La tornitura è una lavorazione meccanica che produce, attraverso un utensile, forme cilindriche e rotonde. È un processo che consente di ottenere pezzi con forma cilindrica o con geometrie complesse tramite l’asportazione di materiale. L’utensile ed il pezzo lavorano a contatto ed il pezzo è in rotazione mentre l’utensile è in movimento. Per ottenere finiture di precisione, come da progetto, servono gli adeguati strumenti.
Nella tornitura esterna si lavora il diametro esterno del pezzo in rotazione per ridurre il diametro e conferire la forma necessaria. Nella tornitura interna si lavora il diametro interno del pezzo in rotazione, con un utensile che penetra nella cavità e asporta il truciolo. 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.
Esistono molti parametri da considerare nella scelta di un inserto di tornitura. La scelta dell'inserto giusto è fondamentale, e tra i fattori più critici vi è l'angolo di spoglia, noto anche come "relieving rake".
Fondamenti della Tornitura: Parametri Operativi
Il movimento dell’utensile può essere lungo l’asse del pezzo che ruota, riducendo il diametro, oppure verso il centro del pezzo, in un'operazione detta intestazione o spianatura. Tutti gli altri tipi di movimento sono la combinazione di questi due movimenti base, permettendo di ottenere superfici raggiate o coniche.
- Velocità di Rotazione e di Taglio: La velocità di rotazione del pezzo o del mandrino si esprime in giri al minuto, mentre 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.
- Avanzamento di Taglio: Questo è un altro parametro importantissimo che determina la qualità di finitura superficiale. Questo valore incide anche sullo spessore e sulla forma stessa del truciolo. È la distanza percorsa dall’utensile per ogni giro del pezzo.
- Profondità di Taglio: Si esprime in millimetri ed è la profondità di passata dell’utensile.
La forma del truciolo varia al variare di questi parametri: profondità di taglio, angolo di attacco, avanzamento, tipo di materiale del pezzo e geometria dell’inserto utilizzato.
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Geometria degli Inserti: Una Scelta Critica
La forma dell'inserto dovrebbe essere selezionata considerando l'accessibilità dell'angolo di registrazione richiesta dall'utensile. 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.
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. La terza coppia di numeri nella nomenclatura degli inserti si riferisce all’arrotondamento dell’angolo, chiamato anche “raggio di punta”.
Geometria e qualità dell'inserto si complementano a vicenda. 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.
L'Angolo di Spoglia: Cuore della Tornitura
L'angolo di spoglia è uno dei parametri geometrici più importanti dell'utensile. Influisce direttamente sulla deformazione da taglio, sulla forza di taglio e sulla temperatura di taglio. Impostazioni errate possono causare un taglio instabile, un'usura anomala dell'utensile o una scarsa qualità superficiale. L’angolo di spoglia superiore si chiama angolo gamma e la sua misura è del tagliente rispetto al taglio.
Un angolo di spoglia maggiore si traduce in un'azione di taglio più leggera ma riduce la resistenza del tagliente, mentre un angolo di spoglia minore aumenta la resistenza dell'utensile ma anche la resistenza al taglio. Pertanto, deve essere scelto in base alle proprietà del materiale. L'angolo di spoglia influisce anche sull'attrito tra il fianco dell'utensile e la superficie del pezzo. Se è troppo piccolo, possono verificarsi attrito e calore eccessivi; se è troppo grande, la resistenza del tagliente diminuisce. Pertanto, è necessario trovare un equilibrio.
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Inserti a Spoglia Positiva
Un inserto positivo ha un angolo inferiore a 90° (ad esempio, un angolo di spoglia inferiore di 7°). Gli inserti a rastrello positivo sono come il coltello da chef affilato della vostra cucina. Tagliano come un sogno i materiali più morbidi. Il bordo è angolato per ‘tagliare’ il materiale, e quindi è necessaria una minore forza per eseguire il taglio. Questo si traduce in una finitura più liscia del pezzo da lavorare e una maggiore efficienza energetica. Sono ottimi per lavori di precisione, quando è necessario rispettare le tolleranze più strette.
