Utensili e parametri sono fondamentali per lavorazioni di successo

Sebbene i componenti, i materiali in lavoro ed i processi produttivi differiscano ampiamente, tutti i produttori hanno l'obiettivo di lavorare un certo numero di pezzi con valore qualitativo specifico, in un tempo determinato e con un costo adeguato.

Introduzione

Solitamente i produttori raggiungono i loro obiettivi seguendo un modello a prospettiva ristretta che inizia con la selezione dell'utensile e prosegue con la sua applicazione, risolvendo i problemi man mano che si presentano. Invertire questo approccio produrrà riduzioni dei costi e maggiore efficienza. Invece di aspettare che i problemi si presentino e quindi ottimizzando specifiche lavorazioni, i produttori dovrebbero concentrarsi innanzitutto sulla pianificazione proattiva volta ad eliminare gli scarti ed i tempi di fermo. Dopo aver raggiunto un processo stabile ed affidabile, l'economia di produzione può essere applicata per ottenere un equilibrio tra produttività e costi produttivi. Successivamente, attraverso una selezione accurata di utensili e di parametri di taglio, le aziende possono ottimizzare completamente le loro operazioni e realizzare i loro obiettivi produttivi.

Selezione di utensili e parametri di taglio

La selezione degli utensili per asportazione di truciolo è di solito orientata alle applicazioni: un'officina cerca un utensile per la lavorazione di un certo materiale come acciaio o alluminio o per effettuare un'operazione specifica, come sgrossatura o finitura. Un approccio alla selezione utensile che apporta più benefici inizia con la considerazione di come la lavorazione si rapporti alle altre lavorazioni aziendali.

La prima priorità di tale approccio è di garantire l'affidabilità del processo e di eliminare il verificarsi di scarti e di tempi di fermo non pianificati. L'affidabilità, in senso generico, è una questione di rispetto delle regole. Se un'officina non è in grado di riconoscere e di tener conto degli effetti del taglio, di quelli fisici e chimici sull'utensile, l'affidabilità sarà sostituita dalla rottura utensile.

Dopo aver impostato un processo stabile, le caratteristiche degli utensili e le condizioni di taglio dovrebbero essere scelte per corrispondere agli obiettivi complessivi del mondo delle lavorazioni per asportazione di truciolo. Per esempio, la massimizzazione della produzione ai costi più bassi può essere la considerazione primaria nella produzione di massa di componenti semplici. Ma d'altro canto, nella produzione ad alto mix ed a basso volume di componenti complessi l'affidabilità totale e la precisione sono più importanti del costo del pezzo. La flessibilità è un requisito essenziale dei sistemi di utensili applicati a piccoli lotti produttivi (vedere la barra laterale).

Se l'efficienza dei costi è un obiettivo primario, gli utensili devono essere scelti in base al minor costo al tagliente e la scelta delle condizioni di taglio deve essere bilanciata con quella scelta. I parametri di taglio devono permettere sia una lunga durata ma anche un processo affidabile. Se invece la qualità del componente è la massima priorità, si dovranno usare utensili di precisione ad alte prestazioni ed appropriati parametri di taglio. Qualunque sia l'obiettivo, ciascuna serie di obiettivi porta all'impiego di parametri di taglio e di utensili differenti.

Scelta ed ottimizzazione dei parametri di taglio

Nella pianificazione iniziale della lavorazione di un nuovo componente, la scelta degli utensili e dei parametri di taglio dovrebbe iniziare con la considerazione della strategia di lavoro, della geometria di taglio e del materiale. Il componente in lavoro determinerà la maggior parte di queste richieste. Ad esempio una lega a base nichel di un componente aerospaziale può richiedere la fresatura con una fresa in metallo duro integrale con geometria positiva. La scelta è guidata dagli obiettivi di base dell'officina in termini di tasso di produzione, costi e qualità superficiale del componente in lavoro, e di conseguenza dai parametri (profondità di taglio, avanzamento e velocità di taglio) applicati per raggiungere tali obiettivi.

Un differente processo di selezione è appropriato per una modifica delle attuali lavorazioni per produrre risultati migliori in termini di produttività, economia o affidabilità. In questi casi un approccio passo-passo è consigliato, iniziando con cambiamenti nei parametri di taglio, poi nelle geometrie, nei materiali, negli utensili e finalmente nelle strategie di lavoro. In particolare, la maggior parte delle officine ragiona nel modo inverso e per migliorare le lavorazioni come prima cosa pensa a cambiare utensile o strategia di lavoro.

Un approccio iniziale più facile e di solito più efficace inizia con la modifica dei parametri di taglio. Le condizioni di taglio hanno una vasta influenza e la modifica della velocità di taglio o dell'avanzamento di un valore nominale può risolvere problemi o migliorare la produttività senza dover cambiare utensile.

