L’usura dei creatori

L’attenzione degli specialisti è sempre più focalizzata sulle tecnologie che consentono di ridurre l’usura degli utensili che lavorano con asportazione di truciolo. Questo vale naturalmente anche per i creatori. Ecco quali soluzioni sono arrivate di recente in soccorso e come è conseguentemente cambiato il fenomeno dell’usura.

La velocità con cui si forma l’usura di un utensile dipende da moltissimi fattori che coinvolgono in pratica tutti gli aspetti di una operazione che comporti l’asportazione di trucioli.

La struttura dell’utensile, cioè la sua geometria e il materiale con cui è costruito, le condizioni di lavoro, le condizioni della macchina operatrice, il materiale lavorato sono gli elementi principali da cui dipende il rendimento di un utensile.

In queste note ci riferiremo principalmente ai creatori per il taglio degli ingranaggi mettendo in evidenza gli aspetti più importanti che riguardano il problema dell’usura.

In generale l’usura si forma perché il truciolo scorrendo sul petto dell’utensile genera una pressione che, in presenza dell’attrito, aumenta la temperatura nella zona dello sfregamento.

Se la temperatura raggiunge alti valori modifica la struttura del materiale dell’utensile e permette al truciolo di aderire strettamente sulla superficie su cui scorre. In questa fase si innescano processi di saldatura tra il materiale dell’utensile e quello del pezzo in lavorazione, con il risultato che particelle dell’utensile vengono espulse con il truciolo. Questo processo può essere rallentato in diversi modi, come per esempio migliorare le caratteristiche del materiale dell’utensile, ridurre il coefficiente di attrito tra utensile e truciolo, ridurre l’affinità chimica tra i materiali che vengono in contatto, ridurre l’assorbimento di calore da parte dell’utensile in modo da limitare la temperatura massima nella zona di contatto.

L’impiego degli acciai da polveri e il loro successivo affinamento ha favorito un consistente incremento del rendimento dei creatori, che si è poi accentuato con l’impiego degli acciai superlegati, cioè quegli acciai che contengono una altissima percentuale di componenti di lega.

Gli acciai ottenuti con la sinterizzazione delle polveri hanno permesso di migliorare drasticamente la dimensione e la distribuzione dei carburi, evitando così gli agglomerati di carburi presenti negli acciai forgiati o laminati che costituivano zone di possibili fratture o micro-scheggiature. È stato possibile inoltre aumentare la percentuale dei componenti di lega arrivando agli acciai superlegati. Tutto ciò ha generato i moderni acciai superrapidi (HSS) che hanno una maggiore durezza, una minore fragilità e una maggiore resistenza alle alte temperature.

Ma il passo più importante è stato indubbiamente l’introduzione dei rivestimenti, prima con il semplice TiN (Nitruro di Titanio) e poi con film sempre più complessi (TiAlN, TiCN…)

In tutto questo percorso anche la formazione dell’usura sul tagliente ha subito delle modifiche sia dal punto di vista del suo valore in assoluto, sia proprio nella modalità della sua generazione.

Detto questo entriamo un po’ in dettaglio sui tipi di usura che si verificano nei creatori.
La classica suddivisione dei tipi di usura di un creatore è quella per craterizzazione e quella per abrasione.

Usura dei creatori per craterizzazione

L’usura per craterizzazione nei creatori non ricoperti (cioè, come si dice “nudo”) si forma sul petto del tagliente, cioè sulla superficie che viene affilata.

Oltre all’estensione e alla posizione, il cratere è caratterizzato dalla sua profondità. Quando il truciolo viene staccato dal tagliente, il punto di contatto tra il materiale del pezzo e l’utensile non è sullo spigolo tagliente, ma è spostato un po’ più verso l’interno. In questo modo il centro del cratere sarà ad una certa distanza d dal filo tagliente. Questa distanza dipende da molti fattori. Oltre che dall’angolo di spoglia frontale, che qui si suppone di zero gradi, dipende dal tipo di materiale tagliato, cioè se esso è più o meno resistente e, soprattutto, dipende dallo spessore del truciolo, cioè dall’avanzamento e dalle caratteristiche del creatore, cioè dal numero di principi e dal numero di denti (Figura 1).

Determinare lo spessore del truciolo non è cosa facile, tanto più che lo spessore e la forma sono continuamente variabili, ma è intuitivo che, in generale, più è alto l’avanzamento per giro pezzo più sarà grosso il truciolo, e maggiore sarà il numero di taglienti del creatore (a parità di numero di principi) minore sarà lo spessore del truciolo. Se lo spessore è grande, maggiore sarà la forza con cui il truciolo premerà sul petto dell’utensile e quindi maggiore sarà la velocità di formazione del cratere.

Il meccanismo attraverso cui si forma il cratere, cioè il sistema con cui viene asportato il materiale dell’utensile, è alquanto complesso. In parole povere, si può dire che consiste in una prima fase in cui parti del truciolo si saldano sul petto dell’utensile, e ciò è possibile data l’affinità chimica tra il materiale tagliato e l’acciaio costituente l’utensile. La saldatura avverrà tanto più facilmente quanto maggiore è la pressione esercitata dal truciolo e quanto maggiore è la temperatura nel punto di contatto. Nella seconda fase si ha il distacco dal petto dell’utensile di questo materiale saldato, il quale trascina con sé particelle del materiale dell’utensile. Questo fenomeno ha una durata di circa un centesimo di secondo. Dopo un certo tempo si forma appunto un cratere che ha la tendenza ad espandersi e ad avvicinarsi sempre più al tagliente, fino ad indebolirlo talmente che si spezzerà, provocando delle scheggiature più o meno ampie ma che comunque, in breve tempo, renderanno il tagliente non più idoneo ad asportare materiale. Questo processo sarà tanto più rallentato quanto maggiore è la durezza del materiale tagliente.

Considerando che le temperature nel punto di contatto sono molto elevate, anche oltre i 600 °C, è importante che l’acciaio dell’utensile mantenga la sua durezza anche a caldo.
Questa è appunto la prerogativa degli acciai con alto contenuto di elementi di lega.

Oltre all’avanzamento per giro pezzo, un ruolo fondamentale è giocato dalla velocità di taglio. Più essa è alta, maggiore sarà lo sviluppo di calore nell’unità di tempo e quindi maggiore sarà la temperatura del truciolo nell’area di contatto.

Il discorso però non è così lineare come sembrerebbe. Bisogna considerare due fenomeni che, in un certo senso, attenuano la pericolosità dell’aumento della velocità di taglio:
– il primo è che se il truciolo è portato ad alte temperature, diventa più plastico e quindi più facilmente asportabile. Esso forzerà di meno sulla superficie dell’utensile;
– il secondo fenomeno è che se il truciolo scorre ad alta velocità, non ha il tempo di trasmettere il calore all’utensile. Cioè, gran parte del calore resta nel truciolo stesso. A questo proposito è interessante osservare come per gli utensili impiegati in tornitura, per limitare l’area di contatto tra truciolo e utensile e quindi ridurre il trasferimento di calore, si usino rompitrucioli come quelli rappresentati in Figura 2.

 

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