A livello industriale una delle lavorazioni più importanti e trasversali è la cosiddetta tornitura meccanica di precisione. Questa è una tecnica molto particolare che permette la realizzazione di componenti meccanici fondamentali per diversi settori, da quello automotive a quello elettronico passando per quello aerospaziale e medicale. Si tratta di un processo produttivo industriale molto antico che nel corso dei secoli si è evoluto, migliorando sia in termini di velocità che di precisione. Semplificando al massimo, la tornitura è una lavorazione meccanica utilizzata per produrre pezzi con superfici assialsimmetriche. Una definizione di tornitura è quella di processo di produzione industriale che si ottiene per asportazione di truciolo. La tornitura è una lavorazione meccanica che produce, attraverso un utensile, forme cilindriche e rotonde.
Come Funziona la Tornitura
La tornitura avviene fissando il pezzo grezzo su un mandrino e messo in rotazione mentre un apposito utensile da taglio si muove lungo i vari assi asportando il materiale in eccesso e dando la forma che si desidera ottenere. Il pezzo da lavorare viene reso solidale ad un mandrino e fatto ruotare. L’utensile ed il pezzo lavorano a contatto ed il pezzo è in rotazione mentre l’utensile è in movimento. 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. L’utensile da taglio, invece, si muove lungo il pezzo secondo un moto per lo più rettilineo, seguendo la direzione radiale o assiale oppure, per le superfici sagomate, spostando in entrambe le direzioni contemporaneamente.
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. Questa tecnologia avanzata, che necessita del controllo di un tecnico professionista, permette di lavorare pezzi a velocità elevate, consentendo produzioni industriali in serie e garantendo allo stesso tempo una qualità impeccabile. Si avvale di tecnologie all’avanguardia, capaci di assicurare sempre la massima qualità.
I torni a controllo numerico vengono programmati, tramite apposito software, con i dati conformi al disegno tecnico originario; sarà poi il macchinario a eseguire fisicamente la lavorazione, seguendo le istruzioni ricevute. In questo processo di lavorazione computerizzata ricopre un ruolo essenziale il tornitore, ovvero il professionista abilitato all’utilizzo del tornio. Questi non è una figura secondaria, ma di vitale importanza per l’ottenimento di un risultato di qualità.
Fasi del Processo di Tornitura
Il processo di tornitura avviene in cinque diversi step. Il primo, quello di progettazione, prevede la ricezione del disegno tecnico e delle indicazioni del committente, con la valutazione del tipo di materie prime e di lavorazioni che bisognerà eseguire. 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. A questo punto la fase successiva è quella di controllo tramite la quale si verifica che i pezzi realizzati siano dalla forma corretta e con caratteristiche tecniche conformi alle indicazioni e ideali per assicurare a quel componente l’utilizzo per il quale è stato progettato. Quindi i pezzi vengono imballati in modo da assicurarne il corretto trasporto e procedere con la spedizione.
Leggi anche: Realizzazione Artigianale Penne in Legno
Parametri Fondamentali della Tornitura
Come anticipato la tornitura è una lavorazione complessa, che varia secondo diversi elementi. Può variare per la velocità di rotazione, per il tipo di utensile di taglio, per il tipo di tornio utilizzato, ma anche per il tipo di lavorazione che si deve ottenere. La tornitura meccanica è una delle lavorazioni di precisione più utilizzate e con risultati interessanti, a patto che si rispettino i parametri fondamentali. Vale a dire, velocità di avanzamento dello scalpello (da cui deriva velocità di rotazione del mandrino) insieme ad avanzamento e profondità assiale e radiale.
Questi elementi, nel loro insieme, rappresentano i parametri essenziali per una buona tornitura meccanica e se vuoi ottenere il massimo dalle operazioni di rifinitura devi conoscere i dettagli di questi indicatori. Altrimenti, il pezzo passato sotto al tornio non avrà mai le qualità richieste. Tutti questi parametri sono correlati tra loro e vanno scelti accuratamente in base al tipo di lavorazione, alle caratteristiche della specifica operazione ed in funzione all’applicazione. L’incremento di uno a svantaggio degli altri può garantire prestazioni più elevate piuttosto che finiture più spinte come anche durate degli utensili più consistenti.
