La fresatura CNC di acciai duri è una delle operazioni più complesse nella lavorazione per asportazione di truciolo. I materiali con una durezza superiore a 45 HRC oppongono una resistenza eccezionale agli utensili, generano temperature elevate e accelerano l’usura dei taglienti. Ogni impostazione errata comporta la rottura della fresa o lo scarto dell’intero lotto di pezzi.
La chiave del successo risiede nella selezione precisa dei parametri di taglio già prima dell’avvio del mandrino. La velocità di taglio Vc, l’avanzamento per dente fz e la profondità di passata ap devono essere in perfetta sintonia. La corretta combinazione di questi valori determina la qualità della superficie, la durata dell’utensile e la stabilità dell’intero processo di lavorazione.
Velocità di taglio Vc nella fresatura CNC di acciai temprati
La velocità di taglio Vc è uno dei parametri più importanti nella lavorazione di acciai temprati. Un valore troppo elevato porta a un rapido aumento della temperatura nella zona di taglio e a una veloce usura del rivestimento protettivo dell’utensile. Un valore troppo basso, invece, causa l’adesione del truciolo e un carico irregolare sui taglienti.
Nella pratica operativa, la velocità di taglio nella fresatura CNC viene selezionata in base a diversi fattori simultanei. Tra questi figurano la durezza del materiale, il tipo di rivestimento della fresa, il suo diametro e la strategia di lavorazione. Solo un’analisi combinata di queste variabili consente di determinare un intervallo di Vc sicuro ed efficace.
Come la durezza dell’acciaio in scala HRC influenza il valore Vc
La durezza del materiale espressa nella scala HRC determina direttamente il limite superiore della velocità di taglio ammissibile. Maggiore è la durezza, minore deve essere la Vc applicata. Ciò è dovuto alla crescente resistenza al taglio e al calore generato nella zona di contatto tra il tagliente e il materiale.
Per acciai con una durezza di 40–45 HRC si utilizzano solitamente valori di Vc nell’intervallo 60–100 m/min con utensili in metallo duro. Con una durezza di 50–55 HRC, questi valori scendono a 40–70 m/min. Oltre i 58–62 HRC, tipici degli acciai per utensili dopo la tempra completa, si raccomanda una Vc di 30–50 m/min utilizzando frese a testina sferica con una profondità di passata molto ridotta.
Un aumento della durezza di ogni 5 unità HRC richiede una riduzione della Vc di circa il 20–30%. Il rispetto di questa regola prolunga significativamente la durata dei taglienti e protegge dal rischio di scheggiatura del filo tagliente.
Formula per la velocità di rotazione del mandrino e modalità di applicazione
La velocità di rotazione del mandrino n si calcola con la formula standard: n = (1000 × Vc) / (π × D), dove D è il diametro dell’utensile in millimetri e Vc è la velocità di taglio selezionata in m/min.
Esempio: fresa con diametro di 10 mm, Vc = 60 m/min. Calcolo: n = (1000 × 60) / (3,14 × 10) ≈ 1910 giri/min. Questo è un valore di partenza che, dopo la prima passata, può essere corretto verso l’alto o verso il basso del 10–15%. Con le frese a testina sferica occorre ricordare che il diametro di taglio effettivo è inferiore a quello nominale e deve essere considerato nei calcoli.
Intervalli di Vc raccomandati per acciai per utensili e altolegati
Gli acciai per utensili e gli acciai altolegati presentano una diversa lavorabilità, pertanto richiedono intervalli di Vc distinti.
Intervalli di Vc per gruppi selezionati di acciai duri:
- Acciai per utensili per lavorazioni a freddo (45–55 HRC): 50–80 m/min
- Acciai per utensili per lavorazioni a caldo (48–52 HRC): 40–70 m/min
- Acciai rapidi temprati (58–65 HRC): 20–40 m/min
- Acciai da costruzione altolegati (40–48 HRC): 60–100 m/min
I valori riportati nel prospetto precedente si riferiscono a frese in metallo duro con rivestimento PVD. Con le frese in HSS (acciaio rapido), le velocità di taglio sono anche diverse volte inferiori e solitamente non superano i 15–20 m/min negli acciai con durezza superiore a 40 HRC. Nella pratica, gli operatori CNC iniziano spesso dal limite inferiore dell’intervallo indicato, per poi aumentare gradualmente i valori, osservando lo stato dell’utensile e la qualità della superficie lavorata.
