.  Applicazione di una pressione: se la colata avviene sotto pressione diminuisce la formazione di porosità. Per minimizzare gli effetti dannosi del ritiro le zone del grezzo più lontane dalla materozza devono solidificare prima e deve partire da lì, così che il metallo fuso sia sempre disponibile per evitare porosità. Il termine solidificazione direzionale è usato per descrivere questo aspetto della solidificazione; quella ottimale si ottiene osservando la regola di Chvorinov nella progettazione del grezzo, e l’orientamento dello stampo e della materozza; infatti i pezzi con M piccolo vengono messi lontano dalla materozza. Di particolare importanza è il collegamento fra materozza e cavità principale (colletto della materozza), poiché deve essere progettato in modo che non solidifichi prima del grezzo; sebbene sia meglio minimizzarne il volume, la sezione trasversale deve essere comunque estesa → colletto molto corto. Materozza Il metodo basato sul diagramma di Caine utilizza un grafico riportante in ascisse e ordinata i due rapporti: 𝑋 = 𝑀𝑚 𝑀𝑝 ⁡⁡𝑌 = 𝑉𝑚 𝑉𝑝 dove Mp è il modulo della parte cui è collegata la materozza e Vp è il volume della parte del getto alimentata dalla materozza. Sperimentalmente è stata ricavata la curva che divide il piano in zone dove i pezzi sono rispettivamente “buoni” e “non buoni”. Operativamente si sceglie un punto (X0,Y0) nella zona dei pezzi buoni e si ricava il sistema{ 𝑀𝑚 = 𝑋0𝑀𝑝 𝑉𝑚 = 𝑌0𝑉𝑝 Per il calcolo della dimensione della materozza, bisogna calcolare il volume del pezzo, il suo modulo termico, che può essere approssimato a quello della parte più grande. Per l’orale bisogna fare questo procedimento per poi dire da dove parte la solidificazione e indicare con delle frecce come prosegue. Si ha un GRAFICO, dove a destra si ha un limite perché non voglio sia anche troppo grande, quindi x è compreso fra 1 e 2. Sul volume invece si ha un limite massimo che è 1 -> ho una regione di ammissibilità, e voglio lavorare in alto a destra, mentre rischiare di avere un difetto significa lavorare in basso a sinistra. Asintoticamente per x->infinto, se ho una materozza infinitamente calda ho bisogno di avere un volume pari alla contrazione di tutto quello il pezzo. La materozza inoltre rappresenta uno sfrido metallico che va separato dal grezzo, e rifuso, per cui il materiale riutilizzato sarà il minimo possibile, per cui si sceglie la forma con miglior modulo termico. Ne esistono di diversi tipi: materozza laterale, messa a lato del grezzo; materozza dall’alto collegata alla superficie superiore; inoltre si distinguono in aperte, se a contatto con l’atmosfera esterna sulla staffa superiore o cieca se è chiusa nella staffa. ESEMPIO CON EXCEL DIAGRAMMA Caine a non è una costante fisica, ma dipende dal materiale Coefficiente di contrazione b: Se la velocità di raffreddamento della materozza è infinitamente più piccola della velocità di raffreddamento del getto (x ⇒ ∞) il volume della materozza necessario a contrastare la contrazione del getto è pari alla contrazione del getto stesso 𝑌 = 𝑉𝑚 𝑉𝑔 = 𝑏 Velocità di raffreddamento relativa c: Se materozza e getto solidificano con la stessa velocità di raffreddamento (hanno stesso modulo termico e sono a contatto con la stessa terra) e x tende a c, il volume della materozza necessario a contrastare la contrazione del getto tende all’infinito. (Se x→C, allora y→∞) TENSIONI DI RITIRO/TERMICHE (per ogni processo ad alta temperatura) Ora possiamo togliere il pezzo dalla forma, quindi il processo è quasi finito, ma il pezzo è ancora caldo, quindi si possono avere ancora dei problemi. Il ritiro in fase solida genera anche un problema di tensioni termiche. Infatti, corpi con geometria raffreddano con velocità differenti e quindi con contrazioni istante per istante differenti. Prendiamo ad esempio la piastra con due asole sotto riportata e scomponiamola idealmente nei 5 corpi a (2x), b e c (2x): Le zone c hanno M maggiore, e quindi saranno le più lente a raffreddarsi. DIMOSTRAZIONE Per ragionare sulle tensioni bisogna considerare che lo stato si sforzo è tridimensionale, ma considero non trascurabile solo lo sforzo lungo la lunghezza. Possiamo grossolanamente paragonare le velocità di raffreddamento dei corpi a, b e c. Infatti, si può osservare che il calore smaltito è proporzionale a: dove S è la superficie di scambio termico La variazione di temperatura è data da: da cui: Quindi la velocità di raffreddamento è proporzionale alla differenza tra la temperatura del corpo e quella dell’ambiente divisa per il modulo termico M del corpo: 𝑀 = 𝑉 𝑆 B essendo più massivo, ha M maggiore di A. -> A si raffredda prima di tutti, e quindi si ritira anche prima, quindi A e B hanno T diverse e La è diverso da Lb -> profilo temperatura come un esponenziale negativo: IMMAGINE all’istante t* ho la massima differenza di lunghezza dei due pezzi, per cui è il punto più critico. La lunghezza finale sarà un valore intermedio tra i due. RAGIONAMENTO SULLE TENSIONI DI RAFFREDDAMENTO L’allungamento assiale dei due corpi a e b se fossero liberi sarebbe: Dato che le temperature Ta e Tb durante il raffreddamento sono diverse si hanno lunghezze libere differenti. Il problema si annulla raggiunta la temperatura ambiente. Dato però che i due corpi a e il corpo b sono vincolati al corpo c, per la congruenza troveranno istante per istante una configurazione di equilibrio. Sia a che b avranno in realtà la stessa lunghezza, che chiamiamo L, in dato istante durante il raffreddamento. Quindi il corpo a è allungato di δLa (sollecitazione di trazione) e il corpo b accorciato di δLb (sollecitazione di compressione) SEMPRE A CALDO. se sapessimo i valori delle tensioni dovremmo confrontarli con il carico di snervamento a quella temperatura, che è più basso. -> se questo valore viene superato, tipo per a, rimarrà sempre allungato, per cui la sua lunghezza naturale sarà Lta+l plasticizzazione -> le due lunghezze diventano diverse -> a freddo a si troverebbe essere costretto ad essere più corto e b più lungo, quindi le tensioni si invertono (SE SI RAGGIUNGE SNERVAMENTO AD ALTA TEMPERATURA). Le tensioni potrebbero rilassarsi distorcendo il materiale, soprattutto a causa di lavorazioni successive che rimuovono parti di materiale (rimuovendo a o b) ➔ Generalizzando si ha questa cosa con modulo termico differente (con grande differenza: superiore al 20%) e sono collegati tra loro (a contatto o meccanicamente da un terzo corpo). Il modulo termico dipende dalle dimensioni molto diverse delle due parti. La stessa regola si applica anche a corpi di forma molto diversa. Si hanno quindi 3 casi: • La sollecitazione nei due corpi a e b rimane in campo elastico (E inferiore a caldo) → Nessun problema particolare. • La sollecitazione in uno dei due corpi a o b (o in entrambi) entra in campo plastico -> il pezzo si allunga in trazione e a freddo si trova in uno stato di compressione residua su a, e quindi il corpo si distorce. Supponiamo che solo nel corpo a la sollecitazione sia maggiore del valore dello snervamento. Il materiale fluisce plasticamente, allungandosi di una quantità δLa*. A temperatura ambiente questa deformazione plastica rimane: se fossero liberi i corpi a sarebbero più lunghi. Ma ancora una volta, per la congruenza, i corpi a devono essere lunghi tanto quanto il corpo b. Rimangono quindi delle tensioni residue dovute al ritiro. A temperatura ambiente i corpi a sono sollecitati a compressione mentre il corpo b sarebbe in trazione (opposta rispetto alla sollecitazione ad alta temperatura). Quindi i corpi che hanno un modulo termico minore a temperatura ambiente sono in compressione (se la sollecitazione è tale da portare il materiale in campo plastico). Questo problema è critico nei pezzi lunghi che, se hanno velocità di raffreddamento fortemente differenti nella sezione trasversale, possono mostrare deflessioni a freddo che scaricano parzialmente le tensioni residue (esempio: trave a T). • La sollecitazione in uno dei due corpi a e b supera il limite di rottura. Si generano le hot tears, ovvero cricche a caldo, che nascerà sicuramente nei corpi a, e sarà più vicino a c, perché si osservano in corrispondenza degli spigoli →Il pezzo è uno scarto. Di conseguenza, in fonderia occorre fare attenzione a corpi facenti parte dello stesso pezzo che presentano moduli termici eccessivamente differenti: possono arrivare a rompersi nella fase di raffreddamento. Per risolvere il rischio rottura, il progettista di processo mette un gigantesco raccordo piuttosto che uno spigolo, anche se aumenti i costi delle lavorazioni successive. È quindi necessario:  non avere parti massicce vicino a parti di spessore sottile  avere una variazione “lenta” degli spessori per “distribuire” le sollecitazioni Sezioni trasversali di pezzi a rischio. In a si toglie del materiale per diminuire M. In c si ha aggiunto uno smusso con una transizione del modulo termico più graduale In ogni caso a valle della fonderia il pezzo viene trattato termicamente per distenderlo. Se così non fosse le tensioni interne potrebbero portare ad una variazione della geometria quando il pezzo viene lavorato successivamente asportando materiale. Ad esempio, immaginiamo di dover asportare uno dei due corpi a in un pezzo con tensioni residue: Il sistema di forze non è più in equilibrio: il pezzo si accorcia (viene a mancare la “spinta” di uno dei due corpi a) e si inflette (a causa del momento generato dalla trazione del corpo b e dalla compressione del corpo a, la concavità è verso l’alto). Processo di colata (capitolo 7) Processi al verde: con polveri essiccate e non cotte, tipo la sabbia compattata. Processi in forma transitoria (tempo dipendente più dalla formazione della forma che quella del grezzo): •Colata in sabbia. •Shell molding. •Colata in polistirene espanso (lost foam – schiuma persa). •Microfusione (lost wax – cera persa). •Colata in gesso e in ceramica. Processi in forma permanente (tasso di produzione più elevato): •Colata in conchiglia. •Colata in bassa pressione. •Colata sotto vuoto. •Pressofusione. •Squeeze casting. •Colata centrifuga. Colata in sabbia AMBITO DI APPLICAZIONE La colata in sabbia consiste nel versare il metallo fuso in una forma di sabbia, nel lasciar solidificare il metallo per poi rompere la forma e rimuovere il grezzo. Quasi tutte le leghe metalliche possono essere colate in sabbia, compresi i metalli con alte temperature di fusione, come acciaio, nichel e titanio. La versatilità di questo processo permette la realizzazione di grezzi di varie dimensioni, da piccoli a molto grandi, e con quantità per lotto di produzione variabili dal pezzo singolo a milioni di pezzi, per questo è il più utilizzato. • Grossa: migliore permeabilità. • Forma • Regolare: migliore porosità. • Irregolare: migliore compattamento. Qualità della forma: Anche in contrasto: tipo robusta e permeabile, si cerca un compromesso -> ricetta della sabbia spesso segreto industriale. •Robustezza: la capacità della forma di mantenere la sua forma e resistere all'erosione causata dal flusso di metallo fuso •Permeabilità: capacità della forma di lasciar fuoriuscire l'aria calda e i gas prodotti durante la colata attraverso i micro-vuoti nella sabbia •Stabilità termica, la capacità della sabbia sulla superficie della cavità della forma di resistere all'incrinatura e alla frantumatura a contatto con il metallo fuso -> se viene cotta, o comunque a causa del calore per irraggiamento, può danneggiarsi, per cui si aggiunge una piccola quantità di acqua (umidità che a volte è già più alta in partenza) •Cedevolezza, cioè la capacità della forma di cedere e permettere al grezzo di contrarsi senza rompersi. •Riutilizzabilità, cioè la possibilità di riutilizzare la sabbia per altre fusioni. LEZIONE 7 Le forme in sabbia si dividono in: • Sabbia al verde: miscela sabbia, argilla e acqua; detta verde per l’umidità contenuta -> buona robustezza, buona cedevolezza, permeabilità e riusabilità e sono le meno costose, ma l’umidità può creare difetti nei pezzi • Sabbia a secco/essiccata: realizzate con leganti organici al posto dell’argilla e la forma viene cotta in forno a temperature comprese fra 200°C e 320°C, cosa che le rafforza e indurisce le superfici interne, permettendo un miglior controllo delle dimensioni del pezzo, ma tuttavia è più costosa e il tasso di produzione è ridotto. • Skin-dried: si asciuga la superficie fino a 10-25mm Le presse e le macchine di qualunque tipo non vanno mai d’accordo con la sabbia, perché provoca un sacco di usura. Altri processi di colata in forma transitoria COLATA SHELL MOLDING Il processo shell molding (o formatura in guscio) è un processo di colata in cui la forma è un guscio sottile di sabbia (tipicamente 9 mm) tenuto insieme da un legante di resina termoindurente. Sempre in sabbia per pezzi di piccole dimensioni con un canale di colata che funge da materozza. Per realizzare un guscio si parte con una quantità di sabbia con termoindurente sul fondo della staffa, e sopra si mette una placca modello riscaldata di metallo, così rovesciando la staffa la sabbia verde viene asciugata in forno e con un trattamento di consolidamento assume la forma finale. A questo punto si può estrarre il modello, e successivamente si lega all'altra metà con dei morseti. Solitamente si fodera la forma con un guscio metallico in maniera da rendere le pareti più resistenti. Questo ciclo è più delicato e complicato, perché in aggiunta c'è la cottura della forma, però è preferita perché il modello di metallo ha una rugosità molto bassa per cui la sabbia aderisce bene e diminuisce la sua rugosità -> migliora la finitura superficiale e le tolleranze dimensionali dei pezzi prodotti. Vantaggi: •La superficie della forma è più liscia di quella di una forma tradizionale in sabbia e questo permette un migliore scorrimento del metallo fluido durante la colata. •Si possono ottenere basse rugosità e si raggiungono buone precisioni dimensionali, con tolleranza di ±0.25 mm su parti medio-piccole. I valori di finitura e precisione raggiunti spesso consentono di non realizzare lavorazioni successive. •La cedevolezza della forma è generalmente sufficiente per evitare rotture e incrinature del pezzo. •È più elastica per resistere meglio alla sformatura della forma. Svantaggi: •Necessità di un modello in metallo più costoso del corrispondente modello per la forma in sabbia verde. Campi di applicazione: •Difficilmente giustificabile per piccoli lotti di produzione. •Automatizzato per la produzione di massa ed è molto economico per grandi quantità. •Indicato per grezzi di acciaio di dimensioni medio-piccole (ingranaggi, corpi valvola, boccole e alberi a camme). COLATA IN POLISTIRENE ESPANSO (lost-foam) Il processo di colata in polistirene espanso utilizza una forma di sabbia pressata attorno a un modello di polistirene espanso, che evapora quando il metallo fuso viene colato nella forma. Nel modello in polistirene sono inclusi anche i sistemi di colata e di alimentazione, le anime, eliminando così la necessità di un’anima distinta nella forma. Per pezzi unici, il polistirene è tagliato manualmente da grandi fogli e assemblato per formare il modello. Per grandi quantità, si possono utilizzare processi di stampaggio automatizzato. Il modello è rivestito con un composto refrattario per fornire una superficie liscia e migliorare la sua resistenza alle alte temperature. Si usa sabbia con leganti, e a volte senza per favorirne il