Strategie di erogazione del refrigerante: confronto tra flood, alta pressione e passante per utensile

Cosa sono e quali proprietà contano per la lavorazione meccanica

Il refrigerante (o liquido di raffreddamento) è un fluido (acquoso, sintetico o semisintetico) progettato per ridurre la temperatura e l’attrito durante la lavorazione meccanica. Le sue proprietà chiave per la scelta della strategia di erogazione sono:

• Conduttività termica: capacità di assorbire e dissipare il calore generato dal taglio;
• Lubricità: capacità di ridurre l’attrito tra utensile e pezzo, tra utensile e truciolo e tra truciolo e superficie lavorata;
• Pressione di erogazione: forza con cui il fluido viene spinto verso la zona di taglio, che determina la sua capacità di penetrare in spazi ristretti;
• Compatibilità con il materiale: resistenza alla decomposizione o alla corrosione quando viene a contatto con metalli ferrosi, non ferrosi o leghe speciali.

Le tre strategie di erogazione più comuni sono:

1. Flood (a flusso libero): il refrigerante viene erogato a bassa pressione (generalmente 2–5 bar) da uno o più ugelli esterni, creando un flusso continuo che avvolge la zona di taglio.
2. Alta pressione (AP): il refrigerante viene spinto a pressioni comprese tra 10 e 70 bar da ugelli esterni o interni, con una forza sufficiente a penetrare in spazi ristretti.
3. Passante per utensile (PPU): il refrigerante viene erogato direttamente attraverso canali interni dell’utensile, uscendo da fori posizionati vicino al tagliente, con pressioni che possono arrivare fino a 100 bar.

Come si comportano sotto l’utensile: forze, calore, trucioli e usura

La lavorazione meccanica genera tre fenomeni che influenzano la scelta della strategia di refrigerazione:

Calore

Il 90% del calore generato dal taglio viene assorbito dal truciolo, il 5% dall’utensile e il 5% dal pezzo. Se non dissipato, il calore provoca la fusione del tagliente, la deformazione del pezzo o la formazione di zone di durezza non uniformi.

• Flood: il flusso libero raffredda la zona di taglio in modo superficiale, ma non riesce a penetrare tra il truciolo e l’utensile, dove si concentra il calore più elevato. È efficace solo per lavorazioni a bassa velocità e con trucioli lunghi e sottili.
• Alta pressione: la forza del flusso rompe i trucioli in pezzi più piccoli, aumentando la superficie di contatto con il refrigerante e migliorando la dissipazione del calore. Penetra anche in spazi ristretti, come quelli tra il tagliente e il pezzo in lavorazioni di foratura o alesatura.
• Passante per utensile: il refrigerante viene erogato direttamente nel punto di generazione del calore, tra il tagliente e il truciolo. È la strategia più efficace per la dissipazione del calore in lavorazioni ad alta velocità o con materiali difficili da lavorare (come titanio o leghe di nichel).

Forze di taglio e attrito

Le forze di taglio dipendono dalla resistenza del materiale e dall’attrito tra utensile e pezzo. Un attrito elevato aumenta le forze, riduce la durata dell’utensile e provoca vibrazioni.

• Flood: la lubrificazione è superficiale, quindi non riduce l’attrito in modo significativo. È adatta solo per lavorazioni con basse forze di taglio.
• Alta pressione: il flusso ad alta pressione crea un cuscino di lubrificante tra l’utensile e il pezzo, riducendo l’attrito e le forze di taglio. È particolarmente efficace per lavorazioni di fresatura di materiali duri o di foratura profonda.
• Passante per utensile: la lubrificazione viene erogata direttamente nel punto di attrito, riducendo le forze di taglio in modo più efficace dell’alta pressione esterna. È la strategia migliore per lavorazioni ad alta velocità o con materiali ad alta resistenza.

Formazione dei trucioli

I trucioli lunghi e continui possono avvolgere l’utensile, danneggiare la superficie lavorata o bloccare il flusso di refrigerante.

