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Danneggiamenti degli Utensili

Danneggiamenti degli Utensili. Cibaldi C. “I criteri di scelta e di trattamento degli acciai da costruzione e da utensili”, Volume IV – Diagnosi dei difetti metallurgici, cap. 3.e cap. 10. Edizione AQM, Provaglio d’Iseo anno 2010.

Secondo il vocabolario della lingua italiana, la parola utensile indica genericamente:

  • ogni arnese che serve agli usi della vita domestica (per esempio i tegami, le pentole e le posate);
  • ogni attrezzo semplice che, in botteghe artigiane, laboratori e officine, serve per la lavorazione dei materiali, quali metalli, legno, pietra, plastica (per esempio il martello, lo scalpello, la lima e la sega);
  • ogni pezzo meccanico di forma e dimensioni e qualità meccaniche adeguate che, nella tecnologia d’officina, è usato manualmente o applicato alle macchine per asportare, incidere o deformare in modo permanete il materiale dei pezzi in lavorazione.

La parola stampo significa, invece:

  • ogni arnese adoperato per imprimere o riprodurre su una superficie disegni, numeri, lettere o fregi, o da usare come guida per ritagliare i materiali secondo un certo disegno;
  • ogni strumento per fare buchi di forma regolare in vari materiali;
  • ogni arnese, solitamente metallico, usato per dare forma a paste alimentari e biscotti;
  • ogni recipiente in cui si versa una sostanza liquida o semiliquida perché, solidificandosi, ne acquisti la forma;
  • ogni modello con cui si ottengono oggetti di forma voluta nello stampaggio dei materiali metallici, di materie plastiche, di laterizi, di ceramiche, di polveri metalliche e di ogni altro materiale stampabile.

Pertanto anche gli stampi sono utensili a tutti gli effetti.

Gli utensili (soprattutto quelli dei punti 3÷8, soggetti a diagnosi di difetto) si considerano insoddisfacenti e quindi difettosi, quando si rompono in servizio o si usurano, tanto da non poter più essere riparati o riaffilati, prima d’aver lavorato un numero di ore o prodotto un numero di pezzi considerato il minimo soddisfacente e conforme alle attese.

La frattura o l’usura prematura degli utensili può generare ritardi delle consegne e aumenta sempre i costi della produzione. Per questa ragione la failure analysis degli utensili è di grande importanza economica.

La progettazione di molti utensili è fondamentalmente empirica perché solo raramente sono disponibili i valori delle proprietà meccaniche alla durezza d’esercizio, per la grande variabilità dei risultati delle prove meccaniche di questi materiali, per la difficoltà di calcolare con precisione le sollecitazioni d’esercizio e per le inevitabili tensioni residue, spesso d’elevata intensità, presenti negli utensili. Per queste ragioni, la loro progettazione è ancora basata sull’esperienza del progettista, che oggi può avvalersi di programmi di simulazione al computer sempre più precisi ed affidabili.

Solo raramente i danneggiamenti degli utensili possono essere indagati usando l’approccio convenzionale della meccanica della frattura o dell’analisi degli andamenti delle sollecitazioni nel tempo e richiede all’analista molta più esperienza.

La diagnosi dei difetti degli utensili, utilissima al progettista per evitare di ripetere gli stessi errori, è spesso complicata dalla frequente mancanza di registrazioni accurate sulla loro fabbricazione e storia in servizio.

Principali Cause dei Difetti degli Utensili

Il danneggiamento precoce degli utensili è dovuto a uno o più delle seguenti macro cause fondamentali:

  • errata o impropria progettazione;
  • tipo non idoneo e/o insufficiente qualità dell’acciaio scelto;
  • procedure di fabbricazione inaffidabili o errate;
  • trattamenti termici errati o male eseguiti;
  • rettifica di finitura eseguita senza alcuna precauzione;
  • uso scorretto e la manutenzione non eseguita o condotta senza rispettare le regole di buona prassi.

Esse sono interdipendenti e l’insufficienza anche di una sola può portare al danneggiamento precoce, esattamente come l’anello più debole di una catena che ne determina la resistenza. Quindi per ottenere il massimo rendimento di un utensile bisogna minimizzare tutti i fattori che possono favorirne il potenziale danneggiamento.

