Seco: carichi meccanici e geometrie di taglio nelle operazioni di tornitura

In una lavorazione per asportazione di truciolo, l’inserto deforma il materiale da lavorare finché non si separa sotto forma di trucioli. Il processo di deformazione richiede una considerevole quantità di energia, e l’inserto è sottoposto ad una serie di carichi meccanici, termici, chimici e tribologici; questi carichi col tempo ne causano il deterioramento e l’usura o la rottura.

Pertanto l’obiettivo di una buona applicazione per asportazione di truciolo è bilanciare l’energia necessaria per asportare il metallo con la capacità dell’inserto di resistere in modo affidabile ai carichi a cui viene sottoposto. Comprendendo e manipolando correttamente i parametri di taglio, le geometrie, i materiali degli utensili ed altri fattori, gli operatori possono realizzare un processo di asportazione di truciolo produttivo ed economicamente conveniente. I carichi meccanici nelle operazioni di tornitura sono stabili, mentre nella fresatura sono dinamici, con un’alternanza continua tra piccoli e grandi. Questa analisi si concentrerà sui parametri e sulle geometrie degli inserti nelle operazioni di tornitura, mentre una discussione successiva esaminerà i problemi differenti posti dalla fresatura.

Carichi durante la lavorazione
I carichi a cui è sottoposto un inserto si dividono in quattro categorie fondamentali: meccanici, termici, chimici e tribologici.

La pressione meccanica accelera l’usura e la rottura degli inserti. I tagli interrotti durante la lavorazione di pezzi con fori o inclusioni producono impatti che li possono scheggiare o rompere.

I carichi termici si verificano perché la deformazione del materiale da lavorare genera calore, portando ad aumenti della temperatura fino a 800-900 °C, che può portare alla deformazione plastica dell’inserto.

La combinazione di calore e pressione favorisce inoltre reazioni chimiche tra il materiale del tagliente e quello in lavorazione, producendo usura sotto forma di diffusione o craterizzazione.

L’attrito tra l’inserto ed il truciolo produce usura da abrasione ed erosione, una conseguenza dei cosiddetti carichi tribologici; la tribologia è l’esame delle superfici a contatto tra loro per stabilire come saranno modificate dalla loro interazione a determinate temperature e pressioni.

Le quattro categorie di carichi non operano in modo indipendente, ma interagiscono e influenzano la somma dei rispettivi effetti. Anche la potenza della macchina, la rigidità del fissaggio tra macchina e pezzo e l’abilità dell’operatore della macchina influiscono sui risultati di lavorazione. L’interazione tra i carichi produce una varietà di risultati, sempre con la stessa conseguenza finale: l’inserto si deteriora e infine si usura o si rompe.

Il termine della durata dell’inserto e la sua prevedibilità dipendono dalla capacità dell’inserto di resistere ai carichi a cui è sottoposto. Per garantire livelli ottimali di durata e sicurezza dei processi, i carichi di lavorazione devono essere inferiori alla capacità di carico dell’inserto per un certo periodo di tempo. A tale capacità contribuiscono in modo decisivo la geometria di taglio ed il materiale da taglio e del rivestimento.

IT_HQ_ILL_The_Complexity_Of_The_Metal_Cutting_ProcessRisoluzione proattiva dei problemi
Alla ricerca di efficienza e risparmio sui costi, le officine cercano di ridurre il tempo trascorso a configurare le macchine, manipolare gli utensili ed i pezzi in lavorazione e vari altri tempi morti. Raramente, però, tra questi tempi morti viene incluso il tempo necessario per risolvere i problemi. L’applicazione proattiva di geometrie inserto e di parametri di taglio appropriati prima di iniziare la lavorazione può ridurre il tempo impiegato ad identificare e risolvere i problemi.

Lavorabilità
La pianificazione proattiva mira a massimizzare la lavorabilità di un’operazione. La definizione tradizionale di lavorabilità si concentra su di un particolare materiale da lavorare e impiega fattori percentuali per misurare la difficoltà di lavorazione del materiale rispetto a un materiale di riferimento.

