Le macchine utensili destinate alla lavorazione dei metalli, come seghe a nastro, presse idrauliche, ma anche torni e fresatrici, necessitano di sistemi di irrigazione e di una manutenzione rigorosa per garantirne prestazioni e longevità. I sistemi di raffreddamento, chiamati anche sistemi di lubrificazione e raffreddamento, svolgono un ruolo chiave nel funzionamento delle macchine metalliche. Gli utensili da taglio operano in condizioni di carico meccanico e termico estreme, dove anche la minima inefficienza può ridurre drasticamente la durata degli utensili o compromettere la qualità del prodotto.
I refrigeranti e i lubrificanti sono quindi essenziali in quasi tutte le operazioni di lavorazione dei metalli. Nella maggior parte dei casi, sono stati considerati accessori. Tuttavia, poiché determinano direttamente l'efficienza di taglio di una macchina, la durata di un utensile e la capacità del prodotto finito di soddisfare i requisiti di tolleranza e finitura, la conoscenza dei loro effetti sulla durata dell'utensile e sulla qualità della lavorazione è necessaria per un'efficienza uniforme e un controllo dei costi. Investire in un sistema di irrigazione di qualità e utilizzare prodotti di manutenzione adeguati è fondamentale per ottimizzare le prestazioni delle macchine metalliche.
Funzioni Essenziali: Raffreddamento e Lubrificazione
Il ruolo dei refrigeranti e dei lubrificanti nel taglio dei metalli è duplice e complementare, mirato a gestire le condizioni estreme generate durante la lavorazione.
Controllo della Temperatura (Liquidi Refrigeranti)
Durante la lavorazione, il calore è generato dall'impatto del tagliente dell'utensile con il pezzo. I liquidi di raffreddamento sono progettati principalmente per assorbire il calore dalla zona di taglio. Durante il taglio o la foratura, l'attrito tra l'utensile da taglio e il pezzo da lavorare produce un calore intenso. Le immense energie di attrito generate dallo sfregamento e dal taglio tra l'utensile e il pezzo in lavorazione ad alte velocità producono temperature molto elevate. Le temperature tipiche di taglio, senza un adeguato raffreddamento, possono superare i 700 °C. Questa temperatura estrema può ammorbidire rapidamente l'utensile, causare alterazioni dimensionali e persino bruciare il pezzo in lavorazione.
I fluidi di raffreddamento a base d'acqua o sintetici assorbono il calore e lo disperdono, raffreddando l'utensile e il pezzo in lavorazione, stabilizzando così la temperatura e riducendo lo shock termico sul tagliente. Con un adeguato controllo della temperatura, è possibile aumentare la velocità di taglio e prolungare la durata dell'utensile.
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Riduzione dell'Attrito (Lubrificanti)
I lubrificanti, d'altro canto, hanno la funzione di ridurre le particelle di truciolo, pezzo in lavorazione e utensile. L'olio da taglio aiuta a ridurre l'attrito tra l'utensile e il pezzo in lavorazione, riducendo l'usura e prolungando la vita dell'attrezzatura. Il lubrificante forma una pellicola tra le parti metalliche, impedendo così lo sfregamento reciproco, riducendo l'usura adesiva e prevenendo la formazione di accumuli di materiale. Una lubrificazione adeguata garantisce inoltre un flusso di truciolo più fluido e riduce le forze di taglio, consentendo una lavorazione più pulita e finiture migliori.
Complementarietà delle Funzioni
Sebbene entrambi abbiano scopi distinti, i risultati migliori si ottengono quando entrambi vengono utilizzati al massimo delle loro potenzialità. I liquidi di raffreddamento si occupano delle sollecitazioni termiche, mentre i lubrificanti si occupano delle sollecitazioni da attrito. La loro combinazione crea un ambiente di taglio stabile in cui temperatura, forza di taglio e vibrazioni sono tutte sotto controllo. In altre parole, il liquido di raffreddamento previene il surriscaldamento dell'utensile, mentre il lubrificante mantiene il tagliente affilato e liscio. Per ridurre e dissipare il calore generato si utilizza spesso olio o lubrificante refrigerante.
