Nel mondo della produzione industriale, la tornitura delle materie plastiche svolge un ruolo fondamentale nella creazione di una vasta gamma di componenti e prodotti finali. La tornitura della plastica è una lavorazione meccanica fondamentale per ottenere componenti di alta precisione da materiali plastici grezzi. Grazie a questa tecnica, è possibile realizzare pezzi su misura con elevata accuratezza, rispondendo alle esigenze di vari settori industriali, dall’automotive alla meccanica di precisione.
La lavorazione dei materiali plastici tramite tornitura comprende tutte quelle procedure che vengono attuate mediante un tornio al fine di trasformare la materia prima in un prodotto finito. Il processo di tornitura delle materie plastiche è un processo di lavorazione che coinvolge la rimozione del materiale in eccesso da un pezzo grezzo di plastica per ottenere la forma desiderata.
Il Processo di Tornitura delle Materie Plastiche
Questo processo viene eseguito utilizzando un tornio, una macchina utensile che ruota il pezzo di materiale mentre uno strumento di taglio viene utilizzato per rimuovere il materiale in eccesso. Durante la tornitura delle materie plastiche, è essenziale utilizzare utensili e parametri di lavorazione appropriati per garantire la precisione e la qualità del pezzo finito. Le materie plastiche possono variare notevolmente nella loro composizione e proprietà, quindi è importante adattare il processo di tornitura alle specifiche del materiale utilizzato. La tornitura della plastica è utilizzata per produrre pezzi con geometrie precise e ripetibili, come anelli, boccole, alberi e altri elementi con profili circolari. La lavorazione delle materie plastiche mediante un tornio di tipo professionale/industriale consente di ottenere un singolo campione oppure un lotto di prodotti finiti a seconda delle necessità. Ovviamente in base alle richieste del cliente è possibile realizzare un tipo differente di prodotto finito.
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Parametri di Taglio e Considerazioni Specifiche
La corretta selezione dei parametri di taglio è essenziale per ottenere un risultato ottimale nella tornitura della plastica. Le materie plastiche si lavorano con grandissima facilità. Le caratteristiche dei materiali danno origine tuttavia ad alcune particolarità descritte in seguito. A causa della cattiva conducibilità termica e dei punti di fusione relativamente bassi della maggior parte delle materie plastiche è necessario assicurarsi che si sviluppi e si trasferisca sul pezzo possibilmente poco calore durante la sua lavorazione.
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Per una lavorazione ottimale, è fondamentale seguire alcune indicazioni:
- I taglienti dell’utensile devono sempre essere in ottimo stato e ben affilati.
- L’angolo di spoglia deve essere sufficientemente grande in modo che sia solo e sempre il tagliente a toccare il pezzo per evitare attrito.
- Onde evitare accumuli di calore è bene accertarsi che i trucioli vengano asportati senza impedimenti.
- Di norma non è necessario far uso di lubrorefrigeranti; tuttavia, se ne consiglia l’uso in casi di sviluppo elevato di calore e per l’evacuazione stessa dei trucioli. Si possono utilizzare sia i comuni lubrorefrigeranti sia aggrappanti.
Alcune esperienze pratiche offrono spunti preziosi sulla lavorazione di specifici materiali. Io personalmente da oltre 13 anni, partendo da barra tonda piena da 120mm di POM-C nero, realizzo una macchina nel settore dei dissalatori (pompa di Clark), la stessa in prototipo, l'ho realizzata in PVC grigio e avorio... quindi, conosco bene questi due materiali e i problemi che danno o che non danno rispetto al nylon o al polietilene, quest'ultimo lo utilizzo per alcuni particolari della macchina che ho citato... Col POM-C utilizzo i saldobrasati di ogni tipo, li affilo a mio piacimento; utilizzo molto di più le barrette Hss che come i saldobrasati, le ammodello alla necessità del momento... così facevo anche col PVC.
Sul nylon, quello che ho notato e' che bisogna entrare decisi, se si pela la finitura e' pessima. Per entrare decisi intendo passate almeno da 1mm sul raggio (meglio se 2-3mm o anche piu'). Il nylon mi rimane "antipatico" per i motivi che avete addotto pure voi, il filo se non "becchi" appena si forma, si avvolge e parzialmente si salda sul pezzo obbligandomi a frequenti soste per eliminarlo dalla superficie di lavorazione... lucida. Le velocità che adopero non vanno oltre i 350 giri' su un diametro di 30mm e l'avanzamento deve rientrare nei mm del profilo del tagliente.. di solito 0,5 mm/giro per un tagliente largo 1,5mm. Per quanto concerne lo spessore del truciolo, non ho preferenze, a seconda della necessità, sul POM-C, asporto sino a 0,1 mm giro e meno..
