Utensili per la lavorazione dell’alluminio

Utensili per alluminio e sue leghe – Cenni metallurgici

Le leghe di alluminio sono caratterizzate da un’ottima attitudine alle lavorazioni di macchina per asportazione di truciolo. La loro resistenza al taglio degli utensili per alluminio è sensibilmente minore di quella opposta da altri materiali, quali ad esempio l’ottone o l’acciaio; inoltre, il basso punto di fusione e l’elevata conduttività termica permettono una temperatura di taglio relativamente contenuta. Le temperature che si generano anche ad elevate velocità sono infatti normalmente inferiori a quelle che potrebbero alterare le caratteristiche del pezzo o dell’utensile, e nel contempo sono sufficienti per ridurre la resistenza a deformazione e taglio del materiale in lavorazione. E’ per questo che gli sforzi di taglio sono decisamente bassi, anche per leghe a più elevata resistenza meccanica, pari indicativamente al 30% di quelli relativi alla lavorazione degli acciai. Comunque, per poter sfruttare al meglio queste caratteristiche, in termini di vantaggi economici, sono necessarie macchine veloci e utensili per alluminio speciali.

L’elevata velocità, oltre ad incidere sulla produttività, consente di ottenere buone qualità superficiali nelle fasi di finitura, e quindi è spesso una condizione obbligata. Va precisato che le diverse leghe a base di alluminio presentano comportamenti sensibilmente differenziati alle lavorazioni all’utensile. In ogni modo, con una corretta scelta di tutti i parametri operativi, è possibile ottimizzare gli aspetti qualitativi, tecnologici e, cosa molto importante, quelli economici, assicurando in tal modo al componente in lega di alluminio il miglior margine di competitività. In questa breve relazione si vogliono fornire chiarimenti sulle peculiarità della lavorazione meccanica dell’alluminio e sue leghe, integrando le nozioni teoriche con informazioni sulle condizioni pratiche operative. Si è ritenuto importante inserire anche alcune indicazioni relative a processi di lavorazione “chimico-fisici”, come la fresatura chimica e l’elettroerosione anche se non specificamente rientranti nel termine “lavorazioni meccaniche”.

Il concetto di lavorabilità include diversi aspetti, tutti rilevanti ai fini delle aspettative di qualità ed economia che governano i processi di lavorazione meccanica dei materiali. Tra i più importanti: la vita dell’utensili, le forze di taglio richieste, la forma del truciolo, la qualità delle superfici generate.La lavorabilità all’utensile dei materiali non è facilmente valutabile in termini teorici, dal momento che deriva da un insieme complesso di caratteristiche diverse, dipendenti sia dalle proprietà chimico-fisiche del materiale in lavorazione sia dalle procedure utilizzate.

Abrasività del materiale e vita dell’utensile per alluminio

Questo parametro è valutabile in base all’entità dell’usura del filo dell’utensile provocata dal materiale in lavorazione. Usando utensili con placchette di carburo si assume normalmente per la lavorazione dell’alluminio un’usura massima consentita tra 0,3 e 0,5 mm. L’abrasività dipende in qualche misura dalla durezza, ma è soprattutto da mettere in relazione con la struttura del materiale in particolare con l’eventuale presenza di particelle dure disperse nella matrice, che durante la lavorazione funzionano come veri e propri grani di smeriglio. Per questa ragione, l’usura dell’utensile è elevata nella lavorazione delle leghe da fonderia ipereutettiche, contenenti elevate quantità di cristalli di silicio primario mentre, all’opposto, le leghe da lavorazione plastica a basso consumo di silicio hanno i minimi valori di usura. L’usura dell’utensile per alluminio è minore durante la lavorazione di leghe di alluminio a bassa durezza; uno dei motivi di tale comportamento risiede nella facilità con cui le particelle dure, responsabili dell’usura, vengono scalzate via da matrici tenere. Tra i parametri operativi, è la velocità di taglio quella che influenza maggiormente la vita dell’utensile. Considerando altri parametri del processo di lavorazione, si nota come le interruzioni del taglio (anche generate da discontinuità del materiale, inclusa porosità) aumentano l’usura; questa risulta inoltre in correlazione diretta con l’area della sezione trasversale del truciolo (a sua volta funzione dei valori di avanzamento e profondità di taglio). Per le condizioni più critiche vengono suggerite modalità di lavorazione all’utensile specifiche e senz’altro il ricorso ad utensili con placchette di carburo sinterizzato o diamante. Infine si ricorda come l’usura del tagliente aumenti gli sforzi di taglio, per cui tali sollecitazioni normalmente aumentano man mano che procede il tempo di lavorazione.