riutilizzo. Il vantaggio è che non si hanno problemi di sformamento e sottosquadri perché il modello evapora all’avvicinarsi del metallo fuso -> polistirolo potrebbe legarsi alla lega metallica -> risolvo con sistemi di sfiato e permeabilità forma. Vantaggi: •Poichè il modello stesso diventa la cavità della forma, le problematiche dovute all’estrazione del modello non sussistono. •Il modello non deve essere rimosso dalla forma; ciò semplifica e accelera la progettazione e costruzione dello stesso -> tempo produzione inferiore. Svantaggi: •Necessità di un modello per ogni getto. •Necessità di elevata porosità della forma. •Ridotte velocità di colata (possibile uso di modelli cavi). •Il calore del metallo fuso anticipa il fronte metallico. Il polistirene evapora prima del contatto con il metallo. Il rivestimento del modello permette di evitare cedimenti della forma. Campi di applicazione: •Applicato alla produzione di massa di componenti di motori per automobili, in cui si utilizzano sistemi automatizzati per realizzare i modelli in polistirolo MICROFUSIONE (CASTING/ investiment casting) Nella microfusione (cera persa in campo artistico), un modello in cera viene rivestito da un materiale refrattario per creare un guscio. Il modello poi si scioglie prima della colata del metallo fuso. La produzione dei modelli mediante formatura che prevede di versare o iniettare la cera fusa in uno stampo. I modelli in cera sono collegati a un canale di colata centrale, sempre di cera, a formare un modello ad albero. Il ricoprimento con materiale refrattario avviene immergendo il grappolo di cera in un impasto di silice a grana molto fine o di altro materiale refrattario misto a gesso. Usata per oggetti di gioielleria, medici ecc. Tecnica di buona precisione, adatta a pezzi di piccole dimensioni -> solitamente si realizza un grappolo di pezzi con un solo stampo. Si crea un modello di cera fatto nella sua cassa, con sia i singoli componenti che i canali di colata. Questo modello viene rivestito da uno slurry di fanghiglia (polveri e acqua) e di materiale refrattario, il quale viene fatto esiccare 8 ore all’aria e poi viene riscaldato in forno, e la cera inizialmente cola dal canale di colata e il guscio si solidifica in maniera da essere usato come forma di fonderia. Piccoli problemi di sottosquadro per estrazione del modello dalla sua cassa avendo la forma a grappolo, oltre a quelli legati all’estrazione della cera -> per questo esiste uno spessore minimo intorno ai spessore 0,5 mm per Al e 1m per acciaio anche per far colare bene il metallo fuso. Si scalda il guscio per evitare di avere dei residui di cera. Vantaggi: •Possibilità di realizzare pezzi molto complessi e precisi. •Possibilità di raggiungere un buon controllo dimensionale e una buona tolleranza (± 0.075 mm). •Possibilità di ottenere una buona finitura superficiale •Possibilità di poter recuperare la cera per un nuovo utilizzo. •Di solito non sono necessarie lavorazioni successive per rifinire il pezzo, trattandosi di un processo near net shape in cui devo solo rimuovere l’attacco di colata. Svantaggi: •Processo relativamente costoso, con molte operazioni spesso manuali. Campi di applicazione: •Pezzi di piccole dimensioni. •Tutti i tipi di metalli, compresi gli acciai al carbonio, gli acciai inossidabili e altre leghe ad alta temperatura possono essere colati in microfusione. •Vari oggetti possono essere realizzati con questa tecnica, come componenti meccanici complessi, le palette o altri componenti dei motori a turbina, i gioielli e le protesi dentali. COLATA IN GESSO E IN CERAMICA Usate per ridurre i costi o i tempi di formatura. La colata in gesso è simile alla colata in sabbia, tranne per il fatto che la forma è fatta di gesso (CaSO4-2H2O) invece che di sabbia. La realizzazione della forma è ottenuta grazie a una miscela di gesso e acqua che viene versata su un modello di plastica o di metallo (no legno a causa dell’acqua) posto in un contenitore e poi fatta indurire. La colata in ceramica è simile a quella in gesso, tuttavia la forma è fatta di materiali ceramici refrattari in grado da sopportare temperature più elevate del gesso. La colata in ceramica può quindi essere usata per acciai, ghise e altre leghe ad alta temperatura. Vantaggi: •La consistenza fluida della miscela di gesso le permette di scorrere facilmente intorno al modello, riproducendo i dettagli della superficie. •Buona finitura superficiale, la buona accuratezza dimensionale, e la possibilità di realizzare sezioni sottili. Svantaggi: •L’indurimento dello stampo di gesso è uno dei maggiori svantaggi di questo processo, almeno per produzioni elevate, poiché ci mette circa 20 minuti per staccare il modello e successivamente la forma viene cotta. •La robustezza della forma diminuisce se il gesso diventa troppo disidratato, ma un’umidità troppo alta può causare dei difetti al pezzo durante la colata. •La forma non è permeabile, quindi non permette l’uscita del gas dalla cavità -> si fa uscire l’aria dalla cavità della forma prima della colata o si immette dell’aria nell’impasto del getto così da contenere dei vuoti una volta indurito o si usa il processo di Antiochia (50% sabbia e gesso riscaldati in autoclave e poi asciugati). •Le forme in gesso non sono in grado di sopportare le temperature elevate sopportate dalle forme in sabbia. Campi di applicazione: •Metalli a basso punto di fusione, come leghe di alluminio, magnesio e rame. •Le applicazioni comprendono stampi per plastica e gomma, pompe, turbine e altre parti a geometria relativamente complessa. •Le dimensioni dei pezzi variano da circa 20 g a più di 100 kg. - Processo a camera fredda: per Tfusione più alta, molto usata per l’alluminio. Non c’è la camera calda, ma solo un cilindro/camera di fusione non riscaldata che viene riempito/a ogni volta da una siliera/crogiolo esterno, quindi si ha un processo più lungo sia per il riempimento sia per le temperature più alte => ritmo produttivo inferiore alla camera calda. Più veloce della fonderia in terra, ma meno della precedente. Pressioni più alte (da 14 a 140MPa). Non si ha la camera calda perché è troppo dispendiosa, visto che ne servirebbe una per ogni macchina. Si hanno ritiri ancora, ma gli angoli di sformo non sono sempre necessari, dipende dalla dimensione della parete e dalla conseguenza forza di attriti, e nel caso angoli di sformo minori, sia per i pistoncini sia per la rugosità della forma migliore, oltre al fatto che alluminio e acciaio non si legano facilmente e si usa anche il distaccante. Si hanno ancora problemi di solidificazione direzionali e anche turbolenze (molto probabile essendo la velocità di colata alta), che rovinano la qualità del pezzo e della forma (erosione). La forma è una conchiglia fresata prima, quindi non si estrae il modello, ma solo il pezzo. La temperatura del fuso può essere più elevata. Le macchine a camera fredda sono utilizzate per le colate di alluminio, ottone e leghe di magnesio. STAMPI Gli stampi usati nella pressofusione sono solitamente realizzati in acciaio, o in tungsteno o molibdeno con buone qualità refrattarie per le colate di acciaio o ghisa. Lo stampo è costituito da una parte fissa (dalla parte del sistema di iniezione) e da una parte mobile (dalla parte del sistema di chiusura). Quando la parte mobile ha raggiunto la corsa desiderata il tampone va in battuta contro un fermo e spinge avanti la piastra di estrazione sulla quale sono collegati gli estrattori. Poiché lo stampo in metallo non ha porosità naturale e poiché il metallo fuso scorre rapidamente durante l’iniezione, occorre progettare degli opportuni fori di ventilazione e prese d’aria collocate sulla linea di divisione dello stampo per far fuoriuscire l’aria e i gas. “rosso stampo, verdi: ejector pin-estrattori;” lo stampo si trova in una incasellatura per chiuderlo, ed è circondato da una parte fissa detta portastampo con all’interno degli inserti per tenere lo stampo all’interno, quindi il tempo di setup è lungo. Le parti verdi sono i pistoncini. L’evacuazione dei gas avviene grazie a sistemi di deareazione dello stampo previsti in precedenza. Lo stampo ha dei meccanismi (meccanismo di attivazione) per impedire che la forma si apra a causa della spinta metallostatica e altre forze (tonnellaggi), il cui valore è la forza di mantenimento per l’area dell’impronta degli stampi che è quella della sezione di giunzione degli stampi. ESEMPIO Esempio: Avendo un pezzo di 200x500 mm di impronta frontale e iniettando metallo a 1000 bar (circa 100 MPa) la spinta esercitata dal metallo sullo stampo è di: cioè circa 1000 tonnellate. Per questo pezzo lo stampo è grande circa 1x1x1,5 m. Vantaggi: •Alto tasso di produzione raggiungibile e quindi processo economico per grandi quantitativi di produzione. •Tolleranze dimensionali molto strette, dell’ordine di ± 0.076 mm per parti di piccole dimensioni. •Buona finitura superficiale. •Spessori molto sottili, fino a circa 0,5 mm. •Raffreddamento rapido, che conferisce una granulometria fine e buone proprietà meccaniche al pezzo. Svantaggi: •Limitazioni nella geometria del componente, che deve essere estratto con facilità dallo stampo. Campi di applicazione: •I processi a stampi permanenti sono di solito usati per alti volumi di produzione, che quindi consentono una forte automazione. •Esempi di grezzi realizzati con questo processo sono componenti del sistema frenante auto, cerniere per arredamento, componenti per motori elettrici e pompe. Tolleranze struttura piccole causa pressione e possibilità di pareti sottili. Raffreddamento rapido. Se noi avessimo la stessa lega di Al da fonderia (serie 5000) e lo coliamo in una forma in terra per gravità o una pressofusione, abbiamo proprietà metallurgiche differenti: con la pressofusione ho una densità maggiore (La densità influenza molto il comportamento a fatica), per cui in terra ho delle nanoporosità che rendono più leggero il pezzo. La velocità inoltre genera dei grani più piccoli, per cui la durezza sarebbe maggiore nel caso della pressofusione. Svantaggio: Problemi di sottoquadri più gravi, e necessaria la pressa che costa molto, anche se questo costo è compensato dall’alta produzione. COLATA CENTRIFUGA La colata centrifuga si riferisce ai metodi di colata in cui lo stampo viene ruotato ad alta velocità in modo che la forza centrifuga distribuisca il metallo fuso nella cavità dello stampo. Di seguito è illustrato il processo utile alla realizzazione di tubi non saldati. Il metallo liquido viene versato all’interno di una conchiglia metallica cilindrica rotante lungo il proprio asse (n = 200 – 500 giri/min), sia verticale che orizzontale. Quando solidifica, il tubo si contrae (ho un ritiro volumetrico nella fase liquida contrastato dall’inserzione di altro fuso, e un ritiro lineare che mi permette l’estrazione) e può essere facilmente estratto dalla conchiglia. La superficie interna è sicuramente cilindrica a causa delle forze in gioco, mentre all’esterno il materiale assume la forma dello stampo. La rotazione a volte inizia prima dell’entrata del metallo mentre altre volte no. Lo stampo ruota ad alta velocità per produrre pezzi cavi a geometria assial simmetrica (es. tubi). Il materiale liquido viene colato per gravità nelle pareti e solidifica a contatto con le pareti, con velocità elevate. Estrazione semplice perché si sfrutta il ritiro (si riduce anche lo spessore del tubo). La superficie interna è cilindrica con tolleranze non troppo precise, mentre la parete esterna (estradosso) si possono fare delle flange, nervature, spine di accoppiamento, dissipatori (alette). Permette l’utilizzo di tutti i tipi di materiali. LEZIONE 8 Il rullo è trascinato da due cilindri, di cui uno è motorizzato e uno è folle. Si può avere eccentricità di rotazione ma non ci preoccupa. L’estrazione del pezzo avviene in due modi possibili: stampo in due metà, o con dilatazione differenziale. Per la rotazione l’energia cinetica deve bilanciare la forza centrifuga. Elevato rapporto: od/t (raggio esterno/raggio interno) Fa tubi seemless perché senza saldatura, apprezzati per petrolio e condotte sotto pressione. Per avere buona aderenza del metallo liquido sulla superficie interna dello stampo, la forza centrifuga deve compensare la forza di gravità. Forza centrifuga, Fc [N]: 𝐹𝑐 = 𝑚𝑣2 𝑅 Dove m: massa in kg; v: velocità in m/s; R: raggio interno in m. Forza gravità, W [N]: W=mg G Factor – GF – definito come il rapporto tra forza centrifuga e di gravità. Se è troppo basso il metallo non rimarrà adeso alla parete dello stampo e a mezzo giro in alto cadrà a “pioggia”. 𝐺𝐹 = 𝐹𝑐 𝑊 = 𝑣2 𝑔𝑅 = ( 2𝜋𝑅𝑁 60 ) 2 𝑔𝑅 Da cui 𝑁 = 30 𝜋 √ 2𝑔𝐺𝐹 𝐷 N=giri al minuto. Si è mostrato sperimentalmente che valori di GF compresi tra 60 e 80 sono adeguati in colate centrifughe orizzontali. Vantaggi: •Le colate centrifughe sono caratterizzate da alte densità, in particolare in corrispondenza della superficie dove la forza centrifuga è massima. •La contrazione esterna dovuta alla solidificazione non è importante, poiché la forza centrifuga rialloca continuamente il metallo fuso verso la parete dello stampo durante la solidificazione. Le eventuali impurità tendono a concentrarsi sulla parete interna e se necessario possono essere facilmente rimosse mediante asportazione di truciolo. Svantaggi: •Controllo del diametro interni indiretto. Campi di applicazione: •Configurazione orizzontale: produzione di tubi non saldati di lunghezza elevata. •Configurazione verticale: piccoli pezzi di lunghezza non superiore a due volte il diametro (la forza di gravità spinge il materiale verso il basso, contribuendo a spessori non omogenei). L’effetto della forza di gravità che agisce sul metallo liquido provoca uno spessore maggiore alla base rispetto alla sommità della parete delle pareti del pezzo Pratica di fonderia Forni Sono diventati di interesse a causa degli elevati consumi legati a questo aspetto. Le industrie di trasformazioni secondarie non usano gli altoforni. In tutti i processi di colata, il metallo deve essere riscaldato allo stato fuso per poter essere versato o comunque diretto nello stampo. Il riscaldamento e la fusione sono realizzati in un forno. I forni più comunemente usati sono: 1.Forni a cupola (cubilotto). Usato per la ghisa e funziona a carbone, e sembra un altoforno a causa della temperatura elevata. miscela ghisa e carbone. Un forno a cupola (cubilotto) è un forno verticale cilindrico dotato di un sistema di fuoriuscita del metallo alla sua base. È composto da una lamiera di acciaio rivestita di materiale refrattario. Il carico, costituito da ferro, coke (combustibile), flussante ed eventuali elementi leganti, viene inserito attraverso la bocca di carico posizionata a meno della metà dell’altezza del cubilotto. L’aria necessaria alla combustione del coke viene introdotta attraverso delle aperture nella parte inferiore della parete. Il fondente reagisce con il coke per formare le scorie. Le scorie servono a coprire il metallo fuso, proteggendolo dalle reazioni con l’ambiente interno al cubilotto e riducendo la perdita di calore. 2.Forni a combustibile a riscaldamento diretto: contengono un piccolo focolare aperto, in cui il carico metallico viene riscaldato dai bruciatori posti su un lato del forno. Generalmente utilizzati per la fusione di metalli non ferrosi come le leghe a base di rame e alluminio. Gas metano bruciato per riscaldare il crogiolo (può essere estraible), per cui energeticamente parlando ha molta fuoriuscita di gas e si ha una grande perdita di calore nell’atmosfera, anche se il tetto contribuisce all’azione del riscaldamento riflettendo la fiamma sul carico sottostante. 