Le sfide nella lavorazione dei materiali ISO P

I materiali ISO P comprendono i metalli denominati comunemente acciai. Pur non presentando particolari sfide per la lavorazione, quali ad esempio quelle delle leghe resistenti al calore utilizzate nelle applicazioni aerospaziali, gli acciai legati e le ghise risultano essere i materiali più utilizzati dalla maggior parte delle industrie. Tale diversità d’uso ha determinato lo sviluppo di un’ampia gamma di acciai legati con proprietà fisiche diverse che pongono una serie di problemi nell’asportazione di truciolo. Problemi che, andando a sommarsi alle considerazioni economiche derivanti dalle richieste di alti volumi di produzione, rendono la lavorazione degli acciai ISO P una sfida significativa sia per i produttori che per i costruttori degli utensili usati per lavorarli.

 

Sistema ISO

La classificazione ISO suddivide i materiali da lavorare in sei categorie. Il gruppo K è costituito dalle ghise, mentre le superleghe resistenti al calore, incluse quelle a base di nichel e di titanio, appartengono al gruppo S. I materiali del gruppo H sono caratterizzati dalla durezza e fondamentalmente includono gli acciai temprati a 45-65 HRc. Gli acciai inossidabili, con contenuto di cromo superiore al 12%, costituiscono il gruppo M. Il gruppo N comprende i metalli non ferrosi, principalmente l’alluminio e il rame e l’ottone. Infine, il gruppo P include gli acciai non legati, basso-legati e alto-legati, le leghe temprate fino a 400 HB e gli acciai con contenuto di cromo al massimo al 12%. Anche alcune ghise malleabili a truciolo lungo fanno parte del gruppo ISO P.

Le classificazioni si basano in larga misura sulle proprietà fisiche dominanti dei diversi materiali. Queste proprietà essenzialmente determinano come il materiale reagisce alla lavorazione e, a sua volta, come la lavorazione influisce sul taglio. I metalli del gruppo K sono caratterizzati da abrasività, che accelera l’usura dell’utensile. Le superleghe resistenti al calore del gruppo S generalmente hanno una bassa conduttività termica, con conseguente concentrazione del calore nella zona di taglio e deformazione dell’utensile. La durezza dei metalli del gruppo H crea una grande pressione sull’utensile, che genera anche calore. Il gruppo M è caratterizzato da incrudimento, ossia il materiale da lavorare si indurisce man mano che si deforma durante l’asportazione. La maggiore pressione di taglio e la generazione del calore possono causare usura ad intaglio e altri problemi. I metalli del gruppo N tendono ad aderire all’utensile, con conseguente incollamento del truciolo sul tagliente, scarsa finitura della superficie e frattura dell’utensile.

Poiché ciascuno dei cinque gruppi ISO menzionati ha una proprietà fisica che li caratterizza in modo più o meno dominante, è possibile progettare gli utensili da taglio in modo da compensare, in una certa misura, gli effetti negativi di tale proprietà sull’utensile. I taglienti per la lavorazione dei materiali del gruppo H, ad esempio, tendono ad essere piuttosto resistenti, mentre i taglienti progettati per lavorare i materiali del gruppo N sono affilati e progettati per favorire il deflusso del truciolo e ridurre al minimo l’adesione.

I pezzi in lavorazione del gruppo ISO P pongono invece sfide più complesse. Gli acciai in generale e gli acciai legati nelle varie composizioni, in particolare, possono presentare più di una o persino tutte le proprietà che influiscono sugli utensili da taglio, anche se in genere non al massimo grado. Ciò costituisce un vero enigma per i progettisti; in molti casi, un tagliente affilato progettato per contrastare la tendenza all’adesione di un acciaio basso-legato può non essere in grado di contrastare le caratteristiche abrasive di un altro tipo di acciaio. Inoltre, lo sviluppo di acciai legati speciali continua incessantemente perché i costruttori cercano materiali in grado di soddisfare le richieste di prestazioni specifiche dei loro clienti.

HQ_ILL_ISO_Classification_Workpiece_Materials

Conoscenza della lavorazione dei metalli

Quando si lavorano acciai legati, trovare un equilibrio produttivo tra le proprietà prestazionali dell’utensile è un gioco da funamboli. Per raggiungere tale equilibrio è necessario conoscere la natura della lavorazione e l’interazione tra il materiale in lavoro e l’utensile.

La lavorazione dei metalli non è un processo comparabile all’azione di un coltello. Il processo di lavorazione dei metalli al contrario consiste nell’esercitare una pressione sul materiale da lavorare finché questo si deforma e si separa sotto forma di truciolo. L’azione di taglio è accompagnata da molti effetti collaterali. Le forze meccaniche richieste per deformare adeguatamente il materiale generano molta pressione e molto calore, con temperature nell’ordine di 800-900 °C. I tagli interrotti o la lavorazione di componenti con inclusioni dure sottopongono l’utensile da taglio ad impatto. Oltre alle considerazioni meccaniche, gli alti livelli di calore e pressione possono catalizzare le reazioni chimiche tra il materiale del tagliente ed il componente in lavorazione, producendo usura chimica con effetti di diffusione e craterizzazione. Infine, l’asportazione di truciolo implica attriti elevati. Quando il truciolo si forma e sfrega contro l’utensile, crea attrito e quelli che sono chiamati effetti tribologici. La tribologia è la scienza che studia le superfici a contatto tra loro a determinate temperature e pressioni e determina in che misura le superfici si modificano l’una con l’altra. Tutte queste forze ed interazioni producono diversi risultati, il più importante dei quali è probabilmente l’usura dell’utensile.