In questa discussione, tuttavia, la lavorabilità è definita come un obiettivo da raggiungere in termini di aumento dell’asportazione per unità di potenza. È il livello di affidabilità con cui una lavorazione per asportazione di truciolo può essere eseguita con la massima produttività ed il minimo costo.

L’approccio semplificato ad una lavorazione più veloce comporta l’incremento dei parametri di taglio, cioè profondità di taglio, avanzamento e velocità. Tuttavia, questo incremento ha una serie di conseguenze per quanto riguarda i carichi a cui viene sottoposto l’inserto. Questa analisi si concentra sui carichi meccanici.

IT_HQ_ILL_Chip_Formation_And_Cutting_TemperaturesDeve essere chiaro che i carichi meccanici sull’inserto e la forza di taglio non sono la stessa cosa. Il carico meccanico può essere rappresentato in termini di pressione (forza per unità di superficie). Un’elevata forza di taglio distribuita su un’area di grandi dimensioni produce un carico relativamente ridotto. D’altra parte, una forza di taglio anche bassa ma concentrata in un punto molto piccolo è in grado di produrre un carico problematico. La forza di taglio è influenzata dal materiale da lavorare, dalla geometria dell’inserto e dalle condizioni di taglio. A sua volta, la forza di taglio influenza il consumo di energia, le vibrazioni, le tolleranze dei pezzi da lavorare e la durata.

Effetti dei parametri di taglio
La manipolazione della profondità di taglio, dell’avanzamento e della velocità ha effetti diversi per quanto riguarda il carico sull’inserto. Raddoppiando la profondità di taglio viene raddoppiata la forza di taglio, ma raddoppia anche la lunghezza del tagliente impegnato, quindi il carico rimane invariato per unità di lunghezza del tagliente. Le forze di taglio aumentano anche con l’aumento dell’avanzamento, ma in misura minore e non lineare. Un maggiore avanzamento non fa aumentare la forza di taglio quanto una maggiore profondità di taglio, poiché il maggiore avanzamento aumenta lo spessore del truciolo, non la lunghezza del tagliente nel materiale. Quest’ultimo fattore invece produce carichi significativamente maggiori sul tagliente.

Quando si incrementa la velocità di taglio, le forze generalmente rimangono invariate, ma cresce l’assorbimento di potenza, in base alla formula fisica secondo cui l’assorbimento di potenza è uguale alla forza moltiplicata per la velocità. È vero che in una gamma media di velocità di taglio le forze sono costanti; tuttavia, la ricerca e l’esperienza pratica dimostrano che le forze di taglio aumentano a velocità di taglio inferiori e diminuiscono a velocità di taglio superiori. L’aumento della forza di taglio a bassa velocità può risultare dalla comparsa del tagliente di riporto, di per sé un indicatore di una velocità di taglio inadeguata.

IT_HQ_ILL_Cutting_ForcesLe ricerche svolte negli anni ’20 e ’30 dal Dott. Carl Salomon dell’Università di Berlino hanno stabilito che le temperature di taglio crescono con l’aumento della velocità di taglio, e poi diminuiscono con un ulteriore aumento della velocità. Questi risultati si riferiscono all’ambito di una vera e propria lavorazione ad alta velocità, che comporta una serie distinta di cause ed effetti e sarebbe un argomento da trattare a parte.

Le velocità di taglio troppo elevate possono ridurre l’affidabilità di un processo tramite una formazione del truciolo incontrollata, l’estrema usura dell’inserto e la comparsa di vibrazioni che possono determinarne la scheggiatura o la frattura. La conclusione pratica è che avanzamenti e profondità di taglio superiori combinati con velocità di taglio basse o moderate offrono le maggiori potenzialità di sicurezza operativa ed affidabilità. Una maggiore velocità di taglio, se la profondità di taglio e l’avanzamento sono sufficientemente bassi da limitare le forze di taglio, può assicurare una maggiore produttività.

