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Tecnologia MeccanicaTecnologia Meccanica1

Materiali per utensili da taglio: usura e durata degli utensili

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


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

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

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

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

IntroduzioneIntroduzione

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

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

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

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

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

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


Materiali per utensiliMateriali per utensili

1) Acciai al carbonio ed acciai debolmente legati

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

3) Leghe fuse di cobalto (Stelliti)

4) Carburi metallici sinterizzati

5) Carburi metallici rivestiti

6) Materiali ceramici

7) Nitruro di boro cubico (CBN)

8) Nitruro di silicio

9) Diamante policristallino (PCD)

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


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

Composizione chimica di due acciai al carbonio per utensili

Composizione chimica di acciai debolmente legati per utensili

Usati nella costruzione di utensili per lavorazioni eseguite a bassa vt

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

•Cr: migliora la resistenza all’usura

•W: migliora la durezza a caldo

•Mn: migliora la temprabilità

•V: migliora la tenacità

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

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

Acciai rapidi e superrapidiAcciai rapidi e superrapidi

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

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

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

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

•Resistenza all’usura migliorata mediante rivestimento di TiN


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

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


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

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

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

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

Composizione % di tre diversi tipi di stellite

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

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

• Prodotti mediante tecniche di metallurgia delle polveri

• Durezza a caldo molto elevata velocità di taglio elevata

• Elevata conducibilità termica

• Basso coefficiente di dilatazione termica

• Elevata stabilità chimica

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

• Tenacità notevolmente più bassa rispetto agli acciai

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


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

Carburi metallici sinterizzatiCarburi metallici sinterizzati

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

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

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

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

ghise rispetto al WC

Carburi metallici sinterizzatiCarburi metallici sinterizzati


Fasi del processo tecnologico di produzione del carburo di tungsteno

Fabbricazione dei carburi metallici sinterizzatiFabbricazione dei carburi metallici sinterizzati

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


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

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

InsertiInserti

Alcune forme tipiche di inserti per operazioni di tornitura e fresatura

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Utensile da tornio con placchetta riportata mediante brasatura

Acciaio da costruzione

Carburometallicosinterizzato

Collegamento dellCollegamento dell’’inserto allo steloinserto allo stelo

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

•Difficoltà nel sostituire l’inserto usurato

Problemi:



Bloccaggio a vite:

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

ostacolato• richiede l’impiego di

inserti forati

Bloccaggio a staffa:

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

piastrina rompitruciolo

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Bloccaggio a leva:

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

Bloccaggio con scanalaturaprismatica:

• accoppiamento stabile• smontaggio rapido



Classificazione ISO dei carburi metallici sinterizzatiClassificazione ISO dei carburi metallici sinterizzati

Ghi

sa,

acci

aio

tem

prat

o,

non

ferro

si

Inox

aust

., ac

ciai

o M

n,

ghis

e le

gate

Acc

iai l

owC

, in

ox,

ghis

e m

all.

Res

ist.

usur

aTe

naci

tà

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

Utensili rivestitiUtensili rivestiti

TiN

Al2O3

TiCWC


Requisiti dei materiali da ricoprimento:

- elevata durezza ad alta temperatura

- stabilità chimica rispetto al materiale in lavorazione

- bassa conducibilità termica

- buon legame con il substrato per evitare scheggiature

- porosità molto bassa

- basso coefficiente d’attrito col truciolo

Utensili rivestitiUtensili rivestiti

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

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

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

Principali materiali utilizzati per il rivestimentoPrincipali materiali utilizzati per il rivestimento


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

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

Rivestimenti multistratoRivestimenti multistrato

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

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

realizzazione di un legame stabile con gli altri strati

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Processi di fabbricazione degli inserti rivestitiProcessi di fabbricazione degli inserti rivestiti

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

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


Materiali ceramiciMateriali ceramici

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

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

sinterizzazione a temperature elevate (1600-1800°C)