3.Forni a crogiolo (a combustibile a riscaldamento indiretto). Fondono il metallo senza che si verifichi un contatto con la miscela combustibile (anche chiamati forni a combustibile a riscaldamento indiretto), e possono essere estraibili (scaldato con petrolio, gas o polvere di carbone), fissi o ribaltabili. Tutti utilizzano un contenitore (crogiolo) fatto di un apposito materiale refrattario (per esempio, una miscela di grafite e argilla) o una lega di acciaio resistente ad alta temperatura per contenere il carico. I combustibili tipici per questi forni sono il petrolio, il gas e la polvere di carbone. Sono utilizzati per i metalli non ferrosi come il bronzo, l’ottone e le leghe di zinco e alluminio. La capacità è generalmente limitata a qualche centinaio di chili.  Angoli: spigoli e angoli evitati per tensioni o incrinature e cricche a caldo.  Spessore di sezione: per evitare ritiri da solidificazione deve essere uniforme. Le sezioni più spesse creano dei punti caldi che potrebbero diventare cavità di ritiro.  Uso di anime: modifiche del disegno possono ridurne l’utilizzo.  tolleranze geometriche imposte di circa +/- 0.5% – 2% della quota (vedi grafici a seconda del processo)  finitura superficiale imposta di circa Ra = 12–24 mm, per la colata in sabbia è di circa 6μm. Finiture scarse con colata in conchiglia e in gesso, mentre in cera si hanno le migliori (0,75μm). Pressofusione: 1μm.  Sovrametallo: le tolleranze non sono sufficienti a soddisfare le esigenze funzionali, e quindi devono essere lavorati per asportazione per renderli funzionali per cui vi lasci del metallo in più, con spessore tra 1,5 e 3 mm per colate in sabbia.  pesi medio-grandi  numerosità bassa (pezzo singolo), media o alta (processo automatizzabile)  non richiedere una elevata stabilità di progetto (semplice modifica del modello) ANGOLI DI SFORMO Gli angoli di sformo facilitano l’estrazione del modello dalla forma senza cedimenti della sabbia circostante. Inclinazione necessaria di 1° per la sabbia e 2/3° per forme permanenti. RACCORDI I raggi di raccordo sia interni che esterni tra pareti (spigoli o angoli) non possono essere troppo piccoli per problemi di • eccessiva differenza di velocità di solidificazione e raffreddamento. • eccessiva intensificazione degli sforzi per effetti di intaglio troppo pronunciati. • eccessiva fragilità della forma e possibilità di rottura durante il passaggio del liquido. Presenza di spigoli vivi va evitata. Si distinguono spigoli convessi (zone fredde) e concavi (zone calde) rispetto al pezzo, diversi dal punto di vista termico e tecnico. Si raccordano appunto per risolvere questi spigoli, e inoltre si hanno dei problemi col flusso del metallo liquido visto che gli spigoli vivi saranno erosi dal metallo fuso. Raggio a scelta dell’azienda. Pensando al raccordo è necessario avere dei sovrametalli: • Per successive lavorazioni su finitura superficiali • Per tolleranza naturale del processo (mi metto su estremo superiore della gaussiana). • Compensare ritiro fase solida • Per favorire solidificazione direzionale. • Parti per semplificare la manipolazione: per esempio per risolvere i sottosquadri. Decisioni per progettazione forma (step iterativi): • Orientamento e piano di separazione e numero di staffe • Sovradimensiono per motivi precedenti • Anime? Aggiungo portate d’anima • Aggiungo angoli di sformo • Studio gradiente termico e vedo modifiche per eventuali distorsioni Confronto tra processi TOLLERANZE DIMENSIONALI DA SAPERE ORDINARE I PROCESSI COSTI Con microfusione con un grappolo faccio molti pezzi LEZIONE 9 TEORIA DELLA LAVORAZIONE PER ASPORTAZIONE DI TRUCIOLO I processi per asportazione di truciolo sono un sottoinsieme delle operazioni di formatura in cui il materiale in eccesso viene rimosso dal pezzo di partenza affinché assuma la forma finale desiderata. Il ramo più importante di questa famiglia sono quelle lavorazioni tradizionali, in cui si usa un utensile da taglio per effettuare un’asportazione meccanica del materiale in modo da realizzare la forma desiderata, e questi rientrano nei processi abrasivi. Esistono i processi non tradizionali che usano varie forme di energia per asportare il materiale (meccanica, chimica, termica ed elettrochimica). Tutti questi processi usano un utensile da taglio, cosa che comporta una deformazione di taglio del materiale che forma il truciolo. Motivi per cui sono lavorazioni importanti: • Varietà metalli lavorati: tutti i materiali solidi teoricamente, ma con difficoltà le ceramiche a causa della durezza e della fragilità. • Varietà di forme e geometrie dei pezzi: sia semplici che complesse/irregolari. • Precisione dimensionale: tolleranze fino a ±0,025mmm • Buone finiture superficiali: rugosità inferiori a 0,4 micron DIFETTI: • Spreco di materiale • Tempo PANORAMICA DELLE LAVORAZIONI 1. Taglio ortogonale (Semplice): taglio in cui tutte le grandezze/forze (deformazioni e sforzi) sono rappresentabili su un piano. Normalmente è inutilizzato 2. Processi complessi: tensori sforzi e deformazioni triassiali a. Tornitura b. Foratura c. Fresatura d. Rettifica Nel taglio ortogonale troviamo un moto relativo (dell’utensile o del pezzo) di taglio, con velocità di taglio orizzontale. Questo moto è ottenuto dal movimento primario, chiamato movimento di taglio e un movimento secondario, detto di avanzamento. L’utensile sta traslando a sinistra, di una profondità detta come profondità di taglio in questo caso. In questa rappresentazione l’utensile ha solo due facce rilevanti, quella superiore detta petto e quella inferiore detto fianco. Se prendessimo una velocità ortogonale alla direzione di taglio, possiamo calcolare l’angolo di spoglia γ0 che sta fra il petto e la direzione normale alla velocità. La parte della superficie già tagliata la voglio con tolleranza dimensionale migliore. Il truciolo che si forma scorre sul petto dell’utensile con direzione dell’utensile, con angolo di spoglia e determina quanto si deforma il truciolo. Gli angoli positivi facilitano il taglio e la rimozione del truciolo, quelli negativi invece rendono l’utensile più resistente e adatto a lavorazioni più impegnative, essendo composto da più materiale. 4 lavorazioni: • Tornitura: abbiamo un pezzo assial simmetrico perché viene posto in rotazione attorno al proprio asse e la velocità di rotazione del pezzo coincide con la velocità di taglio e hanno la stessa direzione. L’utensile ha un moto di traslazione (avanzamento) che spela il pezzo, e solitamente è esterna cilindrica. Ho un utensile da taglio monotagliente. o Macchina: tornio • Fresatura: fresa ha più di due taglienti (pluritaglienti) o Macchina: fresatrice!! Utensile è la fresa. o periferica: abbiamo un moto di avanzamento (feed) del pezzo mentre il moto di taglio è dovuto alla rotazione della fresa, che ruota con asse orizzontale parallelo alla velocità di avanzamento. Utensile rotazionale perché ruota attorno al proprio asse. o frontale: asse di rotazione ortogonale alla velocità di avanzamento. • Foratura: movimento di alimentazione e di taglio sono entrambi dell’utensile e sono paralleli. Le punte sono dotate di due spigoli taglienti. o Macchina: trapano • Altre lavorazioni: limatura, piallatura, brocciatura e segatura. Anche rettifica e altri processi abrasivi. Il tagliente principale dell’utensile dipende dalla direzione in cui si muove. Gli utensili da taglio sono di un materiale più duro di quello da lavorare; inoltre hanno una punta che è arrotondata secondo il raggio di punta. Nella rappresentazione 2D il tagliente è un punto, e si seziona secondo un piano ortogonale al tagliente principale. Sul petto scorre il truciolo, mentre suo fianco scorre la superficie lavorata, perché dopo essere lavorata si avrà un ritorno elastico che genera uno stracciamento -> attrito -> calore -> usura. Un utensile ad inserto industriale è progettato per durare 20 minuti (dato non troppo vero). Se lo spigolo è rettilineo si ha un solo angolo di spoglia, mentre se si hanno delle sezioni elicoidali (per fresatura periferica), si avranno degli angoli di spoglia variabili. Parametri di taglio Velocità di taglio vc: [m/s → mm/s] nella tornitura è la velocità tangenziale della rotazione del pezzo, quindi se la velocità angolare è costante allora è linearmente proporzionale al diametro. Profondità di passata ap: [mm] di quanto siamo impegnati nel materiale Velocità di avanzata f: misurata in vari modi, per la tornitura è mm/giro. • Continuo con tagliente di riporto: materiali duttili lavorati con velocità di taglio medio-bassa, l’attrito fa aderire il materiale al petto, formando il tagliente di riporto (built-up edge, BUE), che è una cosa ciclica: si forma, si ingrandisce e si stacca, portando via a volte anche pezzi dell’utensile, riducendone la durata e rendendo la superficie lavorata ruvida. • Segmentato (o a taglio localizzato): una condizione intermedia fra questi due, è il truciolo continuo segmentato, che ha la tendenza a cambiare spessore, con piani inclinati secondo φ. Questo tipo di truciolo è del titanio (o nichel, acciai inossidabili austenitici) per esempio, o tutti i metalli lavorati a velocità elevate, che sono materiali ne duttili ne fragili, e anche in questo caso bisogna usare il rompitruciolo. È un truciolo semicontinuo con aspetto a denti di sega a causa delle tensioni di deformazioni variabili. Istantaneamente continua a cambiare la velocità di taglio e gli angoli, per cui cambiano anche le forze, e se ho un profilo sinusoidale delle forze di taglio ho delle vibrazioni, e se il macchinario va in risonanza con il truciolo si ha il chatter, che è un fenomeno catastrofico per il macchinario, quindi il truciolo segmentato è il più pericoloso dal punto di vista meccanico. Dal punto di vista delle lavorazioni noi preferiamo un truciolo frammentato, perché quello continuo si attorciglia e si incastra, generando dei problemi. Se è naturalmente continuo le forze di tagli sono costanti, non ci sono innesti di intaglio e viene una superficie molto liscia -> dal punto di vista meccanico è conveniente che sia continuo, ma non lo è dal punto di vista della macchina per l’ingombro. Il petto allora ad un certo punto in poi cambia inclinazione, con gamma che diventa istantaneamente da positivo a negativo, così da far rompere il truciolo -> il cambio di gamma è chiamato: rompitruciolo. L’idea che la deformazione si trova tutta sul piano di scorrimento è ideale, rispetto ad un modello ortogonale, la deformazione si verifica in una zona e non lungo un piano. La zona deformata inoltre è di pochi centesimi di millimetro, quindi non si ha una grande perdita di precisone. In realtà si hanno tre zone di deformazione principale: L’utensile sollecita il materiale davanti a sé finché quest’ultimo si deforma plasticamente in una zona primaria di deformazione. Nel taglio ortogonale si ipotizza che la zona primaria sia così stretta da essere approssimata da un piano. La deformazione si spinge fino alla separazione fra sovrametallo e pezzo. Il sovrametallo da origine al truciolo che scorre sull’utensile. Nella Zona secondaria avviene lo strisciamento fra truciolo e petto del tagliente. Nella Zona terziaria avviene lo strisciamento del dorso sulla superficie lavorata (non indicata in figura). La zona primaria che è quella di cui abbiamo parlato fino adesso. Si ha anche una deformazione secondaria dovuta allo sforzo τ di attrito diretto come il petto dell’utensile e tende a creare della deformazione e attrito con sforzi molto elevati. Abbiamo delle forze dovute all’attrito e allo strisciamento e si ha anche una zona terziaria perché la superficie lavorata si rigonfia e striscia sul dorso. Tutte e tre le zone generano delle forze di tagli che hanno come risultante R. R essendo un vettore possiamo scomporlo su due direzioni perpendicolari. Ne esistono tre tipiche direzioni di interesse per scomporla nelle sue componenti: • PETTO: sono la direzione γ0 del petto, ottenendo Fγ e nascerà anche la sua componente normale FγN. L’angolo fra R e FyN è β (diverso da β0) che dipende dall’attrito sul petto dell’utensile: ANGOLO DI ATTRITO La relazione fra attrito e angolo è data dal coefficiente di attrito coulombiano=μ=tanβ=Fy/FyN. Quindi questa coppia ci serve per studiare l’usura dell’utensile sul petto. 𝐹𝛾 = 𝑅𝑠𝑒𝑛𝛽 𝐹𝛾𝑁 = 𝑅𝑐𝑜𝑠𝛽 • PIANO DI SCORRIMENTO: Secondo φ, come il piano di scorrimento: avremo quindi Fsh, e una componente normale FshN Conoscendo lsh, e quindi la sezione del truciolo deformata 𝐴𝑠ℎ = 𝑏∗ℎ𝐷 𝑠𝑒𝑛𝜑⁡ che è inversamente proporzionale a φ. Questa visione ci serve per determinare lo sforzo di taglio 𝜏 = 𝐹𝑠ℎ 𝐴𝑠ℎ . Da 𝐹𝑠ℎ𝑁 𝐴𝑠ℎ = 𝜎𝑠ℎ che è la tensione normale -> ci serve per studiare la meccanica del taglio, quindi per stimare le potenze delle macchine, e quindi quelle dissipate. NB: sono diverse da τ e σ sul petto a causa di temperatura e deformazione a taglio diverse • DIREZIONE DI TAGLIO: Dal punto di vista pratico la più interessante perché è misurabile, è secondo la direzione di taglio: avremo Fc (taglio) e Ff (feed) che è lungo la direzione di avanzamento (perpendicolare al moto di taglio). Componenti utili perché si possono misurare, sapendo la potenza dei motori elettrici, visto che sono parallele e perpendicolari alle direzioni di avanzamento e taglio. Da qui posso trovare R, ma per trovare Fy/FyN devo trovare anche β, anche perché non conosciamo il coefficiente di attrito. Tutte le macchine delle lavorazioni sono CNC (controllo numerico computerizzata) -> posizione assi nota deterministicamente-> conosco la velocità. Per conoscere la forza dovrei mettere dei sensori di forza (celle di carico), ma nessuno li mette perché si rompono. La misuro attraversamento la potenza impiegata dai motori attraverso l’energia elettrica, oltre ai rendimenti. Noti i ragionamenti trigonometrici si ricavano le alte forze. Conversione da taglio ortogonale a tornitura Come si passa dal taglio ortogonale in 2D alla tornitura 3D. In tornitura la forza di taglio e la velocità sono tangenti alla mezzaria, mentre quella di avanzamento è normale a questa ed è diretta come l’asse dell’oggetto. hD spessore del truciolo INDEFORMATO Potenza del taglio ortogonale Quanto consuma la mia macchina? In generale la potenza totale [N-m/s o W] è data da Dal punto di vista pratico la forza di taglio è l’unica che considero e misuro, perché molto maggiore rispetto a quella di avanzamento. I rendimenti sono difficili da stimare. LEZIONE 11 BETA NON È L’ANGOLO SOLIDO Fγ e FγN ci permettono di conoscere β. R è sempre la stessa, una volta vista dal punto di vista del pezzo e una volta vista dell’utensile. Nei calcoli si parte dalle componenti lungo le direzioni di taglio, che si ricavano con l’assorbimento di potenza dei motori. Supporto che conosciamo φ, che in realtà è l’unica cosa che non conosciamo. Si possono usare le 4 eq a destra per calcolare il valore delle varie forze. Se γ0=0 Fγ=Ff e FγN=Fc. Possiamo invertire la forma e ricavare φ. Equazione di Merchant IPOTESI: • basata sul taglio ortogonale, anche se la validità si estende alle lavorazioni tridimensionali. • modello di formazione del truciolo a piano di scorrimento, taglio ortogonale, assenza attrito sul dorso, attrito a coefficiente costante sul petto • τsh costante e tipica del materiale (effetti trascurati: temperatura, def. angolare, velocità di def. angolare (τsh ottenibile da esperimenti specifici) • giacitura del piano di scorrimento (luogo dove si raggiunge il valore massimo della τsh) disposta in modo tale che l’energia assorbita nel taglio sia minima Studiando i vari angoli ragiona che la deformazione di taglio è predominata da φ, angolo in cui la tensione di taglio è pari alla resistenza al taglio del materiale, per cui si forma il truciolo, infatti è anche il piano di taglio che minimizza l’energia. Partendo dall’ipotesi che il materiale si sceglie la configurazione di minima energia, e quindi minima potenza dissipata, ottenuta con la minima forza di taglio, visto che vc è data e costante. -> minimizza Fc -> derivata =0 La ipotizzata e poi l’ha verificata sperimentalmente. Φ si può misurare visivamente con il taglio interrotto. In realtà π/4 dipende dal materiale che stiamo lavorando. Questo valore si ottiene con l’ipotesi di τ costante, quindi è un modello semplificativo. In azienda non si usa, ma si usa un altro approccio. Conseguenze dell’equazione di Merchant: l’equazione definisce la relazione generale tra l’angolo di spoglia superiore ortogonale, l’attrito dell’utensile e truciolo e l’angolo del piano di scorrimento, che può essere aumentato se aumento l’angolo di spoglia o diminuendo l’angolo di attrito (anche attraverso un fluido lubrificante). Aumentando l’angolo del piano di scorrimento si ha un’area del piano minore, e visto che la forza di taglio si applica a questa superficie, anche essa diminuisce, diminuendo l’energia di taglio necessaria, con una potenza minore e una temperatura più bassa, per questo si cerca di rendere quest’angolo il più grande possibile. 