Materiali per utensili da taglio: usura e durata degli ... lezione met. meccanica... · Sono largamente diffusi per utensili da taglio di forma complessa (es.: punte elicoidali, punte

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 da taglio influenza in

maniera determinante la qualità ed il costo delle parti

lavorate

• Le capacità di un utensile dipendono principalmente dal

tipo e dalle proprietà del materiale impiegato per la sua

costruzione, dalla 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

• Ciascun utensile è caratterizzato da un tempo di vita utile

Introduzione

I principali requisiti degli utensili da taglio

• Durezza, specialmente ad elevate temperature (durezza a caldo)

• Tenacità, intesa come capacità di resistere agli urti che

sollecitano l’utensile in condizioni di taglio interrotto

• Resistenza alla deformazione plastica che si può presentare per

effetto delle elevate sollecitazioni meccaniche e termiche agenti

sull’utensile

• Resistenza all’usura, causata dallo strisciamento sia del truciolo

sul petto dell’utensile che della superficie lavorata sul dorso dello

stesso

• Inerzia chimica

Materiali 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)

Acciai al carbonio ed acciai debolmente legati

• Composizione chimica di due acciai al carbonio per utensili

• Composizione chimica di alcuni acciai debolmente legati per

utensili

Gli acciai rapidi si suddividono in due gruppi:

• al molibdeno (serie M);

miglior resistenza all’abrasione, subisce minori distorsioni

durante i trattamenti termici, minor costo

• al tungsteno (serie T).

Acciai rapidi e superrapidi

Negli acciai superrapidi (al cobalto) non avviene la

dissociazione a caldo dei carburi doppi e mantengono

un’elevata durezza fino a 600 °C.

Sono largamente diffusi per utensili da taglio di forma

complessa (es.: punte elicoidali, punte da centro, frese di

forma, maschi filettatori, alesatori multitaglienti).

Composizione chimica di alcuni acciai rapidi e superrapidi per

utensili

Andamento della durezza di un acciaio 18-4-1 + 5% Co

in funzione della temperatura di rinvenimento

Leghe fuse di cobalto

• Durezza a temperatura ambiente pari a quella degli acciai rapidi

ma conserva valori adeguati alle condizioni di taglio anche alle

temperature elevate

• Chimicamente più stabili rispetto agli acciai rapidi

• Buona resistenza all’usura

• Maggior rigidezza rispetto agli acciai rapidi

• Maggior fragilità

• Disponibili solo in forme relativamente semplici

• Costo elevato

Composizione percentuale di tre diversi tipi di stellite

Carburi metallici sinterizzati

• Prodotto della metallurgia delle polveri

• Durezza a caldo molto elevata velocità di taglio elevate

• Elevata conducibilità termica

• Basso coefficiente di dilatazione termica

• Chimicamente stabili

• Tenacità notevolmente più bassa rispetto agli acciai

• Modulo di Young 2-3 volte più elevato rispetto agli acciai rapidi

Variazione di alcune

caratteristiche e

proprietà meccaniche

dei carburi

sinterizzati in

funzione della % di

cobalto


Carburi di tungsteno (WC):

• Taglio di ghisa o di materiali non ferrosi

• Inadeguata resistenza all’usura per craterizzazione nelle

lavorazioni su acciaio

• Per accrescere la resistenza all’usura per craterizzazione

vengono aggiunti carburo di titanio (TiC), carburo di tantalio

(TaC) e carburo di niobio (NbC)

Carburi di titanio (TiC):

• Più elevata resistenza all’usura e minore tenacità

• Velocità di taglio più elevate nella lavorazione di acciai legati e

ghise


Vengono prodotti mediante un complesso processo tecnologico

secondo le seguenti fasi:

La fabbricazione dei carburi metallici sinterizzati


• Ossido di Tungsteno WO3

• L’ossido di tungsteno viene ridotto con H2 per ottenere la

polvere di W

• La polvere di tungsteno viene miscelata con carbonio (W + C)

