Tornitura di acciaio non-stop

Transcript

1 Tornitura di acciaio non-stop Un innovazione che offre nuove soluzioni alle sfide di lavorazione quotidiane 1

2 Introduzione Esempi di successo dei clienti Meccanismi di usura controllati Affidabilità del tagliente Durata tagliente triplicata Cristalli unidirezionali Durata ancora maggiore Strategia per il successo L affidabilità prevedibile

3 Tornitura di acciaio non-stop Un innovazione che offre nuove soluzioni alle sfide di lavorazione quotidiane Tecnici e responsabili di officina sono costantemente impegnati a ridurre i tempi ciclo, aumentare la produttività e migliorare la sicurezza considerando ogni aspetto della lavorazione. Tuttavia, ottimizzare ulteriormente un processo come la tornitura dell acciaio, probabilmente la più comune di tutte le operazioni, sembrava impossibile... almeno fino ad ora. Questo whitepaper esamina i progressi compiuti nella scienza dei materiali grazie a cui le più recenti qualità di inserto per la tornitura dell acciaio riescono a garantire una durata che nessuna azienda al mondo ha mai sperimentato. Inoltre, si fa riferimento a sfide di lavorazione reali spiegando il modo in cui sono state superate. Gli straordinari vantaggi ottenuti sono ora disponibili a tutti quelli che, nel settore della lavorazione dei metalli, sono pronti ad adottare questa soluzione rivoluzionaria. La prevedibilità è un criterio sempre più importante, soprattutto nei processi in cui la supervisione è limitata ma i rischi a cui è soggetto il filo del tagliente dell inserto durante la tornitura dell acciaio continuano ad essere numerosi. Una problematica, ad esempio, è rappresentata dalla vastità del campo di applicazione ISO P25, che comprende svariati materiali con caratteristiche molto diverse: si va dalla duttilità degli acciai a basso tenore di carbonio alla tenacità degli acciai fortemente legati. Inoltre, vi sono materiali da barra, forgiature, fusioni e prelavorati. Detto questo, ciò che rischia di rubare più tempo alla lavorazione effettiva sono il cambio degli inserti, i fermi di produzione e la ricerca del giusto inserto per ogni applicazione o materiale. La qualità GC4325 consente di usare un unico inserto, di durata decisamente superiore, per l intero campo ISO P25 e rappresenta quindi la soluzione per lavorare più componenti per tagliente e ridurre il numero di arresti per il cambio degli inserti. Non solo. Una durata tagliente più lunga e affidabile significa anche nessun rischio di rotture improvvise e meno problemi di rilavorazione e scarti. I tecnici saranno felici di sapere che, oltre a tutto questo, la GC4325 è in grado di lavorare a dati di taglio elevati. 3