𝑇 = 𝐾𝑣𝑐 𝑚 dove T è la temperatura di contatto utensile-truciolo e vc è la velocità di taglio. I parametri K e m dipendono dagli altri parametri di taglio (esclusa vc) e dal materiale. La formula di Trigger e Cook sono, a meno delle costanti, la stessa cosa: esponenziali in vc. La formula di Cook ha anche l’influenza di f grazie a hD. I grafici in figura mostrano l’andamento della temperatura in funzione della velocità di taglio per diversi materiali lavorati, ottenuto usando l’equazione di Trigger. Le unità riportate nell’articolo ASME di Loewen e Shaw sono in °F per la temperatura di taglio e in ft/min per la velocità di taglio. Le stesse unità di misura sono state mantenute nei grafici e nelle equazioni della figura. Kc del titanio è paragonabile a quello dell’acciaio, anche se più grande. Le proprietà termiche sono diverse, perché non conduce calore e quindi si surriscalda molto facilmente. LEZIONE 12 PEZZI TIPICI PER ASPORTAZIONI DI TRUCIOLO Si possono mettere in un tornio tutti i tipi di pezzi tranne le lamiere. Fresatura: pezzi prismatici Si classificano in pezzi: • Rotazionali: forma cilindrica o di un disco/ assial simmetrici (Tornitura e barenatura) • Non rotazionali (prismatico): forma di blocco o piastra (fresatura, limatura, piallatura e segatura) Ogni lavorazione produce una forma specifica con due fattori: i movimenti relativi tra pezzo e utensile e la forma dell’utensile, quindi si distinguono due tipi di operazioni di produzione: • Generazione: la forma del pezzo viene determinata dalla traiettoria di avanzamento dell’utensile. (tornitura cilindrica, conica, di copiatura, fresatura periferica e frontale ecc.). Asportazione con moto di taglio e forma data dal moto di avanzamento. • Formatura: la forma del pezzo viene creata dalla forma dell’utensile usato nel taglio (forma dell’utensile complementare al pezzo da produrre). Esempi: tornitura con utensili di forma, foratura e brocciatura. Si ha un moto primario di taglio combinato con un moto che è diretto all’interno del pezzo (lavorazione “a tuffo”). La profondità di passata si riferisce alla penetrazione finale nel pezzo. Queste due operazioni si combinano per esempio nella filettatura eseguita sul tornio o una cava di forma realizzata con la fresatrice (slot milling o slotting), caso in cui la larghezza dell’utensile determina la dimensione della cava, mentre il moto di avanzamento crea la cava. TIPI DI LAVORAZIONI DI TORNIRUTA -conica: moto di avanzamento non parallelo all’asse del cilindro. Si ottiene inclinando l’asse del mandrino, e quindi la punta, se si ha un solo asse. -lavorazioni di forma o di copiatura: se si hanno a disposizioni più assi (x,y,z) per movimentare il mandrino. PERIFERICA: asse della rotazione della fresa parallelo alla superficie lavorata, mentre FRONTALE se è perpendicolare alla superficie (quella di contornatura è ancora periferica rispetto alla superficie lavorata). ALTRE LAVORAZIONI (utensili per tornitura e fresatura): eseguite con gli utensili di forma (tranne per i filettatori) non hanno un avanzamento assiale ma solo un affondamento radiale. Il primo è un utensile speciale che velocizza la lavorazione della forma, anche se non si hanno a disposizione tutti gli assi. Brocciatura: fatta per lavorare cavità di fori, ed è una lavorazione in unica direzione (utensile traslante). La filettatura si può realizzare con utensili di forma con un avanzamento al giro pari al passo del filetto. Filettature al tornio sono difficili da fare, ed è necessaria la sincronizzazione fra l’utensile e la rotazione del prezzo, quindi fra avanzamento e taglio. Realizzazione di cava facendo prima la feritoia superiore, con utensile rotante che lavora sia sul fondo che sulla parete. Tornitura (cap 14-15) La tornitura è un processo di lavorazione per asportazione di truciolo in cui un utensile monotagliente asporta del materiale dalla superficie di un pezzo in rotazione. L’utensile viene fatto avanzare linearmente in direzione parallela all’asse del pezzo. È realizzata con una macchina utensile chiamata tornio, che fornisce la potenza necessaria. TORNITURA CILINDRICA ESTERNA Parametri di controllo/processo: alla macchina non dico la velocità di taglio, ma il numero di giri al minuto a cui far ruotare il mandrino. 𝒏 = 𝒗𝒄 𝝅𝑫𝟎 Con n=velocità di rotazione (giri/min), Vc=velocità di taglio (m/min), D0= diametro iniziale del pezzo (mm). L’operazione di tornitura riduce il diametro del pezzo dal suo diametro iniziale Do a un diametro finale Df, come determinato dalla profondità di passata ap. 𝐷𝑓 = 𝐷0 − 2𝑎𝑝 𝑣𝑓 = 𝑛𝑓 L’avanzamento f (mm/giro) può essere convertito in una velocità di movimento lineare (velocità di avanzamento) vf (mm/min). Riappezzaggio: operazione per reinserire il pezzo in un modo diverso -> bisogna quindi ridurre al minimo i piazzamenti perché ho un tempo che perdo ogni volta. Per ciascun piazzamento ho un tempo di lavorazione pari a L/vf. Il tempo effettivo della lavorazione è più lungo di questo perché all’inizio, prima di toccare il pezzo, dovrò rallentare. 𝑇𝑚 = 𝐿 𝑣𝑓 ➔ 𝑇𝑚 = 𝜋𝐷0𝐿 𝑓𝑣𝑐 Nella pratica si aggiunge a L una piccola distanza (extracorsa) sia all’inizio sia alla fine del pezzo per consentire l’approccio e l’uscita dell’utensile. 𝑄 = 𝑣𝑐𝑓𝑎𝑝 Q tasso di asportazione del materiale (mm3/min) (detto anche MRR, Material Removal Rate) Normalmente le macchine per utensili hanno due velocità nel path program, una che viene inserita che è la più veloce possibile, mentre sia all’inizio che alla fine ho una velocità inferiore -> al tempo di lavorazione devo aggiungere i millimetri di extracorsa per considerare i periodi di velocità lente. Se si hanno delle collisioni, quando si sbaglia l’extracorsa, le prime cose che si rompono sono i cuscinetti del mandrino. OPERAZIONI DI TORNITURA: -sfacciatura o intestatura: prima operazione che si fa; all’inizio devo dare una posizione nulla per inserire una quota di riferimento, tipo per pensare di realizzare una cava, quindi realizza una superficie piana all’estremità. -tornitura conica: l’utensile non avanza parallelamente all’asse di rotazione ma secondo una direzione angolata. -tornitura di contornatura (o di copiatura): l’utensile non avanza parallelamente all’asse di rotazione ma segue un contorno sagomato. -tornitura di forma (formatura): un utensile impartisce la propria forma al pezzo mediante un moto radiale di avanzamento. -Smussatura: si usa lo spigolo del tagliente per eliminare l’angolo sul bordo del cilindro. -scanalatore/troncatura (cutoff): utensile per realizzare scavi/scanalature e posso anche utilizzare per troncare il pezzo se arrivo fino al centro, punto in cui la velocità di taglio nominalmente è nulla. È anche detta separazione. -filettatura: un utensile a punta avanza linearmente lungo la superficie esterna de pezzo lungo una direzione parallela all’asse di rotazione a una velocità di avanzamento molto alta, creando così la filettatura nel cilindro. -barenatura: Lavorazioni di precisione, con utensili lunghi=bareni; tipo per filettatura interna, e avanza all’interno di un foro preesistente, quindi si considera tornitura interna. È fatta dalle barenatrici (sia verticali che orizzontali). Quella orizzontale prevede due configurazioni: il pezzo è attaccato al mandrino rotante e l’utensile alla barra di barenatura che avanza, la quale deve essere dura e non deve inflettersi (carburo), oppure può ruotare l’intera barra di barenatura, mentre il pezzo avanza lungo l’utensile. Quella verticale si usa per pezzi larghi e pesanti, e permette di usare più utensili da taglio contemporaneamente (barenatura o sfacciatura), anche lavorazioni esterne -> diventa un tornio a torretta verticale (VTL per diam fino a 2,5m), mentre VBM per diametri maggiori. -foratura: uso una punta per fare una foratura al centro del pezzo, mantenendo la punta ferma (come l’alesatura). -godronatura: aumenta la rugosità, con una zigrinatura, creando una superficie di attrito, per cui non è una vera e propria asportazione di truciolo; Si usa un utensile fatto da un rullo temprato e zigrinato, il quale viene premuto contro la superficie. MACCHINA PIÙ SEMPLICE: TORNIO PARALLELO Si ha una testa motrice, che contiene un’unità che aziona un mandrino che è il motore che dà la velocità di rotazione, cioè il moto di taglio. Moto di avanzamento assiale, è il moto del carro porta utensile, che si muove nelle guide, e sopra ha una torretta portautensili (che può essere posizionata su una slitta trasversale per spostare il pezzo nell’altro senso per la lavorazione). La slitta trasversale avanza per conto suo, anche grazie al moto del mandrino che converte il moto rotatorio in uno assiale. Le guide sono fissate al basamento è fatto in ghisa perché trasmette poco le vibrazioni sia per il macchinario che alla fabbrica. Il carro è azionato da Il secondo è λs, che ha importanza sul controllo del truciolo -> regola la direzione in cui va il truciolo durante la lavorazione. L’angolo di direzione complementare al tagliente ψr può essere scelto positivo per ridurre la forza d’urto a cui viene sottoposto l’utensile quando entra a contatto col pezzo. Il raggio di punta re determina in larga misura la struttura della superficie generata. Un utensile molto appuntito (re piccolo) lascia dei segni legati all’avanzamento molto più pronunciati sulla superficie lavorata. L’angolo di direzione del tagliente secondario k’r determina la distanza tra il tagliente secondario e la sua superficie del pezzo appena generata limitando l’attrito fra i due. Dettagli su norma UNI ISO 3002-1. γ0 angolo di spoglia superiore ortogonale Influisce sul meccanismo di formazione del truciolo. γ0 maggiori determinano:  minori deformazioni  minori pressione di taglio  minori forze (a parità di forze, aumentare il γ0 permette di aumentare i parametri di processo f e/o ap)  minore potenza assorbita e quindi consumo energetico  minore attrito di scorrimento  minori temperature di esercizio  minore resistenza dello spigolo tagliente  materiali in lavorazione meno resistenti (meno duri) consentono angoli γ0 maggiori γ0 negativi:  materiali dell’utensile duri e fragili non resistono bene a azioni interne di taglio e flessione, mentre resistono bene a azioni di compressione quindi richiedono γ0 piccoli o negativi  aumento delle forze, delle temperature e della potenza assorbita LEZIONE 13 α0 angolo di spoglia inferiore ortogonale α0: per prevenire lo strisciamento per effetto del ritorno elastico, oltre anche all’effetto della cinematica del processo. La traccia OL è inclinata di un angolo φ che riduce l’ampiezza di α0. Combinando i due moti, in un giro la distanza percorsa in avanzamento è f, e lungo il giro è 2πD, quindi si ha un moto elicoidale con angolo φ. α0 deve essere sia maggiore di 0 e anche di φ (α0 - φ deve essere positivo), per evitare lo strisciamento nel moto a causa dell’elica. Se aumenta φ, deve aumentare anche α0. Non si può aumentare troppo, altrimenti riduciamo la dimensione dell’utensile, che subendo molta usura rende più fragile il pezzo. Secondo l’angolo α0 durante il giro non ho solo una circonferenza di percorso, ma è un’elica inclinata di 𝝋 = 𝒂𝒓𝒄𝒕𝒂𝒏( 𝒇 𝝅𝑫 ). Se la differenza α0-φ diminuisce, allora γ0 aumenta, quindi il γeffettivo (nei parametri di lavoro) sarà γ0+φ. Se troppo elevato diminuisce la sezione resistente. Angoli troppo bassi determinano un più veloce raggiungimento della usura dorsale. Dipende dal materiale da lavorare (maggiore è la pressione di taglio minore deve essere α0) e dal materiale dell’utensile (se poco tenace, minori valori di α0).  2°<α0<15° Uso VB per definire l’usura, come l’usura verticale, e noto che aumentando α0 aumenta anche l’usura. εr angolo della punta dell’utensile Influenza la robustezza della punta. λs angolo di inclinazione del tagliente principale In vista superiore la resistenza è data da εr e β0 definisce la resistenza sul piano superiore. λs negativi irrobustiscono l’utensile, e permettono di passare da sollecitazioni di taglio a sollecitazioni di compressione, ma influenzano la sollecitazione sul truciolo e la direzione di evacuazione del truciolo, quindi si preferiscono valori positivi. Inoltre con sforzi di compressone ho forze più elevate (problema delle vibrazioni). κr angolo di direzione del tagliente principale Effetto di angoli di registrazione: quello principale è quello che va in contro e crea uno smusso sul pezzo e varia anche la lunghezza dell’utensile impegnata nel taglio. Maggiore impegno porta a variare anche le tre componenti della forza di taglio. κr ridotti consentono maggiori durate del tagliente, ma determinano un aumento della forza di taglio e della forza di repulsione. Si consigliano: - spallamento retto (kr=90°) -> geometria del pezzo realizzato con due cilindri raccordati con superfici a 90°. - Per la sgrossatura se non considero la geometria del pezzo, so che kr<90°, per cui ho una superficie di raccordo troncoconica. Si usa in condizioni di lavoro normali e con sistemi macchina-pezzo- utensile rigidi. Fra queste due valori cambia Fx (forza resistenza avanzamento), Fz (forza di taglio) e Fy (forza di repulsione), che dovrebbe essere una forza nulla, perché altrimenti si ha un moto relativo in questa direzione radiale -> causata della vibrazione. Questo angolo quindi ha effetto sulla stabilità della lavorazione -> con sistemi rigidi preferiamo valori minori di 90°. κre angolo di direzione del tagliente principale in lavoro κre ’ angolo di direzione del tagliente secondario in lavoro -> ho un profilo a dente di sega, che dipende dall’angolo di registrazione. -> ho di modelli geometrici che mi permettono di avere Ra in funzione di Kr, ma non si usano perché non funzionano. 