• Flood: non ha effetto sulla formazione dei trucioli, quindi non è adatta per materiali che generano trucioli lunghi (come acciaio dolce o alluminio).
• Alta pressione: il flusso ad alta pressione rompe i trucioli in pezzi più piccoli e gestibili, anche in materiali che generano trucioli lunghi.
• Passante per utensile: il refrigerante erogato direttamente nel punto di taglio rompe i trucioli in modo più efficace dell’alta pressione esterna, soprattutto in lavorazioni di foratura profonda o di fresatura di materiali difficili.

Usura dell’utensile

L’usura dell’utensile dipende dalla temperatura, dall’attrito e dalla formazione di trucioli. Le strategie di refrigerazione influenzano tre tipi di usura:

1. Usura del fianco: usura della superficie laterale del tagliente, causata dall’attrito con il pezzo.
2. Usura del tagliente: usura della punta del tagliente, causata dal calore e dall’attrito.
3. Usura da craterizzazione: formazione di crateri sulla superficie del tagliente, causata dalla diffusione del materiale del pezzo nell’utensile.

• Flood: non riduce significativamente l’usura, quindi la durata dell’utensile è inferiore rispetto alle altre strategie.
• Alta pressione: riduce l’usura del fianco e del tagliente, aumentando la durata dell’utensile del 30–50% rispetto al flood.
• Passante per utensile: riduce tutti i tipi di usura, aumentando la durata dell’utensile del 50–100% rispetto al flood.

Parametri pratici: velocità, avanzamenti, geometria dell’utensile e compromessi

La scelta dei parametri di lavorazione dipende dalla strategia di refrigerazione, dal materiale del pezzo e dal tipo di macchina. Di seguito i parametri generali e i compromessi associati:

Velocità di taglio (Vc)

La velocità di taglio è la velocità relativa tra il tagliente e il pezzo, espressa in metri al minuto (m/min).

• Flood: 20–100 m/min per acciai, 50–200 m/min per alluminio. Compromesso: velocità bassa per evitare il surriscaldamento dell’utensile.
• Alta pressione: 100–200 m/min per acciai, 200–400 m/min per alluminio. Compromesso: velocità più alta, ma richiede macchine con sistemi di alta pressione.
• Passante per utensile: 150–300 m/min per acciai, 300–600 m/min per alluminio. Compromesso: velocità molto alta, ma richiede utensili con canali interni e macchine con sistemi di erogazione ad alta pressione.

Per macchine Gree CNC, i parametri dipendono dalla potenza e dalla velocità massima del mandrino:

• Per macchine con mandrino ad alta velocità (come GA-DV750, con velocità massima 30000 rpm) e refrigerazione passante per utensile, è possibile raggiungere velocità di taglio fino a 600 m/min per alluminio.
• Per macchine con mandrino meccanico a bassa velocità (come GA-GF2517, con velocità massima 6000 rpm) e refrigerazione flood, la velocità di taglio è limitata a 20–50 m/min per acciai.

Avanzamento per giro (f)

L’avanzamento per giro è la distanza che l’utensile percorre per ogni giro del mandrino, espressa in millimetri per giro (mm/giro).

• Flood: 0,1–0,3 mm/giro per acciai, 0,2–0,5 mm/giro per alluminio. Compromesso: avanzamento basso per evitare l’usura eccessiva dell’utensile.
• Alta pressione: 0,2–0,4 mm/giro per acciai, 0,3–0,6 mm/giro per alluminio. Compromesso: avanzamento più alto, ma richiede una forza di taglio sufficiente.
• Passante per utensile: 0,3–0,5 mm/giro per acciai, 0,4–0,7 mm/giro per alluminio. Compromesso: avanzamento molto alto, ma richiede un utensile robusto e una macchina con potenza sufficiente.

