Lavorazioni e tecnologie innovative determinano il continuo progresso nei settori medicale, della generazione di energia e della produzione di componenti aerospaziali. La fabbricazione dei componenti di precisione per questi settori richiede materiali ad elevata resistenza al calore e all’usura, tenacità estrema e qualità e affidabilità assolute.
Principali esempi di questi materiali sono le leghe ISO-S, ossia le superleghe resistenti al calore a base di nichel, cobalto e ferro (HRSA) e le leghe di titanio. La durezza a caldo, la resistenza, la resistenza alla deformazione e alla corrosione di questi materiali ne consentono l’uso in un’ampia gamma di applicazioni cruciali.
Le vantaggiose proprietà delle leghe, tuttavia, generano anche caratteristiche di lavorazione differenti da quelle delle ghise e degli acciai tradizionali. La lavorazione dei materiali ISO-S è impegnativa in quanto le leghe non sono buone conduttrici di calore, per questo sono anche definite a bassa conduttività termica. Il calore generato durante la lavorazione (da ~1100 °C a 1300 °C) viene assorbito dall’utensile e dal pezzo da lavorare invece che essere disperso nei trucioli. Per questo motivo la durata dell’utensile viene compromessa e si possono verificare deformazioni del componente in lavoro. Durante la lavorazione le leghe hanno anche la tendenza all’indurimento ed all’indurimento per precipitazione, richiedendo sforzi di taglio maggiori e compromettendo ulteriormente la durata dell’utensile. Infine, la tendenza all’incollamento di questi materiali determina la formazione incontrollata del tagliente di riporto e l’usura a intaglio. Tale adesività è anche nota come duttilità del materiale, una caratteristica comune nei materiali teneri quali l’alluminio.
Considerando la difficoltà di lavorazione dei materiali ISO-S ed il costo dei componenti interessati, i produttori sono alla continua ricerca di una lavorazione migliore, incentrata principalmente sull’affidabilità e sulla qualità dei componenti, con un’attenzione alla riduzione dei tempi ciclo solo secondaria. Massimizzare i vantaggi di queste leghe ad alte prestazioni richiede l’uso di utensili e strategie applicative avanzate. I costruttori di utensili ottimizzano questi utensili e queste tecniche al fine di fornire soluzioni produttive e affidabili per applicazioni specifiche.
Applicazioni medicali
Per il corretto funzionamento e per evitare il rigetto da parte del corpo, un impianto medicale deve essere chimicamente inerte ed assolutamente resistente alla corrosione causata dai fluidi corporei. Di conseguenza, la biocompatibilità e la resistenza alla corrosione dei materiali ISO-S li rendono delle basi eccellenti per un’ampia gamma di componenti ortopedici, ortodontici e medicali.
La fabbricazione di impianti medicali è in rapida crescita. L’età media della popolazione delle aree industrializzate è aumentata ed allo stesso modo anche il peso medio. Entrambi i fattori incidono direttamente sul logorio delle ginocchia e delle anche, determinando un’elevata richiesta di protesi. Anche la popolarità degli impianti dentali è aumentata in linea con l’aumentata attenzione ai problemi estetici e di salute dentale.
Componenti delle protesi per ginocchia
Una protesi per ginocchia è realizzata per mezzo di due componenti di base. La protesi femorale simula la sporgenza sferica del condilo all’estremità del femore e viene attaccata al femore. Quindi, la protesi femorale grava su un inserto in polimero che appoggia su un secondo componente di base, un inserto in titanio attaccato all’estremità superiore della tibia. Le scarse proprietà di conduttività termica dei materiali ISO-S richiedono l’uso di refrigerante nella maggior parte delle lavorazioni. Tuttavia, i regolamenti medici hanno norme severe relativamente alla contaminazione per refrigerante residuo e richiedono procedure di pulizia severe e molto lunghe. Per questo motivo, i costruttori di utensili stanno sviluppando delle strategie di lavorazione dei componenti medici “a secco”, senza refrigeranti o emulsioni.
Seco, ad esempio, ha sviluppato un processo senza refrigerante per la lavorazione degli inserti tibiali in titanio Ti6Al4V con utensili speciali per cave a T e frese integrali.
L’operazione viene completata in meno di 10 minuti, garantisce una buona durata dell’utensile, qualità del prodotto eccellente e parti prive di contaminanti.
Questo assortimento di frese Jabro, che comprende due soluzioni standard e quattro personalizzate, ben si addice ai produttori di parti mediche impegnati nell’elaborazione di componenti per inserti tibiali.
