Le officine che decidono di espandersi in nuovi mercati sono spesso spinte ad aggiungere nuove attrezzature di lavorazione o ad adottare nuovi processi di lavorazione per supportare i loro sforzi. Nel caso di True Die, i passi avanti compiuti per diversificare la sua offerta di prodotti producendo utensili rotondi precisi per applicazioni di formatura di lamiere con imbutitura profonda l'hanno portata a sviluppare una strategia efficace per la tornitura dura. L'obiettivo era quello di eliminare la necessità di rettifica del diametro interno (ID) e del diametro esterno (OD) di utensili rotondi in metallo in polvere temprato (principalmente) con durezza fino a 64 HRC, consentendole di ottenere tassi di rimozione del materiale più elevati, eguagliando al contempo ciò che la rettifica poteva ottenere in termini di concentricità, finitura superficiale e precisione dimensionale. Da allora lo ha fatto, stabilendo la capacità di tornire duramente diametri e raggi con una precisione di ±0,0002 pollici.

Infatti, due delle recenti aggiunte di macchinari all'officina di Zeeland, Michigan, sono centri di tornitura acquistati principalmente per la tornitura dura. Mitch Stahl è lo specialista tecnico di True Die che, insieme a Chris McCleary, coordinatore della tornitura, ha guidato un team di macchinisti nella definizione della strategia di tornitura dura dell'officina. In breve, afferma che l'approccio dell'officina si riduce a tre concetti interconnessi: stabilire la rigidità complessiva del processo, implementare i tipi giusti di utensili da taglio e applicare i dati di taglio appropriati.

La parola chiave qui è interconnesso. Il signor Stahl sostiene che implementare solo uno o due di questi concetti non funzionerebbe; tutti devono essere affrontati in modo appropriato per una tornitura dura efficace. "È anche altrettanto importante prestare attenzione ai piccoli dettagli quando si mette in atto un processo come questo", nota.

Vero dado, precedentemente Contour Tool and Engineering prima di acquisire la società nel 2015, ha esperienza nella progettazione, lavorazione e assemblaggio di stampi per iniezione di plastica e set di stampi progressivi. Dispone di una vasta gamma di attrezzature per lavorazione nella sua struttura di 10.000 piedi quadrati, tra cui fresatrici CNC, centri di tornitura, rettificatrici e attrezzature per elettroerosione a filo e a tuffo.

Brian Brown, presidente di True Die, afferma che il settore della formatura profonda dei metalli ha rappresentato un'opportunità per l'officina di diversificarsi in un nuovo mercato che integra gli altri che serve. "La nostra competenza nell'applicazione dello stampaggio profondo ci ha posizionato in modo unico come fornitore di utensili, consentendoci di portare sul mercato soluzioni tangibili e utensili più performanti", afferma il signor Brown. "Con oltre 100 anni di esperienza combinata nella progettazione, sviluppo e produzione di stampaggi imbutiti, eravamo ben preparati con una conoscenza approfondita dei requisiti unici di quel settore".

Al momento dell'acquisto, Contour produceva solo stampi e matrici. Lo sviluppo di una partnership strategica con un'azienda di stampaggio a imbutitura profonda ha consentito a due clienti aggiuntivi che hanno fornito diversificazione e l'opportunità di una rapida crescita, l'officina di completare piacevolmente la propria offerta istituendo quello che il signor Brown chiama il suo "reparto dettagli", che fornisce componenti individuali per utensili a imbutitura profonda nuovi ed esistenti e attrezzature di assemblaggio automatizzate. Infatti, il lavoro di dettaglio rappresenta attualmente il 50 percento delle vendite dell'officina e l'azienda è cresciuta di quasi il 700 percento nei due anni da quando è entrata nel mercato dei dettagli.

Questa utensileria rotonda viene utilizzata in stampi complessi, progressivi e di imbutitura profonda utilizzati per creare componenti (tipicamente cilindrici) da lamiera (comunemente acciaio inossidabile), principalmente per applicazioni automobilistiche, come componenti per sistemi di alimentazione, freni e airbag. "Inizialmente pensavamo di dover acquistare una rettificatrice cilindrica più efficiente per ottenere le tolleranze e le finiture richieste dall'utensileria rotonda", afferma il Sig. Brown. "Tuttavia, data la sua esperienza con la tornitura dura, il Sig. Stahl ha suggerito che un processo di tornitura dura avrebbe raggiunto la precisione richiesta dagli utensili e realizzato una produttività più rapida rispetto alla rettifica, grazie a tassi di rimozione del materiale più elevati. Inoltre, potremmo anche trasformare in modo efficiente profili complessi in materiali temprati che sarebbero stati proibitivi in termini di costi da rettificare e avrebbero eventualmente richiesto operazioni di rettifica di forma".

