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Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 1 Principi fondamentali del taglio dei metalli Prof. Vincenzo Tagliaferri Edificio.

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1 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 1 Principi fondamentali del taglio dei metalli Prof. Vincenzo Tagliaferri Edificio Ingegneria Industriale Tel Ricevimento: luned 8,30 -12,30

2 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 2 φ Angolo di scorrimento Angolo di spoglia superiore Angolo di spoglia inferiore principale Angolo di taglio = 90° – ( + Petto dellutensile Dorso dellutensile β Angoli di taglio

3 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 3 Metodi per analizzare la deformazione plastica durante la lavorazione Taglio interrotto Microscopia ottica ed elettronica della morfologia del truciolo Dispositivo quick stop test

4 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 4 Zona di formazione del truciolo

5 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 5 Lavorazioni ad asportazione di truciolo: Utensile monotagliente a forma di cuneo Truciolo Distacco di alcune parti di materiale dal pezzo attraverso linterazione con utensili che agiscono in maniera progressiva (tornitura, foratura, fresatura, rettifica) Taglio libero e ortogonale schema

6 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 6 Taglio ortogonale libero Ipotesi: Utensile perfettamente affilato (non esiste contatto tra utensile e piano lavorato lungo il piano dorsale). Larghezza del truciolo = larghezza iniziale del pezzo in lavorazione (b). Larghezza del tagliente > larghezza del pezzo. Velocità di taglio v t si mantiene costante. Spessore h 0 asportato si mantiene costante.

7 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 7 Durante la formazione del truciolo: sviluppo di calore per attrito utensile-truciolo Spessore del truciolo > spessore asportato h 0 Durezza del truciolo > durezza del metallo base (incrudimento del materiale) La formazione del truciolo avviene per deformazione plastica Lutensile non provoca un distacco del materiale per frattura ma una elevata deformazione plastica e la separazione del materiale.

8 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 8 Tipi di truciolo Ad elementi staccati tipico dei materiali duri e fragili (ottone, ghisa) Segmentato tipico dei materiali duri ma tenaci (acciai alto C) Fluente continuo tipico dei materiali duttili (acciai basso C, leghe leggere) Fluente continuo frammentato tipico di materiali duttili (vibrazioni, irregolarità)

9 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 9 Modello di Pijspanen (1937) Ponendo γ =0 si ottiene φ = π / 4 Materiale costituito da una serie di lamelle di spessore finito. Lavanzamento dellutensile obbliga ogni elemento a scorrere sul successivo CA piano di scorrimento Scorrimento γ s = Δs/Δx =(AH + HC)/BH = cotan φ + tan (φ-γ) Angolo di scorrimento Minimizzando γ s : dγ s / dφ = 0 2φ – γ = π / 2

10 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 10 V s velocità di scorrimento, velocità relativa truciolo-pezzo V t velocità di taglio, velocità relativa utensile-pezzo V f velocità di flusso, velocità relativa truciolo-utensile Δx distanza tra i piani di scorrimento V s = V t + V f h0h0 h1h1 Cinematica del taglio Invariabilità del volume Deformazione laterale del truciolo nulla V t h 0 = V f h 1 Velocità di deformazione γ s = d γ s / dt = V s / Δx.

11 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 11 Poniamo r c = 1/ε tan φ = cos γ / (ε – sinγ) Triangolo delle velocità V f = V t r c V s = V t r c cos γ / sinφ Fattore di ricalcamento: r c = AD / AB = h 0 /h 1

12 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 12 Esercizio Dati: v t = 100 m/minv s = ? h 0 = 0,25 mmγ s = ? h 1 = 0,53 mmγ s = ? γ = 6° ε = h 1 / h 0 tan φ = cos γ / (ε – sinγ) = 0.49 φ = 26.2° v s = V t r c cos γ / sinφ = m/min γ s = cotan φ + tan (φ-γ) = 2.40 γ s = v s / Δx = s -1..