 

Acciai diversi, utensili diversi

Gli effetti della lavorazione di componenti in acciaio variano a seconda della composizione dell’acciaio legato e del processo di produzione. Gli acciai non legati con contenuto di carbonio inferiore allo 0,25% sono stati sviluppati, ad esempio, per la costruzione di assali automobilistici che richiedono resistenza meccanica e resistenza agli impatti ed alle fratture. Queste leghe laminate o forgiate producono trucioli che si staccano con difficoltà e che sfregano sulla superficie dell’utensile producendo usura a cratere e problemi di adesione. Per questi materiali gli utensili sono progettati con taglienti affilati per poter tagliare in modo più efficace ed il loro rivestimento è resistente all’usura chimica e può fornire scorrevolezza alla superficie di taglio.

D’altro canto, gli acciai alto-legati con contenuto di leganti superiore al 5%, e con presenza di elementi quali manganese, possono essere temprati per l’uso in componenti che richiedano resistenza all’usura e rigidità, come i componenti idraulici e i componenti di macchine utensili. In genere, i trucioli si formano e si staccano facilmente, ma gli utensili che lavorano queste leghe sono soggetti a pressioni e temperature elevate. Se il grezzo è stato prodotto tramite fusione o forgiatura, la superficie ruvida ed eventuali inclusioni dallo stampo richiedono utensili da taglio tenaci e resistenti all’usura abrasiva.

Esempio di un inserto progettato per tornitura di acciaio: WNMG080404-MF2,TP1500.
Esempio di un inserto progettato per tornitura di acciaio: WNMG080404-MF2,TP1500.

 

Esempio di un inserto progettato per fresatura di acciaio: LOEX080404TR-M08, F40M.
Esempio di un inserto progettato per fresatura di acciaio: LOEX080404TR-M08, F40M.

Considerazioni di carattere economico

In produzione l’obiettivo tradizionale è di produrre un numero maggiore di componenti in tempi più rapidi e quindi richiede l’applicazione dei parametri di taglio più aggressivi possibili. Tuttavia, altri problemi influiscono su questo semplice obiettivo. Considerazioni economiche possono svolgere un grande ruolo nella scelta dei parametri di taglio. Ad esempio, i componenti aerospaziali realizzati in leghe esotiche sono prodotti per lo più in volumi relativamente bassi. I costruttori lavorano le parti con ritmi prestabiliti per ottenere la massima affidabilità del processo e salvaguardare i costosi materiali da lavorare ed i dispendiosi tempi di produzione relativi alle lavorazioni già effettuate. Per questo le velocità e gli avanzamenti adottati sono in genere produttivi ma prudenti.

L’approccio alla lavorazione dei componenti in acciaio è spesso diverso. Molte parti in acciaio vengono prodotte in volumi elevati e in tempi il più possibile rapidi per massimizzare la redditività di componenti relativamente semplici e realizzati in materiali meno costosi. Le velocità di taglio elevate, la tipica strada che conduce a una maggiore produttività, richiedono taglienti con substrati in grado di assicurare robustezza a temperature elevate. Alla luce del crescente utilizzo di acciai legati, può diventare necessario per i costruttori o le officine di lavorazione consultarsi con i costruttori di utensili in modo da individuare la qualità e la geometria che meglio si adattano a una particolare applicazione. Il continuo sviluppo degli utensili mira a sviluppare prodotti in grado di affrontare i molteplici problemi presentati dagli acciai legati. I produttori cercano utensili che siano più affilati e più resistenti, con rivestimenti e geometrie progettate per resistere al calore, alla pressione e agli effetti chimici e di usura per adesione.

 

Rispetto dell’ambiente

Considerazioni relativamente nuove influenzano la scelta dei parametri di lavorazione dei componenti in acciaio. Molti costruttori stanno ora perseguendo iniziative di lavorazione ecosostenibili  o “verdi“. Queste iniziative includono la riduzione dei consumi energetici e degli scarti generati durante la lavorazione. Sebbene le sfide tecnologiche rimangano di primaria importazione nella lavorazione dei materiali esotici, i problemi ambientali stanno crescendo di importanza anche durante la lavorazione degli acciai.

Un modo per ridurre i consumi energetici è ridurre le velocità di taglio. In molti casi è possibile mantenere la produttività aumentando proporzionalmente l’avanzamento e la profondità di taglio. Oltre a risparmiare energia, tali strategie assicurano anche una maggiore durata dell’utensile. Ciò a sua volta riduce il flusso degli scarti di lavorazione nel senso che un minor numero di taglienti e inserti “usa e getta” viene consumato per produrre un pari numero di pezzi. L’uso di velocità di taglio inferiori genera anche minor calore, che a sua volta riduce la richiesta di refrigerante, anch’esso un prodotto di scarto indesiderato del processo produttivo.

HQ_ILL_Specific_Energy_Graph

Conclusioni

Poiché gli acciai ISO P sono percepiti come molto familiari e largamente applicati a componenti comuni, la loro lavorazione coinvolge leghe che in genere non sono oggetto di vivo interesse e analisi. Tuttavia, quando i costruttori comprendono che gli acciai presentano molteplici sfide di lavorazione che possono essere superate con un’attenta scelta dell’utensile, le produzioni con grandi lotti riescono a beneficiare di aumenti di produttività, maggiore redditività ed anche tutela dell’ambiente con piccole migliorie nel processo produttivo.

 

Con sede a Fagersta, in Svezia, e presente in oltre 50 paesi, Seco Tools è un fornitore globale di soluzioni per lavorazioni ad asportazione di truciolo di fresatura, tornitura, lavorazione fori e sistemi di utensili. Da più di 80 anni offre ai propri clienti le tecnologie, i processi e l’assistenza necessari per massimizzare produttività e redditività.

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here