E’ una delle lavorazioni più note, ma non per questo va considerata “banale”. In particolare quando sono richieste alte cadenze produttive o un elevato rapporto lunghezza/diametro.
Chi non ha praticato almeno un foro? Nessuno. La foratura è forse la lavorazione più comune, ma un conto è la foratura amatoriale, un conto è il processo industriale, vincolato da qualità e produttività, in contesti ad alto grado di complessità.
Le punte a forare hanno in genere un elevato rapporto lunghezza/diametro: questa caratteristica fa sì che le punte possano flettersi, con un rischio che aumenta al crescere del rapporto, che, in talune situazioni, può portare alla rottura dell’utensile. Ma le insidie non riguardano solo l’utensile perché anche i trucioli, se non adeguatamente evacuati, possono procurare seri problemi: i trucioli devono essere allontanati in una direzione opposta a quella del movimento assiale della punta a forare. Questo significa che attenzione deve essere posta tanto sull’utensile, eventualmente dotato di rompi truciolo, che sull’efficacia della lubrorefrigerazione, cui spetta, fra l’altro, il compito di agevolare l’allontanamento del truciolo dall’area di lavoro.
Una valutazione importante, ai fini dell’efficienza di processo, riguarda la quantità di materiale asportato, che può essere espressa da:
D= diametro della punta
f= avanzamento
N= velocità di rotazione della punta
In foratura, la forza di avanzamento agisce nella direzione dell’asse del foro e, se troppo elevata, può essere la causa della flessione dell’utensile e della sua rottura. Non è facile calcolarne l’intensità, tanto che spesso ci si affida alle pratiche operative acquisite sul campo, data la quantità dei fattori di influenza: la resistenza del materiale, i parametri tecnologici (avanzamento e velocità di rotazione), tipologia e pressione del fluido da taglio, diametro e geometria del utensile, solo per citarne alcuni.
La foratura profonda
La foratura viene definita profonda quando i fori hanno un rapporto fra profondità e diametro relativamente grande, di norma con una lunghezza che supera almeno di 5 volte il diametro, arrivando ad un limite massimo di 150:1. Il range è evidentemente notevole ed è quindi coperto da tecnologie differenti, con risultati e costi differenti, il cui impiego va valutato caso per caso.
La foratura profonda è una lavorazione sempre più attuale, ma, anche storicamente, è richiesta in particolare per stampi in plastica, pressofusione, termoformatura, componenti aeronautici, particolari oleodinamici, trasmissioni meccaniche, pezzi per biomedicale, ma altresì quando occorre alleggerire e/o raffreddare, ed è consigliabile farlo ricorrendo a fori.
I principi su cui si basa la foratura profonda, sono gli stessi della foratura classica, ma va posta ancora maggiore attenzione nella scelta di velocità di taglio e avanzamento, cruciali per il controllo del truciolo, nonché nell’evacuazione del truciolo che non deve causare danni al pezzo o all’utensile. Se l’attenzione non deve mai mancare, diventa assai importante quando i fori sono profondi, data l’elevata precisione in termini i rettileneità del foro, tolleranza dimensionale e finitura superficiale, che in genere è richiesta.
Questo tipo di lavorazione può essere eseguita con punte elicoidali, punte a cannone, a singolo o doppio tubo. In realtà, spesso si parla di “sistema” più che di punte perché viene usata una combinazione di configurazione dell’utensile e pressione del fluido da taglio, per ottimizzare l’evacuazione dei trucioli dal foro. Tutte queste soluzioni presentano comunque delle criticità legate principalmente alla refrigerazione, all’evacuazione del truciolo e all’assialità dei fori, criticità che sono insite nel tipo di lavorazione.
Generalizzando, l’utensile per foratura profonda deve essere rigido ed esente da vibrazioni, avere uno spazio sufficiente per il truciolo e la sua evacuazione, permettere l’adduzione del fluido da taglio ad una pressione adeguata, ed avere caratteristiche tali a garantire la durata del tagliente.