13 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 13 Forza scambiata tra utensile e pezzo può essere scomposta lungo direzioni di interesse tecnologico: N F componente normale e tangenziale (o dattrito) rispetto al petto dellutensile N s F s componente normale e tangenziale rispetto al piano di scorrimento F t F n forza principale di taglio e forza normale Truciolo = corpo libero in equilibrio sotto lazione di R e R R=R (β angolo di attrito) Dinamica del taglio

14 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 14 R Modello di Merchant (1945) Taglio sul piano di scorrimento si raggiunge la tensione dinamica di scorrimento F t = R cos(β-γ) F n = R sin(β-γ) F s = R cos(φ+β-γ) N s = R sin(φ+β-γ) F = R sinβ N = R cosβ F s = A s τ s

15 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 15 F s = A s τ s = τ s A 0 / sinφ R = τ s A 0 / [sinφ cos(φ+β-γ)] F t = τ s A 0 cos(β-γ ) / [sinφ cos(φ+β-γ)] F n = τ s A 0 sin(β-γ ) / [sinφ cos(φ+β-γ)] dτ s / dφ = 0 cos(2φ+β-γ) = 0 2φ+β-γ = π/2 Modello di Merchant A s area del piano di scorrimento A 0 area della sezione dl truciolo prima del taglio Sul piano di scorrimento agisce la massima tensione tangenziale Relazione di Ernst e Merchant lega gli angoli caratteristici

16 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 16 Secondo modello di Merchant Relazione di Merchant C costante dipendente dal materiale, si ricava sperimentalmente Stima valida nel range di V t di più frequente impiego industriale τ s = ( τ s ) 0 + k σ s ( τ s ) 0 è τ s per σ s = 0, è una costante dipendente dal materiale σ s Tensione normale agente sul piano di scorrimento k Costante di proporzionalità dipendente dal materiale dτ s / dφ = 0 tan(2φ+β-γ) = 1/k 2φ+β-γ = arctan(1/k) = C F t = τ s A 0 cos(C-2φ) / [sinφ cos(C-φ)] F n = τ s A 0 sin(C-2φ) / [sinφ cos(C-φ)] - Difficile determinazione τ s e φ - Alcune ipotesi semplificative per ottenere la soluzione Metodo del τ s (analitico) σ s [daN/mm 2 ] τ s [daN/mm 2 ]

17 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 17 F t = K s A K s = K S0 · A -1/n K S0 = 2.4 R m β F t Forza di taglio A sezione del truciolo K s pressione di taglio [N/mm 2 ] K S0 pressione specifica di taglio ( per A = 1mm 2 ) n costante dipendente dal materiale R m resistenza a trazione Metodo del K s Relazione di Kronemberg (per acciai )

18 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 18 Metodo tecnologico: la determinazione del K s viene fatta attraverso la misura delle forze di taglio nelle condizioni reali di lavoro Determinazione sperimentale del K s : - si scelgono le condizioni sperimentali (spessore truciolo, velocità di taglio, angolo γ) - si effettuano prove di taglio e si misura F t - si calcola k s = F t / A Metodo del K s

19 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 19 Metodo del K s Foratura Tornitura Fresatura

20 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 20 Calcolo dellangolo di attrito tramite la misura delle forze F = F t sinγ + F n cosγ N = F t cosγ – F n sinγ tanβ = F/N A partire da F t, F n, r c misurati sperimentalmente Si ricavano: β, φ, γ s, τ s, C

21 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 21 Modello di Lee & Shaffer Ip. Materiale rigido-plastico Stato di sollecitazione uniforme nella zona di formazione del truciolo Piano di scorrimento Zona in cui il materiale è deformato plasticamente delimitata da 3 piani: Cerchio di Mohr Su AB τ = τ max Su BC σ = τ = 0 Su AC τ/σ = tanβ η+β = π/4 η = φ-γ φ+β-γ = π/4

22 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 22 Confronto tra relazioni teoriche e risultati sperimentali

23 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 23 Potenze di lavorazione Potenza di taglio - velocità di taglio - Forza di taglio Potenza di avanzamento - velocità di avanzamento - Forza di avanzamento Potenza di repulsione- velocità di repulsione - Forza di repulsione

