Nella lavorazione meccanica, la selezione dell'angolo di spoglia è fondamentale poiché influenza le forze di taglio, il flusso di calore dei trucioli e la qualità della superficie. Adattando la forma dell'angolo di spoglia sia all'operazione che al materiale, si aumenta la durata dell'utensile e l'efficienza complessiva. In questo contesto, abbiamo affrontato uno degli angoli più importanti che riguardano l’utensile: l’angolo di registrazione, o angolo di attacco.
Definizione e Importanza degli Angoli di Spoglia
L'angolo di spoglia svolge un ruolo importante nella lavorazione. Influisce sulla durata dell'utensile, sulla formazione dei trucioli e sull'efficienza di taglio. L'angolo di spoglia è definito dalla distanza tra la faccia dell'utensile e una linea normale alla superficie del pezzo. Grazie a questa geometria, il tagliente incontra il materiale in modo diverso, influenzando il contatto durante tutta la lavorazione. Le operazioni tipiche utilizzano angoli di spoglia compresi tra -15° e +25°.
Comprendere le differenze tra i diversi tipi di angolo di spoglia consente agli operatori di scegliere la geometria dell'utensile più adatta all'operazione e al materiale. L'ampiezza dell'angolo di spoglia risolve principalmente il problema della rigidità e dell'affilatura della testa di taglio.
Angolo di Spoglia Positivo
L'angolo di spoglia è detto positivo quando la faccia dell'utensile si inclina in direzione opposta al tagliente. Utilizzando un angolo di spoglia positivo è possibile ridurre sia il consumo energetico che la forza di taglio fino al 25%. Con un angolo di spoglia positivo, si formano trucioli continui e arricciati che lasciano rapidamente la zona di taglio. Inoltre, gli angoli positivi riducono la resistenza, il deflusso del truciolo e lo stress termico. La temperatura diminuisce man mano che l'angolo di spoglia diventa più positivo; valori positivi maggiori producono tagli più freddi. Tuttavia, il bordo diventa sottile e mal supportato, quindi si usura prima. Le impostazioni molto positive assottigliano il tagliente e favoriscono la scheggiatura.
Angolo di Spoglia Negativo
Quando la superficie di taglio è inclinata in direzione opposta a quella di avanzamento, l'angolo di spoglia diventa negativo. Questo crea angoli di taglio che possono raggiungere fino a 110°. Un'inclinazione negativa rinforza il tagliente dell'utensile e può prolungarne la durata del 30-40%. Con un angolo di spoglia negativo, i trucioli si frammentano, separandosi facilmente ma richiedendo forze di taglio più elevate. Gli angoli di spoglia negativi aumentano la temperatura di taglio perché aumenta la deformazione di taglio. Questa resistenza extra ha un costo: il fabbisogno energetico e i carichi di taglio aumentano nettamente. Una pressione maggiore può peggiorare la finitura superficiale. Un valore negativo ridotto aiuta anche a ridurre le crepe durante il nanotaglio. Al contrario, l'angolo di spoglia negativo rinforza il tagliente e limita l'usura per craterizzazione.
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Angolo di Spoglia Neutro
Per una spoglia neutra, la faccia dell'utensile è inclinata di 90° rispetto alla direzione di avanzamento. Questo crea un angolo di 90°. La produzione e la riaffilatura di un angolo di spoglia neutro sono semplici, quindi i costi rimangono bassi. Il suo principale svantaggio è lo scarso controllo del truciolo; i trucioli in uscita possono colpire e graffiare la superficie dell'utensile.
Fattori Determinanti nella Scelta dell'Angolo di Spoglia
La scelta di un angolo di spoglia appropriato ha un impatto significativo sui risultati di lavorazione. Molti parametri devono essere considerati nella scelta di un inserto di tornitura e della sua geometria.
Materiale del Pezzo
Materiali diversi richiedono angoli di taglio diversi. L'alluminio richiede in genere una tolleranza compresa tra +20° e +25°, un intervallo che favorisce una rapida rimozione del truciolo. L'acciaio inossidabile solitamente lavora bene a +8° e +10°. Quando si tagliano leghe di titanio, è consigliabile mantenersi tra 0° e +4° per ridurre la scheggiatura del tagliente. Durante la lavorazione termoplastici, utilizzare angoli di spoglia compresi tra +10° e +30°.
Tipo di Operazione
Oltre al materiale, anche il tipo di operazione influisce sulla scelta dell'angolo di spoglia migliore. L'angolo di spoglia dovrebbe essere piccolo durante la sgrossatura e grande durante la finitura. La sgrossatura, che si concentra su un'elevata asportazione di materiale, favorisce angoli di spoglia negativi per una maggiore resistenza. La finitura punta a efficienza e scorrevolezza, quindi angoli di spoglia positivi offrono risultati migliori.