Il ruolo delle punte
La punta elicoidale è una punta storica, ampiamente usata, ma che non permette di ottenere forature con lunghezze superiori a 10 ÷ 12 volte il diametro; questo limite è superato dalle altre punte, in particolare da quelle a cannone, che permettono di raggiungere valori di rugosità molto bassi, asse di foratura perfettamente lineare e, fatto non irrilevante, una maggiore produttività.
Oggi la vecchia punta in acciaio ritorto con fori i lubrificazione sta andando in pensione, sostituita con punte elicoidali in metallo duro, o con 4 taglienti ed affilature anche molto complesse, perlopiù con fori di lubrificazione interni, con getti direzionati in maniera tale da facilitare al massimo l’evacuazione del truciolo.
Il sistema di foratura profonda che utilizza la punta a cannone prevede l’adduzione interna del fluido da taglio e l’evacuazione esterna del truciolo, attraverso scanalature a V. Nate negli Stati Uniti e sviluppatesi in Europa negli anni ’70, le punte a cannone permettono di lavorare materiali anche molto duri e/o caratterizzati da un difficile controllo del truciolo.
La punta elicoidale inizia a forare lavorando sul proprio asse, mentre quella a cannone lavora ruotando attorno al proprio asse, ed è quindi in grado di realizzare fori profondi in tolleranza, garantendo l’assialità e la rettilineità.
Ma nono solo: la punta a cannone taglia all’asse verso la periferia, scaricano la forza di taglio sul pattino, eseguendo una rullatura sul foro che quindi, oltre ad essere dritto, sarà estremamente preciso, riducendo drasticamente la necessità di una successiva finitura.
Se un foro è prodotto con una punta elicoidale, la qualità dell’affilatura influenza anche lo scostamento dal centro del foro e possono insorgere disparità di forze sui taglienti, col rischio di fori allargati rispetto alle specifiche di progetto. Nel caso di punte a cannone monotagliente le forze di taglio sono assorbite dai pattini di supporto, ottenendo quindi una buona centratura e la possibilità di ottenere valori di tolleranza anche molto stretti.
La foratura può essere eseguita anche con sistema a tubo singolo (STS), che, diversamente dalle punte a cannone, prevede l’adduzione esterna del fluido refrigerante e l’evacuazione interna del truciolo. Si tratta di un sistema impiegato nella foratura di materiali con scarsa formazione di truciolo o nei materiali con struttura non omogenea, quando esistono problemi di controllo del truciolo.
Molto simile all’STS, il sistema a doppio tubo, noto anche come Ejector, ha l’adduzione del fluido da taglio interna e anche evacuazione del truciolo interna, con i trucioli che vengono come risucchiati col fluido ed evacuati attraverso il secondo tubo interno. Diversamente all’STS, che preferisce macchine dedicate, Ejector è facilmente adattabile alle macchine esistenti, anche a quelle tradizionali, e trova applicazione nei casi in cui è possibile eseguire un preforo anziché usare una bussola guida punta.
Il truciolo
La formazione del truciolo è influenzata da vari fattori, fra cui spiccano la duttilità del materiale, la geometria sia dell’utensile che del rompi truciolo, la scelta del fluido da taglio e l’avanzamento, che ha una influenza diretta sullo spessore del truciolo. In foratura, in particolare quando si tratta di foratura profonda, è vitale che i trucioli possano essere allontanati dalla punta, se si vuole controllare il truciolo in maniera efficace e avere un riscontro positivo sull’esito della lavorazione. Ciò comporta che i trucioli, man mano che si formano, devono essere spezzati in modo tale da scorrere correttamente e costantemente attraverso i condotti di scarico. Il truciolo ideale dovrebbe avere dimensioni paragonabili in lunghezza e altezza, ma, in determinate situazioni, anche una lunghezza fino a 3 volte la larghezza può essere accettabile, sempre che il truciolo possa comunque essere scaricato senza difficoltà.
Un truciolo troppo lungo o largo tende ad attorcigliarsi sull’utensile, andando a comprometterne l’integrità, ma sfregherà anche sulle pareti del foro, rovinando la finitura e, in caso non siano possibili riprese, portando allo scarto del pezzo. Se un truciolo troppo lungo dà problemi, anche un truciolo troppo spezzettato non va bene: la rottura comporta un consumo di potenza ed il calore che si sviluppa aumenta l’usura sui taglienti, rendendo meno efficiente il processo.
