Lavorazione CNC dell'acciaio inossidabile | Lavorabilità, gradi, soluzioni

L'acciaio inossidabile è molto apprezzato in ingegneria per la sua elevata resistenza, tenacità ed eccezionale resistenza al calore e alla corrosione. Tuttavia, le stesse proprietà fisiche e meccaniche che lo rendono così desiderabile presentano anche notevoli difficoltà durante il processo di produzione. Dal punto di vista della lavorazione meccanica, l'acciaio inossidabile è spesso considerato un materiale difficile a causa della sua forte tendenza all'incrudimento, delle elevate forze di taglio e della bassa conducibilità termica.

Panoramica della lavorabilità

La lavorabilità si riferisce alla facilità con cui un materiale metallico può essere sottoposto a processi di taglio. Una volta stabilito il taglio normale, la lavorabilità del metallo viene valutata in base alla rugosità superficiale del pezzo, alla velocità di taglio e al grado di usura dell'utensile.

La lavorabilità è un fenomeno complesso che coinvolge lo strato superficiale, l'attrito e la deformazione elastica e plastica ad alta velocità. Pertanto, la facilità di taglio e la qualità del risultato dipendono da molti fattori:

1. Materiale e geometria dell'utensile.
2. Prestazioni di taglio del materiale del pezzo in lavorazione.
3. Presenza e caratteristiche dei fluidi da taglio durante la lavorazione.
4. Tipologia e condizioni di taglio.

A parità di altre condizioni, il metallo più facile da tagliare dovrebbe essere quello che consente la massima velocità di taglio, la minima usura dell'utensile e il minor consumo energetico, ottenendo al contempo la rugosità superficiale più soddisfacente. Nella maggior parte dei casi, i requisiti principali per il taglio sono l'alta velocità e la lunga durata dell'utensile; tuttavia, in alcune situazioni, i requisiti per la levigatezza della superficie sono più stringenti.

Metodi per la determinazione della lavorabilità

1. Confronto della durata dello stesso utensile durante il taglio di metalli diversi a una determinata velocità di taglio.
2. Confronto della profondità di foratura in diversi metalli utilizzando la stessa pressione, velocità di rotazione e tempo.
3. Confronto della lavorabilità in base all'energia consumata o al calore dissipato durante il taglio di un determinato volume di metalli diversi.

Questi metodi non tengono conto della rugosità superficiale del pezzo lavorato; utilizzano solo la facilità di taglio per confrontare in modo relativo la lavorabilità dei metalli.

La lavorabilità dei metalli è una proprietà tecnologica molto complessa, legata ad altre caratteristiche del metallo stesso. Innanzitutto, è necessario comprendere i motivi per cui i metalli sono difficili da tagliare:

1. Quando la durezza o la resistenza sono troppo elevate, l'energia consumata per il taglio è grande; quando la velocità aumenta, il calore generato può facilmente ammorbidire il tagliente dell'utensile, rendendo il taglio molto difficile.
2. I metalli teneri ad alta plasticità tendono a produrre accumuli di materiale (BUE) e ad aderire al tagliente dell'utensile durante il taglio, rendendo l'operazione più difficile e aumentando la rugosità superficiale.
3. I metalli soggetti a incrudimento sono difficili da tagliare, come gli acciai ad alto tenore di carbonio e manganese, gli acciai resistenti all'usura e gli acciai inossidabili austenitici. Anche i metalli contenenti fasi secondarie dure, come i carburi e gli ossidi, sono difficili da tagliare, poiché usurano facilmente il tagliente dell'utensile.

In secondo luogo, dovremmo sapere che tipo di struttura rende il metallo facile da tagliare. Le fasi secondarie insolubili nella matrice, se possiedono proprietà lubrificanti o aumentano la fragilità del materiale, possono migliorarne la lavorabilità. Ad esempio, grafite, piombo e bismuto possono aumentare l'effetto lubrificante durante il taglio; i solfuri e i fosfuri fragili (come MnS e Fe3P nell'acciaio) possono facilitare la rottura dei trucioli.

