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17.Lavorabilità per asportazione - Coggle Diagram
17.Lavorabilità per asportazione
Materiali in lavorazione
La lavorabilità per asportazione di un materiale= machinability
Punto di vista tecnologico: definita con riferimento ad uno dei criteri:
o finitura ed integrità superficiale pezzo → BUONA
o durata utensile → LUNGA
o forza e potenza richieste → BASSE
o tipologia di truciolo → FACILE (non interferisce)
Punto di vista economico: definita come pezzi/h, costo di lavorazione
Se materiale possiede quindi presenta una buona finitura alla lavorazione, durata utensile lunga, forze e potenze richieste basse e forma un truciolo facile per evacuazione e che non interferisce
allora viene detto lavorabile per asportazione di truciolo.
Non deve possedere contemporaneamente tutte le caratteristiche ma almeno alcune di esse.
Machinability acciai:
Acciai sono tra i materiali più diffusi in ambito ingegneristico. In genere, la lavorabilità degli acciai è abbastanza buona.
La lavorabilità è maggiore per FMS (acciai automatici), e tali miglioramento si ottiene aggiungendo:
zolfo, S
Acciai risolforati o rifosforati:
Zolfo, S, forma inclusioni di solfuri di Mn i quali sono concentratori di tensione nella zona di scorrimento primaria.
Questo comporta trucioli piccoli e che si rompono facilmente (buona machinability).
Il fosforo, P, aumenta la durezza dell’acciaio e quindi comporta trucioli meno continui (buona machinability).
Effetto altri elementi:
Allumino, Al, e silicio, Si, hanno conseguenze negative perché formano ossidi e silicati duri e abrasivi che comporta aumento usura (riduzione lavorabilità).
Carbonio, C, all’aumento del suo contenuto c’è una riduzione della lavorabilità, ma se C< 0.15% ci sono problemi di finitura
Nichel, Cromo, Molibdeno, Vanadio migliorano acciaio e peggiorano lavorabilità.
Accia inossidabili dipende da microstruttura:
ferritici buona lavorabilità
austenitici (serie 400) abrasivi e formano tagliente di riporto, bassa lavorabilità
austenitici (serie 300) bassa lavorabilità
piombo, Pb
Acciai al piombo:
Nell’acciaio il Pb si presenta come particelle disperse, che durante la lavorazione hanno azione lubrificante (a causa della bassa resistenza a taglio), tanto che il truciolo presenta alta concentrazione di Pb sulla faccia a contatto con utensile.
Il Pb riduce le forze e potenze in gioco e quindi nell’insieme la lavorabilità.
Gli acciai al Pb sono identificati con lettera L. Inoltre il Pb può essere usato:
insieme al S
senza S
Il problema più grosso per l’uso del Pb è la tossicità (ora viene sostituito con Bismuto e Stagno), inoltre la lavorabilità decresce con la temperatura che aumenta.
Machinability altri metalli:
Alluminio:
Facile da lavorare, può formare tagliente di riporto, BUE.
Le leghe di alluminio con Si sono più abrasive.
In generale hanno problemi di controllo dimensionale (ridotto modulo elastico e alto coefficiente di dilatazione termica).
Ghise grigie:
lavorabili ma abrasive
Rame:
difficile da lavorare (tagliente di riporto, BUE), con Zn (ottoni) facili da lavorare.
Magnesio:
facile da lavorare (buona finitura e elevata durata utensili), elevata velocità di ossidazione può creare problemi.
Titanio:
bassa lavorabilità (bassa conducibilità termica e BUE)
Tungsteno:
bassa lavorabilità (fragile, resistente e abrasivo)
Machinability altri materiali:
Polimeri:
termoindurenti: fragili anch’essi difficili da lavorare (accortezze specifiche)
termoplastici: bassi moduli, conducibilità e temperatura di rammollimento → lavorabili con accortezze (geometria utensile, parametri di taglio, raffreddamento utensile)
Compositi con matrice polimerica:
difficili da lavorare per l’abrasività dei rinforzi e problemi di dispersioni fibre e particelle in lavorazione (ambientale).
Compositi a matrice metallica o ceramica:
difficili da lavorare, ma dipende da
proprietà singoli componenti.
Lavorazioni assistite termicamente:
Materiali difficili da lavorare a Tamb possono essere lavorati più facilmente per:
T > Tamb
Detto lavorazioni di Hot Machining:
riduzione forze in gioco e aumento durata utensile
fonte di calore focalizzata di fronte all’utensile da taglio
applicato a tornitura e fresatura
Presentano delle problematiche:
difficile mantenere uniformità campo termico
cambi di microstruttura nel pezzo (effetti negativi rispetto al materiale di base del pezzo)
Finitura e integrità superficiali
La lavorabilità è influenzata dalla finitura e l’integrità superficiali ottenibili sul pezzo.
In generale la finitura superficiale influenza:
proprietà superficiali (resistenza a fatica, corrosione)
aspetto superficiale (geometria, rugosità)
Valori di rugosità ottenibili per asportazione sono variabili in funzione del tipo di operazione: maggiore è la finitura ottenibile maggiori i costi e i tempi della lavorazione.