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Tipologie di Lubrificanti Refrigeranti e Scelta
Esistono diverse tipologie di fluidi da taglio, ciascuna con caratteristiche e impieghi specifici per ottimizzare le prestazioni delle macchine e degli utensili.
Oli per Macchine Metalliche e Lubrorefrigeranti
Oltre agli oli specifici per garantire il corretto funzionamento delle parti in movimento delle macchine metalliche, come assi o slitte, i lubrificanti refrigeranti veri e propri sono solitamente una miscela di olio e acqua, poiché l'acqua è il miglior agente refrigerante e gli oli sono adatti alla lubrificazione. Oltre all'acqua e all'olio, i lubrorefrigeranti contengono anche un emulsionante che permette all'olio di mescolarsi con l'acqua.
Lubrificanti Non Miscibili con Acqua
I lubrificanti di raffreddamento non miscibili con l'acqua sono costituiti da olio (ad es. olio da taglio) e vengono utilizzati quando l'obiettivo principale è la lubrificazione dell'utensile. Più l'olio è viscoso, maggiore è la viscosità del fluido da taglio. I lubrificanti di raffreddamento ad alta viscosità sono utilizzati, tra l'altro, quando si lavora a basse velocità di taglio e con taglio interrotto. Per la rettifica di utensili in metallo duro viene impiegato quasi esclusivamente olio, perché lubrifica bene e rilascia meno cobalto. Inoltre l'olio è più adatto per l'impiego di mole diamantate.
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Lubrificanti Miscibili con Acqua (Emulsioni)
I lubrorefrigeranti miscibili con l'acqua sono costituiti da un componente di acqua e uno di olio. Il lubrorefrigerante viene solitamente acquistato sotto forma di concentrato e viene poi miscelato con la quantità d'acqua appropriata. Questo tipo di lubrorefrigerante ha un effetto di raffreddamento maggiore grazie al contenuto di acqua. Mescolare l'acqua con l'olio per evitare la formazione di bolle d'olio. Utilizzare un misurino, ad esempio, per garantire un dosaggio corretto. È possibile utilizzare un rifrattometro per verificare il corretto rapporto di miscelazione del refrigerante.
Tabella: Confronto tra Oli Puri e Emulsioni
| Caratteristica | Oli Puri (non miscibili con acqua) | Emulsioni (miscibili con acqua) |
|---|---|---|
| Funzione prevalente | Lubrificazione elevata | Raffreddamento superiore |
| Capacità di asportazione | Maggiore volume di truciolo con buona superficie | Migliore dissipazione del calore |
| Viscosità | Variabile (alta per basse velocità/taglio interrotto) | Inferiore (dipende dal rapporto di miscelazione) |
| Applicazioni tipiche | Rettifica di metallo duro, alesatura (olio puro) | Rettifica (con contenuto olio ≥ 5%), lavorazioni con alta generazione di calore |
Criteri di Scelta
La scelta del lubrificante refrigerante giusto dipende dal tipo di lavorazione e dall'effetto desiderato del lubrificante refrigerante (raffreddamento o lubrificazione). Per l'alesatura, ad esempio, è vantaggioso l'olio di foratura puro, mentre per la rettifica è adatto un refrigerante miscibile con acqua con un contenuto di olio nell'acqua pari o superiore al 5%.
Il Caso delle Troncatrici a Nastro: Dubbi e Raccomandazioni
L'applicazione di lubrificanti o refrigeranti nelle troncatrici a nastro, specialmente quelle destinate a un uso hobbistico o semi-professionale, solleva spesso interrogativi importanti riguardo alla sicurezza e all'efficienza.
