Il PCD (Polycrystalline Diamond, diamante policristallino) è un materiale composito ottenuto sintetizzando piccoli cristalli di diamante (dimensione compresa tra 1 e 100 micrometri) e sinterizzandoli ad alta pressione e temperatura su un supporto di carburo di tungsteno. Gli utensili in diamante naturale, invece, sono realizzati con diamanti monocrystallini, selezionati per la loro purezza e uniformità.
Per la lavorazione di materiali non ferrosi abrasivi, le proprietà chiave di questi utensili sono:
La differenza tra PCD e diamante naturale risiede nella struttura: il PCD ha una struttura policristallina con orientamenti casuali dei cristalli, che lo rendono più resistente agli urti rispetto al diamante monocrystallino, che invece è più uniforme e adatto per lavorazioni che richiedono una finitura estrema.
Quando un utensile in PCD o diamante taglia un materiale non ferroso abrasivo, il comportamento del processo è determinato dall’interazione tra la durezza dell’utensile e le proprietà del materiale lavorato.
Le forze di taglio sono generalmente più basse rispetto a quelle generate da utensili in carburo di tungsteno, grazie al basso coefficiente di attrito. Tuttavia, per materiali molto abrasivi come l’alluminio con il 20% di silicio (Si20) o i MMC, le forze possono aumentare significativamente a causa della resistenza all’usura del materiale lavorato. Per questo motivo, è fondamentale che la macchina CNC abbia una rigidità sufficiente per supportare queste forze senza vibrazioni.
Il calore generato durante il taglio è inferiore rispetto a processi con utensili meno duri, ma può raggiungere temperature fino a 600°C nel punto di contatto tra utensile e materiale. A temperature superiori a 700°C, il diamante inizia a reagire con l’ossigeno e a degradare, quindi è fondamentale controllare il calore attraverso parametri di taglio adeguati e lubrificazione.
Per materiali non ferrosi, i trucioli sono generalmente continui o semilunari. Grazie alla bassa adesione tra diamante e materiali non ferrosi, i trucioli non si attaccano facilmente al tagliente, riducendo il rischio di rotture per accumulo di materiale.
L’usura degli utensili in PCD e diamante è principalmente di tipo abrasivo, causata dalle particelle dure presenti nel materiale lavorato. A differenza degli utensili in carburo, che si usurano per abrasione e per rottura del tagliente, il PCD si usurano in modo graduale: il tagliente si consuma lentamente, mantenendo una forma definita per un tempo molto più lungo. Altri meccanismi di usura sono la micro-rottura del tagliente, causata da urti o vibrazioni, e la degradazione termica, che si verifica quando la temperatura supera i limiti di resistenza del diamante.
I parametri di taglio per utensili in PCD e diamante sono molto più elevati rispetto a quelli per utensili in carburo, ma dipendono dal materiale lavorato, dalla geometria dell’utensile e dalle caratteristiche della macchina CNC.
La velocità di taglio è la velocità periferica del tagliente rispetto al materiale lavorato, espressa in metri al minuto (m/min). Per materiali non ferrosi abrasivi, i range sono:
Il trade-off principale è tra velocità e durata dell’utensile: velocità più elevate riducono il tempo di lavorazione ma aumentano l’usura abrasiva e il calore generato, mentre velocità più basse prolungano la vita dell’utensile ma aumentano i costi per pezzo. Per esempio, per l’alluminio Si20, una velocità di 2500 m/min può ridurre il tempo di lavorazione del 30% rispetto a 1500 m/min, ma la durata dell’utensile può diminuire del 40%.
La velocità massima dipende anche dalla macchina CNC: per esempio, il centro di lavorazione verticale GA-DV750 ha una velocità massima di 30000 rpm e un cono HSK-E40, che permette di raggiungere velocità di taglio elevate anche per utensili di diametro piccolo. Il centro GA-MV856, invece, ha una velocità massima di 12000 rpm e un cono BT40, quindi è più adatto per velocità di taglio più basse ma per utensili di diametro maggiore.