Risoluzione dei problemi mediante la geometria di taglio
Molti credono che per aumentare la produttività dell’asportazione di truciolo e risolvere i problemi sia necessario introdurre materiali più avanzati per gli inserti, come nuove qualità di metallo duro, rivestimenti, ceramiche e PCBN. Il valore dei continui progressi nella tecnologia dei materiali è innegabile. Tuttavia, basare la risoluzione dei problemi esclusivamente su nuovi materiali da taglio è una risposta essenzialmente reattiva e può rivelarsi un vicolo cieco. Ad esempio, se forti carichi meccanici causano problemi come la rottura degli inserti, la soluzione è selezionare un materiale più robusto per gli stessi. Ma se un materiale più robusto non esiste, il progresso si arresta.

Il ruolo della geometria dell’inserto nella risoluzione dei problemi proattiva è sottovalutato. La modifica della geometria dell’inserto trasforma in modo attivo il flusso del materiale deformato. Ad esempio, se la formula per predire le forze di taglio (vedere riquadro) indica che i carichi meccanici risultanti saranno elevati, partire da una geometria più affilata consente di ridurre le forze di taglio e minimizzare il problema prima che si verifichi. Anche l’alterazione del deflusso del truciolo mediante una diversa geometria può modificare in positivo la quantità e l’effetto dei carichi chimici, termici e tribologici.

Elementi della geometria dell’inserto
La geometria di un inserto comprende la sua forma e le sue dimensioni a livello sia microscopico che macroscopico. Per quanto riguarda la microgeometria, la forma e le dimensioni di base di un inserto ne determinano la resistenza. Le forze di taglio che agiscono su un grande inserto determinano carichi inferiori rispetto a quelli che sarebbero prodotti dalle stesse forze su un inserto più piccolo. Un inserto grande e resistente consente di utilizzare parametri di avanzamento e profondità di taglio altamente produttivi. Tuttavia, un grande inserto può non essere in grado di lavorare le parti più piccole di un componente. Considerazioni analoghe si applicano alla forma dell’inserto. La forma tonda è la più resistente, e l’angolo a 90º di un inserto quadro è più resistente dell’angolo a 35º di un inserto romboidale. Tuttavia, un inserto circolare non può lavorare la stessa varietà di profili dei pezzi di un inserto a 35º. Esiste una relazione inversa tra resistenza e flessibilità di applicazione.

Un altro fattore geometrico è quello relativo al modo in cui l’inserto entra nel pezzo in lavorazione, definito dall’angolo di attacco, dall’angolo di inclinazione e dall’angolo di spoglia. Se la spoglia superiore dell’inserto è perpendicolare alla superficie di lavoro, l’angolo di spoglia dell’utensile è considerato negativo. Le forze di taglio sono dirette verso il corpo o la parte più resistente dell’utensile. Al contrario, quando il tagliente è inclinato all’indietro rispetto alla superficie del pezzo in lavorazione, l’angolo di spoglia dell’utensile è considerato positivo. Le forze di taglio sono concentrate sul bordo dell’inserto, che non è robusto quanto il corpo. Inoltre, un inserto applicato con angolo di spoglia positivo deve essere dotato di un angolo di spoglia sulla faccia laterale, che ne riduce ulteriormente la robustezza.

La lavorazione con angolo di spoglia negativo è efficace nei materiali tenaci, come acciai e ghise, ma produce anche maggiori forze di taglio, può limitare il deflusso del truciolo e può causare vibrazioni in macchine, attrezzature o pezzi in lavorazione non completamente rigidi. L’angolo di spoglia positivo produce forze di taglio inferiori e un più scorrevole deflusso del truciolo, ma l’utensile è più suscettibile a scheggiatura o rottura e i trucioli possono risultare incontrollati. L’angolo di spoglia positivo è adatto per materiali duttili e superleghe che richiedono un tagliente affilato.

Geometrie formatruciolo
La geometria formatruciolo degli inserti di tornitura ha tre componenti fondamentali: il profilo del tagliente, il contorno o gola formatruciolo e la cosiddetta “preparazione T” tra il tagliente e la gola formatruciolo. Il profilo del tagliente inizia il processo di taglio per il truciolo, la gola formatruciolo determina il modo in cui viene formato e la “preparazione T” gestisce la transizione tra i due. Tutti e tre i componenti influenzano la quantità di forza di taglio generata dall’utensile.

