Il colore e la forma dei trucioli metallici

I trucioli svolgono un ruolo fondamentale nelle lavorazioni meccaniche: sono responsabili dell’80% della dissipazione del calore totale generato

Saper interpretare correttamente il colore e la forma dei trucioli metallici è una buona metodologia per ricavare informazioni circa il corretto funzionamento generale del processo di lavorazione. La forma, il colore e le dimensioni dei trucioli espulsi dipendono dalle condizioni di lavorazione del pezzo (temperatura, angolo di spoglia, materiale del workpiece e dell’utensile), facendo perciò reverse engineering è possibile, senza particolari strumentazioni, estrarre dati utili dalla lavorazione in corso.

Il processo di formazione dei trucioli

Il processo di formazione del truciolo implica la creazione continua di una nuova interfaccia tra la punta dell’utensile e il pezzo in lavorazione sotto diverse temperature, forze di taglio e angoli: la punta dell’utensile deforma plasticamente il materiale e la geometria generata dal contatto ne determina la fuoriuscita. Quest’ultima avviene solitamente in tre differenti maniere:

• Si distaccano autonomamente, separandosi dal resto del materiale;
• Si rompono contro l’utensile;
• Si rompono contro il materiale in lavorazione.

Il processo di separazione descritto dipende dalla tipologia di materiali (sia del workpiece che dell’utensile stesso), dalla temperatura e soprattutto dalla geometria della lavorazione. In base alla classificazione utilizzata, i trucioli vengono divisi in tre tipologie:

• Truciolo continuo; tipico dei materiali duttili, forma una sorta di geometria “a molla” quando viene separato dal resto del pezzo e presenta spessore uguale sulla lunghezza. Questa tipologia di truciolo è associata di solito alla riduzione della potenza e dell’usura dell’utensile ed è favorita quando si utilizzano alte velocità di taglio, basse profondità di taglio, angoli di spoglia grandi e uso di lubrorefrigerazione.
• Truciolo segmentato;tipico dei materiali fragili che non dispongono della capacità di formare un flusso unico di evacuazione, la frammentazione e il distacco avvengono in modo intermittente. Lo smaltimento di questa tipologia di truciolo è più semplice della precedente e soprattutto non interferisce con la finitura superficiale del resto del pezzo. È favorita da angoli di spoglia piccoli, velocità di taglio basse, alte profondità di taglio e alta quantità di lubrificante.
• Truciolo continuo con formazione del tagliente di riporto;favorito dalle alte temperature e da pressioni elevate sull’interfaccia, il materiale asportato si accumula e si salda contro la superficie dell’utensile. Il fenomeno è di tipo dinamico, ovvero il tagliente di riporto subisce diverse fasi che si ripetono durante la lavorazione (formazione, saldatura e rottura). Il tagliente di riporto inficia sulla qualità superficiale del pezzo ottenuto e accelera in modo considerevole la vita utile dell’utensile ed è favorito da poca lubrorefrigerazione.

Ognuno di questi gruppi ha infatti caratteristiche di formazione del truciolo ben specifiche e particolari, ragion per cui è importante conoscerle e adottare le condizioni di taglio più appropriate.

L’influenza della temperatura

Ogni lavorazione per asportazione di truciolo, a causa dell’attrito tra le parti in moto relativo, genera calore: questo calore causa l’aumento di temperatura su tutti i soggetti dell’asportazione, dall’utensile al workpiece, fino al truciolo. La temperatura è strettamente dipendente da alcuni fattori:

• Il calore specifico del materiale lavorato;
• La conduttività termica sia del materiale che dell’utensile;
• La velocità di taglio.

I trucioli svolgono, nel campo della generazione della lavorazione, un ruolo fondamentale in quanto sono responsabili dell’80% della dissipazione del totale del calore generato. Quindi, la corretta formazione e la corretta evacuazione del truciolo sono indispensabili per evitare il raggiungimento di temperature estreme, che causerebbero, oltre che una rapida usura dell’utensile e generalmente una deformazione dei taglienti dello stesso, anche un abbassamento della qualità superficiale ottenuta dalla lavorazione. Questa è infatti la ragione per la quale nella maggioranza delle asportazioni di materiale è estremamente importante l’aggiunta di fluido refrigeranti, che consentono un’ulteriore dissipazione di calore. È possibile distinguere tre zone di formazione del calore:

• Zona primaria; il calore è generato principalmente a causa della deformazione plastica (e quindi di attrito interno).
• Zona secondaria; a causa della complessità del fenomeno di deformazione plastica in questa zona, non esistono modelli termici per identificare la generazione del calore ed è spesso omesso.
• Zona di interfaccia tagliente/materiale; il calore generato in questa zona è maggiormente influenzato dalla velocità di taglio e dalla lunghezza delle superfici in contatto.