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

elevate

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

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

marcata affinità chimica di alcuni dei loro componenti

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

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

superficiale evitando successive operazioni di rettificatura

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


Alcune forme di insertiin materiale ceramico

Profili di raccordo frapetto e fianco del tagliente

Materiali ceramiciMateriali ceramici

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

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

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

• Processo produttivo: sinterizzazione

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

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

resistenza agli shock termici

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


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

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

• Processo produttivo:

• Utilizzo: costruzione di inserti e di mole abrasive

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

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

• Caratteristiche:

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

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

• sintesi a temperature e pressioni elevate

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

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

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

fortemente abrasivi• ottenimento di tolleranze dimensionali molto strette e finiture

superficiali elevate


Schema del processo di fabbricazione di un inserto in PCD

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

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


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

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

Zona usurataTagliente nuovo


Principali cause di degrado delle caratteristiche di un utensile

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

Degrado ed usura degli utensili da taglio

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

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


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

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

Degrado e usura degli utensili da taglio

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Modalità di degrado e usura degli utensili da taglio

a)per usura dorsale e craterizzazione

b)per scheggiatura

c)per sollecitazione di fatica

d)per deformazione plastica



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Caratteristiche geometriche di un tagliente usuratoCaratteristiche geometriche di un tagliente usurato

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

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

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


Labbro dLabbro d’’usurausura

• Provocato dallo strisciamento del dorso sulla superficie lavorata

• Sempre presente in maggiore o minore misura

• Influenza la finitura superficiale e la precisione dimensionale

• Principali dimensioni:• larghezza misurata attraverso il valore

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

di taglio)• distanza tra tagliente principale usurato

e originario (N)

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Cratere dCratere d’’usurausura

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

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

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

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

cratere dal tagliente originario (KM)

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

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E’ influenzata:

•dalla velocità di taglio•dall’avanzamento•dalla profondità di passata•dal materiale dell’utensile•dal materiale in lavorazione•dalla geometria dell’utensile•dall’azione del fluido da taglio se presente

Durata dellDurata dell’’utensileutensile


Curve di usura del taglienteCurve di usura del tagliente

•Durata (T) definita imponendo un limite al valore di VB.

•Quando tale limite viene superato, l’utensile ha esaurito la vita utile:• nel caso di utensili integrali, la geometria originale del tagliente

può essere ripristinata mediante riaffilatura• nel caso di utensili con inserti, il tagliente viene sostituito

mediante riposizionamento e ricambio della placchetta

•Valore massimo dell’usura sul dorso (VBmax) dipendente dal materiale dell’utensile e dal tipo di operazione. Orientativamente:• per acciai rapidi: 1.5 mm in tornitura e fresatura frontale, 0.5 mm

in fresatura periferica, 0.4 mm in foratura e 0.15 mm in alesatura• per carburi metallici sinterizzati: 0.8 mm in operazioni di tornitura

o fresatura di sgrossatura e 0.4 mm in finitura

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Perdita delle caratteristiche di forma e dimensionali: capacitàdi taglio compromessa.Aumento di forza e temperatura di taglio che può condurre al collasso

Andamento tipico del labbro dAndamento tipico del labbro d’’usura usura in funzione del tempo di contatto con il trucioloin funzione del tempo di contatto con il truciolo


All’aumentare di vt le curve si spostano verso l’alto e la durata del tagliente diminuisce

Curve di usura del taglienteCurve di usura del taglientevt è il parametro che influenza maggiormente l’usura e quindi la durata essendo correlato alla temperatura nella zona di taglio

Curva T-vt: andamento di tipo iperbolico

Curva T-vtsu scala logaritmica: andamento di tipo rettilineo

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Se vt varia in un intervallo molto ampio

Variazione di T con vt non monotona

•Per vt<vt1 ⇒ T diminuisce all’aumentare di vt e raggiunge un minimo in corrispondenza di vt1

•Per vt1<vt<vt2 ⇒ T cresce all’aumentare di vt

•Per vt>vt2 ⇒ T torna a diminuire all’aumentare di vt e la curva diventa monotona. Questo è il tratto che, per le elevate vt, presenta interesse pratico e tecnico.