Influenza del rivestimento dell’utensile TiAlN e TiSiN sulla Vc ammissibile
Il rivestimento dell’utensile è uno dei fattori chiave che determinano i possibili valori di Vc. Il rivestimento TiAlN (nitruro di titanio e alluminio) si distingue per l’elevata resistenza all’ossidazione a temperature fino a circa 800°C. È ideale per la lavorazione di acciai temprati fino a 55 HRC, specialmente durante la fresatura a secco o con lubrificazione minima.
Il rivestimento TiSiN (nitruro di titanio e silicio) è caratterizzato da una durezza ancora maggiore e da una resistenza a temperature che raggiungono i 1000–1100°C. Le frese con questo rivestimento tollerano una Vc superiore di circa il 10–20% rispetto agli utensili rivestiti in TiAlN. Sono indicate per la lavorazione di materiali con durezza superiore a 55 HRC e per strategie di fresatura ad alta efficienza HSM. La scelta del rivestimento corretto dovrebbe tenere conto non solo della durezza del materiale, ma anche della strategia di lavorazione e delle condizioni di raffreddamento.
Avanzamento per dente fz e profondità di passata ap per acciai duri
L’avanzamento per dente fz e la profondità di passata ap sono due parametri che influenzano direttamente le forze di taglio e la temperatura nella zona di lavorazione. La loro interconnessione è particolarmente importante negli acciai duri, dove ogni superamento dell’intervallo consigliato rischia di causare la scheggiatura del tagliente o vibrazioni della macchina. Una corretta impostazione di fz e ap consente di mantenere il controllo sul processo e di ottenere una qualità superficiale ripetibile.
Come scegliere l’avanzamento per dente fz in base al numero di taglienti della fresa
L’avanzamento per dente fz si esprime in millimetri per ogni dente durante una rotazione della fresa. L’avanzamento al minuto totale si calcola secondo la formula: Vf = fz × z × n, dove z è il numero di taglienti e n sono i giri del mandrino. Negli acciai duri, i valori di fz sono significativamente inferiori rispetto agli acciai dolci.
Valori tipici di fz per frese in metallo duro VHM negli acciai duri:
- Fresa a 2 taglienti, acciaio 40–45 HRC: fz = 0,02–0,04 mm
- Fresa a 3 taglienti, acciaio 45–52 HRC: fz = 0,015–0,03 mm
- Fresa a 4 taglienti, acciaio 52–58 HRC: fz = 0,008–0,020 mm
- Fresa a testina sferica, finitura, acciaio 58–62 HRC: fz = 0,005–0,015 mm
Le frese con un numero maggiore di taglienti generano forze di taglio inferiori per singolo dente, il che protegge il tagliente dalla rottura. Allo stesso tempo, un numero maggiore di taglienti rende più difficile l’evacuazione dei trucioli, pertanto la profondità di passata dovrebbe essere proporzionalmente inferiore. L’utilizzo di un fz inferiore al minimo consigliato è dannoso tanto quanto il superamento del massimo, poiché causa attrito invece di taglio e accelera l’usura dell’utensile.
Profondità assiale ap e radiale ae nella fresatura di acciai duri
La profondità assiale ap determina quanto a fondo la fresa penetra nel materiale lungo l’asse dell’utensile. La profondità radiale ae descrive la larghezza della striscia di materiale rimossa in una singola passata. Entrambi i parametri devono essere bilanciati tra loro, specialmente con acciai duri, dove la potenza del mandrino è fortemente sollecitata.
Nella sgrossatura di acciai con durezza 45–50 HRC si consiglia ap = 0,1–0,3 × D e ae = 0,05–0,15 × D, dove D è il diametro della fresa. Per le operazioni di finitura, i valori scendono a ap = 0,05–0,15 × D e ae = 0,01–0,05 × D. Tali impostazioni proteggono l’utensile dal sovraccarico e consentono di ottenere una rugosità Ra inferiore a 0,8 µm.
