Deﬁnizione del ciclo di tornitura

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1 P RICERCA Deﬁnizione del ciclo di tornitura su componenti assial-simmetrici in acciaio In fase di deﬁnizione del ciclo di lavorazione di componenti torniti, lo studio combinato del sistema macchina - utensile - componente è prioritario per il raggiungimento dei livelli di qualità e produttività richiesti Ing. Saverio Zitti - Responsabile R&D Zannini Spa I I componenti assial-simmetrici in acciaio quali caratteristiche di ciascuno dei tre elementi distributore italiano di centri di tornitura CNC sono alberi, perni, assi rotanti ecc. (figura 1) citati, nonché dalle modalità di interazione tra a marchio Index-Werke. rappresentano da sempre una buona parte di essi, con particolare riguardo al regime di Si sono ottenuti importanti risultati, che della produzione effettuata per asportazione lubrorefrigerazione, che influenza in maniera hanno dimostrato come delle corrette scelte di truciolo in diversi settori industriali (quali determinante il compiersi dell asportazione permettano di evitare fenomeni dannosi l elettromeccanico, e l automotive). La (figura 2). per la produttività e la qualità, come ad loro realizzazione mediante ricorso al solo Su questa base si è voluto evidenziare, esempio l insorgere di vibrazioni rigenerative processo di tornitura (senza necessità di mediante un ampia attività sperimentale, o chattering e del fenomeno di usura termica ulteriori lavorazioni di rettifica, ecc.) è possibile, l influenza che le scelte fatte - in relazione dell utensile. nel rispetto dei livelli di qualità e produttività alla tecnologia della macchina utensile, richiesti, se in fase di definizione del ciclo alla tipologia dell utensile e al regime Gli obiettivi di lavorazione si provvede ad uno studio di lubrorefigerazione - hanno sull usura Una pianificazione oculata e razionale del combinato del sistema macchina - utensile dell utensile, sulla finitura superficiale e sulla ciclo di lavorazione rappresenta, specialmente - componente : le prestazioni ottenibili dal precisione geometrica del componente nel campo dei processi per asportazione di processo di tornitura dipendono infatti dalle tornito al variare del rapporto tra lunghezza e truciolo, un fattore di estrema importanza diametro di quest ultimo. per la produttività e la competitività di La suddetta attività sperimentale si è svolta un industria meccanica. La scelta delle in collaborazione tra la Zannini Spa, azienda macchine, degli utensili e delle procedure italiana produttrice di minuterie metalliche tecnologiche incide fortemente sulla qualità tornite di precisione, e la Synergon Spa, e sul costo del prodotto finale, ed è quindi auspicabile che tale scelta venga fatta in maniera appropriata e razionale in funzione dello specifico componente che si va a produrre. L obiettivo della sperimentazione è stato quello di porre a confronto le alternative disponibili nella produzione di componenti assial-simmetrici in acciaio aventi come 44 Fig.1 esempi di componenti assialsimmetrici e loro modellazione nei test sperimentali.

2 caratteristica geometrica dominante l entità del rapporto tra lunghezza e diametro. Tale rapporto, detto anche rapporto di snellezza, riveste un importanza fondamentale in quanto,a parità di diametro, un componente più lungo reca un minore valore della rigidezza flessionale [ K = EJ/L ] dove [ J = π D4 / 64] per cui: Fig.3 modellazione di un componente assialsimmetrico in riferimento al valore di rigidezza ﬂessionale. 3 ;K = r $ ED $ b D l E 64 L su di essi non si sommano tra loro come Dal valore di rigidezza flessionale del per le strutture seriali, ma in modo più componente deriva l entità dell inflessione mediato. Infine la possibilità di posizionare dello stesso, misurabile nel corso della gli attuatori sul telaio contribuisce lavorazione di tornitura. Avendo fatto ricorso decisamente ad alleggerire la struttura durante la sperimentazione all utilizzo di una della macchina e ad avere basse masse in contropunta, il componente in lavorazione movimento permettendo di ottenere elevate può infatti essere schematizzato come una accelerazioni della torretta. assenza del liquido lubrorefrigerante induce trave incastrata dalla parte del mandrino e La produzione dei campioni si è svolta, un aumento della lavorabilità del pezzo, in semplicemente appoggiata sull altra mediante ricorso alternativo ad inserti di quanto agevola il flusso plastico del materiale, (figura 3). Quando