I processi per la creazione dei particolari meccanici richiedono la rimozione del materiale in eccesso attraverso l’impiego di utensili di lavoro e la rotazione del componente. Il materiale in eccesso viene asportato sotto forma di residuo definito “truciolo”, che avrà caratteristiche differenti in base al tipo di lavorazione in atto. La lavorazione per asportazione di trucioli è un processo nel quale un pezzo viene modellato tramite degli utensili in grado di rimuovere il materiale in eccesso.
Questo processo di lavorazione consente di ottenere gradi di finitura superficiale e precisione dimensionale dei pezzi metallici, soprattutto quando la forma è complessa e non implementabile efficacemente con altre tecnologie. Quando ci si occupa di lavorazioni meccaniche, come ad esempio la foratura ma anche la tornitura e la fresatura CNC, c'è un aspetto che deve essere gestito con estrema attenzione: l'asportazione del truciolo.
Il truciolo non è altro che il materiale di scarto prodotto durante la lavorazione meccanica dei materiali - come legno e ferro - attraverso processi di asportazione come la tornitura, la fresatura o la foratura. Con questo termine intendiamo il risultato delle varie operazioni da taglio che rientrano nelle lavorazioni di precisione: nel momento in cui foriamo, quindi effettuiamo un buco su una superficie, ricaviamo una forma vuota. Il truciolo è il materiale che viene prodotto. Quindi, possiamo dire che quest'operazione permette a chi si occupa del processo in esame di ottenere il risultato sperato. La questione apparentemente poco rilevante della rimozione dei trucioli è in realtà un problema pratico e molto comune.
Il Meccanismo di Formazione del Truciolo
Il concetto fondamentale dietro la formazione del truciolo è che l'utensile non taglia il materiale in modo netto, ma provoca una deformazione plastica del materiale stesso davanti al tagliente. La lama avanza e comprime l'oggetto della lavorazione fino a creare un punto di rottura: si forma così un piano inclinato dove il materiale si separa dal pezzo e viene spinto verso l'alto dall'utensile.
Per capire meglio come avviene la formazione del truciolo, conviene riferirsi al caso del taglio ortogonale, cioè quello in cui il tagliente è rettilineo, parallelo alla superficie in lavorazione ed orientato perpendicolarmente alla direzione di avanzamento. In questo caso, lo spessore del truciolo è costante e non si ha deformazione in direzione della larghezza del taglio. Questo tipo di lavorazione però nella pratica risulta essere molto raro.
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Il taglio obliquo è quello più frequente nelle lavorazioni meccaniche per asportazione di truciolo, ovvero con il tagliente dell’utensile non perpendicolare alla velocità di taglio. Sono due i taglienti dell’utensile, principale e secondario, e sono collegati da un raccordo circolare avente un certo raggio. Particolari condizioni di taglio possono favorire il fenomeno dell’attrito adesivo.
Fattori che Influenzano la Forma del Truciolo
La forma del truciolo è di fondamentale importanza per capire se la lavorazione sta procedendo con i giusti parametri. I tipi di truciolo dipendono da molti fattori fra i quali il tipo di materiale utilizzato, il tipo di utensile, e i parametri macchina come l’avanzamento, il numero di giri e la profondità di passata. I parametri che concorrono nella formazione di un truciolo sono differenti. Un angolo di spoglia dell'utensile più grande semplifica lo scorrimento e riduce la deformazione, ma un ruolo da protagonista nella formazione del truciolo ce l'ha la velocità di taglio. Questo parametro, infatti, influenza la temperatura nella zona di taglio e il comportamento del materiale. L’asportazione del truciolo risulta più o meno difficoltosa a seconda della duttilità del materiale.
Tipi di Truciolo e Gestione: Truciolo Lungo vs. Truciolo Corto
Esistono principalmente due tipi di truciolo: il truciolo corto e il truciolo lungo. La loro gestione è cruciale per l'efficienza e la qualità della lavorazione.