Relazione tra fz, ap e durata degli inserti in metallo duro VHM
La durata degli inserti in metallo duro VHM dipende dall’influenza combinata di fz, ap e ae. L’aumento di ciascuno di questi parametri oltre i valori consigliati causa un aumento esponenziale della temperatura nella zona di taglio. Questa temperatura è il principale fattore che danneggia il rivestimento e il substrato in metallo duro dell’utensile.
Gli studi tecnologici dimostrano che superare fz del 50% riduce la durata dell’utensile fino a tre volte. Per questo motivo, è meglio aumentare l’efficienza attraverso passate più frequenti con ap ridotti piuttosto che aumentando l’avanzamento in una sola volta. La strategia di molte passate leggere, popolare nella fresatura ad alta efficienza (HSM o HPC), consente di mantenere una temperatura stabile dell’inserto e ne prolunga la vita utile del 30–70% rispetto alla fresatura convenzionale classica.
Quali frese VHM sono adatte per la fresatura di acciai con durezza superiore a 45 HRC
La scelta dell’utensile giusto è il fondamento di una lavorazione efficace degli acciai duri. Le frese VHM (in metallo duro integrale) dominano in questo campo, poiché combinano l’elevata durezza del substrato con la possibilità di applicare rivestimenti PVD avanzati. Tuttavia, non ogni fresa in metallo duro è adatta a materiali superiori a 45 HRC. Contano la geometria, il numero di taglienti, la qualità della grana del carburo e il tipo di rivestimento.
Caratteristiche della fresa VHM per acciai duri:
- Substrato in metallo duro a grana fine (grana inferiore a 0,5 µm)
- Rivestimento PVD con durezza superiore a 3000 HV (TiAlN, TiSiN, AlCrN)
- Angolo di spoglia negativo o nullo sul tagliente
- Tagliente rinforzato con preparazione (levigatura, smusso)
- Sporgenza dell’utensile ridotta per minimizzare le vibrazioni
La qualità del substrato in metallo duro ha un impatto diretto sulla resistenza alle rotture fragili durante il taglio interrotto. Le frese con grana del carburo più grossa sopportano meglio gli urti, ma perdono l’affilatura più rapidamente. Pertanto, per acciai superiori a 55 HRC si utilizzano utensili con grana ultra-fine e rivestimenti resistenti alle alte temperature.
Geometria della fresa, angolo di spoglia e numero di taglienti per acciai temprati
La geometria della fresa nella lavorazione di acciai duri differisce dalla geometria utilizzata per gli acciai dolci. L’angolo di spoglia (rake angle) dovrebbe essere nullo o leggermente negativo (da 0° a -5°). Un angolo di spoglia negativo aumenta la resistenza del tagliente e riduce il rischio di scheggiatura in presenza di elevate forze di taglio.
Il numero di taglienti per acciai superiori a 45 HRC è solitamente compreso tra 4 e 6. Quattro taglienti rappresentano un compromesso tra l’evacuazione del truciolo e la rigidità dell’utensile. Sei taglienti vengono utilizzati nelle operazioni di finitura con valori di fz e ap molto ridotti, quando la priorità è la qualità della superficie. Le frese a testina sferica con una geometria dei taglienti adeguata sono insostituibili nella lavorazione di sagomatura di stampi a iniezione e matrici.
Nella fresatura di acciai superiori a 50 HRC è opportuno scegliere una fresa con una sporgenza di lavoro ridotta e serrarla il più profondamente possibile nel mandrino. Ciò riduce le vibrazioni e consente di mantenere parametri di taglio stabili durante l’intero ciclo di lavorazione.
Frese in metallo duro integrale e frese a inserti intercambiabili per la fresatura di materiali duri
Le frese in metallo duro integrale VHM e le frese a inserti intercambiabili differiscono per applicazione, flessibilità e capacità di lavorazione degli acciai duri.
| Caratteristica | Fresa monolitica in metallo duro (VHM) | Fresa con inserti intercambiabili |
|---|---|---|
| Diametro minimo | da 1 mm | da circa 16–20 mm |
| Durezza del materiale lavorato | fino a 65 HRC | solitamente fino a 58 HRC |
| Flessibilità della geometria | elevata (vari rivestimenti, angoli) | limitata agli inserti disponibili |
| Tempo di sostituzione dell’utensile | necessaria la sostituzione della fresa | sostituzione rapida del solo inserto |
| Applicazione | lavorazione di precisione, sagomata | sgrossatura e semifinitura |
Le frese monolitiche in metallo duro sono insostituibili per la lavorazione di precisione di piccoli particolari, tasche e profili 3D in acciai temprati. Le frese con inserti intercambiabili risultano più efficaci nella rimozione di grandi sovrametalli su particolari con geometrie più semplici. La scelta tra queste soluzioni dipende dalla durezza del materiale, dalla precisione richiesta e dalla potenza disponibile del mandrino.
