Analisi della termodinamica del taglio PDF - Studio dei flussi termici

```markdown I modelli studiati finora non considerano i fattori termodinamici. Tuttavia, il processo di deformazione plastica è di tipo dissipativo, con una forte percentuale di energia trasformata in calore: è quindi molto rilevante tenere conto di quanto calore è sviluppato e delle zone nelle qual...

```markdown I modelli studiati finora non considerano i fattori termodinamici. Tuttavia, il processo di deformazione plastica è di tipo dissipativo, con una forte percentuale di energia trasformata in calore: è quindi molto rilevante tenere conto di quanto calore è sviluppato e delle zone nelle quali si sviluppa. Queste zone agiscono da vere e proprie sorgenti di calore e sono: - le zone di deformazione primaria e secondaria; - la zona d'attrito sulla faccia dell'utensile; - la zona di attrito sul fianco dell'utensile; Lo studio dei flussi termici e del campo di temperatura originato: - permette di stimare l'usura dell'utensile (essendo la durezza dipendente dalla temperatura); - permette di stimare le caratteristiche della superficie lavorata ottenuta (la deformazione plastica e le alte temperature alterano le microstrutture delle superfici a contatto); - permette di determinare i valori tecnologici che mantengono le temperature al di sotto di valori ritenuti critici. La maggior parte del calore sviluppato (circa il 70%) è trasmessa al truciolo, e la restante parte a utensile (20%) e pezzo (10%). Dopo un certo periodo di tempo, il truciolo può arrivare a toccare temperature intorno ai 700-800°C: il calore che esso scambia con l'utensile è elevato, per via della notevole differenza di temperatura tra i due. Inoltre, l'utensile riceve calore anche a causa dell'attrito sulla faccia e sul dorso. Esso ha dunque tre sorgenti differenti che gli cedono calore, e che dunque tendono ad aumentare la sua temperatura. Quest'ultimo fattore è tuttavia deleterio per la durezza dell'utensile, proprietà fondamentale per il taglio: per questo motivo, la maggior parte delle asportazioni di truciolo vengono effettuate usando del fluido lubrorefrigerante (anche se esiste una parte minoritaria di lavorazioni per asportazione condotte a secco). Analizzando sperimentalmente il campo di temperatura, il suo valore massimo viene raggiunto nel truciolo, in una zona poco distante sul tagliente e a ridosso della faccia dell'utensile. Questo avviene a causa della presenza dell'elevatissimo attrito presente in quella zona del sistema. L'immagine mostra uno schema di un processo meccanico. Sono visibili un utensile, il truciolo e il pezzo. Sono indicate le lettere a, b e c. Il grafico sottostante mostra la percentuale dissipata in truciolo, utensile e pezzo in funzione della velocità di taglio. L'immagine mostra un grafico con la percentuale di calore disperso in un processo meccanico sull'asse verticale e la velocità di taglio sull'asse orizzontale. Si distingue chiaramente che la quantità di calore dispersa nel truciolo aumenta con l'aumentare della velocità di taglio Per poter valutare la temperatura, occorre prima stimare l'energia prodotta dalla sorgente di calore: L'energia per unità di volume richiesta si calcola con la seguente formula: $U= \frac{P}{V_{truciolo}} = \frac{F_t v_t}{b h v_t} = \frac{F_t}{bh}= \frac{F_t}{A_0}$ La esprimiamo come somma tra energia specifica sul piano di scorrimento e quella di attrito sulla faccia dell'utensile: $U = U_s + U_a = 1.25 U_s$ A sua volta, $P_s = F_s u_s \implies U_s = \frac{F_s u_s}{bh v_t}$; $F_s = A_0 \tau_s \frac{1}{sin \phi}$ $\implies U_s = \frac{\tau_s A_0 u_s}{bh v_t sin \phi} = \frac{\tau_s A_0 u_s}{A_0 v_t sin \phi} = \frac{\tau_s \gamma_s}{sin \phi}$ Sperimentalmente: $U = 2.5 \div 5\tau_s [\frac{J}{mm^2}]$ ricorda: $\gamma_s=\frac{\Delta S}{\Delta X}$ $\Downarrow$ $\gamma_s = \frac{u_s}{v_s} = \frac{cos \phi}{sin \phi}$ A partire dall'energia specifica, si vuole ricavare la temperatura durante il processo di taglio, ricorrendo a un modello che, seppur molto limitato, permette di ottenere un risultato approssimativo. Il modello in