Le tolleranze di lavorazione per i pezzi in materie termoplastiche sono notevolmente maggiori rispetto a quelle per gli elementi in metallo. La filettatura si esegue senza difficoltà con utensili tradizionali. Non superare l’angolo di spoglia superiore di 0°. I filetti si possono tuttavia danneggiare, se si svitano spesso le viti.
Classificazione e Caratteristiche delle Materie Plastiche
Come vengono classificate le materie plastiche? Come riconoscerle? Qual è la truciolabilità e quali sono gli utensili più adatti a lavorare le materie plastiche? In questo articolo parliamo delle varie tipologie, della loro struttura, delle principali caratteristiche e campi di applicazione. Le materie plastiche vengono classificate a seconda della struttura, delle caratteristiche che ne derivano e del comportamento al riscaldamento.
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Materie Termoplastiche
Le materie termoplastiche si presentano come polimeri amorfi o parzialmente cristallini. Sono composte da macromolecole lineari o ramificate, si ammorbidiscono in modo ripetibile al riscaldamento fino a fondere e si solidificano raffreddando. Le materie termoplastiche sono saldabili. I semilavorati di materie termoplastiche dure possono essere ampiamente deformati a caldo.
Materie Termoindurenti
Sono materie plastiche con macromolecole tridimensionali reticolate, chimicamente legate a maglia stretta. La loro caratteristica principale è che la loro forma non può più essere modificata dopo l’indurimento. Se le materie plastiche termoindurenti vengono riscaldate, il loro comportamento meccanico si modifica di poco. Queste materie plastiche non sono reticolate (per lo più allo stato liquido) prima della lavorazione e si induriscono nella forma definitiva per riscaldamento o con l’aggiunta di un induritore. Dopodiché le materie plastiche termoindurenti sono particolarmente resistenti al calore a ai prodotti chimici e non si possono più deformare in modo plastico. L’operazione non è ripetibile. Le materie plastiche termoindurenti non sono saldabili, se indurite per invecchiamento in solventi organici non sono solubili, talvolta espansibili.
Elastomeri ed Elastomeri Termoplastici
Gli elastomeri sono materie plastiche che si distinguono per l’elevata elasticità in un ampio range di temperature. A seconda del tipo sono più o meno elastiche, come l’ebanite o come la gomma elastica. La lavorazione degli elastomeri avviene di norma allo stato plastico prima della reticolazione, aggiungendo un agente di vulcanizzazione o un acceleratore di reticolazione. Gli elastomeri termoplastici sono polimeri lavorabili in modo termoplastico con caratteristiche simili a quelle degli elastomeri. Non sono chimicamente reticolati.
Materiali Compositi (Plastici Rinforzati con Fibre)
Per materiali compositi si intendono quei materiali composti da più materiali singoli riuniti in un unico materiale. In questo modo si riuniscono le caratteristiche auspicate dei singoli materiali in uno solo. Il materiale che nel composto determina un aumento della resistenza o della durezza si chiama componente di rinforzo o materiale di rinforzo; l’altro materiale che garantisce la tenuta della struttura si chiama legante o matrice. Il rinforzo migliora la resistenza, la rigidità e la durezza dei materiali compositi. Inoltre, in base alla combinazione del composto è possibile migliorare anche altre proprietà, coma la conducibilità termica ed elettrica, la resistenza alle alte temperature e all’usura. Per l’applicazione come matrice è possibile utilizzare tutte le materie termoplastiche e le materie plastiche termoindurenti di leggera fluidità, inclusi gli elastomeri e le dispersioni. Le materie termoplastiche principalmente utilizzate sono, oltre al PC, PS e PE, il polipropilene (PP) e il poliammide (PA). Un grande vantaggio dei materiali compositi di fibre consiste nel fatto che l’utente può creare un materiale singolarmente adatto al proprio caso specifico di applicazione, incorporando nella matrice la fibra più adatta.
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Materie Plastiche Rinforzate con Fibra di Vetro (GFRP)
Le materie plastiche rinforzate con fibra di vetro sono composte per lo più da materie plastiche termoindurenti, come resina poliestere o epossidica e fibre di vetro. Dato che le singole fibre di vetro (basso spessore) sono difficili da maneggiare, vengono lavorate in matasse (roving) o come tessuto, materassi o velli. Durante la produzione di pezzi stampati, la materia plastica è fluida e viene indurita successivamente. Le caratteristiche della GFRP vengono determinate dalla resina utilizzata e dal tipo di fibre di vetro, dalla percentuale di fibre di vetro rispetto al volume totale e dalla rispettiva disposizione.