Curva di usura per v = 100 m/min


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Influenza della velocitInfluenza della velocitàà di taglio sulldi taglio sull’’usura utensile KTusura utensile KT

Grafici KT-t: andamento di tipo lineare

Grafici KT-t su scala log: andamento rettilineo con rette sempre più inclinate, rispetto all’asse delle ascisse, di quelle relative a VB


T : durata utile [min]vt: velocità di taglio [m/min]C: costante pari alla vt corrispondente ad una durata

dell’utensile di 1 minn: sensibilità della durata alla velocità di taglio

Durata dellDurata dell’’utensile: legge di utensile: legge di TaylorTaylor

CTv nt =⋅

Su scala logaritmica la legge di Taylor assume andamento lineare:•C è individuata dall’intersezione con l’asse delle ascisse per T=1 min•n è pari alla tangente dell’angolo minore tra retta e asse delle ordinate

n=1 corrisponderebbe ad un processo di usura a tasso costante, dipendente solo dallo spazio percorso e indipendente da vt

In realtà, la temperatura all’interfaccia, crescente con vt, accelera il degrado per cui n<1

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Valori indicativi della costanteC e dell’esponente n dell’equazione di Taylor

Rappresentazione grafica della legge di Taylor per:• Acciaio rapido (C=60, n=0.15)• Carburo metallico sinterizzato(C=300, n=0.3)

• Materiale ceramico(C=1500, n=0.6)

Durata dell’utensile: legge di Taylor


a: avanzamento [giri/min]p: profondità di passata [mm]r: sensibilità della durata all’avanzamentos: sensibilità della durata alla profondità di passata

Durata dellDurata dell’’utensile: legge di utensile: legge di TaylorTaylor generalizzatageneralizzata

CpaTv srnt =⋅⋅⋅

ns

nr

nt

n pavCT−−−

⋅⋅⋅=11

Utensili in acciaio rapido (n=0.15, r=0.6, s=0.15):

147 7 −− ⋅⋅⋅=−

pavCT ta è il parametro che, dopo vt, esercita la maggiore influenza su T

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Durata dellDurata dell’’utensile: legge di utensile: legge di TaylorTaylor generalizzatageneralizzata

ns

nr

nt

n pavCT−−−

⋅⋅⋅=11

• Per mantenere invariata T, ad un aumento di vt deve corrispondere una diminuzione di a e/o p

• Sgrossatura: la principale richiesta è asportare elevate quantità di truciolo ⇒ è opportuno adottare sezioni del truciolo (p·a) grandi e vt moderate

• Finitura: è necessario adottare bassi valori di a ⇒ si utilizzano vt maggiori

• Per aumentare la sezione del truciolo è preferibile accrescere p poiché ha una minore incidenza su Trispetto ad a


Influenza di vt e di a sulle modalitàdi degrado di un utensile in metallo duro nella lavorazione di un acciaio inox austenitico:

Durata dell’utensile

•vt basse: tagliente di riporto. La vta cui scompare diminuisce al crescere di a

•vt medio-alte: degrado per craterizzazione e deformazione plastica. Al crescere di a, tali meccanismi si innescano e diventano marcati a vt più basse

La zona di utilizzazione è delimitata dai diversi meccanismi di degrado (area più chiara)