3 casi immagine. DIFFERENZE LAVORAZIONI ASPORTAZIONE: se so che devo rimuovere il sovrametallo sul raggio, e si rimuove in diverse passate, con 2 passate, la prima è la sgrossatura (4/5mm) con massimo Q, quindi ho avanzamento elevato. L’ultima passata (finitura) invece bisogna andare piano, con velocità di avanzamento influenza la finitura superficiale. L’effetto combinato dell’angolo di registrazione e λs (angolo del petto) determinano la direzione di fuoriuscita (allontanamento) del truciolo. Ho 3 casi: • Kre=90,λs=0: truciolo evacuato a destra in direzione opposta all’avanzamento • Se kre=45°: λs positivo truciolo direzione di avanzamento, e si allontana dal pezzo. Negativo va verso il pezzo. o Verso destra se λ=0 e se è positivo. o Va sempre più radiale a mano a mano che aumenta λs. Per materiali duttili, che volgiamo si allontani dalla superficie lavorata per non interferire. -> se non basta si realizza sugli utensili la geometria rompitruciolo. È di due tipi, ed è sempre ricavato sul petto, e può essere un solco o uno scalino, la scelta dipende dal materiale dell’utensile e dalla facilità con cui si può lavorare. Se è facile si realizza la scanalatura, altrimenti si usa un’aggiunta. o Se il petto è contro il pezzo, con λs<0 va verso l’alto, per materiali che tendono a fratturarsi. Angoli di registrazione dei 4 esempi: 1: 90°, con secondario 45° 2: entrambi 45° 3: valore maggiore a 90 per direzione differente 4: 90° orientato in maniera diversa EFFETTO DEL MATERIALE DELL’UTENSILE SULLA SUA FORMA Gli acciai per utensili rapidi di solito hanno angoli di spoglia positivi, compresi tra +5° e +20°. Gli utensili HSS (realizzati in un univo pezzo) hanno una buona resistenza e tenacità, quindi il fatto di avere una sezione trasversale più sottile a causa degli angoli positivi più elevati non causi problemi di guasti per frattura all’utensile. Il trattamento termico dell’acciaio rapido può essere controllato per creare un tagliente duro e mantenere un nucleo interno tenace. Con lo sviluppo dei materiali per utensili molto duri (per esempio i carburi sinterizzati e le ceramiche) si sono resi necessari dei cambiamenti nella forma degli utensili, creando materiali con durezza maggiore e tenacità inferiore rispetto agli HSS. Inoltre, la loro resistenza al taglio alla trazione è bassa in confronto alla resistenza a compressione, valori modificabili con trattamenti termici come HSS. Costo maggiore per questi materiali duri rispetto ad HSS. 1. I materiali duri devono essere progettati con un’inclinazione poco negativa o leggermente positiva, così da avere forze di compressione invece che di taglio. Carburi sinterizzati angoli -5° a +10°. Ceramiche tra -5° e 15° per l’angolo di spoglia superiore. Quello inferiore deve essere più piccoli possibile (5°) per avere un utensile più robusto. Gli utensili sono ottenuti per sinterizzazione, con uno stelo metallico il quale porta il vero e proprio utensile che si fissa sulla sottoplacchetta (ULTIMO CASO, per quelli più recenti). Questi metodi nuovi (ultimi due) sono stati resi necessari a causa dei costi elevati e delle proprietà differenti di questi materiali La placchetta si realizza ad una pressa a sinterizzazione, per cui è facile disegnare il solco. Per utensili che devono durare di più, si saldo-brasano sulla placchetta, ottenendo utensili più rigidi, però quando si usura devo cambiare tutto, mentre se non è saldato posso girarlo 4 volte, usando due taglienti ogni volta: togliendolo dal portautensile, sbloccando l’inserto, indicizzandolo (ruotato nel portautensile) sul lato successivo e ribloccato. Se l’ho usato per lavorazioni molto piccole posso pensare di usarlo 8 volte, ma non è molto prudente. Si possono usare anche utensili integrali fatti di un unico materiale, detto HSS (high speed steel), ovvero acciai ad alta velocità (stesso acronimo degli high strenght steel). Le prime due soluzioni si usano per lavorazioni in cui il tasso di usura è più basso. o Inflessione massima dmax, dovute alla forza di taglio che inflette il pezzo 𝑑 ≤ 𝑑𝑚𝑎𝑥 • Griffe del tornio devono riuscire ad afferrare la barra, quindi bisogna confrontare la coppia di serraggio e quella richiesta dalla lavorazione. 𝑀𝑐 ≤ 𝑀𝑟 LEZIONE 14 PARAMETRI DA VERIFICARE PER UNA LAVORAZIONE: basandoci sui parametri di una lavorazione Possiamo pensare se dobbiamo togliere 5mm, spezzo la lavorazione in sgrossatura e in finitura, con due valori ap (più piccoli per la finitura). Devo scegliere la placchetta a seconda della lavorazione e devo sapere che è più grande del pezzo e devo anche valutare l’angolo di registrazione. Dal tipo di lavorazione e di utensile soprattutto cerco i parametri di taglio (di targa), tipo la velocità di taglio, e inoltre l’avanzamento. Per la sgrossatura devo avere la potenza massima della macchina e calcolo le due velocità di conseguenza. Per la finitura scelgo l’avanzamento non al massimo, ma per avere la finitura superficiale desiderata. Queste verifiche bisogna calcolarle con una formula. • VERIFICA COPPIA DI SERRAGGIO IL COEFFICIENTE DI ATTRITO supponiamo che sia valido e abbiamo dei valori standard. Combinazione acciaio tenero dolce: uso questa combinazione quando il diametro è finito e non voglio graffiarlo. Se invece non mi interessa la superficie uso griffe con profilo ondulato fino a quelle rigate in acciaio temprato, tanto da avere un incastra macroscopico praticamente, con coeff attrito >1. Momento resistente: forza attrito tangenziale. Affinchè la lavorazione sia eseguibile, si deve verificare che: 𝑀𝑐 = 𝐹𝑐𝐷 2 ≤ 𝑧⁡𝜇⁡𝑝⁡𝐴⁡𝐷∗ 2 = 𝑀𝑟 N.B. • Se i dispositivi dell’autocentrante sono di tipo meccanico, la pressione di contatto p varia con la velocità di rotazione n: se n aumenta, p diminuisce! • Attenzione alla pressione di contatto in quanto potrebbe indentare il pezzo. Non uso la pressione di contatto essendo più preciso. Se l’azionamento non è idraulico (oliodinamico), quindi non è controllato precisamente, come con dispositivi meccanici, le cui griffe possono essere spinte verso l’esterno a causa della forza centrifuga, per cui diminuisce la forza impressa dalle griffe quindi devo prendere dei coefficienti di sicurezza per questi dispositivi. Se la verifica non è verificata dovrei aumentare la forza delle griffe, oppure se non posso riduco la velocità di taglio, o qualcosa che influenza la forza di taglio (VEDI FORMULA FORZA DI TAGLIO PRECEDENTE). • VERIFICA INFLESSIONE DEL PEZZO/ FRECCIA Questa verifica dipende da come è stato montato il pezzo sul mandrino. CASO 1: a sbalzo (autocentrante) CONFIGURAZIONE PIÙ RISCHIOSA: forza applicata nel punto più lontana dal punto di incastro nel mandrino. Quindi considero tutta la lunghezza L dello sbalzo, per avere la massima deformazione. 𝑑 = 1 3 ⁡𝐹𝐶𝐿 3 𝐸⁡𝐽 ⁡ con J=momento di inerzia CASO 2: tra le punte (punta-contropunta) La freccia d è massima quando L1=L/2 𝑑 = 1 48 𝐹𝐶𝐿 3 𝐸⁡𝐽 CASO 3: autocentrante-contropunta – caso più rigido di tutti, quindi spesso non si fa perché è sempre verificata di solito, o comunque è all’interno della tolleranza. La freccia è massima quando L1≈0,6L 𝑑 = 1 107 𝐹𝐶𝐿 3 𝐸⁡𝐽 MOTIVO: per tolleranze di dimensionali (no rottura) – verifica soprattutto in finitura Se questi vincoli non sono rispettati, cambio il tipo di serraggio. • VERIFICA SULLA RUGOSITÀ SUPERFICIALE (SOLO IN FINITURA) La rugosità dipende da: (1) tipo di lavorazione, (2) forma dell’utensile (raggio di punta) e (3) avanzamento. Se il raggio aumenta le tracce sono meno marcate, a parità di avanzamento. A parità del raggio di punta, un maggior avanzamento aumenta il valore della rugosità superficiale. Se la velocità di avanzamento è abbastanza grande e il raggio di punta è abbastanza piccolo, l’angolo di registrazione secondario (ECEA) influirà sulla geometria della superficie. Si riconosce sempre per i graffi elicoidali a spirale (firma tecnologica). Il singolo solco ricopia la forma dell’utensile per la parte impegnata nella lavorazione (parte terminale). Questa forma è determinata dagli angoli di registrazione. Esistono degli utensili finitori particolarmente spinti in cui k’ è pari a zero con un vero e proprio strisciamento -> teoricamente rugosità nulla (anche se a causa del ritorno elatico è impossibile) Al diminuire del k’ e all’aumentare del raggio di punta, diminuisce Ra. Rugosità Teorica: utensile con raggio di punta nullo Il solco lasciato è determinato dal triangolo ABC ripetuto (con ipotenusa pari all’avanzamento, ottenendo una rugosità media (media aritmetica degli scostamenti dalla linea media del profilo) pari a metà della metà dell’altezza. Per essere più pratici conviene usare un altro parametro di rugosità Rk, o Rmax (RISTUDIA PARAMETRI RUGOSITÀ), i quali sono legati all’intera altezza DB, e quindi 𝑹𝒂 = 𝑹𝒎𝒂𝒙 𝟒 . Essendo f=AD+DC=DB(cotan Kre + cotan kre’) e DB=Rt=Rmax 𝑅𝑚𝑎𝑥 = 𝑓 𝑐𝑜𝑡𝑎𝑛𝜅𝑟𝑒 + 𝑐𝑜𝑡𝑎𝑛𝜅𝑟𝑒′ 103⁡𝜇𝑚 A causa delle unità di misura uso *10^3. Queste formule non servono a niente perché il raggio nullo non esiste, o comunque subito si crea a causa della lavorazione. Rugosità reale: utensile con raggio di punta rε Se ho un utensile raggiato è il raggio soprattutto a definire il profilo a dente di sega, quindi gli effetti degli angoli di registrazione sono ininfluenti, e lo sono sempre di più tanto più è piccolo è f (cosa che avviene in finitura). Quindi se f è piccolo, trascuro gli angoli di registrazione nella stima della rugosità, considerando solo il raggio di punta. Essendo ND<=AC, DE<=QB e ND=DE=f/2 perché un punto di cresta e quello dopo ho percorso una quantità pari ad f. 𝑓 2 < 𝑟𝜀 sin𝜅𝑟𝑒 So che 𝑅𝑚𝑎𝑥 = 𝑅𝑡 = 𝑂𝐺.𝑂𝐷 = 𝑂𝐺 − √𝑂𝑁2 −𝑁𝐷2 = (𝑟𝜀 −√𝑟𝜀 − 𝑓2 4 ) ∗ 103 Schmaltz capisce che si può approssimare ad un'altra formula più semplice: 𝑹𝒎𝒂𝒙 = 𝒇𝟐 𝟖𝒓𝜺 𝟏𝟎𝟑𝝁𝒎⁡ (x esercizi). Con sempre Ra=Rmax/4. L’equazione prevede che l’utensile sia affilato. Generalmente ap è molto più più grande rispetto a questa rugosità, quindi non ha effetto su ap, oltre che hanno 3 ordini di grandezza di differenza. FATTORI RELATIVI AL MATERIALE DA LAVORARE: 1. Effetti del tagliente di riporto (pezzi dell’utensile che si attaccano alla superficie lavorata) 2. Danni causati dal truciolo arricciato 3. Strappamento della superficie per materiali duttili quando si forma il truciolo 4. Cricche per truciolo discontinuo 5. Attrito tra il fianco e la superficie Si può calcolare un rapporto tra il valore ideale e quello effettivo (grafico P387). FATTORI RELATIVI ALLE VIBRAZIONI E ALLE MACCHINE UTENSILI: fenomeni come il “chatter” (vibrazione autoeccitata), inflessione del bloccaggio si traducono in giochi nei meccanismi di avanzamento. Le vibrazioni provocano un’ondulazione più marcata, quindi si eliminano nei seguenti modi: 1. Aumentare rigidità e smorzamento nel sistema 2. Eseguire operazioni a velocità che si avvicinano di più alla frequenza naturale della macchina utensile 3. Ridurre avanzamento e profondità di passata per ridurre forze di taglio 4. Modificare progettazione utensile per ridurre forze di taglio SCELTA AVANZAMENTO E PROFONDITA’ DI TAGLIO (P421) I parametri di taglio sono la velocità di taglio, l’avanzamento, la profondità e il fluido (che dipende dagli utensili). La profondità dipende dalla forma del pezzo e dalla sequenza di operazioni da eseguire: molte operazioni richiedono prima sgrossatura (maggiore profondità) e poi finitura. Prima si sceglie il valore dell’avanzamento e poi della velocità di taglio. L’avanzamento dipende da: • Utensile: materiali più duri tendono a fratturarsi più facilmente rispetto agli acciai rapidi, quindi hanno avanzamenti inferiori. Mentre l’HSS ha avanzamento maggiore. • Sgrossatura o finitura: sgrossatura f=0,5-1,25 mm/giro. Finitura f=0125-0,4mm/giro. • Vincoli avanzamento sgrossatura: deve essere il più alto possibile per fare più veloce. I limiti sono imposti dalle forze di taglio, dalla rigidità della configurazione e dalla potenza disponibile. • Requisiti di finitura superficiale. Per la scelta della velocità di taglio ci si basa sul migliore uso possibile dell’utensile, ovvero per avere un’elevata velocità di rimozione del metallo e una buona durata dell’utensile. Si sono pensate degli approcci analitici (considerando costo e tempo), e la prima formulazione delle economie di lavoro fu di Gilbert, il quale voleva massimizzare la produzione e minimizzare l costo unitario trovando un compromesso: CONTINUA P422-423 TERMINI INGLESI: -TURNING= tornitura -DRILLING=fresatura -BORING=barenatura -THREADING=filettatura Super Alloys: leghe di nichel e titanio per il settore areospaziale. Geometria dell’utensile Esistono vari utensili per forare, ma il più comune è la punta elicoidale per foratura, con diametri da 0,15mm a 75mm, la quale produce fori velocemente e a basso costo. Il corpo ha due scanalature a spirale (passaggi per il truciolo), il cui angolo dell’elica è solitamente 30°. Esistono dei bordini di guida laterali che servono a stabilizzare la punta e strisciano sul foro. La forma ad elica serve per far evacuare il truciolo. Parametro importante: angolo formato fra i due taglienti ε, o angolo di punta: influenza la velocità di taglio e la lavorazione; solitamente è attorno ai 118°. La punta può avere varie forme ma la più comune è il tagliente trasversale (tagliente obliquo che crea problemi di precisione nell’inizio della lavorazione) disposto orizzontalmente (parte centrale non scanalata che da sostegno =nocciolo (d0), punto che serve a comprimere, perché non si ha velocità di taglio – visto che dipende dal raggio) che comprime il materiale, incrudendolo grazie alla forza di spinta e lo sposta ai lati per farlo rimuovere dai due taglienti principali. Collegati a questo tagliente ci sono gli altri due (a volte detti labbra) che favoriscono l’espulsione del truciolo, grazie alla porzione di scanalatura adiacente che ha la funzione di spoglia. L’asportazione di truciolo avviene forzandolo a scorrere nelle scanalature, cosa che crea attrito aggiuntivo legato allo scorrimento della punta attorno alla faccia esterna del buco, cosa che aumenta notevolmente la temperatura. A causa della presenza del truciolo è difficile far scorrere in direzione opposta il fluido lubro-refrigerante, per cui solitamente le punte possono fare fori profondi massimo 4 volte il loro diametro. Per raffreddare spesso si usa la procedura di “beccata”, ovvero si estrae l’utensile per rimuovere i trucioli. Solitamente sono realizzati in acciaio rapido, e la parte esterna viene temprata, mentre l’affilatura è fatta mediante la rettifica. δ angolo di inclinazione dell’elica. SEZIONE NORMALE: Si ha tallonamento(impuntamento) se φ>α0 con 𝑡𝑔⁡𝜑 = 𝑓 𝜋𝑑 = 𝑓𝑛 𝜋𝑑𝑛 Gli angoli della sezione normale non si vedono, perché bisogna dare la sezione nomale al tagliente. Diametro esterno: D. d e dove lavora il tagliente nel punto P dove abbiamo fatto la sezione (gamma0 sempre costante). La superficie lavorata ha una sua inclinazione e dipende dall’avanzamento. Φ varia fino a diventare 90° quando d tende a zero. Andando verso il diametro esterno diminuirà il valore della tangente di φ. Questo significa che al centro l’angolo dell’elica è così grande da fare tallonamento (strisciamento del fianco principale sulla superficie lavorata), e al centro non si può impedire quindi si cambia la funzione della punta. PARAMETRI DI LAVORAZIONE Avanzamento è detto fn, distinto da f, perché in tornitura la sezione teorica del truciolo vale f*ap, mentre in questo caso avendo due taglienti, abbiamo f/2, quindi abbiamo l’avanzamento per dente, e quello complessivo è indicato con la n. ap=D/2 AD=fz*ap=b*hD 𝑓𝑧 = 𝑓𝑛 2 ℎ𝐷 = 𝑓𝑧𝑠𝑒𝑛( 𝜀 2 ) 𝐴𝐷 = 𝑓𝑧𝑎𝑝 = 𝑓𝑛 2 ∗ 𝐷 2 = 𝑓𝑛𝐷 4 ⁡ FORZE Ragioniamo sempre per un solo tagliente. Forze: la resistenza al taglio del materiale è la vera forza di taglio (sheer) e inoltre abbiamo anche una forza di attrito per il tallonamento. Applicare il metodo della pressione di taglio è una forzatura, però essendo Kcs differente di quello della tornitura, e sarà più grande. Fp=forza di repulsione diretta verso il centro della punta (forze applicate dal pezzo sull’utensile). Avendo due taglienti, avremo due forze di repulsione con stessa direzione, verso opposto e stesso modulo, per cui si ha una punta autostabilizzante grazie all’autoequilibrio di queste due forze. Abbiamo però due forze di taglio, una per tagliente, quindi si hanno due momenti, quindi una coppia di taglio, cosa che calcoleremo. POTENZA Calcolo potenza: uso metodo della pressione di taglio. 