Esperienza Personale e Quesiti
Un esempio pratico riguarda l'utilizzo su una troncatrice a nastro Fervi, quella grigia con il variatore di velocità, con due lame generiche ed una specifica per alluminio. Il dubbio sorge quando si deve tagliare del ferro: "posso usare del lubrificante, olio emulsionante come tornio e fresa, o poi la lama slitta?". È emerso un ricordo di anni fa con la macchina di un amico, dove, usando dell'olio, "in 0,5 microsecondi la lama si è piantata". Questo suggerisce un problema di aderenza. Il ferro si taglia facilmente, il che porta a chiedersi "perché usare refrigerante su una lama bimetallica?". Per esempio, con la lama in dotazione, è stato tagliato ferro pieno 50x20 senza problemi di riscaldamento (con il modello 782). Il dubbio principale era sulla tenuta del grip fra tamburo trainante e nastro, soprattutto quando si deve tagliare un tondo di 60mm di FE370.
Consigli e Specifiche dei Produttori
È certo che una lama raffreddata dura di più e rende di più nell'arco della giornata perché non si deve aspettare che si raffreddi. Questo dipende da quanti tagli si devono fare; un hobbista fa qualche taglio ogni tanto, mentre in un'officina si opera con volumi maggiori. A onor del vero bisogna dire che sulla Valex 100 è specificato chiaramente di NON usare lubrificanti, e sconsiglia vivamente anche il taglio di legno. Sinceramente, se queste piccole segatrici fossero predisposte per l'emulsione, è probabile che la ditta produttrice avrebbe inserito il sistema come optional.
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Impatto sulla Durata degli Utensili e Qualità della Lavorazione
L'impatto dei lubrificanti refrigeranti sulla durata degli utensili e sulla qualità della lavorazione è evidente e misurabile, manifestandosi attraverso diverse influenze sul funzionamento dell'utensile, sull'usura a cui è sottoposto e sulla precisione del pezzo finito.
Effetti sui Meccanismi di Usura
Il grande nemico dell'efficienza degli utensili è l'usura degli stessi, che si manifesta in varie forme: usura abrasiva (causata da particelle dure nel pezzo in lavorazione), usura adesiva (a causa del trasferimento di metallo tra l'utensile e il truciolo), usura da diffusione (ad alte temperature) e usura da ossidazione (dal calore e dall'azione chimica). Tutte queste forme di usura sono direttamente controllate dall'utilizzo di vari liquidi di raffreddamento e lubrificanti:
- L'usura abrasiva viene ridotta dall'applicazione di liquidi di raffreddamento, in quanto questi rimuovono i trucioli di metallo prima che erodano il tagliente.
- L'usura adesiva viene ridotta dai lubrificanti, che formano una barriera contro la formazione di microsaldature nel punto di contatto.
- La diffusione e l'ossidazione vengono ridotte dalla temperatura più bassa prodotta da un'applicazione oculata dei lubrificanti, in quanto questi diminuiscono la migrazione atomica degli atomi dell'utensile e del materiale del pezzo, e quindi non diminuiscono la qualità del tagliente dell'utensile in termini di durezza.
Se i taglienti non sono controllati, si smussano rapidamente, con conseguente aumento del consumo energetico e imprecisione nelle dimensioni di lavorazione.
Stabilità Termica del Tagliente
Un buon sistema di raffreddamento mantiene una temperatura costante sulla punta del tagliente, preservando così la microstruttura e la forma del tagliente stesso. Le variazioni di temperatura aumentano l'usura e causano cricche termiche, particolarmente pericolose durante le operazioni di taglio intermittenti, come nella fresatura. Un raffreddamento costante riduce le variazioni di temperatura a cui è sottoposto l'utensile, prolungandone considerevolmente la durata.
Forze di Taglio e Vibrazioni
La resistenza al taglio è dovuta sia all'attrito che alla temperatura. Quando la capacità lubrificante del fluido è insufficiente, l'attrito aumenta e di conseguenza aumentano le forze di taglio, consentendo inevitabilmente la flessione dell'utensile. Tale flessione provoca vibrazioni, segni di vibrazione, irregolarità nell'ingaggio dell'utensile, ecc. Una lubrificazione adeguata riduce i coefficienti di attrito, garantisce un flusso di truciolo più stabile, diminuisce le vibrazioni, producendo superfici lisce e un taglio silenzioso, e prolunga automaticamente la durata dell'utensile da un lato e la durata dei cuscinetti del mandrino dall'altro.