Suggerimento: per la lavorazione di acciai duri oltre i 55 HRC nelle operazioni di finitura, è sempre consigliabile utilizzare frese a testina sferica monolitiche in metallo duro (VHM) con rivestimento TiSiN o AlCrN, montate in mandrini idraulici o calettati. Ciò riduce al minimo il run-out radiale e previene l’usura prematura del tagliente.
Lavorazione meccanica CNC di precisione presso CNC Partner
La realizzazione di lavorazioni su acciai duri richiede non solo la conoscenza dei parametri di taglio, ma anche l’accesso a macchinari moderni e a personale esperto. CNC Partner è un’azienda con pluriennale esperienza nella lavorazione meccanica di precisione, che serve clienti industriali in tutta l’Unione Europea. L’evasione degli ordini avviene tramite spedizione, con consegne rapide e puntuali in tutta l’Unione Europea.
L’azienda realizza sia singoli particolari prototipali che produzioni in serie di migliaia di pezzi. Ogni commessa è sottoposta a un rigoroso controllo qualità. Ciò è confermato dal possesso del Certificato di Qualità ISO 9001, che garantisce la ripetibilità e la conformità dei prodotti ai requisiti dei clienti.
Gamma di servizi di lavorazione meccanica
L’azienda offre una vasta gamma di lavorazioni meccaniche CNC professionali, che comprende diverse tecnologie di asportazione truciolo. Ognuna di esse è adattata alla specificità del materiale e alla precisione richiesta per il particolare.
Tecnologie di lavorazione disponibili:
- Fresatura CNC — lavorazione di precisione di forme e superfici, inclusa la fresatura di acciai duri
- Tornitura CNC — produzione di componenti torniti con elevata precisione dimensionale
- Rettifica CNC — finitura superficiale con rugosità fino a Ra 0,63
- Elettroerosione a filo WEDM — lavorazione di materiali con durezza fino a 64 HRC
Ognuno dei metodi elencati trova applicazione su diversi tipi di acciaio e geometrie dei pezzi. L’elettroerosione a filo WEDM è particolarmente efficace laddove la fresatura risulta impossibile a causa della forma del profilo o dell’estrema durezza del materiale. La rettifica CNC garantisce invece la massima qualità superficiale mantenendo tolleranze dimensionali rigorose.
Servizi di lavorazione dei metalli CNC
Esecuzione degli ordini e contatti
La quotazione di ogni ordine avviene entro un periodo compreso tra 2 e 48 ore, mentre i tempi di realizzazione variano da 3 a 45 giorni, a seconda della complessità del progetto. Informazioni dettagliate sulle condizioni di collaborazione sono disponibili nella pagina del listino prezzi dei servizi. L’azienda è molto apprezzata dai propri clienti, come confermato dalle recensioni positive sui servizi di CNC Partner su Google.
Si accettano ordini da aziende manifatturiere, uffici tecnici e imprese che esternalizzano carichi di lavoro in eccesso. Chiunque sia interessato a una collaborazione o necessiti di una consulenza tecnica è invitato a contattare il team di CNC Partner.
Raffreddamento e lubrificazione durante la fresatura CNC di acciai duri
La gestione della temperatura nella zona di taglio è uno degli aspetti più complessi della lavorazione degli acciai duri. La temperatura nel punto di contatto tra tagliente e materiale può superare i 600–900°C, il che, in caso di scelta errata del sistema di raffreddamento, porta a una rapida degradazione dell’utensile. La scelta tra lavorazione a secco e vari metodi di raffreddamento e lubrificazione richiede la comprensione dei meccanismi di usura dei taglienti in base alle diverse durezze del materiale.