Metodi per migliorare la lavorabilità

1. Ammorbidire i metalli duri (tempra o ricottura).
2. Indurire i metalli troppo morbidi (lavorazione a freddo, affinamento del grano, normalizzazione).
3. Ridurre le fasi secondarie difficili (migliorare la qualità della fusione, ridurre le inclusioni).
4. Migliorare la distribuzione delle seconde fasi difficili (ricottura o normalizzante).
5. Aggiungere elementi di seconda fase che migliorano le prestazioni di taglio (Pb, Bi, grafite, MnS, Fe3P, ecc.).

Il metodo finale (5) può produrre leghe con eccellente lavorabilità adatte alle macchine utensili automatiche, che sono quindi chiamate acciai e leghe a lavorabilità migliorata.

Alcune proprietà fisiche e meccaniche che influenzano la lavorabilità sono insensibili alla microstruttura e sono quindi difficili da modificare migliorando la struttura stessa. Tra queste proprietà rientrano il coefficiente di dilatazione termica, la conduttività termica e il modulo elastico del metallo della matrice.

Panoramica del taglio dell'acciaio inossidabile

I diversi tipi di acciaio inossidabile presentano diverse caratteristiche di lavorabilità, e le differenze sono significative. In generale, la lavorabilità dell'acciaio inossidabile è inferiore a quella di altri acciai. Ad esempio, rispetto all'acciaio al carbonio, l'acciaio inossidabile austenitico ha la lavorabilità peggiore. Ciò è dovuto al forte incrudimento e alla bassa conducibilità termica dell'acciaio inossidabile austenitico. Per questo motivo, durante il processo di taglio è necessario utilizzare fluidi di raffreddamento a base d'acqua per ridurre la deformazione termica. Soprattutto se il trattamento termico post-saldatura è inadeguato, la deformazione è inevitabile, indipendentemente dal grado di precisione di taglio. La lavorabilità di altri tipi di acciaio inossidabile, come gli acciai inossidabili martensitici e ferritici, non differisce significativamente da quella dell'acciaio al carbonio, a condizione che non vengano tagliati dopo la tempra. Tuttavia, sia per gli acciai martensitici che per quelli ferritici, maggiore è il contenuto di carbonio, peggiore è la lavorabilità. Gli acciai inossidabili a indurimento per precipitazione presentano diverse caratteristiche di lavorabilità a causa delle differenze di struttura e dei metodi di trattamento, ma in generale, allo stato ricotto, la loro lavorabilità è sostanzialmente la stessa di quella degli acciai inossidabili martensitici e austenitici della stessa serie e resistenza.

Gli acciai inossidabili sono ampiamente utilizzati perché possiedono una particolare resistenza al calore e alla corrosione, oltre a elevata resistenza meccanica e tenacità. In molte applicazioni, la capacità di un materiale metallico di tagliare un altro è determinata dalla sua lavorabilità. Tutti gli acciai inossidabili sono lavorabili, così come tutte le loro qualità. La lavorabilità dell'acciaio inossidabile, come le sue proprietà fisiche e meccaniche, presenta una grande variabilità.

In generale, con il termine acciaio inossidabile ci si riferisce a leghe a base di ferro con un contenuto di cromo superiore all'11.5%. Per ottenere la resistenza alla corrosione e/o le proprietà meccaniche richieste, possono essere aggiunti elementi come carbonio, nichel, manganese, silicio, alluminio, titanio, niobio e altri elementi di lega.

Tipologie di acciaio inossidabile in base alla lavorabilità

La classificazione più comune si basa sulla microstruttura e sulle condizioni di trattamento termico. Questo metodo suddivide tutti gli acciai inossidabili in tre categorie: temprabili (martensitici), non temprabili (ferritici) e austenitici. Ciascuna categoria comprende alcune qualità ad alta lavorabilità.