4 Com è possibile? Il substrato e il rivestimento dell inserto in qualità GC4325 sono in grado di mantenere invariato il filo tagliente ad alta temperatura, con la conseguente possibilità di utilizzare velocità di taglio superiori e di poter contare su una maggiore affidabilità, grazie a una durata tagliente più lunga e prevedibile. Il risultato è un aumento medio della produttività del 30 percento rispetto ad altre tecnologie esistenti. In pratica, la GC4325 alza notevolmente il livello delle prestazioni, con inserti multitaglienti in metallo duro rivestito adatti a un ampio e diversificato campo di applicazione. Queste affermazioni, inoltre, sono avvalorate da numerose aziende in tutto il mondo che, grazie alla tecnologia, sono riuscite a vincere le sfide quotidiane poste dalla tornitura dell acciaio. Esempi di successo dei clienti Bifrangi SpA, un azienda produttrice di particolari in acciaio forgiato per l industria automobilistica con 430 dipendenti, è stata tra le prime ad adottare la GC4325. La sede centrale si trova a Mussolente in provincia di Vicenza e, tra i suoi clienti, conta giganti del settore automobilistico come BMW, Getrag e Deutz. Su un tornio verticale CNC Famar dotato di accoppiamento Coromant Capto C4, il compito prevede la sgrossatura di un mozzo automotive da 200 mm. Su un particolare in acciaio forgiato (codice CMC 02.1), è necessario procedere a operazioni esterne di sfacciatura e tornitura assiale. Con la qualità GC4225 della generazione precedente e un tempo di taglio di 26 secondi a pezzo, Bifrangi riusciva a lavorare 116 componenti prima che fosse necessario sostituire l inserto. Tuttavia, usando la nuova qualità GC4325 nello stesso tipo (inserti quadrati CNMG con geometria rompitruciolo PR), l azienda può invece arrivare a 160 componenti, con un aumento del 38% della durata tagliente. I parametri di taglio sono identici: velocità di taglio di 200 m/min, velocità del mandrino di 318 giri/min, avanzamento di 0,36 mm/ giro e 2 mm di profondità di taglio. Il segreto del successo della GC4325 è la combinazione tra la possibilità di lavorare con dati di taglio elevati e il comprovato aumento della durata tagliente. In pratica, si tratta di una qualità che lavora a lungo e senza sosta, come può testimoniare anche lo stabilimento indiano di Bajaj Motors situato a Gurgaon. Bajaj Motors si occupa della tornitura di elementi forgiati critici per le trasmissioni automobilistiche, per clienti come Tata, Hero MotoCorp, Suzuki, Mahindra, Nissan e Renault. Quando Sandvik Coromant ha detto che la nuova qualità GC4325 ci avrebbe offerto un miglioramento del 20-25% rispetto a quella che utilizzavamo, non potevamo crederci dichiara Tarun Bhargava, General Manager (Engineering) presso Bajaj. Anche quando ci hanno mostrato i risultati, abbiamo pensato che doveva esserci qualche trucco. Quindi, abbiamo eseguito delle prove su due macchine differenti e il risultato è stato lo stesso, in entrambi i casi. Di conseguenza, ora utilizziamo la GC4325 per ridurre il costo per componente e migliorare i nostri margini di profitto. La GC4325 ci offre l opportunità di migliorare i nostri processi di lavorazione conferma il fondatore e presidente della società, Francesco Biasion. Il suo costo non è così importante rispetto alla durata tagliente perché quest ultima rappresenta un serio vantaggio in termini economici. Questo inserto ci aiuterà senz altro a far crescere la nostra attività rendendoci ancora più competitivi sul mercato. 4

5 Meccanismi di usura controllati L usura dell inserto è comunque inevitabile ma la differenza risiede nella capacità di limitarla e controllarla. Questo è il vero vantaggio della GC4325: un filo tagliente più robusto che consente alle officine di far lavorare le macchine anche di notte o di farle funzionare senza problemi per tutto il giorno. Un tipo di materiale su cui la GC4325 ha superato le aspettative è l acciaio utilizzato per i cuscinetti. Si tratta di un materiale che rappresenta una sfida per il tagliente perché provoca spesso una rapida usura per craterizzazione. E proprio pensando a questo, Sandvik Coromant ha sviluppato un inserto in cui sia il substrato che il rivestimento fossero in grado di resistere all usura diffusa dovuta alle alte temperature, riducendo di conseguenza la causa della craterizzazione sul petto dell inserto. La GC4325, inoltre, crea una zona ideale per lo scorrimento del fluido da taglio durante la formazione del truciolo e ciò significa poter lavorare a velocità di taglio superiori ma con la sicurezza richiesta nella produzione non presidiata. L efficacia della GC4325 è basata sulla capacità di combattere i meccanismi che portano alla rottura prematura del tagliente. In pratica, questo richiede che il substrato, il rivestimento e il post-trattamento dell inserto siano studiati in modo da rendere l usura uniforme e controllabile, eliminando i problemi di usura discontinua. Quando l usura dell inserto è uniforme e controllabile, anche le prestazioni saranno costanti e prevedibili. L usura discontinua è invece caratterizzata da problemi di varia natura quali la fessurazione superficiale, la deformazione plastica o lo sfaldamento del rivestimento. E gli effetti dell usura discontinua sono difficili o addirittura impossibili da controllare. A confronto con una qualità concorrente, la GC4325 mostra minore usura dopo un tempo di taglio più lungo. Competitor GC min 19 min 5

