Analisi tribologica dell'usura
Questo è il quarto di una serie di articoli relativi all'applicazione degli utensili per asportazione di truciolo ed ai carichi generati nei processi di lavorazione. Il primo articolo ha illustrato i concetti base dell'asportazione di truciolo ed il rapporto fra geometria, avanzamento e carichi meccanici nelle operazioni di tornitura. I due articoli successivi hanno analizzato i carichi meccanici e termici in fresatura. Questo articolo spiega le interazioni tra il truciolo asportato e l'inserto utilizzando le teorie della tribologia, un'area relativamente nuova dell'analisi del carico nell'asportazione di truciolo. La tribologia studia le interazioni tra le superfici a contatto in determinate condizioni di temperatura e pressione.Introduzione
Questo è il quarto di una serie di articoli relativi all'applicazione degli utensili per asportazione di truciolo ed ai carichi generati nei processi di lavorazione. Il primo articolo ha illustrato i concetti base dell'asportazione di truciolo ed il rapporto fra geometria, avanzamento e carichi meccanici nelle operazioni di tornitura. I due articoli successivi hanno analizzato i carichi meccanici e termici in fresatura. Questo articolo spiega le interazioni tra il truciolo asportato e l'inserto utilizzando le teorie della tribologia, un'area relativamente nuova dell'analisi del carico nell'asportazione di truciolo. La tribologia studia le interazioni tra le superfici a contatto in determinate condizioni di temperatura e pressione.
Teorie sull'usura
In una lavorazione per asportazione di truciolo, un utensile deforma il materiale da lavorare e ne determina l'asportazione sotto forma di trucioli. Il processo di deformazione genera calore e pressione, carichi che nel tempo determinano l'usura o la rottura dell'inserto. La teoria tradizionale dell'usura afferma che le rotture derivano dall'attrito tra il truciolo e l'inserto, che sono a contatto ma non collegati l'uno all'altro.
Recenti ricerche sui meccanismi di rottura degli inserti, tuttavia, hanno stabilito che le pressioni e le temperature nell'asportazione di truciolo, specialmente quelle generate durante la lavorazione di materiali ad alte prestazioni, sono tali che la teoria tradizionale dell'usura non descrive completamente ciò che accade all'interfaccia fra truciolo ed inserto.
La ricerca tribologica ha stabilito che il processo di asportazione non comporta semplicemente una singola operazione di taglio con il successivo distacco del truciolo dall'inserto. In realtà si verificano anche contatti e distacchi secondari e terziari. Il truciolo viene tagliato via, aderisce alla spoglia superiore e poi viene di nuovo tagliato prima di scivolare definitivamente via dall'inserto. Il principale meccanismo di usura è il taglio ripetuto, non l'attrito.
Le figure 1 e 2 illustrano il processo di taglio descritto attraverso la tribologia. La figura 1 mostra la deformazione preliminare del materiale da lavorare nella zona 5. La zona 3 è la zona di separazione, detta anche punto di stagnazione perché in quell'area il movimento relativo del materiale da lavorare rispetto all'utensile è praticamente nullo. Il taglio iniziale avviene nella zona di taglio principale (1), dove il materiale si stacca e si forma il truciolo. Quindi, nella zona di taglio secondaria (2), il truciolo è a contatto con la spoglia superiore. L'alta pressione fa aderire il truciolo alla spoglia superiore dell'inserto.
La figura 2 esamina più da vicino ciò che accade nella zona 2. Nella zona A, il materiale da lavorare preme contro il tagliente con estrema forza ed inizia ad aderire all'inserto. Nella zona B, il materiale aderisce alla spoglia superiore. Nella zona C, il truciolo viene tagliato via dalla spoglia superiore e scivola su di essa, terminando il contatto tra materiale ed inserto.
La figura 1 mostra anche il taglio secondario sul fianco dell'inserto nella zona 4. La stessa sequenza di taglio e adesione che si verifica sulla spoglia superiore nella zona 2 è presente anche sul fianco. Gli eventi nella zona 4 producono usura sul fianco, che è più prevedibile dell'usura della spoglia superiore nella zona 2 ed è relativamente innocua. In alcuni materiali da lavorare, tuttavia, il taglio sulla faccia laterale produce indurimento superficiale o incrudimento, che ha un effetto negativo sull'inserto e sul pezzo in lavorazione.
