Macchine utensili - Cenni storici

Cenni storici

Si ritiene che le prime macchine utensili nel senso moderno del termine siano state l'alesatrice per superfici cilindriche interne, costruita verso il 1775 dal britannico John Wilkinson, e il tornio parallelo per filettature, sviluppato intorno al 1794 da Henry Maudslay. L'uso di queste macchine ricevette 626h77g un notevole impulso intorno al 1830, quando Joseph Whitworth realizzò diversi strumenti di misura che garantivano una precisione dell'ordine di un centomillesimo di millimetro e consentivano la produzione in serie di articoli con parti sostituibili. I primi tentativi di produrre pezzi sostituibili si verificarono contemporaneamente in Europa e negli Stati Uniti, ed erano basati sull'uso delle cosiddette maschere per limatura, con le quali si potevano produrre molti pezzi limati a mano di dimensioni praticamente identiche; il primo sistema di vera produzione in serie si deve tuttavia allo statunitense Eli Whitney, il quale iniziò nel 1798 la produzione di 10.000 moschetti per l'esercito, tutti comprendenti parti sostituibili.

Nel XIX secolo le comuni macchine utensili (torni, limatrici, piallatrici, rettificatrici, segatrici, fresatrici, trapanatrici, alesatrici) raggiunsero un buon grado di precisione ed ebbero ampia diffusione nei paesi industrializzati.

Macchine utensili più grandi e precise furono costruite nei primi anni del XX secolo: a partire dal 1920 iniziò la produzione di macchine specializzate, che consentivano una produzione di serie a basso costo, potevano essere utilizzate anche da manodopera non specializzata, ma erano poco flessibili e non adatte alla lavorazione di prodotti differenziati o a cambiamenti di produzione. Per ovviare a questa limitazione, a partire dal 1950 si iniziò a progettare macchine utensili altamente versatili e precise, sempre più spesso comandate da una centrale computerizzata (le cosiddette macchine a controllo numerico, o digitale).

Macchine utensili convenzionali

Macchine utensili di base sono il tornio, la limatrice, la piallatrice e la fresatrice, mentre sono macchine ausiliarie le trapanatrici, le alesatrici, le rettificatrici, le segatrici e le varie macchine usate nelle lavorazioni per deformazione plastica.

Tornio

Il tornio, la macchina a moto rotatorio più antica e più diffusa, funziona tenendo in rotazione il pezzo in lavorazione, mentre un utensile tagliente ne asporta il materiale in eccesso rispetto alla forma voluta. L'utensile può essere fatto avanzare parallelamente o a varie angolazioni rispetto all'asse di rotazione, in modo da produrre superfici cilindriche o coniche. Dotato di vari accessori, il tornio può essere usato anche per produrre superfici piane, per forare, alesare o filettare.

Limatrice

La limatrice è una macchina a moto rettilineo alternativo usata solo per realizzare superfici piane. Nella corsa di lavoro l'utensile avanza sul pezzo fisso ed esegue un taglio (passata); nella corsa di ritorno retrocede alla posizione di partenza, dopo aver compiuto un piccolo spostamento laterale, quindi esegue un secondo taglio e così via. La limatrice è una macchina molto robusta, adatta per lavori di sgrossatura, con asportazione di una quantità rilevante di materiale a ogni passata, ma è relativamente lenta, per cui viene inserita raramente nelle linee di produzione; è invece utile nei reparti di utensileria e attrezzaggio e nelle piccole officine dove spesso vengono eseguiti lavori di sgrossatura e dove la necessità di produzione di pezzi identici è limitata.

Piallatrice

La piallatrice per metalli, utilizzata per spianare le superfici di pezzi di grandi dimensioni, è la più grande delle macchine utensili a moto alternativo. Funziona in modo molto simile alla limatrice: l'unica differenza è che in questo caso l'utensile è fisso mentre il pezzo si muove avanti e indietro. La piallatrice per legno, usata per ottenere una spianatura alquanto grossolana di assi o comunque di pezzi piuttosto lunghi, impiega un utensile costituito in genere da due lame fissate su un cilindro rotante ad alta velocità, che agisce come una fresa. Il pezzo deve essere spinto manualmente sul piano di lavoro, che presenta un'apertura trasversale dalla quale sporge la parte superiore dell'utensile. Se al piano di lavoro si contrappone, a un'altezza regolabile, un altro piano, in modo che fra i due piani resti uno spazio nel quale far passare il pezzo in lavorazione, si ottiene la cosiddetta piallatrice a spessore, usata per ridurre lo spessore del pezzo a un valore uniforme.