Qualità superficiale:
Il tagliente di riporto, BUE, è tra i parametri che influenza maggiormente rugosità.
Utensili in diamante o ceramici ottengono migliore finitura (no BUE)
Raggio di raccordo del tagliente:
In generale:
se R > profondità di passata → γ<0 sfregamento su superficie, non c’è formazione truciolo (innalzamento della temperatura)
se R < profondità di passata → γ>0 formazione truciolo
Un utensile poco affilato è caratterizzato da ampi raggi di raccordo, R.
Solchi di lavorazione:
Nelle lavorazioni di asportazione l’utensile lascia dei solchi a spirale sulla superficie lavorata.
I solchi dovuti al moto di taglio rispetto al pezzo.
L’altezza massima di tali solchi influisce sulla rugosità della superficie del pezzo lavorato.
In generale, altezza solchi aumenta:
se avanzamento, f ↑
e raggio in punta, R ↓
Entrambe le relazioni derivano solo da considerazioni geometriche e non tengono conto di cricche e distorsioni termiche.
Per utensile monotagliente (es. tornitura), l’ altezza totale del profilo di rugosità, Rt può essere espresso (da relazioni geometriche):
𝑅𝑡=𝑓^2/(8𝑅)
Per utensile pluritagliente (es. fresatura), l’altezza totale del profilo di rugosità, Rt:
𝑅𝑡=𝑓^2/(16[𝐷±(2𝑓𝑛∕𝜋)])
dove
f: avanzamento per punta
n: numero di punte
D: diametro fresa
per capire l’influenza di parametri come raggio di raccordo in punta utensile e avanzamento sulla qualità superficiale della lavorazione.
Mentre i fattori che influenzano finitura sono:
temperature in lavorazione, T
tensioni residue dovute alla lavorazione, stress
trasformazioni metallurgiche
deformazioni plastiche, strappi e cricche
Fluidi lubrorefrigeranti
Fluidi lubrorefrigeranti sono detti anche fluidi da taglio.
Gli scopi ed obiettivi principali dei fluidi da taglio sono:
raffreddare zona di taglio (↓T e distorsioni)
ridurre attrito e usura (↑ durata e finitura)
ridurre forze e potenze
evacuazione trucioli
protezione superficie lavorata da corrosione
L’efficacia dell’azione dei lubrorefrigeranti dipende da:
modalità di applicazione
temperatura
velocità di taglio
tipo lavorazione
Ci sono ad esempio delle lavorazioni in cui l’azione del fluido è fondamentale per la rimozione dei trucioli dalla zona di lavoro come nelle operazioni di foratura cieche, o in operazioni in cui le temperature di taglio raggiungono valori troppo elevati per il materiale utensile e quello in lavorazione.
Le principali problematiche sono legate a fattori quali:
taglio interrotto in cui l’azione refrigerante del fluido può provocare fatica termica o shock termico (dovuta a continui cicli termici)
truciolo è più arricciato per azione fluido (si hanno maggiori sforzi in punta)
natura biologica e ambientale del fluido (riciclo e smaltimento)
Un’alternativa all’uso dei lubrorefrigeranti sono le lavorazioni a secco, che si caratterizzano per:
assenza fluidi
associate a lavorazioni ad alta velocità (maggiore trasferimento di calore da zona di lavoro a truciolo)
Le principali tipologie di fluidi lubrorefrigeranti sono:
oli
emulsioni
fluidi semisintetici
fluidi sintetici
La scelta riguardo la tipologia di fluido dipende da:
o materiale in lavorazione (corrosione, macchie)
o componenti della macchina utensile (materiali)
o effetti di natura biologica e ambientale (tossicità, schiuma)
o possibilità di riciclo e smaltimento
Le modalità di applicazione del fluido possono variare e determinare l’efficacia dell’azione di lubrorefrigerazione della zona di taglio, le principali modalità sono:
getto (fino a 225 l/min ed elevate pressioni fluido)
nebulizzazione (+sistema di aspirazione) poca refrigerazione
sistemi ad elevata pressione (35 MPa) rompe trucioli e raffredda più velocemente
utensili con condotte interne per erogazione fluido
Lavorazioni quasi a secco (minimum quantity lubrication, MQL)
Vantaggi dell’MQL:
riduzione impatto ambientale
miglioramento qualità superficiale
diminuzione costi (manutenzione, smaltimento, riciclo) che possono essere il 7-17% dei costi totali
Sono lavorazioni con ridotto apporto di fluido.
L’applicazione avviene attraverso una nebbia fine di miscela di aria e poco olio vegetale.
In particolare quelle a secco (dry machining) sono sempre più possibili grazie a miglioramenti nei materiali utensili.
Risultano efficaci su acciai e ghise (no alluminio).
Inoltre, l’azione di aria pressurizzata attraverso ugelli nello stelo dell’utensile permettono di rimuovere i trucioli dalla zona di taglio.
La direzione verso lavorazioni MQL o a secco è spinta da esigenze economiche ed ambientali
Ulteriore alternativa criogenica:
utilizzo di azoto liquido iniettato interfaccia utensile-pezzo
basse temperature (↑ durata utensile)
trucioli più fragili
azoto evapora senza lasciare residui