Le leghe di titanio e superleghe a base di nichel sono notoriamente materiali difficili da lavorare soprattutto a causa della loro bassa conducibilità termica. Il titanio ha una reattività chimica elevata con il materiale degli utensili che, combinata con temperature elevate, provoca fenomeni di adesione, craterizzazione, rapida usura limitando quindi notevolmente la durata dell'utensile. A causa delle grandi quantità di materiale asportato attraverso operazioni di sgrossatura per le parti aeronautiche è richiesta elevata produttività. I problemi elencati forzano gli operatori ad adottare parametri di taglio limitati che, ovviamente, influenzano negativamente la produttività. Quindi la lavorazione criogenica, con il suo elevato potenziale di raffreddamento, può essere considerata una soluzione a basso impatto ambientale per il miglioramento della vita dell'utensile e della produttività per materiali di difficile lavorabilità.
Adduzione liquido Criogenico localizzata alla zona di taglio per le operazioni di tornitura
La tecnica consiste nel sostituire l'emulsione di raffreddamento tradizionale (una miscela di acqua-olio) con un getto di azoto liquido (LN2) estremamente freddo (-196 ° C) diretto verso la zona di taglio. La forte riduzione della temperatura di processo consente di contenere la diffusione chimica e, di conseguenza, l'usura dell'utensile. Inoltre, l'eliminazione di oli da taglio può essere considerato un grande vantaggio dal punto di vista ambientale e per la salubrità della zona di lavoro. MUSP propone un pacchetto di soluzioni innovative legate alla criogenia (inserti criogenicamente trattati, porta utensili speciali, etc.) applicabili in campo industriale anche a macchinari già installati.
Il raffreddamento delle operazioni di taglio per materiali di difficile lavorazione avviene solitamente adducendo grande quantità di emulsione acqua-olio. Rispetto alle lavorazioni criogeniche,questo metodo non è efficace per gli aspetti produttività e durata utensile (perché l'azoto liquido ha una capacità di raffreddamento molto più forte). Inoltre, l'olio minerale deve essere smaltito con relativi costi e impatto ambientale. Il truciolo e la parte lavorata sono infine sporchi di olio: devono quindi essere puliti per le operazioni di rigenerazione di materia prima o di montaggio.
Il Raffreddamento criogenico può essere adottato per le operazioni di tornitura, fresatura e foratura. L'obiettivo è quello di definire un nuovo stato dell'arte per la lavorazione di leghe di titanio facilmente accessibili da parte di coloro che già lavorano questo tipo di materiali, ma anche ispirare chiunque progetti o costruisca macchine utensili, per la creazione di nuovi modelli di macchine utensili criogeniche.
Confronto vita utile utensile in condizioni criogeniche e tradizionali
Tornitura criogenica
Il Laboratorio MUSP ha già testato con successo un’applicazione di tornitura grazie alla conversione criogenica di un tradizionale tornio CN. Le caratteristiche del sistema di riconversione consistono in un dewar per lo stoccaggio di azoto liquido posizionato vicino al tornio, un condotto termicamente isolato che porta azoto liquido alla zona di taglio e un portautensile speciale che indirizza il flusso di azoto liquido in tre punti della zona di taglio per un effetto di raffreddamento fortemente localizzato. Un confronto, da un punto di vista industriale, dei vantaggi derivanti dall'adozione di raffreddamento criogenico invece di sistemi di raffreddamento tradizionali è stato eseguito ipotizzando un tipico scenario produttivo. Il tempo ed i costi di produzione sono stati quindi così calcolati. Il raffreddamento criogenico può migliorare significativamente la vita dell'utensile rispetto al tradizionale raffreddamento ad emulsione acqua-olio. Per lo scenario di produzione ipotizzato dal modello elaborato da MUSP il raffreddamento criogenico migliora la produttività e riduce i costi: i parametri ottimali di taglio sono più elevati, con effetti sulla minimizzazione dei tempi e dei costi.
Produttori di macchine utensili,, produttori di utensili e aziende del settore aerospaziale.
Gli aspetti commerciali e le potenzialità del progetto sono stati presentati alle aziende, sia con presentazioni dirette che con articoli su riviste di settore. Collaborazioni importanti per lo sviluppo del progetto con partner industriali sono già iniziate.
Adottando il raffreddamento criogenico è possibile ridurre sensibilmente i tempi di produzione