La tornitura è una lavorazione meccanica che produce, attraverso un utensile, forme cilindriche e rotonde. Propriamente il tornitura significato è quello di un processo di produzione industriale che si ottiene per asportazione di truciolo. Durante il processo di tornitura il pezzo compie un moto rotatorio mentre l’utensile, avanza secondo un moto per lo più rettilineo. In questo caso il pezzo di metallo da lavorare viene fissato a un mandrino, messo in rotazione in modo che un utensile da taglio possa, muovendosi lungo il pezzo, dargli la forma prevista.
Il movimento dell’utensile avviene lungo l’asse del pezzo che ruota ed in questo modo il diametro del pezzo viene ridotto ad ogni passata dell’utensile. Un altro movimento che l’utensile può eseguire è lo spostamento verso il centro del pezzo: questa operazione viene detta intestazione o spianatura. Tutti gli altri tipi di movimento sono la combinazione di questi due movimenti base quindi si possono ottenere superfici raggiate o addirittura coniche.
Le operazioni sulla superficie esterna del pezzo includono la rimozione di un fine strato esterno per ottenere una superficie piana e liscia (sfacciatura), l'incisione di scanalature e solchi di diverse forme e profondità (scanalatura) o la conferimento di una forma specifica al pezzo (tornitura). Sulla superficie interna del pezzo, è il caso della foratura, che permette di ottenere dei fori muovendo il pezzo e non la punta dell’utensile di taglio.
Gli Inserti di Tornitura: Strumenti Essenziali
Per qualsiasi taglio di precisione serve lo strumento giusto, adeguato al tipo di lavorazione che si andrà a fare: questo strumento è l’inserto e il portainserto. Gli inserti sono utilizzati in tutte le lavorazioni meccaniche. La scelta dell’inserto ideale per la lavorazione di tornitura è il primo passo per l’ottimizzazione del processo produttivo e si compie attraverso la valutazione di alcuni parametri di primaria importanza e di altri secondari, ma non per questo meno rilevanti. Esistono molti parametri da considerare nella scelta di un inserto di tornitura. Geometria e qualità dell’inserto si complementano a vicenda.
Tipi di Utensili di Tornitura
Gli utensili di tornitura (detti anche acciai per tornitura) vengono utilizzati sui torni per asportare materiale dal pezzo in lavorazione. A seconda dell'uso previsto, si utilizzano diversi tipi di utensili di tornitura.
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- Utensile di tornitura HSS: L'acciaio HSS (acciaio ad alta velocità) è un acciaio per utensili altamente legato, spesso utilizzato come materiale da taglio nelle lavorazioni meccaniche. Ha il più alto carico di rottura e la migliore rettificabilità, che lo rendono molto adatto alla rettifica a misura per varie applicazioni. Grazie all'eccellente affilabilità dell'acciaio HSS, questi scalpelli possono essere facilmente riaffilati per la tornitura di stampi.
- Utensili di tornitura con placchette in metallo duro brasate: Le placchette di carburo si caratterizzano per la loro durezza, ma soprattutto per la loro tenacità. Sono più dure dei metalli puri, delle leghe e degli acciai temprati, ma sono più soggette a rotture.
- Utensili di tornitura con inserti indicizzabili: Gli utensili di tornitura con inserti intercambiabili hanno il vantaggio di poter sostituire rapidamente e facilmente i taglienti usurati. Inoltre, a seconda del materiale da lavorare, è possibile montare sul supporto l'inserto più adatto. Il rivestimento degli inserti indicizzabili consente di utilizzarli per un'ampia gamma di materiali, ad esempio per la lavorazione di alluminio, metalli non ferrosi o acciaio.
Utensili in base alla direzione di taglio
In base alla posizione del tagliente principale dell'utensile di tornitura, è possibile determinare il suo tipo.
- Utensili di tornitura destri: La direzione di taglio o di lavoro degli utensili di tornitura destri è da destra a sinistra.
