Titanio, un supermateriale imprevedibile

Il supermateriale titanio è molto leggero, estremamente resistente alla trazione e alla corrosione.

Nell’esecuzione della lavorazione ad asportazione di truciolo su titanio si deve tenere conto delle caratteristiche specifiche del materiale, soprattutto durante le fasi di scelta degli utensili più adatti.

Chi abbia già eseguito lavorazioni sul titanio sa che, se non si adottano gli accorgimenti opportuni, questo supermateriale può avere comportamenti imprevedibili. Trucioli che non si rompono, calore che non si dissipa o formazione di taglienti di riporto sono alcune delle reazioni del materiale alla lavorazione. Tuttavia, poiché grazie alle sue caratteristiche superiori, il titanio risulta il materiale favorito dai settori dell’aeronautica, dell’automotive e del comparto medicale, vale la pena di sviluppare il know how necessario alla sua lavorazione.

È sempre possibile che un famoso costruttore di auto sportive abbia bisogno di viti di titanio. Non sappiamo se il chimico tedesco Heinrich Klaproth, nel 1795, abbia battezzato l’elemento con il nome dei titani della mitologia greca, per esaltarne le sue proprietà “divine”, tuttavia è innegabile che abbia tutte le caratteristiche di un vero supermateriale.

Estremamente resistente alla trazione, molto leggero e con un’eccellente resistenza alla corrosione, il titanio riunisce caratteristiche che in altri materiali o leghe provocano conflitti di utilizzo. Inoltre, poiché il titanio è anche antimagnetico, biocompatibile e resiste anche alle sostanze più aggressive, questo costoso materiale è ricercato in un numero crescente di settori e applicazioni. Lo sanno anche gli ingegneri della Bugatti che utilizzano spesso il titanio.

Il titanio dissipa molto male il calore, che non viene allontanato dalla zona di taglio attraverso i trucioli. Di conseguenza, con una temperatura uguale o superiore a 1200 °C, nella zona di taglio, l’utensile “brucia” molto rapidamente.

Costi elevati, riduzione degli scarti

Per lavorare il titanio si dovrà spendere molto, dal momento che questo materiale ha un costo da tre a cinque volte superiore a quello dell’acciaio per utensili. È logico che si vogliano evitare scarti. Tuttavia, la scelta del materiale non è tutto. Per la produzione di minuterie di precisione in titanio, come quelle necessarie per le industrie aerospaziale, chimica, automobilistica o medicale, sono necessari utensili studiati e realizzati ad hoc. Solo in questo modo è possibile ottenere la forma desiderata anche nelle leghe di titanio più difficili da lavorare.

Queste sono le caratteristiche con cui il titanio mette alla prova gli utensili:
• conduttività termica estremamente scarsa (vedi grafico)
• i trucioli non si rompono
• una spiccata tendenza all’adesione
• un modulo di elasticità basso (Ti6Al4V = 110 kN/mm2, acciaio Ck45 = 210 kN/mm2)

In virtù del fatto che solo un numero ridotto di officine potrebbero essere interpellate per la produzione di viti in titanio, per la vettura sportiva Bugatti Chiron da 1500 CV, consideriamo a titolo esemplificativo la produzione di un albero filettato e di un inserto in lega di titanio Ti6Al4V grado 5/23, come richiesto nel settore medicale. Con una resistenza alla trazione di Rm = 990 N/mm2, un limite di snervamento Re = 880 N/mm2, una durezza HV compresa tra 330 e 380 e un fattore di allungamento A5D di circa il 18%, il titanio viene utilizzato per impianti medicali, per applicazioni aeronautiche (3.7164) o per applicazioni industriali (3.7165). Con il 6% di alluminio e il 4% di vanadio, ed ELI (interstitial extra low – elementi interstiziali) extra piccoli, la lega presenta un’ottima biocompatibilità e conseguente assenza di reazioni allergiche.

Per la produzione di parti rotanti di precisione in titanio, come quelle necessarie per l’industria aerospaziale, chimica, automobilistica o medicale, sono necessari utensili appositamente studiati per la loro realizzazione (foto: Arno).

Come allontanare il calore dalla zona di taglio

Sono richiesti: elevata finitura superficiale, sicurezza di processo con elevata accuratezza di ripetibilità e un flusso controllato di trucioli; tutto con tempi di processo brevi e possibilmente un elevato volume di truciolatura. Ora, chi ritiene che, durante la tornitura, la maggior parte del calore venga normalmente dissipato tramite i trucioli, avrà una bella sorpresa. Infatti, il titanio dissipa molto male il calore, che non viene allontanato dalla zona di taglio attraverso i trucioli. Di conseguenza con una temperatura uguale o superiore a 1200 °C, nella zona di taglio, l’utensile “brucia” molto rapidamente. Pertanto, è consigliabile adottare le seguenti misure: convogliare il liquido di raffreddamento direttamente nella zona di taglio, ridurre la forza di taglio utilizzando un tagliente affilato e adattare la velocità di taglio al processo.