L’avanzamento per giro è la distanza che l’utensile avanza per ogni giro del mandrino, espressa in millimetri per giro (mm/giro). I range sono:
Il trade-off è tra qualità della finitura e produttività: avanzamenti più elevati aumentano la produttività ma possono causare vibrazioni e peggiorare la finitura superficiale, mentre avanzamenti più bassi migliorano la finitura ma aumentano il tempo di lavorazione. Per esempio, per l’alluminio Si10, un avanzamento di 0,2 mm/giro permette una produttività elevata, ma se la macchina non è sufficientemente rigida, può generare vibrazioni che riducono la durata dell’utensile.
La geometria dell’utensile influisce sulla resistenza del tagliente e sulla qualità del taglio. Le caratteristiche principali sono:
Gli utensili in PCD e diamante sono molto resistenti, ma possono guastarsi per diversi motivi. Ecco le modalità di guasto più comuni, come riconoscerle e risolverle:
Come riconoscerla: Il tagliente si consuma lentamente, con un aumento della forza di taglio e della finitura superficiale peggiore. Cause: Velocità di taglio troppo elevata, avanzamento troppo basso, lubrificazione insufficiente. Soluzioni: Ridurre la velocità di taglio del 10-20%, aumentare l’avanzamento per giro, migliorare la lubrificazione (per esempio, passare da una lubrificazione a nebbia a una lubrificazione ad alta pressione).
Come riconoscerla: Piccole rotture sul tagliente, con segni di vibrazione sulla superficie del pezzo. Cause: Rigidità insufficiente della macchina, della pinza o del pezzo, avanzamento troppo elevato, urti durante la lavorazione. Soluzioni: Verificare la rigidità della macchina (per esempio, per il centro GA-MV856, assicurarsi che il carico sul tavolo non superi i 500 kg), ridurre l’avanzamento per giro del 15-25%, utilizzare una pinza più adatta per l’utensile.
Come riconoscerla: Il tagliente appare scuro o bruciato, con una perdita di durezza evidente. Cause: Temperatura di taglio troppo elevata, velocità di taglio troppo elevata, lubrificazione insufficiente. Soluzioni: Ridurre la velocità di taglio del 20-30%, aumentare la portata del lubrificante, utilizzare un lubrificante con un punto di ebollizione più alto.
Come riconoscerla: Il materiale lavorato si attacca al tagliente, causando una peggiore finitura superficiale e un aumento delle forze di taglio. Cause: Velocità di taglio troppo bassa, lubrificazione insufficiente, angolo di spoglia troppo basso. Soluzioni: Aumentare la velocità di taglio del 10-15%, migliorare la lubrificazione, aumentare l’angolo di spoglia dell’utensile.
Nonostante le loro proprietà eccezionali, gli utensili in PCD e diamante hanno diversi limiti che li rendono non adatti per alcune applicazioni:
Lavorazione di materiali ferrosi: Il diamante reagisce con il ferro a temperature superiori a 500°C, formando carburo di ferro, che causa una rapida usura dell’utensile. Per questo motivo, gli utensili in PCD e diamante non sono adatti per la lavorazione di acciaio, ghisa o altri materiali ferrosi.
Lavorazioni a basse velocità: Gli utensili in PCD e diamante sono progettati per lavorazioni ad alta velocità. Per lavorazioni a basse velocità (inferiori a 100 m/min), il vantaggio della durezza del diamante non si manifesta, e il costo elevato dell’utensile non è giustificato.
Lavorazioni con urti elevati: Nonostante il PCD sia più resistente agli urti del diamante naturale, è più fragile del carburo di tungsteno. Per lavorazioni con urti elevati, come la sgrossatura di pezzi con spigoli vivi o la lavorazione di materiali con inclusioni dure, gli utensili in carburo possono essere più adatti.
