Come scegliere il numero di taglienti di una fresa in metallo duro

Evacuazione del truciolo, rigidezza dell'utensile e stabilità del processo

La scelta del numero di taglienti rappresenta uno dei principali fattori che influenzano le prestazioni di una fresa in metallo duro. Non determina solamente la produttività, ma modifica direttamente il comportamento meccanico dell'utensile, l’evacuazione del truciolo, la stabilità della lavorazione e la durata del tagliente.

Una convinzione ancora molto diffusa associa automaticamente pochi taglienti ai materiali teneri e molti taglienti ai materiali duri. Sebbene questa regola possa costituire un primo riferimento, nella pratica applicativa risulta spesso insufficiente.

La selezione della geometria deve essere effettuata considerando l'intero sistema di lavorazione: materiale, morfologia del truciolo, strategia CAM, rigidezza del sistema macchina-utensile e obiettivo produttivo.

Come cambia la geometria aumentando il numero di taglienti

A parità di diametro esterno, l'incremento del numero di taglienti modifica profondamente la geometria della fresa.

L'aumento dei taglienti comporta infatti:

• incremento della sezione resistente dell'anima;

• maggiore rigidezza flessionale;

• migliore distribuzione del carico di taglio;

• minore deflessione dell'utensile;

• maggiore stabilità dinamica.

Parallelamente si riduce però il volume disponibile nelle gole.

Le gole costituiscono il canale attraverso cui il truciolo viene evacuato durante la lavorazione. Riducendone la sezione diminuisce la capacità della fresa di gestire trucioli voluminosi o continui.

Dal punto di vista progettuale il numero di taglienti rappresenta quindi un compromesso tra due esigenze opposte:

• massimizzare la capacità di evacuazione del truciolo; 

• massimizzare la rigidezza dell'utensile. 

La scelta ottimale consiste nel trovare il corretto equilibrio tra questi due fattori.

Il parametro determinante non è la durezza del materiale

Uno degli errori più comuni consiste nello scegliere il numero di taglienti esclusivamente in funzione della durezza del materiale.

Dal punto di vista della lavorazione, il parametro realmente determinante è invece la morfologia del truciolo.

Materiali molto duttili, come alluminio, rame, ottone e molte leghe leggere, generano generalmente trucioli:

• lunghi;

• continui;

• ad elevato volume.

In queste condizioni il limite principale diventa l'evacuazione.

Se il truciolo non viene espulso rapidamente dalle gole possono verificarsi:

• impaccamento;

• riporto di materiale sul tagliente (Built-Up Edge);

• incremento della temperatura;

• aumento dell'attrito;

• peggioramento della qualità superficiale;

• usura precoce.

Per questo motivo risultano generalmente più efficaci utensili con 2 o 3 taglienti, caratterizzati da gole di maggiore capacità.

Al contrario, materiali che producono truciolo corto, come acciai bonificati, acciai temprati, ghise e molte leghe ad elevata resistenza, consentono di sfruttare frese con 4, 5 o più taglienti, privilegiando la rigidezza dell'utensile e la stabilità del processo.

La scelta del numero di taglienti dipende quindi dal comportamento del materiale durante la formazione del truciolo e non semplicemente dalla sua durezza.

L'influenza della strategia di fresatura

La strategia di lavorazione può modificare completamente il criterio di scelta della geometria.

Fresatura a piena cava

Durante una lavorazione a piena cava:

• l'impegno radiale è prossimo al diametro dell'utensile;

• il volume di truciolo prodotto è elevato;

• l'evacuazione rappresenta il principale vincolo del processo.

In queste condizioni gole più ampie consentono una migliore espulsione del materiale lavorato e riducono significativamente il rischio di impaccamento.

Per questo motivo utensili con 2 o 3 taglienti rappresentano frequentemente la soluzione più efficace.

Profilatura laterale

Riducendo l'impegno radiale diminuisce il volume del truciolo generato.

L'importanza dell'evacuazione si riduce progressivamente mentre diventa più rilevante la rigidezza dell'utensile.

Frese da 3 o 4 taglienti costituiscono spesso il miglior compromesso tra stabilità e capacità di evacuazione.

Finitura

Durante la finitura il materiale asportato per passata è limitato.

In queste condizioni il volume del truciolo non rappresenta generalmente un fattore critico e può essere vantaggioso aumentare il numero di taglienti per incrementare:

• stabilità del taglio;

• qualità superficiale;

• produttività.

High Efficiency Milling (HEM)

Le strategie HEM modificano completamente il comportamento della lavorazione.

L'utilizzo di:

• basso impegno radiale (ae);

• elevata profondità assiale (ap);

• chip thinning controllato;

produce un truciolo di spessore ridotto e limita il volume di materiale presente nelle gole.

