Tecnologia dei
processi produttivi
Lavorazioni per asportazione di truciolo
Distacco di alcune parti di materiale dal pezzo
attraverso l’interazione con utensili che agiscono
in maniera progressiva
-
cinematica del taglio
meccanica del taglio
parametri di lavorazione
risultati della lavorazione
macchine e processi
Taglio ortogonale
Asportazione di truciolo
1
Tecnologia dei
processi produttivi
Formazione del truciolo
utensile
hc
truciolo
Azione di utensile elementare
ho
misure sperimentali mostrano:
- produzione di calore
- spessore del truciolo hc > ho
- durezza del truciolo > durezza metallo base
materiale in lavorazione
la formazione del truciolo avviene per deformazione plastica
Asportazione di truciolo
2
Tecnologia dei
processi produttivi
Tipi di truciolo
Ad elementi staccati
tipico di materiali duri,
fragili (ottone, ghisa).
Non si ha deformazione
nella zona secondaria.
Segmentato tipico di materiali
duri ma tenaci (acciai alto
carbonio).
Si ha modesta deformazione
nella zona secondaria.
Fluente, continuo,
tipico di materiali duttili
(acciai basso carbonio,
alluminio, alcune leghe
leggere). La deformazione
e l’attrito nella zona di
deformazione secondaria
portano a notevole
produzione di calore.
Fluente, continuo
frammentato, indica che
nella zona di deformazione
primaria si è avuta una
variazione della direzione
di deformazione
vibrazioni,irregolarità,
durata inferiore di utensile.
Asportazione di truciolo
3
Tecnologia dei
processi produttivi
Utensile elementare
ANGOLI DI TAGLIO
γ angolo di spoglia frontale
α angolo di spoglia dorsale
β angolo di taglio
>0, <0, =0
>0
??
g
-
+
γ + α + β = 90°
b
a
Asportazione di truciolo
4
Tecnologia dei
processi produttivi
Meccanica della formazione del truciolo
Scomposizione della forza risultante
secondo il ‘cerchio di Merchant’
R = SQR ( Fz2 + Fx2 )
Fz = R cos ( µ − γ )
Fx = R sen ( µ − γ )
Fs = R cos (φ + µ − γ ) = Fz cos φ − Fx sen φ
Fn = R sen ( φ + µ − γ ) = Fz sin φ + Fx cos φ
T = R sen µ
e
N = R cos µ
Asportazione di truciolo
5
Tecnologia dei
processi produttivi
Forza di taglio
Metodo del τs
(analitico)
Fz = τ s S
Fx = τ s S
cos (ζ − 2φ )
sin φ cos (ζ − φ )
sin (ζ − 2φ )
sin φ cos (ζ − φ )
- difficile determinazione ts e Φ
- alcune ipotesi semplificative per ottenere soluzione
Asportazione di truciolo
6
Tecnologia dei
processi produttivi
Metodo del Ks
(sperimentale)
Fz = Ks A
- tiene conto della reale situazione tecnologica
- le approssimazioni sono più che accettabili
e si evitano molti calcoli
Il metodo è prettamente tecnologico in quanto la determinazione
del Ks viene fatta attraverso la misura delle forze di taglio
nelle condizioni reali di lavoro
Determinazione del Ks
- si scelgono alcune condizioni sperimentali
spessore del truciolo
velocità di taglio
angolo γ
- si effettuano prove di taglio e si misura la Ft
- si calcola Ks = Ft / Ao
Ao = ho b = a p
sezione del truciolo indeformato
Asportazione di truciolo
7
Tecnologia dei
processi produttivi
Relazione pressione (energia) specifica di taglio / spessore truciolo indeformato
Ks = Kso h-z
prove sperimentali per vari materiali danno i risultati riportati in tabella
acciai
ghise
ottoni
leghe leggere
z
0.197
0.137
0.255
0.060
Relazione di Kronemberg (per gli acciai):
Kso = 2.4 Rm0.454 β0.666 [ daN/mm2 ]
Ks
log Ks
log ( Ao , ho )
Asportazione di truciolo
Ao , ho
8
Tecnologia dei
processi produttivi
in funzione dell’angolo γ
in funzione della velocità di taglio
Ft serve principalmente per la determinazione
della potenza di taglio
Fa influenza inflessione utensile,
contribuisce (poco) alla potenza di taglio
Fr determina principalmente l’inflessione del
