Come ridurre le vibrazioni nelle lavorazioni meccaniche

Figura 1 – Superficie in alluminio caratterizzata dal fenomeno del chatter.

Capire il fenomeno delle vibrazioni in fresatura e, soprattutto, in foratura, che è in genere meno analizzato nella letteratura tecnica, è fondamentale per definire una checklist di possibili azioni correttive da mettere in atto per limitarne gli effetti in produzione.

La sfida

Le vibrazioni durante il processo di lavorazione sono sempre state presenti nell’ambito delle lavorazioni meccaniche, ma negli ultimi anni l’attenzione spasmodica verso l’incremento della produttività finalizzata al contenimento dei costi ha portato a una attenzione sempre maggiore per questo tipo di problematiche. Questa tematica risulta trasversale a tutte le principali tipologie di lavorazione meccanica: fresatura, foratura, tornitura e alesatura, anche se ognuna di queste presenta alcune particolarità. NUI Utensili Europa, casa genovese specializzata nelle soluzioni per la rimozione del truciolo, lavora da sempre a contatto con gli utilizzatori finali e ha sviluppato negli anni un approccio pragmatico per
affrontare queste problematiche. Prima di pensare a risolvere, o quanto meno circoscrivere, il problema va tuttavia definito in maniera puntuale. Potremmo dire che il sistema mandrino, utensile e portautensile vibra a una sua naturale frequenza o anche a più di una e quando queste risultano troppo dissonanti “specie quando l’utensile ingaggi” il pezzo non permettono di ottenere finiture superficiali soddisfacenti e riducono al contempo la durata del tagliente. Questo fenomeno viene definito in inglese chatter. Il campanello d’allarme è uno stridio fastidioso che si manifesta durante le fasi di lavorazione, e se non avesse altri effetti non sarebbe nulla di che, ma purtroppo causa molti problemi in produzione.

Il fenomeno durante le operazioni di fresatura

Nell’industria aeronautica, ad esempio, si lavorano grandi pezzi in alluminio in fresatura e non è raro poter osservare parti che hanno finiture superficiali non ottimali (Figura 1). Tutto questo è causato dal chatter che non solo causa problemi qualitativi (in alcuni settori industriali gli accoppiamenti devono essere molto precisi), ma anche un aggravio di costi sia in termini di tempo ciclo sia di durata degli utensili, ma soprattutto in termini di non conformità. Nel caso della fresatura, tuttavia, è possibile adottare alcune tecniche per ridurre le vibrazioni la prima è minimizzare la sporgenza dell’utensile dal mandrino in modo che l’utensile fletta il meno possibile, magari incrementando il diametro dell’utensile (in questo caso si va ad agire sulla rigidità). La seconda possibilità è limitare la profondità o la larghezza della passata. Se tutto ciò non bastasse si può limitare l’avanzamento e la velocità di taglio.

Vale la pena notare che non sempre la limitazione delle velocità è necessaria. Infatti, come si può evincere dalla Figura 2, esistono delle combinazioni di velocità e profondità di passata che garantiscono un’ottima produttività rimanendo in una zona di stabilità (al di sotto della linea blu) e una di queste è contrassegnata dal quadratino nero.

Nel caso in esame questa tipologia d’analisi si può eseguire sulla base di test successivi verificando la finitura con diverse combinazioni di velocità di taglio e profondità di passata ma anche attraverso alcuni strumenti disponibili sul mercato.

Alcune soluzioni di NUI Utensili Europa, come le frese in metallo duro 15455 HPC (High Performance Cutting) ad alta asportazione per sgrossare e finire a elica variabile a 35–38° rivestite TiAlN, sono molto adatte per ridurre le vibrazioni. Rispetto alle frese tradizionali, garantiscono un’evacuazione dei trucioli ottimale su materiali difficili da tagliare e applicazioni lunghe a sbalzo.

Il chatter nella foratura

Mentre nel caso della tornitura o della fresatura, i processi avvengono, per così dire, “all’aperto”, ed è possibile osservare le problematiche alla luce del sole, nel caso della foratura tutto ciò non avviene, quindi risulta molto più complesso stabilire sia le cause che le soluzioni. Forse anche per questo la tematica risulta più negletta rispetto alle prime due. La difficoltà di derivare un diagramma a lobi, che permetta di individuare quali siano le combinazioni stabili di velocità e avanzamento (il cosiddetto “sweet spot”), fa sì che si debba fare affidamento su metodi più empirici. Nel caso della foratura, quando l’utensile entra in contatto con il materiale, in conseguenza del carico sui bordi taglienti, si torce. Il carico torsionale ha anche una componente assiale e l’utensile sottoposto a forze antagoniste ha dei micromovimenti lungo il proprio asse con frequenze molto elevate (anche trenta al giro).