Tuttavia, gli inserti a spoglia positiva possono essere un po' delicati. Non sono l'ideale per materiali duri e resistenti e possono causare vibrazioni in alcune configurazioni, soprattutto con sporgenze più lunghe. Potrebbero anche non essere la scelta migliore per i tagli interrotti. Nella lavorazione di alluminio, rame o acciaio a basso tenore di carbonio, si utilizza in genere un angolo di spoglia maggiore, che è solitamente 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 a Spoglia Negativa
Un inserto negativo ha un angolo di 90° (angolo di spoglia inferiore di 0°). L'illustrazione dell'inserto negativo mostra il modo in cui l'inserto è montato e inclinato nell'attacco. Sono più simili a un bulldozer che spinge nello sporco. Questi inserti sono resistenti e possono sopportare le botte, come i buttafuori di un pub rumoroso, gestendo le cose più difficili senza sudare. Sono perfetti per i materiali duri che farebbero "piangere" i rastrelli positivi, dove gli inserti a spoglia positiva possono scheggiarsi o rompersi. Sono ideali per operazioni di sgrossatura pesanti, dove è necessario asportare rapidamente molto materiale. La loro geometria li rende più stabili durante il taglio, con meno vibrazioni e maggiore durata dell'utensile in condizioni difficili.
D'altra parte, gli inserti a spoglia negativa necessitano di una maggiore forza di taglio, il che può far "brontolare" la macchina. La finitura non è sempre così liscia, e possono generare più calore. Le forze di taglio più elevate possono talvolta deformare i pezzi a parete sottile o delicati. Nella lavorazione dell'acciaio temprato o nelle lavorazioni con tagli interrotti, è necessaria una maggiore resistenza dell'utensile, pertanto si utilizza un angolo di spoglia inferiore. Un angolo di spoglia ridotto aumenta la resistenza del tagliente e diminuisce il rischio di scheggiature. Nelle lavorazioni di sgrossatura o in condizioni di taglio gravose, l'angolo di spoglia viene solitamente mantenuto più piccolo, aumentando la resistenza della sezione trasversale dell'utensile e migliorandone la rigidità.
Confronto e Scelta: Spoglia Positiva vs. Negativa
La scelta tra un inserto a spoglia positiva e uno a spoglia negativa dipende dall'applicazione specifica. Non esiste una risposta unica per tutti, è come chiedersi se sia meglio un martello o un cacciavite: dipende da cosa si sta cercando di fare.
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Considerate il materiale: È morbido e indulgente o duro e ostinato? Considerate la vostra macchina: È una macchina potente o più fine? Pensate al vostro obiettivo finale: Volete sgrossare o ottenere una finitura a specchio? Non dimenticate il controllo dei chip: I diversi rastrelli gestiscono i chip in modo diverso.
Per la sgrossatura, spesso si preferisce un inserto a spoglia negativa, in quanto più resistenti e in grado di sopportare il calore e le sollecitazioni del taglio pesante. Per i materiali più morbidi (alluminio, ottone, acciaio dolce), finiture super lisce e lavori di precisione, gli inserti a spoglia positiva sono la scelta migliore. Per i materiali più duri (acciaio inossidabile, acciai temprati) e le operazioni di taglio grezzo, gli inserti a spoglia negativa sono più adatti.
In caso di dubbio, iniziare con un'inclinazione neutra e regolare da lì. Ricordate che nel mondo della lavorazione non esiste la taglia unica. Il rastrello positivo taglia come un coltello affilato, richiedendo meno forza, ma può essere fragile. Il rastrello negativo è più duro, richiede più forza, ma può gestire materiali più duri.