pezzo e quindi le tolleranze di lavorazione
non contribuisce alla potenza di taglio
Asportazione di truciolo
9
Tecnologia dei
processi produttivi
Potenza di lavorazione
(P=L/t=F·s/t=F·V)
- Velocità di taglio
- Forza di taglio
Potenza di taglio:
Potenza di avanzamento:
- Velocità di avanzamento
- Forza di avanzamento
Potenza di repulsione:
- Velocità di repulsione
- Forza di repulsione
Dati noti: Vt, Ft, Va, Vr
inoltre: Fr = 15-25 % Ft
P = Vt · Ft + Va · Fa
Fa = 20-30% Ft
Asportazione di truciolo
10
Tecnologia dei
processi produttivi
Parametri di lavorazione
Utensile
Forma dell’utensile
- angolo di spoglia frontale γ
diminuisce Ft
truciolo fluente
migliora finitura superficiale
minori potenze
minore usura utensile
utensile meno robusto
sgrossatura max 6°
finitura fino a 20° (alluminio)
- angolo di spoglia dorsale α
acciai 6-8°
evita strisciamento del dorso dell’utensile
evita danneggiamento superficie lavorata
deve essere
- piccolo per non indebolire l’utensile
- grande per non causare strisciamento
- grande se E è piccolo (alluminio)
Al 10-12°
Asportazione di truciolo
11
Tecnologia dei
processi produttivi
Materiali dell’utensile
- Effetti termici
- Effetti meccanici
- Usura
- Durezza alta temperatura
- Elevata resistenza meccanica statica
e dinamica ad alta temperatura
- Resistenza all’abrasione
I materiali per utensili nella storia
Asportazione di truciolo
12
Tecnologia dei
processi produttivi
durezza vs. temperatura
Asportazione di truciolo
13
Tecnologia dei
processi produttivi
Acciai alto legati
medio carbonio (0.7)
alto contenuto di elementi di lega (W 18%, 4 Cr, 2.5 Co, 1 V)
adeguato TT --> formazione di WC e CrC
grani fini (Cr)
resistenza all’usura (V4C3)
durezza a caldo (Co in soluzione)
fucinatura (900 °C) tempra (1250 °C) rinvenimento (580 °C)
X75W18KUTF
X80WCo1818KUTF
Vt 80 m / min
Carburi sinterizzati
WC (>90%), Co (legante, <10%)
TiC resistenza all’usura
TaC resistenza alla craterizzazione
NbC tenacità, durezza a caldo
Vt 200 m / min
Carburi ricoperti
TiN TiC Al2O3 TiCN ZrN
ottima resistenza all’usura, buona tenacità
Asportazione di truciolo
14
Tecnologia dei
processi produttivi
Inserti
Asportazione di truciolo
15
Tecnologia dei
processi produttivi
Produzione inserti
sinterizzati in WC
Asportazione di truciolo
16
Tecnologia dei
processi produttivi
Materiale in lavorazione
Lavorabilità
attitudine del materiale ad essere lavorato
per asportazione di truciolo (truciolabilità?)
criteri per valutare la lavorabilità di un materiale
finitura superficiale
vita utensile
forze e potenze
evacuazione del truciolo
Le prove per determinare la lavorabilità devono necessariamente essere di tipo tecnologico:
usura utensile (microscopia), forze di taglio (dinamometri), finitura superficiale (rugosimetri)
determinati nelle condizioni di lavoro, per certi set di parametri tecnologici
Asportazione di truciolo
17
Tecnologia dei
processi produttivi
Dipende da varie caratteristiche
- del materiale
- composizione chimica
- lavorazioni / trattamenti
subiti in precedenza
- caratteristiche strutturali
- della tecnologia / lavorazione
- dell’utensile
deformazione plastica
incrudimento
ricristallizzazione
trattamenti termici
fasi
dimensioni dei grani
orientazione dei grani
sgrossatura / finitura
fresatura concorde / discorde
lubro-refrigerazione
materiale
angoli di spoglia
rompitruciolo
Asportazione di truciolo
18
Tecnologia dei
processi produttivi
Acciai
Alluminio
al piombo (particelle lubrificanti)
allo zolfo (particelle infragilizzanti)
al calcio (particelle desossidanti)
al carbonio (vedi HB -> Ks)
inox
- tenacità (austenitici)
