La tornitura è uno dei fondamenti delle lavorazioni meccaniche, impiegata in dozzine di ambiti e applicazioni diverse per la creazione di componenti e pezzi di qualsiasi natura. Tuttavia, durante le operazioni di tornitura possono verificarsi degli effetti indesiderati sulla superficie dei particolari lavorati, influenzando la qualità finale.
La qualità della superficie è influenzata da diversi fattori, tra cui il materiale del particolare, il tipo di inserto, lo stato di usura dell’inserto, le condizioni di taglio (principalmente avanzamento e velocità di taglio) e la stabilità del sistema utensile, torretta, pezzo.
Le Specificità della Tornitura dell'Alluminio
La tornitura dell’alluminio richiede un approccio tecnico e strategico accurato. Questo metallo è un materiale tenero rispetto agli acciai e tende a formare trucioli lunghi e adesivi che rischiano di incollarsi sull’utensile durante la lavorazione, compromettendo la finitura superficiale. L'alluminio è un materiale popolare per le applicazioni di lavorazione CNC grazie alle sue favorevoli qualità fisiche. È robusto, il che lo rende adatto alla produzione di componenti meccanici, e il suo strato esterno ossidato resiste alla corrosione causata dagli agenti atmosferici. Questi vantaggi hanno reso i componenti in alluminio popolari in diversi settori, in particolare in quello aerospaziale, automobilistico, sanitario ed elettronico di consumo.
Vantaggi dell'Alluminio nella Lavorazione CNC
- Resistenza alla Corrosione: L'alluminio ha un'elevata resistenza alla corrosione, offrendo protezione contro l'usura chimica e l'ossidazione.
- Riciclabilità: È altamente riciclabile, ideale per ridurre l'impatto ambientale e minimizzare gli sprechi.
- Rapporto Forza-Peso: Le sue qualità di leggerezza e alta resistenza lo rendono eccellente per la produzione di parti cruciali, come alberi per automobili e raccordi per l'aviazione.
- Conduttività Elettrica: Grazie all'eccellente conduttività, l'alluminio lavorato tramite CNC è spesso utilizzato nei componenti elettrici.
- Lavorabilità: Essendo facile da formare e scheggiare, questo metallo può essere tagliato correttamente ed efficientemente utilizzando macchine a controllo numerico (CNC), riducendo i tempi di lavorazione e la possibilità di deformazione.
Leghe di Alluminio Comuni per la Tornitura CNC
È fondamentale comprendere i diversi tipi di alluminio, poiché le leghe di alluminio sono adatte a scopi differenti. Di seguito una panoramica delle leghe più diffuse e delle loro caratteristiche:
| Lega di Alluminio | Caratteristiche principali | Pro | Contro | Applicazioni tipiche |
|---|---|---|---|---|
| 1050 | Commercialmente pura, eccellente resistenza alla corrosione, elevata conduttività elettrica. Morbida e duttile. | Eccellente resistenza alla corrosione, elevata conduttività. Adatta per formatura e anodizzazione. | Bassa resistenza e durezza. Non adatta per applicazioni ad alto stress. | Generalmente applicazioni in cui la resistenza non è critica. |
| 2014 | Alta resistenza, eccellente lavorabilità, resistenza alla fatica. Rame come elemento principale. | Elevata robustezza e resistenza alla fatica, eccellente lavorabilità. Adatta per applicazioni strutturali. | Scarsa resistenza alla corrosione, saldabilità limitata. | Aerospaziali e strutturali. |
| 3003 | Manganese come componente principale, migliora resistenza e resistenza alla corrosione. | Buona resistenza alla corrosione, facilmente saldabile e formabile. Economico. | Resistenza inferiore, non trattabile termicamente. | Lastre di copertura, serbatoi di carburante, utensili da cucina. |
| 5056 | A base di magnesio, elevata resistenza alla corrosione (marina). | Eccellente resistenza alla corrosione (acqua salata), elevata resistenza, buona lavorabilità e resistenza all'usura. | Non trattabile termicamente, difficile da saldare. | Rivetti, reti metalliche, componenti per autoveicoli. |
| 6060 | Media resistenza, eccellente resistenza alla corrosione, buona saldabilità. | Buon rapporto resistenza/peso, elevata resistenza alla corrosione. Adatta per estrusione e saldatura. | Resistenza leggermente inferiore a 6061. Non adatta per applicazioni ad alto carico. | Architettoniche e strutturali. |
| 7075 | Una delle leghe di alluminio più resistenti. Zinco come elemento principale. | Resistenza e durezza estremamente elevate, buona resistenza alla fatica. Leggero con eccellenti proprietà meccaniche. | Scarsa resistenza alla corrosione, difficile da saldare. | Aerospaziali, automobilistiche e militari. |
Problemi Comuni nella Tornitura dell'Alluminio e le Loro Soluzioni
1. Rugosità Inaccettabile e Linee a Spirale
La finitura irregolare del pezzo - sia che sia rilevabile al tatto che alla vista - è un problema considerevole, perché colloca la produzione al di fuori delle tolleranze accettabili. L'artefatto visivo più comune in tornitura CNC è l'aspetto a spirale o "filettato".
