Seco Tools: nuovi inserti e nuove strategie per materiali ISO S

HQ_ILL_Workpiece_Material_Tool_CharacteristicsNel gruppo dei materiali ISO S Seco Tools sono comprese le superleghe resistenti al calore (HRSA) e le leghe di titanio. La maggiore durezza a caldo e la resistenza di questi materiali incoraggia il loro utilizzo in un’ampia gamma di fondamentali applicazioni aerospaziali, energetiche ed in altri settori industriali. Tuttavia, le vantaggiose proprietà di queste leghe danno caratteristiche di lavorazione diverse da quelle dei tradizionali componenti in ghisa ed acciaio. Di conseguenza, i costruttori di utensili per asportazione di truciolo hanno sviluppato prodotti e strategie applicative che migliorano la lavorabilità dei materiali e consentono un trattamento affidabile, regolare e relativamente economico delle leghe del gruppo ISO S.

Inoltre, i costruttori di utensili cercano di educare gli utilizzatori a questi nuovi utensili e strategie e di convincere gli operatori macchina a riconsiderare tutte le tecniche di lavorazione obsolete che, molto probabilmente, non possono trovare applicazione con gli attuali materiali avanzati.

Il termine lavorabilità indica la risposta di un metallo al processo di lavorazione. La lavorabilità comprende quattro fattori fondamentali: forze meccaniche generate nella lavorazione, formazione ed evacuazione dei trucioli, produzione e trasferimento di calore, usura e rottura dell’inserto. L’eccessiva influenza di uno o di tutti questi fattori può portare a considerare un materiale come “di difficile lavorabilità”.

I problemi di lavorabilità si pongono rispetto a durata degli utensili, tempo e affidabilità del processo produttivo e qualità dei componenti quando si tenta di lavorare superleghe resistenti al calore e leghe di titanio con gli stessi utensili e le stesse tecniche utilizzati per decenni, ad esempio quelli per acciai e ghise. Solo negli ultimi anni gli utensili sono stati sviluppati prendendo in considerazione le leghe a base di nichel e di titanio. La lavorazione di questi materiali relativamente nuovi non è necessariamente più difficile di quella dei metalli tradizionali: è solamente diversa.

Ad esempio, l’approccio consueto per la lavorazione di un materiale “difficile” consiste nel procedere con cautela e nell’utilizzare parametri di taglio meno aggressivi, come avanzamento, profondità e velocità di taglio minori. Tuttavia, con gli utensili da taglio sviluppati in modo specifico per questi materiali ad alte prestazioni, una regola fondamentale consiste, invece, nell’aumentare la profondità di taglio e l’avanzamento. Per gestire questi parametri più aggressivi sono stati progettati inserti con qualità di metallo duro a grana fine che offrono una buona robustezza del tagliente ed incollamento del rivestimento alle alte temperature, con particolare attenzione alla resistenza all’usura ad intaglio provocata da pezzi trattati. Sono stati sviluppati anche inserti ceramici ed in PCBN per la sgrossatura e la finitura di queste leghe ad alte prestazioni.

Riguardo agli specifici fattori di lavorabilità, le superleghe resistenti al calore presentano problemi meccanici o legati agli sforzi che non sono molto diversi da quelli delle ghise e degli acciai tenaci. Vi è, tuttavia, una principale differenza nella generazione e nella dissipazione del calore. Il calore viene prodotto quando il taglio deforma il materiale da lavorare, ed i trucioli prodotti possono asportare calore. Tuttavia, i trucioli segmentati prodotti da questi materiali spesso non svolgono bene questa funzione. Inoltre, i materiali resistenti al calore sono cattivi conduttori di calore. Nelle zone di taglio si possono raggiungere temperature di 1100° C – 1300° C e, se non può essere dissipato, il calore si accumula nell’inserto e nel pezzo in lavorazione. Il risultato è una minore durata dell’inserto oltre alla deformazione del pezzo in lavorazione e alla variazione delle sue caratteristiche metallurgiche.

Per poter risolvere questo problema, è necessaria una diversa percezione della resistenza degli inserti. Gli inserti con tagliente affilato sono generalmente considerati non robusti, ma un modo per limitare l’aumento di temperatura dell’utensile consiste nell’utilizzare inserti affilati che taglino il materiale piuttosto che deformarlo, producendo così meno calore. L’adozione di questa strategia richiede inserti progettati con buona robustezza del tagliente e utilizzati su macchine utensili con sufficiente potenza, stabilità e resistenza alle vibrazioni.