acciaio inossidabile temprabile

Questo gruppo è costituito da acciai della serie 400 che possono essere induriti mediante trattamento termico . Le qualità a lavorabilità migliorata includono: acciaio inossidabile 416, 420F e 440F. Le qualità con lavorabilità generale includono 403, 410, 420, 431, 440A, 440B e 440C. Tutti questi sono acciai martensitici, magnetici allo stato ricotto, e possono raggiungere vari livelli di resistenza tramite tempra e rinvenimento. Il più facile da lavorare è il 416, mentre il più difficile è il 440C perché il suo elevato contenuto di carbonio provoca una grave usura degli utensili.

acciaio inossidabile non temprabile

Questo gruppo comprende acciai della serie 400 che non possono essere induriti significativamente mediante trattamento termico. Sono ferritici e magnetici allo stato ricotto. Tra le qualità a lavorabilità migliorata si annovera il 430F; tra quelle con lavorabilità generale si trovano il 405, il 430 e il 446.

Acciaio inossidabile austenitico

Si tratta degli acciai della serie Cr-Ni 300, recentemente ampliata per includere alcuni acciai della serie Cr-Ni-Mn 200. Sono austenitici allo stato ricotto, sostanzialmente non magnetici e non possono essere induriti mediante trattamento termico. Tuttavia, la maggior parte presenta elevati tassi di incrudimento, molto superiori a quelli degli acciai ferritici e martensitici. Tra le qualità a lavorabilità migliorata si annoverano il 303 e il 303Se. Le qualità standard includono 201, 202, 301, 302, 304, 305, 308, 309, 310, 316, 317, 321, 347, ecc. Gli acciai austenitici sono molto più difficili da lavorare rispetto alla maggior parte degli acciai martensitici o ferritici. Sono appiccicosi allo stato ricotto e producono trucioli fibrosi a meno che non si utilizzino tecniche speciali. Anche gli elevati tassi di incrudimento contribuiscono alla difficoltà di taglio.

Proprietà della lavorazione CNC dell'acciaio inossidabile

La lavorabilità dell'acciaio inossidabile è molto inferiore a quella dell'acciaio a medio tenore di carbonio. Se l'acciaio 1045 ha una lavorabilità del 100%, l'acciaio austenitico 321 del 40%, l'acciaio ferritico 10Cr28 del 48% e l'acciaio martensitico 420 del 55%. Le qualità austenitiche e austenitiche+ferritiche sono le peggiori. Le caratteristiche includono:

Grave incrudimento del lavoro

Questo fenomeno è particolarmente evidente negli acciai austenitici e austenitici+ferritici. La resistenza dopo la tempra può raggiungere i 1470-1960 MPa. Il limite di snervamento aumenta dal 30%-45% allo stato ricotto all'85%-95% dopo la tempra. La profondità dello strato temprato può essere pari a 1/3 della profondità di taglio o superiore, con una durezza da 1.4 a 2.2 volte superiore a quella originale. Ciò è dovuto all'elevata plasticità, alla distorsione del reticolo cristallino e alla trasformazione dell'austenite in martensite sotto sforzo.

Grandi forze di taglio

L'elevata plasticità, soprattutto nell'austenite, con un allungamento 1.5 volte superiore a quello dell'acciaio 1045, aumenta la forza. L'incrudimento e l'elevata resistenza termica aumentano ulteriormente la resistenza e rendono difficile la rottura del truciolo. La forza di taglio unitaria per l'acciaio 06Cr18Ni11Ti è di 2450 MPa, il 25% in più rispetto a quella dell'acciaio 1045.

Temperatura di taglio elevata

L'elevata deformazione plastica e l'attrito generano una notevole quantità di calore. In combinazione con la bassa conduttività termica (da 1/4 a 1/2 di quella dell'acciaio 1045), il calore si concentra nella zona di taglio. Nelle stesse condizioni, la temperatura dell'acciaio 321 è di circa 200 °C superiore a quella dell'acciaio 1045.

Patatine difficili da rompere

L'elevata plasticità e tenacità portano alla formazione continua di trucioli che possono graffiare la superficie. L'elevata affinità con altri metalli provoca adesione e accumulo di materiale sul tagliente, aggravando l'usura dell'utensile e la lacerazione della superficie.