| Caratteristica | Spoglia Positiva | Spoglia Negativa |
|---|---|---|
| Angolo del tagliente | < 90° (es. 7° di spoglia) | 90° (es. 0° di spoglia) |
| Forza di taglio | Minore | Maggiore |
| Finitura superficiale | Più liscia, ideale per finitura a specchio | Meno liscia |
| Robustezza dell'utensile | Minore, più fragile | Maggiore, resistente |
| Generazione di calore | Minore | Maggiore |
| Stabilità/Vibrazioni | Potenziali vibrazioni in alcune configurazioni | Più stabile, meno vibrazioni |
| Materiali ideali | Alluminio, ottone, acciaio dolce, materiali morbidi | Acciai temprati, acciaio inossidabile, materiali duri |
| Applicazioni tipiche | Finitura, lavori di precisione, parti a parete sottile | Sgrossatura, tagli interrotti, condizioni difficili |
Come scegliere un’inserto/utensile per tornio in base al materiale (parte 2)
Altri Angoli Cruciali dell'Utensile
Durante le operazioni di tornitura, gli angoli dell'utensile influenzano direttamente la forza di taglio, l'evacuazione dei trucioli, la finitura superficiale e la durata dell'utensile stesso. Materiali diversi, metodi di taglio e requisiti di precisione differenti richiedono configurazioni di angoli dell'utensile diverse. Una scelta errata dell'angolo può causare un'usura accelerata dell'utensile, vibrazioni di taglio, surriscaldamento del pezzo o una finitura superficiale scadente. Nella moderna lavorazione CNC, gli angoli dell'utensile non solo influenzano l'efficienza di taglio, ma anche la stabilità e la costanza della produzione nei processi in serie.
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. Un altro dato importante da tenere in considerazione è l’angolo di registrazione del tagliente (placchetta), che cambia a seconda dell’utensile utilizzato. Angoli 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 e kr < 90° in condizioni di lavoro normali e con sistemi macchina-pezzo-utensile rigidi.
Angolo del Tagliente Principale
L'angolo del tagliente principale influenza la distribuzione della forza di taglio, le sollecitazioni sul pezzo e la direzione del flusso dei trucioli. Una scelta errata può causare deformazioni del pezzo, aumento delle vibrazioni o carichi anomali sull'utensile. Riveste un ruolo particolarmente importante nella lavorazione di alberi sottili, dove una forza radiale eccessiva può causare deformazioni. Nelle lavorazioni di sgrossatura o di taglio profondo, un angolo del tagliente principale più piccolo contribuisce a distribuire il carico di taglio in modo più uniforme lungo il tagliente dell'utensile.
Angolo di Inclinazione dell'Utensile
L'angolo di inclinazione dell'utensile influenza la direzione del flusso dei trucioli e le condizioni di carico del tagliente. Una corretta regolazione migliora la stabilità dell'evacuazione dei trucioli e riduce le anomalie di taglio. Nella tornitura ad alta velocità, il flusso dei trucioli influisce direttamente sulla sicurezza della lavorazione e sulla qualità della superficie. Se i trucioli si avvolgono attorno all'utensile, possono danneggiare il pezzo o ridurre la stabilità della lavorazione. Un angolo di inclinazione negativo aumenta la resistenza del tagliente, rendendolo adatto a condizioni di lavorazione con carichi elevati. Nella lavorazione con taglio discontinuo o su materiali duri, le forze d'impatto sono elevate. 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).
Materiali e Applicazioni Specifiche
Materiali diversi, metodi di taglio e requisiti di precisione differenti richiedono configurazioni di angoli dell'utensile diverse. Nella lavorazione di alluminio, rame o acciaio a basso tenore di carbonio, si utilizza in genere un angolo di spoglia maggiore. Nella lavorazione dell'acciaio temprato o nelle lavorazioni con tagli interrotti, è necessaria una maggiore resistenza dell'utensile, pertanto si utilizza un angolo di spoglia inferiore.
L'acciaio inossidabile presenta una forte tendenza all'incrudimento e una bassa conducibilità termica, che comporta una concentrazione di calore nella zona di taglio e un'usura maggiore dell'utensile. Pertanto, la scelta dell'angolo dell'utensile deve bilanciare affilatura e resistenza. Se gli angoli sono troppo acuti, il tagliente può scheggiarsi facilmente; se sono troppo smussati, la temperatura di taglio aumenta e l'usura accelera. Materiali in lavorazione meno resistenti (meno duri) consentono angoli γ0 maggiori. 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.
I materiali che si possono tornire spaziano dagli acciai inox alla ghisa, dalle superleghe al titanio ai materiali non ferrosi. Secondo le norme ISO, e in base alle caratteristiche di durezza, analisi chimica ed altre variabili, esistono sei gruppi di materiali:
- ISO P: Acciai legati o fortemente legati, compresi i getti di acciaio e gli acciai inossidabili ferritici e martensitici. La lavorabilità è generalmente buona.
