Gli inserti in metallo duro sono ampiamente utilizzati nell'industria della lavorazione dei metalli per varie operazioni di lavorazione, come tornitura, fresatura, foratura e alesatura. Gli inserti in metallo duro offrono prestazioni, produttività e durata dell'utensile superiori rispetto ad altri materiali da taglio, come l'acciaio rapido (HSS) o gli utensili in metallo duro brasato. Tuttavia, non tutti gli inserti in metallo duro sono uguali. Ci sono molti fattori da considerare quando si seleziona l'inserto in metallo duro giusto per la propria specifica applicazione di lavorazione, come ad esempio:

  • Il materiale del pezzo e la sua lavorabilità
  • La velocità di taglio, la velocità di avanzamento e la profondità di taglio
  • La geometria dell'utensile, come forma, dimensione, preparazione del tagliente e raggio di punta
  • Il tipo e lo spessore del rivestimento
  • Il portautensili e il sistema di bloccaggio

In questo post del blog discuteremo alcuni degli aspetti principali della selezione degli inserti in metallo duro e forniremo alcuni suggerimenti e raccomandazioni per aiutarvi a ottimizzare i risultati della lavorazione.

Materiale del pezzo e lavorabilità

Il primo e più importante fattore da considerare quando si sceglie un inserto in metallo duro è il materiale del pezzo e la sua lavorabilità. Materiali diversi hanno proprietà diverse, come durezza, tenacità, abrasività, conduttività termica e reattività chimica, che influenzano le modalità di usura e guasto dell'utensile da taglio. Ad esempio, l’acciaio è generalmente più duro e più abrasivo dell’alluminio, ma l’alluminio ha una maggiore conduttività termica e una minore affinità chimica con il carburo. Pertanto, sono necessari diversi gradi di metallo duro e rivestimenti per materiali diversi per ottenere il miglior equilibrio tra resistenza all'usura e tenacità.

La lavorabilità di un materiale è una misura di quanto sia facile o difficile lavorare con un dato utensile da taglio. La lavorabilità dipende da vari fattori, come la composizione del materiale, la microstruttura, la durezza, la resistenza, la duttilità e le condizioni della superficie. La lavorabilità è spesso espressa come percentuale o come valutazione basata su un materiale standard, come l'acciaio automatico. Maggiore è la lavorabilità, più facile sarà lavorare il materiale con velocità di taglio, avanzamento e profondità di taglio elevate e maggiore sarà la durata dell'utensile.

Generalmente, la lavorabilità di un materiale diminuisce all’aumentare della sua durezza e resistenza, e viceversa. Tuttavia, ci sono alcune eccezioni, come la ghisa, che ha un'elevata durezza ma anche un'elevata lavorabilità grazie al suo contenuto di grafite. Alcuni materiali, come l'acciaio inossidabile, il titanio e le leghe a base di nichel, sono classificati come materiali difficili da tagliare, perché hanno una bassa lavorabilità e un'elevata tendenza a causare usura e guasti dell'utensile. Questi materiali richiedono qualità e rivestimenti speciali di carburo in grado di resistere a temperature elevate, pressioni e reazioni chimiche sul tagliente.

Velocità di taglio, velocità di avanzamento e profondità di taglio

Il secondo fattore da considerare quando si sceglie un inserto in metallo duro è la velocità di taglio, l'avanzamento e la profondità di taglio. Questi sono i parametri principali che determinano le condizioni di taglio e il tasso di rimozione del materiale in un'operazione di lavorazione. Influenzano anche la temperatura, la pressione e la sollecitazione sul tagliente e quindi le modalità di usura e guasto dell'utensile.

