La tornitura da barra è un processo di lavorazione meccanica altamente efficiente, ampiamente utilizzato nell'industria per la produzione in serie di componenti cilindrici. In questo contesto, la frizione meccanica gioca un ruolo cruciale nel controllo dei movimenti del mandrino e, di conseguenza, nell'efficienza e nella precisione delle operazioni. Comprendere il funzionamento, la regolazione e l'impatto di una frizione in un tornio da barra è fondamentale per garantire la stabilità del processo e la qualità del prodotto finale.
Comprendere la Tornitura e il Tornio da Barra
La tornitura è un processo di lavorazione utilizzato per creare parti cilindriche, in cui l'utensile da taglio si muove lungo un percorso lineare mentre il pezzo ruota. Questo processo viene generalmente eseguito su un tornio, che è una macchina utensile che trattiene e ruota il pezzo contro un utensile da taglio fisso.
Nel mondo della tornitura il sistema produttivo più comune è quello della lavorazione da barra. È comprensibile che tutti si siano adeguati pensando che questo fosse il processo più conveniente. Come intuibile dalla stessa espressione, è una lavorazione in cui il pezzo è ricavato da un’intera barra metallica. La differenza è che il grezzo non è di dimensioni poco superiori a quelle del pezzo finito: esso consiste generalmente in una barra lunga alcuni metri. La tornitura da barra serve i settori che richiedono elevata precisione, alta produttività ed economicità. Un esempio rappresentativo è il campo automotive.
Un tornio da barra è un particolare tipo di tornio CNC, ovvero a controllo numerico computerizzato. Ciò implica che un dispositivo elettronico integrato nella macchina ne governa i movimenti, sulla base di quanto pre-impostato tramite specifici software. Il tornio da barra CNC è una versione altamente tecnologica del tornio parallelo, e può raggiungere una lunghezza di oltre 10 metri. Per limitare gli sprechi di materiale e minimizzare il tempo ciclo, è consigliabile ridurre le grosse variazioni di sezione del pezzo: è utile impiegare una barra grezza con diametro di poco superiore a quello del pezzo finito, tipicamente con un paio di millimetri di sovrametallo. Infatti è proprio per diminuire il tempo di ciclo, aumentando la produzione, che è stato introdotto il tornio da barra CNC.
Componenti Chiave e Funzionamento
Il suo funzionamento prende le mosse tramite la spinta progressiva della barra metallica in un apparato collocato nella parte laterale del tornio: il caricatore a barre. Il caricatore da barra, opposto al mandrino, alimenta automaticamente la macchina utensile man mano che i pezzi vengono lavorati. In particolare, durante l’avanzamento della barra grezza, essa viene spinta in avanti da un sistema idraulico. La barra è mandata in battuta contro un fermo, presente sulla torretta portautensili e rappresentante il finecorsa, in modo che il mandrino si serri per vincolare la barra per la successiva lavorazione. Quest’ultima deve attraversare l’albero mandrino cavo, che consente di lavorare pezzi di diametro generalmente compreso tra i 5 e i 60 mm. Questa misura è denominata passaggio barra ed è un fattore fondamentale nella scelta della corretta macchina utensile da usare. Il caricatore può presentare uno o più alloggiamenti per le barre, anche di diverso diametro.
Leggi anche: Elaborazione motore: tutto su frizione e pacco lamellare maggiorato
La torretta portautensile è un altro elemento differenziante rispetto al normale tornio parallelo CNC. Infatti su di essa è spesso presente il motorizzato di fresatura: un piccolo asse motorizzato che permette di eseguire delle fresature e forature trasversali senza dover spostare il pezzo su una differente macchina utensile. La torretta motorizzata consente quindi la realizzazione di diverse lavorazioni nello stesso ciclo di lavoro.
