Appunti sui cicli di lavorazione e sull'asportazione di truciolo

Macchine utensili: cicli di lavorazione

Processi di asportazione di truciolo

I processi per asportazione di truciolo (o anche “lavorazione meccanica” o “machining” in inglese) sono di importanza fondamentale per la manifattura, essendo sempre al termine della catena produttiva per le elevate caratteristiche dimensionali e superficiali che riescono a realizzare sui componenti.

Tecnologia di processo

I processi di taglio, come la tornitura, la fresatura, la foratura e tanti altri, asportano materiale dalla superficie del pezzo producendo del truciolo. La meccanica della formazione del truciolo è essenzialmente la stessa per tutte le operazioni.

In questo tipo di processi un utensile si muove lungo un pezzo in lavorazione ad una certa velocità V e ad una certa profondità di taglio, producendo un truciolo sulla sua faccia superiore in un processo di deformazione plastica lungo una linea chiamata “piano di scorrimento”.

Schema di lavorazioni per asportazione di truciolo

Ad esempio, in una operazione di tornitura (figura a destra), mentre il pezzo ruota attorno al suo asse, un utensile si muove con interferenza lungo la sua periferia, in direzione parallela all’asse. Durante questo moto l’utensile stacca un truciolo con uno spessore che dipende da quanto l’utensile avanza ad ogni giro di rotazione del pezzo.

Nella figura di sinistra si vede schematizzata l’operazione di distacco del truciolo, con il materiale del pezzo che si muove verso l’utensile da sinistra verso destra (oppure, che è lo stesso, con l’utensile che si muove verso il materiale da destra verso sinistra). Il truciolo che si stacca dal pezzo “risale” sulla superficie frontale dell’utensile, chiamata faccia dell’utensile, inclinata di un certo angolo rispetto alla verticale. Il materiale non asportato dall’utensile scorre sotto la sua superficie inferiore, chiamata fianco dell’utensile. Il fianco è inclinato rispetto alla linea orizzontale in modo da non strisciare sopra di essa.

Vi è una zona in cui il truciolo, staccandosi dal pezzo, si deforma. Questa zona di intensa deformazione si chiama zona di scorrimento o piano di scorrimento ed è una sottile striscia di materiale inclinata dell’angolo (angolo di scorrimento) nella figura. Da qui si vede che il processo di asportazione altro non è che un processo di deformazione plastica del truciolo, mentre il materiale che non viene staccato e passa sotto all’utensile non viene quasi per nulla deformato.

Perché una operazione di asportazione di truciolo funzioni, occorre che l’utensile sia ben affilato ed abbia uno spigolo vivo fra la faccia ed il fianco. Questa punta si chiama naso dell’utensile. Purtroppo, durante il lavoro di asportazione gli utensili si usurano e devono essere prima o poi sostituiti con nuovi utensili.

Le principali variabili che influenzano il processo sono:

• Il materiale dell’utensile e il suo stato
• La geometria dell’utensile
• Il materiale lavorato
• Le condizioni di taglio: velocità di taglio e profondità di passata
• Spessore del truciolo (regolato con la velocità di avanzamento per giro)
• L’utilizzazione di fluidi di taglio: emulsioni, olio, o nulla (a secco)

Da queste variabili discendono le seguenti caratteristiche del processo:

• Tipo di truciolo prodotto
• Forza ed energia dissipate nel processo
• Temperatura di lavoro nel pezzo, nell’utensile e nel truciolo
• Velocità di usura dell’utensile
• Finitura superficiale prodotta nel pezzo dalla lavorazione

L’angolo che l’utensile forma con la verticale, su cui scorre il truciolo (ovvero la faccia dell’utensile), si chiama angolo di spoglia superiore (rake angle), che può essere positivo (se la faccia dell’utensile è inclinata verso destra come in figura), nullo (se la faccia dell’utensile è perfettamente verticale) oppure negativo (se è inclinata verso sinistra).

L’angolo che la faccia dell’utensile forma con l’orizzontale, a ridosso del materiale tagliato, si chiama angolo di spoglia inferiore (relief angle, clearance angle).

L’angolo compreso fra la faccia ed il fianco dell’utensile si chiama angolo compreso ed è un fattore di solidità dell’utensile. Un angolo compreso piccolo rende l’utensile simile ad una lama di coltello che penetra nel materiale, mentre un angolo compreso grande rende l’utensile simile ad un ricalcatore che schiaccia il truciolo.

La somma dei tre angoli (spoglia superiore, spoglia inferiore e angolo compreso) è pari a 90 gradi.

Uno degli aspetti più rilevanti del processo è l’elevata temperatura che si sviluppa sulla faccia dell’utensile a causa dello strisciamento del truciolo. In condizioni normali la temperatura può raggiungere gli 800°C e si capisce quindi la difficoltà del materiale dell’utensile a resistere alle forti sollecitazioni di lavoro (il truciolo comprime fortemente l’utensile) essendo contemporaneamente portato ad alta temperatura. Dato che eliminare l’attrito fra truciolo e utensile è possibile solo in parte tramite l’utilizzo di fluidi lubrorefrigeranti, il fattore dominante che determina la temperatura in questo strisciamento è la possibilità di smaltimento del calore, fenomeno che ha bisogno di tempo per manifestarsi. Ne deriva che il fattore chiave per la temperatura diventa la velocità di taglio. Se un processo viene condotto a velocità molto bassa (ad esempio 1 m/min) il calore prodotto ha il tempo di diffondere e la temperatura resta bassa (ad esempio sotto i 180°C); se la velocità aumenta a 50 m/min la temperatura cresce fino a 500°C; se la velocità aumenta a 120 m/min la temperatura arriva ad 800°C.