- Utensili per la tornitura a sinistra: Se il tagliente è rivolto verso sinistra, si tratta di un utensile di tornitura mancino. La direzione di taglio o di lavoro degli utensili di tornitura sinistri è da sinistra a destra.
- Utensili di tornitura neutri: Gli utensili di tornitura neutri sono progettati per tagliare o lavorare in entrambe le direzioni.
- Utensile di tornitura interna: Gli utensili di tornitura interna (noti anche come barre di alesaggio) sono utilizzati per lavorare i pezzi dall'interno. A tal fine, tuttavia, è necessario praticare un foro. Il pezzo può quindi essere tornito dall'interno con l'utensile di tornitura interna.
- Utensile per la filettatura: Gli scalpelli per filettare sono utilizzati per produrre filettature su pezzi torniti.
Materiali e Rivestimenti degli Inserti
Per migliorare le prestazioni dell’inserto, il metallo duro viene rivestito da uno strato costituito nitruri di carburi e ossidi. Sebbene il suo spessore sia molto limitato (qualche micron), i vantaggi sono molteplici. Gli inserti vengono caricati nella camera di rivestimento in appositi vassoi.
Esistono principalmente due metodi di rivestimento:
- CVD (Chemical Vapour Deposition): Dopo aver inserito le pile di inserti in una fornace, nella camera viene introdotta una combinazione di gas. La deposizione prosegue con una specifica serie di gas fino al completamento degli strati di rivestimento. In questo caso lo spessore è di circa 3-6 micron. Il rivestimento è in nitruri di Titanio e Alluminio (TiAlN) e viene applicato a circa 500 °C.
- PVD (Physical Vapour Deposition): Sulle pareti della camera di reazione vengono sistemati dei target di metallo, di solito titanio. Questi vengono scaldati fino a raggiungere la temperatura di ionizzazione del metallo. Utilizzando un gas come vettore, gli ioni possono quindi essere trasportati dai target agli inserti e, dato che gli inserti sono più freddi, gli ioni si condensano sulla loro superficie fino a formare un rivestimento. Rispetto agli inserti con rivestimento CVD, i PVD sono generalmente più tenaci. Questo tipo di processo è di solito usato per la fresatura: lavorando con più taglienti in contemporanea aumenta infatti il tempo di raffreddamento ed è sufficiente quindi un rivestimento a basso spessore.
Geometria e Forma degli Inserti
Selezionare la geometria dell'inserto in base all'operazione selezionata è fondamentale. Le geometrie per la tornitura possono essere suddivise in tre tipi di base ottimizzati, rispettivamente, per le operazioni di finitura, lavorazione media e sgrossatura.
- SGROSSATURA: la robustezza del tagliente e il raggio di punta grande consentono profondità di taglio e avanzamenti elevati. Combinazioni di profondità di taglio e avanzamento elevate.
- Lavorazione media: Operazioni di sgrossatura medio-leggera.
- FINITURA: Operazioni con profondità di taglio ridotte e basse velocità di avanzamento.
La geometria raschiante -WMX è la scelta prioritaria e rappresenta un buon punto di partenza per la maggior parte delle applicazioni. Per migliorare il controllo truciolo a valori inferiori di fn/ap si usa -WF. -WMX è sempre la scelta prioritaria nell'ampio campo di applicazione dei materiali che generano trucioli. Quando è necessario un filo tagliente più robusto, ad es. -WR.
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Angoli e Raggio di Punta
- 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. L’angolo di spoglia superiore si chiama angolo gamma ed è la misura del tagliente rispetto al taglio. Questo angolo può essere positivo o negativo. Di solito questo angolo è positivo: in questo modo la spoglia inferiore determina una certa robustezza all’utensile ed una maggiore capacità di assorbire la potenza oltre ad aumentare la qualità della finitura superficiale.
- Inserti Negativi e Positivi: 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°). Alcuni esempi di impiego di angoli di spoglia positivi sono steli sottili e piccoli diametri di alesatura mentre per l’angolo negativo si usa in tutte quelle condizioni di taglio difficili.
- 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. Altro fattore importante da valutare, spesso poco considerato, è il raggio di punta del tagliente.
