Nel mondo della lavorazione dei metalli, la scelta del giusto materiale per gli utensili può fare la differenza in termini di produttività, precisione ed economicità. Tra i materiali più comuni utilizzati negli utensili da taglio vi è l'acciaio ad alta velocità (HSS).
Introduzione agli 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.
Utensili di tornitura destri
In base alla posizione del tagliente principale dell'utensile di tornitura, è possibile determinare se si tratta di un utensile di tornitura destrorso. La direzione di taglio o di lavoro degli utensili di tornitura destri è da destra a sinistra.
Utensili per la tornitura a sinistra
Analogamente alla procedura per determinare gli utensili di tornitura destri, è possibile tenere l'utensile di tornitura di fronte a sé in modo che il tagliente principale sia rivolto verso di noi. 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.
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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, 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.
L'Acciaio HSS: Materiale d'Elezione per la Tornitura
L'acciaio HSS (acciaio ad alta velocità) è un acciaio per utensili altamente legato, spesso utilizzato come materiale da taglio nelle lavorazioni meccaniche. L'HSS è costituito principalmente da ferro con l'aggiunta di elementi di lega che formano il carburo. Questo materiale 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.
L'HSS resiste a temperature fino a 600 °C ed è adatto per la maggior parte dei legni e materiali, in particolare per applicazioni in cui la flessibilità e il costo sono prioritari. L'HSS è un acciaio super rapido utilizzato per la realizzazione delle punte ed è disponibile nel mercato già pronto con varie percentuali di cobalto al suo interno, fornito in barre; maggiore è la qualità di cobalto, maggiore sarà la qualità dell’acciaio.
I vantaggi dell'HSS sono il basso costo e la buona lavorabilità; gli svantaggi sono la scarsa durezza e la resistenza all'usura rispetto ad altri materiali avanzati.
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Manutenzione e Affilatura degli Utensili HSS
Le lame da tornio vanno affilate regolarmente per mantenere un taglio netto. Per le lame HSS si consiglia l'affilatura ogni 8-15 ore di lavoro effettivo. Per la conservazione, è opportuno riporre gli utensili in un cassetto dedicato o su un tappetino con protezione individuale, lievemente oliati per prevenire l'ossidazione. L'ossidazione superficiale, infatti, riduce la qualità del taglio e accelera l'usura. È fondamentale pulire gli utensili dopo ogni uso e applicare un velo protettivo, come olio macchina o WD-40.
Affilare la sgorbia da sgrosso
Confronto tra HSS e Altri Materiali per Utensili
Nel mondo della lavorazione dei metalli, la scelta del giusto materiale per gli utensili può fare la differenza. Due dei materiali più comuni utilizzati negli utensili da taglio sono il metallo duro e l'acciaio ad alta velocità (HSS). Ognuno di essi presenta una serie di vantaggi e svantaggi che li rendono adatti a diverse applicazioni.
HSS vs. Metallo Duro
- In generale, il metallo duro è più duro e più resistente all'usura dell'HSS, consentendo velocità di taglio più elevate e una maggiore durata dell'utensile.
- L'HSS è più tenace e meno fragile e quindi più resistente agli urti e alle vibrazioni.
- Le punte in metallo duro sono generalmente più costose all'inizio, ma possono essere più convenienti nella produzione di grandi volumi grazie alla loro maggiore durata e produttività.
- Utilizzate le punte in metallo duro per metalli duri, compositi e materiali abrasivi, soprattutto nella produzione di grandi volumi. Meno fragile, riduce il rischio di rottura in condizioni di instabilità.
- Le frese in metallo duro possono operare a velocità di taglio e avanzamento significativamente più elevate rispetto agli HSS e offrono generalmente una maggiore resistenza all'usura, mantenendo il loro tagliente più a lungo rispetto alle HSS, soprattutto nei materiali più duri.
- Le frese in metallo duro producono in genere finiture superficiali migliori e mantengono tolleranze più strette grazie alla loro rigidità e resistenza alla deformazione.
- Gli utensili per tornio in metallo duro eccellono nella lavorazione di materiali più duri e mantengono prestazioni costanti a velocità elevate. Possono sopportare temperature di taglio più elevate, consentendo spesso una lavorazione a secco o un uso ridotto del refrigerante.
