Degrado ed usura degli utensili da taglio

Materiali per utensili da taglio:
usura e durata degli utensili
Riferimenti:
• Levi/Zompì
Tecnologia Meccanica
• Santochi/Giusti Tecnologia Meccanica
cap. 4
cap. 8
Introduzione
• 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
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
Acciai rapidi e superrapidi
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).
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
Composizione percentuale di tre diversi tipi di stellite
• 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
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
Carburi metallici sinterizzati
Variazione di alcune
caratteristiche e
proprietà meccaniche
dei carburi
sinterizzati in
funzione della % di
cobalto
Carburi metallici sinterizzati
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
La fabbricazione dei carburi metallici sinterizzati
Vengono prodotti mediante un complesso processo tecnologico
secondo le seguenti fasi:
La fabbricazione dei carburi metallici sinterizzati
Produzione della polvere
•
•
•
•
•
•
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
La fabbricazione dei carburi metallici sinterizzati
La fabbricazione dei carburi metallici sinterizzati
Sandvik
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 porosità
La fabbricazione dei carburi metallici sinterizzati
Seco
Proprietà meccaniche e fisiche dei materiali per utensili
Durezza a caldo dei materiali per utensili
Inserti
• 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
Alcune forme tipiche
di inserti per operazioni
di tornitura e fresatura
Collegamento dell’inserto allo stelo
Utensile da tornio con placchetta riportata mediante brasatura
Carburo
metallico
sinterizzato
Acciaio da costruzione
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
Collegamento dell’inserto allo stelo
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
Utensili rivestiti
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
Principali materiali utilizzati per il rivestimento
• 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)
Rivestimenti multistrato
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)
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
Materiali ceramici
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 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
Processi di fabbricazione degli inserti in PCD
Schema del processo di fabbricazione di un inserto 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:
Tagliente
nuovo
Zona usurata
Degrado ed usura degli utensili da taglio
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
Degrado ed usura degli utensili da taglio
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
Ulteriori cause di degrado degli utensili da taglio
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
Degrado ed usura 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.
Caratteristiche geometriche di un tagliente usurato
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
Curve di usura del tagliente
Andamento tipico dell’usura di un tagliente
in funzione del tempo di contatto con il truciolo
Curve di usura del tagliente
Curve di usura di
un utensile per
quattro diverse
velocità di taglio (a)
Curve di
durata (T) con
scala lineare (b)
e logaritmica (c)
Curve di usura del tagliente
Curva di usura per v = 100 m/min
Influenza della velocità di taglio sull’usura utensile KT.
Durata dell’utensile
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
vt Tn = C
logvt +nlogT = logC
nlogT = -logvt + logC
logT = (-logvt + logC)/n
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
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
Durata dell’utensile
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
vt 60materialei nprova
I
vt 60materialec ampione
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
Lavorabilità dei materiali metallici
• 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)