Truciolo Lungo
Quando il truciolo assume una forma a nastro o spirale lunga, parliamo sempre di un materiale duttile e, in genere, indica che i parametri di taglio sono corretti e il tagliente versa in buone condizioni. Tuttavia, questa condizione può essere pericolosa perché il truciolo lungo e a spirale si avvolge intorno al pezzo o all'utensile, complicando in molti casi la lavorazione e mettendo a rischio la vita stessa dell’utensile. Il truciolo troppo lungo può dare fastidio anche al pezzo in lavorazione perché il suo contatto potrebbe danneggiare la superficie, ottenendo così una finitura mediocre.
Questa situazione può verificarsi quando la velocità di avanzamento è troppo bassa per la geometria della placchetta scelta. In tal caso andrebbe aumentata la velocità di avanzamento oppure si dovrà valutare un inserto con una forma diversa. Anche l’uso del refrigerante è molto importante ed aiuta a risolvere questo fastidioso problema. Quando la profondità di taglio è troppo bassa in relazione alla geometria dell’inserto scelto, potrebbe verificarsi un truciolo troppo lungo, per cui una velocità minore ed una placchetta che aiuta la rottura del truciolo risolverebbero questa situazione. La forma e la lunghezza del truciolo dipendono anche dal raggio di punta dell’inserto: se il raggio di punta è troppo grande si deve utilizzare una placchetta più “spigolosa” per accorciarlo. Anche l’angolo di attacco dell’utensile sul pezzo determina il tipo di truciolo: se l’utensile permette un ampio angolo di registrazione è bene provare a ruotarlo fino a raggiungere una lunghezza del truciolo accettabile, fermo restando tutti gli altri parametri. Quando il rompitruciolo funziona bene si ottengono spirali che si spezzano ogni 5-10 cm, e questo è un bene.
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Truciolo Corto o Discontinuo
Al contrario, quando i trucioli sono molto corti si incollano fra loro e difficilmente si staccano dal pezzo in lavorazione. Questa difficoltà di distacco riduce la durata degli utensili e spesso determina la rottura dell’inserto a causa delle forze elevate che si distribuiscono sul tagliente. Mantenere un avanzamento elevato contribuisce ed accentua questo “difetto”, per cui questo parametro andrebbe ridotto. In questo caso un inserto monolaterale con geometria per avanzamenti elevati è consigliato. Anche in questo caso si deve ridurre l’angolo di punta dell’inserto. L’angolo di registrazione dovrà essere il più piccolo possibile, quindi con un grande angolo di attacco. Se il truciolo, invece, è discontinuo o frammentato, la velocità di taglio può essere troppo bassa o il tagliente ha una geometria inadeguata, oppure ancora c'è un eccesso di vibrazioni o di irregolarità nell'avanzamento.
| Tipo di Truciolo | Caratteristiche | Problemi Comuni | Soluzioni Suggerite |
|---|---|---|---|
| Lungo/A nastro/A spirale | Aggrovigliato, avvolge utensile/pezzo, difficile rottura | Rischio danneggiamento utensile e superficie pezzo, ostacolo lavorazione | Aumentare avanzamento, cambiare geometria inserto (più "spigoloso"), aumentare profondità di taglio, usare rompitruciolo, usare refrigerante, regolare angolo di attacco |
| Corto/Discontinuo/Frammentato | Si incolla, difficile distacco, frammentato, irregolare | Riduzione durata utensile, rottura inserto, forze elevate sul tagliente | Ridurre avanzamento, scegliere inserto monolaterale per avanzamenti elevati, ridurre angolo di punta inserto, angolo di registrazione il più piccolo possibile |
Tipi di Truciolo e la Finitura Superficiale
In primo luogo, dalla forma del truciolo si determina la qualità della lavorazione. Quando i trucioli si rompono contro il pezzo in lavorazione, lasciano segni sulla superficie finita, per cui questa si presenta con un aspetto irregolare sia al tatto che alla vista e non risulta conforme alle tolleranze di rugosità richieste. In questo caso la scelta dell’utensile è di fondamentale importanza e si dovranno usare inserti positivi, ridurre la profondità di taglio e modificare l’angolo di registrazione dell’utensile.