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LavorabilitLavorabilitàà

Attitudine di un materiale a subire lavorazioni di taglio con asportazione di truciolo.Punto di vista economico: definita come pezzi/h, costo di lavorazionePunto di vista tecnologico: definita con riferimento ad uno dei criteri:a)Durata del tagliente: la lavorabilità è proporzionale al volume di

truciolo asportato durante il periodo di vita utile dell’utensileb)Forza ed energia assorbita nel taglio: la lavorabilità è

inversamente proporzionale all’energia specifica di taglioc)Finitura ed integrità superficiale: la lavorabilità è tanto maggiore

quanto migliore è la finitura superficiale e/o l’integrità superficialed)Tipo e forma del truciolo: un materiale lavorabile consente di

ottenere trucioli frammentati facilmente evacuabili

Difficilmente un materiale soddisfa tutti i criteri elencati ⇒quantificazione della lavorabilità piuttosto aleatoria


Indice di lavorabilitIndice di lavorabilitàà

campionematerialevprovainmaterialev

It

t

60

60=

Rapporto tra la vt corrispondente ad una durata prefissata dell’utensile nella lavorazione del materiale in prova e quella corrispondente alla stessa durata nella lavorazione di un materiale campione (AISI B 1112 per i materiali ferrosi)

Lavorabilità proprietà di sistema ⇒ tutti i parametri che la caratterizzano devono essere definiti in modo preciso (norma ISO 3685 – 1977: codifica le procedure sperimentali per la valutazione di I)

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LavorabilitLavorabilitàà

• bassa duttilità: consente formazione e distacco del truciolo con minimo scorrimento e facilita la rottura del truciolo

• bassa τs: riduce l’energia e quindi la forza di taglio• Debole legame metallurgico tra utensile e truciolo: riduce

l’usura per diffusione• ridotta presenza di inclusioni dure: riduce l’usura per abrasione• elevata conducibilità: riduce le temperature raggiunte nella

zona di taglio e nella parte di utensile a diretto contatto• basso punto di fusione: comporta temperature non troppo

elevate nella zona di taglio e quindi riduce il rischio di deformazioni plastiche dell’utensile o di reazioni chimiche

Influenzata significativamente dalle proprietà fisiche e meccaniche del materiale in lavorazione:


Lavorabilità dei materiali metallici

• Acciai: aumento di durezza e resistenza meccanica e diminuzione della lavorabilità al crescere del C% e degli elementi di lega

• Acciai ad elevata lavorabilità: ottenuti con aggiunta di elementi di lega come Pb o S che però riducono le proprietàmeccaniche. Utilizzati quando la lavorabilità è prioritaria rispetto alle proprietà meccaniche (sollecitazioni non gravose)

• Acciai inossidabili:- austenitici: difficili da lavorare sia per la tendenza ad incrudire,

sia per la bassa conducibilità termica;- ferritici: presentano buona lavorabilità, simile a quella degli

acciai al C debolmente legati;- martensitici: sono generalmente abrasivi e richiedono utensili

ad elevata durezza a caldo e resistenti all’usura.

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• Ghise: buone caratteristiche di lavorabilità relativamente alla formazione del truciolo (la grafite, soprattutto in forma sferoidale, favorisce la frattura del truciolo a causa della suaresistenza meccanica inferiore rispetto a quella della matrice metallica), alle vt ammissibili, alla durata degli utensili e all’energia assorbita durante il taglio.

• Al e sue leghe: soddisfano la maggior parte dei criteri di lavorabilità. Le basse temperature nella zona di taglio permettono di adottare vt elevate

• Cu e sue leghe: il Cu ha bassa lavorabilità che migliora sensibilmente nel caso di leghe (ottone meglio del bronzo)

Lavorabilità dei materiali metallici


Aspetti economici nel taglio dei metalliAspetti economici nel taglio dei metalli

Fattori considerati nelle diverse strategie di ottimizzazione:• Ciclo di lavorazione• Disponibilità e scelta delle MU• Possibilità di eseguire più operazioni contemporaneamente• Materiale del pezzo e sua lavorabilità• Materiale, tipo e geometria dell’utensile• Parametri di taglio• Condizioni di lubro-refrigerazione

Criteri di ottimizzazione:a) minimo costo b) massima produttivitàc) massimo profitto

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Costi di un’operazione di asportazione

Ci: costo associato al tempo di non taglio (o improduttivo);Cl: costo della lavorazione;Ccu: costo dell’operazione di sostituzione dell’utensile;Cu: costo dell’utensile;Cg: costi generali di produzione ripartiti per pezzo.

