UTENSILI, MACCHINE

UTENSILI, MACCHINE (XXXIV, p. 856; App. II, 11, p. 1079)

Nell'Appendice II sono stati esposti i principali indirizzi manifestatisi negli anni della seconda guerra mondiale in questo campo, con particolare riferimento alle macchine che lavorano per asportazione di materia o produzione di trucioli. Si aggiungono qui alcune considerazioni sugli aspetti dell'ulteriore progresso in questo settore. Tale progresso è caratterizzato dall'aumento della potenza delle singole unità, necessario in generale per far fronte alle più elevate velocità di taglio consentite dal miglioramento nei materiali per utensili e da una sempre più spinta automatizzazione dei sistemi di comando e di regolazione.

Il progredire dell'automatizzazione ha portato con sé una progressiva specializzazione delle singole macchine. Non è infatti ovviamente possibile, né in ogni caso sarebbe conveniente per l'estrema complicazione della costruzione e dei comandi, realizzare macchine automatiche adatte a tutti gli usi. Ciò tra l'altro richiederebbe un lungo e costoso lavoro di preparazione della macchina ogni volta che questa dovesse essere adattata a un nuovo tipo di lavorazione. Ogni macchina automatica è quindi oggi costruita per una o poche lavorazioni simili.

L'automatismo nella produzione di pezzi che richiedano lavorazioni complesse si ottiene trasferendo queste, successivamente, dall'una all'altra di una serie di macchine differenti, ciascuna delle quali esegue una particolare lavorazione. Ciò consente di far lavorare ogni singola macchina nelle condizioni di più grande produzione, ma importa naturalmente una spesa di impianto molto notevole che può essere affrontata solo nel caso in cui gli oneri relativi si possano ripartire su grandi serie di prodotti.

Un'altra caratteristica dell'impiego moderno delle macchine u. è costituita dall'ammissione, ormai generale, del principio che ad ogni macchina competa una vita economica ottima, oltre la quale la macchina, anche se ancora in buone condizioni strutturali e di efficienza, deve essere considerata superata dal progresso raggiunto dalle nuove unità similari. Tale progresso a un certo punto diviene così sensibile da rendere conveniente la sostituzione di una macchina di maggiore e più economica produzione a quella precedentemente in uso, ciò che costringe in genere a prevedere un rapido ammortamento per questo genere di macchinarî. È invalso l'uso, al riguardo, di parlare di una obsolescenza delle macchine, che si manifesta appunto con un superamento delle loro prestazioni da parte di macchine simili di più recente costruzione, di entità tale da sconsigliarne l'ulteriore impiego nel quadro di una ben condotta economia dell'impresa.

Riferendosi, come comunemente si usa, col nome di macchine u. a quelle caratterizzate da una lavorazione per asportazione di materia, si può dire che ogni progresso in questo campo deriva sostanzialmente da due fattori: le caratteristiche dell'u. da taglio, cioè dell'organo essenziale di una lavorazione del tipo considerato, e le modalità costruttive e di funzionamento della macchina.

La potenzialità di lavoro di una macchina u., che potrà essere espressa, ad esempio, dal peso di trucioli prodotti nell'unità di tempo in una data lavorazione di un dato materiale, è in primo luogo legata alla capacità dell'u. da taglio di sopportare sforzi elevati alle temperature più alte possibili. Infatti i limiti alle prestazioni di un utensile da taglio sono essenzialmente legati al riscaldamento da esso subìto per l'attrito e la deformazione del truciolo distaccato dal pezzo in lavorazione.

Sono noti i grandi progressi compiuti sotto questo aspetto nella fabbricazione degli u. da taglio dapprima con la sostituzione degli acciai al carbonio con i cosiddetti acciai rapidi, caratterizzati da alti tenori di elementi di alligazione quali tungsteno, cromo, cobalto, vanadio, e successivamente con l'introduzione degli utensili di metallo duro, costituiti essenzialmente da un componente di estrema durezza, generalmente il carburo di tungsteno, disperso allo stato di granuli finissimi in una matrice di cobalto. Queste leghe dure, delle quali si hanno oggi a disposizione molte varietà adatte alla lavorazione dei più diversi materiali, sono caratterizzate da un'eccezionale resistenza all'abrasione, legata al fatto che esse conservano elevata durezza anche a temperature nettamente più elevate di quelle sufficienti a produrre un sensibile raddolcimento degli acciai al carbonio e anche degli acciai rapidi, che pure sono, sotto questo riguardo, nettamente superiori ai primi. Questa differenza di comportamento è illustrata in fig.1.

