Perché le macchine utensili di grande taglia amano la ghisa perlitica per i basamenti e le parti strutturali?
Tutto corre veloce: il terzo millennio corre sul filo della velocità! E’ proprio la velocità che contraddistingue il mondo d’oggi, anche in un momento fortemente segnato dagli effetti della pandemia. Le idee si susseguono ad un ritmo incalzante, la competitività è un obbligo… e anche la produzione deve adeguarsi, puntando su sistemi sempre più flessibili ed efficienti, in grado di soddisfare in tempi brevi le richieste del mercato: la produttività diventa la chiave per il successo di ogni sistema produttivo.
In questo scenario, la macchina utensile, il cuore pulsante dell’industria manifatturiera, deve garantire prestazioni tali da rispondere ad esigenze di produttività, ma sempre con attenzione al costo/pezzo.
La tendenza è quindi verso parametri tecnologici sempre più spinti, aumentando velocità di asportazione ma anche avanzamento e/o profondità di passata costringendo la macchina utensile ad avere una struttura tale da reggere alle sollecitazioni, sia dinamiche che statiche.
A prescindere dalle dimensioni della macchina utensile, rigidezza e capacità di smorzare le vibrazioni sono una condizione imprescindibile, e, a maggior ragione, se la taglia è XXL.
Se i parametri tecnologici sono importanti ai fini della produttività, altrettanto lo sono i tempi morti, cioè quei tempi in cui l’utensile non fa truciolo, ma necessari al suo spostamento: la riduzione di questi tempi, per una banale questione di fisica legata allo studio dei moti, richiederà accelerazioni, anche di forte entità, in funzione dell’obiettivo da raggiungere e dei dati di progetto della macchina. Il legame fra forti accelerazioni e vibrazioni è noto, motivo per cui, se non si vuole penalizzare la qualità della lavorazione, ancora una volta sono importanti la rigidezza della macchina e lo smorzamento delle vibrazioni indotte.
L’accuratezza nella progettazione di una macchina utensile è quindi importante, così come è importante la scelta dei materiali e, a tal proposito, sono stati avviati molti studi riguardo l’impiego di materiali innovativi, ma, in particolare quando la taglia della macchina è medio-grande o grande, la preferenza continua ad essere la ghisa perlitica, con strutture monolitiche.
Non è solo questione di materiale
… e ghisa perlitica sia: ma è sufficiente? «La ghisa perlitica utilizzata per le parti strutturali delle macchine utensili deve essere di qualità – spiega Rosario Palmeri, amministratore delegato di Zayer Italia –, perché è importante che abbia una buona lavorabilità, con minime inclusioni. Questo significa che molto dipende dalla fonderia e dal processo, ed è per questo che Zayer ha, da sempre, rapporti privilegiati e diretti con una fonderia accuratamente scelta, così da assicurare un prodotto in linea con gli standard richiesti. Avere acquisito questa esperienza specifica significa, fra l’altro, essere specializzati nel far produrre una ghisa perlitica in linea con le richieste progettuali della macchina e, in linea di massima, si tratta di una ghisa più “pura” per quanto riguarda la composizione. L’analisi riguarda principalmente il carbonio e la sua dislocazione all’interno della matrice».
In gergo, alcune ghise perlitiche vengono definite “più acciaiose” in quanto la presenza di alcuni componenti le rendono più dure, ma anche meno pure, col rischio di creare problemi durante la lavorazione a causa della presenza di inclusioni che possono renderla difficoltosa, arrivando anche a comprometterla irrimediabilmente. Il pericolo più insidioso è rappresentato dall’innesco di cricche a rottura perché le rotture, che possono essere a fatica, possono manifestarsi nel tempo, e non necessariamente durante la lavorazione. Anche una rottura durante la lavorazione della fusione può essere un dramma perché, se si manifesta il problema, per esempio sulla fusione di una colonna verticale di 4 metri, non si può pensare ad una riparazione, ma l’intero pezzo va sostituito: una simile fusione può richiedere anche 4-5 mesi, creando rallentamenti e problemi a tutto il progetto.
«Alcune realtà non hanno tecnologie fusorie particolarmente spinte e all’avanguardia, quindi anche il prodotto finale è meno pregiato – sottolinea Palmeri –. Certamente è meno costoso, ma sono anche maggiori i rischi. Una ghisa perlitica di qualità, messa a punto per soddisfare le esigenze di parti strutturali di macchine utensili, presenta un rischio di cricche e inclusioni molto contenuto. Talvolta se l’analisi evidenzia cricche o inclusioni si può ricorrere alla saldatura, o altri processi che riparino, ma è sempre un rischio: col tempo, possono crearsi problemi a livello di lavorazione meccanica. I costruttori di macchine utensili sono tenuti dalla normativa a dare una garanzia a vita alla macchina per quanto riguarda i difetti occulti, difetti che potrebbero generare problemi anche gravi, mettendo a rischio la vita degli operatori».