PARAMETRI DI TAGLIO TORNITURA
Velocità di Taglio
Iniziamo la lista dei parametri chiave della tornitura in officina meccanica con la base: velocità di taglio. Questa è la registrazione del movimento dinamico con cui il tagliente si muove rispetto al pezzo. Questo elemento tecnico viene misurato in metri al minuto (m/min). La velocità del taglio su uno strumento di tornitura dipende dal diametro del pezzo e dal numero di giri dell'utensile. Ecco perché possiamo dire che una metrica strettamente collegata è la velocità del mandrino. Non a caso, la formula per calcolare la velocità di taglio è VC = π × D × n / 1000 dove la lettera n sta proprio per la velocità del mandrino. 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.
Una velocità di taglio non ottimale può causare l'usura per diffusione e deformazione plastica. D'altro canto, velocità troppo basse danno finiture non ottimali a causa dei trucioli irregolari. Il punto ottimale è una finestra dedicata per ogni materiale.
Profondità di Taglio
Altro parametro tecnico della tornitura che devi tenere sotto controllo perché definisce quanto materiale viene asportato in ogni passata del tagliente, misurato radialmente in millimetri. La profondità di taglio si esprime in millimetri ed è la profondità di passata dell’utensile. L'errore fondamentale è pensare erroneamente che fare passate più profonde sia più produttivo.
Leggi anche: Tornitura CNC: Precisione e Qualità
Avanzamento
Altro parametro fondamentale della tornitura di precisione nelle lavorazioni meccaniche è l'avanzamento. Con questo termine intendiamo lo spostamento dell'utensile per ogni giro del pezzo che viene misurato in mm/giro. 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. È la distanza percorsa dall’utensile per ogni giro del pezzo. In termini pratici, l'avanzamento determina delle onde sulla superficie tornita e l'aumento del parametro incide direttamente la presenza dei solchi.
Angoli dell'Utensile e Formazione del Truciolo
Un altro dato importante da tenere in considerazione è l’angolo di registrazione del tagliente (placchetta), definito anche angolo di attacco e che cambia a seconda dell’utensile utilizzato. Gli angoli di spoglia superiore e l’angolo di inclinazione sono altresì importanti nella tornitura. L’angolo di spoglia superiore si chiama angolo gamma ed è la misura del tagliente rispetto al taglio. Solitamente 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.
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. Questo angolo può essere positivo o negativo. Da qui nascono gli inserti positivi e negativi. 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.
Forze di Taglio
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.
Gestione del Truciolo
I trucioli si spezzano mentre si allontanano dall’inserto. La rottura contro l’utensile avviene quando 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. La rottura a contatto con il pezzo si verifica quando il truciolo si spezza a contatto con la superficie del pezzo in lavorazione e questo non è buono per la finitura superficiale.
Leggi anche: Precisione nella Tornitura Lenti
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.
Tipi di Lavorazioni di Tornitura
La tornitura offre una vasta gamma di operazioni, sia esterne che interne, per modellare il pezzo secondo le specifiche richieste.
Lavorazioni Eseguibili Esternamente
Tra le lavorazioni eseguibili esternamente sul pezzo troviamo la tornitura vera e propria, la sfacciatura, la scanalatura, la troncatura e la filettatura.
- La tornitura è quell’asportazione che consente di dare la forma (conica, cilindrica, eccetera) al componente.
- Con la sfacciatura l’utensile da taglio si muove in maniera superficiale consentendo di ottenere una superficie piana e liscia.
- La scanalatura è quella tornitura capace di incidere dei solchi sul pezzo, in modo da ottenere scanalature della stessa dimensione o di diversa profondità.
- La troncatura è quella lavorazione che, agendo più in profondità rispetto alla scanalatura, consente di separare una sezione del pezzo.
La tornitura esterna più comune è la tornitura longitudinale, dove 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.
Lavorazioni Eseguibili Internamente (Barenatura)
Internamente la tornitura può avvenire per alesatura, foratura o maschiatura.
- L’alesatura è quella lavorazione che permette di perfezionare il diametro dei fori.
- La foratura, invece, come indica il nome stesso, serve a ottenere dei fori, imprimendo la forma desiderata al pezzo in lavorazione.
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.
Utensili e Scelta degli Inserti
Nel passato la tornitura era eseguita con utensili da taglio in acciaio HSS e inserti saldobrasati. Oggi invece si ricorre a inserti in metallo duro a fissaggio meccanico che permettono tagli di elevata precisione. La scelta quindi di un inserto o di un porta-inserto adeguati è fondamentale per la buona riuscita dell’operazione. Per capire qual è lo strumento più corretto devi sapere quale sarà l’applicazione di base per cui sarà utilizzato. 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. Per cui in base al materiale da lavorare si sceglie la geometria dell’inserto e la qualità dell’inserto.
Forme degli Inserti
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.