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Materie Plastiche Rinforzate con Fibra di Carbonio (CFRP)
Componenti in materia plastica rinforzata con fibre di carbonio sono composti da una fibra a base di carbonio che determina la resistenza, è di elevata durezza, stabile alla temperatura (componente di rinforzo) e può essere incorporata in una matrice duttile con bassa resistenza alla temperatura. Le diverse fibre di carbonio possono essere legate in qualsiasi modo con le matrici polimeriche. Questo dà origine a una molteplicità di combinazioni di materiali con caratteristiche in parte notevolmente diverse le une dalle altre. Questi materiali sono conosciuti con il nome di CFRP. Le materie plastiche rinforzate con fibra di carbonio vengono utilizzate in aeronautica (timoni di direzione, controventature, freni aerodinamici), poi nell’industria meccanica, dove si debbono soddisfare esigenze di inerzia ridotta o di un buon comportamento di smorzamento (componenti macchina altamente dinamici).
Lavorazione di Materiali Compositi con Fibre
Per le lavorazioni ad asportazione di truciolo di materie plastiche rinforzate con fibre sono perciò necessari materiali da taglio con un’elevata resistenza all’usura da abrasione. I metalli duri hanno sì un’elevata flessibilità quanto a geometria dell’utensile e si possono produrre a costi convenienti, ma la loro durata nella lavorazione di materie plastiche rinforzate con fibre è di molto inferiore a quella del diamante policristallino. Il PCD viene preferito al metallo duro e al nitrito di boro cubico nella lavorazione di materie plastiche rinforzate con fibra per via della sua durezza e conducibilità termica notevolmente maggiori. Le forme di usura che si manifestano sono in particolare l’usura della superficie di spoglia, gli arrotondamenti del filo tagliente e, se si utilizza metallo duro non rivestito, anche usura da craterizzazione in misura minima. Il metallo duro non rivestito si usura in seguito all’elevato carico abrasivo sulla superficie di spoglia che comporta anche l’aumento della superficie di attrito tra il pezzo e l’utensile. Ciò fa aumentare la temperatura a cui viene asportato il truciolo e causa la decomposizione della matrice della materia plastica. Quanto alla geometria dei taglienti si dovrebbe rispettare una piccola frastagliatura del tagliente e un piccolo raggio del filo tagliente. Per la fresatura di componenti con fibre lunghe è necessario utilizzare frese a due taglienti non elicoidali, dato che solo con questi utensili è possibile tranciare correttamente le fibre. Come angoli favorevoli dell’utensile si sono dimostrati validi gli angoli di taglio β di circa 75° a condizioni di un angolo di spoglia superiore γ di 0°. Le forze di taglio sono molto basse rispetto a quelle dei materiali metallici. Tuttavia la qualità della lavorazione dipende fortemente dall’orientamento delle fibre. Fondamentalmente si debbono ricordare le difficoltà dovute al materiale nel corso della lavorazione con asportazione del truciolo di CFRP, le quali hanno origine dalle difformità nella struttura del materiale e dall’elevata abrasività della fibra di carbonio che porta a un comportamento di truciolatura molto diverso da quello della lavorazione dei metalli.
Utensili Specifici per la Tornitura di Plastiche e Gomma
Quale tipo di utensile di tornitura soddisfa quale scopo? 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. Materiali da taglio indicati per utensili sono i comuni inserti in metallo duro e gli utensili in acciaio super rapido HSS per la lavorazione. La durezza proporzionalmente bassa non pone particolari esigenze alla qualità del materiale da taglio. La geometria dei taglienti sviluppata per la lavorazione del metallo e del legno può essere impiegata senza subire variazioni.
Tipi di Utensili di Tornitura in Base alla Direzione di Taglio
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 faccia di taglio del tornio deve essere rivolta verso di voi, mentre il gambo è rivolto verso di voi (Fig. 2). Se il tagliente principale è a destra, 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 (Fig. 2). Se il tagliente è rivolto verso sinistra, si tratta di un utensile di tornitura mancino. Se è bloccato nel tornio, è rivolto a destra. 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 (Fig. 2).
Utensile per la Filettatura
Gli scalpelli per filettare sono utilizzati per produrre filettature su pezzi torniti.