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Cause:
- Scelta non corretta dell’inserto.
- Velocità di taglio inadeguata.
- Liquido di taglio inadatto.
- Avanzamento troppo alto o errata impostazione dei parametri, ad esempio un avanzamento eccessivo combinato ad un raggio di punta troppo ridotto.
- Il raggio di punta dell'inserto troppo piccolo per la finitura richiesta o, al contrario, troppo grande da provocare vibrazioni.
- Quando le linee a spirale diventano eccessivamente pronunciate o appaiono irregolari, è necessario esaminare la sincronizzazione del mandrino e dell'asse Z.
Soluzioni:
- Utilizzare un inserto raschiante o con tratto piano. Gli inserti raschiatori presentano una piccola "piattaforma" piatta appena dietro il raggio, che agisce come una spatola, levigando le creste della spirale.
- Cambiare la geometria dell’inserto.
- Diminuire l’avanzamento.
- Utilizzare o aumentare il raffreddamento o la lubrificazione.
- Staffare meglio il pezzo o l’utensile per diminuire le vibrazioni.
- Modificare lo spessore del truciolo.
2. Superficie Vibrata
Questo fenomeno si presenta quando il fissaggio del pezzo è instabile e il valore delle forze di taglio è troppo elevato. Se le linee a spirale assomigliano più a "scaglie" o "vene del legno", è probabile che si tratti di vibrazioni indotte da un'oscillazione. Si tratta di vibrazioni auto-eccitate, particolarmente frequenti nelle operazioni di alesatura o nella tornitura di pezzi lunghi e sottili. Una misura eccessiva della sporgenza dell’utensile porta inevitabilmente a vibrazioni, spesso incontrollate.
Soluzioni:
- Migliorare la stabilità del pezzo e dell’utensile.
- Diminuire la profondità di taglio.
- Sostituire l’inserto perché usurato.
- Diminuire la velocità di taglio.
- Diminuire lo spessore del truciolo.
- Utilizzare un inserto più positivo per ridurre la resistenza al taglio.
- Utilizzare barre di alesatura "accordate" o "smorzate", che contengono un peso interno per assorbire le vibrazioni.
- Variare la velocità del mandrino durante il taglio (funzione SSV - Spindle Speed Variation) per impedire la formazione di frequenze armoniche.
Risolvere i problemi di vibrazione in tornitura parte 1, Fanuc Spindle Speed Variation
3. Graffi Casuali e Bordo Riportato (Built-Up Edge - BUE)
Mentre le linee a spirale sono ritmiche e prevedibili, i graffi casuali sono caotici e spesso appaiono come profonde scanalature frastagliate. Il principale colpevole è quasi sempre il controllo del truciolo, ma possono influire anche contaminazione del refrigerante e inclusioni nel materiale.
Cause:
- Controllo del Truciolo Inadeguato: L'alluminio produce trucioli lunghi e fibrosi che possono avvolgersi attorno all'utensile o al pezzo in lavorazione. Quando un truciolo lungo si incastra, agita la superficie appena lavorata, lasciando graffi.
- Contaminazione del Liquido di Raffreddamento: Se il sistema di filtraggio del liquido di raffreddamento è inadeguato, particelle metalliche fini possono essere ricircolate e ripompate sul pezzo, agendo come una pasta abrasiva e lasciando sottili graffi.
- Incoerenze del Materiale: Il materiale stesso può contenere "inclusioni" (punti duri) che possono scheggiare l'inserto o causare flessioni momentanee, lasciando un graffio.
- Bordo Riportato (BUE - Built-Up Edge): Si verifica quando il calore e la pressione del taglio causano una "saldatura" chimica del materiale del pezzo alla punta dell'utensile. Questo grumo instabile si rompe periodicamente e viene trascinato sulla superficie, lasciando un aspetto ruvido. Il BUE è comune in materiali "gommosi" come l'alluminio.
Soluzioni:
- Migliorare il Controllo del Truciolo: Utilizzare un refrigerante ad alta pressione (oltre 70 bar) diretto con precisione sul tagliente per "rompere" il truciolo. Riprogettare il codice G per includere pause o ritracce periodiche per "rompere il truciolo".
