Quali sono i fattori che influenzano il riscaldamento laser e l’efficienza della lavorazione di Ti–6Al–4V e Inconel 718?

La distribuzione della temperatura superficiale nelle lavorazioni laser di leghe come Ti–6Al–4V e Inconel 718 presenta differenze sostanziali, come evidenziato dall’analisi termica di campioni sottoposti agli stessi parametri di lavorazione. Il titanio Ti–6Al–4V raggiunge temperature massime più elevate e concentra il calore in un’area ristretta, mentre Inconel 718 mostra temperature inferiori e una distribuzione più uniforme. Queste differenze sono dovute alle proprietà fisiche intrinseche di ciascun materiale, quali il tasso di assorbimento, la conducibilità termica e la capacità termica specifica, che influenzano il modo in cui la radiazione laser interagisce con la superficie e il volume del materiale.

La qualità superficiale del pezzo è fondamentale nel determinare il comportamento della radiazione: superfici lisce riflettono maggiormente la luce, riducendo l’assorbimento e quindi l’efficacia del riscaldamento laser. La temperatura del pezzo stesso è un altro fattore influente; nei metalli, l’assorbimento tende ad aumentare con l’innalzarsi della temperatura, modificando così la dinamica del riscaldamento durante la lavorazione.

Le differenze tra Ti–6Al–4V e Inconel 718 emergono anche dall’analisi della capacità termica specifica e della conducibilità termica. Il titanio ha una capacità termica elevata a basse temperature, ma questa diminuisce rapidamente oltre gli 800°C, facilitando così un riscaldamento più rapido e con minor energia richiesta per incrementare ulteriormente la temperatura. Inconel 718 mostra invece un incremento significativo della capacità termica sopra i 100°C, raggiungendo valori elevati che rendono più difficile il riscaldamento ulteriore. Per quanto riguarda la conducibilità termica, Ti–6Al–4V è meno conduttivo rispetto a Inconel 718 fino a temperature di circa 1200°C; ciò comporta una minore dispersione del calore nel materiale, concentrando il calore sulla superficie irradiata e determinando temperature più elevate in zone ristrette. In Inconel 718, l’alta conducibilità permette una diffusione più omogenea del calore, mitigando l’aumento delle temperature superficiali anche all’aumentare del diametro del fascio laser.

Materiali diversi rispondono in modo differente all’effetto termico del laser: acciai come AISI D2 mostrano una maggiore duttilità e una variazione della morfologia del truciolo; materiali fragili come le ceramiche nitruri subiscono una riduzione del limite di snervamento che previene la frattura fragile, favorendo un flusso viscoplastico più controllato. In generale, la direzione di incidenza del laser rispetto alla superficie di taglio influisce molto sull’efficacia del processo: mentre la direzione normale al pezzo evita di riscaldare la superficie lavorata, essa può causare un gradiente termico eccessivo attraverso lo spessore del pezzo, limitando la profondità di taglio.

È importante comprendere che l’interazione tra laser e materiale non è solo un fenomeno di riscaldamento superficiale, ma coinvolge dinamiche termiche e meccaniche complesse che dipendono da molteplici parametri in continuo mutamento durante la lavorazione. La modellazione accurata della distribuzione della temperatura, tenendo conto delle proprietà variabili con la temperatura stessa, è fondamentale per ottimizzare il processo e prevederne i risultati. Inoltre, l’influenza della microstruttura e delle condizioni iniziali del materiale, nonché il possibile accumulo di stress termici e meccanici, devono essere considerati per evitare difetti o danni durante la lavorazione. Solo una visione integrata di questi aspetti consente di sfruttare appieno le potenzialità delle tecnologie laser nei processi di lavorazione di materiali avanzati come Ti–6Al–4V e Inconel 718.

Come l’uso di nanofluidi e la vibrazione ultrasonica influenzano la temperatura superficiale nella rettifica dell’lega di titanio TC4

La temperatura superficiale durante la rettifica della lega di titanio TC4 rappresenta un parametro critico per la qualità e la durata sia dell’utensile che del pezzo lavorato. Le sperimentazioni condotte sotto diverse condizioni di lubrificazione e vibrazione mostrano come la scelta del fluido di lubrificazione e l’applicazione di vibrazioni ultrasoniche longitudinali e torsionali possano drasticamente modificare il profilo termico generato nel processo.