- abrasività (martensitici)
bassa HB
buona finitura superficiale
alta Vt
Magnesio basso Ks
Titanio
Ghise
fragili
truciolo corto
abrasività cementite
Compositi sollecitazioni variabili
urti/usura/vibrazioni
Ottone
truciolo corto
lunga durata utensili
Leghe Ni
alta R ad alta temperatura
incrudimento / tenacità
bassa conducibilità termica / alto Ks
Asportazione di truciolo
19
Tecnologia dei
processi produttivi
Parametri di lavorazione
- Spessore del truciolo
aumenta potenza di taglio
‘’
produttività
‘’
usura utensile
diminuisce finitura superficiale
- Larghezza del truciolo
aumenta potenza di taglio
‘’
produttività
- Velocità di taglio
aumenta potenza di taglio
‘’
produttività
‘’
usura utensile
‘’
finitura superficiale
Asportazione di truciolo
20
Tecnologia dei
processi produttivi
Usura utensili
Meccanismi di usura: - adesione
- abrasione
- diffusione
- fatica
Modifica forma utensile: - cratere di usura
- labbro di usura
Conseguenze:
- aumento di Ft
- aumento di T
- indebolimento utensile
Asportazione di truciolo
21
Tecnologia dei
processi produttivi
Tipologie di usura
volume
cratere
Usura frontale
Vt
Volume del cratere
adesione, tagliente di riporto
diffusione, reazioni chimiche
tempo di
contatto
VB
Usura dorsale
A: rottura del filo tagliente
B: usura progressiva a V costante
C: aumento catastrofico
B
A
C
Vt
tempo di
contatto
Asportazione di truciolo
22
Tecnologia dei
processi produttivi
Criteri di usura
Un utensile deve essere cambiato quando:
- la lavorazione supera i limiti di tolleranza
- la rugosità supera i valori ammissibili
- il labbro di usura è troppo grande
- il petto dell’utensile presenta un cratere
troppo grande
Labbro di usura
Cratere di usura
0.3 – 1.0
KT / KM ≥ 0.1
KT ≥ 0.1 + 0.3 f
Asportazione di truciolo
23
Tecnologia dei
processi produttivi
Durata utensili
Influenzata da
-
materiale da lavorare
spessore truciolo
angolo di spoglia frontale
velocità di taglio
lubrorefrigerazione
Ln Du
approccio sperimentale
Ln Vt
Asportazione di truciolo
24
Tecnologia dei
processi produttivi
Vita utensile per varie
velocità di taglio
e vari criteri di usura
In un certo (limitato) campo la relazione è lineare
Asportazione di truciolo
25
Tecnologia dei
processi produttivi
matematicamente
graficamente
1
1
ln Du = − ln Vt + ln C
n
n
ln Du
θ = arctan
1
n
θ
Relazione di Taylor ottenuta empiricamente
con ripetute prove, con diversi materiali,
diversi angoli, diverse condizioni di taglio
n dipende da materiale
dell’ utensile
Vt x Dun = C
0.28
0.12
0.70
WC
HSS
Ceramici
ln Vt
C dipende da criterio di usura
geometria utensile
rapporto di forma del truciolo
tipo di lavorazione
materiale in lavorazione
è la Vt alla quale l’utensile dura 1 minuto
Asportazione di truciolo
26
Tecnologia dei
processi produttivi
Ottimizzazione delle condizioni di taglio
cosa ottimizziamo?
vincoli
tempo di produzione
costo di produzione
tasso di profitto
potenza
deformazione del pezzo
deformazione dell’utensile
min / max f Vt
rugosità
Ra = k f2 / r
tp
cp
pr
strumenti
strument relazioni vita utensile
relazioni forze / potenze
relazioni parametri / produzione
Asportazione di truciolo
27
Tecnologia dei
processi produttivi
Asportazione di materiale
l
c
d
volume da asportare
V=lcd
tempo di contatto
tc = ncorse tcorsa = l/b * c/Vt
V
lcd
velocità di asportazione Z = ---- = ----------= b Vt d = A Vt
tc
l/b c/Vt
Asportazione di truciolo
28
Tecnologia dei
processi produttivi
Funzioni obiettivo
Tempo di produzione
tp = to + tcontatto + tcambio utensili =
= to + V / Z + V / Z Du * tcu = to + V / Z ( 1 + tcu / Du )
to = tempi passivi (avviamento, carico / scarico, ritorno utensile, etc.)
