Tornitura dell’acciaio: ridurre il costo per pezzo con Sandvik Coromant

In questo articolo si descrivono i vantaggi offerti da un approccio alternativo alla tornitura dell’acciaio in termini di ottimizzazione del costo per componente e di redditività in generale.

In un recente sondaggio condotto dalla National Association of Manufacturers (NAM) statunitense, è emerso che il 53% delle aziende si aspetta che il Covid-19 abbia un notevole impatto sulle loro attività e che la pressione concorrenziale è ulteriormente aumentata anche nel settore della produzione in serie di componenti in acciaio particolarmente tenaci.

La redditività di un’industria è determinata dall’economia di produzione. Nel settore del taglio dei metalli l’economia di produzione dovrebbe focalizzarsi su soluzioni finalizzate ad assicurare la sicurezza e la prevedibilità dei processi e degli ambienti di produzione. Gli obiettivi ultimi dovrebbero essere due, mantenere la massima produttività possibile e ridurre al minimo i costi di produzione, e ciascuno di essi dovrà essere riferito alla situazione specifica dell’azienda.

Conseguire questi obiettivi è particolarmente complesso nel settore della tornitura di acciaio, spesso caratterizzato da colli di bottiglia, rallentamenti della produzione o limitazioni relative al numero di pezzi producibili per lotto. Come se non bastasse, a questo oggi si aggiungono i problemi causati dal virus.

Le case manifatturiere, soprattutto quelle che eseguono produzioni in serie, sono particolarmente attente al costo per pezzo nella gestione delle attività di tornitura di acciaio. Secondo una regola basilare, il costo per pezzo è dato dalla somma tra i costi fissi totali e i costi variabili, diviso per il numero totale di unità prodotte. I parametri della tornitura di acciaio dipendono anche dalla domanda del mercato, in base alla quale le aziende devono decidere se puntare a ridurre i costi di produzione o piuttosto ad aumentare la produttività.

Le officine che producono componenti automotive, ad esempio, a tendere potrebbero trovarsi ad affrontare forti fluttuazioni, con periodi di bassa e di alta domanda. Nel primo caso, è necessario disporre di utensili che permettano di produrre un maggior numero di pezzi per tagliente e assicurino al contempo un’elevata sicurezza di processo e un minor numero di scarti. Quando la domanda è alta, invece, occorrono soluzioni di attrezzamento che permettano di aumentare i volumi di truciolo asportato, di ridurre i tempi ciclo e migliorare l’utilizzo delle macchine riducendo al minimo le interruzioni della produzione.

A prescindere da quale tra i due scenari si troveranno ad affrontare, le aziende dovranno comunque puntare a massimizzare la propria capacità produttiva e, così facendo, secondo gli studi effettuati da Sandvik Coromant, potrebbero ottenere una riduzione del 15% dei costi per componente. Tuttavia, per raggiungere questi risultati aumentando al contempo la sicurezza dei processi, occorre adottare un approccio diverso per quanto riguarda l’attrezzamento.

Riduzione del tempo non impegnato nel taglio

Secondo i calcoli di Sandvik Coromant, il costo degli utensili rappresenta dal 3 al 5% del costo di produzione totale. Quando si valuta l’acquisto di un utensile destinato a usurarsi con il tempo, come gli inserti di metallo duro che vengono utilizzati per la tornitura di acciaio, è naturale considerare solo il costo unitario iniziale. Sandvik Coromant invece raccomanda ai suoi clienti di ragionare in modo leggermente diverso, considerando il costo degli utensili in un’ottica di gestione complessiva dei costi di produzione, che tenga conto anche delle spese generali, come il deprezzamento dei macchinari.

Se prendiamo in esame una tipica giornata di lavoro di un’officina meccanica, che ad esempio lavora su due turni per un totale di 14,4 ore, il 60% del tempo è dedicato alla produzione (tempo di taglio), mentre il 40% è impiegato per altre cose (tempo non impegnato nel taglio). L’obiettivo, in questo caso, dovrebbe ovviamente essere quello di ridurre il tempo non impegnato nel taglio massimizzando il tempo effettivo di lavorazione.

Il modo migliore per conseguire questo risultato è quello di ridurre il tempo di produzione aumentando l’utilizzo delle macchine utensili. Sandvik Coromant ha infatti visto che un aumento del 20% dell’utilizzo delle macchine può determinare un aumento del 10% del margine di profitto lordo.

Maggiore durata utensile

Le realtà manifatturiere usano vari metodi per misurare la produttività, uno dei quali si basa sul numero di pezzi prodotti nell’arco di un determinato periodo di tempo. Tuttavia, ci sono molti fattori che possono impedire il raggiungimento del numero desiderato di pezzi per turno, ad esempio la necessità di eseguire frequenti sostituzioni degli inserti, interruzioni della produzione, l’indisponibilità dell’inserto giusto per una determinata applicazione o materiale: questi sono i fattori che “rubano” più tempo alla lavorazione effettiva nella produzione moderna.

Cosa possono fare allora le imprese per superare queste difficoltà, se per di più lavorano pezzi tenaci in alluminio, acciai non legati e altri materiali? In casi come questi, il criterio principale da utilizzare nella scelta della qualità d’inserto dovrebbe essere l’idoneità al pezzo da lavorare, ma si tratta di una valutazione tutt’altro che semplice, poiché sono davvero tante le variabili che influiscono sulle prestazioni dell’inserto di un utensile da taglio, per cui scegliere un’unica qualità adatta all’ampio spettro di esigenze connesse ai campi di applicazione da P15 a P25 può essere un compito ingrato. Le sigle da P15 a P25 si riferiscono ai requisiti imposti dalle varie condizioni di lavoro, che influiscono sui parametri di lavorazione come dati di taglio, finitura superficiale, profondità di taglio, superfici lavorate o grezze, tagli continui o interrotti.