Tagliente di riporto
L'adesione del materiale da lavorare alla spoglia superiore dell'inserto inizia in strati sottili e si ispessisce con l'accumulo di ulteriori strati. Questo processo può portare ad un fenomeno negativo noto come "tagliente di riporto". Se una quantità significativa di materiale si accumula sull'inserto, può modificare il profilo del tagliente. Il materiale accumulato può anche rompere e danneggiare il tagliente. Nel caso forse peggiore, il riporto sul tagliente può depositarsi sul pezzo in lavorazione. In tutte queste situazioni, il riporto sul tagliente rende il processo di taglio imprevedibile ed incontrollabile. L'obiettivo principale della tribologia è scoprire quali sono le cause del tagliente di riporto e cosa si può fare per minimizzare il problema.
Due aspetti del processo di taglio contribuiscono all'adesione del truciolo alla spoglia superiore. Uno di questi è costituito dalle pressioni e temperature molto elevate presenti nell'area di taglio. L'altro fattore è la velocità relativamente bassa di spostamento del truciolo sulla spoglia superiore dell'inserto, che parte da zero nel punto di stagnazione. Quando due materiali sono a contatto tra loro in condizioni di pressione e temperatura elevate e si muovono lentamente, le condizioni sono ideali perché aderiscano l'uno all'altro e formino un tagliente di riporto.
Per minimizzare l'adesione e la possibilità che si formi il tagliente di riporto è necessario ridurre il tempo di contatto tra il truciolo e la spoglia superiore. La soluzione più semplice è aumentare la velocità di taglio ed applicare un inserto più affilato. Una maggiore velocità di taglio riduce la durata del contatto tra inserto e materiale da lavorare; le temperature più elevate che ne risultano contribuiscono a ridurre la robustezza dell'eventuale riporto sul tagliente o ad eliminarlo completamente. Un inserto più affilato ha un angolo di attacco maggiore, che costringe il truciolo a percorrere un tragitto più lungo nello stesso periodo di tempo, ossia muoversi più velocemente.
Tendenze nei materiali
La tribologia ha acquisito rilevanza in tempi recenti perché la possibilità che si formi un tagliente di riporto è molto maggiore con materiali da lavorare che non erano comunemente utilizzati vent'anni fa. Per esempio, questo fenomeno si verifica ma non è un problema critico in materiali comuni come gli acciai ad elevato tenore di carbonio. L'applicazione dei corretti parametri di lavorazione in genere elimina l'incollamento e impedisce la formazione del tagliente di riporto. Inoltre il problema non si pone nei materiali a truciolo corto, come la ghisa. I materiali a truciolo lungo, al contrario, producono automaticamente un contatto di maggiore durata tra il truciolo e l'inserto, creando un maggiore rischio di adesione tra i due. Durante la lavorazione di materiali come gli acciai a basso tenore di carbonio e l'alluminio, la possibilità di formazione del tagliente di riporto è maggiore.
Questo problema è più evidente durante la lavorazione di materiali ad alta duttilità, alta abrasività ed elevata tendenza all'adesione. Un tipico esempio è la famiglia di materiali utilizzati nell'industria aerospaziale ed energetica che comprende titanio, leghe a base di nichel e metalli resistenti al calore. Ulteriori fattori che promuovono l'accumulo sul tagliente sono le alte pressioni e temperature generate durante la lavorazione di queste leghe tenaci e con scarsa conduttività termica. In generale, inoltre, le velocità di taglio di questi materiali sono di solito inferiori alla media.
Oltre a massimizzare la velocità di taglio e l'affilatura dell'inserto, esistono approcci al controllo del tagliente di riporto che si concentrano sulla condizione della superficie dell'inserto. Sorprendentemente, ci sono due scuole di pensiero sostanzialmente opposte sull'argomento. Secondo il primo approccio, se la superficie dell'inserto è più liscia verrà generata meno energia mentre il truciolo scivola sulla sua faccia. Temperature più basse ed un contatto minore riducono la tendenza alla formazione del tagliente di riporto. A questa teoria si contrappone l'idea che una superficie dell'inserto più ruvida, realizzata con rilievi o irregolarità misurabili in micron, produrrà un contatto minore tra il truciolo e la spoglia superiore, riducendo quindi le possibilità di adesione. Nessuno dei due approcci è completamente dimostrato ed in alcuni casi entrambi possono risultare efficaci.
