Superfinitura: gli utensili in CBN

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Negli ultimi anni abbiamo assistito a un notevole sviluppo nell’impiego degli utensili in CBN (nitruro cubico di boro) per la tornitura di superfinitura degli acciai temprati. Tale successo è sostanzialmente dovuto alla capacità del CBN sia di lavorare materiali caratterizzati da elevata durezza (> 45 HRC) sia di realizzare superfici con elevati gradi di finitura. Per questo motivo spesso è possibile sostituire le operazioni di rettifica con quelle di superfinitura mediante inserti in CBN. Nel settore automobilistico, ad esempio, gli utensili in CBN vengono utilizzati da alcuni anni nella tornitura di finitura degli ingranaggi in acciaio con durezza superficiale di circa 60 HRC (figura 1). In questo modo si sostituiscono le più lunghe e costose operazioni di rettifica, in quanto i valori di rugosità e le tolleranze dimensionali prescritte vengono ottenute direttamente sul tornio, permettendo di incrementare la produttività. In particolare lo studio condotto, oggetto di una tesi [1] svolta presso il Politecnico di Milano, ha lo scopo di riferire sui risultati ottenuti in lavorazioni con lubrorefrigeranti, tradizionalmente poco utilizzati a causa della suscettibilità del CBN a scheggiature dovute a shock termici, nonché di illustrare le prestazioni dei nuovi inserti prodotti dalla Mitsubishi Carbide, denominati Wiper. I risultati riportati si riferiscono a lavorazioni di tornitura su acciaio per utensili UNI 90 Mn V Cr 8 KU temprato (durezza 60 HRC). Il pezzo, di diametro iniziale di 70 mm, è stato fissato fra mandrino autocentrante e contropunta su una lunghezza di 145 mm.

Impiego del fluido da taglio

Come riportato in recenti studi sull’utilizzo del CBN [2, 3], la lavorazione a secco, consigliata dagli stessi utensilieri sia per problemi ecologici sia per il rischio di eventuali scheggiature dell’utensile dovute a shock termici, comporta un non trascurabile aumento di temperatura del pezzo con conseguenti sue dilatazioni e inevitabili errori dimensionali. Numerose prove sperimentali condotte con fluido da taglio opportunamente indirizzato sul tagliente e, condizione fondamentale, ancor prima che questo venga a contatto col pezzo, hanno dimostrato la completa assenza di scheggiature e/o incrinature. Per confrontare i due tipi di lavorazione, a secco e con fluido, sono state effettuate prove di tornitura adottando le stesse condizioni di taglio riportate in [2, 3] e precisamente: velocità di taglio v = 150 m/min; avanzamento a = 0,05 mm/giro; profondità di passata p = 0,2 mm; inserto CNMA 12 04 08 F MB 820, prodotto da Mitsubishi Carbide. La prima osservazione riguarda i valori di rugosità e in particolare l’andamento di tali valori nel tempo. I valori medi di rugosità ottenuti sul pezzo per l’intera durata dell’utensile (oltre le 4 ore) si attestano sui Ra = 0,25 µm per le prove con fluido e 0,45 µm per quelle a secco; quindi in media si assiste a una riduzione della rugosità del 44%. Osservando poi l’andamento della rugosità in funzione del tempo di lavorazione (figura 2), che mette a confronto i due tipi di lavorazione, si nota che la prestazione fornita dall’inserto che ha lavorato con fluido è costante nel tempo, a differenza dell’inserto che ha lavorato a secco che, poco oltre la metà della durata totale, inizia a generare rugosità crescenti fino a valori di quasi 1 µm. Nella figura 3 è riportato l’andamento del labbro di usura VB sul fianco secondario nei due casi: come si può notare il fluido da taglio riduce sensibilmente l’usura permettendo quindi una maggiore durata dell’utensile con conseguente minor costo imputabile all’utensile stesso. Inoltre gli errori dimensionali e di forma sul pezzo, come riportato in [2, 3], sono imputabili quasi interamente alla dilatazione termica del pezzo per effetto del calore generato dalla lavorazione. Infatti l’usura dell’utensile genera un errore dimensionale che può essere facilmente corretto in fase di programmazione della macchina e che comunque è di pochi micron per la maggior parte delle operazioni di finitura la cui durata è di pochi minuti. Così come sono trascurabili, nella maggior parte dei casi, le deformazioni elastiche dovute alla forza di taglio. Nella figura 4 è riportato l’errore di conicità rilevato in funzione del labbro di usura nel caso di lavorazione a secco e con fluido da taglio. Come si vede, gli errori sono molto contenuti anche con l’utensile consumato (VB > 0,3 mm) che genera maggior calore. Da notare che la portata del fluido da taglio è stata di soli 2,5 litri/min; con portate maggiori l’errore di conicità è praticamente nullo anche con l’utensile fortemente usurato.

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