Recidibilità e forma del truciolo

La recidibilità è la caratteristica di maggior peso per molte lavorazioni d’utensile. Può essere definita come l’attitudine di un materiale ad essere tagliato e comminuto da un utensile da taglio. E’ chiaro che, specialmente per operare sulle macchine automatiche, è importante avere un truciolo corto ed in ogni caso facilmente asportabile. In linea di massima, a parità di altre condizioni, quanto maggiore è lo stato di indurimento di una lega, tanto maggiore è la lavorabilità nei termini di cui sopra, quindi va meglio un materiale incrudito, od indurito con trattamento termico, piuttosto che ricotto. Ma la durezza del materiale non è l’elemento determinante la “recidibilità”, ben maggiore è l’influenza esercitata da determinati tipi di dispersoidi, a volte introdotti “ad hoc” con lo scopo specifico di causare la rottura del truciolo. Funzionano egregiamente a questo scopo i dispersoidi bassofondenti, come piombo e bismuto che, aggiunti in percentuali normalmente da 0,2 a 0 8% in peso, si distribuiscono nella matrice delle leghe come particelle globulari. Queste particelle fondono a seguito del calore nella lavorazione d’utensile, favorendo in tal modo un efficace spezzettamento del truciolo. Più recentemente sono state sviluppate altre famiglie di leghe utilizzanti stagno o stagno bismuto come bassofondenti, per far fronte alle problematiche ecologiche inerenti l’impiego di piombo. Quanto sopra vale particolarmente per le leghe da lavorazione plastica. Le leghe da fonderia sono caratterizzate da superiori livelli percentuali di elementi alliganti non in soluzione e quindi ad una diffusa presenza di dispersoidi duri. Per tale motivo, in genere, le leghe da fonderia presentano un truciolo finemente spezzettato tranne in alcune leghe, come ad esempio quella eutettica EN ACAlSi12, che mostrano un truciolo semicontinuo. In ogni modo, anche per le leghe da getti, esistono particolari composizioni che prevedono la presenza di piombo e bismuto. Relativamente al processo, uno dei parametri tecnologici della lavorazione che influenzano la forma del truciolo è la geometria dell’utensile; in particolare piccoli angoli di spoglia possono essere efficaci per accorciare la lunghezza del truciolo, aumentandone la deformazione durante il taglio.