La velocità di taglio è la velocità lineare del tagliente rispetto alla superficie del pezzo. Di solito è espresso in metri al minuto (m/min) o piedi di superficie al minuto (sfm). La velocità di taglio dipende dal materiale del pezzo, dal materiale dell'utensile, dalla geometria dell'utensile e dal tipo di rivestimento. In generale, maggiore è la velocità di taglio, maggiore è la produttività e minore è la durata dell'utensile, e viceversa. Tuttavia, esiste un intervallo di velocità di taglio ottimale per ciascuna combinazione di materiale e utensile, in cui la durata dell'utensile è massimizzata e l'usura dell'utensile è ridotta al minimo. Questo intervallo di velocità di taglio ottimale può essere determinato eseguendo test di taglio o consultando le raccomandazioni del produttore.

La velocità di avanzamento è la distanza lineare di avanzamento del tagliente nel pezzo per giro del mandrino o per dente dell'utensile. Di solito è espresso in millimetri per giro (mm/giro) o pollici per giro (ipr) per la tornitura, e in millimetri per dente (mm/dente) o pollici per dente (ipt) per la fresatura. La velocità di avanzamento dipende dal materiale del pezzo, dal materiale dell'utensile, dalla geometria dell'utensile e dal tipo di rivestimento. In generale, maggiore è la velocità di avanzamento, maggiore sarà la produttività e la velocità di rimozione del materiale, ma maggiori saranno anche le forze di taglio e l'usura dell'utensile, e viceversa. Tuttavia, esiste un intervallo di velocità di avanzamento ottimale per ciascuna combinazione di materiale e utensile, in cui la finitura superficiale e la precisione dimensionale sono ottimizzate e l'usura dell'utensile è ridotta al minimo. Questo intervallo di velocità di avanzamento ottimale può essere determinato eseguendo prove di taglio o consultando le raccomandazioni del produttore.

La profondità di taglio è la distanza perpendicolare alla quale il tagliente penetra nel pezzo. Di solito è espresso in millimetri (mm) o pollici (in). La profondità di taglio dipende dal materiale del pezzo, dal materiale dell'utensile, dalla geometria dell'utensile e dal tipo di rivestimento. In generale, maggiore è la profondità di taglio, maggiore è la produttività e il tasso di rimozione del materiale, ma maggiori sono anche le forze di taglio e l'usura dell'utensile, e viceversa. Tuttavia, esiste un intervallo di profondità di taglio ottimale per ciascuna combinazione di materiale e utensile, in cui la durata e la stabilità dell'utensile sono massimizzate e l'usura e le vibrazioni dell'utensile sono ridotte al minimo. Questo intervallo ottimale di profondità di taglio può essere determinato eseguendo test di taglio o consultando le raccomandazioni del produttore.

Geometria dello strumento

Il terzo fattore da considerare quando si sceglie un inserto in metallo duro è la geometria dell'utensile, come forma, dimensione, preparazione del tagliente e raggio di punta. La geometria dell'utensile influisce sulle prestazioni di taglio, sulla finitura superficiale, sulla precisione dimensionale e sulla durata dell'inserto.

La forma dell'inserto determina il numero di taglienti, la formazione e l'evacuazione del truciolo. Sono disponibili varie forme di inserti, ad esempio triangolari, quadrati, rombici, rotondi e irregolari. Ogni forma presenta vantaggi e svantaggi, a seconda dell'operazione di lavorazione e della geometria del pezzo. Ad esempio, gli inserti triangolari hanno tre taglienti e possono essere utilizzati per operazioni di tornitura, scanalatura e filettatura. Tuttavia, hanno un angolo di spoglia ridotto e un tagliente debole, che limitano la loro applicazione alle lavorazioni leggere e medie. Gli inserti quadrati hanno quattro taglienti e possono essere utilizzati per operazioni di tornitura, fresatura e spianatura. Tuttavia, hanno un ampio angolo di spoglia e un tagliente robusto, che li rendono adatti a lavorazioni pesanti e interrotte.