La Frizione Meccanica nel Tornio
La frizione meccanica è un componente essenziale per il controllo della trasmissione del moto in molti torni, in particolare quelli a funzionamento manuale o semi-automatico. Un esempio di implementazione di frizione meccanica si trova nel tornio parallelo Fervi T080F, dotato di visualizzatore a 3 assi, scatola degli ingranaggi semi Norton, joystick per l'inserimento degli avanzamenti rapidi e basamento in ghisa. La macchina è completamente a funzionamento manuale, in quanto può eseguire solo movimenti su comando diretto dell'operatore. La testa, anch'essa realizzata in ghisa ad alta resistenza, è stata dotata di due sporgenze che ne aumentano la rigidità. In questo modo si avrà un minor numero di vibrazioni durante le lavorazioni ad alta velocità.
La frizione è un meccanismo che permette di accoppiare o disaccoppiare la rotazione del mandrino dal motore, consentendo all'operatore di avviare o arrestare il movimento in modo controllato. Componenti chiave di una frizione tipica includono una ghiera (ad esempio, ghiera F) e un sistema di leverismi (ad esempio, leverismi A ed E) che agiscono sui dischi della frizione.
Regolazione e Manutenzione
La corretta regolazione della frizione è vitale per la sicurezza e l'efficienza della lavorazione. Per regolare le frizioni è necessario allentare i grani della ghiera, allentare la ghiera stessa e serrarla quel tanto che basta a trasmettere il moto. Procedi così a piccoli passi. È importante notare che queste frizioni, spesso con dischi totalmente in acciaio, sono delicate e non vanno serrate eccessivamente. Si consiglia di provare a fare qualche passata di tornitura e, se slitta, serrare ancora un filo. La premessa è che più si stringe e maggiore è la resistenza che i tre leverismi A hanno e più fatica si ha bisogno di esercitare sulla ghiera F. Spostare la ghiera liberandolo dal leverismo A; i dischi dovrebbero rimanere sempre compressi, quindi allentare il registro fino a liberarli.
Risoluzione dei Problemi Comuni della Frizione
Un problema frequente in un tornio usato, che può manifestarsi anche con olio freddo o denso, è che a folle il mandrino tende a ruotare all'indietro. Questo comportamento può essere dovuto a una molla, ad anello ondulata, spezzata all'interno della frizione. Tale molla ha la funzione di tenere separati due dischi della frizione, uno condotto e l'altro conduttore. Se la molla è rotta, i dischi risultano quasi attaccati e la viscosità dell'olio, anche se quello giusto, fa sì che il disco conduttore si trascini dietro anche il condotto, con il risultato che il mandrino a folle gira all'indietro. La sostituzione della molla risolve il problema, ripristinando la corretta separazione dei dischi e il funzionamento del folle.
Leggi anche: Eccellenza nella Tornitura da Barra
manutenzione cosa succede al carrello mobile del tornio ? 1 parte
L'Impatto delle Vibrazioni nella Lavorazione da Barra
Nel contesto della lavorazione da barra, le vibrazioni sono una problematica tutt’altro che trascurabile. Quando il caricatore di barra spinge le barre all’interno dei plurimandrini della macchina (o del tornio), le barre vengono poi bloccate e messe in rotazione con i mandrini stessi. Le vibrazioni indotte in un macchinario di qualsiasi genere, e per qualsiasi motivo, costituiscono sempre un fattore estremamente negativo con conseguenze più o meno evidenti sulla qualità dei prodotti lavorati, sulla durata dei componenti della macchina stessa e sulla vita degli utensili. Per effetto delle vibrazioni, anche gli utensili sono sottoposti a sollecitazioni oscillanti anomale e consumano più rapidamente il loro tagliente. Le vibrazioni sono delle forze che si scaricano in maniera oscillante su tutta la macchina e soprattutto sui cuscinetti dei mandrini. La conseguenza diretta è un effetto negativo sulla vita attesa dei cuscinetti e dei componenti più sensibili di tutta la macchina.