Costo iniziale elevato: Gli utensili in PCD e diamante costano da 5 a 20 volte di più degli utensili in carburo di tungsteno. Per piccole serie di produzione, il costo iniziale dell’utensile può non essere compensato dalla maggiore durata, rendendo gli utensili in carburo più economici.
| Parametro/Modalità di guasto | Range consigliato | Cause del problema | Soluzione |
|---|---|---|---|
| Velocità di taglio (Vc) per alluminio Si5-Si20 | 1000-3000 m/min | Vc troppo alta: usura abrasiva rapida | Ridurre Vc del 10-20% |
| Velocità di taglio (Vc) per MMC | 200-800 m/min | Vc troppo bassa: adesione del materiale | Aumentare Vc del 10-15% |
| Avanzamento per giro (f) per alluminio Si10 | 0,1-0,3 mm/giro | f troppo alta: micro-rotture del tagliente | Ridurre f del 15-25% |
| Avanzamento per giro (f) per rame con ceramica | 0,05-0,2 mm/giro | f troppo bassa: calore e usura termica | Aumentare f del 10-20% |
| Usura abrasiva graduale | - | Lubrificazione insufficiente | Passare a lubrificazione ad alta pressione |
| Micro-rottura del tagliente | - | Rigidità insufficiente della macchina | Verificare il carico sul tavolo (es. per GA-MV856, max 500 kg) |
| Degradazione termica | - | Temperatura troppo alta | Ridurre Vc del 20-30% e aumentare la portata del lubrificante |
| Adesione del materiale | - | Angolo di spoglia troppo basso | Utilizzare un utensile con angolo di spoglia tra 5° e 10° |
Prima di iniziare una lavorazione con utensili in PCD o diamante, seguire questa checklist per garantire risultati ottimali:
Gli utensili in PCD possono essere riaffilati? Sì, ma solo da fornitori specializzati. Il processo di riaffilatura richiede attrezzature specifiche per lavorare il diamante, e il numero di riaffilature è limitato (di solito da 2 a 5 volte), a seconda della dimensione del tagliente.
Qual è la differenza tra PCD e diamante naturale per la lavorazione di alluminio? Il PCD è più resistente agli urti e più economico del diamante naturale, quindi è adatto per la maggior parte delle lavorazioni di alluminio con silicio. Il diamante naturale, invece, è più uniforme e permette di ottenere finiture superficiali migliori, quindi è adatto per applicazioni che richiedono una precisione estrema, come la lavorazione di componenti per l’ottica.
Per quanto tempo durano gli utensili in PCD rispetto a quelli in carburo? La durata dipende dal materiale lavorato e dai parametri di taglio, ma in generale gli utensili in PCD durano da 10 a 100 volte di più degli utensili in carburo per la lavorazione di materiali non ferrosi abrasivi. Per esempio, per l’alluminio Si20, un utensile in PCD può lavorare fino a 1000 pezzi, mentre un utensile in carburo ne lavora solo 10.
Posso utilizzare un utensile in PCD su una macchina CNC vecchia? Dipende dalle caratteristiche della macchina. Se la macchina ha una rigidità sufficiente e una velocità di mandrino adatta per i parametri di taglio del PCD, sì. Tuttavia, se la macchina ha una rigidità bassa o una velocità massima inferiore a 10000 rpm, il vantaggio del PCD non si manifesta, e il costo dell’utensile non è giustificato.
Perché gli utensili in PCD costano così tanto? Il costo elevato è dovuto a diversi fattori: il processo di produzione del PCD richiede condizioni di alta pressione e temperatura, che sono costose; la lavorazione del diamante per ottenere la geometria dell’utensile richiede attrezzature specializzate e manodopera qualificata; e la durata molto lunga dell’utensile si riflette in un costo iniziale più elevato. Tuttavia, per serie di produzione grandi, il costo per pezzo è inferiore rispetto agli utensili in carburo, grazie alla maggiore durata.