questione è un'analisi dimensionale, nella quale si tiene conto di: - temperatura di contatto truciolo-utensile T [T] - energia specifica U [FL⁻²] - velocità di taglio v [LT⁻¹] - spessore del truciolo $h_0$ [L] - conducibilità termica del materiale lavorato k [FLT⁻¹] - capacità termica del materiale lavorato p-c [FL⁻²T⁻¹] Obiettivo: ricavare $T=T(U,v,h_0,k, \rho c)$. Le variabili di base sono quelle che combinate tra loro, non danno grandezze adimensionali. In questo caso, le variabili di base: U, $h_0$, k, $\rho c$ Combinando le variabili per ottenere grandezze adimensionali: $\frac{T \rho c}{U}$; $\frac{v h_0 \rho c}{k} \implies \frac{T \rho c}{U} = f(\frac{v h_0 \rho c}{k})$ $\frac{[T] [FL^{-2}T^{-1}]}{[FL^{-2}]} = \frac{[LT^{-1}] [L] [FL^{-2}T^{-1}]}{[FLT^{-1}]} = [·]$ Definizione: $T_{ad} := \frac{U}{\rho c}$ $\implies$ aumento di temperatura in condizioni adiabatiche $K = \frac{k}{\rho·c} \implies$ diffusività termica $\implies T = 0.4 T_{ad} (\frac{vh_0}{K})^{0.33}$ Formule empirice: $K = K_0 + K_1 T$; $\rho c= \rho c_o+ \rho c_1 T + \rho c_2 T^2$ La temperatura ricavata è dunque indipendente dal tempo (regime stazionario) e dalla quota alla quale è rilevata la temperatura (il campo di temperatura è assunto uniforme). La temperatura calcolata è quindi una temperatura media, che è tuttavia ottima per comprendere a grandi linee cosa accade durante la lavorazione (in assenza di lubrificanti o di sistemi di raffreddamento). La temperatura all'interfaccia tra utensile e truciolo varia a seconda del materiale, fissati h e v. L'immagine mostra un grafico della temperatura dell'interfaccia in funzione della velocità di taglio, con h=0.3 mm. Si nota una curva per l'acciaio e una per l'alluminio L'immagine mostra un grafico della temperatura dell'interfaccia in funzione dello spessore del truciolo, con $v_t= 50$ m/min. Da questi grafici, si deduce che materiali con maggiore resistenza e durezza portano a un aumento della temperatura. In generale, nel taglio di materiali duttili e tenaci, la temperatura dell'utensile è maggiore che per i materiali fragili, i quali provocano un picco di temperatura inferiore a causa del minore contatto tra truciolo e utensile. Inoltre, aumentare lo spessore medio del truciolo fa sì che la temperatura di taglio incrementi in maniera non lineare (la forza di taglio non cresce linearmente con lo spessore del truciolo). **Fluidi da taglio (non all'esame)** Durante l'asportazione del truciolo, un dispositivo si occupa di spruzzare fluido lubro-refrigerante: la lubrificazione influenza l'angolo di attrito $\beta$, diminuendo deformazione e forze necessarie (l'effetto del lubrificante è da preferire se si mira a ottenere superfici con buona finitura superficiale), mentre la refrigerazione porta a una complessiva diminuzione della temperatura, e ciò garantisce una protezione contro la corrosione. **Lavorazioni a secco** Sono effettuate al fine di ridurre l'impatto ambiental dei lubro-refrigeranti e il costo che deriva dal loro utilizzo (costituiscono un 7-17% del costo totale), ma servono materiali con ottima resistenza al calore, siccome si raggiungono temperature fino agli 800°C. L'espulsione del truciolo avviene grazie ad aria compressa addotta da alcuni canalli presenti nell'utensile. **Lavorazioni quasi a secco** Si parla di lavorazioni MQL (Minimum Quantity Lubrication). Il lubrificante usato è una miscela di aria e fluido da taglio ad alta pressione (circa 600 KPa) e portata relativamente bassa (intorno ai 10 cm³/h, circa 10 000 volte inferiore a quella usuale). **Lavorazioni criogeniche** In queste lavorazioni, viene impiegato azoto liquido iniettato alla temperatura di -200°C sull'interfaccia tra utensile e pezzo. Oltre che contenere la temperatura complessiva, l'azoto liquido apporta un beneficio meccanico, dato che avviene un affinamento del grano e dunque un aumento della durezza. Le velocità di taglio aumentano e i trucioli sono più fragili. In più, tutto l'azoto evapora e non va a contaminare il truciolo (che è dunque facilmente riciclabile). Tuttavia, questo è un processo molto costoso. ```