Le leghe dure sono preparate con i metodi della metallurgia delle polveri, miscelando intimamente allo stato di polvere finissima il costituente duro, carburo di tungsteno e carburi di altri metalli, con il legante, in generale cobalto, pressando fortemente il miscuglio di polveri in stampi delle forme volute e "sinterizzando" i pezzi pressati, in atmosfera protettiva per impedirne l'ossidazione, ciò che si ottiene portandoli a temperatura sufficientemente elevata per provocare la fusione del cobalto che salda così i granuli duri in blocco omogeneo.

Queste leghe dure, sia per il costo elevato sia per la notevole fragilità, non si impiegano per la costruzione integrale degli u. da taglio, ma solo in forma di placchette, opportunamente sagomate e affilate, che si saldano su barrette di acciaio comune, negli u. da tornio, o su frese, brocce, punte da trapani, alesatori, ecc. per le altre applicazioni.

Un ulteriore progresso si cerca oggi di ottenere con l'impiego di blocchetti non più di lega dura, ma di costituenti non metallici di grande durezza, ad esempio di ossido di alluminio sinterizzato. Questi u. ceramici, per la loro alta refrattarietà dovrebbero consentire temperature di lavoro ancora più elevate; offrono però lo svantaggio di una minore conduttività termica e quindi il pericolo di formazione di lesioni per tensioni termiche indotte dai forti squilibrî di temperatura.

Sia per gli u. di leghe dure sia per quelli ceramici è molto importante, ai fini della durata, che siano assicurate condizioni di lavoro continuo ed uniforme. Particolarmente pericoloso è, infatti, l'improvviso arresto della lavorazione, ad esempio per una interruzione della corrente di alimentazione della macchina, mentre l'u. è impegnato nella sua azione di taglio. Poiché infatti lo sforzo di recisione del truciolo che agisce sull'u. durante la normale lavorazione ad alta velocità è sensibilmente inferiore a quello occorrente per distaccare lo stesso truciolo a basse velocità, in caso di arresto della macchina, prima che questa si fermi, per alcuni istanti agirà sull'u. uno sforzo molto intenso che facilmente produrrà la rottura o la scheggiatura delle placchette di lega dura. In fig. 2 si è illustrata l'accennata legge di variazione dello sforzo di taglio con la velocità di lavoro.

La fondamentale importanza, per la costruzione e il funzionamento delle moderne macchine, delle caratteristiche di taglio degli u. ha portato a un approfondito studio della meccanica di formazione del truciolo, per la individuazione dei parametri sui quali si possa influire per ottenere sempre più elevate produzioni. Questo studio ha fatto nei tempi recenti sostanziali progressi. Ci si limiterà qui a ricordare che il processo di formazione del truciolo può essere sensibilmente diverso da un materiale all'altro.

Se si lavora, ad esempio al tornio, una sostanza fragile, il materiale asportato è di regola costituito da particelle incoerenti, che in generale si sono distaccate dal pezzo senza subire apprezzabili deformazioni permanenti. Si dice allora che nella lavorazione si ha formazione di un truciolo fragile. Si parla invece di truciolo reciso se, pur avvenendo il distacco del materiale in forma discontinua, ogni particella mostra evidenti tracce di una profonda deformazione plastica subita prima del distacco. Si ha infine truciolo fluente quando il materiale distaccato si presenta sotto forma di nastro resistente, che in generale risulta avvolto a spirale per effetto della inclinazione della faccia dell'u. da taglio, che imprime al truciolo una costante deformazione subito dopo il distacco. In fig. 3 si sono illustrati i tre tipi di truciolo ora detti.

