Gestione dei carichi termici in fresatura
Questo è il terzo di una serie di articoli che riguardano l'applicazione di utensili per asportazione di truciolo con i carichi generati nei processi di lavorazione. Il primo articolo ha illustrato i concetti di base dell'asportazione di truciolo ed il rapporto fra geometria utensile, avanzamento e carichi meccanici nelle operazioni di tornitura. L'articolo successivo ha analizzato l'influenza del posizionamento della fresa e dei percorsi utensile per i carichi meccanici in fresatura. Anche il presente articolo tratta le operazioni di fresatura; spiega in che modo le scelte relative agli utensili ed ai parametri di taglio influiscono sulla generazione, l'assorbimento e la gestione del calore nelle condizioni di taglio interrotto che caratterizzano il processo di fresatura.Gestione dei carichi termici in fresatura
Introduzione
Questo è il terzo di una serie di articoli che riguardano l'applicazione di utensili per asportazione di truciolo con i carichi generati nei processi di lavorazione. Il primo articolo ha illustrato i concetti di base dell'asportazione di truciolo ed il rapporto fra geometria utensile, avanzamento e carichi meccanici nelle operazioni di tornitura. L'articolo successivo ha analizzato l'influenza del posizionamento della fresa e dei percorsi utensile per i carichi meccanici in fresatura. Anche il presente articolo tratta le operazioni di fresatura; spiega in che modo le scelte relative agli utensili ed ai parametri di taglio influiscono sulla generazione, l'assorbimento e la gestione del calore nelle condizioni di taglio interrotto che caratterizzano il processo di fresatura.
Sfide termiche
L'asportazione di truciolo genera temperature che raggiungono gli 800-900°C nella zona in cui il tagliente deforma e taglia il materiale in lavoro. Nelle operazioni di tornitura continue, il riscaldamento avviene in modo lineare e uniforme; al contrario, i denti di una fresa entrano ed escono dal materiale da lavorare in modo intermittente, e la temperatura dei taglienti aumenta e diminuisce alternativamente.
Gli elementi del sistema di lavorazione assorbono il calore generato dall'asportazione. In genere il 10% del calore si trasmette al pezzo in lavorazione, l'80% al truciolo asportato ed il 10% all'inserto. È meglio quando i trucioli si portano via la maggior parte del calore, poiché le temperature elevate accorciano la durata dell'inserto e possono danneggiare il pezzo in lavorazione.
La differente conduttività termica dei materiali da lavorare, insieme ad altri fattori operativi, ha un'influenza notevole sulla distribuzione del calore. Per esempio, la conduttività termica delle superleghe è limitata. Durante la lavorazione dei pezzi con scarsa conduttività, una maggiore quantità di calore si trasferisce all'inserto. I materiali più duri producono più calore di quelli più dolci in lavorazione; inoltre, in generale, una maggiore velocità di taglio aumenta la produzione di calore, mentre un avanzamento più rapido allarga l'area del tagliente che è soggetta alle temperature più elevate.
Arco di impegno
A causa della natura intermittente del processo di fresatura, i denti generano calore solo per una parte del tempo di lavorazione totale. La percentuale di tempo durante la quale i denti tagliano è determinata dall'arco di impegno della fresa, che è influenzato dalla profondità di taglio radiale e dal diametro della fresa.
I vari processi di fresatura utilizzano archi di impegno diversi. Nella scanalatura, ad esempio, il materiale da lavorare circonda metà della fresa durante la lavorazione; l'arco di impegno è pari al 100% del diametro dell'utensile. I taglienti trascorrono metà del tempo di lavorazione impegnati nel taglio ed il calore si accumula rapidamente. Questa situazione è diversa dalla contornatura, in cui una percentuale relativamente ridotta della fresa è impegnata nel pezzo in lavorazione in ogni dato momento, ed i taglienti hanno una maggiore possibilità di dissipare il calore nell'aria.
Un accumulo eccessivo di calore nell'inserto ne riduce la durata, causandone l'usura accelerata o la deformazione. Tuttavia, molti dei materiali degli utensili per asportazione di truciolo devono essere applicati a temperature superiori ad una soglia minima per raggiungere la piena efficienza.
