051911TME0007_124ORA DEL TITANIO[1]

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124 tecnologie meccaniche Luglio/Agosto 2011 www.tecnologiaindustr

Le tecnichedell’alta velocitàpossono essereutilizzate ancheper lavorareeconomicamentuno dei materialpiù affascinanti

degli ultimi anni:il titanio.

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LAVORAZIONE AD ALTA VELOCITÀ

È l’oradel titaniodi Guido Furxhi e Hanjo Giessler

che si genera in strutture che combinanoi due materiali è assai più basso nel casodel titanio (circa la metà). Ovviamente:più lungo il componente considerato piùproblematica è l’interaccia tra bra dicarbonio ed alluminio (tabella 1). È chia-ro a tutti che il costo è il attore che limi-ta un impiego più ampio del titanio: peresempio, rendere più leggere le automo-bili con componenti in titanio contribui-rebbe a renderle più ecienti e, quindi,più “ecologiche”. Sono diversi gli elemen-ti che contribuiscono a ormare questocosto, a partire dall’energia necessaria perla usione (che deve avvenire in atmoserainerte) per nire con il costo della lavora-zione meccanica, generalmente 10 –100volte più lenta di quella possibile con l’alluminio. Le iniziative per ridurre il co-sto del titanio sono numerose, a partire

dal tentativo di ottenere componennear net shape, per ridurre la quandi trucioli di un materiale costoso: sono rari i casi in cui il materiale aspoto supera il 90% del grezzo!Quindi, l’ecienza delle operazioni dvorazione del titanio è una delle sdeimportanti che l’ingegneria di produzsi trova ad arontare in questo settorCi occupiamo qui della possibilità di rire il costo della lavorazione (in particre resatura) utilizzando la teoria dalta velocità e, di conseguenza, srutdo macchine progettate per lavoraz“leggere” invece che macchine specizate per il titanio.Per le ragioni che abbiamo visto, il titè sempre più diuso nelle costruzionronautiche: come si vede dalla tabellala Boeing l’ ultima generazione di a

Le caratteristiche principali che

anno del titanio un materialemolto interessante compren-dono:

- un eccellente rapporto peso-resisten-za, che assicura un risparmio di peso im-portante per l’ industria aerospaziale epetrolchimica- resistenza alla corrosione particolar-mente interessante per l’ aerospaziale,la chimica e petrolchimica, nonché perle applicazioni nell’ architettura- biocompatibilità, ondamentale per l’industria medicale.

L’ industria chimica è il maggior utiliz-zatore di titanio proprio per la eccellen-te resistenza alla corrosione anche inpresenza di acidi ossidanti.L’ industria aerospaziale è il secondo uti-lizzatore, per la capacità di resistere inuna vasta gamma di temperature (soprat-tutto a quelle criogeniche), per il rispar-mio di peso ed inne per la compatibili-tà con i compositi utilizzati nelle ultimegenerazioni di aeroplani.Tra l’ alluminioe la grate di rinorzo dei compositi na-sce un elevato potenziale galvanico: se l’alluminio entra in contatto con la gratein presenza di umidità viene corroso rapi-damente. Ovviamente, esistono tecnichedi isolamento, ma il titanio rappresentauna scelta più sicura. Inoltre, il coecien-te di dilatazione termica del titanio, puressendo più alto di quello della bra dicarbonio, è assai più basso di quello dell’alluminio. Questo signica che lo stress