• In atmosfera protetta da idrogeno e ad una temperatura di

1700° 2000° C il tungsteno ed il carbone formano il carburo

di tungsteno (WC)

• In forma di polvere vengono miscelati: carburi WC ( fase );

TiC, TaC, NbC (fase ); legante Co (fase )

• Carburo di tungsteno, cobalto e lubrificante, per migliorare la

fase di pressatura, sono miscelati e macinati in mulini contenenti

sfere di metallo duro

Produzione della polvere



Seco

Sandvik

Sandvik

• A 350° il lubrificante evapora

• A 1290°C il cobalto fonde

• Nell’intervallo tra 1300 1500°C si

completa la densificazione con

riduzione della porositàSandvik


Seco

Proprietà meccaniche e fisiche dei materiali per utensili

Durezza 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

ad esso richiesti

• Costruzione di utensili di tipo composito con lo sviluppo degli

inserti in carburi metallici sinterizzati

Inserti

Alcune forme tipiche

di inserti per operazioni

di tornitura e fresatura

Utensile da tornio con placchetta riportata mediante brasatura

Acciaio da costruzione

Carburo

metallico

sinterizzato

Collegamento dell’inserto allo stelo


Bloccaggio a vite:

• semplice da realizzare

• poche parti di ricambio

• ingombro ridotto

• no ostacoli al deflusso del

truciolo

• 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

Bloccaggio a leva:

• adatto per il bloccaggio

meccanico di inserti fragili

(ad es. in materiali ceramici)

Bloccaggio con scanalatura

prismatica:

• accoppiamento stabile

• smontaggio rapido


Classificazione ISO dei carburi metallici sinterizzati

Su un inserto in carburo metallico, e recentemente anche su

utensili in HSS, vengono riportati uno o più strati di materiale

molto duro per aumentarne le resistenza all’usura ed alle

sollecitazioni termiche, senza ridurne la tenacità.

Utensili rivestiti

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 rivestiti

• Nitruro di titanio (TiN)

basso coefficiente di attrito, elevata durezza e resistenza alle

alte temperature, buona adesione al substrato, adatto per

inserti in metallo duro e in acciaio rapido

• Carburo di Titanio (TiC)

aumento della 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 e per craterizzazione, difficoltà di

adesione al substrato

• Carbonitruro di titanio (TiCN)

Principali materiali utilizzati per il rivestimento

Oltre agli inserti rivestiti a strato singolo, sono stati sviluppati

inserti rivestiti a strato doppio e triplo (con spessori variabili

tra 2 e 12 µm) per combinare le diverse proprietà di ciascun

materiale di rivestimento.

Esempi:

• substrato + (TiC) + (TiN)

• substrato + (TiC) + (Al2O3)

• substrato + (TiC) + (Al2O3) + (TiN)

Rivestimenti multistrato

Processi di fabbricazione degli inserti rivestiti

1) Deposizione chimica mediante vapore

(Chemical Vapor Deposition, CVD)

Utilizzato per il rivestimento di inserti di carburi metallici

sinterizzati e per ricoprimenti con più strati di materiali diversi

2) Deposizione con materiale di ricoprimento allo stato di plasma

(Physical Vapor Deposition, PVD)

Utilizzato per il rivestimento di utensili in HSS sagomati e

molto affilati (es: frese a candela, punte elicoidali)

Materiali ceramici

Componente principale: Al2O3

Possono essere presenti: TiC e ZrO

Ceramica bianca:

si ottiene con pressatura delle polveri a temperatura ambiente

e successiva sinterizzazione a temperature elevate

Ceramica nera:

si ottiene mediante pressatura e sinterizzazione ad elevate

temperature

Gli inserti in ceramica hanno forme simili a quelle degli inserti

di carburi sinterizzati ma sono privi di foro centrale

Caratteristiche:

• elevatissima durezza

• ottima resistenza all’usura per abrasione

• chimicamente molto stabili

• elevata fragilità

Campi di impiego:

• lavorazione di semifinitura o di finitura di parti in ghisa ed in

acciaio

Materiali ceramici

Alcune forme di inserti

in materiale ceramico (a)

Profili di raccordo fra

petto e fianco del

tagliente (b)

Materiali ceramici

Materiali ceramici a base di nitruro di silicio

Gli inserti a base di Si3N4 si ottengono per sinterizzazione e

si compongono principalmente di nitruro di silicio a cui vengono

aggiunti Al2O3, TiC e Y2O3

Esempio:

Sialon (Silicio - Alluminio - Ossigeno - Azoto)

Campi di impiego:

• lavorazioni per asportazione di truciolo su ghise e superleghe a

base di titanio

Nitruro di boro cubico (Cubic Boron Nitride, CBN)

Caratteristiche:

• materiale più duro che si conosca dopo il diamante

• ottima resistenza all’usura per abrasione

• buona stabilità chimica

Non esiste in natura ma viene prodotto mediante un processo di

sintesi a temperature e pressioni elevate

Viene impiegato nella costruzione di inserti da taglio e di mole

abrasive che forniscono ottime prestazioni in operazioni di

finitura su acciaio temprato ed una durata del tagliente più

elevata rispetto agli inserti di carburi metallici sinterizzati e

materiali ceramici

Diamante policristallino (Poly Crystalline Diamond, PCD)

Caratteristiche:

• massimo grado di durezza

• basso attrito

• elevata resistenza all’usura

• capacità di mantenere a lungo l’affilatura del tagliente

Campi di impiego:

• lavorazione di leghe non ferrose

• materiali non metallici fortemente abrasivi

Schema del processo di fabbricazione di un inserto in PCD

Processi di fabbricazione degli inserti in PCD

Proprietà e campi di impiego dei materiali per utensili

Evoluzione temporale dei principali materiali per utensili

Degrado ed usura degli utensili da taglio

Durante la lavorazione l’utensile subisce usura:

Zona usurataTagliente

nuovo

Principali cause di degrado delle caratteristiche di un utensile

a) usura per abrasione

b) usura per adesione

c) usura per diffusione

d) scheggiatura

e) deformazione plastica


Usura: perdita o asportazione progressiva di materiale sulla

superficie di un corpo.

Usura per abrasione: prodotta dallo scorrimento di una superficie

dura e rugosa su una superficie più tenera.

La resistenza a questo tipo di usura dei materiali ceramici e

metallici è proporzionale alla durezza

Usura per adesione: originata dalle elevate pressioni di

contatto fra truciolo e utensile, tali da provocare vere e proprie

saldature fra le sporgenze delle superfici a contatto

Usura 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


Scheggiatura: asportazione di particelle di materiale in

prossimità del tagliente per effetto di urti o pressioni eccessive

Deformazione plastica dell’utensile: 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

Ulteriori cause di degrado degli utensili da taglio

Diverse modalità di

degrado dei taglienti:

a)usura dorsale e

craterizzazione

b)scheggiatura

c)comparsa di cricche

longitudinali e/o

trasversali per

sollecitazioni di fatica

d)deformazione plastica


Forme di usura:

Caratteristiche geometriche di un tagliente usurato

Aspetto di un utensile

monotagliente usurato (a)

Dimensioni caratteristiche

dell’usura sul fianco e

del cratere (b)

Tra tutte le principali forme di usura, quella che si riflette

maggiormente sulla qualità di lavorazione è l’usura sul

fianco:

– influenza la precisione

dimensionale e la finitura

superficiale;

– si misura con le grandezze

VBmedio e VBmax.

Sul petto dell’utensile si forma il cratere di usura che:

– determina l’indebolimento

dell’utensile stesso;

– si misura tramite le grandezze

KT, profondità del cratere, e

KM, punto medio del cratere

misurato dallo spigolo del

tagliente originale.

