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.

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.

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.

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.