A sinistra Stefan Lenischenko, Progettista Utensili presso la sede Walter di Tübingen: “Per massimizzare le prestazioni e la durata dell’utensile, gli inserti migliori sono quelli ottimizzati per leghe di titanio o superleghe”. A destra, Gerd Kussmail, Product Manager di Walter, Responsabile di prodotto per le lavorazioni di tornitura: “L’evoluzione verso materiali di titanio con un’alta percentuale di elementi beta-stabilizzanti è stata uno dei motivi principali che ci hanno spinto a commercializzare gli inserti indicizzabili Sky tec™”. Foto: Walter AG.
Alcuni materiali sono particolarmente difficili da lavorare: le leghe di titanio e le superleghe altamente termoresistenti, ad esempio, sono entrambe sottocategorie del gruppo di materiali ISO-S, ma, ad un esame più accurato, in condizioni di lavoro presentano comportamenti diversi. Walter sta quindi ampliando il proprio assortimento di inserti a fissaggio meccanico per applicazioni di tornitura con una nuova gamma di geometrie ottimizzate.
a cura di Walter AG
Nell’ambito pratico, titanio e superleghe sono sovente lavorati dallo stesso tipo di inserto. In tali casi, l’impiego di materiali da taglio e di geometrie dimostratesi affidabili nella lavorazione di materiali ISO-M – acciai inossidabili e acciai resistenti agli acidi – non è affatto raro. “Sebbene in tal modo sia possibile trattare materiali di difficile lavorabilità con un insieme di soluzioni”, spiega Stefan Lenischenko, Progettista Utensili presso la sede Walter di Tübingen, “tali soluzioni rappresentano soltanto un compromesso e offrono risultati ben lontani rispetto ad altre opzioni che oggi abbiamo a disposizione. Per ottenere le massime prestazioni e una lunga vita utensile, le migliori soluzioni di inserti sono quelle ottimizzate per leghe di titanio o per superleghe”. Se si tratta di acciaio o di ghisa, gli inserti a fissaggio meccanico universali possono risultare economici nell’impiego, ma con i materiali ISO-S, sono le soluzioni speciali a risultare le più appropriate.
I REQUISITI NECESSARI
Questi due sottogruppi di materiali hanno qualche aspetto in comune: entrambi, ad esempio, tendono a raggrumarsi e a formare un tagliente di riporto; entrambi, allo stesso tempo, hanno scarsa conduttività termica, il che fa confluire nel tagliente la maggior parte del calore di taglio. Ma i punti in comune si fermano qui. Date le caratteristiche specifiche di tali materiali, le leghe di titanio e le superleghe producono forme di truciolo completamente diverse sul tagliente dell’utensile e sono soggette a tipi diversi di usura. Le leghe di titanio tendono alla craterizzazione per diffusione: le particelle di metallo duro si spostano all’interno del truciolo e l’inserto a fissaggio meccanico viene eroso e indebolito nella zona di lavorazione. Le croste di forgiatura particolarmente dure e le forze elevate aumentano il rischio di scheggiatura e di deformazione plastica sul tagliente; inoltre, il materiale presenta un basso modulo di elasticità, che aumenta la tendenza all’oscillazione. E con la formazione del tagliente di riporto, il tagliente stesso si deteriora ancora più rapidamente.
Tutti questi fenomeni si aggravano proporzionalmente alla percentuale di elementi di stabilizzazione beta nella microstruttura della lega. Se il materiale Ti6Al4V, ampiamente utilizzato e contenente sia elementi alfa, sia elementi beta, era già piuttosto difficile da lavorare, il nuovo materiale Ti-5553, una lega beta commercialmente pura, presenta difficoltà ancora maggiori: in linea generale, le velocità di taglio vanno ridotte della metà. Tuttavia, le caratteristiche che preoccupano l’operatore sono invece benvenute per l’ingegnere strutturista: la forza estremamente elevata di questo materiale lo rende infatti ideale per parti di carrelli di atterraggio e componenti strutturali sottoposti a carico nei velivoli. “La tendenza verso i materiali al titanio beta è stata decisiva nell’indurci a commercializzare gli inserti a fissaggio meccanico Sky·tec™”, spiega Gerd Kussmaul, Product Manager di Walter. “In genere, gli inserti a fissaggio meccanico di tipo convenzionale non sono all’altezza degli elevati requisiti di prestazioni e vita utensile del caso”.
