Fresatura laterale ad alti avanzamenti su titanio: esempio di lavorazione, con CoroMill Plura di Sandvik Coromant, della trave del carrello di atterraggio.
Dal turismo spaziale all’innovazione della tecnologia missilistica, l’uomo si sta immergendo sempre più nel profondo universo. Ma quanto si sa sugli strumenti che permettono l’esplorazione spaziale? Il ruolo del taglio dei metalli nell’aerospace.
di William Durow, Sandvik Coromant
Negli ultimi anni abbiamo fatto davvero passi da gigante verso lo spazio. La missione JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) dell’Agenzia Spaziale Europea è partita ad aprile 2023 e arriverà nel sistema gioviano nel 2030. A quel punto, ci vorranno tre anni e mezzo per osservare le tre lune di Giove. Sempre nel 2023, sono avvenuti circa 100 lanci per SpaceX e, nel mese di settembre, la missione OSIRIS-Rex della NASA è terminata con il ritorno sulla Terra della sonda. Questi sono solo alcuni dei progetti recenti, pensati per conoscere meglio la nostra galassia.
Sono comunque molti gli aspetti da considerare per viaggiare tra le stelle. Che si tratti di pianificare accuratamente la missione, procedere a rigorose simulazioni, disporre di responsabili di missione qualificati o di un efficace piano di emergenza, un viaggio spaziale di successo deve essere programmato, preparato ed eseguito con estrema attenzione. Va considerato anche che i materiali utilizzati nelle applicazioni spaziali devono resistere ad alcune delle condizioni più estreme che si possano immaginare, come, per esempio, il vuoto, le radiazioni, il ciclo termico e l’impatto di micrometeoriti.
Lavorazione HRSA e titanio di un motore dedicato all’Aaerospace.
L’USO DI MATERIALI TENACI
Per tutto ciò che è destinato a viaggiare nello spazio è necessario scegliere materiali in grado di garantire sicurezza, prestazioni e funzionalità in condizioni estreme. Dal punto di vista strutturale, i materiali devono resistere alle pressioni e alle sollecitazioni elevatissime che si presentano durante il lancio e in volo. Va considerato anche l’intenso calore generato durante il rientro nell’atmosfera terrestre e la conseguente necessità di utilizzare materiali esterni in grado di proteggere il veicolo, mentre altri componenti (per esempio, gli ugelli dei razzi) devono essere realizzati con materiali resistenti al calore.
Anche il peso è un aspetto da considerare, soprattutto per componenti quali i serbatoi di propellente dei razzi, dato che un serbatoio più leggero resiste meglio alle sollecitazioni strutturali e aumenta la capacità di carico utile. Quanto più pesa il razzo, tanto minore sarà il carico utile disponibile per satelliti, strumenti scientifici ed equipaggio da trasportare nello spazio. I serbatoi più leggeri consentono invece di aumentare il carico utile, massimizzando le capacità della missione.
I materiali più diffusi per queste applicazioni includono le superleghe resistenti al calore (HRSA). Grazie alla loro eccezionale capacità di resistere a condizioni difficili, questi materiali sono particolarmente adatti alle missioni spaziali. La loro robustezza, tuttavia, comporta anche una serie di sfide di lavorazione.
Essendo in grado di resistere a temperature estreme, forti sollecitazioni meccaniche e ambienti corrosivi, le HRSA vengono utilizzate soprattutto in applicazioni in cui i materiali convenzionali cederebbero. Grazie alla capacità di mantenere le proprietà meccaniche e l’integrità strutturale a temperature molto elevate, spesso superiori a 1.000 °C, alla loro eccellente resistenza allo scorrimento e alla buona stabilità termica, le HRSA sono adatte a componenti quali pale di turbina, ugelli di scarico e camere di combustione.
Ma le HRSA hanno anche dei limiti, soprattutto dal punto di vista della lavorazione. Se è vero che la loro composizione metallurgica mira a preservarne le proprietà anche in caso di esposizione a temperature estreme, ciò significa anche che le sollecitazioni generate durante la lavorazione di questi materiali sono elevate. Le superleghe a base di nichel hanno la capacità unica di resistere quasi fino al punto di fusione, il che le rende tendenzialmente difficili da lavorare.