Fresatrice

Nella fresatrice il pezzo avanza contro un utensile rotante a taglienti multipli, disposti simmetricamente rispetto all'asse di rotazione. Normalmente la tavola portapezzo consente movimenti longitudinali, trasversali e verticali, ma può anche essere dotata di movimento rotatorio. Le fresatrici sono le macchine utensili più versatili, e possono lavorare con grande precisione superfici piane o sagomate, esterne o interne. La grande varietà degli utensili (frese) e la possibilità di combinare in vario modo le posizioni e l'avanzamento della tavola portapezzo consentono l'esecuzione di ogni tipo di scanalatura, compreso il taglio dei denti delle ruote dentate.

Trapani e alesatrici

Le macchine trapanatrici, più comunemente dette trapani, sono macchine molto versatili e possono avere le dimensioni e le forme più varie, dai piccoli trapani portatili a quelli frontali di grandi dimensioni, dai normali trapani a colonna alle unità multimandrino automatiche. L'utensile più impiegato è la classica punta elicoidale e l'operazione tipica è la foratura, ma secondo le necessità si possono impiegare utensili rotanti di vario tipo.

L'alesatura è una lavorazione con la quale si allargano fori già esistenti, principalmente allo scopo di migliorarne il grado di finitura. L'alesatura di piccoli fori si esegue con gli appositi utensili (alesatori) montati in genere su un trapano a colonna, mentre quella di fori grossi (di solito oltre 2 cm di diametro) si esegue sulle alesatrici. Queste sono strutturalmente simili ai trapani e possono essere verticali, orizzontali o universali (ossia con possibilità di variare la disposizione dell'asse di lavoro). In genere impiegano un utensile particolare, la barra alesatrice, che può lavorare su fori cilindrici o conici di notevoli dimensioni, ma possono anche eseguire filettature o scanalature circolari. Spesso sono automatiche e a utensili multipli.

Rettificatrici

La rettifica, una delle più comuni lavorazioni di finitura superficiale, consiste nell'asportazione di piccole quantità di materiale dal pezzo. L'azione è identica a quella della fresa, ma lo strumento rotante è costituito da una moltitudine di piccoli grani abrasivi, ognuno dei quali agisce come un utensile in miniatura. Questo processo assicura una finitura estremamente liscia e precisa.

Segatrici

Le segatrici a motore, dette comunemente seghe elettriche, si dividono in tre categorie principali, a seconda del tipo di utensile utilizzato per il taglio: alternative, circolari e a nastro. Le seghe alternative hanno un utensile a lama dentata diritta, tesa fra le estremità di un telaio, e trovano impiego nelle officine meccaniche per il taglio di barre, tubi ecc.; in particolare quelle di grandi dimensioni vengono utilizzate anche nelle segherie di legname. Le seghe circolari si usano quasi esclusivamente in falegnameria: l'utensile, un disco rotante a bordo dentato, serve a eseguire il taglio, ma può essere utilizzato anche per praticare scanalature diritte. Le seghe a nastro sono dotate di un lungo nastro d'acciaio, chiuso ad anello e teso fra due ruote (di cui una motrice) ad assi paralleli. Si usano prevalentemente in falegnameria ma anche in macelleria (per il taglio degli ossi) e per tagliare materie plastiche rigide.

Utensili e fluidi da taglio

Poiché il processo di taglio (ovvero il distacco di una parte di materiale sotto forma di truciolo) comporta intense sollecitazioni meccaniche e forte attrito, con conseguente grande produzione di calore, i materiali con cui sono realizzati gli utensili devono possedere requisiti di resistenza meccanica, tenacità, durezza e limitata sensibilità alle alte temperature; queste caratteristiche si ritrovano sia nei materiali ceramici di recente sviluppo (vedi Metalloceramica), sia in materiali tradizionali come gli acciai al carbonio, gli acciai rapidi, il carburo di tungsteno e il diamante.