La scelta di strutture monolitiche in ghisa perlitica è anche dettata dal fatto che la ghisa ha caratteristiche tecnologiche che la rendono resistente e costante nel tempo.
Una struttura monolitica in ghisa perlitica risponde a esigenze di precisione che devono mantenersi nel tempo, anche su macchine utensili XXL.
Parlando di lavorazioni gravose
Si suole definire come gravosa, una lavorazione, in genere su materiali tenaci, soggetta a elevate profondità di passata, dove lo spessore del sovrametallo è elevato e “croste” impegnative, molto dure, che vedono impegnati utensili con diametro > 80 mm.
Eseguire una lavorazione gravosa su una macchina utensile con strutture in ghisa monolitica significa operare in maniera più performante, con una maggiore facilità di gestione del processo, senza rischio di vibrazioni e di innesco di fenomeni di risonanza dell’utensile e/o del particolare lavorato.
Passate profonde, con avanzamenti elevati: il rischio di vibrazioni ovviamente c’è, ma se la struttura, oltre ad essere in ghisa perlitica è anche monolitica, non si propagano proprio perché la struttura è resiliente e molto tenace.
Se i pezzi da lavorare hanno pesi importanti, sono le masse a dover essere movimentate oppure le masse sono ferme ma si muove la macchina utensile?
«Se le dimensioni dei manufatti sono importanti, diventa difficile pensare di movimentare pesi significativi, e infatti si cerca sempre e comunque di muoverli una sola volta – prosegue Palmeri –. In linea di massima le gantry, come tutte le macchine a portale, sono preferibili rispetto a quelle a montante mobile perché permettono di lavorare 5 facce, riducendo al minimo gli spostamenti: l’importante è che sia la macchina utensile a muoversi, lasciando il pezzo fisso, proprio a causa del suo peso. Le masse importanti dei manufatti, e le conseguenti necessità progettuali delle macchine dedicate, spingono ancora una volta verso strutture che abbiano rigidezza adeguata ed elevata capacità di smorzamento delle vibrazioni: la ghisa perlitica».
Da ricordare poi come la ghisa abbia un’elevata rigidità, con indubbi vantaggi dal punto di vista della indeformabilità della macchina e, di conseguenza, della sua precisione.
Elevati volumi di truciolo, forti asportazioni
Elevato volume di truciolo non significa solo elevata asportazione, ma anche elevato numero di giri e velocità nel movimentare l’utensile. Ciò comporta macchine utensili dinamiche, che hanno, nell’unità di tempo, velocità di asportazione importanti, in grado di produrre sia un truciolo di dimensioni importanti, che una elevata quantità di truciolo. «Le grandi asportazioni si appoggiano a tecnologie moderne, che utilizzano utensilerie di nuova concezione, che prevedono lavorazioni con profondità di passata più contenute, ma una velocità di lavoro elevata. Questo porta a generare una quantità di truciolo nell’unità di tempo maggiore rispetto ad asportazioni con maggiore profondità di passata, ma minor velocità – afferma Palmeri di Zayer –. Anche in questo caso la ghisa perlitica porta vantaggi: dinamicità del sistema macchina e doti superiori di resilienza e rigidità».
Ghisa perlitica: la scelta strategica
La metallurgia insegna: le ghise sono leghe Fe-C con percentuali di carbonio maggiori della massima miscibilità nell’austenite. Non è detto che questo limite sia sempre il 2,11%, ma, come si evince dal diagramma Fe-C, può variare con gli elementi in lega, in particolare al variare del tenore di silicio.
Caratteristiche generali della ghisa sono la non deformabilità sia a caldo che a freddo, la struttura fortemente anisotropa a causa della presenza di grafite, l’alta colabilità e la temperatura di fusione, che è la più bassa fra le leghe Fe-C. La ghisa ha anche una notevole scorrevolezza allo stato fuso che la rende particolarmente idonea alla fusione di getti anche di forma complessa.
A pari tenore di carbonio, la struttura di una ghisa varia al variare degli elementi in lega e della velocità di raffreddamento, con una ricaduta su microstruttura, lavorabilità e caratteristiche meccaniche.
Dal diagramma di Maurer è possibile stabilire, in via approssimata, la struttura e le conseguenti caratteristiche meccaniche, in funzione degli elementi in lega e delle velocità di raffreddamento.
Caratterizzata da decisa stabilità dimensionale ed elevato smorzamento delle vibrazioni, grazie alla presenza di grafite, oltre che da stabilità termica, la ghisa perlitica è ampiamente impiegata per le parti fisse delle macchine utensili, quali basamenti e montanti; nel caso di macchine utensili di grandi dimensioni, la struttura monolitica in ghisa perlitica è una scelta quasi obbligata, ma a fronte di una progettazione ad elementi finiti che permetta di mantenere le caratteristiche strutturali desiderate con componenti di minor peso, e conseguente risparmio energetico nell’utilizzo corrente.
di Daniela Tommasi