Costo complessivo di una singola operazione di taglio secondo il modello proposto da Gilbert:

guculiT CCCCCC ++++=


Costo associato al tempo di non taglio (o improduttivo)Costo associato al tempo di non taglio (o improduttivo)

Comprende:• il tempo per l’attrezzaggio della macchina [ta, min/pezzo]• il tempo per le operazioni di carico e scarico del pezzo sulla

macchina [tcs, min/pezzo]• il tempo di appostamento dell’utensile [tap, min/pezzo]

imapcsami tctttcC ⋅=++⋅= )(

• cm: costo della macchina e della manodopera per unità di tempo [€/min]

• ti: tempo improduttivo [min/pezzo]

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Costo della lavorazioneCosto della lavorazioneCosto associato al tempo in cui la MU esegue l’operazione di taglio con asportazione di truciolo:

lml tcC ⋅=

• tl: tempo di taglio dell’operazione [min]

Esempio: tornitura longitudinale di un pezzo cilindrico

avLD

anLt

tl

⋅⋅

⋅⋅=

⋅= 310

π

• D:diametro del pezzo [mm]• L: lunghezza del pezzo [mm]

• vt: velocità di taglio [m/min]• a: avanzamento [mm]• n: velocità di rotazione del

pezzo [giri/min]


Costo dellCosto dell’’operazione di sostituzione delloperazione di sostituzione dell’’utensileutensile

Deve essere ripartito sul numero di pezzi (Np) lavorati con il medesimo utensile (o tagliente per utensili pluritaglienti):

• tcu: tempo richiesto per l’operazione di sostituzione dell’utensile o tagliente [min]

• T: durata dell’utensile o tagliente [min]

Tttc

NtcC l

cump

cumcu ⋅=⋅=

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Costo dellCosto dell’’utensile ripartito sulle parti lavorateutensile ripartito sulle parti lavorate

• cu: costo dell’utensile (o tagliente) relativo alla durata T [€/tagliente]. Per utensili a taglienti multipli:

Ttc

NcC l

upu

u ⋅==

tins

u nCc =

• Cins: costo del singolo inserto [€]• nt: numero di inserti dell’utensile


Costi generali di produzione ripartiti per pezzoCosti generali di produzione ripartiti per pezzo

• cg: costo per unità di tempo comprendente tutte le voci di spesa a carattere generale (quote di ammortamento di impianti, spese generali di gestione, energia, materiali di consumo, manutenzione, ….) [€/min]

• tT: tempo complessivo richiesto dalla lavorazione di un pezzo [min]:

Tgg tcC ⋅=

Tttttt l

culiT ⋅++=

35


Costo totale di un operazione

Tttcc

TtctcctccC l

cugml

ulgmigmT ⋅⋅++⋅+⋅++⋅+= )()()(

Tttc

TtctctcC l

cuLl

ulLiLT ⋅⋅+⋅+⋅+⋅=

• cL: costo complessivo della lavorazione per unità di tempo [€/min]

guculiT CCCCCC ++++=


Andamento qualitativo dei costi di una lavorazione in funzione della velocità di taglio

Esempio: tornitura longitudinale

TavLDtc

TavLDc

avLDctcC

tcuL

tu

tLiLT

110

11010 333 ⋅

⋅⋅

⋅⋅⋅⋅+⋅

⋅⋅

⋅⋅⋅+

⋅⋅

⋅⋅⋅+⋅=

πππ

Applicando la legge di Taylor alla relazione precedente e ponendo:

n

nnt

ucuLt

LiLTC

vHctc

vHctcC /1

/)1()(

−⋅⋅+⋅+⋅+⋅=

aLDH⋅

⋅⋅= 310π

si ottiene:

