Lavorazione particolari in titanio

APPLICAZIONI
gg Sabine Steinkellner
TITANIO
Una lavorazione in grande stile
NELLE LAVORAZIONI PESANTI
ESISTONO PARTICOLARI
ESIGENZE RIGUARDO ALLA
MACCHINA E AL CICLO
DI LAVORO. QUANDO SI
HA A CHE FARE CON UN
MATERIALE DIFFICILMENTE
LAVORABILE QUALE IL TITANIO,
È NECESSARIO UN KNOWHOW SPECIALE. CON UNA
SOLUZIONE DI LAVORAZIONE
PER COMPONENTI DI TELAI
DI AEREI, LA WFL MILLTURN
TECHNOLOGIES GMBH & CO.
KG È RIUSCITA A SOTTOLINEARE
LA SUA COMPETENZA IN
QUESTO SETTORE.
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Macchine Utensili
giugno 2014
L’
azienda produttrice di
macchine utensili WFL
Millturn Technologies GmbH
& Co. KG è specializzata
nel settore della lavorazione
completa di componenti
meccanici. WFL si concentra
esclusivamente sulla
produzione di centri multifunzionali
di tornitura-foratura-fresatura,
offrendo, inoltre, ai propri clienti
soluzioni complete. Insieme alla
macchina si consegnano le necessarie
soluzioni software dotate di strategie
di lavorazione ad hoc, oltre che gli
strumenti per l’interpretazione di
processo e per la programmazione.
L’industria aeronautica rappresenta un
importante segmento di mercato per
WFL. «In questo ramo dell’industria si
affermano sempre più materiali difficili
da lavorare alle macchine utensili»,
spiega Reinhard Koll, responsabile
del settore Tecniche applicative in
WFL. «La lavorazione del titanio è, in
particolare, un settore a cui possiamo
puntare con il nostro accresciuto knowhow» aggiunge, riferendosi a una
competenza essenziale di WFL.
Un materiale dalle
proprietà particolari
Il titanio ha sempre mostrato particolari
difficoltà nella sgrossatura per
asportazione di truciolo. Negli anni
passati, il titanio 3.7165 si è imposto tra
i materiali da costruzione leggeri per
le sue eccellenti proprietà soprattutto
nell’industria aerea e aerospaziale, ma
anche nel settore medico. Si tratta di
una delle leghe di titanio più utilizzate,
contenente per il 6% alluminio e per
il 4% vanadio. Questa lega, definita
abitualmente Ti6Al4V, presenta
un’ottima combinazione di proprietà
meccaniche, resistenza alla corrosione
e capacità di carico. Sebbene per questo
materiale si disponga al momento di
buoni valori empirici e dati di taglio,
la sua lavorazione e, in particolare,
la sua sgrossatura è ancora una delle
discipline di maggiore importanza.
Tuttavia, per le esecuzioni speciali
si sviluppano sempre nuove leghe di
titanio, molto spesso addirittura in
base alle richieste del cliente. Il titanio
5553 (Ti5Al5V5Mo3Cr) di VSMPO
(nota: l’azienda russa è il maggiore
produttore al mondo di materiali in
titanio) è, per esempio, il materiale
più utilizzato nella produzione di telai
per l’industria aeronautica. Questo
materiale si distingue per le sue proprietà
notevolmente migliorate in resistenza
e duttilità. Esso risulta, inoltre, essere
insensibile alle variazioni strutturali
causate dal riscaldamento. Durante
la sgrossatura, questo materiale si
dimostra essere un vero titano: un
materiale certamente degno del suo
nome, che deriva dalla mitologia greca.
Il Ti 5553 è attualmente uno dei materiali
più difficili da lavorare disponibili sul
mercato. Durante la sua lavorazione non
si dovrebbe superare una velocità di taglio
pari a 45m/min; a velocità di taglio di
soli 60m/min si vengono a creare, infatti,
sforzi di taglio sino a 2.780 N/mm².