La finitura si presenterà in caso di chatter con una disposizione a raggi di sole che parte dal centro del foro come si può vedere dalla Figura 4.

Vale la pena di ricordare che oltre al problema di finitura e all’aggravio dei costi le vibrazioni possono anche avere altri effetti come accelerare l’usura della macchina o nel caso della foratura non garantire una adeguata vita dell’utensile. Dal punto di vista di quest’ultimo va fatta una riflessione. Se è vero che oggi il metallo duro è lo standard dell’industria, non sempre questo si rivela la soluzione migliore: infatti, pur avendo una maggiore resistenza all’usura, gli utensili in metallo duro sono più fragili rispetto all’acciaio super rapido e hanno una minore resistenza agli shock. Quindi se il sistema di lavorazione non garantisce la rigidità ottimale la migliore opzione sarebbe l’acciaio super rapido. Anche in questo caso come nella fresatura la punta da utilizzare è sempre la più corta possibile per la profondità del foro in modo da evitare inutili sollecitazioni. Accanto alla scelta del materiale costruttivo dell’utensile e della lunghezza dello stesso a seconda della lavorazione va fatto anche un ragionamento sulla geometria delle punte. Il nucleo maggiorato delle punte (30–40% del diametro rispetto a uno standard del 10-20%) accoppiato alla rastremazione delle punte stesse garantiscono una maggiore rigidità limitando le vibrazioni, come evidenziato nella Figura 5. Anche l’angolo dell’elica ha effetti sulle vibrazioni. A parità di altre condizioni, riducendo l’angolo dell’elica, si limita lo scostamento assiale e si riducono le vibrazioni. NUI Utensili Europa vanta una gamma di punte di materiali diversi ed eliche differenziate che possono essere utilizzate per ridurre il chatter, come evidenziato nella Figura 6. Altre due strategie possono limitare le vibrazioni: la prima è quella di ridurre l’angolo di spoglia dorsale delle punte (Figura 7); in questo modo la punta tende a strisciare sul fondo del foro diminuendo le vibrazioni. La seconda, invece, consiste nell’aumentare l’avanzamento; in questo caso l’aumento dello sfregamento riduce le vibrazioni. Oltre alle vibrazioni torsionali-assiali si possono presentare in foratura anche delle oscillazioni radiali, seppur di frequenza inferiore a quelle precedentemente descritte. Queste vibrazioni sono collegate solo alla velocità di rotazione e non alle frequenze del sistema e producono dei fori con dei lobi (con effetto sulla rotondità degli stessi). In questo caso le soluzioni possono essere diverse. La prima come sempre è incrementare la rigidità della punta. L’effetto in questo caso sarà su tutte e due le tipologie di vibrazioni quella torsionale-assiale e quella collegata alla velocità di rotazione. La seconda è utilizzare ad esempio le punte NUI 15200 in metallo duro con i fori di lubrificazione per alti avanzamenti (Figura 8-9). Queste hanno un margine molto ampio e inoltre sono caratterizzate dalla presenza di un doppio bordino che riesce a arrotondare il foro contrastando le vibrazioni radiali.

Conclusioni

Sia nei processi di fresatura che in quelli di foratura le vibrazioni possono aver effetti importanti sulla redditività: per questo è necessario analizzare nel dettaglio le problematiche che si possono verificare e apportare gli opportuni correttivi. Mentre nel caso della fresatura le possibili soluzioni fanno parte di uno schema consolidato, in foratura l’approccio è molto più empirico. NUI Utensili Europa è in grado di fornire soluzioni per entrambe le lavorazioni proponendo soluzioni con geometrie ad hoc.

Utensili per qualsiasi applicazione

Nui Utensili Europa di Genova è una realtà molto nota nel campo dell’asportazione del truciolo. Rinomata è la sua produzione di punte in acciaio super rapido extra lunghe (fino a 900 mm di utile) e con fori di lubrificazione. Avendo sviluppato negli anni grande know how produttivo, è in grado di fornire oggi alla sua clientela qualsiasi soluzione sia che si tratti di foratura, fresatura, alesatura o filettatura utilizzando diverse tipologie di materiali (HSS, HSSCO o HM). Il suo vasto catalogo prevede un’ampia varietà di soluzioni per ogni necessità produttiva e, qualora ci siano esigenze particolari, NUI Utensili con il suo ufficio tecnico è in grado di quotare e realizzare ogni tipo utensile secondo le specifiche del cliente.

di Claudio Silvestri, direttore Italia NUI Utensili Europa