𝐹𝑐 = 𝑘𝑐𝐴𝐷 Per BRACCIO D/2. /1000 se vogliamo esprimerla in Nm. 𝑀𝑐 = 𝐹𝑐𝐷 2000 = 𝑘𝑐𝐴𝐷𝐷 2000 ⁡𝑁𝑚 Dal momento possiamo passare al calcolo della potenza, perché poi possiamo fare le stesse verifiche fatte sulla tornitura. Usiamo ancora l’approccio di Kronemberg per Kc. 𝑃𝑐 = 𝑀𝑐𝜔 1000 ⁡[𝑘𝑊] ed essendo 𝜔 = 2𝜋𝑛 60 si ha 𝑷𝒄 = 𝒌𝒄𝑨𝑫𝑫∗𝒏∗𝝅 𝟔𝟎∗𝟏𝟎𝟔 ⁡[𝑘𝑊] = 𝑘𝑐 ∗ 𝑄 = 𝑘𝑐 ∗ 𝐴𝐷 ∗ 𝑣𝑐 Fresatura Lavorazione in cui il pezzo viene movimentato sotto un utensile multitagliente, detto fresa, solitamente sono 8 denti. La macchina è detta fresatrice. È un’operazione di taglio interrotto: i taglienti della fresa entrano e escono dal pezzo ogni giro, causando fatica e shock termici. Esistono due tipologie: • Frontale: asse rotazione perpendicolare alla superficie lavorate • Periferica: asse rotazione parallelo alla superficie lavorata PERIFERICA: detta anche fresatura piana, è eseguita dai taglienti sulla superficie laterale della fresa. A) periferica convenzionale (slab milling): spianare grandi superfici. Fresa solitamente più grande del pezzo. B) Scanalatura (slotting): utensile più piccolo del pezzo, per intagliare cave o anche per tagliare il pezzo (segatura) C) Laterale D) Simultanea (straddle milling) E) Di forma: geometria fresa particolare che viene dato al pezzo. POSSIBILI SCOMPOSIZIONE FORZE: Esistono due tipi: • Discorde: solitamente è il pezzo che ha il moto di avanzamento da destra a sinistra, mentre ruota in senso antioraria, quindi si ha una velocità di taglio opposta all’avanzamento; • Concorde: velocità di taglio concorde con l’avanzamento; Queste due tipologie rendono le forze di taglio molto differenti. Innanzitutto, sono rappresentate in un piano sezionato. Fc è sempre tangenziale e cambia direzione, ed è parallela ad Ff quando esce dal pezzo. Componenti normali: al taglio FcN, e all’avanzamento FfN, che danno la risultante alla fine F. La differenza sta nel truciolo, in discordanza ho un truciolo inizialmente sottile che aumenta, mentre in concordanza è l’opposto, quindi lavora meno la fresa e dura di più. In discordanza la lavorazione inizia con un affondamento radiale istantaneo molto piccolo, e quindi è un problema, perché il materiale si fa tagliare difficilmente, quindi si ha un tallonamento iniziale. Gradualmente però aumentano le forze di taglio. Mediamente si hanno numeri diversi di denti impegnati -> numero medio di denti in presa (per tutti i tipi di fresatura). Tende a sollevare il pezzo quando i taglienti escono: up milling. Discordanza: vantaggi: gradualità forze, stabilità del pezzo sull’attrezzatura di bloccaggio (che è un mandrino specifico per ogni pezzo avendo forme varie – per quelli semplici ci sono le morse). Svantaggi: strisciamento. Punto rischio vibrazioni: attrezzatura di bloccaggio, quindi se viene appoggiato contro al muro diventa più stabile, spingendolo. In concordanza il dente urta uno spessore elevato del truciolo ad alta velocità, per cui ha bisogno di tenacità nell’utensile. Tende a mantenere il pezzo contro il piano della fresatrice. Differenza fresatura e tornitura: fresatura=taglio interrotto, perché il singolo dente sta in presa per poco tempo ma si scalda tantissimo per poi raffreddarsi, per cui ha molti cicli di riscaldo e raffreddamento. FRESATURA FRONTALE A) Fontale convenzionale: diam fresa maggiore della larghezza del pezzo. B) Frontale parziale: fresa solo su un lato C) A candela (end milling): diam inferiore alla larghezza del pezzo per creare cave. D) Contornatura: sempre utensile più piccoli E) Di tasche: svuotamento di una tasca, in cui l’utensile deve essere per forza più piccolo F) contornatura di una superficie: punta sferica per usarlo per fresatrice a 5 assi per realizzare superfici curve per esempio. Ho due assi che si possono inclinare così da essere sempre normale alla superficie da lavorare. Anche per sagomare le cavità degli stampi: fresatura di stampi (die sinking). FRESATRICI Oggi non si chiamano più fresatrici, ma centri di lavoro. Ho due tipi di assi di mandirini che classificano le frese: -orizzontale: adatta a fresatura periferica su pezzi che sono a forma di cubo. -verticale: adatta a fresatura frontale, a candela, la contornatura e la fresatura free-form. Tipologie: • Frese di forma: hanno un profilo speciale in maniera tale che rimuova il materiale fra i denti adiacenti per realizzati ingranaggi per esempio. • Frese per fresatura frontale: tagliano sulla superficie periferiche che sul fondo della fresa; fatte di HSS. • Frese per fresatura interna: come una punta a forare che esegue il taglio coi taglienti periferici e non con l’estremità (che possono essere quadrate, arrotondate o semisferiche). Servono per fresatura di profili, frontale, per fessure, incisione, matrici e contornatura. Geometrie fondamentali (vista assiale, fresa integrale in acciaio superapido. oppure ad inserti). ATTENZIONE AL Κre E AL DIAMETRO Avremmo un angolo di spoglia radiale γfe dove nella rappresentazione a sinistra è positivo. Le tre rotazioni indentificano 3 angoli diversi. Se il raggio è perfettamente allineato con il petto dell'inserto l'angolo di spoglia radiale sarà uguale a 0. Altro angolo di spoglia che si chiama assiale γpe. Se il petto è in asse con l'asse dell'utensile gamma sarà zero. Inoltre, c'è l'angolo di registrazione α che non è un γ ma κ. La parte più calda che assorbe più calore è il truciolo che è più caldo dell'utensile, se ho un utensile che tiene al suo interno più trucioli tiene al suo interno anche il calore quindi dobbiamo cercare asportare truciolo velocemente e romperlo velocemente. Gli spazi tra un dente e l'altro servono per raffreddare il dente e per evacuare il truciolo. Gli angoli γ contribuiscono a capire da che lato viene sputato il truciolo dalla fresa. possiamo avere geometrie doppio positive o doppio negative ovvero in senso assiale e radiale o situazioni miste. Geometria doppio negativa • materiali e condizioni che richiedono notevoli sollecitazioni • acciai e ghise ad elevata durezza (materiali fragili che si comporterebbero male con un angolo di spoglia positivo) • macchine ad elevata potenza e stabilità • aumenta lo spessore del truciolo diminuisce il fattore di ricalcamento • maggiore deformazione • maggiore forze di taglio • l'utensile stabilizza l'attrezzatura perchè tende a schiacciare il pezzo sulla tavola e l'utensile schiaccia il mandrino inoltre serve una macchina molto rigida. Geometria doppio positiva • materiali e condizioni “dolci” (alluminio, acciai duttili, …) • macchine a limitata potenza e stabilità • l'utensile tende ad essere strappati dal mandrino e il pezzo si solleva dalla tavola per cui è necessario fissare bene il pezzo Geometria positivo/negativa • potenze intermedie • γpe positivo: favorisce l’evacuazione del truciolo: voglio dei flares più piccoli possibili che escano tra i denti. Mi permette di capire da che parte esce. • γfe negativo: elevati avanzamenti e profondità di taglio (visto che il trucolo si scalda moltissimo devo toglierlo, così da togliere anche calore) Effetto dell’angolo di registrazione dell’inserto Κ=90° => fz=hD se κ≠90° => fz≠hD Effetto dell’angolo di registrazione dell’inserto sullo spessore del truciolo indeformato nella fresatura frontale: Parametri di lavorazione fn=avanzamento complessivo in direzione dell'avanzamento dell'intero giro della fresa. Ciascun dente è passato più volte a lavorare la superficie in un giro ogni dente avrà asportato 1/8 del materiale totale di un giro. Moti nella Fresatura Periferica Un generico punto P di un dente percorre una traiettoria composta dai seguenti moti: • rotatorio rispetto l’asse della fresa • traslatorio nella direzione x L'espressione della traiettoria in funzione del tempo (t) è (per fresatura discorde): è un CICLOIDE, perché sia la velocità di taglio che di avanzamento giacciono sullo stesso piano. Il punto immediatamente vicino a P seguirà la stessa traiettoria ma spostata della quantità fz. Si osserva che: • il truciolo ha spessore variabile (a forma di virgola) • sul pezzo rimane una traccia di passo fz caratterizzata da un’altezza cresta-valle determinabile geometricamente. La superficie che vede asportare il materiale deriva dall'insieme di tutti i cicloidi quindi la superficie avrà tutte cuspidi. La finitura superficiale dipenderà da fz e quindi ci saranno delle formule che stimano Ra partendo da fz. LEZIONE 17 Spessore di truciolo istantaneo e medio (fresatura periferica) Se abbiamo il materiale in lavorazione che si muove da destra verso sinistra e l'utensile che entra dal punto A (inizio della lavorazione con strisciamento e spessore istantaneo del truciolo nullo) lo spessore man mano aumenta (spessore istantaneamente variabile) fino a raggiungere un valore massimo sulla superficie che dipende da fz e dall'angolo che dipende dall'affondamento. In funzione dell'arco di contatto φ avremo un valore di spessore massimo del truciolo. • Φ=angolo di contatto • La forza genera una coppia di taglio Lo spessore del truciolo in una generica posizione θϵ[0,φ] vale: ℎ𝜃 ≅ 𝑓𝑧𝑠𝑒𝑛𝜃 Poiché lo spessore del truciolo varia, anche la sezione (per dente) di truciolo varia e nella posizione θ vale: 𝑨𝜽 = 𝒉𝜽𝒃 con θ=ωt e se κre=90° ➔ b=ap (si può dimostrare che anche togliendo questa ipotesi si ottiene lo stesso risultato) altrimenti se κ è piccolo, b cresce. In questo caso abbiamo 3 denti in presa e un quarto che sta entrando ma che ha spessore nullo. Se vogliamo un numero piccolo di denti in preso ovvero 1 o 2 avremo una forza di taglio variabile nel tempo e quindi anche una potenza di taglio variabile istante per istante. Ipotizzando un angolo di registrazione a 90°; il kc prende la stessa definizione della tornitura ovvero prodotto del kcs del materiale. Φ0 è la distanza in senso angolare tra un dente e il successivo, quanta parte del angolo φ viene distribuita per ogni dente. Considerando l’iesimo tagliente in presa: CONSIDERANDO z>2 => APPROCCIO MEDIO Se abbiamo 2 o 3 denti in presa, e il momento complessivo sarà la sommatoria per ogni dente. Il momento di taglio complessivo è la somma di tutti i contributi. Possiamo utilizzare il valore di coppia complessivo possiamo vedere la potenza dissipata dall'intera lavorazione. Ω dipende dal numero di giri del mandrino; se sovrastiamo il valore per un rendimento <1 otteniamo la potenza necessaria. Il problema di questa formula è che cambia instante per istante e dipende dal tempo e non ci piace ci risulta scomodo. Sarebbe ingegnestiricamente saggio calcolare il valore medio o il valore massimo che non è semplice. Se il numero medio di taglienti in presa è maggiore di 2 (per avere buona approssimazione) ➔ uso l’approccio allo spessore medio di truciolo (così non dipende più da tempo). Essendo z=numero medio di taglienti in presa 𝒛 = 𝝋 𝝋𝟎 = 𝒁 𝟐𝝅 𝝋 (con φ0<φ) Allora lo spessore medio (hm) del truciolo vale: e dato che 𝑂𝐵 = 𝐷 2 − 𝑎𝑒 = 𝐷 2 𝑐𝑜𝑠𝜑 si ha 𝒄𝒐𝒔𝝋 = 𝟏 − 𝟐𝒂𝒆 𝑫 vale per qualunque angolo di registrazione. Considerando la forza media esercitata da un tagliente per avere il momento complessivo: Per la fresatura frontale la rugosità dipende dalla geometria della parte terminale dell'inserto che dipenderà dagli angoli di registrazione nonché dal raggio di arrotondamento dell'utensile. Maggiore sarà il raggio minore sarà la rugosità superficiale. In fresatura questa formula sottostima la rugosità realmente ottenuta allora si preferisce sostituire al valore fz il valore di f (avanzamento complessivo) 𝑅𝑎 = 1 4 𝑅𝑡  𝐑𝐭 = 𝟏𝟎𝟎𝟎𝐟𝟐 𝟖𝐑 La rugosità teorica dipende dalla presenza del raggio di punta: Effetti dei parametri sulla potenza Rugosità ideale vs. rugosità reale (machining) La formula per la rugosità in fresatura e tornitura sono formule discretamente accurate, la finitura effettiva che poi otteniamo potrà discostarsi dalla linea teorica per vari motivi: - tagliente di riporto --> accumulo di truciolo magari a velocità bassa e il truciolo magari non scorre e rimane attaccato alla superficie dell'utensile: tipico del titanio e dell'alluminio. Per cui in questo caso chi sta tagliando non è l'utensile, ma il truciolo e la geometria diventa irregolare e la rugosità superficiale ne risente. → Questo truciolo si accumula e si stacca poi si riaccumula e si stacca. Ogni volta che si stacca erode l'utensile distruggendo i denti e genera una finitura superficiale orrenda: evitare basse velocità. - la velocità di taglio ha un effetto sulla finitura superficiale, all'aumentare di vc velocità di taglio migliora la finitura superficiale. → Esiste una velocità di taglio che ottimizza la finitura superficiale. Quando gira troppo veloce però c'è un surriscaldamento troppo elevato che causa maggiore usura sull'utensile. - in fresatura periferica concorde abbiamo un urto e quindi un pezzo di frattura fragile. Il momento di ingresso del dente in ingresso può generare una frattura fragile. Questo fenomeno non c'è nella tornitura. - il materiale ritorna elasticamente sul dorso dell'utensile quindi l'angolo alfa può modificare la finitura superficiale non modellato da quella formula. - Strappamento del truciolo in materiali duttili. - Vibrazioni autoeccitate (Chatter) che possono essere innescate dal processo stesso. c'è una forzante naturale del processo e se la variabilità naturale manda in risonanza il pezzo e la struttura (frequenze proprie) partono delle vibrazioni autoeccitate e questo è chiaramente negativo ai fini della finitura superficiale. Capita piuttosto spesso per alte velocità e alti affondamenti assiali. - Cricche superficiali su materiali fragili - Strisciamento del dorso sulla superficie lavorata Design for machining • Il progettista dovrebbe conoscere completamente tutto il ciclo di produzione incluso il disassemblaggio e riciclaggio. • Quando è possibile, i pezzi dovrebbero essere progettati in modo tale che non prevedano una lavorazione per asportazione di truciolo (usare processi net shape o near net shape) o limitarle la quantità di lavorazioni. • Applicare l’asportazione di truciolo per ottenere buone tolleranze e finiture o feature particolari (es. filettature, fori di precisione, elevata circolarità in sezioni cilindriche) • Progettare le tolleranze per la funzionalità del pezzo tenendo conto della capacità del processo (e per non rendere troppo costoso il processo) • Evitare angoli acuti e spigoli vivi (causa di rotture utensili, bave, ecc.) • Evitare fori profondi • Partire da grezzi standard • Progettare i pezzi per essere sufficientemente rigidi da resistere alle forze (evitare pezzi lunghi e sottili) I sottosquadri come quelli rappresentati in figura dovrebbero