- ISO M: Acciai inox che contengono almeno il 12% di cromo (nichel, molibdeno). Questi materiali producono molto calore e usura sull'utensile.
- ISO K: Ghise. Le ghise grigie e malleabili sono relativamente facili da lavorare; la ghisa nodulare e a grafite compatta sono più difficili.
- ISO N: Metalli non ferrosi come alluminio, rame, ottone. Possono lavorare ad alte velocità di taglio perché sono più morbidi e usurano meno l’utensile.
- ISO S: Superleghe resistenti al calore (a base di ferro, cobalto, titanio, nichel). Sono difficili da tagliare a causa dell’incollamento e usurano molto la placchetta.
- ISO H: Acciai con durezze HRc comprese fra i 45 e 65, e ghise fuse in conchiglia con durezza intorno a 400-600 HB. Sono molto difficili da lavorare perché sviluppano tanto calore e sono abrasivi per l’utensile.
Controllo del Truciolo
Il rompi truciolo ha l’importante funzione di formare e rompere il truciolo durante la lavorazione. 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. Da qui nascono gli inserti positivi e negativi. Durante l'allontanamento del truciolo dalla superficie lavorata è necessario provvedere alla rottura del truciolo (quindi si cerca di evitare il truciolo continuo).
Esistono diverse modalità di rottura del truciolo:
- 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.
Cercare inserti con rompitruciolo per un migliore controllo dei trucioli. La parte tagliente e il rompi-truciolo possono essere presenti solo da un lato o su entrambi i lati.
Metodi di Tornitura e Scelta dell'Inserto
I tre principali metodi di tornitura sono la sgrossatura, la lavorazione media e la finitura. La sgrossatura, la semifinitura e la finitura richiedono diverse configurazioni dell'angolo dell'utensile. Un corretto allineamento delle fasi di lavorazione garantisce prestazioni stabili dell'utensile.
- 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. Si concentra su resistenza ed efficienza. Per la sgrossatura, spesso si preferisce un inserto a spoglia negativa.
- 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. Privilegia la qualità della superficie e la precisione dimensionale.
Nella produzione CNC, spesso si utilizzano più utensili per le diverse fasi di lavorazione di un singolo pezzo, pertanto la geometria dell'utensile deve essere regolata in base al piano di processo.
Scelta della Forma dell'Inserto
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 (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.
- Inserti romboidali: Questi inserti possono essere usati sia per tornitura che per sfaccettatura. Hanno ottime doti di sgrossatura ma possono provocare vibrazioni durante la lavorazione di pezzi sottili. 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.
- Inserti raschianti: Si usano per migliorare la finitura superficiale a parità di avanzamento permettendo di aumentare la produttività. Non vengono usati per la profilatura.
- Inserti rotondi: 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.
- Inserti triangolari: Per la tornitura longitudinale interna e barenatura (per allargare fori lavorando all’interno) vengono impiegati inserti triangolari.
Nomenclatura degli Inserti ISO/ANSI
La maggior parte dei produttori di utensili per tornitura propone prodotti standardizzati per cui si seguono i sistemi di identificazione ISO o ANSI, facendo riferimento quindi a direttive internazionali. La nomenclatura è composta da una stringa di 10 numeri e lettere. A ciascuna posizione di questi corrisponde ad un significato specifico. In generale le cifre della parte centrale vanno lette a coppie e rispondono sempre al sistema ISO.
Le prime 4 cifre permettono di descrivere l’inserto per tornio. Uno spazio distingue la seconda parte del codice che indica le dimensioni del pezzo. Ogni lavorazione di tornitura richiede un inserto con una forma ben precisa, riportata anch’essa nella nomenclatura. Ad ogni diversa forma corrisponde una lettera (es. V adatta principalmente per le operazioni di finitura, T per finitura e semi-finitura, C per lavorazioni versatili). La 2ª lettera spesso indica se l'inserto è positivo o negativo. La classe di tolleranza più comune è indicata da una M. La sigla I.C. indica il Cerchio Inscritto ed è una delle dimensioni principali di un inserto. L’ultima parte della nomenclatura di un inserto si riferisce alla qualità del metallo duro del pezzo.