Dai componenti a peso ridotto fino a quelli Heavy Duty, la lavorazione delle superleghe viene spesso ostacolata anche dalla formazione di croste di forgiatura, così come dalla tendenza del materiale all’incrudimento per lavorazione a freddo. Inoltre, le forze di taglio estremamente elevate aggravano il problema di sovraccarico del tagliente. Per i componenti fucinati, tipicamente utilizzati per parti di motori nell’industria aeronautica, la profondità di taglio varia e in tali casi è difficile selezionare i parametri di taglio più appropriati. “Le finestre dei parametri di taglio ottimali sono molto ristrette”, sottolinea Stefan Lenischenko.
Analogamente agli acciai, anche le superleghe vengono sottoposte a trattamenti termici: circa l’80% dei componenti arrivano al tornio in stato temprato. Gli operatori devono spesso affrontare gradi di durezza 40-45 HRc, o forze di 1.200-1.600 N/mm2. Oltre alla deformazione plastica, la formazione di matasse e di intagli sono condizioni tipiche che vengono a crearsi sul tagliente e che portano a una rapida fine della vita utensile. Durante la formazione del truciolo, questo solitamente va a colpire la superficie di spoglia superiore dell’inserto a fissaggio meccanico. Nelle superleghe, tale impatto è particolarmente forte e il tagliente corre il rischio, prima o poi, di rompersi. Un altro fenomeno causato dall’incrudimento per lavorazione a freddo è la formazione di intagli. Per contrastare tali effetti occorrono sia un tagliente stabile, sia una geometria positiva e dal taglio agevole: la sfida per i progettisti è quindi conciliare due requisiti in contrasto.
LE SOLUZIONI DI WALTER
Walter ha sviluppato e introdotto sul mercato due gruppi di inserti a fissaggio meccanico per materiali ISO-S, ciascuno con geometrie ottimizzate: per le leghe di titanio, le tre geometrie Sky·tec™ NFT, NMT ed NRT; per le superleghe, i tipi di geometrie NMS ed NRS. L’obiettivo progettuale primario era massimizzare la vita utensile e ottimizzare la rottura del truciolo: nella lavorazione di materiali ISO-S sono infatti pochi gli utensili che offrono tali caratteristiche. Le interruzioni di lavorazione come quelle causate dalla rottura di un utensile da taglio sono molto temute dai reparti di lavorazione, dati gli elevati costi dei componenti. Le applicazioni previste per gli utensili sono identificabili dalle lettere T (per le leghe di titanio) ed S (per le superleghe). Le lettere F, M ed R indicano invece il metodo di lavorazione: finitura, lavorazione media e sgrossatura. N indica una forma base negativa. La denominazione di famiglia Sky·tec™ indica il campo di applicazione primaria: nella fattispecie, l’ingegneria aeronautica. E dove si trovano le leghe di titanio, in genere ritroviamo anche le superleghe: entrambi i sottogruppi ISO-S vengono infatti impiegati nella realizzazione di turbine a gas. Il lato a freddo di tali gruppi è generalmente costituito da leghe quali Ti6AlV4; il lato a caldo è in genere composto da materiali termoresistenti quali l’Inconel 718. “Ci consideriamo un fornitore completo”, afferma Gerd Kussmaul, “e per tale ragione puntiamo sempre ad offrire una soluzione completa per un determinato campo di applicazione. Ed è esattamente ciò che abbiamo fatto con le nostre geometrie speciali per turbine a gas”.