- Gli utensili per tornio in HSS possono essere facilmente rettificati per ottenere geometrie complesse, il che li rende versatili per la profilatura personalizzata.
- Per gli hobbisti o gli utilizzatori occasionali, le lame in HSS offrono un buon equilibrio tra prestazioni e convenienza.
- Gli utensili per tornio per legno in HSS possono essere ritoccati rapidamente con una smerigliatrice da banco o una pietra per affilare, consentendo una riaffilatura frequente durante l'uso.
Metallo Duro, Acciaio al Cobalto e HSS
Il metallo duro è il più duro e resistente all'usura, seguito dall'acciaio al cobalto, mentre l'HSS è il più morbido dei tre. Gli utensili in metallo duro resistono alle temperature di taglio più elevate, consentendo le velocità di taglio più elevate. Gli utensili in HSS sono i più economici, ma possono richiedere sostituzioni più frequenti. Gli utensili in acciaio al cobalto offrono una via di mezzo, con prestazioni migliori rispetto agli HSS a un costo inferiore rispetto al metallo duro.
La scelta tra utensili in metallo duro e in HSS richiede un'attenta considerazione delle specifiche esigenze di lavorazione, del budget e degli obiettivi a lungo termine.
Parametri di Lavorazione e Applicazioni Specifiche per Utensili HSS
La corretta definizione dei parametri di taglio rappresenta uno degli aspetti più critici nella lavorazione per asportazione di truciolo. Velocità di taglio, avanzamento, profondità di passata e scelta dell’utensile non sono variabili indipendenti, ma elementi interconnessi che determinano produttività, qualità superficiale, costi operativi e durata degli inserti.
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Classificazione ISO dei Materiali
La classificazione ISO suddivide i materiali da lavorare in sei gruppi principali, identificati da lettere e colori convenzionali. Questa categorizzazione riflette le caratteristiche fisico-chimiche dei materiali e le problematiche specifiche che ciascun gruppo presenta durante la lavorazione. Comprendere questa classificazione è essenziale per selezionare correttamente geometrie di taglio, rivestimenti e parametri operativi.
- Il gruppo P (colore blu) comprende gli acciai non legati, basso-legati e alto-legati. Questi materiali generano forze di taglio relativamente contenute, ma presentano difficoltà nel controllo del truciolo, specialmente nelle lavorazioni di finitura con bassi avanzamenti. La formazione di truciolo lungo e filiforme richiede geometrie con rompitruciolo efficaci.
- Il gruppo M (colore giallo) include gli acciai inossidabili con tenore di cromo superiore al 12%.
- Il gruppo K (colore rosso) raggruppa le ghise grigie, malleabili e nodulari. Questi materiali producono truciolo corto e frammentato, permettendo spesso la lavorazione a secco.
- Il gruppo N (colore verde) comprende i materiali non ferrosi: alluminio, rame, ottone e bronzo.
- Il gruppo S (colore arancio) include le superleghe a base di nichel, titanio e le leghe resistenti al calore (HRSA).
- Il gruppo H (colore grigio) riguarda gli acciai temprati con durezza compresa tra 45 e 65 HRC. L’elevata durezza determina usura rapida degli inserti, rendendo necessari substrati e rivestimenti specifici per la tornitura dura, dove l'HSS non è il materiale più adatto.
Durezza e Lavorabilità
La durezza del materiale rappresenta un indicatore immediato della sua lavorabilità. L'HSS temprato, ad esempio, può raggiungere una durezza di 60 HRC (697 HV).
Velocità di Taglio: Valori di Riferimento per HSS
La velocità di taglio (Vc) espressa in metri al minuto rappresenta il parametro più influente sulla durata dell’utensile e sulla produttività. Valori troppo bassi riducono l’efficienza economica; valori eccessivi accelerano l’usura e possono compromettere la qualità superficiale. I dati riportati nella tabella seguente derivano da consolidate esperienze industriali e costituiscono un punto di partenza per l’ottimizzazione nell'uso degli utensili in acciaio rapido.