Le vibrazioni in tornitura rappresentano uno dei problemi più insidiosi e frequenti nelle lavorazioni meccaniche per asportazione di truciolo. Questo fenomeno, noto anche con il termine inglese chatter, compromette la qualità superficiale del pezzo, riduce la vita utile dell’utensile e genera condizioni operative pericolose per la macchina e per l’operatore. Comprendere le cause delle vibrazioni e applicare strategie correttive mirate consente di migliorare drasticamente la produttività, la precisione dimensionale e la sicurezza in officina.
Origine e Classificazione delle Vibrazioni
Le vibrazioni durante il processo di tornitura derivano dall’interazione dinamica tra il sistema pezzo-mandrino, il portautensile e l’inserto. Quando le forze di taglio generano oscillazioni che si autoalimentano o si amplificano, il processo perde stabilità e si manifesta il caratteristico rumore acuto accompagnato da segni evidenti sulla superficie lavorata.
Dal punto di vista tecnico, le vibrazioni si classificano in tre categorie principali:
- Vibrazioni forzate: sono causate da fonti esterne al processo di taglio, come sbilanciamenti del mandrino, cuscinetti usurati o trasmissioni difettose.
- Vibrazioni autoeccitate: nascono dall’instabilità intrinseca del processo di asportazione e si manifestano quando il sistema entra in risonanza.
- Vibrazioni rigenerative: rappresentano la forma più comune di chatter e si verificano quando l’utensile incontra ondulazioni lasciate dal passaggio precedente, generando variazioni cicliche dello spessore di truciolo.
Fattori che Influenzano la Stabilità Dinamica
La stabilità del processo di tornitura dipende da numerosi parametri interconnessi. La rigidità del sistema gioca un ruolo fondamentale: macchine con strutture massicce e guide precise offrono naturalmente una maggiore resistenza alle vibrazioni. Analogamente, la lunghezza dello sbalzo del portautensile e il rapporto lunghezza/diametro del pezzo in lavorazione influenzano in modo determinante la propensione al chatter.
Leggi anche: Materiali per Tornitura
I parametri di taglio costituiscono un altro elemento critico. Velocità di taglio, avanzamento e profondità di passata interagiscono con le caratteristiche dinamiche del sistema, determinando zone di stabilità e zone di instabilità. Generalmente, profondità di passata elevate abbinate a velocità di taglio inadeguate favoriscono l’insorgenza di vibrazioni, mentre una corretta combinazione dei parametri consente di lavorare in condizioni stabili anche con asportazioni importanti.
La geometria dell’inserto e l’angolo di registrazione del portautensile modificano la direzione e l’intensità delle forze di taglio, influenzando direttamente la tendenza alle vibrazioni. Inserti con angolo di spoglia positivo e raggio di punta ridotto generano forze radiali inferiori, migliorando la stabilità nelle lavorazioni con sbalzi elevati o pezzi snelli.
Effetti Negativi e Segnali di Allarme
Le conseguenze delle vibrazioni in tornitura si manifestano su più livelli, compromettendo qualità, produttività e costi operativi. Il riconoscimento tempestivo dei sintomi consente di intervenire prima che il danno diventi significativo.
- La qualità superficiale è il primo indicatore visibile del problema. Le superfici tornite in presenza di chatter presentano caratteristiche ondulazioni regolari, segni a spirale o pattern irregolari che peggiorano drasticamente la rugosità.
- L’usura dell’utensile accelera in modo significativo quando si lavora in condizioni instabili. Le oscillazioni generano impatti ripetuti sul tagliente, provocando microfratture, scheggiature e usura prematura del rivestimento.
- Le vibrazioni sollecitano inoltre i componenti della macchina, in particolare cuscinetti del mandrino, guide e viti a ricircolo di sfere. Nel lungo periodo, il funzionamento in presenza di chatter accelera l’usura meccanica e può causare perdite di precisione geometrica della macchina utensile.