Un altro sforzo nel mitigare gli effetti delle scadenti proprietà conduttive delle leghe ISO-S riguarda la sostituzione delle operazioni di rettifica con la lavorazione di macchina. Il calore generato durante le lunghe operazioni di rettifica può causare la sollecitazione della parte e la conseguente deformazione; un produttore ha osservato che spesso i componenti delle protesi femorali sono fuori misura dopo la rettifica, determinando una percentuale di scarto del 20-30%.
Per risolvere il problema, i tecnici Seco hanno sviluppato un metodo a cinque fasi per la lavorazione delle protesi femorali su un centro di lavorazione. Il processo utilizza frese integrali a testa sferica ed un fissaggio del componente tramite un sistema di bloccaggio centrale che consente la rotazione del componente durante la lavorazione. Questo approccio di copiatura ben si adatta alle configurazioni di bloccaggio meno rigide, spesso il caso della produzione di componenti complessi in 3D. Il tempo di lavoro per l’intera operazione è di circa sette minuti. Dopo la lavorazione, è necessaria solo un’operazione di lucidatura, un processo che richiede un tempo inferiore a quello richiesto precedentemente dopo la rettifica.
Piccole protesi dentali
I metodi di lavorazione specializzati consentono di superare le difficoltà della lavorazione dei materiali ISO-S. Le strategie di fresatura ad elevato avanzamento garantiscono produttività elevata e lunga durata dell’utensile. In un’operazione di sgrossatura su di una protesi dentale realizzata in acciaio CoCr, una fresa Seco-Jabro JHF 180 di diametro 3 mm è stata applicata per un avanzamento di 4.000 mm/min con una profondità di taglio assiale di 2 mm, una profondità radiale di 0,2 mm e una velocità di taglio di 66 m/min. Su acciaio al cobalto-cromo, la durata è stata di 175 minuti.
Molti piccoli componenti delle protesi mediche e dentali vengono lavorati su centri di lavoro ad alta velocità in laboratori e studi dentistici. Le piccole frese utilizzate da queste macchine devono essere progettate per sopportare i volumi truciolo continuamente variabili delle operazioni di profilatura sui piccoli impianti e su altre componenti. Per ovviare a questa esigenza, Seco ha sviluppato le frese Jabro Mini JM905 e JM920. Gli utensili sono disponibili nelle versioni a 4 eliche nei diametri compresi tra 0,1 mm e 2,0 mm e con sporgenze fino a 16xD. Nonostante le piccole dimensioni, gli utensili offrono la resistenza e la stabilità richieste per la produzione di piccoli componenti specifici, con dimensioni conformi ai requisiti.
Generazione di energia
I materiali ISO-S stanno trovando una sempre più crescente applicazione nel settore della generazione di energia. Nonostante l’attuale enfasi sulle fonti di energia “verdi” quali il vento, l’acqua, l’energia solare, oltre il 60% dell’energia elettrica mondiale è prodotta da carburanti combustibili. La maggior parte della produzione di energia interessa l’uso delle turbine a gas e a vapore e, attualmente, si stanno studiando nuove soluzioni per turbine più efficienti.
I resistenti ma leggeri componenti in titanio, ad esempio, riducono le forze centripete a elevati giri al minuto nelle sezioni di compressione inferiori delle turbine, generando velocità rotazionali superiori. Oltre ai componenti in titanio, i componenti in superleghe resistenti al calore sono utilizzati nelle sezioni di combustione per gestire le temperature superiori necessarie per garantire una maggiore efficienza del motore.
Nuove leghe, maggiori sfide
Nella ricerca di prestazioni superiori ed efficienti, le leghe ISO-S sono sottoposte a continua evoluzione. I produttori hanno sviluppato leghe con capacità superiori per soddisfare le esigenze di applicazioni sempre più difficili. Ad esempio, le superleghe resistenti al calore quali Inconel 738 a base di nichel e SFX414 a base di cobalto sono strutturate per operare a temperature comprese tra 850 °C e 1200 °C. Alcune delle ultime superleghe quali GTD 262 e Rene 108 sono pensate per l’impiego a temperature di 1200 °C – 1600 °C. In proporzione, quindi, le nuove leghe presentano maggiori possibilità di lavorazione.
Di recente, Seco ha collaborato nella lavorazione di una nuova lega a prestazioni superiori utilizzata per i componenti statici di una turbina per generazione di energia. Alla resistenza al calore superiore del materiale corrisponde una maggiore difficoltà di lavorazione; è stato quindi possibile raggiungere una velocità di taglio di soli 18 m/min, rispetto alla velocità tipica di 25-35 m/min con materiale di riferimento Inconel 718.
