MMC Magazine

Nella produzione di aeromobili, i materiali resistenti al taglio sono utilizzati con sempre maggiore frequenza. Purtroppo questi materiali riducono considerevolmente la vita utile degli utensili. Per rispondere alla richiesta del mercato di metodi di lavorazione più innovativi che prolunghino nettamente la durata degli utensili quando si lavora con materiali speciali, Mitsubishi Materials continua a concentrarsi sullo sviluppo di utensili di taglio rotanti di nuova generazione. In questo numero ci occupiamo di utensili da taglio a rotazione guidata impiegati nelle macchine multi-task e di utensili da taglio a rotazione passiva utilizzati nei centri di lavorazione generici.

PROGETTO 1: Far ruotare l'utensile nelle sue parti costituenti

Sviluppo di utensili da taglio a rotazione guidata utilizzando i vantaggi delle macchine multi-task

Mitsubishi Materials ha sviluppato i primi utensili da taglio a rotazione passiva per torni circa venti anni fa; gli utensili facevano ruotare gli inserti durante la lavorazione. A quel tempo, si applicava un meccanismo innovativo che imprimeva la rotazione utilizzando la resistenza al taglio. 
Ciò riduceva significativamente l'usura dei bordi, causa principale della ridotta vita utile dell'utensile durante la lavorazione di materiali resistenti al taglio. Sebbene questa prima generazione di utensili da taglio rotanti fosse molto apprezzata, il complesso meccanismo limitava la rigidità; erano inoltre relativamente costosi rispetto ai portautensili convenzionali. Alcuni clienti hanno continuato a usarli, ma gradualmente la domanda è diminuita.

Era tuttavia in corso lo sviluppo di nuovi utensili da taglio a rotazione passiva, sulla base del know-how acquisito dall'azienda con questa prima produzione. Nella progettazione del nuovo meccanismo di rotazione, l'avvento delle macchine multi-task fornì un importante suggerimento. I primi utensili per tornitura di questa tipologia facevano ruotare gli inserti sfruttando la resistenza generata durante il processo di taglio; 
a seconda delle condizioni di taglio ciò causava una disomogeneità della forza di rotazione e rendeva difficoltoso l'ottenimento di prestazioni stabili. 
Si pensò quindi che se si fosse generata una forza di rotazione stabile e predeterminata indipendente dalle condizioni di taglio, si sarebbe potuto sviluppare con successo un nuovo tipo di utensili da taglio. Circa dieci anni dopo si iniziò a pensare a nuovi utensili da taglio rotanti. 
In quel periodo fu condotto uno studio sugli utensili da taglio rotanti guidati, a cura del professor Sasahara della facoltà di Agraria e Tecnologia dell'Università di Tokyo. Si avviò un periodo di consultazioni, al termine del quale, tre anni dopo, fu avviata una ricerca congiunta su larga scala. Utilizzando macchinari multi-task si riuscì a realizzare il controllo volontario della rotazione dell'utensile, aprendo la strada alla realizzazione di utensili da taglio a rotazione guidata.

I macchinari multi-task non solo consentivano il controllo della rotazione dell'utensile, ma permettevano di impostare liberamente gli angoli di contatto. Ciò sollecitò la ricerca della migliore combinazione di condizioni di taglio e angoli di contatto dell'utensile. 

Oltre alla frequenza di rotazione (velocità di rotazione dell'utensile), è infatti importante identificare il miglior angolo di contatto. Lo spessore dei trucioli, che influisce significativamente sulla vita utile dell'utensile e sulla direzione del flusso, varia in base a condizioni di base quali velocità, avanzamento e taglio. Oltre a tali considerazioni, il nuovo progetto impiegava diversi angoli di inclinazione, il che creava potenziali difficoltà nell'individuare la migliore combinazione di condizioni di taglio. Per risolvere il problema, venne chiesto al professor Sasahara di analizzare i valori dal punto di vista teorico per individuare le condizioni migliori.
 
Al contempo, la sfida principale nello sviluppo delle forme degli utensili è la massima riduzione del disallineamento dei centri durante il montaggio dell'inserto all'utensile. Disallineamenti consistenti provocano la rotazione eccentrica rispetto all'asse di rotazione dell'utensile, modificando la quantità di taglio e causando uno squilibrio tra la dimensione prevista e quella reale della parte lavorata. Inoltre, le modifiche nella quantità di taglio causano instabilità nella resistenza al taglio, che genera irregolarità e danneggia gli inserti. 