Raffreddamento a nebbia d’olio e lavorazione a secco con durezza superiore a 55 HRC
Per acciai con durezza superiore a 55 HRC, gli specialisti raccomandano solitamente la lavorazione a secco o con lubrificazione molto limitata. Ciò è dovuto al rischio di shock termico per i taglienti in metallo duro. Il raffreddamento improvviso dell’utensile surriscaldato tramite liquido refrigerante provoca microfessurazioni nel supporto in metallo duro e ne accelera la scheggiatura.
La lavorazione a secco con una geometria dell’utensile adeguata e un corretto intervallo di Vc consente di mantenere una temperatura di processo stabile. Il calore viene dissipato principalmente attraverso i trucioli, che dovrebbero assumere una colorazione dorata o blu. Trucioli chiari o color beige chiaro possono indicare una temperatura di taglio troppo bassa e un processo non ottimale. Con il raffreddamento a nebbia d’olio utilizzato per acciai da 45–55 HRC, minuscole goccioline d’olio raggiungono la zona di taglio senza causare shock termici. Questo metodo riduce l’attrito e favorisce l’evacuazione dei trucioli, senza alterare la distribuzione del calore in corrispondenza del tagliente.
Lubrificazione minima MQL e il suo impatto sulla temperatura della zona di taglio
La lubrificazione minima MQL (dall’inglese Minimum Quantity Lubrication) consiste nell’erogazione di quantità molto ridotte di olio, da 10 a 50 ml all’ora, sotto forma di aerosol direttamente nella zona di taglio. Questo metodo combina i vantaggi della lavorazione a secco con i benefici derivanti dalla lubrificazione del tagliente.
Le ricerche tecnologiche confermano che l’MQL nella fresatura di acciai temprati con durezza di 45–58 HRC consente di ridurre la temperatura nella zona di taglio del 15–25% rispetto alla lavorazione completamente a secco. Allo stesso tempo, prolunga la durata dell’utensile del 20–40% rispetto alla fresatura senza alcuna lubrificazione. È essenziale adattare la pressione e l’angolo di erogazione dell’aerosol alla geometria dell’utensile, fattore che influisce direttamente sull’efficacia della lubrificazione dei taglienti.
Per acciai superiori a 58 HRC e operazioni con frese a testata sferica, si consiglia l’MQL con olio sintetico o a base di esteri. Gli oli a base di esteri hanno una migliore bagnabilità del metallo e penetrano più efficacemente nelle microfessure tra il tagliente e il materiale. La corretta impostazione del sistema MQL è importante tanto quanto la scelta dei parametri di taglio nella fresatura CNC.
Suggerimento: nell’implementazione dell’MQL per la lavorazione di acciai duri, è consigliabile iniziare con un getto diretto esattamente sul tagliente, anziché sul corpo della fresa. Ciò aumenta l’efficienza della lubrificazione e riduce il consumo di olio, mantenendo la protezione dell’utensile per l’intero ciclo di lavorazione.
FAQ: Domande frequenti
Quali valori di velocità di taglio Vc utilizzare nella fresatura di acciai temprati oltre i 50 HRC?
La velocità di taglio Vc nella fresatura di acciai temprati oltre i 50 HRC dovrebbe rientrare nell’intervallo 40–70 m/min per frese in metallo duro VHM con rivestimento TiAlN o TiSiN. Con una durezza di 55–62 HRC, si consiglia di ridurre la Vc a 30–50 m/min per proteggere il tagliente da temperature eccessive. Valori più elevati rischiano di causare il distacco del rivestimento protettivo e la rottura improvvisa dell’utensile.
La velocità di rotazione del mandrino n si calcola con la formula: n = (1000 × Vc) / (π × D). Per una fresa con diametro di 8 mm e Vc = 50 m/min, il risultato è di circa 1990 giri/min. Si raccomanda di iniziare sempre dal limite inferiore dell’intervallo, per poi correggere i valori dopo aver osservato lo stato dei trucioli e dell’utensile.
Nella fresatura CNC di acciaio duro oltre i 55 HRC è meglio usare il refrigerante o è preferibile la lavorazione a secco?
Per acciai con durezza superiore a 55 HRC, la lavorazione a secco o con lubrificazione minima MQL è decisamente più sicura rispetto al raffreddamento con liquido. L’erogazione improvvisa di liquido refrigerante freddo su un tagliente in metallo duro surriscaldato provoca uno shock termico che porta a microfessurazioni e a un’usura accelerata dell’utensile.