Gli utensili esistenti si usuravano dopo un solo segmento della turbina (lunghezza di taglio di 320 mm) e i produttori di turbine erano alla ricerca di utensili con una maggiore durata. Seco ha sviluppato una fresa speciale basata sulla geometria utensile Jabro 780 con doppia anima per garantire una maggiore stabilità anche nelle condizioni di taglio più difficili. L’utensile è stato applicato con i parametri originali: velocità di taglio di 18 m/min, avanzamento al dente di 0,015 mm e avanzamento di 43 mm/min. Il nuovo utensile lavorava due segmenti della turbina (640 mm), con una durata quindi maggiore del 100%. Riducendo la velocità di taglio a 16 m/min e aumentando l’avanzamento al dente a 0,017 mm, i tecnici sono stati in grado di estendere la durata dell’utensile a 800 mm (durata utensile superiore del 150%).
Componenti aerospaziali
Poiché le superleghe resistenti al calore mantengono resistenza anche ad alte temperatura ed offrono una resistenza alla deformazione e alla corrosione superiore, costituiscono almeno il 50% in peso di un motore aerospaziale moderno.
Le applicazioni dei materiali ISO-S nelle turbine aerospaziali sono simili a quelle delle turbine utilizzate nella generazione di energia. In molti casi, tuttavia, le tolleranze aerospaziali sono più strette. Ad esempio, Seco sviluppa utensili speciali per la lavorazione delle palette delle turbine con profili a pino. Le tolleranze dei profili per alcune applicazioni del settore energia sono nella gamma dei 10 micron, mentre le tolleranze per alcuni profili aerospaziali sono di 0-5 micron (0,0 – 0,005).
Titanio strutturale
Oltre alle applicazioni nelle sezioni a basse temperature delle turbine, la resistenza e la leggerezza del titanio vengono sfruttate nei componenti aerospaziali strutturali quali i carrelli di atterraggio; i componenti dei carrelli di atterraggio per loro natura sono massicci e resistenti ma anche estremamente pesanti se fabbricati con materiali tradizionali.
Le leghe di titanio più nuove, più leggere e più robuste utilizzate per produrre carrelli di atterraggio più leggeri sono più difficili da lavorare rispetto alle leghe di titanio precedentemente applicate. Una di queste leghe sviluppata di recente è il titanio 5553, così definito perché include il 5% di alluminio, il 5% di molibdeno, il 5% di vanadio e il 3% di cromo. Il vantaggio offerto dal titanio 5553 è l’elevata resistenza meccanica: 1160 MPa rispetto a 910 MPa del materiale di riferimento Ti6Al4V. La resistenza meccanica superiore limita le velocità di taglio a valori del 50% inferiore a quelli applicati su Ti6Al4V.
Leghe stratificate
Se un materiale ISO-S presenta delle difficoltà di lavorazione, il trattamento di due materiali diversi insieme offre anche maggiori problemi. Alcune applicazioni aerospaziali interessano la lavorazione di componenti composti da stratificazioni di materiali differenti. La sfida è quella di lavorare il “sandwich” o l'”ibrido” con controllo trucioli adeguato e senza vibrazioni o bave.
Un esempio tipico è la combinazione di titanio ed acciaio inossidabile. L’acciaio inossidabile ed il titanio condividono alcune proprietà: entrambi hanno una resistenza relativamente alta e proprietà adesive per cui il materiale tagliato tende ad attaccarsi alla fresa integrale.
La soluzione Seco per la lavorazione di materiali stratificati di titanio 6Al4V/acciaio inossidabile austenitico è stata l’applicazione di una fresa Jabro JHP 770 in metallo duro ideata specificatamente per la lavorazione del titanio. L’utensile presenta un passo differenziato dell’elica, un rinforzo radiale e un vano truciolo speciale. Un canale di adduzione del refrigerante riduce l’adesione del pezzo ed evacua i trucioli. Nella lavorazione dei materiali stratificati, l’utensile passa prima attraverso l’acciaio inossidabile e quindi attraverso il titanio. Vengono applicati i parametri per i materiali più difficili da lavorare (titanio). Considerata la bassa conduttività termica della lega, veniva utilizzata una velocità di taglio moderata di 50 m/min con un avanzamento di 0,036 mm/giro e una profondità di taglio di 3 mm, scendendo in interpolazioni circolari.
Alternativa in HSS
Nonostante i vantaggi a livello di prestazioni in molte situazioni, l’utensile in metallo duro non è il solo modo per lavorare i materiali ISO-S in modo efficace. In alcuni casi, le frese in acciaio rapido sono più produttive e convenienti.