In generale, da un punto di vista strettamente tecnologico, trucioli più corti si ottengono incrementando l’avanzamento e/o abbassando la velocità di taglio, ma in realtà, operativamente, la scelta viene fatta considerando l’alternativa più economica fra le possibili combinazioni dei parametri di taglio.
Un ruolo strategico
In foratura, il lubrorefrigerante ha molteplici compiti, fra cui:
• dissipare il calore, evacuare i trucioli
• aumentare la durata del tagliente
• avere azione lubrificante sui pattini
In foratura profonda, la lubrorefrigerazione è sempre forzata e viene portata sui taglienti attraverso tutta la lunghezza della punta: è fondamentale che all’utensile giunga una quantità adeguata di fluido a pressione e temperatura idonee.
Lo schema prevede che il fluido da taglio venga immesso in pressione, in modo da avere un effetto refrigerante, ma determinando al contempo un flusso di ritorno, che facilita l’evacuazione dei trucioli. Parametri fondamentali sono la pressione e la quantità, cioè la portata; se necessario, possono essere collegate due o più pompe, in modo da soddisfare le richieste di adduzione. Naturalmente tutto il sistema macchina utensile, utensile, sistema di lubrorefrigerazione, devono essere in grado di supportare questa configurazione. Il fluido deve essere pulito: un adeguato filtraggio del lubrorefrigerante, fino a 10-20 μm, può aumentare considerevolmente la durata tagliente, anche se oggi sono frequentemente richiesti gradi di pulizia più elevati, in modo da assicurare una bassa azione abrasiva del fluido.
Fra le operazioni di foratura
Quando si parla di foratura, ci sono dei termini ricorrenti:
- Alesatura: è realizzata con un utensile alesatore che ha il compito di “rifinire” la superficie laterale del foro precedentemente realizzato. Trattandosi di una finitura, l’alesatura richiede macchine utensili sufficientemente rigide, dato che un comportamento dinamico non stabile può compromettere la qualità finale: più la macchina è rigida e stabile, più le lavorazioni saranno precise. Al contrario, se la macchina non è rigida, e dunque vibra facilmente, oltre ad avere un aumento degli scarti, anche l’utensile avrà vita breve.
- Maschiatura: ottenuta grazie ai maschi, filetta la superficie interna del foro. Il maschio ha una struttura conica, che facilita l’imbocco dell’utensile nel pezzo. Il corpo del maschio è a denti costanti, ed è questa parte dell’utensile che realizza la filettatura vera e propria.
- Lamatura: forma un foro di diametro maggiore rispetto a quello originario, già lavorato, e richiede una superficie piana.
- Svasatura: restituisce un foro conico, molto spesso l’imbocco del foro.
- Centrinatura: genera foro estremamente preciso, che sarà il riferimento della lavorazione successiva. Si tratta di una foratura fatta dal pieno.
- Sfacciatura: è la finitura di un foro cilindrico, che ingrandisce il diametro fino al valore di progetto. La finitura della faccia superiore del foro deve essere di qualità per mantenere la precisione.
Forare con punte a cannone: il procedimento
La lavorazione con punte a cannone richiede un foro pilota con una profondità di 1,5xD. Si entra con un numero di giri limitato (200 giri/min) ed un avanzamento di circa 500 mm/min.
A questo punto si procede con la regolazione della pressione del lubrorefrigerante e della velocità di taglio. Settati questi parametri, si inizia a forare in continuo sulla intera lunghezza, senza scaricare il truciolo.
Al raggiungimento della profondità di foro desiderata, si spegne l’ adduzione del refrigerante e, a mandrino fermo si provvede alla corsa di ritorno rapida.
Una buona foratura profonda è strettamente dipendente dai dati di taglio, a loro volta influenzati dalla formazione del truciolo, dalla forza di taglio, quindi dalla potenza disponibile della macchina e dalla durata del tagliente.
di Daniela Tommasi