L’uso di nanofluidi, ossia oli base arricchiti con nanoparticelle di CNTs (nanotubi di carbonio), Al2O3 o MoS2, migliora ulteriormente la capacità di dissipazione termica. Le nanoparticelle, con una conducibilità termica superiore rispetto ai liquidi puri, aumentano la trasmissione del calore dal punto di contatto verso il fluido, riducendo la temperatura superficiale. Tra i nanofluidi testati, quelli a base di CNTs hanno dimostrato il miglior effetto di raffreddamento, con temperature ridotte fino a 109,5 °C in presenza di vibrazione ultrasonica, un decremento del 42,49% rispetto alla rettifica a secco.

La portata del nanofluido svolge un ruolo determinante nel processo. Aumentando la portata da 0 a 100 ml/h, la temperatura di rettifica cala significativamente, soprattutto sotto vibrazione ultrasonica. Tuttavia, oltre i 100 ml/h, il beneficio termico si stabilizza, poiché la zona di lavorazione raggiunge una saturazione nell’accoglienza del fluido lubrificante. La formazione di un film oleoso più uniforme e spesso contribuisce a ridurre il trasferimento di calore al pezzo, migliorando la durata dello stesso e la qualità della lavorazione.

I parametri di lavorazione, quali la profondità di rettifica, la velocità del mandrino e la velocità di avanzamento, influenzano anch’essi la temperatura superficiale. L’aumento della profondità incrementa la forza tangenziale e quindi il calore generato, mentre al contempo riduce la penetrazione efficace del nanofluido nella zona di taglio, favorendo un innalzamento termico più rapido. La velocità del mandrino, se oltre i 4000 giri/min, diminuisce l’efficacia delle vibrazioni ultrasoniche, riducendo la dispersione termica e quindi innalzando la temperatura. L’incremento della velocità di avanzamento comporta un aumento della quantità di materiale lavorato per unità di tempo, generando maggior calore e conseguente aumento termico.

Questi risultati mettono in luce l’importanza di una progettazione integrata del processo di rettifica, che consideri non solo le proprietà chimico-fisiche dei fluidi lubrificanti ma anche la dinamica vibrazionale applicata e i parametri di lavorazione. Solo un equilibrio ottimale di questi fattori può garantire un’efficiente dissipazione del calore, preservare l’integrità del pezzo e allungare la vita utile dell’utensile.

La comprensione approfondita dei meccanismi di trasferimento termico in presenza di nanofluidi e vibrazioni ultrasoniche consente di progettare sistemi di lubrificazione e macchine utensili più efficienti e sostenibili, riducendo il consumo di fluido e l’impatto ambientale. La ricerca futura dovrebbe focalizzarsi sull’ottimizzazione delle composizioni dei nanofluidi, la modulazione delle frequenze di vibrazione ultrasonica e l’integrazione di sensori in tempo reale per monitorare e adattare dinamicamente le condizioni operative.

Come l'ampiezza delle vibrazioni ultrasoniche influenza la temperatura e la morfologia superficiale nella rettifica

L'aumento della velocità di avanzamento comporta un incremento del volume di materiale asportato per unità di tempo, il che determina a sua volta un aumento della forza di rettifica. Questo incremento della forza provoca un aumento del flusso termico totale generato nella zona di rettifica, con conseguente elevazione della temperatura. Tuttavia, l'ampiezza delle vibrazioni ultrasoniche gioca un ruolo cruciale nel controllo della temperatura durante il processo. Infatti, un aumento dell’ampiezza ultrasonica provoca una riduzione della forza tangenziale di rettifica e del flusso termico complessivo, contribuendo a un abbassamento della temperatura di lavoro. Parallelamente, l'incremento dell’ampiezza intensifica l’effetto di atomizzazione del nano-fluido a contatto con la mola abrasiva. Tale fenomeno, unitamente alle caratteristiche di contatto-separazione accentuate tra le particelle abrasive e il pezzo, facilita la penetrazione di goccioline di nano-fluido più finemente atomizzate nella zona di rettifica, migliorando l’efficienza del raffreddamento e contribuendo ulteriormente alla riduzione della temperatura.

Il modello di morfologia superficiale presuppone che le particelle abrasive siano di forma sferica con dimensioni e posizioni distribuite secondo leggi statistiche note (distribuzione normale per le dimensioni e uniforme per la posizione). La ricostruzione della superficie della mola è fondamentale per simulare correttamente il contatto abrasivo. La discretizzazione della superficie del pezzo avviene mediante una griglia bidimensionale che consente di suddividere la superficie in sezioni trasversali, facilitando il calcolo dei punti di interazione tra le particelle abrasive e il pezzo. Il moto delle particelle durante la rettifica ultrasonica è analizzato attraverso metodi numerici avanzati come il metodo della differenza di segno, che permette di individuare con elevata efficienza i punti di contatto tra i granelli e la superficie del pezzo, ottimizzando così la simulazione.