Dopo numerose sperimentazioni, fu possibile ridurre il grado di concentricità tra l'inserto e l'utensile da taglio a 0,01 mm o meno.

Un'altra importante caratteristica del nuovo utensile da taglio è rappresentata dal refrigerante interno. L'utensile è stato progettato per erogare refrigerante dallo spazio tra il foro di inserimento e la vite di serraggio. Questo meccanismo tende a ridurre la forza di serraggio quando l'inserto è installato sull'utensile da taglio. Tuttavia, questo design unico mantiene comunque la forza di serraggio necessaria. L'utensile stesso ruota in maniera costante, disperdendo uniformemente il calore generato durante il processo di taglio sull'intera circonferenza della fresa. Erogando il refrigerante dall'interno dell'utensile da taglio è possibile raffreddare efficacemente l'intero inserto e rimuovere agevolmente i trucioli. 

Ottenere una vita utensile circa dieci volte superiore a quella degli utensili da taglio a inserto standard

I nuovi utensili da taglio a rotazione guidata hanno le seguenti caratteristiche:

1. Utilizzo dell'intera circonferenza dell'inserto per disperdere uniformemente l'abrasione dell'utensile e prolungarne la vita utile. 

2. Rotazione stabile dell'utensile stesso per disperdere efficacemente il calore del processo di taglio; il design del refrigerante interno riduce considerevolmente l'abrasione dell'inserto. 

3. L'esclusivo meccanismo di tenuta di alta precisione ed elevata rigidità consente una lavorazione stabile ad alte prestazioni. 

Tali caratteristiche hanno prolungato notevolmente la vita utile dell'utensile durante la lavorazione di Inoconel718 rispetto agli utensili da taglio convenzionali. Inoltre, gli utensili da taglio a rotazione guidata sono adatti non solo per la lavorazione di materiali resistenti al taglio come le leghe resistenti al calore, ma anche per la lavorazione di materiali compositi come l'alluminio e il ferro. Sono particolarmente efficaci nel ridurre in maniera significativa i costi totali di gestione, prolungando la vita utile dell'utensile e riducendo la frequenza di sostituzione dell'inserto durante la lavorazione non presidiata o durante il funzionamento di più macchine gestite da un esiguo numero di operatori. 

È stato possibile risolvere i problemi riscontrati nello sviluppo dei primi utensili da taglio rotanti?

Guardando al tasso di compressione generale (CR) dei trucioli si è dedotto che la velocità di rotazione ideale degli inserti per ridurre l'usura del fianco - spesso un problema nella lavorazione di materiali resistenti al taglio - dovrebbe essere circa un terzo della velocità di lavorazione, equivalente alla velocità di smaltimento dei trucioli. Nei primi utensili da taglio rotanti, la rotazione degli inserti era passiva, e non era quindi possibile controllarla. Pertanto, questa ipotesi non era stata ancora vagliata attentamente. 

I nuovi utensili da taglio rotanti presentano numerosi parametri, che variano molto in base alle esigenze del cliente, il che rende difficile l'individuazione delle condizioni di taglio ottimali. Basandosi sui vari dati, sono state infine identificate le condizioni raccomandate per uso generico ed è molto interessante sapere che la velocità di rotazione degli inserti consigliata equivale a un terzo della velocità di lavorazione, confermando le ipotesi formulate osservando i primi utensili da taglio rotanti. Gli utensili da taglio a rotazione guidata sono attualmente in fase di sviluppo, in vista del prossimo lancio sul mercato.

PROGETTO 2: Utensile da taglio a rotazione passiva con inserto che ruota in autonomia durante la lavorazione

Calcolo della forza di rotazione teorica dell'inserto

La nuova fresa a rotazione passiva è stata sviluppata utilizzando l'esperienza maturata con i primi utensili da taglio a inserto rotante.