24 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 24 Potenze di lavorazione P = v t x F t + v a x F a F t per determinazione della potenza di taglio F a determina linflessione dellutensile F r determina linflessione del pezzo e quindi le tolleranze di lavorazione F r = 15-25% F t F a = 20-30% F t Potenza di taglioscelta della macchina e dei parametri Inflessione pezzotolleranza di lavorazione Minima forzacondizioni per il taglio

25 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 25 Aspetti termici della formazione del truciolo U=P t / V = F t v t /(b h 0 v t )= F t / A 0 U energia di volume per il taglio P t potenza di taglio V volume di truciolo asportato nellunità di tempo U =U s + U a 1.25 U s U s energia per deformazione nella zona di scorrimento U a energia per vincere attrito sulla superf. Truciolo-utensile U s = τ s γ s Calore prodotto non si ripartisce equamente tra pezzo, truciolo e utensile T = f(U, v t,h 0, k, ρ·c) k conducibilità termica ρ·c capacità termica

26 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 26 Esercizio Dati: v t = 120 m/minT = ? Zona utensile-truciolo h 0 = 0,2 mm Materiale C40 τ s = 650 MPa Assumo inizialmente T = 600 °C k = k 0 + k 1 T = 34.3 J/(s m °C) ρc = ρc 0 + ρc 1 T + ρc 2 T 2 = J/(m 3 °C) U = 4 τ s = J/m 3 T ad = U / ρc = 426°C K = k / ρc = m 2 /s T = 0.4 T ad ( v t h 0 / K) 0.33 = 697 °C k i e ρc i tabellati

27 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 27 Il tagliente di riporto Porzione di materiale lavorato che aderisce al tagliente. Non è stabile, si stacca saldandosi in parte al pezzo in parte al truciolo. Si forma tagliente di riporto (acciai: quando zona di lavoro a 300°C) Non si forma al di sotto di una certa temperatura, quando truciolo è poco deformabile (segmentato). Aumentando ulteriormente la temperatura, aumenta la deformabilità del materiale, si riduce la dimensione del tagliente di riporto (scompare per acciai a 600°C)

28 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 28 Materiale lavorato Materiale dellutensile attitudine del materiale a formare micro-saldature con truciolo (fenomeni di adesione influenzati da ossidi o film su utensile) usura utensile vita utensile finitura superficiale Lubrorefrigerazione calore sviluppato vita utensile finitura superficiale potenza di taglio deformabilità del materiale (C, angolo di scorrimento) durezza materiale (Temperatura taglio, β, angolo scorrimento) (se ne tiene conto attraverso K s ) Variabili di processo nella formazione del truciolo

29 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 29 γ Angolo di spoglia frontale h 0 spessore truciolo prima del taglio larghezza del taglio (non influenza la formazione del truciolo) v t velocità di taglio (massima influenza sul processo) Direzione del flusso di materiale Angolo di scorrimento φ (Ernst Merchant) -6°<γ<6° per acciai e ghise Fino a 30° per materiali duttili γ maggiore per operazioni di finitura Temperatura di taglio Inclinazione del piano di scorrimento Modificazione forma della zona di scorrimento Modificazione coeff. attrito truciolo-utensile Valore τ s Variabili di processo nella formazione del truciolo

30 Corso di Tecnologia Meccanica 2 Università degli Studi di Roma Tor Vergata 30 Influenza della velocità di taglio Da A a C: Andamento dovuto alleffetto della temperatura sul tagliente di riporto. Temperatura modifica lentità del tagliente di riporto, che ha dimensione massima in B e scompare in C. Zona di deformazione plastica delimitata da 2 piani (traccia CL e CM) Piani compresi tra CL e CM: lunghezza diversa e diversa tensione tangenziale. - CL lunghezza max, tensione min - CM lunghezza min, tensione max - Oltre CM non si ha deformazione Bassa v t : grani si deformano tra CL e CM Alta v t : ritardo nellinizio deformazione dei grani e ritardo minore nella fine deformaz. CL si avvicina a CM: con v t deformaz


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