Problemi quali il calore puntiforme
causato da una sua cattiva conduzione
e da relative variazioni chimiche nel
materiale (infragilimento alle alte
temperature) o la formazione di taglienti
di riporto si manifestano molto più
spesso in questo materiale, rispetto alle
altre leghe di titanio. Con il Ti 5553 è
perciò necessario prestare particolare
attenzione, affinché velocità di taglio,
avanzamento e profondità di penetrazione
siano coordinati fra loro. L’utilizzo di
adeguati refrigeranti e lubrificanti è
quindi importante tanto quanto l’esatta
strategia di refrigerazione. Si deve
provvedere, inoltre, a una rimozione
veloce e continua delle scaglie, perché la
dissipazione di calore avviene perlopiù
attraverso l’utensile. Un ulteriore sfida
relativa a questo materiale è la rimozione
dello strato superficiale forgiato, chiamata
dagli esperti anche «pelle di elefante».
C Reinhard Koll, responsabile del
settore Tecniche applicative in WFL.
C Dieter Schatzl, Dott. in amministrazione
aziendale, Marketing Manager di WFL.
Questo rivestimento presenta, in seguito
al procedimento di forgiatura in serie e
agli effetti che ne scaturiscono dal punto
di vista termico e metallurgico, una
tempra superficiale molto alta. Grazie al
limitato modulo di elasticità, il titanio
tende a ridurre la pressione dell’utensile e
a saldare con il tagliente. La lavorazione
dovrebbe avvenire, così come già
accennato, a velocità di taglio ridotte,
ma con un avanzamento relativamente
consistente e regolare. È necessario
prestare, in ogni caso, attenzione alla
condizione dei taglienti, anche quando
questi risultano essere serrati. Quale
materiale di taglio sono utilizzati acciai
a taglio rapido ad alto contenuto di
cobalto, carburi metallici o stelliti.
È in particolare durante la rettifica che
si manifestano le speciali proprietà
del titanio. A causa del coefficiente di
attrito relativamente elevato, durante la
rettifica si manifestano alte temperature
che causano reazioni chimiche tra il
metallo e la sostanza abrasiva, oltre che
bruciature e sigillature della superficie
del pezzo. A causa del surriscaldamento
locale relativamente veloce, le sostanze
abrasive si smussano velocemente,
scivolando sulla superficie. Già
quando la superficie rettificata non è
ancora visibilmente bruciata possono
manifestarsi delle tensioni superficiali,
capaci di portare a crepe di rettifica e
di andare a inficiare il limite di fatica.
I refrigeranti utilizzati sono di regola
soluzioni a base acquosa, quali soluzioni
acquose di nitrito di sodio o soluzioni
acquose di oli solubili in acqua, ma anche
olio solforato o clorato, che possono essere
utilizzati a temperature inferiori ai 200°C
(in questo caso il pezzo deve essere però
pulito successivamente alla sgrossatura).
Ecco come funziona
Nella sgrossatura al tornio, l’angolo di
taglio in utensili per carburi metallici
dovrebbe collocarsi tra -6° e +6° e
nella tornitura tra 0° e 15°. L’angolo di
incidenza dovrebbe misurare sempre
circa 7°. L’angolo di inclinazione dovrebbe
essere, in caso di metalli duri, -4° e, in
caso di acciai rapidi, compreso tra 0° e 5°.
Poiché il titanio tende inoltre a saldarsi
con l’utensile, la fresatura concorde è
da preferire alla fresatura discorde. La
scaglia a forma di virgola viene quindi
separata nel suo lembo più sottile,
riducendo così i danni relativi alla
fresatura. L’angolo di taglio della fresa
dovrebbe collocarsi, per gli acciai rapidi,
tra 0° e 10° e per i metalli duri a 0°,
con un angolo di incidenza pari a 12°.