Anche la tendenza all’incrudimento ed all’indurimento per precipitazione rende complessa la lavorazione delle superleghe resistenti al calore. Durante l’incrudimento, il materiale diventa più duro nella zona di taglio quando è sottoposto alle sollecitazioni ed alle alte temperature della lavorazione. Le leghe a base di nichel e di titanio mostrano una maggiore tendenza all’incrudimento rispetto all’acciaio. Durante l’indurimento per precipitazione, nel materiale da lavorare si formano delle zone indurite quando le alte temperature attivano un elemento legante che altrimenti sarebbe inattivo. In entrambi i casi, la struttura del materiale può cambiare significativamente dopo una sola passata dell’utensile, per cui in una seconda passata si deve lavorare una superficie molto più dura. Una soluzione consiste nel minimizzare il numero di passate. Ad esempio, invece di asportare 10 mm di materiale con due passate con profondità di taglio di 5 mm, sarebbe meglio effettuare una sola passata con profondità di taglio di 10 mm. In molte situazioni però la lavorazione con passata singola non è possibile ma rappresenta solamente un obiettivo teorico.

Questo approccio richiede inoltre di riconsiderare il processo di finitura, che tradizionalmente prevede più passate con piccole profondità di taglio e basso avanzamento. Gli operatori macchina dovrebbero invece cercare di aumentare il più possibile i parametri. In questo modo, si può aumentare la durata e migliorare la finitura superficiale.

Inoltre, una profondità di taglio leggermente maggiore per una passata di finitura posiziona la parte più affilata del tagliente sotto qualsiasi zona incrudita o indurita. Tuttavia, una passata di finitura troppo profonda può generare vibrazioni e influenzare negativamente la finitura superficiale. Il segreto sta nel trovare l’equilibrio ottimale tra aggressività e cautela.

Con gli utensili e le strategie attuali sviluppati in modo specifico per le leghe a base di nichel e di titanio, la lavorazione può essere effettuata essenzialmente senza problemi tecnologici. La sfida in corso non riguarda semplicemente la lavorazione del pezzo, ma la lavorazione nel modo corretto in un dato tempo e ad un determinato costo. L’obiettivo è migliorare l’affidabilità del processo e gli aspetti economici della produzione.

Considerati gli elevati costi dei materiali avanzati e dei componenti realizzati con essi, i processi di lavorazione devono essere assolutamente affidabili. I produttori non possono permettersi di produrre pezzi errati mentre cercano un processo di lavorazione affidabile.  L’utilizzo di utensili e di parametri di lavorazione idonei aiuta a garantire risultati di lavorazione prevedibili.

Riguardo ai parametri di lavorazione, l’aumento della profondità di taglio e dell’avanzamento contribuisce a migliorare la produttività. Le maggiori velocità di taglio possono accelerare la lavorazione, ma tale possibilità non è stata ancora completamente sfruttata. Le velocità attualmente utilizzate per le leghe a base di nichel e di titanio sono ancora basse rispetto a quelle utilizzate per gli acciai. Ma l’attuale ricerca è orientata allo sviluppo di proprietà degli inserti che consentano velocità di taglio perfino maggiori e assicurino, al contempo, una ragionevole durata.

Oltre agli inserti, altri componenti del processo di lavorazione, come un sistema con refrigerante diretto ad alta pressione, possono concorrere ad accrescere la produttività. Se la velocità di taglio di un materiale ISO S è di 50 m/min, un sistema di refrigerazione diretta ad alta pressione può consentire velocità di taglio fino a 200 m/min, quadruplicando così la produzione.

La durata degli utensili è un altro elemento di produttività che può essere considerata da un nuovo punto di vista nella lavorazione delle superleghe resistenti al calore. La tradizionale misura della durata di un inserto è rappresentata dal numero di minuti di utilizzo fino alla necessaria sostituzione. Un’altra misura è data dal costo.

Se, ad esempio, la produzione di un determinato componente richiede 2 ore e si deve cambiare il tagliente ogni 20 minuti, si devono possedere 6 taglienti per completare il pezzo. In base alla linea di pensiero, l’obiettivo dovrebbe essere la riduzione del costo degli inserti portandone la durata a 30 minuti invece di 20.

Il costo degli inserti, tuttavia, rappresenta una parte molto piccola del valore complessivo dei pezzi quando si lavorano componenti costosi in superleghe resistenti al calore o leghe di titanio. Un indicatore più pertinente è invece l’utilizzazione dell’inserto, detto anche indice di utilizzazione dell’inserto. Confrontando due inserti campione, se uno dura 10 minuti e produce un pezzo lavorato, il costo è di un inserto per pezzo. Un altro inserto, impiegato in modo diverso, potrebbe durare solo 5 minuti e produrre due pezzi. Sebbene la durata in minuti del secondo inserto sia la metà del primo, la produzione di pezzi è raddoppiata. L’obiettivo è quello di produrre il massimo numero di pezzi corretti nel più breve tempo a un prezzo accettabile. Considerando l’elevato costo dei componenti realizzati in superleghe resistenti al calore, l’indice di utilizzazione degli inserti rappresenta un migliore indicatore dell’effettiva produttività.

