Gli utensili per la lavorazione CNC sono classificati principalmente in base a tre dimensioni principali: metodo di lavorazione, materiale dell'utensile e progettazione strutturale. Ogni categoria presenta vantaggi, limiti e applicazioni specifiche, come descritto di seguito:
Classificazione per metodo di lavorazione
Il metodo di lavorazione determina la cinematica del processo di taglio. Nel servizio di lavorazione CNC , la scelta dell'utensile dipende dal fatto che il materiale venga asportato tramite fresatura rotativa, penetrazione assiale o tornitura statica. La selezione della geometria corretta garantisce sia la precisione dimensionale che l'integrità della superficie.
1. Frese
Le tipologie più comuni includono frese a testa piana, frese a testa sferica, frese per spianatura, frese a testa quadra, frese per smussi e frese per cave a T. Il loro principale vantaggio risiede nella versatilità, che consente un'ampia gamma di operazioni come spianatura, contornatura, fresatura di tasche e smussatura con configurazioni semplici ed elevata adattabilità. Tuttavia, le frese a testa sferica sono meno efficienti delle frese a testa piana per l'asportazione di materiale e le frese di piccolo diametro spesso soffrono di rigidità insufficiente, causando vibrazioni o scheggiature del tagliente.
2. Punte da trapano
Le tipologie principali includono punte elicoidali, punte da centro, punte per fori profondi, punte a corona e svasatori. Questi utensili offrono un'efficienza di foratura e una precisione di posizionamento eccezionali. Le punte per fori profondi, in particolare, possono gestire rapporti di forma superiori a 10:1 con un'eccellente evacuazione del truciolo. Al contrario, richiedono un'elevata precisione nella preforatura o nel centraggio; durante le operazioni ad alta velocità, una scarsa evacuazione del truciolo può facilmente portare alla rottura dell'utensile.
3. Strumenti noiosi
Questa categoria comprende utensili per alesatura di sgrossatura, alesatura di finitura e alesatura micro-regolabile. Il loro punto di forza risiede nell'eccellente precisione dimensionale e nella finitura superficiale, che correggono efficacemente gli errori di coassialità e circolarità. Le versioni micro-regolabili consentono una precisione a livello di micron. Gli svantaggi includono velocità di asportazione inferiori rispetto alla foratura, un elevato requisito di coassialità tra mandrino e utensile e processi di regolazione dispendiosi in termini di tempo.
4. Utensili per tornitura
- Specifico per torni CNC
Tra le tipologie più comuni figurano utensili per tornitura esterna, barre di alesatura interna, utensili per troncatura/scanalatura, utensili per filettatura e utensili per formatura. Questi utensili sono altamente specializzati per operazioni efficienti di tornitura esterna/interna, filettatura e troncatura. Gli utensili per formatura possono lavorare contorni complessi in un'unica passata. Tuttavia, mancano di versatilità, poiché ogni utensile è in genere legato a un processo specifico. Gli utensili per filettatura sono inoltre sensibili alle regolazioni dei parametri di taglio, dove impostazioni errate possono portare a "filettature ubriache" o filettature incrociate.
5. Rubinetti
- Specifico per la filettatura
Si dividono principalmente in maschi a macchina, maschi a scanalatura elicoidale e maschi a rullare o estrusione. Il loro vantaggio è la possibilità di realizzare filettature interne direttamente tramite un processo semplice. I maschi a rullare sono particolarmente indicati per la lavorazione senza truciolo, che si traduce in una maggiore resistenza del filetto. Gli svantaggi includono la difficoltà di evacuazione dei trucioli nei fori ciechi e il rischio di rottura del maschio a causa della coppia eccessiva durante la maschiatura ad alta velocità.
Classificazione in base al materiale dell'utensile
Le proprietà chimiche e fisiche del materiale dell'utensile determinano la sua capacità di resistere al calore e alle sollecitazioni meccaniche. Un ingegnere deve bilanciare durezza e tenacità: i materiali più duri possono tagliare più velocemente e durare più a lungo, ma sono spesso più fragili e soggetti a guasti catastrofici se maneggiati in modo improprio.
