Lavorazioni di asportazione di truciolo: meccanismo di asportazione

Il seguente articolo offrirà un assaggio del mondo delle lavorazioni per asportazione di materiale, offrendo una panoramica sulla fisica del meccanismo di asportazione. Buona lettura!

Cosa sono le lavorazioni per asportazione di truciolo?

Si chiamano lavorazioni per asportazione tutti quei processi manifatturieri che hanno per scopo la realizzazione di un oggetto tramite rimozione di materiale. È possibile identificare 2 tipi di lavorazioni per asportazione di materiale:

• Lavorazioni di sgrossatura: hanno per scopo l’ottenimento della forma finale desiderata, partendo da una data forma iniziale
• Lavorazioni di finitura: hanno per scopo l’ottenimento di un miglioramento della qualità superficiale (miglior finitura, rimozione difetti di lavorazione ecc). Vengono solitamente effettuate su pezzi precedentemente sgrossati

I più comuni processi industriali di asportazione truciolo sono:

• Taglio ortogonale: poco usato in ambito industriale (si tratta di rimozione di materiale per scorrimento di un tagliente su una superficie), è però il processo di asportazione più semplice (e come tale il più adatto per spiegare la fisica di queste lavorazioni)
• Tornitura: processo di asportazione di materiale per rivoluzione del componente (l’utensile starà fermo, mentre il componente ruoterà attorno al proprio asse). Adatto alla realizzazione di componenti assialsimmetrici (o, più semplicemente, componenti di rivoluzione)
• Fresatura: processo di asportazione di materiale per rivoluzione dell’utensile (il componente sarà fermo, mentre l’utensile in rotazione seguirà un percorso, lungo dei piani di lavorazione, atto a definire la forma finale)
• Rettifica: Processo simile alla fresatura, ma con scopo di effettuare lavorazioni di finitura. Viene effettuata con un apposito utensile multi-tagliente (detto mola).
• Foratura: simile alla fresatura, ma con l’utensile che segue un percorso verticale avente per scopo scavare il materiale

In questo articolo analizzeremo il meccanismo del taglio ortogonale, in quanto introduce i concetti base delle lavorazioni per rimozione di materiale (su cui poi si baseranno i processi, più complessi, sopra elencati).

Taglio ortogonale

Il concetto di taglio ortogonale è elementare: un tagliente scorre sul materiale, lo sollecita e provoca una deformazione plastica che viene protratta fino al distacco del materiale in eccesso (detto truciolo). Ciò ha 2 effetti:

• È necessaria la conoscenza delle forze in gioco per poter dimensionare correttamente la potenza di taglio. A tal proposito, vedremo qua sotto lo schema di forze agenti sul sistema di taglio
• È necessario conoscere la potenza termica in gioco per dimensionare correttamente sistema di raffreddamento (indicare quindi la quantità di lubrificante necessaria). Solitamente i profili di temperatura vengono ricercati tramite appositi software di simulazione.

Per il primo caso, è necessario introdurre un modello per il taglio ortogonale:

Il materiale è stato rappresentato in rosso, mentre l’utensile è stato rappresentato in blu. quest’ultimo avrà una faccia frontale, sulla quale il truciolo scorrerà, detta petto, ed una parte posteriore detta dorso.

• V_c indica la velocità di taglio, ovvero la velocità con la quale l’utensile si muove sul pezzo
• L’asportazione di materiale avverrà lungo il piano di scorrimento. φ indicherà l’angolo compreso tra il piano di scorrimento e la direzione dell’utensile
• γ (detto angolo di spoglia superiore) indicherà l’angolo tra l’ortogonale al piano lavorato ed il petto dell’utensile
• α (detto angolo di spoglia inferiore) indicherà l’angolo tra la direzione di taglio ed il dorso dell’utensile
• β è l’angolo dell’utensile.
• La somma di γ + α + β darà 90°