tc = tempo di contatto
tcu = tempo cambio utensile
Costo di produzione
cp = co + clavorazione + cutensili =
= co + cm tp + cut V / Z Du =
= co + cm to + cm V / Z + cm V / Z Du * tcu + cut V / Z Du =
= co’ + cm V / Z [1 + (tcu + cut / cm) * 1 / Du]
co = costo di attrezzaggio (controlli, materiali, avviamento)
cm = costo orario (macchina, personale)
cut = costo utensili
Tasso di profitto
Pr = ( R - cp ) / tp
R = ricavi
Asportazione di truciolo
29
Tecnologia dei
processi produttivi
Ricordando che Z = A * Vt
si ottiene
1− n
k1
F = k0 + + k2Vt n
Vt
ovvero
1

k1 
n
F = k0 + + 1 + k3Vt 
Vt 

cioè
con
k0
k1
k2
k3
n
C
A
V
tp
cp
to
V/A
tcuV/(A*C1/n)
co + cm to
cm V/A
cm (tcu + cut / cm) V/(A*C1/n)
tp = f ( Vt )
cp = f ( Vt )
Ambedue le funzioni hanno
Asportazione di truciolo
k2 / k1
esponente della Taylor
costante della Taylor
sezione del truciolo
volume da asportare
un termine costante
un termine crescente con Vt
un termine decrescente con Vt
30
Tecnologia dei
processi produttivi
graficamente
Costo
Tempo
Costo o Tempo (totale)
Costo o Tempo (utensili)
Costo o Tempo (lavorazione)
Costo o Tempo (passivi)
Vt
Asportazione di truciolo
31
Tecnologia dei
processi produttivi
Ricerca dei minimi
Funzione
F = ko + k1 / Vt (1+ k3 Vt1/n )
Derivata prima
Derivata seconda
Velocità ottima
Durata alla velocità ottima
Asportazione di truciolo
32
Tecnologia dei
processi produttivi
Tempo
Costo
Velocità ottima
>
Durata alla velocità ottima
<
essendo:
tcu < tcu + cut /cm
Asportazione di truciolo
33
Tecnologia dei
processi produttivi
considerazioni
Ln Du
n<1
1
45°
Ln Vt
2
Du opt acciaio
acciaio
------------- = ------------------------- = 8
Du opt carburi
ipotizzando
tcu acciaio
Cacciaio
nacciao
ncarburo
= 3 tcu carburi
= 0.3 Ccarburi
= 0.12
= 0.28
carburo
Asportazione di truciolo
34
Tecnologia dei
processi produttivi
3
strategie
tp
cp
tp
cp
zona di massima redditività
Vt opt costo
Vt opt tempo
Asportazione di truciolo
Vt
35
Tecnologia dei
processi produttivi
Classificazione delle lavorazioni
per asportazione di truciolo
Classificazione secondo i movimenti
Moto di taglio
- rettilineo
- alternativo
- rotatorio
Moto di avanzamento
- continuo
- intermittente
Moto di registrazione
- per posizionare
l’utensile in prossimità
della zona di lavoro
Asportazione di truciolo
all’utensile
o al pezzo
36
Tecnologia dei
processi produttivi
Classificazione secondo il contatto utensile pezzo
Continuo
Discontinuo
Monotaglienti
-
tornitura
limatura
piallatura
stozzatura
Bitaglienti
- foratura
Pluritaglienti
- brocciatura
Pluritaglienti
- fresatura
Taglienti indefiniti
- rettifica
Asportazione di truciolo
37
Tecnologia dei
processi produttivi
Classificazione secondo il moto di taglio
Rotatorio
Rettilineo
Torni
(pezzo)
Limatrici
(utensile)
Trapani
(utensile)
Piallatrici
(utensile)
Alesatrici
(utensile)
Stozzatrici
(utensile)
Fresatrici
(utensile)
Brocciatrici
(utensile)
Rettificatrici
(utensile)
In genere è più facile mettere in movimento ad
elevata velocità l’utensile piuttosto che il pezzo
Asportazione di truciolo
38
Tecnologia dei
processi produttivi
Tornitura
Moto di taglio:
pezzo
rotatorio
Moto di avanzamento: utensile
lineare
rettilineo o meno
Moto di registrazione: utensile
lineare
discontinuo
Moto di lavoro:
elicoidale
Asportazione di truciolo
39
Tecnologia dei
processi produttivi
Struttura tornio
Elementi caratteristici del tornio:
4
2
1. bancale (guide)
2. testa (mandrino)
3
3. carro porta-utensile (torretta)
1
4. controtesta
Asportazione di truciolo
40
Tecnologia dei
processi produttivi
Lavorazioni possibili
tornitura cilindrica esterna
tornitura piana esterna,
sfacciatura
Asportazione di truciolo
41
Tecnologia dei
processi produttivi
tornitura esterna
di superfici complesse
tornitura interna
Asportazione di truciolo
42
Tecnologia dei
processi produttivi
filettatura
interna/esterna
esecuzione di gole
Asportazione di truciolo
43
Tecnologia dei
processi produttivi
troncatura
zigrinatura
Asportazione di truciolo
44
Tecnologia dei
processi produttivi
Attrezzature per torni
modi di serraggio:
(a) tra punta e contropunta
con brida e disco menabrida
a
(b) con autocentrante dall’esterno
(c) con autocentrante dall’interno
b
(d) con autocentrante con griffe
c
d
tornibili
(e) con piattaforma a griffe
indipendenti
e
(f) con piattaforma e squadra
f
g
(g) su spina, tra punta e contropunta
(h) con trascinatore frontale, fra le punte