La forma dell’inserto varia a seconda dell’angolo di punta che può essere molto ridotto (30-35 gradi) fino ad arrivare all’inserto rotondo cioè senza angoli. Fra questi due estremi sono presenti sul mercato molte geometrie fra cui quella quadrata, triangolare, trapezoidale. Maggiore è l’angolo del tagliente, che conferisce robustezza all’inserto, maggiori sono i parametri di taglio come la profondità di passata e l’avanzamento e maggiori sono le vibrazioni. Per cui sarà più facile ottenere una superficie meglio rifinita con inserti cosiddetti a “punta” cioè con piccoli angoli di punta. 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 figura in Tab.1 (sotto riportata), identifica la forma dell’inserto ideale in funzione al profilo da eseguire.
Classificazione dei Materiali da Lavorare (ISO)
La corretta identificazione del materiale da lavorare per le operazioni di tornitura è di fondamentale importanza per scegliere l'utensile più idoneo. A tale scopo la classificazione ISO suddivide i metalli in sei categorie e 24 sottogruppi. Le classificazioni si basano sulle proprietà fisiche dei materiali che determinano come questo reagisce alla lavorazione. I materiali che si possono tornire spaziano dagli acciai inox alla ghisa, dalle superleghe al titanio ai materiali non ferrosi.
Tabella: Classificazione ISO dei Materiali per Tornitura
| Gruppo ISO | Tipo di Materiale | Caratteristiche principali e impatto sulla lavorazione |
|---|---|---|
| P | Acciai | Acciai legati o fortemente legati, compresi i getti di acciaio e gli acciai inossidabili ferritici e martensitici. La lavorabilità è generalmente buona e varia con la durezza e il tenore di Carbonio. |
| M | Acciai Inossidabili | Con contenuto di cromo superiore al 12% (es. nichel e molibdeno). Si induriscono a mano a mano che si deformano durante l'asportazione. Producono molto calore e usura all'utensile. |
| K | Ghise | Si caratterizzano da abrasività che accelera l'usura dell'utensile. Le ghise grigie e malleabili sono relativamente facili da lavorare, mentre la ghisa nodulare e a grafite compatta sono più difficili. |
| N | Materiali Non Ferrosi | Principalmente alluminio, rame e ottone. Possono lavorare ad alte velocità di taglio perché sono più morbidi e usurano meno l’utensile. Tendono ad aderire all'utensile, provocando l'incollamento del truciolo e una scarsa finitura superficiale o frattura dell'utensile. |
| S | Superleghe Termoresistenti | Includono molti materiali fortemente legati a base di nichel, cobalto, titanio e ferro. Hanno una bassa conduttività termica con conseguente concentrazione del calore nella zona del taglio dell'utensile. Difficili da tagliare per l'incollamento e usurano molto la placchetta. |
| H | Materiali Duri | Acciai temprati a 55 HRC, ghise fuse in conchiglia con durezza intorno a 400-600 HB. Molto difficili da lavorare perché sviluppano tanto calore e sono abrasivi per l'utensile. |
Parametri e Operazioni di Tornitura
Per eseguire le lavorazioni della tornitura dei metalli esistono diversi parametri da considerare. La velocità di rotazione del pezzo o del mandrino si esprime in giri al minuto e la velocità di taglio è la velocità con cui si muove l’utensile lungo l’asse del pezzo e si esprime in metri al minuto. È da considerare poi l’avanzamento, ovvero la distanza che l’utensile di taglio ha rispetto al pezzo in lavorazione durante una fase di rotazione del mandrino. La profondità di taglio si esprime in millimetri ed è la profondità di passata dell’utensile. L’avanzamento di taglio è un altro parametro importantissimo che determina la qualità di finitura superficiale. Questo valore incide anche sullo spessore del truciolo e sulla forma stessa del truciolo.