Formazione e Rimozione dei Trucioli
Un raffreddamento inadeguato crea le condizioni ideali affinché i trucioli si attacchino o si saldino al tagliente, producendo un accumulo di materiale sul tagliente (Built-up Edge, BUE). Questo non solo danneggia l'utensile, ma graffia anche la superficie del pezzo. I liquidi di raffreddamento garantiscono una rimozione pulita dei trucioli, mantenendo l'area di taglio libera da detriti. Una migliore rimozione dei trucioli significa anche meno rilavorazioni, o pressioni dell'utensile inferiori, e una maggiore durata dell'utensile stesso. Il flusso costante dei trucioli consente uniformità nella texture superficiale e ripetibilità dimensionale.
Finitura Superficiale
La relazione tra lubrificazione e finitura superficiale è diretta: meno attrito, superficie liscia. Un tagliente che scorre anziché trascinarsi sulla superficie del pezzo in lavorazione lascia una finitura superficiale più pulita e riflettente. Nelle applicazioni di precisione come quelle aerospaziali e nella produzione di stampi, piccoli graffi o scolorimenti dovuti al calore possono comportare lo scarto del pezzo. La lubrificazione controllata elimina questi difetti, mentre il raffreddamento impedisce l'espansione termica che altera le dimensioni finali del componente.
Correlazione con l'Efficienza dei Costi
Ogni secondo di affilatura dell'utensile si traduce in un risparmio diretto sui costi di produzione. I frequenti cambi utensile non solo consumano tempo, ma aumentano anche la possibilità di errori di allineamento e di uniformità nella qualità dei pezzi. Studi indicano che, con un uso appropriato di refrigeranti e lubrificanti, la durata dell'utensile può essere aumentata, sia per gli acciai 30 che per i 60%, nella lavorazione di materiali difficili come acciaio inossidabile, Inconel e titanio. Una maggiore durata dell'utensile contribuisce alla regolarità dei tempi di ciclo, a una minore necessità di riaffilatura e a una manutenzione più prevedibile, tutti elementi essenziali per una lavorazione economicamente vantaggiosa.
Applicazioni Specifiche e Vantaggi
L'uso del lubrificante di raffreddamento è fondamentale per ottenere una maggiore precisione dimensionale, soprattutto quando si lavora su un pezzo per lunghi periodi di tempo. I suoi effetti si manifestano in modo diverso a seconda dell'operazione di lavorazione.
Influenza su Diverse Operazioni
- Perforazione: I liquidi di raffreddamento sono essenziali per un'adeguata rimozione dei trucioli nelle scanalature strette; senza di essi, i trucioli ostruiranno e romperanno le punte da trapano.
- Tornitura: L'attrito tra utensile e truciolo viene ridotto grazie alla lubrificazione, garantendo un'usura stabile dell'utensile e dimensioni precise.
- Fresatura: Nei fluidi di raffreddamento in movimento, un migliore ciclo termico riduce la scheggiatura dei bordi degli utensili da taglio in metallo duro.
- Maschiatura e Alesatura: Un'elevata lubrificazione previene l'usura e migliora la precisione della filettatura.
Ogni processo viene influenzato in modo diverso, ma tutti beneficiano del mantenimento e controllo delle condizioni di taglio da parte dell'agente di raffreddamento, garantendo una superficie di taglio stabile attraverso il controllo del calore e degli effetti dell'attrito.
Migliori Pratiche e Manutenzione dei Sistemi di Raffreddamento
Per sfruttare appieno i vantaggi dei fluidi da taglio, è essenziale adottare pratiche di gestione e manutenzione rigorose.