Tutti gli inserti a fissaggio meccanico per materiali ISO-S presentano un raggio al vertice leggermente arrotondato, essenziale per contenere la formazione del tagliente di riporto e lo sviluppo di calore. I dettagli e le differenze specifici risiedono essenzialmente nella macrogeometria, che determina il rispettivo ambito applicativo.
Walter ha sviluppato e introdotto sul mercato due gruppi di inserti a fissaggio meccanico per materiali ISO-S, ciascuno con geometrie ottimizzate: per le leghe di titanio, le tre geometrie Sky·tec™ NFT, NMT ed NRT; per le superleghe, i tipi di geometrie NMS ed NRS. Foto: Walter AG.
Le varianti della serie per titanio Sky·tec™ sono dotate di rompitruciolo speciali, di forma particolarmente stretta. Per ottenere una buona rottura del truciolo nelle operazioni di tornitura, occorre una considerevole riformazione del truciolo di rullatura, anche in stato di avanzata usura. Più in dettaglio, la geometria di sgrossatura NRT è caratterizzata da una struttura particolarmente stabile, dotata di ampio smusso per contenere efficacemente la craterizzazione. La variante per lavorazione media non soltanto presenta un tagliente stabile, ma anche un tagliente curvato, per contenere le pressioni di taglio. Ciò la rende particolarmente adatta per componenti delicati o per applicazioni di lavorazione interna. Il terzo tipo, la geometria di finitura NFT, è ottimizzato grazie a un tagliente affilato con rettifica periferica completa, per lavorazioni di elevata precisione.
Esteriormente, gli inserti a fissaggio meccanico per la lavorazione del titanio non danno nell’occhio: il convenzionale rivestimento in colore dorato o champagne qui è generalmente assente. “Oltre l’80% degli inserti a fissaggio meccanico per materiali al titanio sono realizzati senza rivestimento”, dice Kussmaul. Ciò a causa degli elevati requisiti dell’inserto richiesti dalla craterizzazione tipica del materiale: “In tali condizioni i rivestimenti non offrono alcun vantaggio: per la gran parte delle applicazioni consigliamo quindi il materiale da taglio WS10, privo di qualsiasi rivestimento”.
La caratteristica tipica degli inserti a fissaggio meccanico per superleghe è la loro affilata macrogeometria; la stabilità del tagliente viene conferita da uno smusso primario positivo. La geometria positiva del tagliente è inoltre combinata con un rivestimento PVD in ossido di alluminio. Generalmente, gli inserti a fissaggio meccanico per superleghe sono invece dotati di rivestimento, che contribuisce ad aumentare sensibilmente la vita utensile. Per entrambe le geometrie, lo specialista di utensili in metallo duro di Tübingen offre i materiali da taglio WSM10 e WSM20. Poiché il rivestimento in ossido di alluminio viene applicato con il metodo PVD, ossia a temperature relativamente basse, tali inserti a fissaggio meccanico si dimostrano estremamente resistenti. Lo strato in ossido di alluminio funge da efficiente isolante termico.
L’esatta struttura dello smusso primario dipende dalle velocità di avanzamento, notevolmente basse, possibili nella lavorazione di questi materiali. Contrariamente al rompitruciolo stretto della serie per titanio, le geometrie NRS e NMS danno al truciolo tutta la libertà di svilupparsi. Se il truciolo della superlega diventasse troppo rigido a causa di una significativa rirullatura, esso potrebbe danneggiare irreparabilmente il tagliente in brevissimo tempo. La geometria NRS presenta quindi un avvolgitruciolo più ampio, conformemente alla maggiore profondità di taglio, sebbene leggermente più stretto rispetto alla geometria NMS.