Il tagliente può essere affilato, arrotondato, tondo o smussato. Ogni diverso profilo offre specifici vantaggi e produce conseguenze specifiche. In alcuni casi, un tagliente affilato può garantire una lunga durata dell’utensile. Tuttavia il pezzo in lavorazione, la macchina utensile e il fissaggio devono essere solidi e stabili, o il bordo affilato tenderà a scheggiarsi quando è sottoposto a forze irregolari. I bordi arrotondati e smussati presentano livelli crescenti di robustezza e resistenza alla scheggiatura e alla rottura.

In senso molto generale, l’inserto migliore per la lavorazione di acciaio, che richiede tenacità, ha un tagliente robusto; l’inserto migliore per la lavorazione di acciaio inossidabile, che tende a essere duttile, ha un tagliente affilato. È naturalmente possibile lavorare acciaio con un tagliente affilato oppure lavorare acciaio inossidabile con un tagliente robusto, ma le condizioni di taglio devono essere regolate e i risultati non saranno altrettanto produttivi. Gli operatori potrebbero dover scegliere tra inserti multiuso, più versatili, e quelli ottimizzati per applicazioni su specifici materiali.

È da notare che un tagliente molto affilato non produce necessariamente la migliore finitura superficiale. Spesso i migliori risultati si ottengono dopo che un tagliente è stato utilizzato per un certo periodo. Il fenomeno è analogo all’uso di un coltello affilatissimo per sbucciare una mela. È difficile sbucciare una mela con un coltello troppo affilato, perché la lama affonda nel frutto invece di sollevare semplicemente la buccia. Un utensile per asportazione di truciolo perfettamente affilato si comporta in modo molto simile, e viene spinto all’interno del pezzo in lavorazione al punto da produrre una finitura irregolare. Il tagliente fornirà una finitura più uniforme dopo che avrà subito una leggera usura.

La “preparazione T” tra il tagliente e la geometria del formatruciolo può essere positiva o negativa. L’uso di una preparazione T positiva può consentire di impiegare maggiori velocità di taglio e ridurre quindi le temperature di taglio e l’usura. Tuttavia, una preparazione T positiva concentra anche le sollecitazioni su un’area più piccola dell’inserto, il che può accelerare l’usura e produrre scheggiature. Una preparazione T negativa o essenzialmente piana, al contrario, convoglia il materiale asportato su un’area più ampia, proteggendo l’inserto ma aumentando anche le forze di taglio, la generazione di calore e l’usura.

La geometria della cava formatruciolo presenta una simile dicotomia. Un contorno aperto o con fondo piano deforma meno il truciolo e genera forze di taglio inferiori. Un contorno chiuso o più stretto arriccia di più il truciolo, e la maggiore deformazione genera temperature di taglio superiori.

Una geometria formatruciolo aperta o a fondo piano è progettata per massimizzare il contatto fra trucioli e inserto e diffondere le forze di taglio su un’area più ampia. Quando le forze di taglio sono elevate, una geometria aperta produrrà minori carichi meccanici, riducendo i rischi di rottura e scheggiatura dell’inserto. Tuttavia, i trucioli prodotti da una geometria aperta tendono a essere più lunghi. Se i trucioli non sono controllati e creano un problema di smaltimento, presentando pericoli per il pezzo in lavorazione, la macchina o l’operatore, una geometria di formazione del truciolo chiusa potrebbe risolvere il problema.

Da parte sua, una geometria di formazione chiusa arriccia i trucioli facendoli rompere in pezzi più piccoli. Ma il prezzo di questo risultato è costituito dalla maggiore pressione di taglio. I trucioli troppo corti possono danneggiare il tagliente e ridurre la durata dell’inserto. Il carico meccanico può essere elevato anche quando le forze di taglio sono ridotte. Le geometrie chiuse sono preferibili nei casi in cui le forze di taglio sono basse, come nelle operazioni di finitura, con profondità di taglio e avanzamenti minori. Gli operatori devono trovare un compromesso e determinare la geometria più ampia che può essere applicata senza perdere il controllo dei trucioli generati.