Considera prima le proprietà di elaborazione. Nella lavorazione di finitura, prendere un valore grande per l'angolo posteriore, e nella lavorazione di sgrossatura, prendere un valore piccolo per l'angolo posteriore. In fase di finitura, l'angolo di spoglia assume un valore elevato, mentre in fase di sgrossatura assume un valore ridotto.
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Rigidità del Sistema
Innanzitutto, considerare la rigidità del sistema di processo di tornitura composto da torni, attrezzature e utensili. Se il sistema ha una buona rigidità, l'angolo di attacco dovrebbe essere piccolo, il che contribuisce a migliorare la durata degli utensili di tornitura, migliorare le condizioni di dissipazione del calore e la rugosità superficiale. Se il sistema ha una buona rigidità, l'angolo di attacco dovrebbe essere considerato un valore piccolo, il che è vantaggioso per migliorare la durata dell'utensile di tornitura, le condizioni di dissipazione del calore e la rugosità superficiale.
Materiale dell'Utensile
Il materiale utilizzato per la parte tagliente può variare a seconda dell'applicazione. Acciaio rapido (HSS), metallo duro, ceramica e nitruro di boro cubico (CBN) sono materiali comuni. Materiali dell’utensile duri e fragili non resistono bene a azioni interne di taglio e flessione, mentre resistono bene a azioni di compressione, quindi richiedono γ0 piccoli o negativi. Dipende dal materiale dell’utensile (se poco tenace, minori valori di α0).
Corso di tornitura: l'angolo di registrazione
Angolo della Punta dell'Utensile
L'angolo della punta dell'utensile influenza la robustezza della punta. L'intersezione del tagliente principale e del tagliente secondario è chiamata punta dell'utensile o naso dell'utensile. Durante la lavorazione termoplastici, utilizzare angoli di punta compresi tra 90° e 118°.
Angoli Specifici e Loro Funzione
Angolo di Spoglia Superiore Ortogonale (γ0)
γ0 maggiori (quindi più positivi) determinano: minori deformazioni, minori pressione di taglio, minori forze (a parità di forze, aumentare il γ0 permette di aumentare i parametri di processo f e/o ap), minore potenza assorbita, minore attrito di scorrimento, minori temperature di esercizio, minore resistenza dello spigolo tagliente. Materiali in lavorazione meno resistenti (meno duri) consentono angoli γ0 maggiori. γ0 negativi aumentano le forze, la temperatura e la potenza assorbita. Di solito, l'angolo di spoglia (γ0) non è preimpostato quando si realizza l'utensile di tornitura, ma l'angolo di spoglia si ottiene affilando la scanalatura del truciolo sull'utensile di tornitura. La scanalatura di scarico truciolo è anche chiamata rompitruciolo.
Angolo di Spoglia Inferiore Ortogonale (α0)
Durante la lavorazione l’utensile descrive un’elica di passo f e diametro D. La traccia OL è inclinata di un angolo φ che riduce l’ampiezza di α0 ad (α0 - φ). Deve essere positivo per evitare lo strisciamento del fianco principale sulla superficie lavorata. Se troppo elevato diminuisce la sezione resistente. Angoli troppo bassi determinano un più veloce raggiungimento dell'usura dorsale. Dipende dal materiale da lavorare (maggiore è la pressione di taglio minore deve essere α0).
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Angolo di Registrazione (KAPR) o Angolo di Attacco (PISR)
L'angolo di registrazione (KAPR) o angolo di attacco (PISR) è l’angolo compreso tra il tagliente e la direzione di avanzamento. È importante scegliere il giusto angolo di registrazione/attacco per garantire il successo di un'operazione di tornitura. Come abbiamo visto nella lezione, l’angolo di registrazione è un dato fondamentale soprattutto per il programmatore. Esso, oltre ad essere un dato da inserire nelle liste utensili dei vari controlli numerici, è anche l’angolo che influenza la fattibilità di una lavorazione o meno.
Uno degli utensili più versatili dal punto di vista della programmazione è l’utensile che monta l’inserto di forma C, ossia il romboidale con angolo tra i taglienti pari a 80°. La sua versatilità è dovuta al fatto che permette di affrontare le lavorazioni longitudinali o trasversali con lo stesso angolo di attacco. Questo utensile permette di affrontare le lavorazioni trasversali come ad esempio l’operazione di intestatura del pezzo, con le stesse profondità di passata delle passate di sgrossatura longitudinali. La differenza sarà legata principalmente alle forze e alla tenuta del pezzo; solitamente le passate di intestatura si eseguono con profondità di passata moderate perché le forze tendono a far fuoriuscire il pezzo dai morsetti.