Per macchine Gree CNC, la potenza del mandrino limita l’avanzamento:

• Per macchine con mandrino ad alta potenza (come GA-UHD500, con potenza 37 kW) e refrigerazione passante per utensile, è possibile raggiungere avanzamenti fino a 0,5 mm/giro per acciai.
• Per macchine con mandrino a bassa potenza (come GA-VT540, con potenza 3,7 kW) e refrigerazione flood, l’avanzamento è limitato a 0,1–0,2 mm/giro per acciai.

Geometria dell’utensile

La geometria dell’utensile dipende dalla strategia di refrigerazione:

• Flood: utensili con angolo di spoglia positivo (per ridurre l’attrito) e senza canali interni. Compromesso: angolo di spoglia positivo riduce la resistenza dell’utensile, quindi non è adatto per lavorazioni ad alta forza.
• Alta pressione: utensili con angolo di spoglia moderato e fori esterni per l’erogazione del refrigerante. Compromesso: fori esterni riducono la resistenza dell’utensile, quindi non è adatto per lavorazioni ad alta velocità.
• Passante per utensile: utensili con canali interni e fori di uscita vicino al tagliente. Compromesso: canali interni aumentano il costo dell’utensile e richiedono una macchina con sistema di erogazione ad alta pressione.

Cosa può andare storto: modalità di guasto, riconoscimento e soluzioni

Ogni strategia di refrigerazione ha modalità di guasto specifiche:

Flood

1. Surriscaldamento dell’utensile: riconoscimento: usura rapida del tagliente, colore bluastro del tagliente. Soluzione: ridurre la velocità di taglio o passare a una strategia di alta pressione o passante per utensile.
2. Formazione di trucioli lunghi: riconoscimento: trucioli che avvolgono l’utensile, danneggiamento della superficie lavorata. Soluzione: rompere i trucioli con un rompitruciolo o passare a una strategia di alta pressione.
3. Contaminazione del refrigerante: riconoscimento: odore sgradevole del refrigerante, crescita di batteri. Soluzione: sostituire il refrigerante regolarmente e aggiungere additivi antibatterici.

Alta pressione

1. Perdite di refrigerante: riconoscimento: gocciolamenti di refrigerante intorno alla macchina, riduzione della pressione di erogazione. Soluzione: controllare le guarnizioni e i tubi del sistema di alta pressione.
2. Danneggiamento della superficie lavorata: riconoscimento: segni di impatto del refrigerante sulla superficie lavorata. Soluzione: ridurre la pressione di erogazione o regolare la posizione degli ugelli.
3. Usura degli ugelli: riconoscimento: riduzione della portata del refrigerante, irregolarità del flusso. Soluzione: sostituire gli ugelli regolarmente.

Passante per utensile

1. Ostruzione dei canali interni: riconoscimento: riduzione della portata del refrigerante, surriscaldamento dell’utensile. Soluzione: pulire i canali interni dell’utensile regolarmente e filtrare il refrigerante.
2. Perdite di refrigerante tra mandrino e utensile: riconoscimento: gocciolamenti di refrigerante intorno al mandrino, riduzione della pressione di erogazione. Soluzione: controllare la guarnizione tra mandrino e utensile.
3. Costo elevato dell’utensile: riconoscimento: costo dell’utensile superiore del 20–50% rispetto a un utensile senza canali interni. Soluzione: valutare il rapporto tra costo dell’utensile e aumento della durata e della produttività.

Limiti onesti: dove queste strategie sono una scelta sbagliata

Nessuna strategia di refrigerazione è adatta a tutti i casi. Ecco i limiti specifici:

Flood

• Non è adatta per lavorazioni ad alta velocità o con materiali difficili da lavorare (come titanio o leghe di nichel), perché non riesce a dissipare il calore in modo sufficiente.
• Non è adatta per lavorazioni di foratura profonda o di alesatura, perché non riesce a penetrare in spazi ristretti.
• Non è adatta per materiali che generano trucioli lunghi, perché non rompe i trucioli.