Qualità della superficie

Una delle caratteristiche base che definiscono l’attitudine alla lavorazione di macchina, dal punto di vista della qualità ottenibile, è la levigabilità. Questa può essere definita come la capacità del singolo materiale di esibire, dopo lavorazione meccanica, una superficie liscia e con bassa rugosità. Questa caratteristica dipende principalmente dalle caratteristiche chimico-fisiche del materiale base, ed in minor misura dalla composizione chimica della lega. In linea di massima, quanto maggiore è lo stato di indurimento di una lega, tanto maggiore è la qualità superficiale ottenibile. Per le leghe da fonderia, c’è anche da considerare l’influenza della microstruttura, in particolare delle particelle dure incorporate nella matrice d’alluminio, che possono essere scalzate, col risultato di dar luogo ad una superficie più rugosa. Nonostante ciò, anche la qualità delle superfici ottenute nella lavorazione dei getti può essere classificata tra buona e molto buona. Nei casi in cui sia richiesta una superficie molto levigata, come ad esempio nel caso dei tamburi per macchine copiative (Rt maggiore di 0,1 micron), può diventare necessario l’uso di leghe speciali con uno stretto controllo delle impurezze e delle disomogeneità. La velocità di taglio è un parametro importante che influenza la qualità delle superfici lavorate; in generale, la rugosità è inversamente proporzionale alla velocità di taglio e, quando si scende al di sotto di una velocità di soglia, la rugosità aumenta drammaticamente a causa del fenomeno del tagliente di riporto. In pratica, il tagliente di riporto è un incollamento di materiale sulla superficie di taglio dell’utensile per alluminio che modifica il profilo del tagliente, influenzando negativamente la qualità della superficie del pezzo lavorato. La velocità di taglio non dovrebbe quindi, come regola, scendere mai al di sotto del valore di soglia consigliato quando si lavora l’alluminio e sue leghe. Anche ad alte velocità si potrebbero avere problemi analoghi, ma solo nel caso di raffreddamento insufficiente. Oltre a ciò, bisogna considerare che l’utilizzo di utensili con maggiori angoli di spoglia e la scelta di leghe di alluminio ad elevata durezza riducono la tendenza al tagliente di riporto.

Caratteristiche degli utensili per alluminio

Gli utensili adatti per la lavorazione dell’alluminio differiscono da quelli utilizzati per la lavorazione degli acciai sia per la geometria che per la scelta dei materiali. I normali acciai al carbonio a 65 Rockwell C possono essere impiegati solo per produzioni limitate o per modeste velocità di taglio; acciaio rapido (HSS), carburo sinterizzato (SC) o diamante sono i comuni materiali per gli utensili impiegati nella lavorazione a macchina dell’alluminio e sue leghe. Secondo alcuni operatori, gli utensili ceramici non sono raccomandati nella lavorazione dell’alluminio per l’affinità chimica della loro matrice con l’alluminio. Anche gli utensili rivestiti possono avere problemi a causa dell’affinità col titanio, quasi sempre presente nel rivestimento, che durante la lavorazione può diffondere riducendo l’efficienza dello stato duro. Pure gli utensili in nitruro di boro cubico (CBN) non sono adatti per la lavorazione tradizionale dell’alluminio, in quanto degradano rapidamente per fenomeni di usura ed erosione.

Utensili in acciaio rapido

Gli utensili per alluminio in acciaio rapido, pur essendo idonei a lavorare quasi tutte le leghe di alluminio, sono più indicati per quelle con durezze relativamente ridotte e con un basso contenuto di silicio. Per quanto riguarda la composizione, un contenuto di vanadio dal 2% al 4% garantisce una maggiore resistenza all’abrasione. La possibilità di ottenere con gli acciai rapidi grandi angoli di spoglia permette di operare in condizioni di taglio più favorevoli, riducendo la tendenza al tagliente di riporto e le forze di taglio. Le velocità di taglio ottenibili con questi utensili possono però essere limitate dall’insorgere di rapide usure alle alte velocità, quando non si riesca a contenere l’aumento della temperatura.

Utensili in carburo

Per la lavorazione delle leghe più dure o particolarmente abrasive, ad esempio quelle da fonderia ad elevato contenuto di silicio, è consigliabile ricorrere ad utensili in carburo siterizzato, caratterizzati da eccellente resistenza all’usura e quindi in grado di consentire, anche con leghe difficili, elevate velocità di lavorazione e di garantire, in normali condizioni di lavorazione, una vita lunga dell’utensile per alluminio. I taglienti ad alto contenuto di carburo di tungsteno (WC) hanno dimostrato un’attitudine alla lavorazione dell’alluminio, mentre sono da evitare quelli con carburo di titanio (TIC), per la già citata affinità del titanio con l’alluminio. L’utensile in carburo può essere superfluo su macchine che non riescono a raggiungere le velocità di taglio superiori a quelle indicate per l’acciaio rapido.