La superficie del pezzo lavorato che è generato dal distacco del truciolo mostra generalmente un caratteristico aspetto speculare se la velocità di taglio è opportunamente elevata, altrimenti mostra un aspetto matto dovuto alle numerosissime irregolarità lasciate in essa dall'azione di taglio. Si è rilevato che la velocità di taglio alla quale si passa dall'uno all'altro aspetto della superficie lavorata corrisponde alla scomparsa del cosiddetto tagliente di riporto. Questo è costituito da una piccola massa A del materiale lavorato che si forma in corrispondenza dell'u. di taglio, nel modo illustrato in fig. 3, così che il distacco del truciolo avviene per l'azione di forze da essa trasmesse. ll tagliente di riporto progressivamente si ingrossa, inglobando nuove particelle del materiale lavorato, fino a che trabocca, in tutto o in parte, dando origine a una nuova serie degli stessi fenomeni.

La possibilità di avere uno dei tre tipi di truciolo descritti è legata principalmente alla natura del materiale. Nelle macchine che lavorano ad elevatissima velocità, ad esempio in macchine automatiche per il taglio delle viti, la produzione del truciolo fluente può essere causa di notevoli intralci, perché questo truciolo, se il materiale è tenace, forma rapidamente un groviglio molto ingombrante che non può essere allontanato facilmente in modo continuo. Si usano quindi spesso, in questi casi, particolari tipi di leghe nelle quali, compatibilmente con le volute caratteristiche, si sono introdotti, in misura opportuna, costituenti atti a impartire al truciolo una certa fragilità. In tal modo anziché avere formazione di un truciolo fluente, si ottiene un truciolo reciso, che facilmente si sminuzza e viene così allontanato in modo continuo senza particolari difficoltà.

Tali risultati si ottengono, ad esempio, negli acciai destinati appunto alle lavorazioni su macchine automatiche, mediante piccole aggiunte di solfo o piombo. Le piccole inclusioni finemente disperse di solfuri nel primo caso e di granuli di piombo nel secondo impartiscono al truciolo la voluta fragilità senza peraltro influire in modo inaccettabile sulle caratteristiche di resistenza del metallo. Risultati simili si ottengono nelle leghe leggere, cosiddette decoltè, con l'aggiunta di piccole quantità di bismuto, piombo e cadmio.

Per caratterizzare la capacità di u. da taglio di un dato tipo, sulla quale ci si deve basare per il progetto e per l'impiego di una macchina u., si usa fare riferimento a condizioni ben definite di lavorazione, cioè alla tornitura di un materiale di date caratteristiche, a un truciolo prodotto di assegnate dimensioni e determinare a quale velocità un u. del tipo studiato può lavorare in modo da avere una durata fissata.

Per gli acciai rapidi si usa così definire il valore della V₆₀, velocità di taglio che assicura una durata dell'u. di 60′, prima che si renda necessaria la riaffilatura. Come materiale da lavorare si sceglie un acciaio semplice al carbonio ricotto, con carico di rottura di 50 kg/mm², con un avanzamento di 1,5 mm per giro ed una profondità di passata di 4,5 mm.

Numerose formule empiriche sono, poi, disponibili per determinare, in base alla V₆₀, i valori della velocità di taglio da assumere in condizioni diverse, ad esempio per realizzare una durata diversa da 60′ o per lavorare, a parità di durata dell'utensile, un materiale di caratteristiche differenti o per distaccare trucioli di diversa sezione e così via. A titolo di esempio si ricorda solo una di queste formule, dovute a Taylor, che lega la durata T di un u. di acciaio rapido alla velocità di taglio V:

in cui l'esponente n è uguale a ~ 1/6.

Con il passaggio dagli acciai rapidi ai moderni metalli duri la vita degli u., a parità di condizione, si è molto accresciuta e pertanto si usano dare, per questi materiali, i valori della V₂₄₀ o V₄₈₀, invece che della V o, cioè i valori delle velocità di taglio che assicurano durate di 240′ o 480′. Con durate così grandi degli u. diviene estremamente costosa la sperimentazione in questo campo. Infatti un u. di metallo duro di alta qualità, prima di consumarsi, deve lavorare molto a lungo e ad alta velocità, cioè ridurre in trucioli un elevato peso di acciaio, tenendo impegnata per un tempo notevole una macchina di elevata potenza e di costo rilevante.