- Filtrazione del Refrigerante: Osservare il serbatoio del liquido di raffreddamento per segni di "luccichio". Installare un separatore magnetico o un filtro a carta. Riposizionare gli ugelli del refrigerante per "lavare" via i trucioli dalla superficie finita.
- Inserti Specifici per Materiali: Utilizzare inserti più resistenti, rivestiti in PVD, in grado di sopportare l'impatto delle inclusioni.
- Prevenire il BUE: Aumentare la velocità di taglio per innalzare la temperatura all'interfaccia utensile-truciolo, oppure utilizzare un inserto "affilato" e altamente lucidato con un rivestimento speciale come il DLC (Diamond-Like Carbon) che previene l'adesione.
4. Creazione di Bave
La creazione di bave è un effetto che non sempre si può eliminare perché i metalli pastosi, come l'alluminio, tendono ad allungarsi quando sottoposti alle forze di taglio. Le bave sono quei materiali in eccesso che possono formarsi durante le operazioni di taglio e non distaccarsi.
Soluzioni:
- Utilizzare un inserto con tagliente positivo.
- Utilizzare un angolo di impostazione minore.
- Ridurre il raggio dell’inserto.
5. Errori Dimensionali e di Forma
Questo problema non consente di mantenere le tolleranze e quindi è necessario rivedere il sistema torretta-utensile-pezzo. Il surriscaldamento localizzato può causare alterazioni dimensionali e deformazioni residue al raffreddamento.
Soluzioni:
- Riesaminare la stabilità del fissaggio del pezzo.
- Riesaminare la stabilità dell’utensile.
- Utilizzare un inserto con maggior resistenza all’usura del tagliente.
6. Forma del Truciolo Non Corretta
La formazione del truciolo è un parametro molto importante nelle lavorazioni di tornitura perché può evidenziare il sovraccarico del tagliente e far sorgere vibrazioni. La forma del truciolo, lungo o corto, è determinata dal materiale da lavorare, dall’avanzamento e dalla profondità di taglio. I trucioli lunghi e fibrosi dell'alluminio possono saldarsi all'utensile e interferire con il processo.
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Soluzioni:
- Correggere l’avanzamento e la profondità di taglio.
- Scegliere una geometria più adatta per l'inserto.
- Scegliere un inserto con un rompitruciolo più efficace.
Strategie Ottimali per la Tornitura dell'Alluminio
Utensili Specifici per Alluminio
L’utilizzo di utensili specifici per la tornitura dell’alluminio favorisce l’asportazione del truciolo e riduce la formazione di bava. L’impiego di inserti in metallo duro con rivestimenti antiaderenti consente di diminuire l’usura e migliorare la qualità della superficie. I rivestimenti più efficaci includono il diamante policristallino (PCD), scelta ottimale per produzioni di grande serie grazie alla sua eccezionale resistenza all’usura abrasiva, e il nitruro di titanio alluminio (TiAlN), indicato per applicazioni meno intensive. È fondamentale scegliere angoli di taglio positivi e geometrie affilate, in grado di evitare deformazioni e accumuli di materiale sul tagliente. Se l'inserto è per acciaio, è consigliabile usarne uno nuovo e, se il problema persiste, optare per un inserto specifico per leghe leggere.
Controllo Vibrazioni e Surriscaldamenti
Vibrazioni e surriscaldamenti possono compromettere sia la qualità del pezzo sia la durata dell’utensile. Il surriscaldamento localizzato può causare alterazioni dimensionali durante la tornitura dell’alluminio e deformazioni residue al raffreddamento. L’utilizzo di un adeguato sistema di lubrificazione e refrigerazione contribuisce a disperdere il calore e a rimuovere i trucioli dalla zona di taglio, migliorando la finitura e prolungando la vita dell’utensile.
Gestione del Refrigerante e Pulizia
Particolare attenzione deve essere posta alla pulizia frequente della zona di lavoro, poiché i trucioli tendono a depositarsi e possono essere riaspirati nel sistema di lavorazione, causando rigature superficiali o danneggiamenti agli attrezzi. Un refrigerante ad alta pressione (≥70 bar), focalizzato e indirizzato con precisione sull'interfaccia di taglio, svolge una duplice funzione: contribuisce a gestire il carico termico e rimuove con forza i trucioli. È possibile lubrificare con alcool o gasolio al posto dell'emulsione, ma è importante non mescolarli.