Il modello introdotto ha le seguenti ipotesi:

• L’utensile è più largo del pezzo, così che il truciolo non sia vincolato lateralmente
• Il tagliente è rettilineo ed ortogonale alla direzione di taglio

Possiamo avere, a seconda del taglio e del tipo di materiale, più tipi di truciolo:

• Continuo
• Discontinuo
• Segmentato
• Continuo con tagliente di riporto (durante alcune lavorazioni, piccole parti del materiale asportato si possono accumulare sul tagliente, dando origine al cosiddetto tagliente di riporto)

Nel caso di tagliente continuo, possiamo usare dispositivi rompi-truciolo sul petto dell’utensile, per evitare che interferisca con le lavorazioni.

Focalizzandoci ora sulla cinematica e dinamica del processo, si può identificare il seguente schema di velocità:

Avremo:

• V_c velocità di taglio, ovvero la velocità con cui l’utensile si muove in direzione di taglio
• Vγ velocità del truciolo, ovvero la velocità che il truciolo assumerà lungo il petto dell’utensile
• Vsh velocità di scorrimento del materiale, ovvero la velocità con cui il materiale si muoverà lungo il piano di scorrimento

È possibile in maniera analoga trovare lo schema di forze in gioco. Considerando infatti la forza F applicata sul materiale da lavorare, con direzione lungo la bisettrice di β, potremo scomporla lungo le direzioni mostrate nelle immagini:

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Avremo:

• F_γ, forza tangente al petto dell’utensile
• F_γN, forza normale al petto dell’utensile
• F_sh, forza sul piano di scorrimento
• F_shN, forza normale al piano di scorrimento
• F_c, forza di taglio
• F_f, forza di avanzamento

Calcolo della potenza necessaria al processo

A seguito dei parametri introdotti in precedenza, è possibile calcolare la potenza necessaria al processo come segue:

P=P_c+P_f=F_cv_c+F_fv_f

Dove P_c è la potenza di taglio e P_f la potenza di avanzamento. Tenendo conto che, nel caso del taglio ortogonale, la velocità di avanzamento è nulla (ed anche negli altri tipi di tagli resta comunque trascurabile), possiamo scartare la potenza di avanzamento. Pertanto, la potenza richiesta per effettuare il processo sarà equivalente alla potenza di taglio.

P=P_c=F_cv_c

Calcolato il valore di potenza di taglio necessaria, bisognerà accertarsi che la potenza disponibile a mandrino della macchina utensile sia sufficiente a soddisfare il fabbisogno:

P_mandrino≥P_c

Si consideri inoltre che il motore e gli organi di trasmissione non saranno perfetti: per tale motivo, si considera un valore di efficienza (indicato con η) tale che:

P_motore ≥ P_mandrino / η

Riassumendo, per dimensionare una macchina utensile atta a svolgere un certo processo:

• Si calcoli P_c
• Si definisca una potenza al mandrino maggiore o uguale a quella richiesta al taglio (si tenga un opportuno fattore di sicurezza, dovuto a possibili picchi di potenza richiesta)
• Stabilito un tipo di trasmissione, si definisca il valore opportuno di efficienza (valori riportati a tabella a seconda del caso in cui siamo)
• Si definisca infine la potenza minima necessaria al motore e si scelga di conseguenza il motore idoneo al processo

Conclusioni

L’articolo aveva scopo di fornire un’introduzione sui processi di taglio. Fatemi sapere nei commenti se l’articolo vi è piaciuto e se avete qualche aspetto che vi piacerebbe approfondire. A presto!

Domande di sintesi

• Quali sono le 2 principali modalità di lavorazione per asportazione?
• Elencare i principali processi di asportazione materiale
• Descrivere brevemente il taglio ortogonale e disegnarne il modello
• Descrivere le velocità caratteristiche del processo e le forze in gioco
• Spiegare il processo di calcolo della potenza necessaria