Asportazione di truciolo
h
45
Tecnologia dei
processi produttivi
Utensile elementare di tornitura
posizionamento relativo
utensile / pezzo
sistema di riferimento
Asportazione di truciolo
46
Tecnologia dei
processi produttivi
forma dell’utensile
angoli della sezione normale
angoli del profilo
α β γ
angoli di registrazione χ
Asportazione di truciolo
angolo di inclinazione λ
47
Tecnologia dei
processi produttivi
Effetto di χ e λ sulla formazione del truciolo
χ = 45 , λ > 0
χ=0, λ
>0
χ=0, λ=0
χ = 45 , λ < 0
χ=0, λ
<0
Asportazione di truciolo
48
Tecnologia dei
processi produttivi
Forze di taglio
Ft serve principalmente per la determinazione
della potenza di taglio (Fz)
Fa influenza inflessione utensile,
contribuisce (poco) alla potenza di taglio
Fa
Fr
Ft
Ft :
Fr
1 : 1/3 - 1/4
:
Fa
: 1/4 - 1/5
Asportazione di truciolo
Componenti della forza di taglio
Fr determina principalmente l’inflessione del
pezzo e quindi le tolleranze di lavorazione
non contribuisce alla potenza di taglio
49
Tecnologia dei
processi produttivi
Individuazione della sezione del truciolo
A=h x b
h = a x sin χ
b = p / sin χ
a
A=axp
χ’
p
A = sezione del truciolo
h = spessore del truciolo
b = larghezza del truciolo
a = avanzamento per giro
p = profondità di passata
χ= angolo di registrazione del tagliente principale
ψ + ψ ‘ = angolo dell’utensile robustezza dell’utensile
Asportazione di truciolo
χ
ψ’
ψ
50
Tecnologia dei
processi produttivi
Forza di taglio e potenza di lavorazione
Ft = Ks A = Ks a p = Kso h-z a p
Ks = pressione di taglio
Kso = pressione specifica di taglio
P = Σ Fi Vi = Ft Vt + Fa Va + Fr Vr
Vt = r ω = r 2 π n / 60 / 1000 = π d n / 60 / 1000
ω [rad / s]
n [giri / minuto]
Va = a n / 60 / 1000
r [mm]
a = [mm / giro]
Vr = 0
Vt , Va, Vr [ m / s]
60 s / min ; 1000 mm / m
Asportazione di truciolo
51
Tecnologia dei
processi produttivi
P = Ft π d n / 60 /1000 + Fa a n / 60 / 1000 =
= n Ft ( π d + α a ) / 60 / 1000
essendo Fa = α Ft
con
α ∈ [ 1/4 - 1/5 ]
π≈3
d > alcuni mm
a < 1 mm
e quindi, essendo
π> α e d > a
si ha che
π d >> α a
e quindi si può trascurare la Pa
in conclusione
P = Ft Vt = Ft p d n = Ks a p π d n / 60 / 1000
Asportazione di truciolo
52
Tecnologia dei
processi produttivi
Tempo di lavorazione
t = L / Va = L / a / n * 60 * 1000
aumenta la rugosità
Va = a n / 60 / 1000
Per ridurre il tempo di lavorazione si può:
aumentare a
aumentare n
Vt = π d n / 60 / 1000
aumenta la potenza richiesta
Asportazione di truciolo
53
Tecnologia dei
processi produttivi
Rugosità nelle operazioni di tornitura
La rugosità teorica
dipende da fattori geometrici
La rugosità reale
dipende da:
- deformazioni plastiche
- vibrazioni
- dilatazioni termiche
differenziali
- attrito
- struttura cristallina
- velocità di taglio
(vt ⇑, Ra ⇓)
- angolo g
(g ⇑, Ra ⇓)
- raggio di raccordo fra i taglienti (r ⇑, Ra ⇓)
- profondità di passata
(p ⇓, Ra ⇓)
- avanzamento
(f ⇓, Ra ⇓)
- usura utensile
Asportazione di truciolo
54
Tecnologia dei
processi produttivi
Rugosità teorica
I° caso: taglienti non raccordati
a
Rt
p
χ’
χ
a/2
Va
B
χ
H’
L
δ
χ’
A
H
C
a
D’
Linea di
δ compenso
D
0
Ra = 1 / L ∫ y dx = 1 / a (AHH’ + ABC + CDD’) = 1 / a ( 2 a/2 δ/2) = δ/2
e
Rt = 4 Ra (valida per profili simmetrici e lineari)
Asportazione di truciolo
55
Tecnologia dei
processi produttivi
Determinare: δ = δ ( a, χ1 , χ2 )
B
χ’
χ
a / 2 = a1 + a2
A
δ = a 1 tan χ = a2 tan χ’
a1
P
a2
δ
C
a/2
a1 = δ tan χ
a2 = δ tan χ‘
a / 2 = δ ( 1/tan χ + 1/tan χ‘ )
δ = a/2 / ( 1/tan χ + 1/tan χ‘ )
Ra = δ /2 = a/4 / ( 1/tan χ + 1/tan χ‘ )
χ
χ‘
a
Ra aumenta
( ruotare l’utensile vuol dire far variare in senso opposto χ e χ ’ e quindi le tangenti )
Asportazione di truciolo
56
Tecnologia dei
processi produttivi
2° caso: taglienti raccordati:
a
r
+
Si dimostra………
l’effetto dell’avanzamento è analogo (al quadrato)
l’effetto degli angoli di registrazione e sostituito dall’effetto del raggio di raccordo
Formula di Schmalzl
->
Ra = 1000/32 a2 / r
(valida se lavora solo la parte raccordata)
Asportazione di truciolo
a
[ mm ]
r
[ mm ]
Ra [ µm ]
57
Tecnologia dei
processi produttivi
Sequenza delle operazioni
e scelta dei parametri
grezzo
finito
-- fonderia
grezzo da
-- semilavorato da deformazione plastica
Asportazione di truciolo
58
Tecnologia dei
processi produttivi
Quanto deve essere asportato :
la differenza fra quota del grezzo e quota del finito
Htot è noto
In quante passate
Htot = H1 + H2 + …. + Hn
?