L’esperienza è decisiva
Tutto questo dimostra che nella
lavorazione del titanio è necessaria
molta esperienza per poter scegliere e
utilizzare gli utensili e per determinare,
inoltre, le strategie di lavorazione.
In un progetto concreto di WFL si tratta
di lavorare componenti per telai di aerei.
In questi casi si è soliti richiedere al
fornitore delle macchine utensili uno
studio di concetto che includa le principali
fasi di lavorazione. I semilavorati per
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APPLICAZIONI
TITANIO
B Lavorazione su centro di tornitura/
fresatura WFL di un componente
per un carrello di atterraggio
E Il centro di tornitura/
fresatura WFL M120
Un progetto generale
armonioso
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i componenti sono, di regola, pezzi
forgiati aventi grandi dimensioni e,
quindi, anche costi impegnativi.
Già in fase di progetto, deve essere
dimostrato che durante la produzione è
possibile approfondire gli aspetti critici
della lavorazione. A tal proposito, deve
essere considerato che diversi spessori
del materiale nei pezzi semilavorati
richiedono adeguate strategie di
lavorazione. Le zone influenzate dal
calore devono essere quindi controllate
allo stesso modo delle forze di taglio
presenti. Esse si trovano nella «pelle
d’elefante», per circa il 70-80% al di
sopra di quelle dell’acciaio solidificato.
«I materiali difficili da sgrossare, come il
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Macchine Utensili
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titanio, hanno contribuito a plasmare lo
sviluppo delle macchine WFL. Forniamo
soluzioni personalizzate proprio per
questi casi di utilizzo impegnativi che,
oltre alle vere e proprie macchine, trattano
anche temi quali la refrigerazione e le
strategie di produzione», Dieter Schatzl,
Marketing Manager di WFL, spiega
così una delle competenze principali
dell’azienda produttrice di macchine
di Linz. «Siamo in grado di adattare
esattamente i MILLTURN alle richieste
dei nostri clienti. Un esempio è l’arresto
di emergenza che, in caso di mancanza
di tensione, ritira immediatamente
l’utensile dal pezzo evitando così
di danneggiarlo» aggiunge Koll.
In WFL si presta molta attenzione
affinché le richieste del cliente siano
messe in pratica, in modo da risultare
parte integrante del progetto generale. Per
esempio, grazie a un design particolare
delle guide e dei mandrini, si è in grado
di soddisfare le specifiche richieste
previste nei progetti dei clienti e di
adattare i componenti delle macchine
alle diverse condizioni di carico. Nella
lavorazione del titanio la refrigerazione
è particolarmente importante. Il titanio
brucia a temperature superiori agli 880°C,
pertanto va previsto un adeguato sistema
antincendio e antiesplosione. Il vantaggio
di un proprio sviluppo dei mandrini
risulta evidente anche nell’alimentazione
del refrigerante. Il lubro-refrigerante
può così essere alimentato direttamente
sul tagliente attraverso il mandrino
con una pressione sino a 200 bar.
Inoltre, con le macchine di lavorazione
completa WFL è possibile misurare
i pezzi anche durante il processo di
lavorazione. «Il cliente desidera una
macchina dal processo sicuro. Di
questo fa parte anche un supporto nella
scelta degli utensili, ma soprattutto
nella strategia di lavorazione, poiché a
determinate dimensioni del pezzo già
un solo pezzo di scarto è un’enorme
perdita economica» concretizza,
infine, Dieter Schatzl riguardo alle
esigenti richieste dei clienti.
Grazie alle sue soluzioni per la
lavorazione pesante, WFL si è fatta un
nome a livello internazionale. L’azienda
con know-how nella lavorazione ha
dimostrato che questa è possibile anche
con materiali difficili da lavorare alle
macchine utensili, come il titanio, e con
i processi di sgrossatura per il difficile Ti
5553 WFL Technologies può evidenziare
interamente il suo ruolo di competenza
nella sgrossatura di questo materiale. z