Un altro importante materiale utilizzato per i componenti spaziali è il titanio. Con una densità pari a circa la metà di quella dell’acciaio, il titanio è un metallo leggero che contribuisce a ridurre il peso complessivo del veicolo spaziale, favorendo l’efficienza di consumo del carburante e aumentando la capacità di carico utile. Inoltre, essendo altamente resistente alla corrosione e all’ossigeno atomico, il titanio è ideale per applicazioni nell’orbita terrestre bassa, dove il suo strato di ossido può fornire protezione da questa forma altamente reattiva di ossigeno.
Anche nel caso del titanio, i vantaggi sono controbilanciati da una serie di difficoltà di lavorazione. Per contrastare l’elevata resistenza del materiale, gli utensili da taglio devono essere affilati, mantenere il filo tagliente ed essere incredibilmente resistenti all’usura, mentre la bassa conducibilità termica rispetto a metalli quali l’acciaio o l’acciaio inossidabile può portare all’accumulo di calore in lavorazione e, di conseguenza, alla rottura prematura dell’utensile.
Particolare di un disco motore per il settore Aerospace.
CONSIDERAZIONI SULLA LAVORAZIONE
La lavorazione delle superleghe resistenti al calore richiede utensili e tecniche speciali, quindi, cosa devono considerare gli ingegneri aerospaziali? Il primo aspetto da considerare è il materiale degli utensili da taglio. Il materiale predominante è il metallo duro ma sono disponibili anche la ceramica e il nitruro di boro cubico (CBN), adatti rispettivamente alla sgrossatura e alla finitura di HRSA, mentre il diamante policristallino (PCD) è perfetto per la finitura su leghe di titanio.
Anche i rivestimenti e la geometria degli utensili sono importanti. Di solito, questi materiali vengono tagliati e, per non generare calore durante la lavorazione, è preferibile scegliere una geometria affilata. I rivestimenti dovrebbero essere sottili e tenaci. Per le HRSA, la deposizione fisica mediante vapore (PVD) è generalmente la scelta prioritaria ma, nelle applicazioni di tornitura del titanio, è preferibile orientarsi su una qualità non rivestita.
Le HRSA vengono solitamente lavorate a velocità di taglio (giri/min) inferiori rispetto ai materiali convenzionali, in modo da prevenire un eccessivo accumulo di calore e problemi di usura a intaglio. Anche la regolazione della velocità di avanzamento e della profondità di taglio gioca un ruolo cruciale nel mantenere efficiente la lavorazione e, considerata la quantità di calore generata da HRSA e titanio, non va dimenticata l’importanza di una corretta strategia di raffreddamento.
Per facilitare la rottura dei trucioli e dissipare il calore in eccesso, si utilizza spesso il refrigerante ad alta pressione. Il monitoraggio dell’usura degli utensili, infine, può rivelarsi importante per prevedere i guasti degli utensili e ridurre la possibilità di rottura degli inserti e del conseguente danneggiamento di componenti spesso costosi.
Un metodo consigliato da Sandvik Coromant per la lavorazione dei componenti spaziali è la fresatura laterale ad avanzamenti elevati. Questa tecnica prevede un piccolo impegno radiale nel pezzo, che consente di aumentare le velocità di taglio e avanzamento e la profondità di taglio assiale, riducendo nel contempo il calore e le forze radiali.
A supporto di questo metodo, Sandvik Coromant ha sviluppato CoroMill® Plura HFS, gamma di utensili per la fresatura laterale ad avanzamenti elevati. Questa gamma include una serie di frese a candela con geometrie e qualità esclusive, suddivise in due famiglie. Una famiglia è ottimizzata per le leghe di titanio, l’altra per le leghe di nichel. ©TECN’È
Gli utensili integrali rotanti ottimizzati, come la fresa a candela CoroMill Plura, possono essere personalizzati per applicazioni specifiche.
