Lavorazioni Meccaniche – Asportazione di truciolo
Rivista Macchine Utensili – edizioni Tecniche Nuove – ottobre 2012
La foratura profonda è particolarmente richiesta per stampi in plastica, pressofusione, termoformatura, particolari aeronautici, particolari oleodinamici, trasmissioni meccaniche, pezzi per biomedicale e, in genere, laddove occorre alleggerire e/o raffreddare ricorrendo a fori.
Con il termine foratura profonda si intende la lavorazione per asportazione di truciolo di fori caratterizzati da un rapporto fra profondità e diametro relativamente grande. Di norma viene ritenuta “profonda” una foratura con una lunghezza che supera almeno di 5 volte il diametro, arrivando ad un limite massimo di 150:1.
Il range è evidentemente notevole ed è quindi coperto da tecnologie differenti, con risultati e costi differenti, il cui impiego va valutato caso per caso.
La foratura profonda è particolarmente richiesta per stampi in plastica, pressofusione, termoformatura, particolari aeronautici, particolari oleodinamici, trasmissioni meccaniche, pezzi per biomedicale e, in genere, laddove occorre alleggerire e/o raffreddare ricorrendo a fori.
Per quanto riguarda i piazzamenti macchina, il più comune vede il pezzo rotante e l’avanzamento lineare dell’utensile, anche se possono essere anche a utensile rotante o sia utensile che pezzo rotanti. Comunque, indipendentemente dal tipo di piazzamento, ci si rifà ai principi base della foratura, ponendo particolare attenzione nella scelta di velocità di taglio e avanzamento, cruciali per il controllo del truciolo e nella sua evacuazione senza creare danni al pezzo o all’utensile.
La foratura profonda è caratterizzata da una elevata precisione, in termini di rettilineità del foro, tolleranza dimensionale e finitura superficiale, e da utensili con particolare evacuazione del truciolo e lubrorefrigerazione. Questo tipo di lavorazione può essere eseguita con punte elicoidali, punte a cannone, a singolo o doppio tubo. In realtà, spesso si parla di “sistema” più che di punte perché viene usata una combinazione di configurazione dell’utensile e pressione del fluido da taglio, per evacuare i trucioli dal foro.
Tutte queste soluzioni presentano comunque delle criticità legate principalmente alla refrigerazione, all’evacuazione del truciolo e all’assialità dei fori che sono insite nel tipo di lavorazione e che ogni tipologia di utensile tenta comunque di minimizzare.
Generalizzando, l’utensile per foratura profonda deve essere rigido ed esente da vibrazioni, avere uno spazio sufficiente per il truciolo e la sua evacuazione, permettere l’adduzione del fluido da taglio, ed avere caratteristiche tali a garantire una durata adeguata.
Le punte
La punta elicoidale è una punta storica, ampiamente usata, ma che non permette di ottenere forature con lunghezze superiori a 10-12 volte il diametro; questo limite è superato dalle altre punte, in particolare quelle a cannone che permettono inoltre di raggiungere valori di rugosità molto bassi, asse di foratura perfettamente lineare e maggiore produttività.
Oggi la vecchia punta in acciaio ritorto con i fori di lubrificazione sta andando in pensione, sostituita con punte elicoidali in metallo duro, o con 4 taglienti ed affilature molto complesse, o con fori di lubrificazione interni con getti direzionati in maniera tale da facilitare al massimo l’evacuazione del truciolo.
Il sistema di foratura profonda che utilizza la punta a cannone prevede l’adduzione interna del fluido refrigerante e l’evacuazione esterna del truciolo, attraverso scanalature a V. Nate negli Stati Uniti e sviluppatesi in Europa negli anni ’70, le punte a cannone permettono di lavorare materiali anche molto duri e con un controllo difficile del truciolo.
Mentre la punta elicoidale inizia a forare lavorando sul proprio asse, quella a cannone lavora ruotando attorno al proprio asse, ed è quindi in grado di realizzare fori profondi in tolleranza e con asse dritto. Ancora: la punta a cannone taglia all’asse verso la periferia, scaricando la forza di taglio sul pattino, eseguendo una rullatura sul foro che quindi, oltre ad essere dritto, sarà estremamente preciso, riducendo drasticamente la necessità di successiva lappatura.
Se un foro è prodotto con punta elicoidale, la qualità dell’affilatura influenza anche lo scostamento dal centro del foro e possono insorgere disparità di forze sui taglienti, con conseguenti fori allargati. Nel caso di punte a cannone monotagliente le forze di taglio sono assorbite dai pattini di supporto, ottenendo quindi una buona centratura e valori di tolleranza anche molto stretti.
Il sistema a tubo singolo, noto anche come STS, prevede l’adduzione esterna del fluido refrigerante e l’evacuazione interna del truciolo. Il metodo operativo più diffuso è quello dell’utensile fisso e pezzo rotante, ma può anche essere adottato pezzo fisso e punta rotante. L’STS trova impiego nella foratura di materiali con scarsa formazione di truciolo (es. acciaio inox e acciaio a basso tenore di Carbonio) o nei materiali con struttura non omogenea, quando esistono problemi di controllo del truciolo. È preferibilmente adottato quando è richiesta una elevata produttività.
Il sistema a doppio tubo, noto anche come Ejector, è molto simile all’STS, con adduzione di fluido da taglio interna e anche evacuazione del truciolo interna, con i trucioli che vengono come risucchiati col fluido ed evacuati attraverso il secondo tubo interno. Come per l’STS, il metodo operativo più diffuso è punta fissa e pezzo rotante. Il sistema Ejector è facilmente adattabile alle macchine esistenti, anche a quelle tradizionali; trova applicazione nei casi in cui è possibile eseguire un preforo anziché usare una bussola guida punta.