Gestione del Fluido Refrigerante
I macchinisti dovrebbero attenersi alle seguenti indicazioni: mantenere le concentrazioni corrette del liquido refrigerante; una concentrazione troppo bassa significa un raffreddamento insufficiente, una concentrazione troppo alta provoca un'eccessiva formazione di schiuma e un aumento dei costi. È fondamentale utilizzare fluidi da taglio filtrati per impedire che gli abrasivi ricircolino nella zona di taglio. Inoltre, è necessario monitorare o conoscere la temperatura, il valore del pH e l'attività batterica presenti affinché il fluido da taglio possa svolgere le funzioni desiderate. Selezionare i diversi tipi di fluidi da taglio in base all'operazione da eseguire. Applicare la lubrificazione a quantità minima (MQL) nei sistemi a secco o semisecco per garantire la sostenibilità e il controllo dei costi.
Sostituzione e Monitoraggio
Sostituire regolarmente l'emulsione del lubrorefrigerante perché si consuma con il tempo e per evitare la formazione di muffe. Osservare i dati del produttore relativi agli intervalli di sostituzione raccomandati. Assicurarsi sempre che non vi siano segnali che indichino che il refrigerante necessita di sostituzione. I segni includono: elevata viscosità, elevata concentrazione di cobalto, cattivo odore e/o corrosione (contaminazione dell'olio con batteri dell'acqua).
Ottimizzazione dell'Applicazione
È importante scegliere il lubrificante adatto alla propria macchina. Alcune macchine richiedono un tipo di refrigerante specifico, pertanto è necessario consultare il produttore. Mantenere tutti gli ugelli puliti e ben regolati per garantire una distribuzione uniforme del fluido da taglio. Ricordare: individuare il punto di contatto e dirigervi la giusta quantità di fluido alla giusta pressione. Il punto di contatto è esattamente il punto in cui la mola e il pezzo si toccano e si creano le temperature più elevate. La regolazione di queste temperature è fondamentale, quindi è essenziale che l'ugello sia orientato in modo preciso.
Il liquido di prelevigatura deve essere fatto passare attraverso la relativa tubazione del refrigerante per fornire la pressione e la precisione richieste. Le macchine, ad esempio quelle di UNITED GRINDING, operano con diversi tipi di tubature per refrigerante:
- Plastica modulare: Ideale per pressioni basse. È estremamente flessibile, quindi è una buona scelta per cambi rapidi.
- Ugelli rotanti: Utilizzati quando la pressione è maggiore. Possono essere fissati con filettature e offrono una maggiore rigidità, pur mantenendo la flessibilità.
- Tubi in acciaio inossidabile: Impiegati quando la pressione è molto alta. Offrono la precisione di ripetibilità richiesta dai sistemi di cambio disco o dai pacchetti dischi standard, dove il refrigerante deve colpire ogni volta esattamente gli stessi punti di contatto.
Se si utilizza una macchina dotata di software specifico, come in alcune macchine UNITED GRINDING, il software mostra il punto di contatto esatto, consentendo di allineare gli ugelli del refrigerante con una precisione eccezionale. Seguendo questi consigli, è possibile superare le sfide fisiche legate al raffreddamento di una rettificatrice che operi ad alta velocità di taglio. A causa di turbolenze nella periferia di una mola che gira ad alta velocità, naturalmente viene immessa aria e si forma della nebbia.
Considerazioni sulla Sicurezza
I lubrificanti refrigeranti (MWF) possono essere pericolosi per la salute. Pertanto, è fondamentale rispettare le avvertenze di pericolo del produttore ed evitare il contatto con i lubrificanti di raffreddamento o, se necessario, indossare guanti e occhiali di sicurezza. Nel lubrificante di raffreddamento possono talvolta formarsi funghi e batteri, rendendo la sostituzione regolare ancora più cruciale.
Suggerimenti Utili
Non utilizzare gli oli disponibili in commercio (olio motore, olio per uso domestico, ecc.) per produrre il proprio lubrificante di raffreddamento. Questi oli si depositano sulla superficie sotto forma di chiazza d'olio e possono provocare la formazione di muffe. Utilizzate un dispositivo di raffreddamento se volete lavorare i metalli più a lungo e con precisione dimensionale.
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