Sapere che la progettazione, il tipo e qualità dell’acciaio scelto, le procedure di fabbricazione, i trattamenti termici, la rettifica di finitura, le condizioni d’uso e la manutenzione sono le fonti principali del potenziale danneggiamento degli utensili non significa esser certi di trovare la vera causa, perché una fonte può generare un danneggiamento tipico di un’altra, che lo mette chiaramente in evidenza e spesso ne assume l’errata responsabilità. Per esempio, evidenti cricche di rettifica possono dipendere dall’insoddisfacente procedura di rettifica o da un errato trattamento termico, tale da rendere l’acciaio così sensibile alle cricche di rettifica da diventare, di fatto, non rettificabile. Un altro esempio è la classica rottura in tempra di un utensile con angoli vivi o non sufficientemente raccordati. In questa circostanza, è difficile stabilire se l’utensile si sia rotto per errato trattamento termico o per scadente progettazione delle forme.

Di seguito si riportano alcuni esempi di danneggiamento degli utensili indicandone le cause.

Errata o Impropria Progettazione

Il mandrino d’acciaio da utensili AISI S5 (» 60SiMoV7) di figura 1 (a sinistra) si ruppe dopo un breve periodo d’esercizio per sovraccarico dovuto all’inceppamento dello sfrido. La fotografia ingrandita (a sinistra) mostra chiaramente due sfridi rimasti intrappolati nel foro rettangolare per insufficiente angolo di sformo, o errata progettazione del foro.

Mandrino di Acciaio AisiS5

Mandrino d’acciaio AISI S5 rotto dopo un breve esercizio per sovraccarico dovuto all’inceppamento dello sfrido. 0,4 x circa. A destra: particolare del mandrino che mostra due sfridi rimasti intrappolati nel foro rettangolare per insufficiente angolo di sformo dovuto ad errata progettazione del foro. 4 x circa.

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Tipo Non Idoneo e/o Insufficiente Qualità dell’Acciaio Scelto

I più comuni difetti degli acciai da utensili allo stato ricotto sono: i vuoti, le filature, gli strappi, i fiocchi, segregazioni, insufficiente distribuzione dei carburi e le cricche. Nella barra Ø 150 mm d’acciaio rapido da utensili nella foto accanto si osserva un vuoto centrale dovuto a un’errata procedura di fucinatura.

Barra Acciaio Rapido da Utensili

Barra Ø 150 mm d’acciaio rapido da utensili con vuoto centrale per errata fucinatura.

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Procedure di Fabbricazione Inaffidabili o Errate

Esistono tre metodi comunemente usati per la fabbricazione degli utensili, partendo da barre d’acciaio ricotto:

  • metodi convenzionali di lavorazione con asportazione di truciolo;
  • formatura a freddo;
  • elettroerosione.
Stampo per Formatura Acciaio

Stampo per formatura d’acciaio X153CrMoV12, rotto durante il trattamento termico presso un angolo privo di adeguato raccordo dovuto a lavorazione grossolana. 0,8 x circa.  A destra: particolare dello stampo. Si noti che il raccordo è formato da una serie di gradini e di fatto non esiste un vero raggio di raccordo. 5 x circa.

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Cricche di Tempra Innescate

Cricche di tempra innescate dalle profonde punzonature dei numeri identificativi di uno stampo d’acciaio AISI S7 non adeguatamente rinvenuto dopo tempra. 2 x circa.

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Martensite Tetragonale

Martensite tetragonale (strato bianco) e strato rinvenuto (strato più scuro) da elettroerosione della superficie di uno stampo d’acciaio X153CrVMo12. Si noti la presenza di microcricche nella martensite bianca. Attacco nital 2 %. 100 x.

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Trattamenti Termici Errati o Male Eseguiti

I trattamenti termici male eseguiti o errati sono la più comune causa del danneggiamento degli utensili. Un’indagine statistica condotta negli anni 1980 sulle avarie degli utensili rivelò che il 70 % dei danneggiamenti era dovuto a errori dei trattamenti termici, così suddiviso:

  • 40 % per alterazioni della composizione chimica della superficie dell’acciaio (decarburazione e carburazione);
  • 20 % per temperatura d’austenitizzazione insufficiente o per mezzi di spegnimento insufficientemente drastici, per una buona trasformazione martensitica;
  • 10 % per surriscaldamento durante l’austenitizzazione.
Stampo per Coniatura

tampo per coniatura, d’acciaio da utensili X153CrMoV12, rotto dopo un breve periodo d’esercizio, perché non fu rinvenuto dopo tempra. 1 x circa.

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Inserto per Stampo Costruito con Acciaio

Inserto per stampo costruito con acciaio 100MnCrW4, rotto in tempra per surriscaldamento. Le cricche sono evidenziate da particelle magnetiche. 0,6 x circa.