Poiché True Die è un job shop, le dimensioni dei lotti per utensili rotondi sono ridotte (spesso variano da uno a sei pezzi) e il mix di prodotti è elevato. La lunghezza degli utensili può variare fino a 20 pollici e i diametri da 0,1 a 12 pollici e molte versioni hanno elevati rapporti lunghezza-diametro (L:D).

L'officina crea principalmente utensili rotondi da barre di leghe di metallo in polvere, che sono composte da particelle combinate di vari metalli ed elementi di lega. La "ricetta" di metallo in polvere viene compressa in forma di barra che l'officina lavora prima nel suo stato morbido o "verde" prima del trattamento termico, che lega insieme le singole particelle per creare il componente temprato. A seconda della specifica lega di metallo in polvere, la durezza dell'utensile nello stato verde è essenzialmente trascurabile e può essere lavorata efficacemente utilizzando metodi di tornitura convenzionali. Tuttavia, dopo il trattamento termico, la durezza dell'utensile può arrivare a 64 HRC. Gli acciai per metallo in polvere comuni che l'officina lavora includono CPM 3V, 9V e 10V, nonché M2 e M4.

True Die lascia in genere circa 0,010-0,012 pollici di materiale extra dopo la tornitura degli utensili nello stato pre-temprato per consentire le successive passate di tornitura dura. Potrebbe lasciare più materiale su parti che tendono a deformarsi gravemente dopo il trattamento termico, come quelle con un L:D elevato. In caso di deformazione significativa, la sfida non è tanto raggiungere tolleranze dimensionali, quanto piuttosto tolleranze di concentricità strette. "A volte è più difficile raddrizzare una parte deformata che riportarla alle dimensioni", afferma il Sig. Stahl.

I due centri di tornitura True Die recentemente acquistati per la tornitura dura sono MazzaModelli Quick Turn Nexus 250 II con torrette a 12 stazioni (nessuna delle quali con postazioni di utensili motorizzati). La prima di queste macchine è stata acquistata nell'aprile 2016 e la seconda più avanti nello stesso anno, ad agosto, e offrono la rigidità di cui l'officina aveva bisogno per costituire la base del suo processo di tornitura dura, afferma il Sig. Stahl.

Secondo Mike Utter, rappresentante del distributore di macchine utensili Macchinari Addy(Grand Rapids, Michigan), che ha venduto le macchine a True Die, i loro sistemi di guida a rulli ibridi MX sono un fattore primario per la loro rigidità. "I rulli forniscono più superficie di contatto rispetto ai cuscinetti a sfere, ma con meno attrito rispetto alle guide", spiega. "Il sistema gestisce anche efficacemente capacità di carico elevate, perché c'è meno deformazione elastica con i rulli e forniscono un alto grado di capacità di smorzamento, che prolunga la durata dell'utensile. Presenta anche un design di tipo X che distribuisce in modo efficiente il carico in quattro direzioni: radiale (in senso orario e antiorario), radiale inversa e laterale e riduce gli errori di inversione durante l'esecuzione di movimenti in curva". Inoltre, si dice che il motore del mandrino integrato utilizzato da queste macchine fornisca una migliore concentricità durante il taglio di carichi pesanti rispetto alle macchine con mandrini azionati da cinghia.

Il signor Stahl afferma che è altrettanto importante considerare la rigidità del serraggio e dell'utensile da taglio durante la tornitura dura. Per risolvere il primo aspetto, l'officina utilizza pinze anziché ganasce per fornire una maggiore superficie di contatto con la barra. "Inoltre, il serraggio parallelo è più facile da ottenere perché non c'è sollevamento delle ganasce utilizzando le pinze", afferma il signor Stahl. "Anche tutte le superfici di accoppiamento devono essere pulite, incluso il pezzo in lavorazione, la pinza e il naso del mandrino".