L’utensile e la macchina
La foratura profonda, ancor più di altre lavorazioni, richiede una buona sinergia fra utensile e macchina utensile, in particolare per quanto riguarda l’assenza di vibrazioni e il sistema di lubrorefrigerazione. I migliori risultati in foratura profonda si ottengono con l’equilibrio di diversi fattori chiave che, partendo da una accurata progettazione del sistema punta, si correlano strettamente colla macchina e la sua costruzione, con il ciclo operativo, quantità, col refrigerante in termini di pressione, temperatura e filtraggio. La corretta calibratura di questi fattori va nella direzione della produttività, permettendo di effettuare molti metri di foratura nel rispetto della qualità e con considerazioni economiche di processo. La lavorazione di foratura profonda prevede un utensile lungo e sottile serrato ad un estremo, che, entrando nel pezzo in profondità, è importante che non si fletta, supportato da una struttura spingente molto rigida e ferma.
Per le lavorazioni con punte a cannone in particolare, i migliori risultati si ottengono con macchine dedicate, ma in questo caso, possono nascere punti di frizione quando il cliente, per esigenze di mercato, chiede una sempre maggiore ampiezza applicativa: una macchina che cerca di soddisfare un campo troppo ampio può essere critica nei valori estremi, sia dal punto di vista strutturale che da quello dell’utensile.
L’importanza della refrigerazione
In un sistema di foratura, il refrigerante ha il compito di dissipare il calore, evacuare i trucioli, aumentare la durata del tagliente ed avere azione lubrificante sui pattini. In foratura profonda, la refrigerazione è sempre forzata e viene portata sui taglienti attraverso tutta la lunghezza della punta; è fondamentale che il sistema di raffreddamento fornisca all’utensile una quantità adeguata di refrigerante pulito, a pressione e temperatura idonee.
Lo schema procedurale generalizzato prevede che il fluido da taglio venga immesso in pressione, in modo da avere un effetto refrigerante determinando al contempo un flusso di ritorno che facilita l’evacuazione dei trucioli. Questo schema viene “localizzato” a seconda del sistema di taglio e del materiale.
Parametri fondamentali sono la pressione, assicurata da una pompa, e la quantità. Nel caso di richiesta di raffreddamento molto elevato è possibile collegare due o più pompe ad un collettore in modo da ottenere un’adatta adduzione.
Il fluido deve essere pulito: un adeguato filtraggio del refrigerante, fino a 10-20 micron, può aumentare considerevolmente la durata tagliente. Per quanto riguarda la vasca, in genere si considera che debba avere una capacità pari a circa 10 volte la portata al minuto della pompa, in modo da garantire l’eliminazione dello sporco e la dissipazione del calore, con un tempo di sosta in vasca del fluido di circa 10 minuti. Infatti quasi tutta l’energia prodotta al taglio, aggiunta all’energia di pompaggio, legata alla potenza della pompa, viene trasformata in calore che viene assorbito dal fluido da taglio e che quindi deve essere dissipato. Con temperature del fluido superiori a 50-60°C, utensile e pompa non lavorano in maniera corretta e si avrà un decadimento veloce del fluido. Di norma i migliori risultati si ottengono con temperature mantenute entro i 30-40°C. Se le dimensioni della vasca non riescono a garantire un raffreddamento adeguato del fluido, come nel caso di produzione continua, uno scambiatore di calore o altro sistema di raffreddamento sono spesso consigliati.
Di norma si utilizza un filtro per separare i trucioli e le piccole particelle metalliche dal liquido refrigerante.
Per quanto riguarda i fluidi, l’olio è in genere la scelta prioritaria in quanto garantisce una maggiore durata del tagliente, un controllo del truciolo più efficace, e per contenere il rischio di depositi se la macchina non lavora in continuo. Per contro l’emulsione è la scelta alternativa preferibile quando la foratura viene eseguita su centri ad alta velocità o su linee con un’unica vasca centrale. Rispetto all’olio, l’emulsione svolge in più una funzione lavante, ma non sempre la sua preparazione è semplice, così come la sua manutenzione, che prevede accurati controlli e regolazioni sia in fase di utilizzo che a macchine ferme.
Il truciolo
La formazione del truciolo è influenzata da vari fattori, fra cui spiccano la duttilità del materiale, la geometria dei rompi trucioli, la scelta del fluido da taglio e l’avanzamento, che agisce direttamente sullo spessore del truciolo. In foratura profonda è vitale che i trucioli possano essere allontanati dalla punta, se si vuole controllare il truciolo in maniera efficace ed avere un riscontro positivo sull’esito della lavorazione: i trucioli devono essere formati e spezzati in modo tale da scorrere correttamente e costantemente attraverso i condotti di scarico.
Il truciolo ideale dovrebbe avere dimensioni paragonabili in lunghezza e altezza, ma, nel caso di sistemi STS o Ejector, anche una lunghezza fino a 3 volte la larghezza è accettabile, sempre che il truciolo possa passare nel condotto di scarico senza difficoltà. Infatti un truciolo troppo lungo o largo tende ad attorcigliarsi sull’utensile o anche ostruire i condotti di scarico delle punte, andando a comprometterne l’integrità, ed a sfregare sulle pareti del foro, rovinando la finitura. Analogamente un truciolo troppo spezzettato non è gradito in quanto la rottura comporta un consumo di potenza ed il calore che si sviluppa aumenta l’usura sui taglienti.
In generale, da un punto di vista strettamente tecnologico, trucioli più corti si ottengono incrementando l’avanzamento e/o abbassando la velocità di taglio. In realtà la scelta viene fatta considerando l’alternativa più economica fra le possibili combinazioni dei parametri di taglio.
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