Elementi di valutazione:
tolleranze richieste
finitura superficiale richiesta
tolleranze / finiture
modeste poche passate, grande profondità
elevate molte passate, le ultime con piccola profondità
sgrossatura
semifinitura
Asportazione di truciolo
finitura
59
Tecnologia dei
processi produttivi
Come deve essere asportato
:
il più velocemente possibile
il più economicamente possibile
compatibilmente con i vincoli di
------
tolleranze
finiture
forze
potenze
………
Il più velocemente possibile vuol dire
alla velocità di taglio ottima per il tempo
con l’avanzamento più grande possibile
Il più economicamente possibile vuol dire
alla velocità di taglio ottima per il costo
usurando gli utensili il meno posssibile
Compatibilmente con i vincoli vuol dire
……………..
Asportazione di truciolo
60
?
Tecnologia dei
processi produttivi
Compatibilmente con i vincoli vuol dire che:
Parametri
le forze in gioco non devono essere troppo
elevate per evitare che il pezzo si infletta troppo
(scarse tolleranze) piccoli p e a
l’avanzamento deve essere adeguato per ottenere
la rugosità richiesta piccolo a
La Vt deve essere piccola per non usurare troppo
gli utensili
Utensili
l’utensile deve essere abbastanza robusto per non
rompersi sotto l’azione delle forze di taglio grande β
deve essere fatto con un materiale ‘povero’ per
non costare troppo
Macchine
la macchina deve essere abbastanza robusta per
non deformarsi sotto l’azione delle forze di taglio
la macchina deve essere abbastanza potente per
fornire adeguata Vt e F
Asportazione di truciolo
61
Tecnologia dei
processi produttivi
Tolleranze
materiale idealmente asportato
vr
Caso ideale: no forze
no deformazioni
rigidezza infinita
φ’
φ’’
p
va
F
Caso reale: forze
deformazioni
elasticità
materiale realmente asportato
Asportazione di truciolo
62
Tecnologia dei
processi produttivi
caso ideale
caso reale
mandrino autocentrante
caso reale
punta e contropunta
Asportazione di truciolo
63
Tecnologia dei
processi produttivi
Soluzione: ridurre le forze
ridurre la sezione del truciolo
ridurre p e a
Metodo del Ks
Riduzione di p:
aumenta il numero di passate
Riduzione di a:
aumenta il tempo della singola passata
Asportazione di truciolo
64
Tecnologia dei
processi produttivi
Finiture
Relazione di Schmalzl
Aumentare raggio dell’utensile
aumenta ingombro dell’utensile
Diminuire l’avanzamento
aumenta il tempo della passata
Asportazione di truciolo
65
Tecnologia dei
processi produttivi
Forze
Metodo del Ks
sul pezzo
forze troppo grandi basse tolleranze vedi sopra
sull’utensile
forze troppo grandi rischio rottura
aumento (piccolo) usura
sulla macchina
forze troppo grandi potenze elevate
deformazioni
danni e rischi vari
Asportazione di truciolo
66
Tecnologia dei
processi produttivi
Potenze
P = F Vt = Ks A Vt = Ks a p Vt
Se la potenza disponibile è inferiore alla potenza richiesta è necessario:
ridurre le forze (a o p)
o
ridurre la velocità
ridurre la potenza riducendo l’avanzamento porta a:
finiture superficiali migliori
aumento dei tempi di lavorazione
ridurre la potenza riducendo la profondità di passata porta a:
tolleranze migliori
aumento dei tempi di lavorazione
ridurre la potenza riducendo la velocità di taglio porta a:
Asportazione di truciolo
minore usura utensili
aumento dei tempi di lavorazione
67
Tecnologia dei
processi produttivi
Ottimizzazione non vincolata ad un parametro
esiste sicuramente almeno una soluzione
Ottimizzazione vincolata multi parametri
Ottimizzazione vincolata pochi parametri