6 Affidabilità del tagliente I tecnici sanno che, per il successo delle operazioni di tornitura su acciaio P25, è necessario bilanciare diversi fattori. Ad esempio, se il tagliente viene danneggiato, la sicurezza e la qualità della lavorazione degenerano rapidamente, determinando la produzione di componenti inaccettabili. In questo caso, la resistenza alla frattura è fondamentale e ciò significa che il tagliente deve avere la durezza necessaria a resistere alla deformazione plastica indotta dalle temperature estreme che si sviluppano nelle zone di taglio P25. Il rivestimento dell inserto, inoltre, deve aderire perfettamente al substrato. In caso contrario, il substrato esposto si deteriora rapidamente. Le osservazioni condotte sul comportamento degli inserti dimostrano che il modello di usura ottimale, per qualunque inserto, è l usura controllata sul fianco perché protegge i taglienti. L usura sul fianco viene generata dall abrasione della superficie sotto il filo tagliente, mentre l abrasione è dovuta al passaggio del truciolo in formazione durante il taglio. L usura sul fianco rappresenta il naturale consumo del materiale ed è accettabile, a condizione che gli altri modelli di usura vengano tenuti sotto controllo. Un altro modello di usura comune e controllabile è la craterizzazione. Durante le operazioni di tornitura dell acciaio, l usura per craterizzazione si verifica a causa del calore e della pressione. Come per l usura sul fianco, una certa craterizzazione è accettabile nella misura in cui non indebolisce il tagliente. Sia la craterizzazione che l usura sul fianco sono fenomeni comuni nella tornitura dell acciaio e, se non associati ad altri tipi di usura e controllati, il processo può senz altro puntare a una produttività elevata. Altri fattori che contribuiscono al successo delle operazioni sono microgeometria, macrogeometria, raggio di punta, dimensioni e forma dell inserto. La giusta combinazione tra questi elementi e la qualità degli inserti consente di ottimizzare le operazioni di tornitura. A seconda dell applicazione, è possibile ottenere volumi superiori di truciolo asportato e velocità di taglio di oltre 400 m/min, lavorando con dati di taglio prima impensabili. La ricerca di mercato condotta da Sandvik Coromant ha dimostrato che, nell industria della lavorazione dei metalli, il livello medio della velocità di taglio equivale a circa il 70 percento dei valori raccomandati. Ciò ovviamente dipende da vari fattori, quali la potenza delle macchine, il diametro dei pezzi, le competenze di lavoro e il livello di propensione al rischio. Tuttavia, le officine che decidono di avvalersi delle migliori tecniche di taglio esistenti - e quindi della GC possono aumentare la produttività anche del 30 percento. In breve, i progressi ottenibili con la nuova qualità aiutano effettivamente gli utenti a osare di più, utilizzando dati di taglio più alti. La GC4325 è in grado di lavorare con dati di taglio superiori rispetto a quasi tutte le altre qualità P25: maggiore produttività grazie all efficienza di taglio dei metalli. Metal cutting efficiency - cm 3 /min Con la GC4325, la durata tagliente aumenta del % (media >30%): maggiore produttività grazie all elevato utilizzo delle macchine. Machine utilization - % 6