Principali dimensioni del labbro di usura:

• larghezza VB

• lunghezza b

• distanza N fra tagliente principale usurato e quello originario

Principali dimensioni del cratere:

• profondità massima KT

• larghezza KL

• distanza del centro del cratere dal tagliente originario KM

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

Caratteristiche geometriche di un tagliente usurato

Curve di usura del tagliente

Andamento tipico dell’usura di un tagliente

in funzione del tempo di contatto con il truciolo

Curve di usura di

un utensile per

quattro diverse

velocità di taglio (a)

Curve di

durata (T) con

scala lineare (b)

e logaritmica (c)


Curva di usura per v = 100 m/min


Influenza della velocità di taglio sull’usura utensile KT.

Modello di durata (legge di Taylor)

vt Tn = C

T :durata utile [min]

vt: velocità di taglio [m/min]

C: costante pari alla velocità di taglio

corrispondente alla durata pari ad un minuto

primo dell’utensile

n: sensibilità della durata alla velocità di taglio

Dipendenza tipica della

durata di un utensile dalla

velocità di taglio

Durata dell’utensile

Valori indicativi della costante

C 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 vt Tn = C logvt +nlogT = logCnlogT = -logvt + logC

logT = (-logvt + logC)/n

Legge di Taylor generalizzata

vt Tn ar ps= C dove a: avanzamento [mm/giro]

p: profondità di passata [mm]

r: misura dell’influenza di a su T

s: misura dell’influenza di p su T

T = C1/n vt-1/n a-r/n p-s/n

Nel caso di utensili in acciaio rapido (n=0,15, r=0,6, s=0,15)

T = C7 vt-7 a-4 p-1 dopo la velocità di taglio, il parametro

che influenza maggiormente la

durata dell’utensile è l’avanzamento a


Influenza della velocità

di taglio e dell’avanzamento

sulle modalità prevalenti di

degrado di un utensile in

metallo duro

La zona di utilizzazione

pratica (fascia bianca)

è delimitata da diversi

meccanismi di degrado

Il materiale lavorato è un

acciaio inossidabile

austenitico


Lavorabilità

Lavorabilità: maggior o minor attitudine di un materiale a subire

lavorazioni di taglio con asportazione di truciolo

E’ influenzata dalle proprietà fisiche e meccaniche del materiale

Viene definita con riferimento a uno dei seguenti criteri:

a) Durata del tagliente

b) Forza ed energia assorbita nel taglio

c) Finitura ed integrità superficiale

d) Tipo e forma del truciolo

ampionematerialecv

nprovamaterialeivI

t

t

60

60 Materiale campione:

AISI B 1112

Lavorabilità dei materiali metallici

• Acciai: all’aumentare della % di carbonio e degli eventuali

elementi di lega aggiuntivi, la durezza e la resistenza

meccanica di un acciaio aumentano e la lavorabilità diminuisce

• Acciai ad elevata lavorabilità: la lavorabilità degli acciai

aumenta aggiungendo elementi di lega come il piombo o lo

zolfo (si degradano però le caratteristiche meccaniche)

• Acciai inossidabili:

- austenitici sono difficili da lavorare sia perché sono fortemente

incrudenti sia per il basso coeff. di conducibilità termica

- ferritici presentano una buona lavorabilità, simile a quella degli

acciai al carbonio debolmente legati

- martensitici sono generalmente abrasivi e richiedono utensili ad

elevata durezza a caldo e resistenti all’usura

• Ghise: buona lavorabilità con riferimento alla formazione

del truciolo e anche per quanto riguarda la velocità di taglio

• Alluminio e sue leghe: quasi tutte le leghe di alluminio

soddisfano la maggior parte dei criteri di lavorabilità

• Rame e sue leghe: scarsa lavorabilità del rame

Si hanno lavorabilità nettamente superiori nel caso di leghe

a base di rame (ottone)

Lavorabilità dei materiali metallici

Documents

Materiali per utensili da taglio: usura e durata degli ... lezione met. meccanica... · Sono largamente diffusi per utensili da taglio di forma complessa (es.: punte elicoidali, punte