Effetti delle lavorazioni meccaniche ad alta velocità

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La costruzione di stampi per il settore automotive ha, negli ultimi decenni, subito profonde trasformazioni.

Il combinato disposto dell’industria automobilistica che ha preteso dagli stampisti qualità elevata, produttività migliorata, efficienza economica e tempi di consegna ridotti, ha avuto come conseguenza immediata la ricerca di tecniche di lavorazione, materiali e processi produttivi innovativi.

Nuovi materiali sono stati messi a disposizione dalle acciaierie, nuove macchine utensili sono apparse sul mercato dell’asportazione di truciolo, nuovi utensili hanno consentito di applicare velocità di taglio impensabili anche in un passato recente.

Tutto ciò ha consentito agli stampisti di rispondere con successo all’appello dell’industria automobilistica ma, come recita un vecchio detto popolare, la soluzione di un problema è sempre un altro problema.

In questa breve trattazione parleremo, appunto, delle problematiche scaturite dall’aumento delle performance delle lavorazioni meccaniche ad alta velocità, prendendo spunto da approfonditi studi (2012-2013) fatti in collaborazione con l’istituto Fraunhofer-Gesellschaft, la più grande organizzazione di ricerca applicata in Europa, ed il Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL).

La formazione del truciolo nella fresatura ad alta velocità

 Fig. 1: Sollecitazioni del materiale in diverse zone durante il taglio

I processi di lavorazione meccanica per asportazione di truciolo introducono inevitabilmente modifiche strutturali alla superficie di un pezzo: tale fenomeno è fortemente influenzato ed amplificato dalla variazione sinergica e progressiva dei parametri di taglio.

Questa “alterazione superficiale” si verifica a causa del rapido sviluppo di un elevato gradiente termico e di forti deformazioni plastiche corticali, con conseguente trasformazione metallurgica e possibili interazioni chimiche tra l’area corticale del pezzo e l’ambiente circostante.

La superficie lavorata può presentare una struttura molto diversa rispetto a quella della maggior parte del materiale: tale problema è stato, ed è tuttora, oggetto di ricerca e/o discussione nel campo della cosiddetta “integrità superficiale”, un termine che include tutti gli aspetti di finitura superficiale, strati bianchi, cambiamenti metallurgici e tensioni residue.

Gli strati bianchi e le deformazioni plastiche corticali, formati durante la lavorazione, hanno effetti fortemente negativi sulla condizione superficiale e soprattutto sulla resistenza a fatica dei prodotti, portando la superficie a diventare fragile, incrudita/indurita, causando la permeazione di micro-cricche e talvolta il “fallimento” del prodotto.

In Fig. 1 è schematizzata l’interazione tra le varie “regioni” del materiale in fase di lavorazione e i meccanismi di formazione dello strato bianco.

La regione (I) rappresenta il materiale davanti all’utensile da taglio e al di sotto della superficie lavorata. In questa regione il materiale è soggetto alla compressione plastica e al calore propagato dalle zone di taglio. Quando il materiale entra nella regione (II), dove lo sfregamento del fianco dell’utensile contro il pezzo è significativo, il calore (che può raggiungere valori puntuali superiori al punto di fusione del materiale lavorato) viene generato e quindi condotto nel pezzo e nell’utensile. Inoltre in questa regione il materiale è sottoposto a forti sollecitazioni di compressione e strappo.

Quando il tagliente dell’utensile lascia l’area di contatto e si sposta, nella regione (III) si verificano diversi eventi:

in primo luogo, c’è lo scarico delle sollecitazioni dovuto al fatto che non ci sono più forze che agiscono sulla superficie; in secondo luogo c’è il rapido raffreddamento della massa riscaldata sia per dispersione di calore in ambiente che per dissipazione da parte del liquido di raffreddamento, se utilizzato; infine c’è una possibile reazione chimica con l’ambiente e/o il lubrorefrigerante.

Pertanto possono essere identificati tre meccanismi contributivi generali che sono associati o responsabili della formazione di strati bianchi, questi sono:

(a) Il meccanismo del flusso di deformazione plastica, che produce uno strato corticale con una struttura a grana molto fine,

(b) Il meccanismo di riscaldamento rapido e tempra che si traduce in prodotti di trasformazione,

(c) Il meccanismo di reazione superficiale con l’ambiente come la nitrurazione e/o la cementazione e/o l’ossidazione.

Il termine “strato bianco” ha origine dal fatto che queste superfici appaiono bianche, “prive di struttura” all’osservazione al microscopio ottico o senza dettagli in microscopia a scansione elettronica (SEM).

Così, in letteratura, il termine “strato bianco” è usato come una frase generica che si riferisce a strati superficiali molto duri (in alcuni casi si sono rilevate micro-durezze superiori ai 1200 HV0.001) formati in materiali ferrosi in una varietà di condizioni, che appaiono bianchi al microscopio.

Relazione tra formazione dello strato bianco e usura dell’utensile

Nella dinamica interattiva del processo è inevitabile che le condizioni di taglio peggiorino progressivamente, amplificando notevolmente i fenomeni descritti in Fig. 1.

Studi di settore mettono in relazione lo strato bianco e l’usura sul fianco dell’utensile per varie velocità di taglio.

Lo spessore dello strato bianco aumenta progressivamente con la velocità di taglio e con l’usura sul fianco dell’utensile.

Per quanto riguarda la tendenza delle curve, la profondità del livello bianco raggiunge un massimo asintotico a una particolare profondità di taglio (p), come mostrato in Fig. 2.

                            Fig. 2:  Spessore dello strato bianco in funzione dell’usura del fianco e della velocità di taglio

Il fenomeno sopra descritto rappresenta un elemento di grande criticità anche in fase di trattamento termico.

Le “superfici alterate”, molto più dure rispetto al materiale base, sono terreno fertile per la propagazione di cricche e/o micro-cricche, con possibilità di diffusione verso il cuore del materiale.

È sempre consigliabile prevedere il trattamento termico di distensione post finitura al fine di attenuare i fenomeni sopra descritti.

La Fig. 3 mostra, a titolo di esempio, la variazione delle tensioni residue nell’area sub-corticale per differenti tipologie di acciaio commercializzato, in differenti condizioni di taglio.

                            Fig. 3: Tensioni residue nell’area sub-corticale

La Fig. 4 mostra, a titolo di esempio, la variazione della microdurezza in sezione nell’area sub-corticale, per acciaio 1.2343, in differenti condizioni di taglio.

Fig. 4: Gradiente di micro-durezza in sezione nell’area sub-corticale in differenti condizioni di taglio

Danni superficiali

Alcune metallografie, a differente ingrandimento, che mostrano i danneggiamenti superficiali quali conseguenza di lavorazioni meccaniche (immagini in microscopia a scansione elettronica SEM).

Danni superficiali visti in sezione

Alcune metallografie in sezione, a differente ingrandimento, che mostrano i danneggiamenti superficiali prodotti da lavorazioni meccaniche (immagini in microscopia a scansione elettronica SEM).

Immagini in microscopia ottica

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