potrebbero non esistere soluzioni
Ottimizzazione vincolata ad un parametro
Asportazione di truciolo
68
Tecnologia dei
processi produttivi
Fresatura
Moto di taglio
utensile
rotatorio
Moto di avanzamento
pezzo
lineare
rettilineo o meno
Moto di registrazione
pezzo
lineare
discontinuo
cicloidale
Moto di lavoro
Periferica
Frontale
asse fresa
“
“
// superficie lavorata
⊥
“
“
Asportazione di truciolo
69
Tecnologia dei
processi produttivi
Struttura fresatrici
orizzontale
verticale
per attrezzisti
Asportazione di truciolo
70
Tecnologia dei
processi produttivi
Lavorazioni possibili
spianatura
esecuzione scanalature
Asportazione di truciolo
taglio ruote dentate
71
Tecnologia dei
processi produttivi
esecuzione cave
Asportazione di truciolo
72
Tecnologia dei
processi produttivi
interna
fresatura di superfici complesse
contornatura
esterna
Asportazione di truciolo
73
Tecnologia dei
processi produttivi
Velocità di taglio
Vt = ω r = 2 π n / 60 (m/s)
Avanzamento della fresa: f [mm/giro]
Avanzamento per dente: fz [mm/giro]
velocità di avanzamento: Vf = f n [mm/s]
Numero di denti:
z
Profondità di passata assiale da (mm)
da
Profondità di passata radiale dr (mm)
Asportazione di truciolo
74
Tecnologia dei
processi produttivi
Fresatura periferica
fresatura in discordanza
(up milling)
fresatura in concordanza
(down milling)
Asportazione di truciolo
75
Tecnologia dei
processi produttivi
Forze di taglio
Sezione del truciolo
y
è necessario individuare la
traiettoria del dente:
fz
il moto relativo, somma del moto di avanzamento
con il moto di taglio è dato dal rotolamento senza
strisciamento di una polare mobile su una polare fissa;
la fresa è solidale con la polare mobile
centro istantanea rotazione
A
B
A’
f = z fz
polare fissa
polare mobile
fz
Diagramma delle velocità
di un punto sulla periferia
della fresa quando si
trova alle varie distanze
dalla polare fissa
Asportazione di truciolo
76
B’ x
Tecnologia dei
processi produttivi
da
Con alcune ipotesi semplificative:
- trascuriamo centro di istantanea rotazione
- un solo dente in presa
- denti dritti
lo spessore del truciolo vale:
hθ = AD ≈ AB = AC sin θ = f z sin θ
lo spessore medio:
hmed
1
=
f
∫
ϕ
0
hθ dθ = 2
dr fz
Dϕ
lo spessore massimo:
hmax = f z sin ϕ = f z 2
dr  dr 
1 − 
D
D
( da semplificare se dr << D )
Asportazione di truciolo
77
Tecnologia dei
processi produttivi
Le forze di taglio hanno quindi il seguente andamento:
Ft
fz
fz
fz
t
t≡φ
t≡2π
φ
θ1 θ
2
vibrazioni
urti
usura utensile
dr
θ3
avere almeno 3
denti in presa
Asportazione di truciolo
78
Tecnologia dei
processi produttivi
Potenza di lavorazione
M t = ∑ θ K s Aθ
Ft ,θ = K s Aθ
M t ,θ = K s Aθ
D
2
D
D
D
≅ K s Amedio
= K s z ⋅ d a ⋅ hmed
2
2
2
hmed = 2
(per un dente in presa)
P=
M tω
η
=ζ
K s ⋅ d a ⋅ hmed ⋅ D ⋅ ω
2η
ζ =
dr fz
Dϕ
ω = 2π ⋅ n
ϕ
ϕ
=
ϕ 0 2π
z
Pt =
Ks ⋅ da ⋅ dr ⋅ z ⋅ fz ⋅ n
η
=
K s ⋅ d a ⋅ d r ⋅V f
η
Asportazione di truciolo
Pa viene trascurata
79
Tecnologia dei
processi produttivi
Confronto
up milling vs
down milling
usura
dorsale
α grande
frontale
γ piccolo
il pezzo viene
quindi
sollevato
basse tolleranze
schiacciato
migliori tolleranze
il pezzo viene
quindi
quindi
spinto contro l’utensile
allontanato dall’utensile
moto regolare
moto irregolare
sistema di recupero automatico dei giochi
zona di lavoro
già lavorata
quindi
Asportazione di truciolo
crosta superficiale
non adatta su grezzi di fonderia
80
Tecnologia dei
processi produttivi
Rugosità teorica
y
fz
2
per simmetria
xc =
viene soddisfatta per
R sin (ω ⋅ tc ) + V f ⋅ tc =