Numerosi componenti aerospaziali di grandi dimensioni, quali le parti dei carrelli di atterraggio, vengono lavorati da billette piene di titanio o acciaio inossidabile. Per questi componenti, gli utensili in HSS ad alte prestazioni con diametro massimo di 50 mm sono in grado di asportare grandi volumi di truciolo.
Gli utensili in HSS sono estremamente efficaci su macchine a coppia elevata ed a basso numero di giri per operazioni efficaci di sgrossatura ed anche di finitura di titanio ed acciaio inossidabile. La capacità di utilizzare diametri e larghezze di taglio elevate consente agli utensili di fornire un volume di truciolo asportato competitivo anche a velocità inferiori rispetto a quelle raggiungibili con utensili in metallo duro.
Un esempio di utensile avanzato in HSS è la fresa Jabro JCO710 HSS-Co con 8% di cobalto e una durezza di 67 HRC. L’utensile è caratterizzato da eliche lucidate per ridurre l’attrito ed il tagliente di riporto e da una geometria a superficie variabile per effettuare tagli più leggeri e ridurre le vibrazioni che determinano valori inaccettabili di rugosità superficiale. Queste frese hanno fornito più di 800 minuti di durata se applicate alla produzione di componenti in titanio di grandi dimensioni.
Gli obiettivi dei produttori per la lavorazione dei materiali ISO-S utilizzati in applicazioni critiche sono qualità eccellente, elevata affidabilità e produttività. Mano a mano che i produttori sviluppano nuove leghe per soddisfare applicazioni ad alte prestazioni sempre più esigenti, i costruttori di utensili a loro volta creano nuovi utensili e nuove strategie per superare le difficoltà di lavorazione dei materiali ISO-S e per consentire di soddisfare gli obiettivi dei produttori.
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Strategie di fresatura ISO-S
Le combinazioni di utensili e strategie di taglio attentamente strutturate facilitano lavorazioni produttive ed economiche dei materiali ISO-S.
Un approccio è la fresatura ad elevato avanzamento, un metodo che trasferisce le forze di taglio dalla direzione radiale a quella assiale, combinando profondità di taglio assiali ridotte con avanzamenti elevati. La strategia produce trucioli più sottili che portano via il calore dal tagliente e riducono le forze di taglio, riducendo al minimo le vibrazioni e garantendo la stabilità per l’operazione di lavorazione. Oltre alla riduzione della generazione di calore e alla durata estesa, la fresatura ad elevato avanzamento fornisce alti volumi di truciolo asportato: fino a 200 – 300% più veloce della fresatura tradizionale.
La fresatura ad elevato avanzamento può essere utilizzata con un’ampia varietà di utensili. Nella linea di frese integrali Jabro globale, ad esempio, Seco offre la gamma JHF180 progettata per la lavorazione di acciai più resistenti e leghe di cobalto-cromo nella gamma 48 – 62 HRC. Questi utensili sono caratterizzati da un collo conico rigido a 0,9° che riduce la flessione dell’utensile, consente la fresatura di cavità profonde e migliora la finitura della superficie. La geometria dell’utensile è progettata per allontanare i trucioli dal tagliente. Ideali per applicazioni di fresatura ad avanzamento elevato incluse spianatura, scanalatura, entrata in rampa, interpolazione elicoidale e lavorazione per piani paralleli.
Altre strategie per la fresatura dei materiali ISO-S dipendono dal funzionamento specifico, dal materiale da lavorare e dalla macchina utilizzata. Un approccio convenzionale implica un rapporto 1-1 di profondità di taglio assiale e radiale e avanzamenti medi. La lavorazione ad alte prestazioni eseguita con frese speciali quali la gamma HPM di Seco, sfrutta elevate profondità di taglio assiali e radiali complete per ottenere grandi volumi di truciolo asportato.
La lavorazione ad alta velocità è un’altra alternativa dove la fresa viene azionata a profondità di taglio radiali basse ed assiali elevate. Questo approccio consente l’uso di velocità di taglio superiori per ottenere una maggiore produttività. L’implementazione effettiva di diverse strategie di lavorazione dipende da una combinazione di fattori che include le capacità dell’utensile in uso e il sistema CNC che gestisce programmi e file di grandi dimensioni richiesti per eseguire la lavorazione.
La lavorazione del titanio ha requisiti di funzionamento e utensili specializzati. L’uso di velocità di taglio moderate impedisce la generazione di calore eccessivo che promuova reazioni chimiche tra l’utensile e il pezzo in lavorazione. Il refrigerante deve essere applicato quando possibile. Taglienti affilati riducono le forze di taglio, facilitando il taglio dei trucioli dei pezzi in lavorazione. Anche in questi casi è possibile applicare strategie di avanzamento elevato.
