Utensili per tornio

Gli utensili per tornio sono di fondamentale importanza nell’ambito delle lavorazioni meccaniche. Per scegliere un utensile per tornio si devono considerare essenzialmente due diverse caratteristiche:

• la geometrie dei taglienti ed il sistema di supporto;
• il materiale in cui sono costruiti i taglienti;

In seconda analisi entrano in gioco altri fattori come le caratteristiche del materiale da lavorare, la conformazione del pezzo da eseguire, la qualità e le tolleranza richieste ed infine i costi e la produttività . Un’altra caratteristiche che si da spesso per scontata è il tipo di macchina utilizzata.

Il nemico numero uno degli utensili per tornio è il calore generato dagli attriti in gioco che deforma ed usura i taglienti rendendoli  inutilizzabili dopo un certo numero di minuti. Per diminuire questo problema gli utensili per tornio vengono realizzati tenendo in considerazione alcuni fattori di fondamentale importanza quali:

• la durezza che deve essere maggiore alle elevate temperature;
• la tenacità per evitare la scheggiatura dovuta alle sollecitazioni ed alle vibrazioni;
• la resistenza alle deformazioni e all’usura;
• una certa stabilità chimica per evitare reazioni chimiche fra l’utensile ed il pezzo alle alte temperature;

Fatta questa premessa veniamo ai materiali con cui sono costruiti gli utensili per tornio. Si parte dagli acciai al carbonio e  dagli acciai super rapidi che però stanno diventando via via sempre più obsoleti in favore dei carburi metallici, ceramici,  nitruri e diamante.

Utensili per tornio in acciaio al carbonio

Questo tipo di materiale è come già detto in disuso principalmente perché durante la lavorazione il calore prodotto muta le caratteristiche meccaniche dell’utensile, specialmente quando le temperature superano i 200 – 250 gradi. Sotto tali temperature oltre le quali è consigliabile interrompere la lavorazione gli utensili per tornio hanno una durezza ed una resistenza meccanica medio elevata. Per cui per evitare i problemi dovuti al surriscaldamento è doveroso abbassare la velocità di taglio che incide inevitabilmente sulla produttività.

Utensili per tornio in acciaio rapido e super rapido

Per aumentare le caratteristiche meccaniche degli utensili con acciaio al carbonio quindi per incrementare la produttività con una maggiore velocità di taglio si è pensato di inserire percentuali maggiori di elementi di lega arrivando ad aumentare durezza e riducendo l’usura.  Con l’aggiunta di tungsteno, molibdeno, cromo e vanadio la durezza rimane stabile fino a temperature intorno ai 450 gradi. Grazie all’ottima tenacità di questi acciai ed alla possibilità di creare angoli di spoglia elevati, la produzione di calore per attrito diminuisce drasticamente in questa tipologia di materiale da taglio. Viene usato fino ai tempi recenti soprattutto su materiali teneri ed a truciolo lungo incluse le materie plastiche. Spesso utilizzato in forma di lama da troncatura con affilatura creata direttamente dagli operatori.

Utensili per tornio in carburi metallici

Comunemente detti inserti in metallo duro o widia. Mescolando polveri di carburi metallici con polveri metalliche come il Nichel o il Cobalto e compattandoli ad alta pressione in combinazione ad un’alta temperatura si ottengono gli inserti sinterizzati di diverse forme a seconda del tipo di lavorazione meccanica che si vuole effettuare. Grazie all’ottima resistenza alle alte temperature ed alla durezza elevata e molto stabile, questi materiali sono adatti a lavorare acciai con velocità di taglio decisamente molto elevate rispetto alle categorie descritte in precedenza.  A seconda delle dimensioni delle polveri, della composizione chimica e del grado di compattezza con le quali sono state pressate si avranno le seguenti variabili:

• resistenza agli urti
• resistenza alla corrosione
• resistenza all’usura
• resistenza alle variazioni termiche

Alcuni piccoli svantaggi di questa conformazione chimica sono ad esempio la perdita di tenacità rispetto agli acciai super rapidi ed il costo decisamente superiore anche se riassorbibile con un aumento netto della produttività.  A questo proposito sono state create le placchette (o inserti) che si montano meccanicamente sul corpo utensile in acciaio.  Le forme sono abbastanza semplici vista la difficoltà di pressare le polveri in geometrie più complesse: si passa dalla forma tonda a quella romboidale. La forma della placchetta è importante ed influenza la geometria della lavorazione da eseguire, il numero stesso dei taglienti e la resistenza alla rottura. Le forme tonde o con ampi raggi al vertice dei taglienti sono più resistenti di quelle romboidali ed appuntite.