7 Durata tagliente triplicata Un buon esempio può essere quello di un officina in Germania, dove l uso di un inserto in qualità GC4325 su una scatola automotive in acciaio al carbonio forgiato C60V (250 HB) consente di triplicare il numero di componenti per tagliente. Confrontato a un inserto della concorrenza, l inserto in qualità GC4325 lavora 45 scatole per tagliente rispetto ai 15 precedenti. Inoltre, i dati di taglio sono stati aumentati del 30 percento portando la velocità di taglio a 180 m/min e la velocità di avanzamento a 0,4 mm/giro. La profondità di taglio è di 3 mm. Più modesti ma sempre impressionanti sono i vantaggi ottenuti nella lavorazione di un mozzo ruota nel Regno Unito. Il materiale era acciaio legato fuso DIN38MnVS6 (250 HB) e la GC4325 ha permesso di lavorare 100 mozzi ruota per tagliente a 2 mm di profondità anziché solo 60 mozzi, con un aumento del 67 percento. I tecnici stanno ora pensando di accelerare il processo aumentando i dati i taglio che, attualmente, sono di 180 m/min di velocità di taglio e 0,37 mm/giro di avanzamento. Dall altra parte del mondo, un costruttore brasiliano di sfere per l industria automobilistica ha vinto la sfida posta dalla lavorazione di acciaio al carbonio forgiato SAE 1045 (235 HB) utilizzando inserti in qualità GC4325 per bilanciare l elevato utilizzo di inserti con buoni livelli di sicurezza. Il risultato è stato un aumento del 34 percento di pezzi per tagliente un vantaggio inestimabile per la lavorazione di grandi volumi. La velocità di taglio è di 250 m/min mentre la velocità di avanzamento è di 0,35 mm/giro. Anche per un officina in India che si occupa della tornitura di alberi a gomito per il mercato delle due ruote, la formazione di bave su acciaio legato forgiato JIS SCM430 (320 HB) era diventata un grave problema. In questo caso, utilizzando i nostri inserti in qualità GC4325, il cliente è riuscito non solo ad aumentare del 43 percento il numero di pezzi per tagliente ma anche a ritardare la formazione di bave per altri 20 componenti, grazie a un tagliente che rimane intatto più a lungo. Anche la lavorazione degli ingranaggi per il settore automotive può trarne vantaggio, come testimonia un cliente dopo essere passato alla GC4325 un cambiamento che permette di far lavorare la macchina molto più a lungo prima che sia necessario cambiare l inserto, con un risparmio di diverse ore di produzione all anno. L applicazione prevede la tornitura assiale esterna e la sfacciatura di ingranaggi in acciaio debolmente legato, P2.1.Z.aN (200 HB). Oltre a un incremento del 159 percento della durata tagliente (220 pezzi per tagliente rispetto agli 85 precedenti con l inserto di un concorrente), la velocità di taglio è stata aumentata del 50 percento, da 300 a 450 m/min. Naturalmente, oltre all industria automobilistica, sono moltissimi i settori che possono trarre vantaggio dalla maggiore durata degli inserti per la tornitura dell acciaio, ad esempio l industria Oil and Gas. Un officina cinese che esegue la tornitura di sgrossatura di alberi per il settore Oil and Gas a 4,5 mm di profondità di taglio, con gli inserti in qualità GC4325 ha visto raddoppiare il numero di pezzi prodotti per tagliente. Il materiale è acciaio legato forgiato 42CrMo (280 HB). In Italia, un altro specialista del settore dell energia che lavora valvole per il settore Oil and Gas in acciaio al carbonio laminato LF2 ha aumentato del 33 percento il numero di pezzi per tagliente. Utilizzando un inserto GC4325, l azienda può lavorare due componenti in 23 minuti con minime tracce di usura mentre prima, con un inserto della concorrenza, realizzava 1,5 pezzi in 17 minuti. I dati di taglio prevedono 350 m/min di velocità di taglio, 0,39 mm/giro di avanzamento e 3 mm di profondità di taglio. 7

