La lavorazione ad alta velocità (HSM, dall'inglese High-Speed Machining) è un processo di asportazione di truciolo che si basa su velocità di rotazione del mandrino e avanzamenti del taglio significativamente superiori a quelli della lavorazione convenzionale, con l'obiettivo di aumentare la produttività, ridurre le forze di taglio e migliorare la qualità superficiale del pezzo.
L'alluminio è uno dei materiali più comuni per l'HSM, grazie a proprietà specifiche che lo rendono adatto a questo approccio:
È importante specificare che queste proprietà variano in base alla lega: ad esempio, l'alluminio 7075 (indurito per precipitazione) è più duro e resistente del 6061, quindi richiede parametri leggermente diversi, ma rimane comunque un candidato ideale per l'HSM.
Per impostare correttamente l'HSM dell'alluminio, è fondamentale capire come il materiale reagisce durante il taglio, in termini di forze, calore, trucioli e usura dell'utensile.
Le forze di taglio sono le forze esercitate dall'utensile sul pezzo durante l'asportazione del truciolo. Nell'HSM dell'alluminio, queste forze sono significativamente inferiori rispetto alla lavorazione convenzionale: questo deriva da due meccanismi chiave:
Le forze di taglio più basse hanno due vantaggi principali: riducono la deformazione del pezzo (particolarmente importante per pezzi sottili o con geometrie complesse) e diminuiscono l'usura dell'utensile e delle componenti della macchina.
La maggior parte del calore nel taglio meccanico deriva dalla deformazione plastica del materiale e dall'attrito tra utensile e truciolo. Nell'HSM dell'alluminio, il calore ha un comportamento specifico:
Il truciolo è il materiale asportato durante il taglio, e la sua forma e dimensione influenzano la qualità del processo. Nell'HSM dell'alluminio, i trucioli sono generalmente piccoli e fragili, grazie alla velocità elevata che rompe il materiale prima che formi trucioli lunghi. Un truciolo ben formato è corto e a forma di "c" o "8", che può essere evacuato facilmente dalla zona di taglio.
L'usura dell'utensile è il deterioramento delle sue superfici di taglio, che riduce la qualità del pezzo e la durata dell'utensile. Nell'HSM dell'alluminio, i meccanismi di usura più comuni sono:
I parametri di taglio sono i valori che definiscono il processo, e la loro scelta dipende da tre fattori principali: le proprietà della lega di alluminio, la geometria dell'utensile e le caratteristiche della macchina CNC. Ecco i range consigliati e i compromessi associati.
La velocità di taglio (Vc) è la velocità lineare dell'utensile rispetto al pezzo, espressa in metri al minuto (m/min). La velocità del mandrino (n) è la velocità di rotazione dell'utensile, espressa in giri al minuto (rpm), e si calcola con la formula:n = (Vc × 1000) / (π × D)
dove D è il diametro dell'utensile in millimetri.
Per l'alluminio, la velocità di taglio consigliata varia tra 300 e 3000 m/min, a seconda della lega e del tipo di utensile:
La velocità massima del mandrino della macchina limita la velocità di taglio raggiungibile, soprattutto per utensili di piccolo diametro. Ad esempio:
Per questo motivo, le macchine adatte all'HSM dell'alluminio hanno mandrini ad alta velocità. Ecco alcuni modelli Gree CNC e le loro caratteristiche:
Per utensili di diametro maggiore (es. 20 mm), una velocità di taglio di 1500 m/min richiede una velocità del mandrino di ~23.870 rpm, quindi anche in questo caso è necessario un mandrino ad alta velocità.
L'avanzamento per dente (fz) è la distanza che l'utensile avanza per ogni dente per ogni giro del mandrino, espressa in millimetri per dente per giro (mm/dente/giro). L'avanzamento totale (Vf) è la velocità di avanzamento dell'utensile rispetto al pezzo, espressa in millimetri al minuto (mm/min), e si calcola con la formula:Vf = fz × z × n
dove z è il numero di denti dell'utensile.
Per l'alluminio, l'avanzamento per dente consigliato varia tra 0,1 e 0,5 mm/dente/giro, a seconda della geometria dell'utensile e della profondità di taglio:
Un avanzamento troppo basso riduce la produttività e aumenta il rischio di BUE, perché l'utensile rimane a contatto con il materiale per un tempo più lungo. Un avanzamento troppo alto aumenta le forze di taglio e può causare rottura dell'utensile o deformazione del pezzo.
La profondità di taglio è la distanza che l'utensile penetra nel materiale, e si divide in profondità di taglio radiale (ap, la profondità lungo l'asse del mandrino) e profondità di taglio assiale (ae, la profondità perpendicolare all'asse del mandrino).
Per l'HSM dell'alluminio, la profondità di taglio consigliata è generalmente inferiore a quella della lavorazione convenzionale:
Una profondità di taglio troppo alta aumenta le forze di taglio e l'usura dell'utensile. Una profondità troppo bassa riduce la produttività, perché è necessario più passaggi per asportare lo stesso volume di materiale.
La geometria dell'utensile influisce in modo significativo sul processo di taglio. Per l'alluminio, le caratteristiche consigliate sono:
Anche con parametri adeguati, l'HSM dell'alluminio può presentare problemi. Ecco i guasti più comuni, come riconoscerli e come risolverli.
