Le parole della meccanica: il chatter

Ogni lavorazione ha un nemico più o meno nascosto, più o meno “facile” da combattere. Insidioso e fonte di instabilità. Studiato. Combattuto. È il chatter.

Di quali lavorazioni si sta parlando? Sgrossatura? Finitura? Di fatto, poco importa perché ogni lavorazione è soggetta a vibrazioni, con intensità e caratteristiche diverse, ma comunque non si può prescindere. Se in sgrossatura si massimizza il volume di materiale asportato, in finitura prevalgono qualità superficiale, accuratezza, rispetto delle tolleranze… cambia l’utensile, cambiano i parametri tecnologici, forse anche la macchina utensile e, di conseguenza, anche lo stato vibrazionale.

Cos’è il chatter?

F. W. Taylor, il padre del scientific management, ovvero il taylorismo, nel 1906 parlò di “the most obscure and delicate of all problems facing the machinist”, ovvero il problema più oscuro e delicato che si affronta nella lavorazione meccanica: si stava riferendo alle vibrazioni e, sembra, dando la prima definizione del fenomeno del chatter, un “male oscuro”. Il chatter, il “male oscuro”, appassiona da sempre gli studiosi del settore, con l’obiettivo di contenerlo il più possibile, in modo da ridurre, fino ad eliminare, i danni a esso collegati.

Chatter è il termine con cui viene comunemente intesa la vibrazione autoeccitata (self-excited vibration) di tipo auto-rigenerativo.

Due parole sulle vibrazioni

I moderni strumenti di misura e diagnostica sono oggi così evoluti da permettere studi sui fenomeni vibratori sono così precisi ed accurati da poter osservare, durante una generica lavorazione per asportazione di truciolo, tre differenti tipologie di vibrazioni:

• Vibrazioni libere – quando si verifica una oscillazione attorno ad una posizione di equilibrio, a causa di un disturbo, di varia natura, che perturba lo stato del sistema, che quindi risponde vibrando. Si tratta di vibrazioni vanno smorzandosi nel tempo.
• Vibrazioni forzate – quando il disturbo è continuo e variabile nel tempo: lo stato di eccitazione porta all’instaurarsi di vibrazioni con caratteristiche che dipendono dal tipo di disturbo. Sono direttamente legate al comportamento dinamico della macchina utensile, che non è un sistema rigido, e sono vibrazioni di cui non è possibile liberarsi, ma che possono essere contenute e tenute sotto controllo.
• Vibrazioni autoeccitate – sono dette anche vibrazioni autorigenerative e, in questa famiglia, rientra il chatter, una vera insidia, a causa dello stato vibratorio che si instaura, anche di forte intensità, che danneggia l’utensile e i componenti della macchina, con un impatto importante sul risultato della lavorazione stessa, sia dal punto di vista della qualità che della produttività. Le vibrazioni autorigenerative sono dovute alla caratteristica dinamica della macchina utensile, senza esserne legate direttamente, ma dipendono dallo spessore del truciolo e dalla superficie lavorata.

Una pratica comune in officina per arginare l’instabilità dovuta allo stato vibratorio, è quella di intervenire riducendo i parametri di taglio, velocità o profondità di passata, ma si tratta di pratiche molto soggettive, legate più all’esperienza dell’operatore che non a studi o dati specifici, con tutte le criticità che ciò può comportare.

Chatter primario e secondario: che differenza c’è?

In realtà il chatter è in genere diviso in due macro categorie:

• Chatter primario – si instaura a seguito della lavorazione per asportazione di truciolo, che genera attrito al contatto pezzo-utensile, con effetti termomeccanici nel processo di formazione del truciolo, e modi di vibrare diversi nelle varie direzioni.
• Chatter secondario – è causato dall’effetto rigenerativo, cioè dalla presenza di una ondulazione sulla superficie lavorata, dovuta alla passata precedente. Essendo quindi in presenza di una “disuniformità”, profondità di passata, truciolo e forze di taglio non sono costanti, e questo porta all’insorgere di vibrazioni che, continuando a ripetersi, hanno portato alla definizione “rigenerativo”.

Sia in letteratura che nella prassi comune, il termine chatter è perlopiù associato al chatter rigenerativo.

 

 Tipologie di chatter

Per quanto la distinzione fra chatter primario e secondario sia adottata dai più, talvolta si ricorre ad una classificazione più di dettaglio, che si riferisce ai fenomeni che conducono all’instaurarsi del chatter:

• Chatter termomeccanico, dovuto alla temperatura e alla velocità di deformazione che si raggiunge nella zona di lavoro, di formazione del truciolo per deformazione plastica.
• Chatter da attrito, causato dallo scorrimento del truciolo sul petto dell’utensile: lo scorrimento eccita il sistema che entra in vibrazione.
• Chatter da accoppiamento modale, che si verifica quando la vibrazione dovuta alla forza di spinta genera una vibrazione nella stessa direzione della forza di taglio.
• Chatter rigenerativo, dove l’oscillazione del tagliente genera una superficie ondulata che, entrando in contatto col tagliente successivo, a causa dell’oscillazione, genera una nuova superficie ondulata sovrapposta e sfasata rispetto alla prima. La sovrapposizione delle traiettorie, sfasate, porta ad un truciolo con spessore non uniforme, con condizioni di taglio variabili e instaurarsi del fenomeno vibratorio rigenerativo. In tutto ciò il comportamento dinamico della macchina utensile può portare ad un aumento indefinito della oscillazione.

Il chatter rigenerativo è la più comune tipologia di chatter che si riscontra con maggiore facilità e ha, come conseguenza, un serio peggioramento della qualità del prodotto finito e una influenza diretta sulla diminuzione della produttività. Lo studio di questo fenomeno è quanto mai importante ai fini, se non dell’eliminazione, almeno di un contenimento efficace.

Fattori di influenza del chatter

La tendenza al chatter è proporzionale alle forze di taglio e alla profondità e larghezza di passata. Dato che le forze aumentano con la resistenza e la durezza, si può affermare che l’insorgere del chatter aumenta con la durezza del materiale in lavorazione e, di conseguenza, la lavorazione di alcuni materiali, quali l’alluminio o le leghe al magnesio, sarà meno soggetta a vibrazioni rigenerative rispetto alla lavorazione di leghe di nichel o acciai inox, specie se martensitici.

Il truciolo continuo e uniforme comporta la costanza delle forze di taglio e quindi una minor predisposizione all’insorgere di vibrazioni; diversamente, il truciolo segmentato e discontinuo provoca variazioni nelle forze di taglio e quindi è potenzialmente causa di vibrazioni e dei relativi danni associati.

Il chatter e i possibili danni

Il fenomeno del chatter può provocare, se non controllato, danni importanti, fra cui:

• scarsa finitura superficiale
• eccessiva usura dei cuscinetti mandrino
• usura precoce degli utensili, con drastica diminuzione della durata
• problemi di serraggio utensile
• aumento degli scarti a causa di accuratezza non accettabile della lavorazione
• rumorosità con possibili fenomeni di inquinamento acustico
• aumento dei costi di produzione causati sia dalla minor durata degli utensili che dall’eventuale rilavorazione di manufatti con difettosità recuperabili. Difettosità non recuperabili portano allo scarto del manufatto, con costi sia per lo smaltimento, che per il riacquisto della materia prima che la lavorazione a nuovo.