Le tre condizioni descritte sono quelle relative a tre casi, con tre tipi diversi di materiali per gli utensili:

• Gli acciai non legati ad alto tenore di carbonio, utilizzati nella prima metà del ‘900. Siccome questi acciai possono sopportare al massimo temperature di 180°C, oltre le quali la martensite si trasforma in strutture più tenere, non era possibile fare operazioni di taglio a velocità superiori ad 1 m/min, che però è una operazione lentissima. Per realizzare un pezzo a queste velocità servono ore, se non giorni. Questi materiali non sono più in uso.
• Gli acciai superrapidi, ovvero acciai da utensile con forti elementi di lega (tungsteno, vanadio, molibdeno) in grado di mantenere elevata durezza sino a 500°C. Questi materiali sono stati sviluppati attorno agli anni 40-50 (sotto la spinta bellica), e consentono di aumentare le velocità di taglio sino a 50-100 m/min e quindi di incrementare in maniera sostanziale la produttività.
• I carburi sinterizzati (polveri ceramiche tenute insieme da un metallo altofondente), sviluppati anch’essi durante la guerra, ma utilizzati in larga scala solo a partire dagli anni ’70, che resistono sino a 800°C e consentono velocità superiori a 100 m/min.

Vi sono anche altri materiali, che resistono a temperature ancora più elevate (come le ceramiche e le stelliti) e vi sono particolari tecnologie di rivestimento di utensili (PVD, CVD…), che consentono di rendere gli utensili sempre più resistenti e di aumentare ulteriormente la velocità di taglio, che hanno reso nel tempo il processo di asportazione di truciolo molto produttivo. In ogni caso, tutti questi tipi di utensili sono soggetti ad usura e devono essere sostituiti, anche spesso. Sono quindi assai utilizzati utensili in forma di piccoli inserti con punte multiple che quando si usurano sono semplicemente girati per lavorare con una nuova punta.

Alcuni tipi di inserti per utensili

Le facce superiori di questi inserti sono le “facce” dell’utensile su cui scorre il truciolo, le superfici laterali sono i “fianchi”. Le varie colorazioni dipendono dal tipo di rivestimento superficiale, mentre il substrato è in questi casi un carburo sinterizzato. L’inserto di sinistra ha tre punte, quello di destra solo due.

Gli inserti vengono quindi montati su appositi supporti, a seconda del tipo di lavorazione richiesto.

Supporti per utensili

Supporti per utensili (inserti multipli a sinistra, singolo inserto a destra)

Gli utensili così formati sono montati sui mandrini delle macchine per la lavorazione.

Tipi di truciolo

Al variare delle condizioni di taglio e del tipo di operazione la forma dei trucioli prodotti può cambiare sensibilmente. Si hanno essenzialmente due classi: trucioli continui e trucioli segmentati.

Truciolo continuo, tipico di operazioni di foratura e talora di tornitura a)

Truciolo segmentato, tipico di operazioni di fresatura e (sperabilmente) di tornitura b)

I trucioli continui sono molto difficili da trattare per vari motivi: innanzitutto formano delle matasse collegate all’utensile durante l’operazione di taglio e possono talora interferire con la lavorazione, danneggiando il pezzo che viene lavorato. In secondo luogo, occupano molto volume con pochissimo materiale e quindi sono difficili e costosi da smaltire. Il volume occupato può infatti essere centinaia di volte superiore a quello del pezzo da cui il truciolo è stato estratto, quindi da un dm³ di materiale compatto viene generato 1 m³ di truciolo! È quindi un problema anche ambientale. I trucioli continui devono essere compattati con costi anche elevati.

I trucioli segmentati occupano un volume pari a solo 3-7 volte il volume originario e sono quindi enormemente più facili da gestire. Tutti i tipi di trucioli sono comunque un rifiuto industriale di classe A, ovvero soggetti al massimo tipo di controllo per lo smaltimento.

Tornitura

Nella tornitura, un pezzo di forma assialsimmetrica (o con asimmetrie bilanciate, come un quadro o un esagono) ruota attorno al proprio asse, venendo tagliato da un utensile che vi si accosta lungo varie direzioni.

Nella tornitura occorre distinguere due differenti velocità:

• La rotazione del pezzo attorno al proprio asse, che determina, nel punto di contatto con l’utensile, una velocità periferica V_t (in direzione circonferenziale) che è la velocità di taglio del processo, normalmente espressa in m/min. La velocità di taglio dipende dalla velocità angolare ω [rad/s] e dalla distanza R [mm] dall’asse di rotazione a cui viene accostato l’utensile secondo la formula: V =