Pezzo grezzo orgiato

Volume asportato 96%

Pezzo fnito

Tecnica

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È l’ora del titanio

plani vede aumentare notevolmente lapercentuale in peso di Titanio in conse-guenza dell’ introduzione di compositiin bra di carbonio.Le ultime generazioni di aviogetti, cheutilizzano componenti in bra di car-bonio, hanno circa il 15% di Titanio (invalore assoluto: circa 30 tonnellate nelcaso di un A380. E il grezzo è certamen-te ben di più (graco 1).Non solo aumenta la percentuale dititanio impiegata in ogni aeroplano,ma contemporaneamente aumenta ilnumero degli aeroplani prodotti: è pre-

visto il raddoppio della fotta mondialenei prossimi venti anni.Questo signica circa 1200 nuovi aereiprodotti ogni anno! (graco 2)La lavorabilità delle leghe di titanio èineriore a quella degli acciai, anche del-l’acciaio inox, e richiede cure particolarinella scelta degli utensili, delle macchine,delle strategie di taglio e del rerigeran-te. La prima curiosità che coglie il tecno-logo è: per quale motivo l’alta velocità ditaglio in lavorazione ha trovato applica-zione in quasi tutti i campi tranne che nelcaso del titanio?

Materiale E-N/mm2 Rs-N/mm2 Rm-N/mm2 P Spec. kg/dm3 A%

Acciaio al carbonio 206.000 235 360 7,8 8

Acciaio al carbonio Mn 206.000 350 500 7,8 10

Acciaio al Cr-Mb 206.000 600 900 7,8 12

Acciaio Microlegato-temperato 206.000 920 1.400 7,8 13

Lega alluminio 70.000 350 400 2,7 10

Lega titanio 3Al-2,5V 103.000 720 860 4,5 10*

Lega titanio 6Al-4V 125.000 880 1.100 4,5 7*

tb 1 Che cosa è l’alta velocità?La lavorazione ad alta velocità si digue dalle lavorazioni tradizionali perserie di enomeni che entrano in gnella ormazione del truciolo, enomche compaiono a partire da una velodi taglio che dipende dal materiale ivorazione. Nel graco 3 sono riportaordini di grandezza delle velocità di taa cui entra in gioco l’alta velocità. Il pmetro più importante per valutare il c

di una lavorazione è il tempo maccnecessario, e questo è a sua volta unzdel tempo necessario per asportare l’udi volume. È possibile ottenere lo strisultato, cioè lo stesso volume asporper unità di tempo, in diversi modi:• con una velocità di taglio bassa, ed elti avanzamenti per dente• oppure, al contrario, con elevata velodi taglio e bassi avanzamenti per dentSe permesso il conronto, è come atare una salita con un rapporto luoppure con una bicicletta “rampichcon rapporto cortissimo: si otterrà la stvelocità pedalando in retta nel secocaso, oppure con grande orza nel priTradizionalmente il titanio è sempreto lavorato con basse velocità di ta(30-60 m/min) ed elevati avanzamper dente. Questo comporta la nectà di mandrini con elevatissime coe macchine con rigidezze, e quind

Grafco 1Il titanio in aumento

E = modulo di elasticità; viene misurato in Newton su millimetro quadrato (N/mm2 ). Defnisce la capacità del materiale di

deormarsi, sottoposto ad una orza e tornare nella posizione originaria. Più il valore è elevato e più il materiale è rigido.

Rs = carico di snervamento; rappresenta il limite, il confne ra le deormazioni elastiche (la capacità del materiale di ritornare

nella posizione precedente la sollecitazione) e quelle plastiche (permanenti).

Rm = carico di rottura; misurato anch’esso in N/mm2.

P.Spec. = peso specifco misurato in Kg/dm3

A% = allungamento percentuale; defnisce quanto un materiale si deorma prima della rottura.

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mensioni, conseguenti.