la forza esercitata tornitura standard e wiper, sia in presenza e può permettere quindi il raggiungimento di dall utensile è applicata nella mezzeria, di liquido lubrorefrigerante che a secco; una migliore finitura superficiale. la freccia [ e ] misurabile ad una distanza si sono voluti in questo modo investigare [ 0,577 L] i vantaggi derivanti dall una e dall altra 2 ;e = 1 $ F $ L = f b D l E 107 K L possibile soluzione. Tradizionalmente Esecuzione delle prove sperimentali l utilizzo di liquido lubroefrigerante assolve, I test di tornitura, ciascuno di durata pari Si è scelto di eseguire i test di tornitura tra le altre funzioni (riduzione dell attrito a 30 minuti di contatto utensile, sono ricorrendo a un centro CNC innovativo all interfaccia utensile truciolo, facilitazione consistiti nella realizzazione di due tipologie con sistema di movimentazione torrette della rimozione del truciolo, ecc.), anche a di componenti assial-simmetrici in acciaio a cinematica parallela: in un tale sistema quella di ridurre l incremento di temperatura 35SMnPb10, entrambe di diametro 16mm e di gli assi cartesiani non sono riconoscibili e gli effetti negativi che ne derivano; nuovi lunghezza rispettivamente di 55mm (se non in modo virtuale nell ambito del recenti sviluppi indicano però che in alcune [L/D = 3] e 125mm [L/D = 7] (figura 4); sistema di controllo) e sono sostituiti da arti lavorazioni l incremento di temperatura in ulteriori test sono stai condotti mediante dal mandrino è massima e vale: disposti in parallelo a connettere, ciascuno realizzazione di componenti con maggiore indipendentemente e non più in serie, la rapporto di snellezza (rispettivamente torretta al telaio della macchina. Peculiarità [L/D = 9], [L/D = 10] e [L/D = 11]) per valutare di un simile meccanismo è la possibilità di l impatto specifico della geometria del suddividere le forze tra tutti gli arti, da cui componente sull ottimizzazione del processo conseguono elevate rigidezze e frequenze di tornitura. Le produzioni si sono ripetute naturali elevate, ovvero estrema capacità in diverse condizioni di lubrorefrigerazione di smorzamento delle sollecitazioni. (presenza di liquido lubrorefrigerante e a L accuratezza ottenibile è molto elevata, secco) e mediante ricorso alternativo ad sia per la presenza di sole forze normali di inserti di tornitura standard e wiper (valori di trazione-compressione avanzamento definiti agenti sui su indicazione del singoli arti, sia costruttore, così perché gli errori come la velocità di Fig.2 - schematizzazione del sistema macchina - utensile - componente. 45

3 P RICERCA 46 Fig.4 - geometria dei componenti e parametri di taglio utilizzati nei test. taglio indicata per il tipo di materiale) (figura 4). Le grandezze investigate sono state (figura 5): l usura dell utensile, valutata mediante misurazione al microscopio ottico della larghezza Vb del labbro d usura, riscontrabile sul fianco dell inserto come conseguenza dello strisciamento sul componente, sotto l azione di elevate pressioni specifiche (usura per abrasione); la finitura superficiale del componente, valutata in riferimento al valore di Ra - che è media aritmetica delle misure compiute con rugosimetro su due tratti equidistanti dagli estremi lungo la direttrice del componente; la precisione geometrica del componente realizzato, valutata mediante misurazione al rotondimetro del valore di cilindricità, ovvero indirettamente dell entità dell inflessione riscontrabile sul componente per effetto della forza di taglio agente su di esso. Fig.5 - modalità di svolgimento dei test. Le suddette grandezze sono state rilevate, su componenti con [L/D = 3], benché l entità rispettivamente sull inserto e sul componente, ad intervalli regolari di 5 minuti di contatto utensile. Valutazione dei dati sperimentali Successivamente all esecuzione delle prove sperimentali, i risultati ottenuti sono stati elaborati. Relativamente all usura dell utensile si osserva al variare della tipologia dell inserto una diversa influenza sui valori misurati da parte del rapporto di snellezza del componente (ininfluente nel caso di inserto wiper, ma influente nel caso di inserto standard) e del regime di lubrorefrigerazione (ininfluente nel caso di inserto standard, ma influente nel caso di inserto wiper). A fronte di quanto detto risulta che le minori e le maggiori usure in assoluto si ottengono entrambe nel caso di utilizzo dell inserto standard per la produzione di componenti rispettivamente con [L/D = 3] e con [L/D = 7], indipendentemente dal fatto di lavorare in presenza di liquido lubrorefrigerante o a secco; questo risultato testimonia che in generale le lavorazioni a secco non provocano un aumento evidente dell usura dell utensile e talvolta comportano addirittura un incremento della durata dell inserto (figura 6). Anche relativamente alla finitura superficiale del componente si osserva la grande importanza rivestita dalla tipologia dell inserto. Nei test condotti con ricorso all inserto standard, l andamento della rugosità risulta influenzato soltanto dalla stabilità del componente, che è inversamente proporzionale alla snellezza dello stesso; al contrario nei test condotti con ricorso all inserto wiper i valori di rugosità misurati a parità di regime di lubrorefrigerazione variano sulla base del rapporto tra lunghezza e diametro. Nel dettaglio si osserva, soprattutto nel caso di lavorazione a secco, che la rugosità misurata su componenti con [L/D = 7] risulta inferiore di quella misurata del labbro d usura non sia influenzato dal rapporto di snellezza a parità del regime di lubrorefrigerazione. I diversi risultati ottenuti nei test condotti mediante ricorso all inserto wiper sono legati all insorgere del fenomeno di usura termica, allorché le temperature in gioco sono più elevate per l assenza di liquido lubrorefrigerante. L entità dell usura e quindi le conseguenze che ne derivano aumentano in particolare nei test condotti per la realizzazione di componenti con [L/D = 3] in quanto, a parità di tempo totale di contatto utensile, il numero di campioni prodotti - ovvero di cicli termici sostenuti dall inserto - risulta più elevato (figura 7). Un ulteriore osservazione va fatta riguardo l influenza esercitata dal regime di lubrorefrigerazione sulla finitura superficiale (figura 8): indipendentemente dal tipo di inserto, tale regime risulta pressoché ininfluente rispetto ai valori di rugosità misurati su componenti con [L/D = 3], mentre mostra una certa influenza rispetto ai valori di Fig.7 - presenza di usura termica su inserto wiper in lavorazione a secco.

4 Fig.6 - misure sperimentali dell usura dell utensile. Fig.10 - presenza di vibrazioni rigenerative nella produzione di componenti con elevato rapporto di snellezza. Fig.8 - misure sperimentali della finitura superficiale del componente. Fig.9 - misure sperimentali della precisione geometrica del componente. rugosità misurati su componenti con [L/D = 7] i quali risultano maggiori in presenza di liquido lubrorefrigerante, piuttosto che in sua assenza. Le ottime prestazioni ottenute mediante lavorazione a secco conseguono dal fatto che le maggiori temperature raggiungibili determinano un addolcimento del materiale, con il risultato di ottenere una migliore finitura superficiale: l aumento locale delle temperature comporta infatti una riduzione della tensione di flusso plastico sul materiale in lavorazione, per cui la formazione del truciolo risulta facilitata. Infine, relativamente alla precisione geometrica del componente, il rapporto di snellezza risulta determinante, come prevedibile in maniera direttamente proporzionale: indipendentemente dal regime di lubrorefrigerazione, infatti, i valori di cilindricità misurati su componenti con 47

5 P RICERCA 48 Fig.11 - condizioni operative favorevoli all insorgere delle vibrazioni rigenerative: si è osservato che l inserto standard non genera alcun fenomeno vibratorio (caselle verdi), mentre con l inserto wiper tale fenomeno risulta più (caselle rosse) o meno (caselle gialle) evidente, ma comunque sempre presente - indipendentemente dalle condizioni operative - al crescere del rapporto di snellezza. [L/D = 3] risultano di molto inferiori a quelli misurati su componenti con [L/D = 7] soprattutto nel caso di utilizzo dell inserto standard, con il quale si ottengono le peggiori prestazioni in assoluto. Un certo ruolo è da attribuire anche al regime di lubrorefrigerazione: se nel caso di componenti con [L/D = 3] risulta pressoché ininfluente rispetto all insorgere dell usura termica dell inserto, nel caso di componenti con [L/D = 7] tale regime risulta invece determinante, per cui i migliori risultati di cilindricità sono ottenuti nella lavorazione a secco, ancora una volta grazie alle alte temperature in gioco, che rendendo il taglio più facile provocando una riduzione delle forze di taglio e quindi delle vibrazioni sia dell utensile sia del materiale (figura 9). Negli ulteriori test condotti mediante realizzazione di componenti con