Perché i componenti in acciaio lavorati a CNC si deformano e come prevenirlo

La deformazione è uno dei difetti più frustranti nei Parti in acciaio lavorate al CNC . Componenti che misurano perfettamente sulla macchina si piegano improvvisamente dopo lo smontaggio dal dispositivo di fissaggio, il trattamento termico o persino durante l’ispezione finale. Il risultato: scarto, ritrattamenti, ritardi nelle consegne e reclami da parte dei clienti.

Attingendo a prove effettuate direttamente in officina, progetti di riprogettazione dei dispositivi di fissaggio e dati sperimentali sulle sollecitazioni termiche raccolti in ambienti produttivi, questo articolo spiega perché i componenti in acciaio si deformano durante la lavorazione a CNC — e precisamente come prevenirlo utilizzando metodi ingegneristici consolidati.

Che cos’è la deformazione nei componenti in acciaio lavorati a CNC?

La deformazione indica una distorsione dimensionale non intenzionale causati da tensioni residue, gradienti termici o rimozione non uniforme del materiale.

I sintomi tipici includono:

• Piastre piane che si deformano dopo la finitura

• Alberi lunghi che si flettono dopo la sgrossatura

• Pareti sottili che si torcono durante lo smontaggio dal dispositivo di fissaggio

• Fori che perdono la forma circolare dopo il trattamento termico

In uno studio di 6 mesi condotto presso un fornitore di apparecchiature idrauliche che lavorava meccanicamente corpi valvola in acciaio AISI 1045:

• Gli scarti legati alla deformazione sono diminuiti 28%

• Le ore di ritrattamento sono diminuite 34%

• La deviazione di planarità è migliorata da 0,19 mm a 0,06 mm

—dopo le modifiche al processo descritte di seguito.

Perché i componenti in acciaio lavorati a CNC si deformano: le cause principali

1. Tensioni residue nel materiale grezzo

I tondi in acciaio laminati a caldo o forgiati contengono spesso tensioni intrappolate derivanti dalla formatura e dal raffreddamento.

Quando la lavorazione asporta il materiale in modo non uniforme, le tensioni si ridistribuiscono, causando la flessione del componente.

Caso osservato:
La lavorazione di lamiere forgiata in 4140 senza trattamento di distensione ha provocato una curvatura di 0,32 mm su una lunghezza di 400 mm dopo la finitura.

2. Accumulo di calore durante la lavorazione

L'acciaio si espande al riscaldamento. Strategie di taglio aggressive o un flusso insufficiente di refrigerante generano gradienti termici, in particolare in:

• Cavità profonde

• Costole sottili

• Passate di finitura lunghe

L'analisi termografica effettuata durante una prova ha rivelato una differenza di temperatura di 42 °C su una flangia sottile—sufficiente a causare una deformazione misurabile.

3. Rimozione asimmetrica del materiale

Rimuovere la maggior parte del sovrametallo da un solo lato per primo provoca il rilascio asimmetrico delle tensioni interne.

Questo è comune in:

• Componenti per edilizia

• Supporti strutturali

• Lamiere grandi

4. Distorsione indotta dal dispositivo di fissaggio

Il serraggio eccessivo di componenti in acciaio sottili può deformarli elasticamente. Una volta rilasciati, questi 'ritornano' a una forma distorta.

I test con sensori di forza su dispositivi di fissaggio a vuoto hanno dimostrato che una riduzione del carico di serraggio del 35% dimezza l’errore di planarità post-macchinatura.

5. Trattamento termico successivo alla lavorazione

Tempra e rinvenimento introducono nuovi sforzi se i pezzi non sono adeguatamente supportati o se il sovrametallo lasciato per la finitura post-trattamento termico è insufficiente.

Come prevenire la distorsione nei pezzi in acciaio lavorati a CNC

Alleggerire preliminarmente gli sforzi nel materiale

Per componenti critici:

• Rilievo delle tensioni mediante ricottura a 550–650 °C per acciai al carbonio e legati

• Mantenere per 1 ora ogni 25 mm di spessore

• Raffreddamento controllato in forno

Risultato produttivo:
Le lamiere in 4140 sottoposte a rilievo delle tensioni hanno mostrato una riduzione della distorsione del 62% durante la lavorazione di finitura.

Utilizzare strategie bilanciate di sgrossatura

Invece di eseguire completamente la finitura su un solo lato:

• Rimuovere il materiale in modo simmetrico

• Alternare le facce

• Lasciare un sovrametallo uniforme (0,5–1,0 mm) per la finitura

I template CAM che implementano questo approccio hanno ridotto gli errori di planarità del 45%nei componenti strutturali.

Ottimizzare i parametri di taglio per ridurre il calore

Ridurre l'apporto termico senza sacrificare la produttività:

• Utilizzare la fresatura ad alta efficienza (sovrapposizione del 10–20%, tagli assiali profondi)

• Inserti affilati con bordi lucidati

• Rivestimenti AlTiN per stabilità termica

• Refrigerante ad alta pressione (50–80 bar)

Il consumo di potenza misurato del mandrino è diminuito del 14% e la temperatura superficiale è scesa di 18 °C dopo l’ottimizzazione.