True Die utilizza il DurezzaSistema di pinze di serraggio rapido FlexC sulle sue macchine Nexus (così come su molti altri centri di tornitura in officina), che offre una runout totale indicata (TIR) entro 0,0004 pollici. Il FlexC velocizza anche i tempi di installazione e cambio rispetto ai mandrini a ganascia convenzionali. Questo sistema è dotato di un gruppo di montaggio del mandrino, teste di pinze e una chiave manuale con rilascio a grilletto utilizzata per installare o cambiare manualmente le teste di pinze quando il mandrino della macchina è in posizione di sbloccaggio.

Le teste di serraggio sono costituite da segmenti in acciaio temprato uniti tra loro tramite un processo di vulcanizzazione. Poiché non c'è un gambo di serraggio, i segmenti di serraggio rimangono paralleli al pezzo. Si dice che il serraggio parallelo riduca al minimo la "spinta indietro" del pezzo e richieda una forza di trazione inferiore per ottenere la stessa capacità di presa delle pinze convenzionali. Questo sistema può adattarsi a diametri di barre fino a 3,25 pollici e una tipica testa di serraggio FlexC ha un intervallo di presa di ±0,020 pollici più piccolo e più grande della sua dimensione nominale per adattarsi alla variazione delle dimensioni della barra senza dover cambiare una pinza di dimensioni diverse. L'officina utilizza mandrini standard a tre e sei griffe per diametri di pezzi superiori a 3,25 pollici.

Per garantire la rigidità dell'utensile da taglio, è innanzitutto importante posizionare le frese alla corretta altezza del centro dell'utensile, spiega il Sig. McCleary. "Essere fuori centro di soli 0,002 pollici può causare vibrazioni e vibrazioni", afferma. "Inoltre, più piccolo è il diametro del pezzo in lavorazione, più importante è l'altezza del centro dell'utensile". Questo perché, data la stessa distanza dell'utensile dal centro del pezzo in lavorazione, la percentuale di errore aumenta con diametri del pezzo in lavorazione più piccoli.

Anche la sporgenza e la sporgenza dell'utensile dal portautensile devono essere ridotte al minimo. Di solito il fattore determinante è la distanza dell'utensile per la tornitura OD quando si utilizza una contropunta e la profondità del foro quando si alesano i DI. "Se la sporgenza provoca vibrazioni, il primo passo è modificare velocità e avanzamenti", spiega il Sig. McCleary. "Il passo successivo sarebbe quello di considerare un diverso raggio di punta dell'inserto dell'utensile da taglio o una diversa preparazione del bordo".

In quasi tutti i casi, True Die utilizza utensili da taglio in nitruro di boro cubico (CBN) per la tornitura dura, principalmente da Sumitomo. L'officina ha scoperto che il CBN dura più a lungo della ceramica per materiali molto duri, è più ripetibile e può essere utilizzato con refrigerante. Il compromesso è che le frese in CBN costano più della ceramica. In genere, utilizza il grado Sumiboron BNC200 per tagli continui e il grado BNC300 per tagli interrotti (circa il 25 percento degli utensili rotondi presenta tagli interrotti). Si dice che questi inserti offrano un buon equilibrio tra resistenza alla frattura e all'usura e siano dotati di un rivestimento in nitruro di titanio e alluminio (TiAlN).

True Die utilizza inserti a forma di diamante che vanno da 25 a 80 gradi (solitamente con una geometria negativa) e raggi di punta che vanno da 0,004 a 0,031 pollici. Un inserto da 55 gradi è comunemente utilizzato per la tornitura OD, con un raggio di punta di 0,030 pollici per le operazioni di sgrossatura e un raggio di punta di 0,015 pollici per i lavori di finitura. Un inserto diamantato più resistente da 80 gradi è utilizzato per tagli fortemente interrotti. Per le operazioni di alesatura, l'officina utilizza comunemente un inserto da 80 gradi con geometria positiva.

Il signor McCleary afferma che ci sono dei compromessi quando si sceglie tra inserti con geometrie negative o positive. "Abbiamo scoperto che gli inserti con geometria negativa sono più resistenti di quelli con geometria positiva e possono anche essere capovolti per fornire quattro taglienti utilizzabili", spiega. Tuttavia, questi inserti creano una maggiore pressione di taglio e offrono meno gioco. Un inserto con geometria positiva taglia più liberamente e ha più gioco, ma è un tagliente più debole.