Nel 1931 M. Salomon scopre che au-mentando la velocità di taglio, la tem-peratura di asportazione del truciolosul tagliente inizia a diminuire, cioèla orza di taglio diminuisce. E’ quindiconveniente, almeno entro certi limiti,aumentare la velocità di taglio!Alta velocità è, quindi, la condizione ditaglio in cui si ottiene il massimo del vo-lume asportato nell’unità di tempo, con ilminimo dispendio di energia, il migliore ri-sultato di qualità superciale e la massimadurata degli utensili (graco 4).Tradizionalmente si dice che alta velocitàdi taglio ed avanzamento sono superiorida 5 a 10 volte rispetto alle velocità nor-mali, con conseguenze assai vantaggiose:• diminuzione dello sorzo di taglioconseguente ad avanzamenti per dentemeno importanti e,quindi, ad una se-zione equivalente del truciolo più pic-cola legata ad una leggera diminuzione

Grafco 2Raddoppio della fotta in 20 anni

(no al 20%) della pressione specica di

taglio grazie ai enomeni di taglio adia-batico messi in gioco• poche conseguenze termiche sul pez-zo e sull’utensile: la dissipazione del ca-lore avviene quasi esclusivamente attra-verso i trucioli• miglioramento della supercie nita,tanto che sovente si può evitare una partedella supernituraTutti questi vantaggi nella lavorazioneportano con sé l’ apparizione di enomeni,legati alla dinamica, che possono dimo-strarsi controproducenti:• la presenza di vibrazioni a certe re-quenze può diventare problematica. Laconoscenza dei lobi di stabilità diventanecessaria per poter utilizzare con e-cacia la macchina• il controllo di posizione del sistema deveessere molto preciso per permettere di ri-spettare la traiettoria prevista• inne le macchine per l’ alta velocità era-

Grafco 3Velocità di taglio e alta velocità

Operazione Velocità di taglio Avanzamento per dente

Sgrossatura a spirale 90 m/min 0,08 mm/dente

Sgrossatura isoparametrica 105 m/min 0,08 mm/dente

Finitura Z 90 mm/dente 0,08 mm/dente

Finitura Z 25 mm/dente 0,08 mm/dente

tb 2 no, all’ inizio , più costose ed utilizzavcomponenti più costosi.La teoria dell’alta velocità si oppalla visione per cui le macchine pelavorazione del titanio devono espesanti, lente e con mandrini ad eltissima coppia.Nel caso di lavorazione tradizionale icioli non asportano il calore! L’ utensscalda come il materiale da asportare, dicando le condizioni di taglio.

Il successo dell’alta velocità, teorizzatagli anni 30, è arrivato soltanto negli ’90 a seguito di sviluppi:• delle macchine utensili• degli elettromandrini• dei controlli numerici• degli utensili• dei motori e degli azionamenti• del sotware di CAD/CAMPerché 60 anni di attesa?Perché una tecnologia nuova, quelloKuhn chiama un cambiamento di parama, ha bisogno, per aermarsi, di cozioni al contorno che spesso non sonotanto tecnologiche.Come aerma il pro. Zaquini, la telogia dell’alta velocità si è aermatatanto negli anni ‘90, perché le aziendmacchine utensili avevano bisogno d“vantaggio tecnologico” per uscire dcrisi che le aveva colpite tra il ‘92 ed il La crisi di questi anni, unita alle richi

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Centro di fresatura Fidia HS664 a montante mobile

Grafco 4Alta velocità di taglio

Grafco 5Usura tagliente dopo 180 minuti

di lavoro

Grafco 6Aumenta la vita utensile

del settore aeronautico, orse spingeràutilizzatori e costruttori a cercare nuovevie per conquistare competitività nellalavorazione del titanio e delle sue leghe,utilizzando – ove possibile- le macchineesistenti per altre applicazioni.