In molte operazioni di taglio si usano fluidi refrigeranti e lubrificanti: il raffreddamento aumenta la durata dell'utensile e contribuisce a stabilizzare le dimensioni del pezzo finito; la lubrificazione riduce invece l'attrito, e quindi anche la produzione di calore e la potenza necessaria per eseguire la lavorazione. I fluidi da taglio sono in genere soluzioni acquose, oli chimicamente inerti e fluidi sintetici.

Macchine per deformazione plastica

Le macchine utensili convenzionali che operano mediante deformazione plastica del materiale, e dunque senza asportazione di truciolo, sono il maglio, la pressa, il laminatoio e la trafilatrice; vengono impiegate prevalentemente in siderurgia e nella fucinatura meccanica.

Macchine utensili non convenzionali

Sono definite non convenzionali le macchine utensili elettrochimiche e quelle ad arco, a raggio laser, a scarica elettrica, a ultrasuoni e a fasci di elettroni; sono usate soprattutto nella lavorazione delle leghe dure utilizzate nell'industria pesante e in quella aerospaziale, oppure per profilare e incidere i componenti di ridottissime dimensioni impiegati nell'industria elettronica.

Laser

Le macchine a raggio laser operano servendosi di un fascio di luce coerente di estrema precisione e alta potenza per vaporizzare del materiale in eccesso: sono particolarmente adatte per eseguire fori di grande precisione, anche su materiali ceramici e su spessori molto sottili, senza deformare il pezzo ed eseguono la saldatura di fili sottilissimi senza danneggiarli.

Scarica elettrica

Le macchine a scarica elettrica, note anche come macchine a elettroerosione, impiegano energia elettrica per asportare materiale dal pezzo senza toccarlo. Una corrente elettrica pulsante ad alta frequenza genera fra la punta dell'utensile e il pezzo una serie di sottili archi elettrici che vaporizzano piccole zone della superficie. Poiché non eseguono azione di taglio, queste macchine lavorano con estrema precisione, e consentono di ottenere forme non realizzabili con altri tipi di lavorazione.

Elettrochimica

Anche le macchine elettrochimiche impiegano energia elettrica per asportare materiale. In una soluzione elettrolitica si pone il pezzo da lavorare, che deve essere di un materiale conduttore, con funzione di anodo, mentre il catodo funge da utensile. Una differenza di potenziale applicata agli elettrodi genera una corrente di bassa tensione e forte intensità, che dissolve il metallo e lo elimina dal pezzo. Con questo procedimento si possono eseguire svariate operazioni, quali l'incisione, la tracciatura, la foratura e la fresatura.

Ultrasuoni

Le macchine a ultrasuoni impiegano vibrazioni ad alta frequenza e piccola ampiezza per eseguire fori e cavità varie. Un utensile di materiale relativamente tenero, preventivamente sagomato in negativo, cioè a forma speculare rispetto a quella che si vuole produrre nel pezzo, viene messo in vibrazione contro il pezzo stesso; tra quest'ultimo e l'utensile viene interposta una sospensione acquosa di polvere abrasiva, in modo che l'azione abrasiva delle particelle di polvere eserciti gradualmente l'operazione di erosione della superficie. Con queste macchine si possono lavorare materiali duri come acciaio temprato, carburo metallico, rubino, quarzo, diamante e vetro.

Fasci di elettroni

Nelle macchine a fasci di elettroni, impiegate nell'industria elettronica per incidere i circuiti dei microprocessori, un fascio di elettroni, accelerato a velocità pari a circa tre quarti della velocità della luce, viene diretto contro una zona accuratamente delimitata del pezzo: in seguito all'urto, l'energia cinetica degli elettroni si trasforma in energia termica, che fonde e vaporizza il materiale da eliminare, creando fori e incisioni. Il processo viene eseguito in una camera a vuoto per ridurre la diffusione degli elettroni da parte delle molecole di gas dell'atmosfera.