Tuttavia, non è sempre il truciolo che rende la superficie irregolare: l’eccessiva usura del tagliente dell’utensile ed una velocità di taglio eccessiva provocano questo difetto. Un avanzamento troppo alto abbinato ad un raggio di punta troppo piccolo genera inevitabilmente una superficie ruvida. La superficie del pezzo potrebbe essere rovinata anche dalle bave. Queste si presentano in uscita del tagliente dal pezzo quando l’avanzamento è troppo basso od il tagliente stesso ha perso la giusta affilatura. Per ridurre il rischio bave vengono utilizzati inserti rivestiti in PVD ed inserti con piccolo angolo di registrazione (grande angolo di attacco).
Operazioni che Sfruttano l'Asportazione del Truciolo
Le lavorazioni per asportazione di trucioli consistono in un processo in cui il materiale in eccesso viene rimosso da un utensile di maggior durezza, o attraverso l’utilizzo di una forza meccanica manuale o automatica. Le macchine che lavorano il materiale tramite l’asportazione del truciolo possono essere suddivise in due categorie ben distinte: quelle che procedono tramite movimento rettilineo, tra cui rettificatrici, piallatrici e stozzatrici; e quelle che operano tramite movimento circolatorio, come torni, alesatrici e fresatrici.
Ci sono diverse operazioni tecniche che permettono di lavorare sull'asportazione del truciolo, un passaggio che determina il risultato desiderato. Quali sono le operazioni che sfruttano l'asportazione del materiale e la formazione del truciolo per raggiungere l'obiettivo?
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- Foratura: Effettuare un foro cieco o passante nel materiale.
- Tornitura: Un processo di lavorazione per asportazione di truciolo in cui un utensile mono-tagliente asporta del materiale dalla superficie di un pezzo in rotazione, con relative attività di sgrossatura, finitura e filettatura.
- Fresatura: Una lavorazione estremamente versatile, con produttività medio-bassa, che prevede manodopera professionale e specializzata, utilizzata per effettuare zone piane, scanalature, cave, profili complessi e ingranaggi.
- Rettifica: Processo produttivo finalizzato all’eliminazione di eventuali deformazioni, con elevata precisione di lavorazione e notevole grado di finitura superficiale, per lavorazioni millimetriche.
- Brocciatura.
Fasi di Lavorazione
Le lavorazioni per asportazione di trucioli si dividono in due fasi principali:
- Sgrossatura: In questa fase vengono rimossi grossi quantitativi di materiale nel minor tempo possibile.
- Finitura: La fase conclusiva che porta il componente alle specifiche richieste. L’attività di finitura richiede la massima precisione e un’attenzione costante da parte del personale incaricato.
Gli Utensili Impiegati per l’Asportazione del Truciolo
Qualunque processo di lavorazione meccanica che richiede l’asportazione del truciolo, impiega utensili ad alta resistenza quali: punta di trapano, fresa, mola, lima, piallatrice. A seconda del materiale che si intende lavorare, cambiano le sollecitazioni e la resistenza a cui è soggetto l’utensile. Motivo per il quale, il modello degli strumenti impiegati per la lavorazione dev’essere scelto con la massima attenzione, tenendo in considerazione la durezza del materiale e le caratteristiche superficiali del componente meccanico finito. Sono due i taglienti dell’utensile, principale e secondario, e sono collegati da un raccordo circolare avente un certo raggio.
I Movimenti delle Macchine Utensili
Il processo di asportazione del truciolo rappresenta una vera e propria criticità nell’ambito della creazione del componente meccanico. Durante la lavorazione, il componente viene mosso per facilitare la rimozione del residuo secondo metodologie ben precise. Vediamole subito:
- Moto di taglio: Si tratta di un movimento che può essere rettilineo o rotatorio. Il moto di taglio viene impiegato per una sola rimozione del truciolo e assicura una lavorazione precisa anche su componenti particolarmente duri.
- Moto di avanzamento: Si ricorre al moto di avanzamento per rimuovere ripetutamente il truciolo che si forma durante la lavorazione.