Prove di lavorazionead alta velocitàLe rifessioni di cui sopra hanno spinto unasperimentazione che è iniziata nella se-

conda metà del 2007 e terminata in questimesi con risultati più che incoraggianti.Certamente, oggi possiamo parlare diHigh Speed Milling per tutte le operazionidi seminitura e nitura sul titanio, convalori di vita utensile e rugosità del pezzoentusiasmanti. Le ultime prove sono stateeseguite con utensili Kieninger: le plac-chette di sgrossatura sono utilizzabili sui 4taglienti ed hanno mostrato una durata insgrossatura del titanio a 120 m/min di circa20 minuti. Gli utensili di nitura, impiegatia velocità di taglio tra i 370 ed i 700 m/min(!) hanno mostrato una vita compresa tra2 e 5 ore. Le esperienze che si sono con-dotte in questi anni mostrano che buonirisultati sono possibili, anche, con impiantiprevisti per la lavorazione dell’alluminio:la macchina utilizzata per realizzare unpezzo in Titanio è una macchina previstaper la lavorazione di resine o per la nitu-ra di acciaio. Dal 2008 Assocam Scuola Ca-

merana di Torino ha iniziato ad occupdi leghe di Titanio e dei problemi lealla sua lavorazione. I primi esperimin collaborazione con il DipartimentIngegneria Aeronautica e Spaziale delitecnico di Torino sono stati realizzatvorando alcuni particolari meccanici dRover destinato allo sgombero di ostasu suolo lunare (progetto STEP).Sono state impiegate rese integrametallo duro a passo e geometria var

le per ridurre i rischi di chattering. Le dizioni di taglio non erano ancora “velocità”, ma si muovevano in quella dzione (tabella 2).Per la prova è stato utilizzato un tro di resatura Fidia HS664,a monte mobile (velocità massima mand24.000 rpm – potenza mandrino 25,8– portautensile HSK63).

Gli utensiliGeneralmente i progressi nella lavorane dei materiali dipendono dall’ introzione di nuovi materiali per gli uteNegli ultimi decenni gli sviluppi nel sere hanno portato a nuove generaziometallo duro, nuove ceramiche, utensCBN (Nitruro di Boro Cubico), diampolicristallino e nuove tecniche di coatTutti utensili che hanno trovato apcazioni nella lavorazione dei matetradizionali e assai poco nel caso

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titanio. Per questa ragione gli esperi-menti sono continuati in collaborazionecon la Kieninger, produttore di utensilispeciali del gruppo LMT. I primi test dilavorazione della lega Ti6Al4v sono sta-ti rivolti alla determinazione di:• geometria• nitura• copertura (coating)del tagliente che riducesse al minimo iconsumi.Le prove sono state eseguite con utensi-le: KIENINGER EBG V 16.016AN100-CDati di taglio:

• Vc: 100 m/min• n: 2000 1/min• z: 0,4 mm• V: 1589 mm/min• ap: 0,4 mm• ae: 60 %rerigerazione: emulsione dall’ esternodel mandrino

Usura massima del tagliente dopo 180 mi-

nuti (micron)

• WPB 16 FB 70 LW610 lappato 120• WPB 16 FB 70 LC610Q lappato 219

• WPB 16 FB 70 LC610Z 252• WPR 16 DN LW610 48• WPR 16 D LC610Q 59• WPR 16 AR LW630 68• WPR 16 CF LC610Q 68• WPR 16 CF LC240Q 428

Il graco 5 riassume in orma graca i ri-sultati di usura tagliente dopo 180 minutidi lavoro dei diversi inserti impiegati.Le prove condotte hanno dimostratoche requisiti degli utensili adatti alla la-vorazione del titanio sono:Substrato in widia con buona condutti-vità termica• Geometria positiva (per ridurre le or-ze di taglio)• Solamente poca levigatura sul bordo(per ottenere un tagliente a spigolo vivorigidamente supportato)• Rivestimento per diminuire l’ adesionechimica al titanio

Componente della demo: “FlaMateriale: 3.7164 (Ti6Al4V), 895 N/mm²

Blocco di 200x200x70 mm3

Lavorato nei laboratori

della Scuola Camerana

Torino 28 Maggio 2010

Utensile: EBG R12.012AN080-C-I Ø12 z2 (6131500)

Inserto: WPR 12 DN LW610 (6131303)