Integrità Meccanica della Macchina Utensile
Prima di addentrarsi nei dettagli relativi agli utensili e alla programmazione, è necessario accertarsi che il tornio stesso non sia la causa del problema. Una causa meccanica comune di graffi casuali o linee irregolari è il fenomeno di "stick-slip" nelle guide della macchina. Se le guide degli assi X o Z non sono adeguatamente lubrificate, il carrello potrebbe subire dei piccoli scatti. Controllare i livelli di lubrificazione delle guide e assicurarsi che l'olio raggiunga effettivamente le guide stesse. Un altro fattore meccanico da considerare sono i cuscinetti del mandrino. Se i cuscinetti sono usurati, il mandrino può presentare un gioco assiale. Un semplice test consiste nell'utilizzare un comparatore a quadrante sul naso del mandrino per verificare il gioco assiale e radiale.
Ottimizzazione del Codice G
Anche la programmazione della macchina può influenzare la presenza di linee a spirale. Molti programmatori utilizzano una velocità di avanzamento costante, ma in determinate geometrie, come un raggio o uno smusso, la velocità di avanzamento "effettiva" cambia. Inoltre, la transizione tra la passata di sgrossatura e quella di finitura è fondamentale. Una buona regola pratica è quella di lasciare un sovrametallo di finitura pari a circa il 50-70% del raggio di punta, garantendo che l'utensile sia sufficientemente impegnato per essere stabile.
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Strategie di Serraggio e Stabilità Dimensionale
È fondamentale fissare saldamente il pezzo in lavorazione per evitare movimenti e vibrazioni durante la lavorazione. Dispositivi di serraggio ben progettati offrono una forza di serraggio e un supporto adeguati, migliorando stabilità e precisione, soprattutto per componenti complessi o con pareti sottili. Per i componenti a pareti sottili, è preferibile un metodo di compressione assiale delle superfici terminali con elevata rigidità, piuttosto che un serraggio radiale che può causare deformazioni. È possibile inserire un mandrino filettato nel foro interno del pezzo per posizionarlo. Si consiglia inoltre di utilizzare tecniche di lavorazione simmetriche su entrambi i lati dei componenti per applicare una forza uniforme e ridurre al minimo la deformazione. Per le cavità profonde, è consigliabile forare prima di utilizzare una fresatrice per alluminio.
Riduzione delle Tensioni Interne nel Pezzo
Il materiale di alluminio grezzo può presentare tensioni interne e indurre deformazioni durante la lavorazione. Il pretrattamento del materiale con tecniche di distensione come la ricottura o la stabilizzazione termica contribuisce a ridurre le tensioni residue e ad aumentare la stabilità dimensionale. L'invecchiamento naturale o artificiale e il trattamento vibrazionale sono metodi standard per rimuovere le tensioni interne. L'invecchiamento naturale espone un pezzo in lavorazione a condizioni naturali per rilasciare le tensioni, mentre l'invecchiamento artificiale prevede riscaldamento o congelamento. Il metodo di riduzione dello stress tramite vibrazione utilizza un potente vibratore per far vibrare la struttura, riducendo e ridistribuendo lo stress interno.
Il Fattore Umano nella Risoluzione dei Problemi
A volte, la soluzione non è tecnica ma procedurale. Nella produzione ad alto volume, gli operatori potrebbero modificare il parametro di avanzamento per velocizzare il processo, compromettendo la qualità della finitura. Standardizzare le "Istruzioni di lavoro" è fondamentale. Inoltre, è importante il modo in cui il pezzo viene caricato. Se il mandrino viene serrato eccessivamente, può deformare leggermente il pezzo. L'utilizzo di "ganasce morbide" forate al diametro specifico del pezzo può distribuire la forza di serraggio in modo più uniforme, prevenendo deformazioni e anomalie superficiali.
Consigli Generali per la Manutenzione e le Best Practices
- Controllo della Sede dell'Inserto: Quando si procede alla sostituzione dell’inserto, è necessario pulire la sede, controllare che non sia rovinata e serrarlo bene all’utensile.
- Controllo delle Parti di Ricambio: Non meno importanti sono gli elementi di fissaggio (leve, viti e cunei) che serrano gli inserti. Lubrificare regolarmente i vani e le superfici coniche di posizionamento delle viti con grasso resistente alle alte temperature.
- Posizionamento del Troncatore: Per il troncatore, deve essere ad altezza o leggermente più alto. Se montato correttamente, il mandrino deve girare in senso antiorario. Montarlo sottosopra richiede il mandrino in senso contrario, offrendo una migliore evacuazione dei trucioli e minori vibrazioni.
- Lavorazione "Aggressiva" dell'Alluminio: Per l'alluminio, spesso è consigliabile procedere in modo "cattivo", con generose asportazioni e avanzamento automatico basso. Questo può migliorare la sgrossatura rispetto alla finitura, poiché tentare di "pelarlo" per una finitura lucida può portare a "spalmare" il materiale anziché asportarlo.