Usura degli strumenti

L'affinità provoca adesione e usura per diffusione, con conseguente formazione di crateri sulla superficie dell'utensile e micro-scheggiature. Anche le particelle di carburo duro presenti nell'acciaio causano usura abrasiva.

Coefficiente di espansione lineare elevato

Circa 1.5 volte quella dell'acciaio al carbonio. Il calore da taglio insufficiente deforma termicamente i pezzi, rendendo difficile il controllo della precisione dimensionale.

Tra le varie macchine utensili, i torni automatici sono estremamente efficienti per la lavorazione di barre di acciaio inossidabile e la produzione di innumerevoli componenti.

Considerazioni per la lavorazione dell'acciaio inossidabile:

1. Gli utensili devono essere rigidi, avanzati e avere un'elevata capacità di sovraccarico. È preferibile tagliare al di sotto del 75% della capacità nominale della macchina.
2. I pezzi e gli utensili devono essere fissati saldamente. La sporgenza degli utensili deve essere ridotta al minimo; se necessario, utilizzare supporti aggiuntivi.
3. Mantenete gli utensili sempre affilati (in acciaio rapido o carburo). Affilateli regolarmente; non aspettate che sia necessario.
4. Utilizzate lubrificanti ad alte prestazioni, come il grasso di petrolio clorurato. Questo è efficace per lavorazioni pesanti a basse velocità di avanzamento. Per la finitura ad alta velocità, diluite con cherosene per mantenere basse le temperature.
5. Presta attenzione agli acciai austenitici al Cr-Ni. Utilizza il taglio forzato ed evita le pause per prevenire l'incrudimento e lo slittamento.

Rispetto all'acciaio al carbonio:

1. L'acciaio inossidabile ricotto presenta generalmente una maggiore resistenza.
2. Il divario tra snervamento e resistenza alla trazione è maggiore.
3. I tassi di indurimento lavorativo sono più elevati.
4. Le leghe ad alto tenore di carbonio (440A/B/C) contengono carburi di lega liberi che induriscono la matrice e sono abrasivi, aumentando l'usura.

Processi di lavorazione CNC in acciaio inossidabile

I processi di lavorazione dell'acciaio inossidabile includono tornitura CNC, fresatura, rettifica, foratura, ecc.

tornitura CNC

Generalmente si considera un taglio a punta singola. Gli utensili devono avere un angolo di spoglia positivo. I tipi martensitici (420, 440) richiedono un angolo di spoglia negativo per ridurre l'usura. Le serie austenitiche (200/300) tendono all'incrudimento; mantenere l'avanzamento forzato ed evitare arresti improvvisi. Utilizzare torni ad alta potenza con buona rigidità strutturale. Su torni a torretta si raccomandano utensili con inserti in metallo duro.

• Avanzamento di sgrossatura: 0.229–0.406 mm.
• Avanzamento di finitura: 0.076–0.254 mm.
• Velocità (tipi cromati): 61–152 m/min.
• Velocità (tipi Cr-Ni): 61–122 m/min.
• Utilizzare miscele concentrate di oli solubili.

Fresatura CNC

L'elevata tendenza all'adesione e alla fusione fa sì che i trucioli si attacchino ai denti. Nella fresatura in concordanza, i denti scorrono su superfici indurite, aumentando l'indurimento. Le vibrazioni e gli urti sono elevati.

• Utensili: utilizzare acciaio rapido (HSS, W-Mo o ad alto contenuto di vanadio) o carburo (YG8, YW2, 813, 798, ecc.).
• Geometria: utilizzare angoli di elica ampi (20°–45°). Mentre le frese a candela sono migliori a β 35 per evitare l'indebolimento dei denti.
• Metodo: Utilizzare la fresatura in concordanza (o fresatura discendente) per garantire che i denti escano dal metallo senza intoppi e che i trucioli vengano espulsi dalla forza centrifuga.
• Raffreddamento: il raffreddamento a spruzzo è il metodo più efficace; in alternativa, assicurarsi che vi sia un flusso completo di emulsione al 10%.
• Velocità: Iniziare da circa 24 m/min per il carburo e circa 9 m/min per l'acciaio rapido (HSS).