Gli inserti in metallo duro, in particolare, sono costituiti da un metallo ottenuto da polveri, duro ma fragile. Temperature superiori ad una determinata soglia minima aumentano la tenacità dei materiali metallici ottenuti da polveri e ne riducono la tendenza alla frattura. Al contrario, quando le temperature di taglio sono troppo basse, l'inserto rimane fragile e i risultati sono rottura, scheggiatura o formazione del tagliente di riporto. L'obiettivo è mantenere temperature di taglio entro una zona ideale.
Spessore del truciolo e problemi termici
L'articolo precedente di questa serie ha esaminato il contributo della profondità di taglio radiale, dell'angolo di attacco del tagliente, dell'avanzamento e dello spessore del truciolo ai carichi meccanici in fresatura. Gli stessi fattori di lavorazione, con l'aggiunta della velocità di taglio, influenzano anche i carichi termici in fresatura.
Lo spessore del truciolo incide sulle condizioni termiche e sulla durata ad entrambi gli estremi. Se i trucioli sono troppo spessi, vengono generati carichi pesanti che possono scheggiare o spezzare i taglienti. Quando i trucioli sono troppo sottili, il taglio viene eseguito su una porzione inferiore del tagliente e il maggiore attrito genera calore e di conseguenza accelera l'usura.
Lo spessore dei trucioli prodotti in fresatura cambia continuamente quando il tagliente entra ed esce dal pezzo in lavorazione. Di conseguenza, i fornitori di utensili impiegano il concetto di "spessore medio del truciolo" per calcolare gli avanzamenti della fresa che consentono di mantenere gli spessori più produttivi.
La scelta del corretto avanzamento dipende da vari fattori, che comprendono l'arco di impegno della fresa o la profondità di taglio radiale e l'angolo di attacco dei taglienti della fresa. Un maggiore arco di impegno richiede un avanzamento minore per generare lo spessore medio del truciolo desiderato.
Analogamente, con un impegno minore della fresa, l'avanzamento deve essere maggiore per ottenere lo stesso spessore del truciolo. Anche l'angolo di attacco della fresa influisce sui requisiti di avanzamento. Lo spessore massimo del truciolo si produce con un angolo di attacco di 90º, quindi angoli inferiori richiedono un maggiore avanzamento per ottenere lo stesso spessore medio del truciolo.
Per mantenere i valori dello spessore del truciolo e delle temperature nella zona di taglio uguali a quelli di una fresa completamente impegnata, i fornitori di utensili hanno sviluppato fattori di compensazione che richiedono l'aumento delle velocità di taglio quando diminuisce la percentuale di impegno della fresa.
Ad esempio, se il fattore di velocità per una fresa completamente impegnata (100% del diametro in presa) è di 1,0, il fattore di compensazione della velocità per una fresa con angolo di attacco di 90º e con il 20% del diametro in presa è di 1,35. Pertanto, se la velocità di taglio per la fresa completamente impegnata è di 100 m/min, la velocità di taglio necessaria per mantenere lo spessore del truciolo ottimale della fresa con solo un quinto del diametro in presa è di 135 m/min.
Dal punto di vista del carico termico, se l'arco di impegno è piccolo, il tempo di taglio potrebbe non essere sufficiente a generare la temperatura minima necessaria per massimizzare la durata. Poiché l'aumento della velocità di taglio generalmente comporta una maggiore generazione di calore, la combinazione di un arco di impegno ridotto con una maggiore velocità di taglio può servire ad aumentare la temperatura di taglio al livello ottimale. Una maggiore velocità di taglio riduce anche il tempo per cui il tagliente è a contatto con il truciolo, il che a sua volta riduce la quantità di calore che viene trasferita nell'utensile. In generale, velocità più elevate riducono anche i tempi di lavorazione, aumentando la produttività. D'altro canto, velocità di taglio inferiori riducono le temperature di lavorazione. Se il calore generato durante un'operazione è troppo elevato, riducendo la velocità di taglio si possono abbassare le temperature a un livello accettabile.