La dimensione dell'inserto determina la resistenza, la stabilità e le forze di taglio dell'utensile. La dimensione dell'inserto è solitamente espressa da due parametri: il diametro del cerchio inscritto (IC) e lo spessore (T). L'IC è il diametro del cerchio più grande che può essere inscritto nella forma dell'inserto. La T è la distanza tra le superfici superiore e inferiore dell'inserto. In generale, maggiore è la dimensione dell'inserto, più forte e stabile è l'utensile, ma maggiori sono anche le forze di taglio e il consumo energetico, e viceversa. Pertanto, la dimensione dell'inserto deve essere selezionata in base ai requisiti di lavorazione e alle capacità della macchina.

La preparazione del tagliente dell'inserto determina l'affilatura, la resistenza all'usura e la tenacità del tagliente. La preparazione del tagliente è la modifica della geometria del tagliente mediante rettifica, levigatura o rivestimento. Sono disponibili varie preparazioni dei bordi, ad esempio affilato, levigato, smussato e raggiato. Ogni preparazione del bordo presenta vantaggi e svantaggi, a seconda del materiale del pezzo e delle condizioni di taglio. Ad esempio, i bordi affilati presentano forze di taglio basse ed elevata finitura superficiale, ma anche bassa resistenza all'usura ed elevata tendenza a scheggiarsi o fratturarsi. I bordi levigati hanno un'elevata resistenza all'usura e un'elevata tenacità, ma anche elevate forze di taglio e bassa finitura superficiale. I bordi smussati rappresentano un compromesso tra bordi affilati e levigati, con forze di taglio, resistenza all'usura e finitura superficiale moderate. I bordi raggiati presentano una transizione graduale tra la spoglia e le facce del fianco, che riduce la concentrazione delle sollecitazioni e migliora la durata dell'utensile.

Il raggio di punta dell'inserto determina la finitura superficiale, la precisione dimensionale e la durata dell'utensile. Il raggio di punta è il raggio dell'arco sulla punta dell'inserto. In generale, maggiore è il raggio di punta, migliore è la finitura superficiale e la precisione dimensionale, ma maggiori sono anche le forze di taglio e l'usura dell'utensile, e viceversa. Pertanto, il raggio di punta dell'inserto deve essere selezionato in base ai requisiti di finitura superficiale e precisione dimensionale del pezzo.

Tipo e spessore del rivestimento

Il quarto fattore da considerare quando si sceglie un inserto in metallo duro è il tipo e lo spessore del rivestimento. Il rivestimento è uno strato sottile di materiale duro e resistente all'usura che viene applicato sulla superficie del substrato in carburo mediante metodi di deposizione fisica o chimica da fase vapore (PVD o CVD). Il rivestimento migliora le prestazioni e la durata dell'inserto fornendo:

  • Maggiore durezza e resistenza all'usura
  • Minore attrito e adesione
  • Maggiore stabilità termica e chimica
  • Maggiore resistenza all'ossidazione e alla corrosione

Sono disponibili vari materiali di rivestimento, come carburo di titanio (TiC), nitruro di titanio (TiN), carbonitruro di titanio (TiCN), ossido di alluminio (Al2O3) e carbonio simile al diamante (DLC). Ciascun materiale di rivestimento presenta vantaggi e svantaggi, a seconda del materiale del pezzo e delle condizioni di taglio. Ad esempio, il TiC ha un’elevata durezza e resistenza all’usura, ma anche un’elevata fragilità e una bassa stabilità termica. Il TiN ha un basso attrito e adesione, ma anche una bassa durezza e resistenza all'usura. TiCN ha un compromesso tra TiC e TiN, con moderata durezza, resistenza all'usura, attrito e adesione. Al2O3 ha un'elevata stabilità termica e chimica, ma anche un elevato attrito e adesione. Il DLC ha un basso attrito e adesione, ma anche una bassa stabilità termica e chimica.

Lo spessore del rivestimento determina l'equilibrio tra resistenza all'usura e tenacità dell'inserto. In generale, più spesso è il rivestimento, maggiore è la resistenza all'usura,