IT_HQ_ILL_Insert_GeometryIl materiale in lavorazione ha un ruolo chiave nella scelta della geometria di controllo del truciolo. L’alluminio, ad esempio, può richiedere una geometria di controllo del truciolo chiusa per spezzare in modo affidabile i suoi caratteristici trucioli lunghi e fibrosi, mentre i trucioli corti della ghisa in genere richiedono caratteristiche geometriche di controllo del truciolo minime.

Per quanto riguarda i parametri di taglio, un avanzamento più aggressivo generalmente produce trucioli più corti, e profondità di taglio ridotte spesso producono trucioli più lunghi. A seconda del materiale da lavorare, la velocità di taglio può avere un effetto significativo sul controllo del truciolo. L’obiettivo è controllare tutti i fattori che contribuiscono al carico meccanico e produrre trucioli accettabili riducendo al minimo o eliminando i rischi di scheggiatura o rottura dell’inserto.

Sviluppo e applicazione delle geometrie
Per sfruttare la possibilità di modellare il flusso di materiale mediante le geometrie dell’inserto, i produttori sviluppano geometrie per operazioni specifiche, come la sgrossatura o la finitura. Configurazioni e combinazioni diverse di geometrie del tagliente, della preparazione T e del formatruciolo sono progettate per applicazioni e materiali da lavorare diversi.

IT_HQ_ILL_Chipbreaker_Geometry_DiagramLe geometrie M3 e M5 di Seco sono buoni esempi di geometrie diverse sviluppate per ottenere i risultati desiderati in determinate operazioni e materiali. La geometria M3 è progettata in modo da offrire un inserto versatile per operazioni medie e di sgrossatura su di un’ampia gamma di materiali da lavorare e con svariati parametri di taglio. Tuttavia, un livello elevato di carico meccanico può richiedere il passaggio a una geometria M5, progettata per gestire pesanti operazioni di sgrossatura ad elevato avanzamento, che combina una notevole robustezza con la produzione di basse forze di taglio. Il passaggio ad una geometria destinata ad una specifica situazione di lavorazione può minimizzare le rotture ed aumentare l’affidabilità operativa.

Conclusione
Il deterioramento degli inserti durante la lavorazione è inevitabile. È l’alfa e l’omega, il principio e la fine della durata. Se la durata è troppo breve, se l’utensile si scheggia o si rompe, o se l’usura o le rotture sono imprevedibili, gli operatori possono manipolare le geometrie dell’utensile e le condizioni di taglio per ottimizzare la produttività e la durata. Anche quando queste operazioni vengono svolte con successo, rimane comunque l’alfa e l’omega del deterioramento degli inserti. L’obiettivo è stabilire una nuova modalità di deterioramento, il più possibile lento e prevedibile.

IT_HQ_ILL_Kienzle_Model_Cutting_ForcesPrevisione della forza di taglio
L’interazione e l’equilibrio dei parametri di taglio possono essere descritti utilizzando una formula per la forza di taglio sviluppata negli anni ’50 dal Dott. Otto Kienzle dell’Istituto di ingegneria industriale e macchine utensili (IFW) in Germania. Gli operatori possono usare la formula per prevedere le forze di taglio ed applicare in modo proattivo geometrie ed altri fattori allo scopo di controllare il carico sull’utensile. La formula utilizza una costante kc1.1 basata sul materiale che rappresenta la forza di taglio specifica (misurata in N/mm2) necessaria per tagliare un’area di uno specifico materiale di 1 mm2 con uno spessore di 1 mm. Nella formula, Fc =kc1.1*b*h 1-MC, la forza di taglio (Fc) è uguale alla costante kc1.1 moltiplicata per »b» (larghezza del truciolo/profondità di taglio), moltiplicata per »h» (spessore del truciolo/avanzamento) ed elevata a un esponente 1-mc che prende in considerazione la combinazione della geometria dell’utensile da taglio ed il materiale da lavorare.

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