Fin dal lancio di questi primi utensili, Mitsubishi Materials ha pensato di applicare su frese a candela e frese frontali il meccanismo che fa ruotare l'inserto sfruttando la resistenza al taglio. Tuttavia, installare il meccanismo di rotazione dei primi utensili da taglio a inserto rotante sulla fresa sembrava un'impresa impossibile a causa della sua dimensione.

L'avanzamento dei materiali resistenti al taglio in un'ampia gamma di settori ha richiesto un ulteriore miglioramento dell'efficienza di lavorazione e il prolungamento della vita utile dell'utensile. Circa dieci anni dopo il lancio, comprendendo il potenziale degli inserti che ruotavano durante la fresatura, Mitsubishi Materials ha coinvolto l'Università di Nagoya e Mitsubishi Heavy Industries, Ltd, nello sviluppo congiunto di frese con inserto rotante. 

La prima sfida era identificare l'angolazione ideale sia per imprimere la rotazione all'inserto che per garantire la forza di rotazione ottimale. Se la resistenza al taglio fosse stata troppo bassa, non sarebbe stata in grado di generare un impulso sufficiente a far ruotare l'inserto. Se troppo elevata, avrebbe causato disomogeneità durante la lavorazione e provocato danni all'utensile o all'inserto. Era necessario identificare l'angolo ideale per generare una resistenza al taglio sufficiente a far ruotare l'inserto in maniera affidabile per consentire così una più ampia varietà di condizioni di taglio. 

L'Università di Nagoya ha superato questo difficile ostacolo. Applicando delle formule complesse, gli ingegneri sono riusciti a individuare l'angolo ottimale di posizionamento dell'inserto per una rotazione efficace. Rispetto al metodo per tentativi ed errori impiegato nello sviluppo dei primi utensili da taglio a inserto rotante, essere in grado di calcolare i valori ottimali in maniera teorica consentiva di ridurre considerevolmente il tempo necessario per lo sviluppo. 

Durata della vita utile dell'utensile da 8 a 10 volte superiore agli utensili Mitsubishi Materials già esistenti

La sfida successiva, particolarmente impegnativa, è stata quella di posizionare l'inserto in uno spazio estremamente ridotto. È stato necessario progettare un meccanismo di rotazione che potesse essere installato in tale spazio. Ciò richiedeva l'ottimizzazione del margine del foro di inserimento e della vite di serraggio, per consentire la rotazione dell'inserto durante la lavorazione. Se lo spazio è troppo piccolo, si genera un blocco; se è troppo grande, si avranno irregolarità. Inoltre, per ottenere una rigidità sufficiente è importante avere il miglior spessore della vite di serraggio rispetto alla dimensione dell'inserto. Dopo ripetuti esami ed analisi, numerosi prototipi e svariate sperimentazioni, è stata installata una molla sopra la vite di serraggio, che ha consentito di realizzare un meccanismo di rotazione che avesse tanto lo spazio ideale quanto la forza richiesta. Quando già si intravedeva il completamento dello sviluppo del meccanismo di rotazione, comparve una nuova sfida. Il fondo dell'inserto veniva a contatto con la sottoplacchetta in metallo duro dell'utensile, causando un'usura irregolare. La rotazione dell'inserto avrebbe potuto livellare l'usura della fresa, ma la sottoplacchetta che riceveva la resistenza al taglio subiva un carico irregolare, e inoltre il carico sulla sezione al di sotto della fresa era troppo elevato. Poiché l'inserto e la sottoplacchetta erano entrambi in metallo duro, il contatto e la rotazione continua sotto un carico localizzato avrebbe creato certamente un'usura disomogenea. Per risolvere il problema venne posizionata una piastra metallica mobile tra l'inserto e la sottoplacchetta, come cuscinetto. 

Gli utensili a inserto rotante non richiedono un frequente cambio inserto, consentendo lavorazioni prolungate non presidiate e, come mostrato dal grafico sotto riportato, siamo stati in grado di ottenere una vita utile dell'utensile da otto a dieci volte superiore a quella degli utensili da taglio esistenti. 

Il lancio sul mercato di questa fresa a rotazione passiva è previsto a breve. È in programma un'estensione di questa tecnologia di successo ad utensili da taglio quali frese a candela, frese frontali e utensili per tornitura. Oltre all'aumento delle dimensioni dell'inserto, è anche previsto lo sviluppo di frese per la lavorazione in rampa.