| Materiale | Vc Acciaio Rapido (m/min) | Lubrificante Consigliato |
|---|---|---|
| Acciaio al carbonio (50-70 kg/mm²) | Sgrossatura: 30 / Finitura: 60 | Olio da taglio o emulsione |
| Acciaio legato bonificato (80-110 kg/mm²) | Sgrossatura: 25 / Finitura: 35 | Olio da taglio |
| Acciaio inossidabile (50-85 kg/mm²) | Sgrossatura: 25 / Finitura: 45 | Olio da taglio o trementina |
| Ghisa grigia | Sgrossatura: 20 / Finitura: 35 | Secco o aria compressa |
| Ottone e bronzo | Sgrossatura: 50 / Finitura: 70 | Senza lubrificante o emulsione |
| Alluminio e leghe | Sgrossatura: 60 / Finitura: 130 | Olio o petrolio |
La relazione tra velocità di taglio e durata utensile è descritta dalla formula di Taylor: Vc × T^n = C, dove T rappresenta la vita utile in minuti, n è un esponente dipendente dal materiale dell’utensile e C una costante sperimentale. Questa relazione esponenziale implica che piccoli incrementi di velocità producono riduzioni significative della durata.
Usura degli Utensili HSS: Criteri di Sostituzione
Il monitoraggio dell’usura sul fianco (VB) costituisce il criterio principale per determinare il momento ottimale di sostituzione dell’inserto. Un cambio prematuro spreca potenziale produttivo; un cambio tardivo rischia di compromettere la qualità del pezzo o danneggiare l’utensile in modo catastrofico.
I valori limite VBmax raccomandati per l'acciaio rapido HSS variano in funzione del tipo di lavorazione:
- Acciaio rapido HSS in tornitura/fresatura frontale: VBmax = 1,5 mm
- Acciaio rapido HSS in fresatura periferica: VBmax = 0,5 mm
- Acciaio rapido HSS in foratura: VBmax = 0,4 mm
- Acciaio rapido HSS in alesatura: VBmax = 0,15 mm
Ottimizzazione della Lavorazione con Utensili HSS
Rugosità Superficiale
La rugosità superficiale Ra, espressa in micrometri, rappresenta un requisito funzionale critico per molte applicazioni. Per una superficie ottenuta da tornitura di passata, la rugosità teorica può essere stimata con la formula: Ra (µm) ≈ 32 × [f (mm)]² / r (mm), dove f rappresenta l’avanzamento per giro e r il raggio di punta dell’inserto. Questa relazione evidenzia come il raggio di punta abbia un’influenza lineare sulla rugosità, mentre l’avanzamento agisca con effetto quadratico. Per migliorare la finitura, è quindi più efficace ridurre l’avanzamento piuttosto che aumentare il raggio di punta, compatibilmente con la stabilità del processo.
Tolleranze Dimensionali e Accoppiamenti ISO
La corretta interpretazione delle tolleranze ISO e la scelta degli accoppiamenti foro-albero influenzano direttamente la funzionalità dei componenti assemblati e i costi di produzione. La padronanza del sistema di tolleranze ISO offre benefici concreti all’officina meccanica, tra cui la riduzione degli scarti e l'ottimizzazione dei cicli di lavoro.
Refrigerazione e Lubrificazione: Strategie Applicative
La scelta del fluido da taglio e della modalità di erogazione influenza significativamente la durata utensile, la qualità superficiale e la sicurezza operativa. Non esiste una soluzione universale: ogni combinazione materiale-lavorazione richiede una valutazione specifica. Per gli acciai al carbonio e legati, ad esempio, sono consigliati olio da taglio intero o emulsione al 5-8% per bilanciare lubrificazione e raffreddamento. Per le ghise, la lavorazione a secco è spesso preferibile per evitare problemi di smaltimento dei fanghi; l'aria compressa può essere utilizzata per l'evacuazione del truciolo. Per l'alluminio, si usano emulsioni diluite o oli a bassa viscosità, evitando fluidi contenenti cloro che possono macchiare la superficie.
Ottimizzazione dei Costi Energetici in Officina
Il costo dell’energia elettrica incide significativamente sui costi operativi delle officine meccaniche. Questa situazione rende particolarmente importante l’ottimizzazione dei parametri di taglio per ridurre i tempi ciclo e, conseguentemente, i consumi energetici. Strategie efficaci includono la massimizzazione del volume di truciolo asportato compatibilmente con le specifiche di qualità e la riduzione dei tempi morti attraverso una programmazione ottimizzata dei percorsi utensile.