Le forze di taglio restano la grandezza chiave per monitorare usura, rottura e qualità nei processi di asportazione, ma le tecniche di misura si scontrano con un compromesso strutturale tra banda passante, sensibilità e invasività. La predizione offre un complemento capace di aggirare questi limiti e di guidare l’ottimizzazione dei processi verso la produzione a zero difetti.
Il monitoraggio dei processi di asportazione di truciolo (Chip Removal Processes, CRP) costituisce da diversi decenni una preoccupazione tecnologica di primaria importanza.
L’acquisizione e l’elaborazione dei segnali provenienti dalla zona di lavorazione consente di conoscere lo stato del processo e dell’utensile, con il duplice obiettivo di ottimizzare il primo e di individuare l’usura o i cedimenti catastrofici del secondo.
Un approccio di questo tipo ha svolto un ruolo cardine nell’automazione, nel controllo e nel miglioramento della qualità e nella riduzione dei costi.
Più di recente esso è stato inquadrato nel contesto della produzione a zero difetti (Zero Defect Manufacturing, ZDM), come metodologia in grado di rilevare in tempo reale, e in prospettiva di prevedere, i difetti generati da parametri di processo inadeguati oppure dall’usura e dalla rottura dell’utensile.
Tra le numerose grandezze fisiche sfruttabili a fini di monitoraggio, le forze di taglio ricoprono un ruolo di assoluto rilievo: sono infatti protagoniste in tre delle quattro condizioni abitualmente monitorate, ovvero usura utensile, rottura utensile e formazione del truciolo, mentre la quarta, il chatter, dipende anch’essa in modo diretto dal loro andamento dinamico.
La sensorizzazione e le forze di taglio
I parametri di processo vengono monitorati mediante una varietà di sensori, riconducibili a due macro-gruppi: gli approcci diretti e quelli indiretti. Nelle misure dirette la grandezza cercata viene dedotta direttamente dal segnale; in quelle indirette il valore deve essere estrapolato attraverso l’elaborazione del segnale e l’interpretazione basata su modelli.
Il primo approccio è il più accurato, ma poco pratico e per lo più confinato ai laboratori di ricerca; il secondo, meno accurato, ha trovato larga diffusione nelle applicazioni pratiche in cui semplicità e facilità d’uso sono determinanti.
Un’ulteriore distinzione separa i sensori in-process, che operano durante la lavorazione, e in-cycle, che misurano periodicamente tra un pezzo e l’altro.
Le principali tecniche di monitoraggio comprendono i metodi ottici, l’emissione acustica, la vibrazione, la temperatura e infine la potenza e la corrente, ciascuna con pregi e limiti: l’emissione acustica eccelle nel rilevare rotture ma è poco accurata sull’usura progressiva; la temperatura, con valori oltre i 700 °C in prossimità del tagliente, è difficile da applicare on-line per la mancanza di accesso alla zona di taglio.
Poiché nessun metodo singolo copre la maggior parte delle applicazioni, si è affermata la sensor fusion, l’impiego congiunto di più sensori per un sistema più affidabile.
Le forze di taglio caratterizzano profondamente, come già anticipato, quasi ogni aspetto del processo: usura, formazione del truciolo, rugosità, carico termico.
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