Geometria del tagliente
Le geometrie della fresa e dei suoi denti contribuiscono alla gestione dei carichi termici. La geometria di base della fresa determina il posizionamento dell'utensile rispetto al pezzo in lavorazione. Le frese che posizionano i taglienti con angolo di spoglia positivo (con la parte superiore del dente di taglio in discesa rispetto al materiale da lavorare) producono forze di taglio minori e generano meno calore, consentendo allo stesso tempo velocità di taglio maggiori. Tuttavia, un utensile con angolo di spoglia positivo è più debole di uno con angolo di spoglia negativo, e la durezza o le condizioni della superficie del materiale da lavorare possono richiedere l'uso di una fresa con angolo di spoglia negativo. Gli utensili con angolo di spoglia negativo generano maggiori sforzi di taglio e temperature di taglio superiori.
La geometria dei taglienti stessi avvia e controlla l'azione e gli sforzi di taglio, e quindi influisce sulla generazione di calore. Il tagliente dell'inserto nel punto in cui incontra il pezzo in lavorazione può essere smussato, arrotondato o affilato. I taglienti smussati o arrotondati sono più robusti, ma di nuovo producono maggiori sforzi di taglio e maggiore calore. Un tagliente affilato non è altrettanto robusto, ma riduce gli sforzi di taglio e rimane più freddo durante la lavorazione.
La preparazione T dietro il tagliente guida il truciolo e può essere positiva o negativa, con lo stesso compromesso tra temperature di funzionamento più basse per il disegno positivo da una parte e la maggiore robustezza unita ad una maggiore generazione di calore della versione negativa dall'altra.
Poiché l'azione di taglio in fresatura è interrotta, le caratteristiche di controllo truciolo degli inserti di fresatura in generale sono meno importanti che in tornitura. Tuttavia, a seconda del materiale da lavorare e dell'arco di impegno, l'energia coinvolta nella formazione e nello spostamento del truciolo può essere significativa. Le geometrie formatruciolo strette o più protette arricciano immediatamente il truciolo e generano maggiori sforzi di taglio e calore. Geometrie di controllo truciolo più aperte producono sforzi di taglio e temperature di esercizio più ridotte, ma potrebbero non essere adatte per l'uso con alcune combinazioni di materiale da lavorare e parametri di taglio
Questioni di raffreddamento
Un altro modo per gestire le temperature che si sviluppano nelle operazioni di asportazione di truciolo è la manipolazione dell'applicazione del refrigerante. Temperature eccessive possono provocare la rapida usura o la deformazione del tagliente, quindi il calore deve essere controllato quanto più rapidamente possibile.
Per ridurre le temperature in modo efficiente, il raffreddamento deve essere diretto alla fonte del calore. Tuttavia è estremamente difficile, se non impossibile, portare il refrigerante nella zona di taglio ad alta temperatura, in cui la pressione tra il truciolo e il tagliente si aggira sui 20.000 bar. Inoltre, il refrigerante evapora istantaneamente in un ambiente così estremo. In questa situazione il refrigerante potrebbe non asportare il calore in modo completamente efficace, ma potrebbe comunque migliorare la situazione.
Non è chiaro esattamente quanta differenza possa fare il flusso di refrigerante; l'efficacia del refrigerante è un argomento a sé stante. È un po' come una religione: o ci credi, o non ci credi. In generale, se si prevede un calore eccessivo, è possibile applicare del refrigerante. Per le operazioni di scanalatura, ad esempio, l'uso del refrigerante sicuramente non fa danni. Potrebbe essere utile, ma fino a che punto è un argomento di discussione. Nella contornatura, tuttavia, in cui le temperature di taglio possono rimanere basse, probabilmente è meglio non applicare refrigerante.
Conclusione
I molteplici fattori che insieme determinano i carichi presenti nell'asportazione di truciolo non agiscono separatamente, ma si influenzano reciprocamente nel corso di tutta la lavorazione. Questo articolo ha discusso i problemi termici nelle operazioni di fresatura e la loro relazione con i fattori meccanici. La familiarità con i singoli elementi che compongono i carichi nell'asportazione di truciolo e con i risultati complessivi delle loro interazioni aiuterà i produttori a ottimizzare i processi di lavorazione per massimizzare produttività e redditività.