36


Andamento qualitativo dei costi di una lavorazione in funzione della velocità di taglio

Esempio: tornitura longitudinale

n

nnt

ucuLt

LiLTC

vHctc

vHctcC /1

/)1()(

−⋅⋅+⋅+⋅+⋅=


VelocitVelocitàà di taglio di minimo costodi taglio di minimo costo

( )

n

LuCt cctcun

nCv ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⋅−

⋅=/)1(min

A parità di condizioni, utensili di basso costo unitario e rapidamente sostituibili portano a vtCmin elevate

Si ottiene uguagliando a zero la derivata prima rispetto a vtdel costo totale:

Nota vtCmin, dalla legge di Taylor si risale alla durata economica del tagliente (Te):

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅

−=

Lu

cue cct

nn1T

37


VelocitVelocitàà di taglio di massima produttivitdi taglio di massima produttivitàà

ncu

t

tn

n

CvP

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

=1max

La velocità di taglio di massima produttività si ottiene derivando tT rispetto a vt e uguagliando a zero:

E’ la vt che minimizza il tempo richiesto per lavorare un singolo pezzo.

Tttttt l

culiT ⋅++=

Nel caso di tornitura longitudinale:

n

nnt

cut

iTC

vHt

vHtt /1

/)1( −⋅⋅++=

Il primo termine è indipendente da vt, il secondo èinversamente proporzionale a vt mentre il terzo cresce all’aumentare di vt ⇒ tT ammette una condizione di minimo

vtPmax > vtCminSe cu << cL ⇒ vtCmin ≅ vtPmax


Andamento del costo totale di lavorazione e produttivitAndamento del costo totale di lavorazione e produttivitàà in in funzione della velocitfunzione della velocitàà di tagliodi taglio

• La scelta di un utensile è più importante di quella della vt• Al crescere di n vt influenza in modo meno marcato P e CT

Costo totale (CT): linee tratteggiateProduttività (P): linee continue

38


Ottimizzazione tenendo conto dellOttimizzazione tenendo conto dell’’avanzamentoavanzamentoSi possono ripetere le considerazioni fatte a proposito della vt.• Si ricava a dalla legge di Taylor generalizzata• Si sostituisce tale espressione nella relazione di CT• Si deriva rispetto ad a (con vt e p costanti) e si uguaglia a zero

ottenendo l’avanzamento che minimizza il costo:

rn

mu

curs

r1

t

r1

minC

cct

nnrpv

Ca

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅⋅

=

Nota aCmin si può ricavare la durata economica dell’utensile sulla base dell’avanzamento:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅

−=

Lu

cue cct

nnrT


Ottimizzazione tenendo conto della velocitOttimizzazione tenendo conto della velocitàà di taglio e di taglio e delldell’’avanzamentoavanzamento

Facendo variare simultaneamente sia a che vt, per trovare il minimo dei minimi, si devono annullare simultaneamente le due derivate parziali rispetto ad a e vt.Tale minimo esiste se:

nnr

nn1 −=

−

ovvero quando n=1. Poiché n<1 ⇒ il minimo dei minimi non esiste

39


Ottimizzazione tenendo conto della velocitOttimizzazione tenendo conto della velocitàà di taglio e di taglio e delldell’’avanzamentoavanzamento

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅

−=

Lu

cue cct

nnrT

Per realizzare la lavorazione al minimo costo è necessario scegliere l’avanzamento max e la velocità di minimo costo corrispondente


VelocitVelocitàà di taglio di massimo profittodi taglio di massimo profitto

Se si indica con S il ricavo ottenuto per un’operazione di taglio, si definisce profitto il rapporto fra la differenza (S-Ct) ed il tempo totale Tt

T

tr t

CSP −=

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