Eliminare le vibrazioni in foratura

Il problema delle vibrazioni nella lavorazioni di taglio dei metalli con asportazione di truciolo non riguarda solo fresatura, alesatura, svasatura e tornitura, ma anche la foratura, di cui si parla meno.

A lungo è mancata la comprensione pratica dell’autoeccitazione vibratoria o “vibrazione rigenerativa” nel praticare i fori. Si tratta di vibrazioni che si autoalimentano solo a causa di fenomeni dinamici del taglio. Questi fenomeni sono stati controllati molto meglio in altri processi di lavorazione, in fresatura, ad esempio, alcune officine hanno imparato a lavorare con le macchine in condizioni di taglio armoniosamente stabili permettendo un taglio molto più produttivo. Infatti, le vibrazioni si generano con l’interazione tra le oscillazioni del processo di fresatura e le ondulazioni prodotte sulla superficie del pezzo lavorato. Alcune combinazioni dell’insieme mandrino, portautensili, utensile con delle specifiche velocità di rotazione producono delle oscillazioni e delle ondulazioni sul pezzo che finiscono per annullarsi reciprocamente dando luogo a un taglio regolare e senza vibrazioni che è ottimale per la produttività (Figura 1).

Figura 1 – A) I micromovimenti dell’utensile seguono le ondulazioni della superficie lavorata tagliando un truciolo a spessore costante senza vibrazioni; B) I micromovimenti dell’utensile sono sfasati rispetto alla superficie lavorata creando delle vibrazioni; C) I micromovimenti sono completamente opposti alle ondulazioni della superficie lavorata e lo sforzo di taglio varia enormemente tra valori molto bassi e molto elevati producendo forti vibrazioni.

La causa delle vibrazioni rigenerative in foratura è stata a lungo meno chiara ed è stata approfondita più di recente, in particolare da parte dell’industria aeronautica in cui si potevano ottenere delle economie sostanziose (si pensi che un’ala d’aereo può richiedere anche 45 mila fori), non tanto a livello di quantità prodotta nell’unità di tempo, ma soprattutto a livello di qualità dei fori, infatti se questi risultano dritti, concentrici e con superfici regolari rendono l’assemblaggio più rapido e meno costoso.

Le vibrazioni rigenerative che si producono con la foratura sono di due tipi differenti e influiscono sul taglio in due modi diversi. Durante il taglio una punta è sottoposta a una torsione che la comprime lungo l’asse, a questa si oppone una forza di estensione contraria dovuta alla resistenza del materiale della punta stessa. Il risultato di questa contesa tra due forze contrapposte sono dei micromovimenti lungo l’asse della punta, simili a quelli che si fanno con gli affondi successivi quando si fora con scarico del truciolo, ma questi hanno escursioni ridottissime e una frequenza di venti o trenta per giro.

Figura 2 – La superficie ondulata di un foro prodotto in situazione d’instabilità.

Le ondulazioni della superficie del foro prodotto con questo tipo di instabilità assumono l’aspetto di una raggiera che vista da sopra ha per centro la base del foro (si veda Figura 2). Si hanno vibrazioni per ogni velocità di rotazione in cui i micromovimenti di oscillazione in avanti e indietro della punta interferiscono con le ondulazioni della superficie lasciate nella rotazione precedente. I movimenti della punta collidono con le ondulazioni della superficie del foro e vanno accentuandosi gradualmente con l’emissione di un tipico suono acuto che caratterizza queste forature. In pratica il sistema intero (dall’utensile alla macchina) entra in risonanza con una frequenza prossima a quella naturale del sistema stesso.

Vibrazioni rigenerative e loro costi

Le vibrazioni rigenerative hanno effetti negativi che vanno ben oltre l’inquinamento acustico provocato, portano infatti a una rapida usura, quando non alla rottura o alla scheggiatura degli utensili, in particolare di quelli più rigidi in metallo duro, rispetto a quelli più resistenti agli impatti in HSS, inoltre producono finiture superficiali scadenti e fori irregolari e finiscono per usurare i cuscinetti dei mandrini oltre ad arrecare problemi di serraggio.
Tutto questo senza contare i costi dovuti allo scarto dei materiali con difetti di lavorazione non rimediabili e quelli per le lavorazioni aggiuntive per recuperare quanto si può. Tanto per dare un’idea di quanto possano incidere questo tipo di costi riportiamo il caso di una grande casa francese del settore automotive che ha valutato l’incidenza dei costi aggiuntivi dovuti alle vibrazioni rigenerative pari a 0,35 euro per ogni blocco motore di una serie prodotta in tre milioni di pezzi ogni anno.

 

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