Pianificazione del Processo
Come si pianifica un processo di tornitura? In base al tipo di pezzo da lavorare, alle dimensioni ed alla forma, al materiale ed alla quantità di pezzi da eseguire viene scelta la macchina su cui produrre. Successivamente viene studiato il tipo di utensile in base all’operazione di tornitura da eseguire. Infine in base a tutte queste caratteristiche vengono stabilite la velocità di taglio ed i parametri operativi. Il tipo di lavorazione influisce anche sulla grandezza dell’inserto. Per cui in base al materiale da lavorare si sceglie la geometria dell’inserto e la qualità dell’inserto. La qualità dell’inserto, il materiale da lavorare, la geometria dell’inserto ed il percorso utensile sono fattori fondamentali per aumentare la produttività e ridurre il tempo-ciclo.
Forze di Taglio e Controllo del Truciolo
Nella tornitura la forza di taglio è la forza necessaria ad asportare una sezione specifica di truciolo con spessore medio di circa 1 millimetro. Le forze di taglio in gioco variano al variare del materiale da lavorare. Quanto più il materiale è duro tanto aumenteranno le forze di taglio. Lo spessore del truciolo è direttamente proporzionale all’angolo di attacco: se aumenta l’angolo di attacco, aumenta di conseguenza lo spessore e la larghezza diminuisce. Il truciolo si spezza mentre si allontanano dall’inserto. La forma del truciolo varia con il variare della velocità di taglio, velocità di avanzamento, tipo di materiale e geometria dell’utensile. L’angolo di spoglia dell’inserto (detto angolo gamma) è molto importante per la forma del truciolo.
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La rottura del truciolo può avvenire in diversi modi:
- Rottura contro l’utensile: Il truciolo si arriccia fino a quando non impatta contro l’angolo di spoglia inferiore dell’utensile, spezzandosi. In questo caso il truciolo potrebbe danneggiare l’utensile.
- Rottura a contatto con il pezzo: Il truciolo si spezza a contatto con la superficie del pezzo in lavorazione e questo non è buono per la finitura superficiale.
1 LEZIONE BIS - LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONI TRUCIOLO INTRODUZIONE E TORNITURA RIPASSO
Metodi di Tornitura
I tre principali metodi di tornitura sono la sgrossatura, la lavorazione media e la finitura.
- Sgrossatura: Si ha il massimo volume di truciolo asportato e si lavora in condizioni di profondità di taglio e velocità di avanzamento piuttosto elevate per cui le forze di taglio sono molto elevate.
- Lavorazione media: Si usa per scopi generici e per la maggior parte delle applicazioni. Le profondità di taglio e l’avanzamento sono contenuti in un range molto ampio.
- Finitura: Avendo basse forze di taglio, viene effettuata con basso avanzamento e ridotte profondità di taglio per garantire superfici ben levigate.
Tornitura Esterna
La tornitura esterna più comune è la tornitura longitudinale. Si utilizzano generalmente inserti a forma romboidale. Per la profilatura i fattori importanti sono la versatilità dell’utensile e l’accessibilità ed anche qui gli inserti romboidali con angolo fra i 35 ed i 55 gradi sono fra i più indicati. La sfacciatura o intestazione viene eseguita solitamente con inserti romboidali con angoli molto aperti, fra i 75 e 90 gradi. Per la tornitura a tuffo per l’esecuzione di tasche sono indicati inserti dalla forma rotonda che possono essere utilizzati per avanzamenti sia assiali che radiali.
Tornitura Interna
Nella tornitura interna (barenatura) le dimensioni del foro e la lunghezza sono determinanti nella scelta dell’utensile. Per la tornitura longitudinale interna e barenatura (per allargare fori lavorando all’interno) vengono impiegati inserti triangolari. La sfacciatura interna viene eseguita con inserti romboidali con angoli molto aperti da 60 a 80 gradi. Nella profilatura interna l’inserto deve essere con angoli molto chiusi da 35 gradi a 55 gradi. L’evacuazione del truciolo è un fattore molto importante per la buona riuscita della barenatura infatti la forza centrifuga spinge i trucioli verso la parte interna del foro in certi casi danneggiandola anche. Usando un buon refrigerante si può aiutare ad allontanare il truciolo dalle superfici in lavorazione.