Angolo di Registrazione Secondario
Vediamo ora di capire quando ci serve conoscere l’angolo di registrazione secondario; avremo bisogno di conoscere l’angolo di registrazione secondario nel momento in cui dovremo eseguire degli scarichi o delle gole. Conoscere l’angolo di registrazione ci permetterà di scegliere l’utensile corretto per poter affrontare la lavorazione correttamente. Prendiamo come esempio l’utensile per esterni più diffuso per eseguire le gole di scarico, ossia l’utensile che monta il romboidale di forma D pari a 55° come angolo tra i taglienti. Quindi 180-93-55=32°. L’angolo di penetrazione massimo dovrà tenere conto di un angolo minimo di sicurezza che permetterà di evitare il tallonamento sul tagliente secondario. Il valore minimo è di circa 3° ma meglio se consideriamo 5° di sicurezza. Quindi per calcolare l’angolo massimo di penetrazione basterà togliere 3° all’angolo di registrazione secondario e nel nostro caso avremo 32°-3°=29°.
Angolo di Inclinazione del Tagliente Principale (λS)
Angoli negativi consentono di ottenere utensili più robusti e di passare da sollecitazioni di taglio a sollecitazioni di compressione. In questo caso agiscono forze più elevate (problema delle vibrazioni). Dipende principalmente dalla natura dell'elaborazione. Durante la sgrossatura, il pezzo in lavorazione ha un grande impatto sull'utensile di tornitura e viene considerato λS minore o uguale a 0 gradi. Durante la lavorazione di finitura, la forza d'urto del pezzo in lavorazione sull'utensile di tornitura è piccola e λS maggiore o uguale a 0 gradi; solitamente λS=0 grado.
Angolo di Direzione del Tagliente Principale (kr)
Questo angolo influenza le componenti della forza di taglio. kr ridotti consentono maggiori durate del tagliente, ma determinano un aumento della forza di taglio e della forza di repulsione. Si consigliano: kr = 90° per la realizzazione di spallamenti; kr < 90° in condizioni di lavoro normali e con sistemi macchina-pezzo-utensile rigidi.
Angolo di Taglio
La dimensione dell'angolo di taglio risolve principalmente la contraddizione tra la fermezza e l'affilatura della testa di taglio. Pertanto, l'angolo di taglio deve essere selezionato in primo luogo in base alla durezza del materiale lavorato. Se la durezza del materiale lavorato è elevata, l'angolo di spoglia dovrebbe essere preso come un valore piccolo, altrimenti dovrebbe essere preso un valore grande. In secondo luogo, l'entità dell'angolo di taglio deve essere considerata in base alla natura della lavorazione. L'angolo di spoglia dovrebbe essere considerato un valore piccolo durante la lavorazione di sgrossatura e l'angolo di spoglia dovrebbe essere considerato un valore elevato durante la lavorazione di finitura.
Considerazioni sugli Inserti e la Geometria dell'Utensile
La scelta degli utensili e degli inserti per i lavori di tornitura può essere difficoltosa soprattutto se si è alle prime armi e si ha poca esperienza. Selezionare la geometria dell'inserto in base all'operazione selezionata.
Utensili da Interni e da Esterni
Gli utensili da tornitura per esterni sono generalmente più corti e non ridotti verso l’inserto, mentre quelli da interni sono più lunghi e rastremati in modo da consentire l’inserimento nei fori. Negli utensili da tornitura per interno è sempre indicato il diametro minimo di lavoro ossia il foro minimo di accesso.
Forme e Dimensioni degli Utensili
L'utensile da tornitura si trova in molte forme, gli stessi inserti possono essere attaccati su utensili con angoli di attacco diversi, quindi prima di scegliere valuta se dovrai eseguire delle lavorazioni in esterno, in interni, su gole. Inoltre la torretta del tornio, a seconda della grandezza e potenza, non può montare tutte le dimensioni quindi verifica la misura massima del codolo.
Inserti Positivi o Negativi
La peculiarità degli inserti per tornitura è che hanno tutte dimensioni ed attacchi identici. Questo permette che una volta acquistato l’utensile ISO se non saremo contenti dei risultati ottenuti con una specifica marca di inserti potremo acquistarne un’altra senza sostituirlo. Cosa che invece è meno frequente negli inserti di fresatura.