Rettifica CNC

L'elevata tenacità e resistenza al calore fanno sì che i grani con angoli di spoglia negativi fatichino a tranciare i trucioli. L'energia è elevata, le temperature raggiungono i 1000-1500 °C e i trucioli intasano la mola. La bassa conducibilità termica può causare bruciature superficiali o ricottura (profondità 0.01-0.02 mm). L'espansione porta a deformazioni, soprattutto nelle parti a parete sottile. La maggior parte degli acciai inossidabili non è magnetica, il che richiede un bloccaggio meccanico, che può causare vibrazioni o distorsioni. Evitare una rettifica non uniforme o il surriscaldamento localizzato.

Foratura CNC

In genere, si utilizzano punte elicoidali. Per l'acciaio temprato, si utilizzano utensili in carburo o HSS super-duri. Le coppie di serraggio sono elevate e i trucioli aderiscono e si induriscono. È necessario rettificare delle scanalature per la rottura dei trucioli e assottigliare l'anima per ridurre la forza assiale.

• Indurimento/Sgocciolamento: Cospargere di polvere di gesso il bordo o il foro per facilitare l'inizio del taglio.
• Dime di foratura: mantenere le boccole corte; mantenere uno spazio pari al diametro della punta del trapano per consentire l'espulsione dei trucioli.
• Velocità: 12–38 m/min a seconda della pendenza e della profondità.
• Avanzamento: 0.051–0.508 mm/giro. Ridurre al minimo le pause per limitare l'indurimento.

Maschiatura CNC

Le qualità di lavorazione a taglio libero sono simili all'acciaio al carbonio. Un angolo di spoglia di 15° è preferibile. Utilizzare maschi a profilo sottile per fori profondi al fine di ridurre la pressione. Utilizzare maschi HSS con filettature rettificate di precisione e scanalature lucidate. I maschi con scanalatura elicoidale sono migliori per il controllo dei trucioli. Assicurarsi che la profondità delle filettature non superi il 75% (spesso il 65% è meglio) per evitare rotture. Per un'elevata precisione, forare leggermente più piccolo (0.152–0.305 mm sotto la dimensione nominale) e quindi alesare prima della maschiatura. Evitare la rettifica manuale dei maschi.

• Velocità: 3–11 m/min.
• Lubrificazione: oli a base di zolfo per filettature grosse; cherosene diluito per filettature fini; biacca per maschiatura pesante.

Pulizia e passivazione dopo la lavorazione

Per garantire la resistenza alla corrosione, rimuovere tutto lo sporco e le macchie. Una superficie pulita permette la formazione di una pellicola passivante.

Sgrassatura: Deve essere completa e accurata per rimuovere tutti i lubrificanti e gli oli.

Bagno di acido nitrico: spesso con una concentrazione del 20% a 49°C per almeno 30 minuti. Dissolve le particelle di ferro e pulisce le zone corrose.

Regolazione: Per la serie 300 o la serie 400 ad alto contenuto di cromo, si utilizza una concentrazione del 20%-40% a 54-71°C per 30-60 minuti. Per la serie 400 a basso contenuto di cromo si utilizzano temperature inferiori. Risciacquare con acqua calda e asciugare immediatamente.

Finiture superficiali per lavorazione CNC dell'acciaio inossidabile

Contrariamente a quanto si crede comunemente, l'acciaio inossidabile non è completamente immune alla ruggine, ma è semplicemente relativamente resistente ad essa. Un sottilissimo strato di ossido ricco di cromo sulla superficie funge da barriera protettiva. Tuttavia, questo strato può essere compromesso da fattori ambientali e processi meccanici, come graffi superficiali, pulizia impropria, contaminazione da acciaio al carbonio o saldatura. Queste forme di contaminazione superficiale possono danneggiare significativamente lo strato protettivo.