Conclusione: progressi tramite la tribologia
La ricerca e le teorie della tribologia, nonché le tecnologie per i processi e gli inserti sviluppati per affrontare problemi come il tagliente di riporto (vedere barra laterale), si concentrano sull'obiettivo di produrre una finitura superficiale in grado di soddisfare le esigenze del cliente. Accanto ai requisiti dimensionali e di forma, la rugosità della superficie incide molto spesso sulla definizione di qualità. In particolare nelle applicazioni aeronautiche e nucleari, la finitura superficiale è una priorità assoluta, perché le imperfezioni di lavorazione possono costituire l'origine di crepe in componenti critici di velivoli e generatori di energia.
Il tagliente di riporto genera finiture superficiali inadeguate e la necessità di sostituire frequentemente gli inserti. La ricerca tribologica ha contribuito a limitare l'insorgenza e gli effetti del tagliente di riporto. Questi miglioramenti possono essere quantificati in termini di rapporto costo/prestazioni: specificamente, il costo per generare un millimetro quadrato di superficie correttamente lavorata. Negli ultimi cinque anni, il rapporto costo/prestazioni per la finitura del titanio è migliorato di quasi 20 volte. A questo successo hanno contribuito avanzamenti sia nei materiali che nelle geometrie degli utensili da taglio, ma la cosa più importante sono le combinazioni accuratamente sviluppate di materiali e geometrie. La conoscenza dei meccanismi tribologici coinvolti nell'applicazione degli utensili può consentire di controllare fenomeni come il tagliente di riporto e produrre le finiture superficiali desiderate a costi ridotti, massimizzando la produttività e la redditività.
Applicazione dei risultati della ricerca tribologica
Gli specialisti della progettazione di utensili applicano i risultati della ricerca tribologica allo sviluppo di utensili e processi di lavorazione. Dal lato dei processi, l'applicazione di maggiori velocità di taglio e geometrie del tagliente affilate può controllare efficacemente la formazione del tagliente di riporto in molte circostanze. Altre scelte nella geometria, come ad esempio l'uso di inserti con angolo di spoglia positivo, possono contribuire ad allontanare il materiale tagliato dal pezzo in lavorazione.
I rivestimenti degli inserti sono un metodo comprovato per ridurre l'adesione del materiale da lavorare all'inserto da taglio. I rivestimenti lisci come il rivestimento TiN sono stati utilizzati tradizionalmente per facilitare il deflusso del truciolo nella lavorazione di acciaio; lo stesso vale per i rivestimenti in diamante nelle lavorazioni di alluminio.
Esempi recenti di sviluppo evidenziano il ruolo del rivestimento nel ridurre al minimo la formazione del tagliente di riporto. Ad esempio, la nuova generazione di rivestimenti CVD all'ossido di alluminio Duratomic® di Seco è basata su principi tribologici. I progettisti hanno manipolato i componenti del rivestimento in base alla migliore conoscenza delle interazioni tra il truciolo e l'inserto.
Un altro esempio di rivestimenti Seco finalizzati al controllo del tagliente di riporto è il nuovo rivestimento universale PVD color argento sviluppato per inserti per fresatura MS2050. Il rivestimento ha un'elevata termoresistenza ed elimina la formazione del tagliente di riporto durante la lavorazione di materiali con tendenza all'incollamento, come ad esempio il titanio. In questo modo gli inserti hanno una durata superiore di circa il 50% e possono utilizzare parametri di taglio superiori agli inserti esistenti.
Un tema all'avanguardia della ricerca tribologica è il tentativo di trasformare fenomeni come l'incollamento sul tagliente in contributi positivi alla produttività della lavorazione. In alcuni casi, un piccolo accumulo di materiale sulla superficie di taglio dell'inserto può rallentare la progressione dell'usura. La sfida consiste nel limitare questo strato di protezione ad uno spessore che non influisca sulla geometria ed allo stesso tempo non si separi dalla superficie.
La continua introduzione di nuove leghe ad alte prestazioni che creano sfide di lavorazione sempre più impegnative fa della ricerca tribologica un campo estremamente dinamico. Gli sviluppatori di utensili da taglio e di processi di lavorazione utilizzano la nuova prospettiva fornita dalla tribologia per affrontare e risolvere le sfide in modo innovativo.