elevato rapporto di snellezza si è evidenziato, nel caso di ricorso all inserto wiper, l insorgere di fenomeni vibratori e conseguentemente l ottenimento della cosiddetta mat surface, sulla quale risultano visibili i segni lasciati dall utensile durante l avanzamento. Si tratta, come già noto dalla teoria di Albrecht, di un fenomeno tipico, allorché l utensile vibra in direzione normale al moto di taglio, con conseguente variazione delle forze di taglio e precisamente possibilità di produzione di vibrazioni rigenerative. Il risultato è un truciolo di spessore non costante, anche detto truciolo a denti di sega, alla cui formazione si associa una variazione continua della velocità di taglio (figura 10). Il fenomeno descritto risulta influenzato dalla geometria dell utensile, dal rapporto di snellezza del componente, dal valore della velocità di taglio e dall entità delle forze di taglio, quest ultima variabile con il valore dell avanzamento e con il tipo di regime di lubrorefrigerazione. Si sono quindi investigati i risultati di tornitura ottenuti al variare dei suddetti parametri nella produzione di componenti rispettivamente con [L/D = 9],

6 [L/D = 10] e con [L/D = 11]. Si è osservato che l inserto standard non genera alcun fenomeno vibratorio (caselle verdi), mentre con l inserto wiper tale fenomeno risulta più (caselle rosse) o meno (caselle gialle) evidente, ma sempre presente indipendentemente dalle condizioni operative al crescere del rapporto di snellezza (figura 11). Nel dettaglio, l ottenimento della mat surface risulta più frequente nel caso di utilizzo dell inserto wiper allorché la lavorazione risulta compiuta in presenza di liquido lubrorefrigerante e con avanzamento ridotto. A conclusione dei test è stata verificata Fig.12 - modellazione matematica dei risultati sperimentali. la possibilità di individuare una relazione matematica tra i valori misurati di usura dell utensile e di finitura superficiale del componente e le mutevoli condizioni di prova (figura 12). In particolare si è cercato di individuare dei modelli matematici, detti di regressione lineare, tramite i quali poter prevedere al meglio, ovvero con il minimo scarto, i valori rilevati sperimentalmente nei due casi di ricorso alternativo ad inserti di tornitura standard e wiper in funzione della presenza o assenza di liquido lubrorefrigerante (variabile input [x1]), del rapporto di snellezza del componente (variabile input [x2]) e del tempo di contatto utensile (variabile input [x3]) (figura 13): i risultati ottenuti sono stati molto soddisfacenti visti i valori, tutti compresi nell intervallo 0,9 1, ottenuti per il coefficiente di correlazione indicatore della rispondenza alla realtà da parte della retta di regressione. Conclusioni Con questa attività sono stati messi in evidenza gli effetti del regime di lubrorefrigerazione sull usura dell utensile, sulla finitura superficiale e precisione geometrica del componente nel caso di tornitura di componenti assial-simmetrici in acciaio 35SMnPb10 caratterizzati da un elevato rapporto di snellezza. Si è inoltre voluto evidenziare l influenza della tipologia dell inserto su tali grandezze, con particolare riferimento alle alternative possibili di ricorso a inserto standard o wiper. I risultati ottenuti possono essere così sintetizzati: le minori e le maggiori usure in assoluto si ottengono entrambe nel caso di utilizzo dell inserto standard rispettivamente nella produzione di componenti con [L/D = 3] e [L/D = 7] indipendentemente dal fatto di lavorare in presenza o assenza di liquido lubrorefrigerante; nel caso dell inserto wiper si riscontrano, a causa dell usura termica, valori di rugosità maggiori su componenti con [L/D = 3] piuttosto che con [L/D = 7], mentre nel caso dell inserto standard il valore di rugosità aumenta al cresce del rapporto di snellezza del componente; su componenti con [L/D = 3] si ottengono valori di cilindricità molto inferiori a quelli ottenuti su componenti con [L/D = 7]; per rapporti di snellezza maggiori di 7 si osserva l insorgere di vibrazione rigenerative nel caso dell inserto wiper, allorché la lavorazione risulta compiuta in presenza di liquido lubrorefrigerante e con un più basso valore dell avanzamento; è stato realizzato con successo un modello MRA per la previsione dei valori di usura e rugosità in funzione del regime di lubrorefrigerazione, del rapporto di snellezza del Fig.13 - modellazione matematica dei risultati sperimentali. componente e del tempo di contatto utensile. 49