Il colore che assume il truciolo quando viene evacuato dipende da molteplici fattori; il primo tra tutti è ovviamente la tipologia di materiale (ovvero dalla sua composizione chimica). Altri fattori che influenzano sono la velocità di taglio, direttamente legata alla temperatura, il materiale dell’utensile e le condizioni di taglio come profondità, presenza o meno di refrigerante. Ragion per cui, è possibile ricavare importanti dati (soprattutto sulla temperatura, sullo stato di salute dell’utensile e sul corretto funzionamento della lavorazione) in base alla tipologia di colore. Ciò che accade fisicamente al truciolo, tale che si abbia una variazione di colore, può esser legato a differenti aspetti e fenomeni chimico/fisici che di seguito cercheremo di sintetizzare e semplificare:

• Calore; il calore generato fa sì che il materiale raggiunga elevate temperature che a loro volta danno seguito ad alcuni cambiamenti. Uno di questi, è l’alterazione della struttura cristallina dovuta all’espansione e compressione termica che fa sì che il truciolo diventi più o meno fragile a seconda della specifica tipologia di lega utilizzata. Inoltre, la temperatura fa sì che il metallo reagisca con l’ossigeno normalmente presente nell’aria andando a creare dei film esterni che hanno colorazioni che vanno dal nero, al blu fino al marrone a seconda delle condizioni specifiche.
• Attrito; durante il contatto tra utensile e materiale, grazie alle temperature elevate, possono generarsi dei fenomeni chimici o liquefazioni localizzate del metallo che provocano dei cambiamenti di colore.
• Presenza di impurità; venendo a contatto con impurità, fluidi lubrificanti e altre sostanze, i metalli possono reagire chimicamente con queste generando nuovi composti. Un esempio può essere quello di quando si utilizza un refrigerante che contiene cloro che legandosi con l’acciaio forma composti di colorazione “sbiadita” rispetto ai trucioli più puri. In generale, si può dire che quando e se un metallo viene a contatto con agenti corrosivi, si possono formare dei composti che danno luogo a colori differenti a seconda della tipologia specifica di composto.
• Composizione chimica della lega lavorata; per gli acciai inox, che contengono cromo, i trucioli possono assumere colorazioni che vanno dal nero al blu scuro, colore tipico degli ossidi di ferro e cromo, oppure colorazioni grigio/argentee quando il ferro si lega con il tungsteno.

Il significato dei colori e della forma dei trucioli

Sulla base del colore, sebbene sia solo uno dei molteplici fattore da tenere in considerazione quando si vuole effettuare un’analisi del corretto funzionamento dell’asportazione di truciolo, è possibile fare un indice generale per quanto riguardo gli acciai:

• Grigio o argento;questo colore è solitamente ottenuto quando si lavora l’acciaio con degli utensili HSS (high-speed steel). Indica che le condizioni di taglio sono ottimali e che il materiale è rimosso efficientemente.
• Blu o porpora; questo colore può indicare che il la temperatura sta raggiungendo un valore molto/troppo elevato. Questo può causare degli indurimenti localizzati sulle superfici in lavorazione che rendono meno efficiente la rimozione di materiale e aumentano il rischio di rottura dell’utensile.
• Rosso o arancio; questo è un colore che si ottiene per temperature molto alte prossime al punto di fusione del metallo. Ciò è sintomo di fusioni localizzate che portano ad una scarsa qualità superficiale.
• Nero o grigio scuro; colore ottenuto quando si lavorano ghise o acciai inox con inserti in carburo. Potrebbe indicare sia che il materiale è rimosso efficientemente sia che l’utensile sta usurando molto velocemente.
• Giallo o marrone; questi colori di solito indicano la presenza di contaminanti come oli o altre impurità.

A seconda della tipologia di lega in lavorazione cambiano le colorazioni, soggette, come visto ampiamente sopra, a una moltitudine di fattori. Sebbene, quindi, il colore rappresenti una buona qualità del truciolo per poter identificare problematiche e ottimizzare il processo, è importante sempre effettuare un’analisi più deterministica dei fenomeni in gioco per assicurarsi che si stia lavorando nella miglior condizione possibile.