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Rettifica di finitura eseguita senza alcuna precauzione

I risultati di approfondite ricerche hanno dimostrato che per asportare un certo volume di materiale da un utensile con la rettifica bisogna spendere circa 30 volte più energia di un processo tradizionale d’asportazione di truciolo e che la temperatura della superficie a contatto con la mola può raggiungere i 1650 °C. L’elevata temperatura della superficie rettificata favorisce due effetti indesiderati sugli acciai da utensili induriti:

  • cambiamento della durezza e della microstruttura;
  • sviluppo di alte tensioni residue, tali da favorire la formazione di cricche.
Pettine per Filettare

Pettine per filettare fabbricato con acciaio rapido HS18-0-1, rotto in esercizio per la pesante decarburazione della cresta dei denti. A destra: micrografia della sezione trasversale di un dente del pettine. Forte decarburazione della cresta del dente. Attacco nital 2 %. 150 x.

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Stampo da Tranciatura

Microcricche di rettifica sulla superficie di uno stampo da tranciatura d’acciaio 90MnCrV8, temprato e non disteso. A) Pezzo come ricevuto. B) Microcricche evidenziate con polveri magnetiche. 0,25 x circa.

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Bruciatura di Rettifica

Bruciatura di rettifica priva di microcricche (area chiara) e strato autorinvenuto (più scuro), di uno stampo d’acciaio AISI A6 (» 70MnCrMo8.4.15) temprato e disteso. Attacco nital 2 %. 100 x.

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Uso scorretto e la manutenzione non eseguita o condotta senza rispettare le regole di buona prassi

Gli utensili ben progettati, costruiti con acciaio adatto, trattati termicamente e rettificati in modo corretto possono ancora danneggiarsi prematuramente in esercizio per fattori meccanici o per un loro uso scorretto. Alcune condizioni operative sono così severe che ci si può attendere un eventuale danneggiamento dell’utensile dopo un breve periodo d’esercizio. Sebbene questi fatti siano riconosciuti, spesso si spendono energie e denaro alla ricerca di errori del trattamento termico o di difetti dell’acciaio. La vera casa del danneggiamento di molti utensili non può essere trovata se non s’indaga anche sulle condizioni operative dell’utensile.

Tali indagini sono generalmente difficili, richiedono molto tempo, molta diplomazia e spesso un lavoro da detective. Generalmente si affrontano secondo la seguente procedura:

  • raccolta di tutte le registrazioni di produzione. Può essere necessaria anche la raccolta delle registrazioni ai posti di lavoro;
  • indagine dettagliata sul materiale lavorato con l’utensile e sulle prove eseguite per verificarne la conformità alle prescrizioni;
  • indagine sulle prestazioni dell’utensile e sulle condizioni e numero di riaffilature;
  • determinazione della sequenza e dei dettagli della messa in opera e rimozione degli utensili;
  • ricerca d’eventuali incidenti avvenuti durante la produzione. Questo può richiedere l’intervista degli operatori, capisquadra e personale della manutenzione;
  • esame dei particolari prodotti e dello stato dell’utensile.

Un’analisi completa di questo tipo di informazioni può già trovare le cause delle difficoltà lamentate, o essere d’aiuto per stabilire quali prove eseguire in laboratorio e per l’interpretazione dei risultati dell’indagine.

Le cause di danneggiamento meccanico degli utensili sono quattro e cioè:

  • sovraccarico accidentale;
  • eccessiva concentrazione di sforzi;
  • improprio gioco e allineamento dell’utensile;
  • fratture di fatica.
Alesatore di Acciaio Rapido

Alesatore d’acciaio rapido AISI M2 rotto nel tentativo di lavorare una bussola con foro sotto dimensionato. 1 x circa.

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Stampo di Punzonatura

Stampo di punzonatura, d’acciaio 100MnCrW4, scheggiato e rotto in esercizio per disallineamento del punzone. 0,7 x circa.

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Albero Costruito con Acciaio da Utensili

Albero Ø 120 mm, costruito con acciaio da utensili AISI S5, rotto a fatica innescata presso una variazione di sezione male raccordata, che concentrò gli sforzi.

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Stampo Acciaio da Utensili per Lavorazioni a Caldo

Stampo d’acciaio da utensili per lavorazioni a caldo 1.2367, temprato e rinvenuto a 52 HRC e nitrurato, usato per la colata di leghe di rame. Cricche da fatica termica (crettature) su tutta la superficie operativa; forte usura e cricche profonde lungo lo spigolo e al limite della superficie non operativa. 2 x circa. Destra: sezione ortogonale alla superficie operativa dello stampo. Cricche di fatica termica (crettature) lungo il bordo di tutta la superficie. Nessun attacco. 20 x..

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