Il personale di officina deve essere formato per riconoscere i segnali premonitori delle vibrazioni. Il rumore rappresenta l’indicatore più immediato: un suono acuto e stridulo, diverso dal normale rumore di taglio, indica l’insorgenza del chatter. La finitura superficiale va controllata frequentemente, prestando attenzione a ondulazioni o pattern ripetitivi. L’usura anomala degli inserti, con scheggiature localizzate o rottura del tagliente, suggerisce condizioni di instabilità. Infine, le variazioni dimensionali tra pezzi successivi possono derivare da vibrazioni che modificano la posizione relativa utensile-pezzo durante la lavorazione.
Strategie per Eliminare le Vibrazioni e Ottimizzare la Lavorazione
Ottimizzazione dei Parametri di Taglio
L’intervento sui parametri di taglio rappresenta la prima linea d’azione per contrastare le vibrazioni, poiché non richiede investimenti in attrezzature e può essere implementato immediatamente dall’operatore.
- La velocità di taglio influenza la frequenza di formazione del truciolo e la temperatura nella zona di taglio. In presenza di chatter, una variazione della velocità di taglio del 10-15% può spostare il processo fuori dalla zona di risonanza, ripristinando la stabilità.
- L’avanzamento determina lo spessore del truciolo e, di conseguenza, le forze di taglio. Un avanzamento troppo basso può paradossalmente favorire le vibrazioni. Incrementare l’avanzamento, mantenendo costante la finitura richiesta, può migliorare significativamente la stabilità.
- La profondità di passata è il parametro più direttamente correlato all’ampiezza delle vibrazioni. Ridurre la profondità di passata abbassa le forze di taglio e sposta il sistema verso condizioni più stabili.
| Parametro | Azione correttiva | Effetto sulla stabilità |
|---|---|---|
| Velocità di taglio | Variare del ±10-15% | Sposta la frequenza di taglio fuori dalla risonanza |
| Avanzamento | Incrementare moderatamente | Aumenta lo spessore truciolo, riduce forze radiali relative |
| Profondità di passata | Ridurre progressivamente | Diminuisce direttamente le forze di taglio |
| Raggio di punta | Selezionare raggi minori | Riduce la superficie di contatto e le forze radiali |
Scelta dell’Utensile e della Geometria Ottimale
La selezione dell’inserto e del portautensile appropriati costituisce un intervento strutturale fondamentale per prevenire le vibrazioni. La geometria dell’utensile determina la direzione delle forze di taglio e la loro distribuzione, influenzando direttamente la propensione al chatter.
Angolo di Registrazione e Direzione delle Forze
L’angolo di registrazione (o angolo di attacco) del portautensile modifica il rapporto tra forza di taglio assiale e radiale. Portautensili con angolo di registrazione di 90° (inserti quadri o rombici montati perpendicolarmente) generano forze prevalentemente assiali, scaricate lungo l’asse del pezzo e quindi meglio tollerate dal sistema. Al contrario, angoli di registrazione inferiori (45°, 75°) aumentano la componente radiale, sollecitando maggiormente il pezzo in direzione perpendicolare al proprio asse e favorendo le vibrazioni, specialmente su pezzi snelli.
Per la tornitura di alberi lunghi con rapporto L/D superiore a 4, si raccomanda l’utilizzo di portautensili a 90° o 93° con inserti a 80° (tipo CNMG o DNMG). Questa configurazione minimizza la deflessione del pezzo e consente di lavorare con parametri più aggressivi senza incorrere in problemi di instabilità.
Raggio di Punta e Geometria dell’Inserto
Il raggio di punta dell’inserto influenza sia la finitura superficiale ottenibile sia la stabilità del processo. Raggi di punta maggiori (0,8-1,2 mm) migliorano la rugosità teorica ma aumentano le forze radiali e la tendenza alle vibrazioni. In applicazioni critiche, la scelta di raggi ridotti (0,4 mm) può rappresentare un compromesso efficace tra qualità superficiale e stabilità dinamica.