Utensili per tornio in materiali rivestiti

Un’altra tipologia di utensili per tornio è quella degli utensili in carburo rivestito. Il fine è sempre lo stesso e cioè aumentare la durezza e la resistenza all’usura senza compromettere la tenacità alle alte temperature che si sviluppano durante la lavorazione. Questo strato superficiale fra i 5 e i 20 micron viene applicato agli utensili in carburo ma anche agli utensili in acciaio super rapido. Grazie al basso coefficiente di attrito dello strato di rivestimento in combinazione con buoni lubrificanti questi utensili migliorano la velocità di taglio quindi la produttività  rispetto a quelli non rivestiti. Le più comuni  tipologie di rivestimento sono: nitruro di titanio (TiN), carburo di titanio (TiC), tri-ossido di alluminio (Al₂O₃) e carbonitruro di titanio (TiCN). Attualmente quasi tutti i materiali vengono lavorati con inserti rivestiti, tranne alcune le leghe di alluminio, ottone e leghe di rame.

Utensili per tornio in materiale ceramico

Gli utensili per tornio ceramici a base di ossido di alluminio (Al₂O₃) si contraddistinguono principalmente in due sottocategorie: con ceramica bianca e con ceramica nera. Quelli a ceramica nera, oltre al componente principale cioè l’ossido di alluminio, contengono un’alta percentuale di carburi metallici per aumentarne la tenacità e lo stress agli shock termici. Purtroppo all’aumentare della durezza aumenta anche la fragilità per cui sono  adatti a lavorazioni a taglio continuo preferibilmente su macchine molto rigide. Questi inserti per tornio sono adatti a lavorare metalli molto duri come acciai induriti, ghise o super leghe  permettendo finiture di elevata qualità.

Gli utensili per tornio ceramici a base di nitruro di silicio (Si₃N₄) hanno un’elevatissima durezza anche alle alte temperature e sono più tenaci sopportando ancora meglio gli shock termici. Con questi utensili si lavorano egregiamente le leghe di titanio, le leghe al nichel e le ghise mentre sono da ritenersi poco adatti per gli acciai.

Utensili per tornio in nitruro di boro cubico

Dopo il diamante il nitruro di boro cubico (CBN) è il materiale più duro conosciuto e possiede una caratteristica molto importante: mantiene la durezza fino a temperature di 2000 gradi centigradi. La placchetta solitamente non è tutta in CBN a causa dell’elevato costo di questo materiale: viene riportata per saldo brasatura una lamina sottile di circa 1 mm che funge da tagliente. Anche questo “rivestimento” è adatto a lavorare acciai temprati e super leghe garantendo finiture elevate fino a Ra 0.3 micron.

Utensili per tornio in diamante policristallino

Conosciuto anche come PCD (oppure PKD) possiede una durezza molto simile a quella del diamante naturale. La produzione di queste placchette avviene tramite sinterizzazione ad elevate  pressioni in concomitanza con temperature molto alte: i carburi metallici vengono miscelati con particelle di diamante molto fini. Il materiale ottenuto viene “incollato” tramite brasatura su un inserto in carburo sinterizzato. I materiali che possono essere lavorati agevolmente sono il rame, l’ottone e le leghe di magnesio. Nell’industria automobilistica è di quotidiano impiego nella lavorazione dell’alluminio e delle sue leghe. E’ poco adatto per leghe al nickel e per leghe in titanio e per materiali ferrosi in genere a causa della sua elevata reattività con i componenti chimici che li contengono.