8 Cristalli unidirezionali La GC4325 si sta dimostrando altamente efficace nel superare tutte queste sfide. In pratica, si tratta di una qualità costituita da un substrato in metallo duro, uno strato di TiCN (carbonitruro di titanio), uno strato di Al 2 O 3 (ossido di alluminio) e uno strato di TiN (nitruro di titanio). La natura della struttura cristallina nello strato di ossido di alluminio è unica. I cristalli sono infatti orientati in modo unidirezionale, con le sfaccettature più lunghe in posizione quasi parallela. Inoltre, tutti i cristalli sono orientati con il piano atomico più denso rivolto verso la superficie di taglio. Questo orientamento rende lo strato di ossido di alluminio molto duro, permettendogli di resistere eccezionalmente bene all usura. Conosciuta come Inveio, questa tecnologia di orientamento dei cristalli permette allo strato di agire come una barriera al calore proveniente dalla zona di taglio. Il denso piano atomico vicino alla superficie devia il calore nei trucioli e nel refrigerante. Nel contempo, il calore assorbito dall inserto viene condotto verso i piani atomici meno densi vicini al rivestimento in TiCN e al substrato sottostante, dove viene dissipato. Prevenendo l accumulo di calore, si evita la deformazione plastica perché la superficie dell inserto non diventa abbastanza calda da rischiare di perdere la sua forma originale. La produzione di inserti in qualità GC4325 passa necessariamente per il controllo avanzato del processo di deposizione chimica a vapore (CVD) che forma ogni strato del rivestimento. Ma ci sono anche altri aspetti del processo di fabbricazione che contribuiscono a determinare la natura speciale dello strato di ossido di alluminio. Prima di tutto, la struttura del substrato in metallo duro presenta un gradiente superficiale arricchito di cobalto che agisce come uno sottile strato esterno leggermente più tenero del nucleo interno. Questa conformazione consente agli strati rivestiti di assorbire gli impatti mentre il nucleo del substrato mantiene la sua tenacità e la resistenza all usura grazie alla grana fine del carburo di tungsteno e del legante di cobalto. Sandvik Coromant, inoltre, ha sviluppato dei metodi per realizzare un filo tagliente con un raggio altamente costante. Con i più conosciuti metodi sul mercato, questo raggio può variare anche di ±15 µm. Adesso, il campo di deviazione è inferiore a un terzo in ampiezza. La maggiore uniformità migliora la prevedibilità delle prestazioni del tagliente e aiuta a mantenere l affilatezza. Infine, la superficie superiore dell inserto finito viene sottoposta a un post-trattamento che può levigare la texture rimuovendo nel contempo il rivestimento di TiN dove non è necessario. Questo trattamento agisce anche sulle tensioni residue tra i rivestimenti e il substrato: lo sforzo di trazione è ridotto mentre la forza di compressione è migliorata. Il risultato è una più stretta aderenza tra gli altri rivestimenti e il substrato. Nei rivestimenti di allumina CVD di tipo tradizionale, l orientamento dei cristalli è casuale. Con Inveio, invece, tutti i cristalli dello strato di rivestimento di allumina sono allineati nella stessa direzione, verso la superficie superiore. 8

9 Durata ancora maggiore Il successo della GC4325, dal suo lancio nel mese di ottobre 2013, non ha avuto precedenti. Tuttavia, per supportare ulteriormente il tema della durata nella tornitura dell acciaio, nel mese di marzo 2014 è stata introdotta la GC4315 come scelta preferenziale nei casi in cui è necessario raggiungere velocità ancora più alte e tempi di taglio ancora più lunghi. La GC4315, studiata per ottimizzare la lavorazione nel campo ISO P15, è in grado di resistere a temperature di taglio estremamente elevate e permette di ottenere maggiori volumi di truciolo asportato senza pregiudicare la durata del tagliente. Come la GC4325, si tratta di una qualità che si avvale della tecnologia Inveio di orientamento unidirezionale dei cristalli. La GC4315 è particolarmente indicata per la produzione in serie non presidiata, anche con materiali duri, e può essere utilizzata per tornitura interna ed esterna, sgrossatura e finitura, lavorazioni a secco e a umido e tagli da continui a leggermente interrotti. Risultati ugualmente impressionanti sono stati ottenuti da un altro cliente, questa volta per la tornitura esterna dei profili su un albero di trasmissione in acciaio debolmente legato (200 HB). Ad una velocità di taglio pari a 350 m/min, la GC4315 dimostra prestazioni superiori, in termini di resistenza all usura sul fianco e sicurezza del tagliente, rispetto all inserto del concorrente il cui rivestimento si è usurato scoprendo il substrato. Un altro cliente ancora che lavora coperchi di pistone per l industria automobilistica ha scoperto che, con la GC4315, può completare 20 componenti rispetto ai 17 possibili con un inserto della concorrenza. Questo grazie alla maggiore resistenza all usura abrasiva per craterizzazione che permette alla GC4315 di sopportare meglio il calore generato quando si lavora l acciaio debolmente legato, materiale P2.5.Z.HT (310 HB). La velocità di taglio, inoltre, è stata aumentata da 180 m/ min a 200 m/min mentre la profondità di passata può arrivare a 2,5 mm (rispetto ai 2,0 mm precedenti). In un test condotto su un adattatore in acciaio debolmente legato (335 HB) di un cliente, la GC4315 ha dato risultati eccezionali. L inserto lavora due componenti completi (tornitura assiale esterna e sfacciatura), mentre con l inserto di un concorrente rinomato è possibile produrre solo 1,2 pezzi. Questo risultato si deve alla maggiore resistenza alla craterizzazione della nuova qualità, un fattore cruciale per tempi di taglio così lunghi (19,24 minuti per componente). La profondità di taglio è di 3 mm. 9