Gli utensili giusti garantiscono una maggiore durata

La soluzione risiede nella scelta dell’utensile più adatto. Poiché il calore deve essere dissipato attraverso il tagliente e il lubrorefrigerante e non attraverso i trucioli, come per l’acciaio, una piccola parte del cuneo di taglio deve sopportare sollecitazioni termiche e meccaniche estremamente elevate. L’uso di inserti rettificati altamente positivi riduce la pressione di taglio. I rompitruciolo lucidati, se necessario, con il rivestimento idoneo, riducono al minimo l’attrito durante lo scarico del truciolo. Questi tre parametri riducono la generazione di calore durante la lavorazione ad asportazione di truciolo. Se si produce meno calore e se questo viene ulteriormente ridotto grazie all’adduzione ottimale del liquido di raffreddamento, la durata dell’utensile aumenta oppure può essere aumentata nuovamente la velocità di taglio Vc.

Fin qui, tutto bene. Poiché, infatti, i trucioli di titanio non si vogliono rompere, ci attendono altre difficoltà. Un truciolo infinito si avvolge attorno al pezzo, all’utensile o al mandrino, e costituisce così un pericolo per le persone e la macchina. Può essere utile modificare la direzione di rotazione con inversione della posizione del tagliente, se la struttura della macchina consente di eseguire questa operazione. Se il tagliente è rivolto verso il basso, il truciolo cade liberamente verso il basso ed è fuori dalla zona di pericolo. Tuttavia, in caso di operazioni di sgrossatura pesanti e con una macchina non completamente stabile, è necessario verificare prima se la forza di taglio può essere deviata verso la piastra della macchina. Se il truciolo si trova al di fuori della zona di lavorazione non può disturbare il processo.

Poiché i trucioli durante la lavorazione del titanio non si rompono, è particolarmente importante scegliere l’utensile corretto per la filettatura.

Produttori di utensili e consulenti

Chi vuole andare sul sicuro quando si tratta di scegliere l’utensile giusto per la lavorazione del titanio, dovrebbe guardarsi intorno per trovare il produttore giusto. Alcuni non solo forniscono gli utensili adeguati, ma servizi di consulenza, mettendo a disposizione la loro esperienza in campo applicativo. La Arno Werkzeuge, fondata nel 1941, non solo dispone di una delle più ampie gamme di inserti altamente positivi, ma si avvale anche della consulenza di esperti che mettono volentieri a disposizione dei clienti la loro competenza acquisita nei processi di produzione. Gli inserti altamente positivi sono affilati a sufficienza da consentire di contenere la forza di taglio e, se necessario, grazie alla forma arrotondata, offrono un’eccellente stabilità del profilo. I rivestimenti hi-tech adatti consentiranno di affrontare nella maniera migliore la lavorazione di materiali esotici con cattiva conducibilità termica. Gli inserti negativi con le geometrie EX, NFT, NMT e NMT1 sono soluzioni economiche e affidabili per la lavorazione ad asportazione di truciolo più leggera fino alla sgrossatura. Inoltre, gli inserti positivi con geometrie PSF e PMT1 sono ideali per la lavorazione media di superleghe. Tutte queste soluzioni hanno una cosa in comune: sono ideali per i materiali duri, grazie alla elevata resistenza all’usura da intaglio e alla resistenza al calore. Speciali geometrie garantiscono un eccellente controllo del truciolo e quindi una assoluta sicurezza di processo. Alla fine della giornata, gli appassionati della lavorazione del titanio e i clienti Arno sono sempre ben preparati. Dopo tutto, non si sa mai se telefona un ingegnere della Bugatti.

Orientamento al cliente e capacità di sviluppo

Un truciolo infinito si avvolge attorno al pezzo, all’utensile o al mandrino, e costituisce così un pericolo per le persone e la macchina. Può essere utile modificare la direzione di rotazione con inversione della posizione del tagliente.

Fondata nel 1941 da Emil Arnold, Arno Werkzeuge Karl-Arnold GmbH è un produttore di utensili innovativo, l’attività è ora gestita dalla terza generazione dei proprietari. Grazie a una vasta gamma di produzione verticale, a una competenza nello sviluppo e a strutture di vendita globali, è in grado di realizzare utensili moderni e potenti che vengono utilizzati in tutto il mondo nella lavorazione ad asportazione di truciolo, nella tornitura breve o su fantina mobile, nella troncatura, nella foratura o nella fresatura. Un settore speciale è costituito dagli inserti rettificati, adatti ai compiti di produzione più impegnativi, per i quali Arno offre una gamma di prodotti tra le più ampie al mondo. In collaborazione con i clienti e tenendo conto delle loro esigenze, vengono costantemente sviluppate soluzioni personalizzate per gli utensili, che in seguito diventano standard molto apprezzati. Con oltre 200 dipendenti nella sede centrale di Ostfildern e nelle sue sei filiali e numerose sedi di vendita in tutto il mondo, questa casa tradizionale si è posta come obiettivo quello di dimostrare la propria vicinanza al cliente. Arno ha un fatturato di circa 57 milioni di euro.

di Francesco Lotta

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here