Come al solito, il principale fattore per massimizzare i vantaggi della recente tecnologia di lavorazione per asportazione di truciolo consiste nel sapere qual è il modo migliore per utilizzarla in una particolare operazione. Con l’avanzamento del progresso relativo ai materiali da lavorare ad alte prestazioni come le superleghe resistenti al calore e leghe a base titanio, anche i costruttori di utensili continueranno a ideare nuovi modi per massimizzare la produttività nei processi di lavorazione delle nuove leghe. I produttori trarranno vantaggio dalla disponibilità dei nuovi utensili e dalla completa conoscenza dei costruttori di utensili sui modi migliori di utilizzarli.

L’acciaio inossidabile, brevettato in varie forme circa 100 anni fa, è stato il primo passo verso le moderne superleghe resistenti al calore. Nelle prime leghe di acciaio inossidabile, all’acciaio fu aggiunto del cromo per aumentare la resistenza all’ossidazione e alla corrosione. Le leghe di acciaio inossidabile di base avevano un contenuto minimo di cromo del 10,5% in peso. Successivamente, fu aggiunto anche il nichel per migliorare la durezza e la tenacità degli acciai inossidabili. La percentuale di nichel è cresciuta con l’impiego delle leghe in ambienti sempre più difficili fino a fare del nichel il principale elemento legante dei materiali. L’attuale diffusa superlega resistente al calore 718, nota col nome commerciale di Inconel 718, ha un contenuto del 50 – 55% di nichel, 17 – 21% di cromo e 10% di altri elementi, mentre il rimanente è costituito da ferro. Le moderne superleghe resistenti al calore ed a base di titanio forniscono eccellenti tenacità, resistenza al calore e alla corrosione ed affidabilità.

Quando si trovano di fronte a questi nuovi e stimolanti materiali da lavorare, i produttori tentano in primo luogo di impiegare le prassi di lavorazione note. Tuttavia, essi ottengono davvero la massima produttività solo quando assimilano gli utensili e le tecniche appositamente ideati per questi specifici materiali ed operazioni.

Ad esempio, a metà degli anni 80 del secolo scorso Seco costituì il suo cosiddetto Gruppo Alfa di ricercatori e tecnici per trovare dei modi più produttivi per la lavorazione dell’acciaio inossidabile. Il gruppo ha collaborato con vari produttori di acciaio inossidabile per sviluppare nuove qualità di metallo duro e nuove geometrie ed anche specifiche stategie di lavorazione per l’acciaio inossidabile. Negli anni 90 del secolo scorso, lo sforzo è stato esteso alle superleghe resistenti al calore a più elevate prestazioni.

Oltre alle qualità di metallo duro, ai rivestimenti ed alle geometrie, sono stati sviluppati degli inserti per ottimizzare la produttività nella lavorazione delle superleghe resistenti al calore in specifici segmenti del processo di asportazione di truciolo. Ad esempio, l’inserto in ceramica sialon CS100 di Seco, destinato alle operazioni di sgrossatura, presenta elevata inerzia chimica, resistenza all’abrasione e robustezza che gli conferiscono una durata lunga e prevedibile. Tipici parametri di sgrossatura al tornio sono: velocità di taglio da 150 a 305 m/min, avanzamento da 0,2 a 0,4 mm/giro e profondità di taglio da 0,5 a 3,75 mm.

La qualità CS100 è completata da Secomax CBN170, una qualità PCBN robusta e resistente all’usura ideata per tornitura di finitura continua di superleghe a base nichel.

La qualità CBN170 integra un legante ceramico whisker, che incrementa la durata e, quindi, riduce il numero di fermi macchina necessari per la sostituzione dei taglienti. Essa è stata sviluppata per soddisfare le esigenze di finitura superficiale, tolleranza e lunghezza di taglio nelle operazioni di finitura di superleghe a base nichel. Gli inserti CBN170 sono progettati per operare in condizioni di taglio continuo, con l’impiego di refrigerante, con profondità di taglio fino a 0,5 mm e velocità di taglio da 300 a 400 m/min. Il contenuto di CBN della qualità è pari al 65% in volume, con una dimensione della grana di 2 µm. Gli inserti sono dotati di arrotondamenti del tagliente di 25 µm.

Altri sviluppi destinati ad accrescere la durata e la produttività della lavorazione delle superleghe resistenti al calore comprendono tecnologie come il sistema con refrigerante diretto ad alta pressione Jetstream Tooling di Seco, che eroga il refrigerante in prossimità del tagliente. Questo getto di liquido refrigerante solleva il truciolo dalla faccia di spoglia, migliorando il controllo del truciolo  e la durata e consentendo l’impiego di parametri di taglio più aggressivi. In alcuni casi, il rapido raffreddamento rende il truciolo fragile e più facilmente fratturabile.

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