10 Strategia per il successo Molti tendono a considerare abbastanza semplice la tornitura dei cosiddetti acciai teneri nel campo P25 ma in realtà la duttilità dei materiali quali l acciaio a basso tenore di carbonio può spesso comportare la formazione di trucioli più grandi ed eterogenei che impediscono di raggiungere buoni risultati. Buone caratteristiche di formazione e rottura dei trucioli sono quindi la chiave per mantenere livelli elevati di produttività con questi materiali. La relazione tra profondità di taglio e raggio di punta dell inserto ha una grande influenza sul livello di truciolabilità ottenibile. Per ottenere i migliori risultati in questo campo, le officine dovrebbero provare a raggiungere una profondità di taglio superiore o almeno prossima al valore del raggio di punta. Quando si lavorano acciai a basso tenore di carbonio, anche le velocità di avanzamento hanno una grande influenza sulla truciolabilità. Una bassa velocità di avanzamento comporta la formazione di trucioli sottili e molto difficili da rompere. I bassi avanzamenti, combinati a basse profondità di taglio, fanno sì che il truciolo non sia in grado di raggiungere il rompitruciolo. Per risolvere questi problemi, puntare sempre al massimo avanzamento possibile, prendendo in considerazione i requisiti di stabilità del pezzo, utensile, bloccaggio e finitura superficiale. Per le migliori prestazioni in termini di formazione dei trucioli, scegliere sempre una direzione di taglio che fornisca un angolo di registrazione effettivo il più vicino possibile a 90 la tornitura in tirata, ad esempio, dovrebbe essere evitata perché l angolo di registrazione effettivo è molto piccolo. La formazione dei trucioli ottimale può essere ottenuta prevedendo una direzione di taglio verso il basso che, tra l altro, minimizza anche il rischio di vibrazioni. 10

11 L affidabilità prevedibile È evidente che le variabili di processo nelle applicazioni di tornitura dell acciaio sono critiche, soprattutto per la scelta degli inserti di tornitura. Sono diversi i fattori che devono essere considerati e bilanciati quando si selezionano le qualità di inserto destinate a garantire risultati ottimali. In passato, gli ingegneri di processo facevano compromessi strategici tra volumi di truciolo asportato, durata tagliente e rischio di interruzione del processo. Oggi, invece, si considera spesso come organizzare i processi per trarre vantaggio dagli attrezzamenti di tornitura concepiti per un basso coinvolgimento dell operatore. L operatore magari è presente ma monitora e controlla numerose macchine oppure si assenta dopo aver configurato il funzionamento della macchina per la durata di un turno, di una notte o di un weekend. In un tale ambiente, l affidabilità e la prevedibilità delle prestazioni degli utensili da taglio assumono una maggiore importanza. Con GC4325 e GC4315, Sandvik Coromant ha dimostrato la sua consapevolezza del cambio di priorità nelle applicazioni di tornitura, sviluppando qualità di inserto che danno alle aziende un vero vantaggio in termini di produttività e redditività. 11

12 Sandvik Coromant è un fornitore leader globale di utensili da taglio, soluzioni di attrezzamento e knowhow per l industria della lavorazione dei metalli. Grazie agli importanti investimenti in ricerca e sviluppo, Coromant ha portato innovazioni uniche e raggiunto nuovi livelli di produttività insieme ai clienti, comprese le maggiori industrie a livello mondiale nei settori automobilistico, aerospaziale e dell energia. Sandvik Coromant ha 8000 dipendenti, è presente in 130 Paesi e fa parte dell area di business Sandvik Machining Solutions all interno del gruppo Sandvik. 12