essere evitati dal momento che spesso richiedono setup aggiuntivi e lavorazioni e/o utensili speciali. Inoltre, possono causare concentrazioni di tensioni. come sceglie il materiale il progettista? rigidezza, proprietà meccaniche, carico di snervamento. Tutto quello che viene dal carico di snervamento in poi al progettista del pezzo non importa ma per chi deve lavorare il pezzo, ovvero il progettista di processo interessa la lavorabilità come ad esempio campo plastico. • I progettisti dovrebbero scegliere materiali a elevata lavorabilità (per esempio, materiali che consentono vc elevata) • Ridurre il numero di piazzamenti (al limite uno solo) per esempio facendo in modo che le feature si trovino sullo stesso lato del pezzo • Usare il più possibile utensili standard • Usare meno utensili possibile (esempio raggi di raccordo per spallamenti). LEZIONE 18 LAVORAZIONI A MOTO DI TAGLIO RETTILINEO Principali lavorazioni: • Limatura con la Limatrice • Piallatura con la Piallatrice • Stozzatura con la Stozzatrice • Brocciatura con la Brocciatrice • Segatura con la Segatrice Limatura e piallatura GOEMETRIE OTTENIBILI UTENSILI Limatura e piallatura sono lavorazioni simili perché entrambe usano un utensile monotagliente in movimento relativo lineare rispetto al pezzo per creare una superficie piana. Differenza: • Piallatura: moto taglio del pezzo • Limatura: moto taglio dell’utensile Sono dei tagli interrotti, per cui l’utensile ha molti impatti di ingresso, per cui sono necessarie basse velocità oltre ad utensili in acciaio super rapido. LIMATURA: la limatrice è un canotto, che si muove rispetto ad una colonna per fornire il moto di taglio e un piano di lavoro che esegue il modo di avanzamento. Nel ritorno l’utensile è sollevato leggermente, e ad ogni ritorno (che ha velocità di corsa maggiore rispetto all’andata, per aver maggior tempo di taglio in percentuale) il piano di lavoro avanza lateralmente rispetto alla traiettoria del canotto. Meccanismi di azionamento: • Idraulico: maggiore flessibilità nella regolazione della lunghezza della corsa e velocità più uniforme, ma costa di più. • Meccanico; PIALLATURA: per pezzi più lunghi. Si classificano in: • Piallatrice laterale aperta (o a singola colonna): ha un’unica colonna di supporto alla guida trasversale su cui è montato il porta utensili, e possono essere più di uno per fare più di un taglio ogni passata. • Piallatrice a doppia colonna: ha due colonne, una per ogni lato del basamento e del piano di lavoro. Ha una struttura più rigida ma limita la larghezza del pezzo. Si possono realizzare forme diverse dalle superfici piane, l’unica limitazione è che la superficie di taglio deve essere rettilinea. Un esempio è la dentatrice, limatrice verticale con tavola d’alimentazione rotante per generare denti ti ingranaggi. Lavorazioni a moto di taglio rettilineo alternativo In queste lavorazioni il moto fondamentale di taglio è rettilineo e può essere conferito al pezzo o all’utensile. Caratteristica comune è che si ha una corsa di andata attiva (lavoro) ed una corsa di ritorno passiva. La corsa di ritorno è compiuta solitamente a velocità più elevata (tempi passivi). Il moto è quindi alternativo (non per la brocciatura). Strozzatura Realizzazione di superfici interne a spigoli vivi (come fori poligonali), di cave per chiavette e linguette, profili scanalati, …) Si può ricondurre alla limatura. La velocità di taglio = utensile; velocità di avanzamento=pezzo Permette di produrre un taglio sottile nel pezzo per mezzo di un utensile costituito da una serie di denti vicini tra loro (detta anche troncatura). Il pezzo si mantiene fermo e la sega viene spostata rispetto ad esso. La lama è un utensile sottile e dritto con i denti da taglio su bordo. Quelle elettriche hanno un meccanismo di azionamento per impostare la velocità, la velocità di avanzamento o la pressione di segatura. • Segatura a nastro: movimento lineare e continuo utilizzando una sega a nastro che usa una puleggia per muovere continuamente la sega e guidarla nel pezzo. Possono essere orizzontali o verticali a seconda della direzione del moto della sega. Quelle verticali si usano anche per scanalatura, o contornatura. Quelle orizzontali si usano in alternativa ai seghetti elettrici. • Circolare: sega rotante per movimento continuo dell’utensile. Si usa per tagliare ad una lunghezza specifica barre lunghe, tubi e forme simili. Lama più sottile e contiene molti più denti da taglio. Hanno dei mandrini per ruotare la sega. Si può usare un disco abrasivo per materiali duri, e una per attrito, usando un disco d’acciaio che produce molto calore per attrito con velocità maggiori in questo caso. LEZIONE 19 Usura utensile Durante la lavorazione l’utensile subisce una usura che è strettamente legata ai materiali degli utensili. La placchetta cambia colore perché parte del materiale lavorato aderisce all’utensile e perché il rivestimento si consuma e si ha il colore del carburo di tungsteno. Si ha anche una deformazione dovuta ad una deformazione plastica. Modalità di danneggiamento dell’utensile: • Danneggiamento da frattura o scheggiatura: forza di taglio sulla punta eccessiva; • Deformazione plastica: temperatura troppo alta; • Usura graduale: compromette efficienta e qualità di taglio; Le prime due modalità mettono fuori uso prematuramente l’utensile, mentre l’usura graduale è meno critica. Bisogna considerare che per non compromettere la finitura superficiale non bisogna avere la rottura dell’utensile nella lavorazione, scegliendo opportunamente le condizioni di taglio e la sua vita. Meccanismi di usura: • Abrasione: particelle di elevata durezza incluse nel pezzo che per strisciamento rimuovono piccole porzioni dell’utensile; • Diffusione: passaggio di atomi tra i materiali del pezzo e dell’utensile a causa dell’energia elevata per la temperatura (saldatura allo stato solido), comportando riduzione delle proprietà meccaniche e una vulnerabilità crescente -> causa principale del cratere di usura. • Ossidazione: ossigeno atmosferico forma ossidi facilmente asportabili • Adesione: fenomeno del tagliente di riporto (causa di P e T alte) • Deformazione plastica: dovuta a sollecitazioni meccaniche e termiche • Fatica: dovuta a cicli meccanici e termici Si misurate al microscopio -> la vedo dalla finitura superficiale, dal rumore oppure la prevedo con delle manutenzioni programmate, quindi devo avere un modello di previsione. Le principali forme di usura sono: • Usura sul fianco (labbro di usura): quella che si riflette maggiormente sulla qualità delle lavorazioni. Sul fianco principale avremo un labbro di usura di grandezza proporzionale alla ap, e sul secondario uno pari all’avanzamento. è dovuta allo scorrimento tra il fianco e la superficie lavorata. Si verifica quando la superifice del pezzo lavorato è più dura e/o abrasiva dell’utensile, magari a causa di incrudimento, lavorazioni precedenti, particelle di sabbia. Inoltre, interessa i raggio di punta. o influenza la precisione dimensionale e la finitura superficiale; o si misura con le grandezze VBmedio e VBmax (anche se la linea non è così netta) • Usura sul petto (cratere di usura): forma un avvallamento, È dovuto all'azione del truciolo sul petto con alte pressioni e temperature. o determina l’indebolimento dell’utensile stesso; o si misura tramite le grandezze KT, profondità del cratere, e KM, punto medio del cratere misurato dallo spigolo del tagliente originale; solitamente meno importanti. La rapidità con cui avviene l’usura dipende da molti fattori: ➢ Caratteristiche dell’utensile ➢ Temperatura nella zona di lavorazione (velocità di taglio) ➢ Parametri di taglio ➢ Refrigerazione della zona di lavorazione ➢ Presenza di cicli termici ➢ Lubrificazione nella zona di lavorazione ➢ Affinità chimica tra utensile e materiale in lavorazione: responsabile della diffusione allo stato solido ➢ ecc Effetto della temperatura sull’usura Andamenti tipici della durezza a caldo per alcuni materiali per utensili: la durezza diminuisce con la temperatura. Ceramiche più stabili. Metallo duro=carburo di tungsteno è un materiale ceramico metallico. Usura utensile in funzione del tempo di taglio In questa figura si riporta l’usura sul fianco (labbro d’usura) (FW: larghezza labbro d’usura), ma anche il cratere di usura ha un andamento simile: subito si forma un labbro di usura (periodo del rodaggio) e si usura l’angolo di punta, successivamente il tasso di usura si stabilizza (tratto centrale): derivata mai nulla o negativa. Si stabilisce un valore di soglia oltre la quale non è ammissibile il labbro di usura. Infine, si raggiunge la zona di usura rapida o di cedimento, in cui l’efficienza si riduce molto. La pendenza dipende dalle condizioni di taglio e dal materiale da lavorare: la vc influenza molto. L’usura cresce con il tempo di contatto: Effetto della velocità di taglio sull’usura Si mostrano i valori di velocità e di durata dell’utensile fissando un criterio di fine vita dell’utensile, in questo caso corrispondente ad un labbro di usura (VB) pari a 0,50 mm (retta orizzontale). Ad ogni esperimento annoto la coppia Pi=(Ti,vci). Come minimo ho bisogno di due prove per ogni velocità di taglio. Curve di durata utensile I diagrammi senza di taglienti di riporto (build up edge) sono lineari, altrimenti si ha un andamento come quello successivo. Relazione tra velocità di taglio e durata utensile: Relazione di vita utensile È possibile esprimere la durata dell’utensile mediante la seguente relazione di Taylor (ingegnere produzione ford): 𝒗𝒄 ∗ 𝑻 𝒏 = 𝑪 Ogni combinazione di materiale del pezzo e dell’utensile, ogni condizione di lavorazione (avanzamento, profondità di passata) e ogni criterio di fine vita utilizzato produce diversi valori di n (intercetta) e C (pendenza). Ho bisogno di almeno due prove per determinare le due costanti. C=vc alla quale l’utensile durerebbe 1 min. Grafico della velocità di taglio in relazione alla vita dell’utensile in coordinate logaritmiche (naturale): Leghe al cobalto Cobalto + 40/50% cromo, 25-35% tungsteno e 15/20% altri elementi. Realizzate in colate in stampi di granito e poi rettificate. Durezza elevata, resistenza all’usura migliore dell’HSS, ma tenacità peggiore. Per applicazioni intermedie: sgrossatura a velocità più elevate e lavorazioni per plastiche o grafite. Carburi metallici sinterizzati • alta resistenza alla compressione, ma da bassa a moderata resistenza alla trazione • elevata durezza (90-95 HRA) • buona durezza a caldo • buona resistenza all’usura • elevata conducibilità termica • elevato coefficiente elastico, con valori di E fino a circa 600x103 MPa • durezza inferiore a quella dell’acciaio rapido 3 classificazioni a seconda del materiale: in comune hanno le leghe in carburo di tungsteno e il cobalto che circonda i grani per fare da legante durante la sinterizzazione. È un materiale che ha un buon compromesso fra durezza e tenacità e ci permettono molti utilizzi. Dopo i primi carburi di tungsteno WC-Co venne aggiunto carburo di titanio e di tantalio per evitare l’affinità chimica dell’acciaio così da avere un’usura inferiore per tagliare gli acciai. • Qualità per lavorazione di materiali facili: per alluminio, ottone, rame, magnesio, titanio e materiali non ferrosi (anche ghisa grigia). • Qualità per lavorazione di acciai: 10/25% WC sostituito da TiC e TiCaC -> resistenza al cratere ma più usura sul fianco per materiali facili. Due tipi di classificazione: americana (due gruppi e 4 sottolivelli) e ISO (3 gruppi con lettera e colore: durezza più elevata=finitura; maggior tenacità= sgrossatura). Come aumento la durezza senza perdere la tenacità. Uso i rivestimenti, deposti con tecniche elettrochimiche (spessori di 5-15micron) e solitamente sono degli ossidi per avere una durezza maggiore, mentre la tenacità è data dal sostrato. La differenza fra rivestimento e tenacità nella durezza non può essere così diversa, altrimenti creo solo dei danni. Granulometria tipica: 0,5÷5 μm Contenuto tipico di cobalto: 3%÷12%  Sviluppi recenti: granulometrie ultrafini (granolumetria che sale significa che i grandi diventano più grandi) (dimensioni inferiori al micron) dei vari tipi di metallo duro presenti (WC, TiC, e TaC) => la diminuzione del TRS si riduce o addirittura si elimina.  Elevata durezza e buona tenacità Esistono anche RIVESTITI: ottenuti con un inserto di carburo sinterizzato e uno o più strati di carburo di titanio, nitruro di titanio o ossido di alluminio con spessori da 2,5 a 13μm. Strati multipli: primo TiN o TiCN per qualità di aderenza e coeff di espasione simile. Poi TiN, TICN, Al2O3 e TIAlN. Usati per lavorare ghise e acciai in fresatura: migliori materiali per elevate velocità di taglio con forze dinamiche e shock termici minimi. No taglio interrotto (causa distaccamenti). Anche per lavorazioni di materiali non ferrosi con rivestimenti di carburo di cromo, nitruro di zirconio e diamante. Ceramici • Ossido di alluminio (Al2O3) tipicamente al 99% + eventuale ossido di zirconio • Grana fine, sinterizzato in inserti a pressioni e temperature elevate senza l’ausilio di legante • Usati nella tornitura ad alta velocità di ghisa e acciaio, con piccoli avanzmanti, basse profondità e macchine rigide. Fratture causate dalla non rigidezza della macchina. Usati come abrasivo per mole e possono essere anche fatti di SiN, sialon (SiN-Al2O3) e TiC-Al2O3. • No operazioni pesanti di taglio interrotto (come la fresatura di sgrossatura) a causa della loro scarsa tenacità Cermet Sebbene i carburi sinterizzati siano tecnicamente dei compositi cermet (ceramici metallici), il termine cermet di solito si usa solo per le combinazioni di TiC, TiN e carbonitruro di titanio (TiCN), con nichel e/o molibdeno come leganti. Avanzamenti inferiori per migliori finiture. Nitruro di boro cubico (CBN) Dopo il diamante, è il materiale più duro. • si usa per gli inserti degli utensili rivestendo il carburo sinterizzato (come nel caso del diamante SPD) • non reagisce chimicamente con il ferro e nichel come l’SPD, quindi può lavorare l’acciaio e le leghe a base di nichel Diamanti sintetici SPD (sintered polycrystalline diamond): diamante policristallino sinterizzato (introduzione: primi anni ’70) • Fabbricato sinterizzando piccoli cristalli di diamante a temperature e pressioni elevate nella forma desiderata, senza o quasi usare leganti. • I cristalli hanno un orientamento casuale e questo migliora la resistenza degli utensili SPD rispetto ai diamanti a cristallo singolo • Gli inserti sull’utensile di solito si realizzano depositando uno strato di SPD di circa 0,5 mm sulla superficie di un carburo sinterizzato. Inserti molto piccoli si possono anche fare interamente in SPD Diamanti sintetici  Lavorazioni ad alta velocità di metalli non ferrosi e non metallici particolarmente abrasivi (es.: fibra di vetro, grafite, legno)  Non adatti per l’acciaio e altri metalli ferrosi o leghe a base di nichel a causa della affinità chimica che esiste tra questi metalli e il carbonio. LEZIONE 20 Ottimizzazione delle condizioni di taglio N.B.: Il risultato riflette le ipotesi che sono state fatte nel descrivere il modello (set di variabili indipendenti). Per noi l’unica variabile sarà vc. Esiste un’ottimizzazione vincolata. Obiettivo è una funzione con obiettivi economici. Si può ricondursi ad un modello di regressione lineare. Funzione obiettivo Produttività= minimizzare il tempo di lavorazione. Tempo dipende da vari contributi e avremo un tempo fisso legato alla messa in moto della macchina e poi ho una formula legata alla velocità di taglio (V/Q). Se aumenta la velocità di taglio il tempo diminuisce. Tempo impiegato per sostituire le placchette che si usurano: ha un termine che diminuisce con la vc, però uno aumenta la velocità di taglio (tempo vita); la somma delle tre curve avrà sicuramente un minimo detto vc* volendo ottimizzare il tempo di produzione. Posso sostituire T con formula di Taylor. L’ottimizzazione del costo è più importante ma difficile; ho 3 contributi: costo fisso, costo variabile utilizzo macchine. Ottimizzazione più difficile essendoci all’interno la funzione tp. Ho la somma di un contributo legato al costo delle placchette: costo vivo=aumenta all’aumentare della vc. È. Un costo per tagliente, non placchetta. Anche questa funzione avrò un minimo a causa di contributi crescenti e decrescenti, ma in questo caso ho una vc più bassa della vc* precedente. Terza possibile funzione obbiettivo: la più difficile. Ipotesi ricavi costanti. Per ottimizzazione di colata dovremmo aggiungere dei vincoli su vc. Soluzione ottima può trovarsi sul vincolo se il minimo si trova fuori dal dominio dei vincoli. Ricorda: 𝑇𝑚 = 𝜋𝐷𝐿 𝑣𝑐𝑓 𝑇𝑐 = 𝑇ℎ + 𝜋𝐷𝐿 𝑓𝑣𝑐 + 𝑇1(𝜋𝐷𝐿𝑣𝑐 1 𝑛 −1 ) 𝑓𝐶 1 𝑛 da cui ho 𝑉𝑐𝑚𝑎𝑥 = 𝐶 (( 1 𝑛 −1)∗𝑇𝑡) 𝑛 con 𝑇𝑚𝑎𝑥 = ( 1 𝑛 − 1) ∗ 𝑇𝑡 Con Tc=circlo; Tm=lavorazione; Th= spostamento pezzo; Tt=tempo cambio utensile RELAZIONI: vita utensile e calcolo delle forze. 