Qual è il principio e il meccanismo di funzionamento della lavorazione assistita da vibrazioni ultrasoniche?

La lavorazione assistita da vibrazioni ultrasoniche si configura come una tecnologia avanzata di precisione, capace di concentrare l’energia vibratoria ultrasonica nella zona di lavoro mediante un dispositivo acustico, incrementando in modo significativo la capacità di asportazione del materiale. Questo effetto è ottenuto grazie all’impatto intermittente generato dalla vibrazione ad alta frequenza, che migliora la lavorabilità di materiali particolarmente difficili da tagliare, come quelli duri e fragili, le leghe ad alta temperatura e i compositi SiCp/Al.

Nel taglio tradizionale, la frattura dei materiali fragili, la deformazione causata dal calore e l’instabilità del processo rappresentano ostacoli rilevanti. L’introduzione della vibrazione ultrasonica nel processo di taglio consente di generare micro-movimenti ad alta frequenza nella zona di contatto tra utensile e pezzo, riducendo le forze di taglio e la temperatura generata, con effetti diretti sull’integrità dimensionale del pezzo e sulla qualità della superficie lavorata.

La frequenza delle vibrazioni ultrasoniche impiegate è tipicamente superiore a 20 kHz, sufficiente a produrre vibrazioni meccaniche intense ma localizzate. Queste micro-vibrazioni interrompono la continuità del contatto tra utensile e materiale, riducendo così la saldatura a freddo e l’adesione del materiale all’utensile. Di conseguenza, si assiste a una notevole diminuzione dell’usura utensile e a un prolungamento della sua vita utile. Il processo diventa non solo più stabile e preciso, ma anche più efficiente, grazie alla possibilità di incrementare la velocità di taglio e, quindi, la produttività.

Un altro aspetto fondamentale è rappresentato dalla riduzione dello stress residuo. L’azione periodica delle vibrazioni aiuta a controllare e distribuire più uniformemente le sollecitazioni meccaniche nella zona di taglio, riducendo l’accumulo di tensioni che possono compromettere la stabilità e la durata del componente lavorato. Questo si traduce in una migliore resistenza alla fatica e in una maggiore affidabilità dei componenti in esercizio.

La qualità della superficie risulta visibilmente migliorata grazie all’effetto di lucidatura generato dalle vibrazioni. La morfologia superficiale mostra minori segni di frattura o incrinature, con una finitura più uniforme e meno suscettibile a fenomeni di usura precoce o propagazione di micro-difetti.

Il comportamento cinematico dell’utensile sotto l’effetto delle vibrazioni multidimensionali rappresenta un ulteriore punto focale della tecnologia. Le traiettorie della punta dell’utensile, influenzate dalla combinazione di vibrazioni longitudinali, torsionali, ellittiche e flessionali, descrivono un movimento complesso ma altamente controllabile, che permette una lavorazione più raffinata e adattabile alle caratteristiche del materiale. Questo approccio permette una personalizzazione del processo in funzione della direzione di avanzamento, larghezza e profondità di taglio, rendendo la tecnologia estremamente versatile.

I modelli teorici sviluppati per rappresentare queste traiettorie — mediante sovrapposizione armonica delle componenti vibranti nei tre assi cartesiani — offrono un valido supporto per l’ottimizzazione dei parametri di lavorazione. Comprendere come la punta dell’utensile si muove nello spazio in presenza di vibrazioni complesse consente di predire con maggiore accuratezza la formazione della superficie e la distribuzione delle forze nel processo.

È importante tenere presente che l’efficacia della lavorazione assistita da vibrazioni ultrasoniche non dipende unicamente dalla presenza delle vibrazioni stesse, ma dalla precisa sintonia tra frequ

Come viene previsto e ottimizzato lo sforzo di fresatura nelle lavorazioni ad alta precisione?

Nel processo di fresatura, l’analisi dello sforzo di taglio è strettamente legata alla posizione angolare della fresa rispetto al pezzo. Quando l’angolo di taglio θj è compreso tra θst + ψa e θex, il taglio interessa l’intera profondità assiale e tutti gli elementi taglienti partecipano attivamente alla lavorazione. In questo stato, l’angolo di ingresso diventa ψa, mentre l’uscita coincide con θj. Quando invece θj supera θex ma è inferiore a θex + ψa, l’elemento tagliente della fresa inizia a uscire progressivamente dal pezzo, ma a causa dell’angolo di ritardo, il taglio non avviene in modo netto. In questa fase, l’altezza di taglio diminuisce gradualmente e l’angolo utile di taglio è rappresentato da θj - ψa.

Un metodo meccanico per la rapida calibrazione degli utensili è stato introdotto per determinare i coefficienti di forza di taglio. In condizioni di angolo di contatto costante e profondità assiale fissa, si effettuano esperimenti variando esclusivamente l’avanzamento per dente. La forza media per ciascun ciclo dell’utensile è misurata, poi il valore complessivo della forza di taglio per giro del mandrino viene diviso per il numero di denti. In particolare, durante l’esperimento di fresatura a scanalatura, dove θst = 0 e θex = π, la forza media per dente per ciclo può essere calcolata semplificando l’integrazione del modello dinamico.

La forza media di taglio risulta così funzione lineare della velocità di avanzamento per dente fz e dei coefficienti di forza. Questi coefficienti sono ricavati tramite regressione lineare, dopo aver registrato le forze medie a differenti valori di avanzamento. L’analisi è condotta in modo accurato su una lega di alluminio aerospaziale 7050, dalle elevate prestazioni meccaniche, utilizzando una macchina CNC ML1060B. La lega è caratterizzata da una resistenza a trazione di 552 MPa, snervamento di 489 MPa, durezza HB 140 e densità di 2.83 g/cm³.

Durante la lavorazione, si è adottata una strategia di lubrificazione minimale (NMQL), basata su olio di semi di cotone e lubrificante nano Al₂O₃. L’iniezione controllata è stata realizzata con parametri ben definiti: portata di 50 mL/h, distanza di 30 mm, inclinazione del getto di 60° e incidenza di 35°, con pressione dell’aria a 0.4 MPa.

L’identificazione dei coefficienti di forza di taglio è stata effettuata con tre serie di test a velocità costante (2000 giri/min), profondità di 1 mm e avanzamenti crescenti (200, 300, 400 mm/min). La frequenza di campionamento della forza è stata di 30.000 Hz e per ogni condizione sono stati acquisiti tre set di dati. I risultati ottenuti nelle tre direzioni cartesiane (x, y, z) sono stati poi mediati per estrarre i coefficienti rappresentativi. I valori di forza registrati mostrano una chiara crescita proporzionale con l’aumento dell’avanzamento.

Il confronto tra i dati simulati