Un inserto negativo ha un angolo di 90° (angolo di spoglia inferiore di 0°), mentre un inserto positivo ha un angolo inferiore a 90° (ad es. angolo di spoglia inferiore di 7°).
Inserti Negativi
Gli inserti per tornitura negativi hanno un tagliente meno affilato, ossia hanno un angolo di spoglia inferiore a “0”. Sono robusti e idonei per acciai con durezze elevate. Questa tipologia li raccomandiamo per lavorazioni in esterno, per sgrossatura, taglio interrotto (es. tornitura di saldature) finiture meno accurate. Quelli più diffusi sono CNMG, DNMG, KNUX, SNMG, TNMG, VNMG, WNMG.
Inserti Positivi
Gli inserti per tornitura positivi hanno un tagliente più affilato con un angolo di spoglia intorno ai 7°e sono raccomandati sia per lavorazioni da interni che da esterni ma con impegni leggeri. Li raccomandiamo per lavorazioni di finitura, taglio continuo, basse asportazioni, finiture molto accurate di acciaio dolci, leghe leggere e plastiche. Gli inserti da tornitura positivi più diffusi sono CCMT, DCMT, SCMT, TCMT, VBMT, WCMT.
Raggio degli Inserti da Tornitura (RE)
Gli inserti sono fornibili in diversi raggi di contatto e quelli più diffusi sono 0.4-0.8-1.2. Maggiore sarà il valore del raggio e più l’inserto sarà robusto ma richiederà più potenza per lavorare al vostro tornio con possibile aumento anche delle vibrazioni innescate. Al contrario minore sarà il raggio e maggiore il rischio di rottura perché la parte a contatto è minore, in questo caso però le vibrazioni saranno chiaramente minori. Il raggio di punta (RE) è un fattore di grande importanza nelle operazioni di tornitura. Sono disponibili inserti con raggi di punta di diverse misure. La relazione tra il raggio di punta e la profondità di taglio incide sulla tendenza alle vibrazioni. Le forze assiali sono preferibili rispetto a quelle radiali.
Grado degli Inserti da Tornitura
Il grado indica il materiale con cui è composto l'inserto (una miscela di polveri di metallo duro) ed il grado di bilanciamento tra la resistenza agli urti, al calore, all’usura.
Geometria del Tagliente e dell'Inserto
La geometria del tagliente, inclusa la sua forma, l'angolo e la spoglia, è fondamentale per ottenere l'azione di taglio e la finitura superficiale desiderate. Le geometrie per la tornitura possono essere suddivise in tre tipi di base ottimizzati, rispettivamente, per le operazioni di finitura, lavorazione media e sgrossatura. Per ottimizzare la resistenza e l'affidabilità dell'inserto, è opportuno selezionare il massimo angolo di punta possibile. Con una dimensione d'inserto più grande, la stabilità è migliore. La geometria raschiante -WMX è la scelta prioritaria e rappresenta un buon punto di partenza per la maggior parte delle applicazioni. -WF: per migliorare il controllo truciolo a valori inferiori di fn/ap. -WMX: sempre la scelta prioritaria nell'ampio campo di applicazione dei materiali che generano trucioli. -WR: quando è necessario un filo tagliente più robusto.
Misurazione e Controllo degli Angoli di Spoglia
Gli angoli di spoglia vengono controllati con un comparatore ottico che offre una precisione di circa ±0.2° o con goniometri a contatto che offrono una precisione di ±0.5°. Le superfici di spoglia complete vengono scansionate in pochi secondi da moderni profilometri ottici 3D, raggiungendo una precisione di ±2 micron. L'osservazione dei crateri e dell'usura sui fianchi aiuta a valutare il funzionamento dell'angolo di spoglia scelto.
Per determinare e misurare l'angolo geometrico dell'utensile da taglio del tornio, è necessario selezionare tre piani ausiliari come riferimento. Il piano di riferimento funge da base per la misurazione degli angoli di taglio. L'utensile da taglio viene posizionato sul piano di riferimento, con la punta a contatto con la superficie. Il tagliente dell'utensile da taglio del tornio viene allineato con il piano di riferimento durante la misurazione. Se necessario, è possibile apportare modifiche alla posizione o all'orientamento dell'utensile per ottenere gli angoli di taglio desiderati.