𝑣𝑐𝑚𝑖𝑛 = 𝐶 ( 𝑛 1−𝑛 ∗ 𝐶0 𝐶0𝑇𝑡+𝐶𝑡 ) 𝑛 e 𝑇𝑚𝑖𝑛 = ( 1 𝑛 − 1) ∗ ( 𝐶0𝑇𝑡+𝐶𝑡 𝐶0 ) Posso avere delle RELAZIONI NON VINCOLATE AD UN PARAMETRO. Le due funzioni di ottimizzazione sono riscrivibili nell’altra forma, sostituendo i coefficienti in maniera diversa. Valori da sostituire Mola Mola: grani di materiale abrasivo (duro) tenuti insieme da un legante. È un utensile a geometria indefinita (taglienti casuali) con velocità di rotazione maggiore alle altre lavorazioni viste. Solitamente ha una forma di disco ed è bilanciata accuratamente per poter ruotare ad alte velocità. 1) Abrasivo ha il compito di asportare il truciolo 2) Legante tiene agglomerati i grani abrasivi, conferisce alla mola le necessarie caratteristiche di resistenza e di rigidità e consente il distacco dei grani abrasivi quando si sono usurati. Caratteristiche: - tipo di abrasivo : materiali - grana / granulometria(più corretto): per materiali polverosi non si ha una dimensione deterministica, ma si ha una distribuzione con una media, - tipo di agglomerante - durezza del legante - porosità: abrasivi ed agglomerante non sono completamente uniti e quindi si hanno delle porosità con aria all’interno. topografia mola: Struttura e classe della mola Grani possibilmente spigolosi e convessi. La struttura è associata alla porosità che dipende dalla distanza presente tra i grani abrasivi. È misurata con una scala che va da “aperto” a “chiuso”. Quella aperta si usa per eliminare il truciolo, mentre quelle chiuse si usa per una migliore finitura superficiale. Il grado o durezza della mola indica la capacità del legante di trattenere i grani abrasivi durante il taglio ed è legata alla quantità di legante, e si misura da “morbida” a “dura”. Quelle morbide si usano per poca rimozione di materiale e materiali difficili da lavorare. Azione dei grani Ha quindi una superficie irregolare e casuale, quando ruota ogni singolo grano compie una lavorazione differente: - azione di taglio: se si trova in una posizione come nell’immagine (penetrato profondamente) asporterà materiale come nella fresatura periferica; - Incisione: deformazione plastica senza frattura in cui i grani non penetrano abbastanza per tagliare; - Strisciamento: se è troppo in alto si ha un ricalcamento della superficie (che fornisce della compressione residua) e crea molto calore, senza rimuovere materiale. Analogie e differenze Rettifica-Fresatura - grani abrasivi molto piccoli e numerosi - possibilità di eseguita sulle estremità (periferica – più diffusa) o sui lati della mola (tipo fresatura periferica e frontale) - velocità di taglio rettifica molto elevata - grani abrasivi orientati casualmente - con angoli spoglia negativi ( -30°/ -60°) - mola è spesso auto-affilante (grani si smussano, fratturano, staccano, creando nuovi taglienti/grani) La mola inoltre è un utensile mutevole, poiché nel tempo si consuma riducendo il diametro, tuttavia non è gravissimo, ma basta riposizionarne il centro. Il legante inoltre permette ai nuovi grani di rinnovarle la mola, rendendo quindi i grani tali da potersi rompere per lasciare nuovi spigoli vivi. Delle volte la matrice si impasta e i pori si riempiono di metallo, inibendo l’emersione dei nuovi grani (autoaffilatura) -> si deve ravvivare e quindi riaffilarla, con utensile particolare. Tipologia di abrasivi Soprattutto ossidi e carburi essendo duri. Al2O3 detto allumina, che è molto comune. Il diamante ha un tasso di usura molto basso. Le caratteristiche generali sono l’elevata durezza, la resistenza all’usura e la tenacità. La friabilità si riferisce in modo particolare alla capacità del materiale abrasivo di spezzarsi quando il tagliente del grano si smussa per creare un nuovo tagliente. Tipologia di leganti Esistono anche metallici, ma quelli più tipici sono quelli vetrificati (o ceramici) fatti da argilla cotte e materiali ceramici o quelli gommosi o flessibili, anche in resina. Devono essere materiali che sostengono le forze centrifughe e le alte temperature, resistere alla scheggiatura nell’urto e mantenere i grani in posizione, lasciando staccare quelli consumati. Sistema di codifica e designazione: La combinazione fra materiale dei leganti e degli abrasivi ne definisce il nome, con altri dati, con 7 sigle complessive inventate dall’azienda inventrice della rettifica, chiamata Norton. mole tradizionali CBN e diamante (poco importante) Indicazioni tecnologiche Per la lavorazione devo scegliere i vari parametri: Aumentando la granulometria, diminuisce la finitura, ed è più comoda per i materiali più duttili, i quali impastano meno con grani più grandi. Grani più grandi permettono velocità di rimozione maggiori. La scelta della dimensione dipende dal materiale che si vuole lavorare: per materiali duri userò grandi piccoli. La dimensione si misura sfruttando i setacci, ovvero si indica un numero crescente a seconda di quanti setacci hanno superato con maglie via via più strette: va da 8 a 250. Il legante da A a Z come durezza e o varie lettere per il tipo, e di solito sono correlate. Per leganti vetrificati ho una finitura migliore e con velocità maggiori, anche se ho un’usura maggiore rispetto a quello elastico. Una mola vetrificata resiste meglio agli urti tenendo meglio le tolleranze. Durezza impasto: capacità del legante di trattenere i grani abrasivi. Voglio trattenerli di più se i grani si usurano più lentamente, quindi quando la durezza del materiale lavorato è più bassa. Per impasti più duri ho meno spalmamento e ho una superficie di contatto minore e quindi ho meno deformazione per avere quindi maggiori velocità. porosità: + aumenta la dimensione dei pori Linee guida per selezionare la mola Lavorazioni • rettifica in piano: Per pezzi prismatici distinti in tangenziali o frontale a seconda dell’asse della mola rispetto al pezzo. Moto di taglio dato dalla rotazione della mola e avanzamenti o della mola o dell’oggetto a seconda della rettificatrice. Si usa la periferia o la faccia piana della mola. Ho quattro tipi di macchine rettificatrici, tra le quali la tangenziale con larghezza della mola inferiore a quella del pezzo, con profondità di passata piccola. Si può usare anche per contorni sagomati con una mola sagomata. Anzi che alimentare la ruota trasversalmente in modo alternato, si fa affondare verticalmente nel Geometria delle mole a tazza Parametri di lavoro Riferiti a mola cilindrica diritta. La profondità di passata dipende dalla tipologia di rettifica utilizzata, e ho le velocità di taglio e di avanzamento del pezzo. I parametri sono caratterizzati da velocità alta e bassa quantità di asportazione se confrontata con le altre lavorazioni. Avanzamento o profondità di passata=infeed. Avanzamento trasversale=crossfeed. Sezione del truciolo La sezione è a virgola come la fresatura periferica, con le sue dimensioni. La larghezza dipende dalla dimensione del grano: w’ uguale alla dimensione del grano. Quantificazione grandezze di lavoro Cg è dato dai fornitori delle mole. FORMULE INUTILI ALL’ESAME tranne l’energia specifica 𝑈𝑣 = 𝐹𝑐𝑣 𝑣𝑤𝑤𝑑 , perché è in comune alle altre lavorazioni ed è il rapporto tra potenza di taglio e il MRR. Ho una grande energia specifica, a causa della dimensione piccola del truciolo, quindi l’energia necessaria per rimuovere un’unità di volume aumenta (10 volte tanto) e inoltre gli angoli di spoglia negativi provocano alte tensioni di taglio. Il terzo motivo è il fatto che non tutti i grani sono impegnati nell’operazione di taglio. Un’altra importante, ma non da ricordare è quella relativa alla temperatura superficiale del pezzo, visto che è una lavorazione che crea molto calore, per cui non si fa mai a secco ma sempre con lubrorefrigeranti. Usura L’usura della mola dipende da molti parametri, ed esistono tre meccanismi: - Rottura dei grani: tendenza a rompersi=friabilità, se è alta si rompono facilmente; - Usura per attrito: causa uno smussamento dei grani, analoga a quella dei taglienti. - Rottura del legante: dipende dal grado della mola; accade quando il grano è smussato e le forze di taglio risultano troppo alte. I tre effetti si combinano dando origine al grafico a destra con 3 zone. Quando i trucioli intasano i pori della mola ho l’impastamento della mola, che diminuisce l’azione di taglio e aumenta il calore, diminuendo l’efficienza della mola. si definisce il rapporto di rettifica GR per indicare la pendenza della curva di usura: 𝐺𝑅 = 𝑉𝑤 𝑉𝑔 solitamente aumenta all’aumentare della velocità della mola, visto che diminuisce la dimensione dei trucioli, ma aumenta l’attrito. La curva di usura è simile a quella delle altre lavorazioni tipo quelle del diagramma di Taylor, ma in questo caso non ho il labbro di usura e il tempo sugli assi, ma qui ho il volume di usura della molla Vg in ordinata e il volume di materiale rimosso Vm. Nel grafico sotto è rappresentata il legame fra il rapporto di rettifica e il degrado della superficie, notato per la prima volta da Krabacher. VALORI TIPICI: 95<GR<125 Sovrametallo suggerito: NON CHIESTO LEZIONE 22 Lavorazioni per deformazione plastica CAPITOLO 10 Obiettivo: Le lavorazioni per deformazione plastica ottengono le caratteristiche finali dei prodotti mantenendo costante il volume del materiale (senza aggiungere, o ridurre il materiale di partenza). Si modifica la geometria (e in qualche caso le proprietà) di un corpo solido mediante l'applicazione di un sistema di forze che causa un flusso plastico (deformazione permanente). Lavorazione near net shape senza rimuovere il materiale. Per la deformazione bisogna usare delle forze applicate con degli utensili metallici, che di solito sono detti stampi, i quali applicano uno stato tensionale capace di superare la resistenza allo snervamento del metallo. Il metallo assume la forma degli stampi che sono la matrice se di forma concava o punzone se convesso. Esempio: lavorazione della lamiera per renderla un recipiente, con l’imbubitura. Panoramica delle lavorazioni: nei due casi cambi il tipico stato tensionale, perché nelle lavorazioni di lamiere lo sforzo medio del tensore è positivo e quindi di trazione. In quelle massiva, lo stato di sforzo cambia ancora istante per istante, ma si ha uno sforzo medio negativo di compressione, per cui si hanno problemi diversi. ALTRA CLASSIFICAZIONE: processi a caldo o a freddo. 1. Deformazione massiva: Processi principali (classi di lavorazioni) di deformazione massivi (pezzi con rapporto superficie/volume molto piccolo tipo billette cilindriche e barre prismatiche): a. Laminazione: caso più semplice piano, in cui assottigliamo un nastro di spessore elevato utilizzando il laminatoio che usa come utensili due cilindri controrotanti, così da trascinare per attrito il materiale nella gabbia di lavorazione, ovvero fra di loro, diminuendo lo spessore e aumentando la lunghezza. Per spessori elevati è a caldo, per quelli sottili è a freddo. b. Forgiatura (stampaggio/fucinatura): ho due utensili con moto relativo traslatorio, con un moto di avvicinamento di quello superiore, mentre quello inferiore è fermo, schiacciando il materiale dandogli la forma degli stampi, con anche delle bave anche spesso volute ma poi rimosse. Tipicamente a caldo, tranne per pezzi piccoli e materiali teneri. c. Estrusione: per esempio cilindrica, per diminuire il diametro del cilindro, ma a seconda della matrice si può avere un’estrusione differente. Forze più elevate -> materiale caldo. d. Trafilatura: sempre per ridurre il diametro di cilindro, come l’estrusione, ma ha uno stato di sforzo del trafilato in trazione con una pressa idraulica che aziona il processo. Si esegue sempre a freddo incrudendo il materiale. Utilizzato solitamente per produrre fili e cavi metallici. 2. Lavorazione delle lamiere: Operazioni di base nella lavorazione della lamiera: prevedono uno stampo fisso e uno mobile detto punzone. Le presse usate sono tutte verticale solitamente, ma a volte il punzone sarà convesso ma fisso e la matrice si muoverà (cinematica con ordine vario). Detto anche stampaggio. a. Piegatura: per realizzare scatole o comunque per avere piani con angoli. b. Imbutitura: per carrozzerie o lamiere (stampaggio) o contenitori, in cui trasformo una lamiera piana in una forma concava. c. Tranciatura: taglio il pezzo (anche punzonatura). Queste lavorazioni prevedono sempre che il materiale vada in campo plastico quindi dobbiamo analizzarlo meglio. Conoscendo le tensioni e deformazioni ingegneristiche e reali, che differiscono soprattutto dopo la strizione. A freddo l’incrudimento può essere descritto con il legame fra sigma ed epsilon , ed n fra 0,1 a 0,5, indice di incrudimento. In generale lo stato di sforzo e di deformazione non è uniassiale come nel caso della prova di trazione nel tratto a deformazione omogenea. Per risolvere il problema ci si riferisce ad uno stato di sforzo e di deformazione equivalenti e indichiamo la relazione costitutiva con il pedice f per sottolineare che la usiamo per prevedere il flusso del materiale; tensione di flusso 𝑌𝑓 = 𝐾𝜀𝑓 𝑛 Le principali relazioni di equivalenza triassiale-uniassiale (i pedici 1, 2 e 3 si riferiscono alle direzioni principali) sono quelle di Tresca e di von Mises (massima energia di distorsione) Cerco lo sforzo di flusso plastico Y che è uno scalare che definisce lo stato di sforzo. Per legare sforzi e deformazioni nel campo plastico dobbiamo svolgere alcuni passaggi. Nel campo elastico so che sono legate dalle FORMULE con il coefficiente di Poisson (0,3 per metalli). Ipotizzando l’isotropia del materiale lego le deformazioni agli sforzi. MECCANICA DELLA DEFORMAZIONE PLASTICA In campo elastico il volume del materiale non cambia, mentre si ha costanza quando MODULO DI POISSON v=0,5 cosa che avviene nel campo plastico. Relazioni fra tensioni e deformazioni in campo plastico. Differenze tra comportamento elastico e plastico dei materiali metallici. 1. Le deformazioni elastiche sono transitorie, cioè scompaiono al cessare dell'applicazione del carico che le ha provocate; le deformazioni plastiche sono permanenti.