Materiali e Design degli Utensili
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.
Vantaggi e Applicazioni dei Materiali Plastici Torniti
I materiali plastici, una volta torniti, vengono utilizzati in tanti settori diversi, da quello alimentare a quello chimico, da quello petrolifero a quello idraulico. Questa tecnica di lavorazione della plastica, consente di ottenere dei prodotti finiti che non richiedono altre lavorazioni e che di conseguenza possono essere adoperati fin da subito per i più svariati compiti. Le materie plastiche offrono una flessibilità e una versatilità uniche che le rendono ideali per molteplici applicazioni, dalla produzione di parti per linee automatiche per il confezionamento nel settore packaging, farmaceutico e alimentare.
I tecnopolimeri torniti trovano impiego in una vasta gamma di settori e applicazioni. Uno dei settori più comuni in cui i tecnopolimeri torniti vengono utilizzati è l’industria dell’automazione e robotica, dove vengono impiegate per la produzione di componenti come ingranaggi, alberi a camme e parti del sistema di sospensione. Oltre all’industria delle automazioni, i tecnopolimeri torniti sono ampiamente utilizzate in tutte le applicazioni dove vi è una necessità di alleggerimento, resistenza all’usura e agli scorrimenti. Qui, i tecnopolimeri torniti offrono le loro più ampie performance. La capacità dei tecnopolimeri di essere modellati in una vasta gamma di forme e dimensioni le rende estremamente versatili e adatte a molteplici scopi.
I Vantaggi della Tornitura dei Superpolimeri
La tornitura dei superpolimeri offre numerosi vantaggi applicativi. Uno dei principali vantaggi è rappresentato dal fatto che lavorino in condizioni con performance molto alte soprattutto a livello temperatura e nello specifico spesso superiore ai 200°. Inoltre, la tornitura dei superpolimeri consente una maggiore flessibilità nel design, consentendo la produzione di pezzi con geometrie complesse, dettagli intricati e microlavorazioni. Questa flessibilità di design apre la porta a una vasta gamma di innovazioni e soluzioni creative nell’ingegneria dei prodotti. Un altro vantaggio significativo della tornitura dei superpolimeri è la capacità di lavorare con una gamma di materiali, altre con proprietà uniche, come la leggerezza rispetto ai metalli. Questo permette agli ingegneri di selezionare il materiale più adatto alle specifiche dell’applicazione, ottimizzando le prestazioni e la durata del prodotto finale.
Confronto con i Materiali Metallici e Considerazioni sulla Rigidità
Riconoscere le materie plastiche in base alle loro caratteristiche esteriori è molto più difficile di quanto non lo sia per i metalli. I metalli hanno un colore che li contraddistingue, qualità che invece le materie plastiche non posseggono dato che si possono tingere di vari colori. È il comportamento al calore a far distinguere le materie termoplastiche e da quelle termoindurenti. Il grafico illustra la variazione della resistenza delle materie plastiche al riscaldamento. Mentre la tabella fornisce una panoramica sulla resistenza e rigidità di diversi materiali metallici e materie plastiche. Se si considerano i valori numerici del modulo di elasticità, risulta evidente che le materie plastiche danno risultati ancor meno favorevoli che per la resistenza. Per esempio, il loro modulo di elasticità è molto al di sotto di quello dell’alluminio. In molti casi una mancanza di rigidità ovvero la risultante deformabilità non rivestono un ruolo importante. È possibile confrontare solo in modo limitato i parametri meccanici dei componenti stampati a causa dell’orientamento autoregolante delle fibre. Nel seguente sommario è indicata la resistenza specifica rispetto al potenziale di costruzione leggera che si ottiene dal quoziente del modulo di elasticità e dallo spessore alla terza potenza.
| Caratteristica | Materiali Metallici (es. Alluminio) | Materie Plastiche (es. Termoplastiche) |
|---|---|---|
| Colore | Tipicamente distintivo e fisso | Variabile, possono essere tinte di vari colori |
| Comportamento al Calore | Elevata resistenza, punti di fusione alti | Punti di fusione relativamente bassi, ammorbidimento o indurimento |
| Modulo di Elasticità | Elevato (es. > 70 GPa per Alluminio) | Inferiore (significativamente inferiore all'alluminio) |
| Rigidità/Deformabilità | Alta rigidità, bassa deformabilità | Minore rigidità, maggiore deformabilità in molti casi |
| Lavorabilità | Richiede maggiori forze e utensili specifici | Generalmente più facile, ma con attenzione al calore |