“Per le superleghe finora abbiamo operato con due geometrie distinte, per sgrossatura e per lavorazione media”, sottolinea il progettista, “per cui è plausibile introdurre una terza geometria per operazioni di finitura, basata sul medesimo principio. Lo smusso primario richiedeva un dimensionamento molto ridotto: abbiamo quindi sviluppato una forma strutturale come quella della geometria Sky·tec™ NFT”. Vi è poi un aspetto importante per l’operatore: la geometria NFT per finitura di titanio è adatta anche per la finitura di superleghe.
I più impegnativi fenomeni di usura nella lavorazione delle leghe di titanio sono la craterizzazione e la scheggiatura (a sinistra), mentre per le superleghe i maggiori problemi sono causati dalla formazione di matasse e di intagli (a destra). Foto: Walter AG.
UNA SELEZIONE DI RISULTATI
Alcuni esempi di applicazione dimostrano che gli inserti a fissaggio meccanico ottimizzati siano un buon investimento. Per la sgrossatura di una carcassa turbina in Ti6Al4V da 1,8 m di diametro, un costruttore impiegava abitualmente una geometria comunemente utilizzata anche nella lavorazione di materiali ISO-M, previo adattamento del materiale da taglio alle leghe di titanio. Tuttavia, il costruttore necessitava di tre taglienti diversi, con le conseguenti interruzioni di processo. A fronte di parametri di taglio identici (vc = 55 m/min, f = 0,4 mm/giro, ap = 2,3 mm), l’impiego della nuova geometria Sky·tec™ NRT e del materiale da taglio ha aiutato il costruttore ad ottenere la vita utensile auspicata per un componente e ad accorciare i trucioli in modo coerente.
Un altro costruttore era stato incaricato di tornire una piastra in Inconel 625 da 230 mm di diametro, destinata ad un gruppo per l’industria chimica (200 HB, circa 900 N/mm2). Nell'arco del processo, i responsabili di produzione hanno raffrontato la geometria Walter NMS e il materiale da taglio Walter WSM10 con gli inserti a fissaggio meccanico universali con materiali ISO-M e ISO-S consigliati da altri produttori di materiali da taglio. I parametri di taglio sono rimasti invariati per tutta la durata del test (vc = 50 m/min, f = 0,2 mm/giro, ap = 3 mm). Sebbene con entrambe le soluzioni di compromesso la vita utensile sia terminata dopo soli 18 min, data la formazione di intagli e scheggiatura sul tagliente, l’utensile con geometria ottimizzata NMS sviluppato da Walter non ha subìto formazioni di intagli per 33 min. In termini di quantità, l’inserto a fissaggio meccanico Walter ha “vinto” per 11 parti a 6. In conclusione, gli inserti a fissaggio meccanico valgono decisamente la spesa.
I MATERIALI ISO-S
Le leghe di titanio rappresentano l’80% dei materiali utilizzati nell’industria aerospaziale. Altre importanti applicazioni per tali materiali comprendono i settori industriali medico, chimico e petrolchimico. In base alle rispettive microstrutture, si distingue fra leghe alfa (Ti13V11Cr3Al), leghe alfa-beta (Ti6Al4V) e leghe beta (Ti-5553).
Le superleghe sono suddivise fra leghe base nichel (ad esempio Inconel, Waspaloy), leghe base cobalto (ad esemprio Corodur, Jetalloy 209) e il gruppo meno comune, di importanza marginale, di leghe base ferro (ad esempio Incoloy 800, Jethete M-152), analoghe, per alcuni aspetti, agli acciai. Oltre all’industria aerospaziale, che necessita di superleghe per la costruzione di motori, altri importanti settori che generano forte fabbisogno di materiali altamente termoresistenti comprendono l’industria dei settori chimico e petrolchimico, il settore energia e, entro certi termini, l’industria automobilistica, che utilizza tali materiali per turbocompressori o valvole.
Sgrossatura e finitura con l’inserto a fissaggio meccanico Sky·tec™ di forma base C: l’angolo a 100° è dotato di geometria di sgrossatura NRT, quello ad 80° è dotato di geometria di finitura NFT. Foto: Walter AG.