Regolazioni e Limiti
Se un angolo di spoglia negativo elevato genera troppo calore, è necessario regolare il flusso del refrigerante. Evitare valori estremi che mettono a rischio le prestazioni o riducono la durata dell'inserto. Le ricerche dimostrano che un'impostazione da +10° a +12° riduce le forze limitando al contempo l'accumulo di calore. Impostazioni molto positive assottigliano il tagliente e favoriscono la scheggiatura, mentre valori troppo negativi aumentano il consumo di energia e il calore. Le specifiche standard relative alla geometria di spoglia dovrebbero guidare la scelta dei portautensili e degli inserti. Durante la configurazione, la modifica della posizione dell'utensile modifica l'angolo di spoglia effettivo. Ad esempio, un'inclinazione del portautensile di 3° aggiunge un effetto di spoglia positivo. Le guide standard per la spoglia superiore spesso risultano inadeguate nelle lavorazioni di altissima precisione. La tornitura al diamante del silicio, ad esempio, dà risultati migliori con angoli di spoglia inferiori a quelli normalmente previsti.
Compatibilità con i Controlli Numerici (CNC)
Il controllo SIEMENS 840D ci permette di scegliere se eseguire o meno scarichi o regressioni direttamente all’interno del ciclo fisso di tornitura. Anche il controllo numerico SIEMENS tiene conto di un valore di sicurezza per controllare il tallonamento del tagliente. Mediante un’opzione software del controllo numerico SIEMENS si avrà anche la possibilità di eseguire la rilavorazione di eventuali zone non lavorate dall’utensile precedente a causa del tallonamento sul tagliente primario e secondario.
Il controllo numerico Fanuc nella programmazione ISO o con i cicli di tornitura G70-G73 non tiene conto dell’angolo di registrazione e della rispettiva possibilità di tallonamento sul profilo. Impostando correttamente l’utensile in tabella utensili verificherà la fattibilità di un profilo. Anche nel controllo Fanuc la rilavorazione del materiale residuo deve essere attivata.
Anche il controllo Fagor 8065T, ultimo arrivato in casa Fagor, ha la verifica sul tallonamento del tagliente primario e secondario. Per dirla tutta, questo controllo numerico già con le versioni precedenti eseguiva la verifica delle zone lavorabili con un determinato utensile programmando in modalità cicli conversazionali.
Angoli di Spoglia in Altri Processi di Lavorazione
L'angolo di spoglia ha la stessa importanza nella foratura e nella fresatura come nella tornitura? Sì, ma ogni processo richiede il suo miglior rapporto qualità-prezzo. La tornitura di solito utilizza un angolo negativo per aumentare la resistenza del tagliente. La fresatura preferisce un angolo positivo che facilita l'asportazione del truciolo. La foratura spesso utilizza un angolo di spoglia positivo o neutro a seconda delle esigenze del lavoro.
Angoli di Spoglia nel Taglio Abrasivo
Gli angoli di spoglia sono diversi nel taglio abrasivo rispetto alla lavorazione convenzionale? Sì, i valori variano notevolmente. Il taglio abrasivo può richiedere angoli molto ripidi, oltre ±60°. I metodi convenzionali normalmente si mantengono entro ±25°. Le mole abrasive richiedono profili molto più ripidi rispetto agli utensili da taglio tradizionali.
Effetto sull'Arricciamento del Truciolo
L'angolo di spoglia influisce sul modo in cui i trucioli si arricciano? Sì, l'arricciamento risponde direttamente alla geometria del rastrello. Gli angoli positivi proiettano i trucioli verso l'alto, creando una curva stretta, migliorando l'evacuazione. Gli angoli negativi spesso creano trucioli con arricciamenti laterali o segmentati che possono compromettere la sicurezza e bloccare il flusso. Studi dimostrano che un angolo di spoglia di 20° produce i migliori trucioli continui e quindi prolunga la durata dell'utensile. Un'inclinazione negativa di -45° garantisce un'ottima finitura e riduce al minimo i danni subsuperficiali. Un'inclinazione pari a zero rimuove il materiale alla massima velocità.
Effetto sul Rompitruciolo
Che effetto ha l'angolo di spoglia sulle prestazioni del rompitruciolo? Quando l'angolo di spoglia è più positivo, i trucioli diventano più sottili. Questo facilita il buon funzionamento dei rompitrucioli. Un angolo negativo, tuttavia, ispessisce il truciolo e può ostacolare l'azione del rompitruciolo, soprattutto in spazi ristretti.
Compensazione dei Limiti della Macchina
La regolazione dell'angolo di inclinazione può compensare i limiti della macchina? Sì, anche se solo fino a un certo punto. Un angolo positivo riduce la forza di taglio di circa il 15-25%, alleggerendo il carico sulle macchine meno performanti. Ciononostante, non può risolvere i problemi derivanti da una bassa potenza o da una scarsa rigidità.