La tecnologia meccanica e lo studio dei fenomeni fisici hanno un legame molto stretto e questo vale per ogni processo produttivo. Il caso dell’asportazione truciolo.
Nell’antichità la fisica era la “riflessione filosofica sui fenomeni della natura” (enciclopedia Treccani), mentre, in tempi successivi, con il progressivo affermarsi del metodo sperimentale per comprendere i fenomeni naturali, la fisica assurse al ruolo di scienza. E il compito di una scienza è quello di descrivere in maniera razionale i fenomeni che studia, riconoscendone le proprietà, misurandole e stabilendo relazioni matematiche. Il metodo di studio è quello “scientifico” che porta a formulare teorie e leggi, basate sull’osservazione, la sperimentazione e la misurazione, ovvero relazioni matematiche fra le grandezze che descrivono i fenomeni stessi. Data questa premessa, è evidente lo stretto legame fra i processi produttivi e la fisica, legame che, nella pratica operativa, passa perlopiù inosservato. Ma che esiste.
Focalizzando l’attenzione su un processo produttivo in particolare, la lavorazione per asportazione di truciolo, già solo l’affermazione “Nel processo di taglio un utensile, dotato di un moto relativo rispetto a un pezzo generato da una macchina utensile, ne asporta uno strato superficiale mediante un processo di deformazione plastica. Ne risulta una nuova superficie avente le caratteristiche richieste ed espresse sul disegno del pezzo”, rende evidente il ruolo della fisica nel processo di trasformazione (fisica e non chimica) del materiale. Gli aspetti di meccanica e di termodinamica del taglio indicano chiaramente la stretta correlazione fra fisica e lavorazione all’utensile.
Dalla meccanica…
Qualsiasi processo produttivo parla di velocità, di potenza, di energia, di calore… e tutto ciò vale, a maggior ragione, per le lavorazioni per asportazione di truciolo dove, durante il taglio, tutta la potenza assorbita si trasforma in calore. Facendo un passo indietro, la meccanica del taglio si propone di studiare i principi fondamentali del taglio attraverso lo studio della formazione del truciolo, a partire dalle forze in gioco.
Il modello di Pijspanen – Uno dei primi modelli matematici sviluppati è quello proposto dal tecnologo finlandese V. Pijspanen, che tratta il processo di formazione del truciolo presupponendo condizioni di taglio ortogonale, truciolo continuo e costante, e utensile a singolo tagliente. Il modello di Pijspanen non prende in considerazione le forze di attrito che agiscono nell’area di contatto fra il petto dell’utensile e il truciolo, che portano alla formazione anche di una zona di deformazione secondaria. Inoltre il problema del taglio viene trattato in termini di elaborazione geometrica, prescindendo dall’imposizione dell’equilibrio delle forze agenti. Se il modello si presenta relativamente semplice, di fatto le ipotesi su cui si fonda sono troppo semplificative, con un limitato riscontro con la realtà (vedi Figura 6).
Il modello di Ernst–Merchant – Un successivo passo nello studio della meccanica del truciolo è stato fatto, negli anni della II Guerra Mondiale, da Ernst e Merchant che hanno sviluppato due modelli ancora oggi fondamento della meccanica del taglio. Pur seguendo gli stessi presupposti del modello di Pijspanen, ora le ipotesi di taglio tengono conto delle proprietà meccaniche del materiale lavorato, proprietà che determinano il comportamento, e considerando l’azione del sistema di forze che agisce sul truciolo, che ne determina la geometria. La teoria di Ernst e Merchant si basa sull’applicazione del principio della minima energia, cioè il truciolo si forma secondo un dato meccanismo, con una certa geometria, in modo che l’energia necessaria alla formazione sia la minima possibile. Nonostante il modello fornisca una buona approssimazione, talvolta i dati sperimentali si discostano anche notevolmente dai risultati attesi.