In termini di dati di taglio, non ci sono valori fissi per ogni applicazione di tornitura dura presso True Die, poiché variano a seconda del tipo di materiale, della durezza, del pezzo in lavorazione L:D, delle condizioni di taglio e così via. L'officina potrebbe arrivare a un minimo di 150 sfm per tagli fortemente interrotti in materiali molto duri fino a un massimo di 550 sfm in materiali più delicati con una valutazione di durezza modesta.

Il signor Stahl afferma che la profondità di taglio tipica (DOC) utilizzata dall'officina per le operazioni di finitura è compresa tra 0,003 e 0,004 pollici, anche se i rappresentanti degli utensili da taglio hanno suggerito che la DOC dovrebbe essere almeno pari al raggio della punta dell'utensile. Tuttavia, True Die ha scoperto che, in alcuni casi, come quando il pezzo in lavorazione L:D è superiore a 20:1, la pressione di un taglio più profondo causerebbe troppa flessione del pezzo in lavorazione e spesso gli impedirebbe di mantenere le tolleranze. Questa pressione può persino impartire stress alla parte, causandone la deformazione.

Lasciando da 0,010 a 0,012 pollici di materiale da rimuovere dopo il trattamento termico, è possibile eseguire tre passate di tornitura dura a circa lo stesso DOC di 0,003 o 0,004 pollici. In questo modo, la pressione dell'utensile è la stessa per ogni passata.

"Se la parte precedente viene tornita secondo le specifiche, l'operatore dovrebbe essere in grado di arretrare l'utensile della quantità totale di materiale appena rimosso, in modo che l'utensile sfiori appena la parte", spiega il Sig. Stahl. "Quindi, si tratta di fare la prima passata per presentare una buona superficie per misurare il pezzo, fare la seconda passata e misurare per assicurarsi che l'operazione si ripeta, quindi fare la passata finale per portare il pezzo alle dimensioni finali".

Utilizzando questo metodo, l'officina può spingere un utensile finché non smette di ripetersi. L'usura è normale e prevista e può essere gestita finché l'inserto si usura in modo ripetibile. Tuttavia, gli inserti devono essere cambiati o indicizzati su un tagliente nuovo se il tagliente attuale non si ripete.

Fatta eccezione per i tagli interrotti, l'officina funziona con refrigerante in quasi tutti i casi. Utilizza il refrigerante non per lavare i trucioli o fornire lubrificazione, ma piuttosto per mantenere la parte fredda. "A volte indirizziamo il flusso del refrigerante lontano dalla punta inerte, persino sul lato opposto della parte in alcuni casi", afferma il signor McCleary. "I materiali in polvere metallica ad alta durezza generano molto calore durante la tornitura dura al punto che l'espansione termica dovuta al calore può superare le nostre tolleranze consentite. Inoltre, se non si utilizza il refrigerante, l'operatore dovrebbe raffreddare il pezzo dopo la tornitura dura prima di misurarlo. L'utilizzo del refrigerante ci consente di misurare una parte all'istante". L'officina non utilizza refrigerante per i tagli interrotti a causa della possibilità di frattura termica del tagliente.

Una delle due macchine Quickturn Nexus di True Die è riservata ai lavori di tornitura dura, mentre l'altra viene talvolta utilizzata quando è necessaria una capacità per la tornitura convenzionale. Infatti, il signor Stahl ritiene che sia importante dedicare un centro di tornitura ai processi di tornitura dura, se possibile. "Se hai il lavoro per riempire il programma di una macchina con operazioni di finitura di tornitura dura, perché malmenare quella macchina anche con la sgrossatura?" chiede. "A lungo termine, è meglio tenere una macchina dedicata alla tornitura dura, poiché credo che estenda il periodo di tempo in cui la macchina può eseguire efficacemente quelle precise operazioni. Inoltre, ti consente di mantenere tutti gli utensili di tornitura, sfacciatura e alesatura appropriati impostati nella macchina, il che velocizza le impostazioni. Detto questo, non è sempre pratico impegnare una macchina per la tornitura dura, specialmente in un'officina a basso volume e ad alto mix".