Le complessità tecniche della lavorazione meccanica del titanio

Il titanio è un materiale dalle proprietà assolutamente straordinarie, e a livello ingegneristico rappresenta una scelta ideale per un numero grandissimo di applicazioni pratiche: offre la resistenza dell’acciaio, un’ottima resistenza alla corrosione, agli acidi, alle aggressioni chimiche e agli impatti, e allo stesso tempo non è magnetico, ha un altissimo punto di fusione e quindi può essere usato a temperature molto elevate, ed è perfino biocompatibile.

Esiste tuttavia un ostacolo significativo al suo impiego in ambito industriale, è questo è rappresentato dalle numerosissime difficoltà che si incontrano nella sua lavorazione, e che dipendono in effetti da alcune delle stesse caratteristiche che lo rendono così apprezzabile come materiale.

Le tre ragioni fondamentali della difficoltà nella lavorazione del titanio

Sono tre gli aspetti meccanico-chimici del titanio che più creano problemi durante la sua lavorazione con le macchine utensili:

La ridotta conducibilità termica, che rende molto difficile la dissipazione del calore che si forma per attrito durante il taglio del materiale. Anziché dissiparsi, questo si accumula infatti proprio vicino all’utensile di taglio o fresatura, andando a danneggiarlo rapidamente;
L’elevata reattività chimica, soprattutto alle alte temperature tipicamente raggiunte in fase di lavorazione, che è causa di abrasioni e microsaldature con gli utensili impiegati per l’asportazione di truciolo dal blocco di titanio;
Il basso modulo elastico, che fa sì che il materiale si defletta, allontanandosi dalla zona di taglio e facendo vibrare l’utensile, riducendo l’efficacia del taglio e generando imprecisioni nella lavorazione.

L’effetto combinato di questi tre aspetti ha come risultato diretto una riduzione drastica della vita utile degli inserti di taglio e fresatura impiegati nella lavorazione del titanio. Oltre a raccomandare l’impiego di inserti speciali realizzati su disegno per controbilanciare al meglio tali difficoltà, è possibile descrivere alcune linee guida che è opportuno seguire per minimizzare i problemi relativi alle lavorazioni meccaniche di questo materiale.

Le procedure e le metodologie di lavoro ideali per la lavorazione del titanio

Allo scopo di ridurre gli effetti negativi delle peculiarità meccaniche e fisiche del titanio sugli inserti e sugli utensili impiegati per lavorarlo, è possibile mettere in atto alcune specifiche modalità e strategie di lavoro che permettono, senza compromettere la produttività, di trovare un equilibrio fra costi e risultati della lavorazione.

Il primo consiglio che è possibile dare riguardo alla lavorazione meccanica del titanio con asportazione di truciolo è sicuramente legato alla velocità di taglio. Poiché infatti il problema fondamentale che si genera durante taglio e fresatura di questo metallo è la generazione di calore, diventa fondamentale limitare quest’ultima riducendo la velocità di taglio impressa all’utensile. È interessante notare che gli effetti negativi di un’alta velocità di taglio, quando si lavora con il titanio, sono molto più significativi rispetto a quelli che si incorrono con altri materiali: velocità aumentate del 30% possono arrivare a sottrarre fino all’80% della vita utile di un utensile o un inserto.
Per controbilanciare l’effetto negativo sulla produzione della riduzione della velocità di taglio che abbiamo appena suggerito, è possibile sfruttare un altro parametro: quello dell’avanzamento. È infatti dimostrato che l’effetto di quest’ultimo sulle temperature generate in fase di taglio è minore rispetto a quello legato all’incremento della velocità; è quindi una scelta vantaggiosa quella di sfruttare avanzamenti più alti – compatibilmente, com’è naturale, con la qualità finale della lavorazione – mantenendo bassa, come consigliato sopra, la velocità di taglio.
Un altro elemento che può contribuire positivamente all’abbassamento della temperatura – che come si è visto rappresenta il problema capitale di questa lavorazione – è l’impiego di flussi sovrabbondanti di fluidi da taglio. Vale la pena ricordare che, per via della limitata conducibilità termica del titanio, è importante direzionare il fluido precisamente sul punto di taglio per assicurare un valido risultato di refrigerazione.
Un’altra accortezza che può significativamente facilitare la lavorazione del titanio è quella di sfruttare utensili e inserti con una perfetta affilatura, il che comporta naturalmente anche la loro sostituzione anticipata non appena l’usura li stia compromettendo. I costi relativi sono sicuramente inferiori a quelli che deriverebbero da una bassa produzione, ed è possibile limitarli ulteriormente – come raccomandato poco sopra – sfruttando inserti realizzati su disegno, che lavorino con la massima precisione e quindi mantengano più a lungo la propria efficienza.
Per finire, è necessario raccomandare che l’intero sistema di lavorazione rappresentato dall’utensile, dal mandrino, dal portamandrino e dalla macchina stessa sia progettato per assicurare la più elevata rigidità possibile, con particolare attenzione alla massima riduzione possibile delle vibrazioni. Questo permette infatti di controbilanciare l’eccessiva elasticità del titanio, che come abbiamo visto può compromettere i risultati di produzione se non compensata.

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