Pertanto, durante la fabbricazione di prodotti in acciaio inossidabile è necessario adottare misure efficaci. Il modo migliore per prevenire la corrosione è attraverso un adeguato trattamento superficiale. I processi più comuni includono la spazzolatura, la lucidatura a specchio, la sabbiatura e i rivestimenti anti-impronta, ognuno dei quali offre effetti estetici e vantaggi funzionali unici.

Lucidatura a specchio

Il trattamento a specchio consiste essenzialmente nella lucidatura della superficie dell'acciaio inossidabile mediante metodi fisici o chimici. La lucidatura può essere applicata all'intera superficie o solo ad aree localizzate. I gradi di finitura a specchio sono classificati in lucidatura standard, 6K (specchio standard), 8K (levigatura fine) e 10K (levigatura superfine). Una finitura a specchio conferisce un'estetica raffinata, minimalista, alla moda e futuristica.

Sabbiatura

Si tratta di un processo di trattamento superficiale comune nella lavorazione dell'acciaio inossidabile. Utilizza aria compressa come fonte di energia per proiettare materiali abrasivi ad alta velocità sulla superficie del pezzo, modificandone la texture. La sabbiatura è utilizzata principalmente per l'ingegneria e l'ottimizzazione dei processi, ad esempio per aumentare l'adesione dei componenti incollati, sbavare le superfici lavorate, decontaminare e ottenere una finitura opaca. Questo processo è di gran lunga superiore alla levigatura manuale, fornendo una struttura superficiale uniforme e un aspetto discreto e durevole con un'elevata efficienza produttiva. Mentre la levigatura manuale può creare una superficie ruvida, è troppo lenta e la pulizia chimica spesso lascia la superficie troppo liscia per un'adesione ottimale del rivestimento.

Trattamento chimico

Questo processo prevede una combinazione di metodi chimici ed elettrochimici per generare uno strato di composto stabile sulla superficie dell'acciaio inossidabile. La galvanostegia è un ottimo esempio di trattamento chimico. Questo metodo si basa principalmente su soluzioni acide e anodiche, singole o miste, per la rimozione del calcare. Successivamente, si formano pellicole protettive tramite trattamento al cromato, fosfatazione o ossidazione nera . Questo processo viene utilizzato principalmente per creare motivi complessi o per soddisfare specifiche esigenze di design, sia vintage che contemporanee.

Colorazione

I processi di colorazione superficiale possono conferire all'acciaio inossidabile diverse tonalità, rendendo il metallo più brillante. Oltre all'aspetto estetico, la colorazione può migliorare efficacemente la resistenza all'usura e alla corrosione del prodotto. I metodi di colorazione più comuni includono la colorazione chimica, la colorazione mediante ossidazione elettrochimica, la colorazione mediante ossidazione a deposizione ionica, la colorazione mediante ossidazione ad alta temperatura e la colorazione mediante pirolisi in fase gassosa.

Spazzolare

La spazzolatura del metallo è un metodo decorativo molto comune. Permette di realizzare diversi tipi di motivi, tra cui linee rette, motivi a filo, motivi ondulati, motivi casuali e motivi rotazionali. Le superfici spazzolate sono caratterizzate da una piacevole sensazione al tatto, una delicata lucentezza e un'elevata resistenza all'usura. Questo trattamento è ampiamente utilizzato in dispositivi elettronici, elettrodomestici e apparecchiature meccaniche.

Rivestimento a spruzzo

La verniciatura a spruzzo dell'acciaio inossidabile differisce sostanzialmente dai processi di colorazione menzionati in precedenza. A seconda dei materiali utilizzati, alcune vernici possono effettivamente danneggiare lo strato di ossido dell'acciaio inossidabile. Tuttavia, alcune vernici a spruzzo consentono di ottenere diversi colori con processi semplici, e si possono utilizzare diversi tipi di rivestimenti per modificare la sensazione tattile o la "mano" della superficie dell'acciaio inossidabile.

Tolleranze e capacità di lavorazione CNC di Getzshape

Getzshape offre lavorazioni CNC personalizzate di alta qualità, lavorazione della lamiera, elettroerosione, pressofusione e altro ancora. Le nostre capacità di lavorazione CNC per l'acciaio inossidabile sono elencate di seguito.