Notevoli vantaggi si sono conseguiti in questo settore, come in tanti altri della scienza e della tecnica moderna, dall'applicazione dei radioisotopi allo studio di questo problema. Se gli utensili da sperimentare si espongono preventivamente al flusso di neutroni in un reattore nucleare, ad essi viene impartita una certa radioattività, dovuta alla conversione in isotopi instabili di alcuni degli atomi di tungsteno, cobalto, ed altri elementi che li costituiscono. Se si eseguono le prove di tornitura con questi u., il consumo di essi, anche se assolutamente irrilevabile con altri mezzi, ad esempio all'esame microscopico, è facilmente messo in evidenza dalla radioattività mostrata dai trucioli, ai quali aderiscono le minutissime particelle asportate per abrasione dalla faccia di taglio dell'utensile. Con una adatta tecnica, è possibile stabilire una relazione tra l'entità della radioattività dei trucioli e la rapidità di consumo dell'u., senza necessità di aspettare che questo divenga appariscente, ciò che accadeva, con i metodi precedenti di osservazione, dopo un periodo di diverse ore. Si riduce in tal modo di molto il costo della sperimentazione in questo campo, che è indispensabile, per la complessità dei fenomeni in gioco, sia per la valutazione comparativa dei materiali per u., sia per la determinazione delle condizioni migliori di lavorazione per i diversi materiali nonché per lo studio delle qualità dei liquidi di raffreddamento che in generale si impiegano per impedire un eccessivo riscaldamento dell'utensile.

I progressi realizzati nelle caratteristiche degli u. da taglio hanno costituito uno dei più importanti fattori del progresso delle moderne macchine utensili. Altri notevolissimi vantaggi si sono ottenuti, come è ovvio, dal progresso generale, nella tecnica moderna, delle applicazioni dei sistemi di controllo automatici e dei servomeccanismi più o meno complessi che consentono nei più diversi settori di spingere l'automatismo ad un grado elevatissimo.

La tecnica elettronica ha a sua volta fornito ai costruttori di macchine u. nuovi mezzi sia per il controllo e la regolazione della precisione di lavoro sia per la alimentazione dei motori. Grande sviluppo ha avuto anche in diversi campi la sostituzione dei tradizionali comandi meccanici, a mezzo di ingranaggi, viti, leve, arpionismi di vario genere, con i sistemi di comando idraulico, per lo più azionati da olio in pressione, che consentono grande precisione e dolcezza di movimenti.

Nelle macchine u. moderne e altamente specializzate alle volte si alterano profondamente le caratteristiche fondamentali che tradizionalmente ne distinguevano i diversi tipi. Tuttavia, queste caratteristiche sono sempre utili per una classifica di massima, che conviene sia tuttora basata sulla natura dei diversi moti di lavoro e alimentazione delle macchine.

Nella tabella seguente si ricordano i tipi fondamentali di macchine utensili distinte secondo questi criterî tradizionali, che si sono anche illustrati schematicamente in fig. 4. Nella tabella si sono indicati con P il pezzo in lavorazione e con U l'utensile per specificare la natura dei diversi movimenti. Si ricorda in proposito che si indica col nome di movimento di lavoro quello fondamentale dell'u. relativamente al pezzo in lavorazione. Grazie a questo moto l'u. produce il distacco del truciolo. La velocità di esso si dice velocità di taglio. Il moto di avanzamento è invece destinato a consentire all'u. di esercitare la sua azione di taglio su sempre nuove parti del pezzo.

Bibl.: K. Krekeler, Zerspanbarkeit der metallischen und nichtmetallischen Werkstoffe, Berlino 1951; A. R. Métral, La machine-outil, voll. I-VIII, Parigi 1954; M. C. Shaw, Metal-cutting principles, Cambridge, Massach., 1954; F. Schwerd, Spanende Werkzeugmaschinen, Berlino 1956; R. Tourret, Performance of metal-cutting tools, Londra 1958; C. Agte, R. Kohlermann, E. Heymel, Schneidkeramik, Berlino 1959.