Sono davvero tanti i prerequisiti di cui bisogna tenere conto per ciascuna potenziale qualità. La resistenza alla frattura ad esempio è un fattore di primaria importanza, come lo è un tagliente con la durezza necessaria per resistere a qualsiasi deformazione plastica causata dalle temperature estreme presenti nella zona di taglio. Il rivestimento dell’inserto, inoltre, deve essere in grado di prevenire l’usura sul fianco, la craterizzazione e la formazione del tagliente di riporto. In più, è fondamentale che il rivestimento aderisca perfettamente al substrato, poiché, in caso contrario, il substrato rimane scoperto e si deteriora molto rapidamente.

Possiamo dire che il “segreto” per evitare questi problemi e assicurare il successo delle lavorazioni consiste nel limitare l’usura continua e controllabile eliminando l’usura discontinua e spesso non controllabile. In altre parole, bisogna puntare sulla prevedibilità dell’usura dell’utensile. Va detto che non è facile ottenere una condizione di prevedibilità assoluta, soprattutto alla luce dei trend attuali dell’industria, che si sta orientando sempre di più verso lavorazioni non presidiate.

In tutti i casi, il modello di usura ottimale per qualunque inserto è rappresentato dall’usura controllata sul fianco, che è associata a una durata prevedibile dei taglienti. La qualità ideale deve pertanto avere caratteristiche tali da limitare al massimo le tipologie di usura indesiderate e, in alcune operazioni, da prevenirle del tutto.

Per massimizzare il numero di pezzi prodotti, è fondamentale scegliere la giusta tipologia d’inserto in metallo duro, ed è anche per questo che Sandvik Coromant ha sviluppato un paio di nuove qualità in metallo duro per tornitura di materiali ISO P, chiamate GC4415 e GC4425, che si riferiscono rispettivamente a P15 e P25. La qualità GC4425 è caratterizzata da livelli superiori di resistenza al calore, resistenza termica e tenacità, mentre la GC4415 è stata studiata per affiancare la GC4425 nei casi che richiedono prestazioni più elevate o maggiore resistenza al calore. Entrambe sono ideali per acciai debolmente legati e non legati. Consentono di lavorare un maggior numero di pezzi in un contesto di produzione in serie o in lotti, e contribuiscono a prolungare la durata utensile, eliminando le rotture improvvise e riducendo le rilavorazioni e gli scarti. Le qualità GC4415 e GC4425 sono entrambe realizzate con la tecnologia Inveio di seconda generazione, caratterizzata dall’orientamento unidirezionale dei cristalli dello strato di rivestimento di allumina. Per capire cos’è che rende unica Inveio occorre esaminare il materiale al microscopio: i cristalli della superficie del rivestimento di allumina sono tutti allineati nella stessa direzione, e creano una robusta barriera verso la zona di taglio. L’orientamento dei cristalli è stato notevolmente migliorato con la seconda generazione del rivestimento Inveio.

Inveio assicura un’elevata resistenza all’usura dell’inserto, e prolunga la durata utensile. Scegliere utensili di lunga durata è ovviamente una buona strategia per ridurre il costo per pezzo. Ma, oltre a concentrarsi sui parametri per la selezione, i tecnici devono anche valutare quanto incide la geometria dell’inserto sul controllo truciolo e sulle prestazioni di lavorazione.

Una geometria migliore

Il termine “geometria” si riferisce allo stile dell’inserto stesso, che è studiato in base alla tipologia di lavorazione da eseguire, che di volta in volta può essere una finitura, una lavorazione media o una sgrossatura. Ciascuna di queste ha le proprie implicazioni in termini di velocità di taglio, e ha una propria area di lavoro, determinata in base alla truciolabilità accettabile in rapporto all’avanzamento e alla profondità di taglio.

Per agevolare i propri clienti nella scelta degli inserti di tornitura e delle qualità ottimali per le loro esigenze, Sandvik Coromant ha ideato CoroPlus Tool Guide, uno strumento di selezione online.

I parametri di taglio principali della tornitura sono tre – velocità, avanzamento e profondità di taglio – e incidono profondamente sulla durata utensile e, di conseguenza, sul costo per pezzo. Basti pensare che, potendo aumentare i dati di taglio del 20%, è possibile ottenere una diminuzione del 10% del costo del componente. A questo proposito, può tornare utile il modello sviluppato agli inizi del 20° secolo dall’ingegnere meccanico americano Frederick Winslow Taylor, che ha studiato il rapporto tra velocità di taglio, usura e durata utensile.

In base a questo modello, Taylor aveva concluso che utilizzando la massima profondità di taglio possibile, è possibile ridurre il numero di passate, determinando quindi una riduzione del tempo di lavorazione. Allo stesso tempo però faceva notare che l’ottimizzazione della tornitura di acciaio dipende dalla stabilità del dispositivo di bloccaggio su cui è montato l’utensile, dal fissaggio del pezzo, dall’impiego del refrigerante e dalla potenza della macchina utensile.

Un approccio olistico

Dal modello di Taylor deduciamo che, per ottimizzare la tornitura di acciaio, non ci si può limitare a considerare le qualità e le geometrie, ma bisogna prendere in considerazione la soluzione di attrezzamento nella sua interezza, poiché tutti gli aspetti (qualità d’inserto, soluzione di bloccaggio e portautensili) possono influire sulla produttività, contribuire a ridurre i costi e a conseguire livelli più alti di sicurezza di processo.

di Rolf Olofsson, product manager di Sandvik Coromant

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