L’interferenza reciproca di molteplici particelle abrasive in contatto simultaneo con la superficie induce variazioni locali nella geometria della superficie lavorata. Il calcolo della morfologia finale si basa sulla determinazione del valore minimo dell’altezza residua tra le varie asperità generate, considerando l’effetto combinato degli interventi di più granelli. Questo approccio consente di rappresentare con elevata fedeltà la texture superficiale, essenziale per comprendere le proprietà funzionali del pezzo finito, quali rugosità, resistenza all’usura e comportamento tribologico.

È fondamentale comprendere che il miglioramento della qualità superficiale non dipende soltanto dalle variabili tradizionali del processo (velocità, profondità di taglio, forza), ma anche da parametri più complessi come l’ampiezza e la frequenza delle vibrazioni ultrasoniche, nonché dall’interazione tra il fluido di raffreddamento atomizzato e la dinamica abrasiva. La modellizzazione accurata di questi fenomeni consente di ottimizzare la rettifica ultrasonica per ottenere superfici con caratteristiche migliorate, riducendo le sollecitazioni termiche e meccaniche che possono compromettere le prestazioni del pezzo.

Inoltre, la comprensione delle trasformazioni microstrutturali indotte dalla riduzione della temperatura e dalla dinamica di asportazione materiale durante la rettifica ultrasonica è essenziale per prevedere la durata e l’affidabilità del componente lavorato. L’interazione sinergica tra fenomeni termici, meccanici e fluidodinamici determina la qualità finale della superficie e, di conseguenza, la funzionalità del pezzo in applicazioni critiche come i cuscinetti volventi.

Quali vantaggi offre il raffreddamento criogenico e l’assistenza elettrica nella lavorazione meccanica avanzata?

Le implicazioni di questo fenomeno non si limitano alla temperatura: le proprietà meccaniche dei materiali lavorati mutano sensibilmente sotto effetto criogenico, modificando anche i meccanismi di usura. Ad esempio, Wang et al. hanno riscontrato che nella fresatura del Ta-2.5W, il tipo di usura dell’utensile si trasforma da adesiva a per intaglio, in risposta alla variazione delle caratteristiche microstrutturali indotte dal raffreddamento con LN₂ o con combinazioni di MQL (lubrificazione a quantità minima) e CO₂.

Das et al. hanno evidenziato che una strategia ibrida di raffreddamento, combinando LN₂ e MQL con olio vegetale, incrementa sia la qualità della lavorazione che la durata dell’utensile nella micro-tornitura ad alta velocità di ottone senza piombo. Similmente, l’esperimento di Laghari et al. su una matrice metallica con il 65% di particelle di SiC (SiCp/Al) ha mostrato che la lubrificazione combinata con CO₂ e MQL può ridurre l’usura dell’utensile fino al 29%, sebbene ambienti sub-zero o a secco favoriscano la formazione di materiale di riporto sulla superficie di attacco.

Il ruolo della dinamica del getto criogenico è stato studiato da Pei et al., i quali hanno analizzato l’influenza della lunghezza del nucleo del getto e l’interazione di più ugelli nella fresatura della lega GH4169. Hanno dimostrato che una distribuzione ottimale del getto gassoso criogenico migliora significativamente la vita utensile e la qualità della superficie, mantenendo tempi di taglio continui fino a 50 minuti entro i limiti di usura.

Sul fronte termico, Augspurger et al. hanno proposto una metodologia per disaccoppiare gli effetti meccanici da quelli termici nella fresatura dell’acciaio 42CrMo4 e della lega Ti–6Al–4V. Le loro osservazioni indicano che le forze di taglio sotto lubrificazione con fluidi ad alta pressione (HP-CF) sono superiori rispetto a quelle registrate sotto raffreddamento criogenico, a causa dell’alterata risposta termica del materiale lavorato.

Un’altra variabile cruciale è l’angolo di spruzzo degli ugelli. Kim et al. hanno mostrato che nella fresatura del Ti–6Al–4V, l’angolo di spruzzo 0° con MQL ottimizza la performance di raffreddamento e lubrificazione, migliorando la stabilità termica sia del pezzo che dell’utensile in condizioni LN₂.

Nelle operazioni di foratura assistita da raffreddamento criogenico, Rodríguez et al. hanno dimostrato che l’utilizzo di CO₂ nella foratura di stack CFRP–Ti–6Al–4V riduce drasticamente la temperatura al vertice dell’utensile, preserva l’integrità superfic