Vc: 700 m/min

fz: 0,1 mm

ap: 0,1 mm

ae: 0,2 mm

Tempo di lavorazione: circa 60 min

Utensile: EBG R12.012AN080-C-I Ø12 z2 (6131500)


Vc: 565 m/min

fz: 0,1 mm

ap: 0,2 mm

ae: 0,1 mm

Tempo di esecuzione: 30 min (Finitura 1 + Finitura 2)

Utensile: EBG R08.008AP100-C Ø 8 mm z2 (9198487)


Vc: 370 m/min

fz: 0,1 mm

ap: 0,1 mm

ae: 0,1 mm

Tempo di esecuzione: circa 10 min

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• Angolo ineriore di spoglia di grandi di-mensioni (>10°) per lasciare sogo alla de-

ormazione elastica del materiale.Le strategie di lavorazione sono quelleconsigliate per tutti i materiali “dici-li”, come l’ acciaio inox e le varie leghedi Inconel:• l’entrata nel pezzo è consigliabile cheavvenga tramite un’interpolazione cir-colare, per evitare il rischio di produrretrucioli troppo spessi• l’uscita dal pezzo deve avvenire inmodo tale da ridurre progressivamentelo spessore del truciolo• Le prove eettuate dimostrano un

netto aumento della vita del taglientecon un ingresso nel pezzo secondo unatraiettoria circolare. Come si vede dal-le otograe e dal graco successivo, lavita passa da circa 400 ad oltre 800 ope-razioni se l’ ingesso produce un trucioloche cresce progressivamente.Anche l’impianto lubro-rerigerantedeve essere dimensionato in modo ap-propriato:• il fusso deve garantire la rimozione ra-

pida del calore prodotto nel taglio

• la pressione deve assicurare trucioli cor-

ti, cioè avorire la rottura del truciolo.

Un elevato volume di rerigerante (fussodi 60-100 l/min) assicura la rimozione delcalore ed una elevata pressione rompe itrucioli, al punto che la vita dell’ utensilepuò aumentare oltre il 200% come si vededal graco 6 di prove eettuate nelle se-guenti condizioni (materiale Ti6Al4v):Vc: 90 m/min

z: 0,4 mmap: 0,5 mm

BibliografaM.SalomonDeutsches Patent Nr. 523.594 April 1931G.Luetjering, J.C.WilliamsTitanium (engineering materials and pro-cessing)Springer 2007T.S. KuhnLa struttura delle rivoluzioni scienticheEinaudi 1969L. ZaquiniHistoire et bases sur la ormation du co-

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Eectt o hogh-pressure cooling on thsidual stress in Ti-alloys during machin

Tesi del politecnico di Lulea 2005N.J.Churi, Z.J. Pei, C. TreadwellRotary ultrasonic machining o titanalloy: eect o tool variablesInt.J.Precision Technology vol 1 2007N. D. Sims, B. Mann, S. HuyananAnalytical prediction o chatter stabor variable pitch and variable helix ling toolsDuke University – Durham, NC USA – 2S.K.Bhaumik et alMachining Ti-6Al-4Vi alloy with a wcomposite tool

Materials and design vol 16 n°4 1995Ezugwu E.OHigh Speed machining o Aero-EngineloysJournal O the Braz. Soc. o Mech. Scieand EngineeringVol. XXVI nr. 1, January –March 2004Abele E.; Frohlich BHigh Sped Milling o Titanium AlloysAdvances in Prod. Eng. And Managem3/2008.Manouchehr VosoughEect o High-Pressure Cooling on thesidual Stress in Ti-Alloys during MachinLulea University o Technology DeptApplied Physics and Mech. Eng. DivManuacting Systems Eng. 2005:46 II402-1757 ISRN:LTU-LIC 05/46 –SEF.H.Froes; H.Friedrich; J.Kiese; D.BergoTitanium in the amily automobile: cost challengeUniversity o Idaho 2003.

Entrata direttainterpolazione lineare

Entrata interpolatainterpolazione circolare

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