Se la modifica dei parametri di taglio non riesce a produrre l'effetto desiderato, le modifiche possono essere apportate alla geometria dell'utensile. Tuttavia questa fase è più complicata di una semplice modifica dei parametri di taglio, richiederà l'applicazione di nuovi utensili ed aumenterà i costi relativi agli utensili ed i costi macchina. Un cambio nel materiale degli utensili è un'altra alternativa, ma comporterà un ulteriore investimento in tempo e denaro. Può essere necessario cambiare gli utensili o gli attacchi, ma questo può portare a dover scegliere utensili speciali, e questo può far aumentare di nuovo i costi di produzione.

Se tutto questo non fornisce il risultato desiderato, si rende necessario un cambio nella strategia di lavoro. La chiave è esplorare i cambiamenti un passo alla volta, in modo da aver chiaro quali sono i fattori che danno il risultato desiderato.

Perché sembra essere un approccio veloce e facile, molte officine utilizzano sistemi CAM per effettuare le loro scelte. Questo metodo è efficace in molti casi, ma può non fornire risultati ottimali. Un sistema CAM non prende in considerazione la gamma completa delle singole caratteristiche operative. L'applicazione di una fresa, per esempio, non è semplicemente un caso di impostazione di velocità, avanzamento e profondità di taglio. L'applicazione ottimale implica fattori che vanno dal numero dei denti della fresa, a come i trucioli vengono evacuati, alla resistenza della fresa ed alla stabilità della fresatrice. È necessario conoscere tutti questi fattori per raggiungere completamente gli obiettivi di una lavorazione, siano essi l'asportazione, la durata, la finitura superficiale o l'economia.

Velocità, avanzamento e profondità di taglio

Molti responsabili di officine ritengono che un semplice aumento della velocità di taglio faccia produrre più componenti, e di conseguenza riduca i costi di produzione. Tuttavia, per valutare il costo di produzione ci sono più elementi da considerare e non solo il volume di produzione. Un esempio è un'operazione in cui un cambio utensile durante la lavorazione avrebbe un effetto negativo sulla qualità dei pezzi prodotti e sui tempi di lavorazione.

L'aumento della velocità di taglio si tradurrebbe in una produzione più rapida, ma la durata utensile diminuirebbe. I costi di lavorazione salirebbero a causa dei più frequenti cambi utensile ed ai maggiori tempi di fermo macchina.

L'aumento della velocità di taglio accorcia la durata e può rendere la lavorazione meno stabile, mentre un cambio nella profondità di taglio o nell'avanzamento ha un effetto minimo sulla durata. Di conseguenza, i migliori risultati si ottengono da un approccio equilibrato che comporti la riduzione della velocità di taglio in combinazione al proporzionale aumento dell'avanzamento e della profondità di taglio. Impiegando la maggiore profondità di taglio possibile si riduce il numero di passate richieste e quindi si riduce il tempo di lavorazione. Anche l'avanzamento dovrebbe essere massimizzato, sebbene la qualità del componente lavorato e la finitura superficiale potrebbero risentire di un avanzamento troppo elevato.

In un esempio generico, un aumento della velocità di taglio da 180 m/min a 200 m/min farà crescere l'asportazione solo del 10%, ma avrà un effetto negativo sulla durata. Un aumento dell'avanzamento da 0,2 mm/giro a 0,3 mm/giro farà crescere l'asportazione del 50%, con un effetto minimo o nullo sulla durata.

Nella maggior parte dei casi, aumentando l'avanzamento e la profondità di taglio oppure riducendo la velocità di taglio si aumenta l'asportazione come se si lavorasse con una velocità di taglio maggiore. Tra i benefici di lavorare con minori velocità di taglio, maggiori avanzamenti e minori profondità di taglio c'è la riduzione del consumo di energia.

La fase finale nell'ottimizzazione delle condizioni di taglio è la selezione del criterio corretto in termini di costo minimo di produttività massima, e l'utilizzo della velocità di taglio adatta per ottenere tale criterio. Un modello sviluppato all inizio del XX secolo dall'ingegnere meccanico americano F.W. Taylor può guidare tale scelta.

Il modello dimostra che per una data combinazione di profondità di taglio e avanzamento vi è un certo intervallo della velocità di taglio in cui l'usura è sicura, prevedibile e controllabile. Quando si lavora nell'intervallo, è possibile qualificare e quantificare la relazione tra velocità di taglio, usura e durata utensile. L'obiettivo è una maggiore velocità di taglio che riduca i tempi macchina ma che non faccia aumentare i costi degli utensili a causa della maggiore usura.

Substrato e geometria

Ulteriori passaggi per ottimizzare l'applicazione possono riguardare il substrato e la geometria dell'inserto. Così come la regolazione delle condizioni di taglio implica il trattare con i compromessi necessari in base ai risultati desiderati, la massimizzazione della produttività tramite diversi substrati richiede un equilibrio di compromessi fra le proprietà del substrato stesso.