1. Acciaio ad alta velocità (HSS)
L'HSS offre un'eccellente tenacità e resistenza agli urti. La sua superiore rettificabilità consente di realizzare geometrie complesse a un prezzo contenuto. Gli svantaggi sono la durezza relativamente bassa (HRC 62-65) e la scarsa resistenza al calore, che limitano la velocità di taglio e l'efficienza produttiva complessiva. È particolarmente adatto per la finitura a bassa velocità, la produzione di utensili personalizzati non standard e la riaffilatura manuale di utensili.
2. Carburo cementato
Grazie all'elevata durezza (HRC 89–93) e alla buona stabilità termica (resistono a temperature di 800–1000 °C), gli utensili in metallo duro supportano elevate velocità di taglio e offrono una lunga durata su diversi materiali, tra cui ghisa, acciaio e metalli non ferrosi. Lo svantaggio principale è la fragilità e una minore resistenza agli urti rispetto all'HSS, oltre a un costo più elevato. È lo standard industriale per il taglio ad alta velocità, la semifinitura e la finitura nella produzione di massa.
3. Strumenti in ceramica
Questi utensili presentano un'estrema durezza (HRA 92–95) e un'eccezionale resistenza al calore (fino a 1200–1400 °C). Sono chimicamente stabili e altamente resistenti al tagliente di riporto (BUE). Tuttavia, la loro elevata fragilità e la scarsa resistenza agli urti li rendono soggetti a fratturazione. Sono costosi e richiedono un'elevata rigidità della macchina utensile, il che li rende adatti principalmente alla finitura di acciaio temprato e ghisa temprata.
4. Nitruro di boro cubico (CBN)
Secondo solo al diamante per durezza, il CBN ha un'estrema stabilità termica (fino a 1400-1500 °C) e un'eccellente resistenza all'usura per finiture di alta precisione. I suoi punti deboli includono elevata fragilità, costo elevato e un'affinità chimica per i metalli non ferrosi, che causa la formazione di legami. È ideale per lavorazioni di finitura di alta precisione di acciaio temprato, ghisa resistente all'usura e superleghe.
5. Utensili diamantati (PCD/monocristallo)
Il materiale più duro conosciuto (HV 10,000) ha un tagliente incredibilmente affilato. Per i metalli non ferrosi, può ottenere una finitura a specchio (Ra < 0.1 μm). I limiti sono la scarsa resistenza al calore (la carbonizzazione avviene oltre i 700 °C), l'estrema fragilità e il costo elevato. Fondamentalmente, non possono lavorare i metalli ferrosi a causa di una reazione chimica. Sono ideali per la finitura a specchio di rame, alluminio, plastica e legno.
Classificazione per progettazione strutturale
La configurazione strutturale di uno strumento ne influenza la rigidità, i costi di manutenzione a lungo termine e i tempi di fermo macchina. Mentre alcuni progetti offrono la massima precisione, altri sono ottimizzati per l'efficienza economica e la rapidità di sostituzione degli utensili sulle linee di produzione automatizzate.
1. Strumenti solidi
Gli utensili integrali offrono un'eccellente rigidità e un'elevata precisione di lavorazione con zero errori di assemblaggio (run-out). Lo svantaggio è che, una volta danneggiato, l'intero utensile deve essere sostituito, con conseguenti maggiori costi operativi e nessuna riutilizzabilità del gambo. Questi sono tipicamente utilizzati per utensili di piccolo diametro e finiture ad alta precisione.
2. Utensili brasati/saldati
Combinano la tenacità di un gambo in HSS con la resistenza all'usura di una punta in metallo duro a un prezzo contenuto. Tuttavia, le sollecitazioni di saldatura possono causare la rottura della punta e, poiché la punta non può essere sostituita singolarmente, l'intero utensile viene scartato una volta usurato. Sono utilizzati per operazioni di semifinitura e sgrossatura generiche.
3. Strumenti indicizzabili
Questi utensili sono dotati di inserti sostituibili che consentono cambi rapidi senza dover reimpostare gli offset utensile. Una volta usurato un tagliente, l'inserto può essere ruotato su un tagliente nuovo, garantendo un utilizzo elevato e un'efficienza ottimale per la produzione di massa. Il compromesso è una precisione di assemblaggio leggermente inferiore rispetto agli utensili integrali e un investimento iniziale più elevato per il portautensile. Sono ideali per produzioni ad alto volume, linee automatizzate e lavorazioni meccaniche generali.
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