Alcuni esempi di inserti specifici includono:
- Inserti romboidali: possono essere usati sia per tornitura che per sfaccettatura. Hanno ottime doti di sgrossatura ma possono provocare vibrazioni durante la lavorazione di pezzi sottili.
- 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: quando utilizzati per tornitura interna della coppa sferica di un’articolazione, ottimizzano il processo di sgrossatura. Nelle applicazioni di sgrossatura la forma arrotondata consente di ottenere un tagliente molto resistente oltre ad un’ottima resistenza all’usura ad intaglio. Utilizzando un inserto rotondo con una profondità di taglio ben al di sotto del raggio, lo spessore dei trucioli viene ridotto rispetto all'avanzamento mentre la lunghezza del tagliente aumenta. Per gli inserti rotondi, le geometrie -PL e -KL sono rettificate alla periferia e offrono un eccellente controllo truciolo e basse forze di taglio. Per gli inserti tipo D, si raccomanda l'inserto rettificato DCGT in geometria -UM.
Materiali Lavorabili con Tornitura
I materiali che si possono tornire spaziano dagli acciai inox alla ghisa, dalle superleghe al titanio ai materiali non ferrosi. Secondo le norme ISO ed in base alle caratteristiche di durezza, analisi chimica ed altre variabili esistono sei gruppi di materiali:
- Gruppo ISO P (Acciai): comprende acciai legati o fortemente legati, getti di acciaio e acciai inossidabili ferritici e martensitici. La lavorabilità è generalmente buona e varia in base alla durezza e al tenore di Carbonio.
- Gruppo ISO M (Acciai Inox): include acciai inox con almeno il 12% di cromo, nichel e molibdeno. Questi materiali a contatto con l’utensile producono molto calore e usura.
- Gruppo ISO K (Ghise): le ghise grigie e malleabili sono relativamente facili da lavorare, mentre la ghisa nodulare e la ghisa a grafite compatta sono più difficili.
- Gruppo ISO N (Metalli Non Ferrosi): metalli come alluminio, rame e ottone possono lavorare ad alte velocità di taglio perché sono più morbidi e usurano meno l’utensile.
- Gruppo ISO S (Superleghe Termoresistenti): include materiali fortemente legati a base di ferro, cobalto, titanio e nichel. Sono difficili da tagliare a causa dell’incollamento e usurano molto la placchetta.
- Gruppo ISO H (Acciai Duri): comprende 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.
Tornitura di Tondi Lunghi: Sfide e Soluzioni
La tornitura di pezzi lunghi e sottili, come le barre di ottone, presenta sfide specifiche legate alla stabilità del pezzo. Se si tentasse di tornirle tra mandrino e contropunta in una botta sola, sicuramente vibreranno, compromettendo la finitura superficiale desiderata.
Per prevenire questo fenomeno, è essenziale adottare supporti adeguati. Per esempio, l'uso di una lunetta mobile è spesso raccomandato. Quando si impiegano lunette mobili e contropunta, è importante prestare attenzione alla conicità del pezzo; su lunghezze come 800mm, si possono verificare anche diversi decimi, quindi è cruciale usare un utensile con filo nuovo.
Per alberi lunghi circa 1800mm con diametro 50mm, un metodo efficace prevede l'uso di due centrini, contropunta e trascinatore, allineando la contropunta e poi utilizzando la lunetta mobile. In alcuni casi, per lavorare alle estremità, oltre alla lunetta mobile, si può considerare l'aggiunta di una lunetta fissa sulle guide in aggiunta, per spezzare il tratto. Certo, non sarà semplicissimo centrare la seconda lunetta a lavoro iniziato, ma in questo modo si riduce il rischio di problematiche legate alle vibrazioni e si evita che si prenda in faccia una elica impazzita.
Per quanto riguarda i supporti, è consigliabile, per il tornio, invece di mettere i guanciali in bronzo, di mettere dei cuscinetti blindati e fare una traccia a 90° così li si riporta in modo che striscino correttamente con il pezzo, cosa molto importante. Questo evita che durante la lavorazione il guancialetto si consumi e il pezzo cominci a vibrare. Per la rettifica, invece, è preferibile mantenere il guanciale in bronzo altrimenti si perde precisione.
PARAMETRI DI TAGLIO TORNITURA
Sono tantissime le lavorazioni che si possono ottenere con la tornitura, un processo utilizzato da fabbri, serramentisti, carpenterie metalliche, tornerie, cantieri navali e in generale in tutte le officine dotate di torni manuali, semi-automatici o macchine automatiche.