Il metodo MQL, ovvero la lubrificazione a quantità minima, consiste nell’erogazione di 10–50 ml di olio all’ora sotto forma di aerosol. Esso riduce la temperatura della zona di taglio del 15–25% rispetto alla lavorazione completamente a secco, senza causare shock termici. Per acciai a 45–55 HRC, anche il raffreddamento con nebbia d’olio risulta efficace. Nella scelta del metodo, la durezza del materiale e il tipo di rivestimento della fresa sono di fondamentale importanza.
Quale fresa VHM scegliere per la fresatura di acciai con durezza 45–60 HRC e a cosa prestare attenzione durante la selezione?
Per la fresatura di acciai con durezza 45–60 HRC, le frese monolitiche in metallo duro VHM a grana fine, rivestite con PVD come TiAlN o TiSiN, sono le più indicate. La geometria dell’utensile dovrebbe prevedere un angolo di spoglia superiore pari a zero o leggermente negativo, compreso tra 0° e -5°. Tale struttura rinforza il tagliente e riduce il rischio di scheggiature in presenza di elevate forze di taglio.
Il numero di taglienti dovrebbe essere compreso tra 4 e 6. Per le operazioni di finitura su acciai oltre i 55 HRC, risultano efficaci le frese a testa sferica con sei taglienti. Anche il serraggio dell’utensile è importante. Un mandrino idraulico o calettato a caldo minimizza il run-out radiale e garantisce la stabilità del processo durante l’intero ciclo di lavorazione.
Qual è l’avanzamento per dente fz corretto nella fresatura di acciai temprati e come calcolarlo?
L’avanzamento per dente fz negli acciai temprati è significativamente inferiore rispetto a quello degli acciai dolci. Per una fresa a quattro taglienti che lavora su acciaio con durezza 52–58 HRC, il valore fz consigliato è di 0,008–0,020 mm. Per acciai a 40–45 HRC e una fresa a due taglienti, si possono utilizzare valori più elevati, fino a 0,02–0,04 mm.
L’avanzamento totale al minuto si calcola con la formula: Vf = fz × z × n, dove z è il numero di taglienti e n è il numero di giri del mandrino. Utilizzare un valore fz inferiore ai minimi consigliati è dannoso tanto quanto superarlo. Un avanzamento troppo ridotto causa attrito invece di un taglio corretto e accelera l’usura dell’utensile per abrasione, anziché attraverso il normale processo di lavorazione.
Riepilogo
La corretta selezione dei parametri di taglio nella fresatura CNC di acciai duri richiede di considerare la durezza del materiale, la geometria e il rivestimento dell’utensile, nonché il metodo di raffreddamento e lubrificazione. La velocità di taglio Vc, l’avanzamento per dente fz e le profondità ap e ae formano un sistema di dipendenze inscindibile. Modificare uno di questi parametri senza correggere gli altri porta quasi sempre a problemi di qualità o di durata degli utensili.
Il calcolo preciso dei giri del mandrino, la scelta di una fresa in metallo duro VHM con il rivestimento adeguato e l’implementazione del metodo MQL o della lavorazione a secco sono i pilastri di una lavorazione efficace degli acciai temprati. Tale approccio, basato su dati comprovati e precisione tecnologica, garantisce risultati ripetibili, minori costi di attrezzaggio e un’elevata qualità delle superfici lavorate.
Fonti:
- https://en.wikipedia.org/wiki/Speeds_and_feeds
- https://en.wikipedia.org/wiki/Milling_cutter
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214785320394359
- https://ijres.org/papers/Volume-13/Issue-6/13066973.pdf
- https://www.ijres.org/papers/Volume-11/Issue-6/1106279283.pdf
- https://www.academia.edu/122930054/Investigation_on_Effect_of_Material_Hardness_in_High_Speed_CNC_End_Milling_Process
- https://www.astrj.com/pdf-193805-115826?filename=The-Effect-of-Milling-Par.pdf
- https://ijsrmme.com/paper/IJSRMME24813.pdf
- https://www.semanticscholar.org/paper/Investigations-and-optimization-for-hard-milling-of-Tamilarasan-Marimuthu/df3df16c4c78bf1b