Poiché il tagliente dell'inserto deve essere più duro del materiale in lavoro, la durezza è una caratteristica chiave. Una durezza elevata, specialmente alle temperature elevate che si generano nelle lavorazioni ad alta velocità, prolunga la durata dell'inserto. Un utensile più duro, però, è anche più fragile. Forze di taglio non uniformi incontrate nella sgrossatura, specialmente in presenza di tagli interrotti o con profondità di taglio variabile, possono provocare rotture in un inserto duro. Una macchina utensile o uno staffaggio non stabili, possono anche accelerare la rottura.

Al contrario, un inserto più tenace, grazie ad esempio alla presenza di una maggiore percentuale di legante al cobalto, ha una maggiore resistenza agli urti. Ma allo stesso tempo, la minore durezza durezza rende l'inserto meno resistente all'usura e/o alla deformazione nelle lavorazioni alle velocità più elevate, o nella lavorazione di componenti abrasivi. La chiave è il bilanciamento delle proprietà in funzione del materiale in lavoro.

La scelta delle geometrie di taglio comporta anche compromessi. Una geometria di taglio positiva ed un tagliente affilato riducono le forze di taglio e massimizza il deflusso truciolo. Però un tagliente affilato non è robusto come uno arrotondato. Le caratteristiche geometriche come la preparazione a T e gli smussi possono rinforzare il tagliente.

Una preparazione a T - una zona di rinforzo dietro il tagliente - con un angolo positivo può fornire una resistenza sufficiente per gestire operazioni e materiali specifici e ridurre al minimo le forze di taglio. Una smusso rinforza la parte più debole di un tagliente affilato, però con un aumento delle forze di taglio. Geometrie di controllo truciolo "dure" guidano il truciolo attraverso un angolo relativamente acuto in modo che si possa arricciare e rompere subito. Queste geometrie possono essere efficaci su materiali a truciolo lungo, ma provocano un carico aggiuntivo sul tagliente. Geometrie di controllo truciolo "dolci" provocano un carico inferiore sul tagliente, ma generano trucioli più lunghi. Diverse caratteristiche geometriche - ed i trattamenti del tagliente come gli arrotondamenti - possono essere combinati per ottimizzare le prestazioni su materiali specifici.

Conclusione

Si deve notare che mentre il personale dell'officina e forse i tecnici di produzione sono molto interessati alle condizioni di taglio ed alla produttività che esse rappresentano, la direzione aziendale non è tanto interessata a questi numeri ma è più interessata agli obiettivi dati dall'insieme di tutte le lavorazioni. Coloro che fanno le scelte delle condizioni di taglio e degli utensili dovrebbero pensare prima agli obiettivi più ampi delle lavorazioni della propria azienda, ed in base a questo effettuare la selezione delle condizioni di taglio e degli utensili che diano le prestazioni che consentano di raggiungere tali obiettivi.

Versatilità degli utensili per i moderni scenari di produzione

La produzione si sta spostando da elevati volumi di massa a produzioni a volumi più bassi ma con mix più elevato, come conseguenza di una maggiore utilizzazione di strategie produttive just-in-time ed il maggior ricorso a subfornitori esterni. I subfornitori possono produrre lotti sempre più piccoli in modo non continuo ma ripetitivo. Il bilanciamento della produttività e delle considerazioni sui costi utensile richiedono che questi offrano versatilità e flessibilità in una vasta finestra applicativa. Minimizzando il numero di utensili necessari in officina si riduce il tempo di movimentazione, con un aumento del tempo disponibile per le lavorazioni.

Il modo tradizionale di aumentare la produttività in una singola e lunga lavorazione di componenti identici è quello di applicare utensili specificatamente progettati per quel processo specifico. Vale la pena progettare ed impiegare utensili speciali quando la spesa può essere ammortizzata nel corso di un lungo ciclo produttivo.

Tuttavia, con lotti più piccoli il bilancio di produttività e costi utensile è più facilmente soddisfatto con utensili versatili "universali" che offrano flessibilità in una vasta finestra applicativa Questi utensili riducono i tempi di fermo minimizzando i tempi necessari per passare a nuovi utensili quando il componente in lavoro cambia. Essi eliminano inoltre la necessità di impostare e provare nuovi utensili.

Un esempio di tali utensili è la gamma Seco Turbo. Questi utensili offrono versatilità in una vasta gamma di applicazioni per fornire una combinazione di contenimento dei costi ed alte prestazioni. Le geometrie di taglio positive delle frese riducono il consumo energetico, portando ad una maggiore durata e dando la possibilità di profondità di taglio ed avanzamenti superiori.

Un altro approccio per utensili universali comporta la definizione di una serie di utensili adatti ad una varietà di applicazioni. Gli utensili Seco Premium sono pensati per la flessibilità. Sono composti da un numero limitato di utensili che non necessariamente formiscono la massima produttività o il costo minore in ogni applicazione. Questi utensili però sono la scelta migliore e più economica quando si ricerca la massima flessibilità per lavorare materiali e componenti che possono rapidamente variare.

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