Considerazioni Specifiche per la Fresatura
Ogni tagliente di una fresa, in direzione radiale, si innesta con il pezzo in modo intermittente. Quando si utilizzano inserti in metallo duro, la formazione di trucioli spessi comporta spesso una drastica riduzione della durata utensile. Cercare sempre di evitare la formazione di trucioli spessi durante la fresatura in uscita. Quando la fresa è programmata per entrare direttamente nel pezzo, all'uscita si formeranno trucioli spessi fino a quando la fresa non sarà completamente impegnata. Ciò può ridurre drasticamente la durata utensile, specialmente nel caso di acciai più duri, titanio e leghe resistenti al calore. L'entrata nel taglio è la parte meno sensibile delle tre fasi di taglio.
Per ottimizzare la durata utensile:
- Programmare una rullatura nel taglio in senso orario (il senso antiorario non risolverà il problema dello spessore del truciolo).
- Posizionare la fresa in posizione decentrata - verso sinistra - per ottenere un truciolo più spesso all'entrata e uno sottile all'uscita (metodo di fresatura concorde).
I bruschi cambi di direzione in una passata generano trucioli spessi all'uscita.
Gestione e Rimozione del Truciolo
I trucioli metallici sono un materiale inevitabile nell’industria della lavorazione dei metalli. La rimozione dei trucioli può avvenire per completare il processo produttivo del pezzo stesso, quando il pezzo, una volta eliminato il materiale in eccesso, può essere inviato al cliente. In altri casi, l’operazione di rimozione dei trucioli è invece necessaria prima che il pezzo sia verniciato, lavorato o assemblato. Non a caso diversi utensili da taglio hanno delle forme che permettono di estrudere i trucioli in modo efficace: se si reintroducono nel processo di lavorazione possono graffiare la superficie lavorata o surriscaldare l'utensile.
In alcuni casi il pezzo ha bisogno di una semplice rimozione con l’ausilio di una forza meccanica. In questi casi, dove magari la produzione giornaliera non supera le migliaia di unità, le macchine automatiche a cestello rotativo possono essere un’ottima soluzione. Queste macchine, comunemente chiamate washer o lavapezzi automatiche, permettono di risolvere con un solo ciclo di lavaggio la rimozione del truciolo di alcune migliaia di unità e di implementare anche la sgrassatura del pezzo grazie allo stesso ciclo.
La Washer dispone di un cesto dove poter posizionare i pezzi (in alcuni casi il cesto può essere rinforzato o realizzato a doc per poter contenere anche i pezzi più piccoli). Alla base, al disopra e lateralmente a tale cesto ci sono delle rampe di lavaggio le quali, grazie all’ausilio di una pompa a doppia girante in acciaio inox Aisi 304, erogano il prodotto di lavaggio precedentemente riscaldato ad alta pressione (la potenza espressa in bar varia da macchina a macchina).
In altri casi la rimozione del truciolo o del materiale in eccesso necessita di una lavorazione più complessa e precisa. In questo caso si tratta di produzioni giornaliere che difficilmente superano le centinaia unità giornaliere. In questi casi particolari, dove l’azione sia sgrassante che di rimozione abbisogna della supervisione dell’occhio umano, si suggeriscono le attrezzature manuali ad alta pressione (eco e Top High pressure).
Diagnosi e Ottimizzazione della Lavorazione Tramite il Truciolo
La forma del truciolo può aiutarci a capire se l'utensile ormai è usurato e deve essere cambiato, così come può determinare la buona riuscita della lavorazione. Non possiamo valutare il truciolo e la sua forma in termini assoluti perché tutto può cambiare in base al materiale. Però alcuni parametri possono essere un campanello d'allarme o sinonimo di efficienza lavorativa.
Se il truciolo prima ha una spirale lunga e omogenea e poi cambia, diventando frammentato, c'è qualcosa che non va. È fondamentale fermare la lavorazione e controllare i parametri, perché ciò vuol dire che i parametri sono sballati. Un vecchio trucco da meccanico è quello di conservare in officina dei campioni di trucioli che descrivono situazioni differenti - taglio ottimale, tagliente usurato, parametri inadeguati - così da poter confrontare rapidamente e capire se c'è qualcosa che non va o se tutto procede al meglio.