La geometria del tagliente determina l’angolo di spoglia e la robustezza del tagliente. Geometrie positive, con angoli di spoglia superiore elevati, riducono le forze di taglio e migliorano la stabilità, ma sono più fragili e adatte a materiali teneri o passate leggere. Geometrie negative o neutre garantiscono maggiore resistenza meccanica ma generano forze più elevate. I principali produttori di utensili propongono geometrie specifiche antivibrazione, progettate per frammentare il truciolo in modo controllato e ridurre le forze di taglio.
Portautensili Antivibranti e Soluzioni Smorzanti
Quando le strategie di ottimizzazione dei parametri e della geometria non risultano sufficienti, l’adozione di portautensili antivibranti rappresenta la soluzione tecnologica più efficace. Questi sistemi integrano meccanismi di smorzamento che assorbono l’energia vibratoria, impedendo l’instaurarsi del chatter rigenerativo.
Principio di Funzionamento dei Sistemi Smorzanti
I portautensili antivibranti più diffusi utilizzano un sistema a massa smorzante accordata, costituito da un corpo metallico pesante (tipicamente in tungsteno o acciaio ad alta densità) sospeso all’interno del gambo mediante elementi elastici. Quando il portautensile inizia a vibrare, la massa interna oscilla in controfase, dissipando l’energia cinetica e stabilizzando il sistema.
Vantaggi Tecnici dei Portautensili Antivibranti
L’impiego di portautensili con tecnologia smorzante offre benefici significativi in numerose applicazioni di tornitura:
- Aumento dello sbalzo utile fino a 10 volte il diametro del gambo.
- Miglioramento della finitura superficiale.
- Incremento della vita utensile dal 30% al 100%.
- Riduzione del rumore in officina.
- Possibilità di aumentare i parametri di taglio mantenendo la stabilità.
Selezione del Portautensile Antivibrante
La scelta del portautensile smorzante deve considerare il diametro del gambo, lo sbalzo richiesto e il tipo di lavorazione. Per torniture esterne con sbalzi moderati (fino a 6xD), portautensili in metallo duro integrale possono offrire rigidità sufficiente. Per sbalzi superiori o per barenature profonde, i sistemi antivibranti diventano indispensabili.
| Rapporto sbalzo/diametro | Soluzione consigliata | Note applicative |
|---|---|---|
| Fino a 4xD | Portautensile in acciaio standard | Adatto alla maggior parte delle applicazioni |
| 4xD - 6xD | Portautensile in metallo duro | Maggiore rigidità, costo contenuto |
| 6xD - 10xD | Portautensile antivibrante passivo | Smorzatore a massa accordata |
| Oltre 10xD | Portautensile antivibrante regolabile | Sistemi con frequenza regolabile o attivi |
Ottimizzazione del Setup e Rigidità del Sistema
Oltre alla scelta di utensili e parametri, la preparazione della macchina e il serraggio del pezzo influenzano in modo determinante la stabilità del processo di tornitura. Un setup accurato previene molti problemi di vibrazione prima ancora che si manifestino.
Il bloccaggio del pezzo deve garantire rigidità e concentricità. Per pezzi corti con rapporto L/D inferiore a 2, il serraggio in mandrino autocentrante a tre griffe è generalmente sufficiente. Per pezzi più lunghi, l’impiego di contropunta, lunette fisse o lunette mobili diventa necessario per sostenere il pezzo e limitare le deflessioni.
Materiali e Loro Criticità alle Vibrazioni
I materiali classificati secondo la normativa ISO presentano differenti criticità in termini di vibrazioni:
| Gruppo ISO | Materiale | Criticità vibrazioni | Raccomandazioni |
|---|---|---|---|
| ISO P | Acciai | Media | Controllare formazione truciolo, geometria positiva |
| ISO M | Inox | Alta | Geometrie affilate, velocità ridotte, refrigerazione |
| ISO K | Ghise | Bassa | Meno frequenti, ma possibili su pezzi complessi |
| ISO N | Alluminio e leghe non ferrose | Bassa (rischio tagliente di riporto) | Utilizzo di inserti con rivestimento diamantato o PCD |