In questo scenario il vantaggio delle gole più ampie diventa secondario rispetto ai benefici derivanti dall'incremento della rigidezza.

Per questo motivo le frese dedicate all'High Efficiency Milling sono frequentemente progettate con 5, 6 o più taglienti, consentendo di:

• incrementare l'avanzamento;

• distribuire il carico su un numero maggiore di taglienti;

• migliorare la stabilità dinamica;

• aumentare la produttività.

Anche la macchina utensile influenza la scelta

La fresa non lavora mai da sola.

Il comportamento dell'utensile dipende dalla rigidezza complessiva del sistema, costituito da:

• macchina utensile;

• mandrino;

• portautensile;

• sporgenza dell'utensile;

• sistema di serraggio del pezzo;

• strategia CAM.

Una macchina poco rigida, un portautensile non adeguato o una sporgenza eccessiva possono limitare i vantaggi offerti da una fresa con un elevato numero di taglienti.

Al contrario, un sistema rigido consente di sfruttarne pienamente il potenziale.

La scelta della geometria deve quindi essere effettuata considerando il processo nel suo insieme e non il solo utensile.

Caso applicativo: quando una fresa a 5 taglienti è risultata meno produttiva

Durante una lavorazione di fresatura a piena cava su alluminio EN AW-6082, l'obiettivo era incrementare la produttività utilizzando una fresa in metallo duro a 5 taglienti.

Configurazione iniziale

Parametro	Valore
Utensile	Fresa MD Ø10 mm
Numero di taglienti	5
Angolo d'elica	45°
Velocità di taglio (Vc)	377 m/min
Velocità mandrino (n)	12.000 rpm
Avanzamento (Vf)	4.200 mm/min
Avanzamento per dente (fz)	0,07 mm
Profondità assiale (ap)	8 mm
Impegno radiale (ae)	10 mm

Durante la lavorazione sono stati osservati:

• evacuazione difficoltosa del truciolo;

• formazione di riporto sul tagliente;

• incremento della temperatura;

• peggioramento della finitura superficiale;

• instabilità del processo.

L'analisi tecnica ha evidenziato che il limite non era rappresentato dai parametri di taglio, ma dalla geometria dell'utensile.

Il volume disponibile nelle gole risultava insufficiente rispetto alla quantità di truciolo prodotta durante una lavorazione a piena cava.

La soluzione è consistita nella sostituzione dell'utensile con una fresa Ø10 mm a 3 taglienti, mantenendo invariati:

• materiale;

• macchina utensile;

• velocità di rotazione;

• velocità di taglio;

• profondità assiale;

• impegno radiale.

Configurazione ottimizzata

Parametro	Valore
Utensile	Fresa MD Ø10 mm
Numero di taglienti	3
Angolo d'elica	45°
Velocità di taglio (Vc)	377 m/min
Velocità mandrino (n)	12.000 rpm
Avanzamento (Vf)	3.960 mm/min
Avanzamento per dente (fz)	0,11 mm
Profondità assiale (ap)	8 mm
Impegno radiale (ae)	10 mm

L'adozione della geometria a 3 taglienti ha consentito di ottenere:

• evacuazione regolare del truciolo;

• eliminazione del riporto di materiale;

• riduzione della temperatura in taglio;

• processo più stabile;

• incremento della durata utensile di circa 22%.

Il caso dimostra come, in applicazioni caratterizzate da elevato volume di truciolo, una fresa con meno taglienti possa risultare significativamente più efficiente rispetto a una geometria teoricamente più rigida.

K-LAB | Nota tecnica

Aumento del numero di taglienti	Effetto sul processo
↑ Numero di taglienti	↑ Rigidezza dell'utensile
↑ Numero di taglienti	↓ Volume disponibile nelle gole
↓ Volume delle gole	↓ Capacità di evacuazione del truciolo
↑ Rigidezza	↑ Stabilità dinamica
↑ Volume delle gole	↓ Rischio di impaccamento e riporto di materiale

Conclusioni

La scelta del numero di taglienti non dovrebbe mai essere effettuata seguendo una regola generica.

La valutazione deve partire da un'analisi tecnica del processo, considerando contemporaneamente:

• comportamento del materiale durante la formazione del truciolo;

• volume di truciolo da evacuare;

• strategia di fresatura;

• impegno radiale e assiale;

• rigidezza del sistema macchina-utensile;

• obiettivo produttivo.

Una fresa con un numero maggiore di taglienti non è automaticamente più produttiva.

È più produttiva solo quando la geometria è coerente con le condizioni di lavorazione.

In molte applicazioni, soprattutto nelle lavorazioni a piena cava o con materiali che producono truciolo continuo, una geometria con meno taglienti può garantire una migliore evacuazione, una maggiore stabilità del processo e una durata utensile superiore.