Utensili in diamante

Per il massimo livello di prestazioni si passa infine agli utensili in diamante, ai quali si può fare ricorso quando, indipendentemente da altre considerazioni, sia assolutamente necessario un particolare livello di finitura superficiale, anche su leghe caratterizzate da un truciolo lungo. Gli utensili in diamante presentano una lunga vita operativa anche se usati per le leghe ad alto contenuto di silicio. In ogni modo, per produrre buoni risultati nella lavorazione a macchina dell’alluminio, occorrono utensili con geometrie studiate specificatamente per questo materiale, dal momento che gli utensili per l’acciaio hanno in genere angoli di spoglia troppo piccoli e geometrie di scarico dello sfrido inadeguate. Da notare infine che grandi angoli di spoglia riducono anche la compressione sul truciolo e le forze di taglio generate durante la lavorazione. I taglienti devono essere affilati e le superfici particolarmente curate o persino lucidate. L’operazione di riaffilatura è più critica nelle lavorazioni dell’alluminio in quanto il deterioramento dei taglienti o delle geometrie può avere effetti più dannosi che nella lavorazione di altri metalli. Per tale motivo è meglio evitare la riaffilatura a mano.

Lubrificazione degli utensili

Molte operazioni di lavorazione a macchina, in particolare la sgrossatura, sono eseguite a secco. Normalmente la lavorazione senza lubrorefrigeranti delle leghe di alluminio è adottata quando si presentano le seguenti condizioni: leghe non particolarmente dure, utensili di buona qualità, condizioni di lavoro non esasperate (come la velocità di taglio e la profondità di passata). Comunque la lavorazione a secco è possibile anche in condizioni di alta velocità di taglio, abbinate a notevoli avanzamenti. L’uso di un fluido di taglio rimane consigliato nelle operazioni di finitura o nei casi in cui formazione e rimozione del truciolo siano difficili, come la foratura, il taglio con filo, etc. Le principali funzioni di un fluido da taglio sono quindi di raffreddare il pezzo e l’utensile e lavare via il truciolo. Ciò impatta positivamente sia sulla tendenza alla formazione di tagliente di riporto (e di conseguenza sulla finitura superficiale), sia sulla precisione dimensionale della lavorazione (va tenuto conto che l’alluminio e sue leghe hanno un elevato coefficiente di dilatazione termica).

Il lubrorefrigerante non ha un effetto univoco sulle forze di taglio, in quanto la componente refrigerante, riducendo la temperatura nelle zone di taglio, contribuisce ad aumentare gli sforzi, mentre la componente lubrificante li diminuisce. La tendenza nelle lavorazioni tradizionali è quella di abbondare con l’uso di lubrorefrigerante; tale propensione è confermata anche dalle norme come la ISO 8688, che stabilisce una portata minima di 0,1 l/min per ogni centimetro cubo asportato. Secondo altri operatori, all’aumento delle portate non si accompagna un proporzionale aumento dell’effetto di raffreddamento, in quanto il risultato è vanificato da un’inefficiente modalità di adduzione del lubrorefrigerante che presenta dei limiti nella capacità di asportazione del calore dalla piccola area di taglio. In base a queste considerazioni sono stati sviluppati nuovi sistemi di lubrorefrigerazione, caratterizzati da pressioni elevate ed appropriati ugelli, progettati in modo da generare un flusso di nanoparticelle che, migliorando il rapporto volume/ superficie, assorbono il calore in modo molto efficiente da piccole aree.

L’utilizzo di questa tecnica consentirebbe, con portate di lubrorefrigerante decisamente ridotte, di ridurre le temperature di taglio rispetto ai sistemi convenzionali ed inoltre di ottenere usure del tagliente contenute e graduali/ e quindi controllabili. Come lubrorefrigeranti possono essere utilizzati olii emulsionabili disponibili in commercio. Bisogna comunque considerare che soluzioni alcaline possono attaccare l’alluminio e sue leghe e quindi devono essere previsti degli inibitori di corrosione; per lo stesso problema non devono essere usati neppure fluidi da taglio contenenti cloruri. Prima di impiegare prodotti di cui non si conosca la compatibilità con alluminio è meglio verificarne il loro comportamento ai fini della corrosione.