L'HSM dell'alluminio è un processo molto efficace per molte applicazioni, ma non è adatto a tutti i casi. Ecco i limiti principali:
L'HSM dell'alluminio non è adatto a materiali diversi dall'alluminio, a meno che non si modifichino completamente i parametri. Ad esempio, per acciai o titanio, la velocità di taglio richiesta è molto inferiore, e le forze di taglio sono molto più alte, quindi l'HSM non porta vantaggi significativi.
Le macchine adatte all'HSM dell'alluminio hanno generalmente limiti di carico del tavolo e di corsa. Ad esempio, la GA-DV750 ha un carico massimo del tavolo di 200 kg, quindi non è adatta a pezzi molto pesanti. Per pezzi molto grandi, sono necessarie macchine a portale, ma queste hanno velocità di rotazione del mandrino più basse (es. la GA-GF2517 ha una velocità massima di 6000 rpm), quindi non sono adatte all'HSM.
Come già accennato, per utensili di diametro inferiore a 1 mm, la velocità di taglio richiesta per l'HSM è molto superiore a quella raggiungibile dalle macchine industriali. In questi casi, la lavorazione convenzionale è più efficace.
L'HSM richiede una preparazione più accurata (scelta della macchina, dell'utensile, dei parametri) e utensili più costosi (es. utensili in PCD). Per volumi di produzione molto bassi, il costo aggiuntivo non è giustificato, e la lavorazione convenzionale è più economica.
L'HSM si basa su forze di taglio basse, quindi non è adatto a lavorazioni che richiedono alte forze, come la foratura di fori molto profondi o la filettatura di materiali duri. In questi casi, macchine con mandrini a bassa velocità e alta coppia (es. la GA-MV856 con coppia massima di 95,5 Nm) sono più adatte.
| Categoria | Dettagli | Valori consigliati | Soluzione per guasti |
|---|---|---|---|
| Velocità di taglio (Vc) | Leghe morbide (6061, 5052) | 1500–3000 m/min | Bassa: aumentare Vc; Alta: ridurre Vc per evitare adesione |
| Leghe dure (7075, 2024) | 300–1500 m/min | Bassa: aumentare Vc; Alta: ridurre Vc per evitare usura | |
| Velocità del mandrino (n) | Utensile Ø 10 mm, Vc 1500 m/min | ~47.750 rpm | Non raggiungibile: usare macchina con mandrino ad alta velocità (es. GA-DV750, GA-VT445) |
| Avanzamento per dente (fz) | Fresche a spalla (2 denti) | 0,2–0,5 mm/dente/giro | Basso: aumentare fz per evitare BUE; Alto: ridurre fz per evitare rottura utensile |
| Fresche a fresa (4+ denti) | 0,1–0,3 mm/dente/giro | Basso: aumentare fz; Alto: ridurre fz | |
| Profondità di taglio | Radiale (ap) | 0,5–5 mm | Alta: ridurre ap per evitare vibrazioni; Bassa: aumentare ap per migliorare produttività |
| Assiale (ae) | 10–50% del diametro utensile | Alta: ridurre ae; Bassa: aumentare ae | |
| Geometria utensile | Angolo di spoglia | 10°–20° | Piccolo: usare utensile con angolo di spoglia positivo per ridurre BUE |
| Raggio di taglio | <0,1 mm | Grande: usare utensile con raggio più piccolo per migliorare finitura | |
| Rivestimento | PCD, TiN | Nessun rivestimento: usare utensile rivestito per ridurre usura |
Prima di iniziare una lavorazione ad alta velocità dell'alluminio, controllare i seguenti punti:
Qual è la differenza tra lavorazione ad alta velocità e lavorazione convenzionale dell'alluminio?
La lavorazione ad alta velocità usa velocità di taglio e avanzamenti significativamente superiori, con profondità di taglio più basse, per ridurre le forze di taglio, aumentare la produttività e migliorare la finitura superficiale. La lavorazione convenzionale usa velocità più basse e profondità di taglio più alte, ed è più adatta a volumi bassi o lavorazioni che richiedono alte forze.
Posso usare una macchina con velocità massima del mandrino di 12.000 rpm per l'HSM dell'alluminio?
Sì, ma solo per utensili di diametro maggiore. Ad esempio, un utensile di diametro 20 mm con velocità di taglio di 750 m/min richiede una velocità del mandrino di ~11.940 rpm, quindi una macchina con 12.000 rpm è adatta. Per utensili di diametro inferiore a 20 mm, una macchina con velocità massima di 12.000 rpm non raggiunge la velocità di taglio richiesta per l'HSM.
Perché l'alluminio si attacca all'utensile durante l'HSM?
Questo fenomeno si chiama adesione, e deriva dalla velocità di taglio troppo bassa, dall'avanzamento troppo basso o dall'angolo di spoglia dell'utensile troppo piccolo. L'aumento della velocità di taglio e dell'avanzamento, o l'uso di un utensile con angolo di spoglia positivo, risolve il problema.
Qual è la lega di alluminio più adatta per l'HSM?
La lega 6061 è la più adatta per l'HSM, grazie alla sua buona lavorabilità, alla resistenza moderata e alla facilità di trattamento termico. La lega 7075 è più dura e resistente, quindi richiede parametri più bassi, ma è adatta per applicazioni che richiedono alte prestazioni.
L'HSM dell'alluminio è più economico della lavorazione convenzionale?
Dipende dal volume di produzione. Per volumi medi-alti, l'HSM è più economico, perché aumenta la produttività e riduce i costi per pezzo. Per volumi bassi, la lavorazione convenzionale è più economica, perché richiede una preparazione meno accurata e utensili meno costosi.