Alta pressione

• Non è adatta per lavorazioni ad alta velocità con materiali difficili da lavorare, perché non riesce a erogare il refrigerante direttamente nel punto di generazione del calore.
• Non è adatta per macchine senza sistema di alta pressione, perché richiede una pressione di erogazione di almeno 10 bar.
• Non è adatta per lavorazioni con utensili fragili, perché la forza del flusso può rompere l’utensile.

Passante per utensile

• Non è adatta per macchine senza sistema di erogazione ad alta pressione, perché richiede una pressione di erogazione di almeno 30 bar.
• Non è adatta per utensili di piccolo diametro (inferiore a 6 mm), perché i canali interni riducono la resistenza dell’utensile.
• Non è adatta per lavorazioni con materiali che generano trucioli molto duri, perché i trucioli possono ostruire i canali interni dell’utensile.

Tabella di parametri e risoluzione dei problemi

Checklist pratica per la configurazione del lavoro

1. Valuta il materiale del pezzo: per materiali difficili da lavorare (titanio, leghe di nichel) scegli passante per utensile; per materiali facili (alluminio, acciaio dolce) scegli flood o alta pressione.
2. Valuta il tipo di lavorazione: per foratura profonda o alesatura scegli alta pressione o passante per utensile; per fresatura superficiale scegli flood.
3. Valuta le caratteristiche della macchina: verifica se la macchina ha un sistema di alta pressione o passante per utensile. Per esempio:
   • La GA-DV750 (mandrino ad alta velocità, cono HSK-E40) è adatta per passante per utensile in lavorazioni di alta velocità.
   • La GA-MV856 (mandrino meccanico, cono BT40) è adatta per alta pressione in lavorazioni di fresatura di materiali duri.
4. Valuta la geometria dell’utensile: per flood scegli utensili senza canali interni; per alta pressione scegli utensili con fori esterni; per passante per utensile scegli utensili con canali interni.
5. Configura i parametri di lavorazione: regola la velocità di taglio e l’avanzamento in base alla strategia di refrigerazione e al materiale del pezzo.
6. Verifica il sistema di refrigerazione: controlla la pressione di erogazione, la portata e la posizione degli ugelli.
7. Monitora la lavorazione: verifica l’usura dell’utensile, la qualità della superficie lavorata e la formazione dei trucioli.

FAQ

1. Posso usare la refrigerazione passante per utensile su una macchina senza sistema di alta pressione? No, la refrigerazione passante per utensile richiede una pressione di erogazione di almeno 30 bar per penetrare nei canali interni dell’utensile e raggiungere la zona di taglio.

2. Qual è la strategia di refrigerazione più economica? La refrigerazione flood è la più economica, perché non richiede sistemi di alta pressione o utensili speciali. Tuttavia, se si tiene conto della durata dell’utensile e della produttività, la refrigerazione passante per utensile può essere più economica nel lungo periodo.

3. Posso usare la refrigerazione ad alta pressione per lavorazioni di fresatura di alluminio? Sì, la refrigerazione ad alta pressione è adatta per lavorazioni di fresatura di alluminio, perché rompe i trucioli lunghi e riduce l’attrito. Tuttavia, per lavorazioni ad alta velocità, la refrigerazione passante per utensile è più efficace.

4. Come posso evitare l’ostruzione dei canali interni dell’utensile nella refrigerazione passante per utensile? È possibile evitare l’ostruzione filtrandolo il refrigerante con filtri a maglia fine (meno di 10 micron) e pulendo i canali interni dell’utensile regolarmente con un solvente specifico.

5. Qual è la strategia di refrigerazione migliore per la lavorazione di titanio? La refrigerazione passante per utensile è la migliore per la lavorazione di titanio, perché eroga il refrigerante direttamente nel punto di generazione del calore, riduce l’attrito e rompe i trucioli duri. Per esempio, la GA-UHD500 (mandrino ad alta potenza, cono HSK-A63) è adatta per lavorazioni di titanio con refrigerazione passante per utensile.

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