ma per piccoli angoli
sin (ω ⋅ tc ) ≅ ω ⋅ tc
fz
2
c
allora:
fz
dobbiamo trovare l’ascissa
e l’ordinata del punto c
x
f
f
2
tc =
= 2
ω ⋅ R + V f Vt + V f
fz
f
fz
ω⋅ z
2
2
2
=
=
ω ⋅ tc =
fz
ω ⋅ R + z ⋅ fz ⋅ n ω ⋅ R + z ⋅ f ⋅ ω
+
⋅
R
z
z
2π
2π
ω⋅
Asportazione di truciolo
81
Tecnologia dei
processi produttivi
L’ordinata y è la rugosità massima (altezza picco valle)
2
Y = R 1 − cos (ω ⋅ tc )  = R 1 − 1 − sin 2 (ω ⋅ tc )  ≅ R 1 − 1 − (ω ⋅ tc )  ≅




  (ω ⋅ t )2
c
≅ R 1 −  1 −
2
 
2
Rmax =
 R
2
  = (ω ⋅ tc )
 2

fz

R
2
= 
2  R + z ⋅ fz
2π

2
R
π fz
2 (2R ± z ⋅ f
2


π 2 fz2
R
 =
2 (2R ± z ⋅ f


2
)
2
se 2 π R ? z ⋅ f z

 → Rmax =
fz
8R
)
2
+ discordanza
- concordanza
NB: la rugosità reale è maggiore
Asportazione di truciolo
82
Tecnologia dei
processi produttivi
Tempo di lavorazione
t = L / Va = L / f / n * 60 * 1000
aumenta la rugosità
Va = f n / 60 / 1000
Per ridurre il tempo di lavorazione si può:
aumentare a
aumentare n
Vt = π d n / 60 / 1000
aumenta la potenza richiesta
Asportazione di truciolo
83
Tecnologia dei
processi produttivi
Fresatura frontale
traiettoria dente
spessore del truciolo
hθ = HH ' ≅ HC cos θ = f z cos θ
arco di lavoro
hmed =
A A’
φ1
O’
dr
φ2
θ
H
C
H’
=
1
ϕ
ϕ1
∫ϕ
−
hθ dθ =
2
fz
ϕ
ϕ1
∫ϕ
−
cos θ dθ =
2
fz
f
 sin ϕ1 − sin ( −ϕ 2 )  = z [sin ϕ1 + sin ϕ 2 ]
ϕ
ϕ
se
D
D
d f
sin ϕ1 + sin ϕ2 = dr ⇒ hmed = 2 r z
2
2
Dϕ
B B’
Asportazione di truciolo
84
Tecnologia dei
processi produttivi
Traiettoria di lavoro
Appostamento
d+
d
Sovrapposizione
delle passate
<2d
r
+
avanti / avanti
+
Extra corsa
avanti / indietro
+
Asportazione di truciolo
85
Tecnologia dei
processi produttivi
Foratura
Moto di taglio
utensile
rotatorio
Moto di avanzamento utensile
rettilineo
Moto di registrazione utensile e pezzo
Moto di lavoro
elicoidale
lavorazioni
Asportazione di truciolo
86
Tecnologia dei
processi produttivi
Struttura trapani
da banco, sensitivo
a colonna
Asportazione di truciolo
radiale
87
Tecnologia dei
processi produttivi
Punta elicoidale
Struttura della punta:
codolo, testa, corpo
Grandezze caratteristiche:
angolo fra i taglienti
quadretto
faccette di affilatura
Asportazione di truciolo
88
Tecnologia dei
processi produttivi
Altri utensili per foratura
Refrigerata ad inserti a gradini
doppia
da centri
svasatore
Asportazione di truciolo
svasatore conico
bareno
89
Tecnologia dei
processi produttivi
Lavorazioni non convenzionali
Diverso modo di utilizzare l’energia/nuove forme di energia:
Energia meccanica
Energia elettrochimica
Energia chimica
Energia elettrica
Energia termica
-
water-jet
abrasive-jet
ultrasuoni
deformazione alta velocità
erosione elettrochimica
scarica elettrochimica
dissoluzione chimica
elettroerosione
fascio elettronico
laser
plasma
Lavorazioni
convenzionali
Asportazionenon
di truciolo
90
Tecnologia dei
processi produttivi
Confronto tra varie tecnologie
va
tolleranza Ra
3
[mm /min] [mm]
µm
truciolo
rettifica
lappatura
elettroerosione
laser
awj
elettrochimiche
ultrasuoni
105
103
100
102
103
104
103
102
0.01
0.001
00001
0.01
0.5
0.05
0.05
0.005
1
0.3
0.03
0.2
10
10
0.3
0.1
stato superficiale
incrudita
incrudita
poco incrudita
fusa
fusa
incrudita
inalterata
incrudita
Va
truciolo
in funzione della durezza del materiale
HV
elettroerosione
Asportazionenon
di truciolo
Lavorazioni
convenzionali
91
Tecnologia dei
processi produttivi
Elettroerosione a filo
curve / raccordi
meccanismo
infilaggio filo
taglio incompleto
inclinazione filo
(sesto asse controllato)
macchina
Lavorazioni
convenzionali
Asportazionenon
di truciolo
92