Prima della Rivoluzione Industriale del 18° secolo, qualsiasi taglio e lavorazione per la produzione di merci come utensili da cucina, carri, navi, mobili e altri prodotti, avveniva unicamente tramite gli utensili a mano.
Dopo l’avvento del motore a vapore, i beni materiali hanno iniziato ad essere prodotti con le macchine utensili, in grado di produrre parti con precisione dimensionale in grandi quantità. Le macchine utensili sono state le innovazioni indispensabili che hanno reso la produzione in serie una realtà nel XIX secolo.
Cos’è una macchina utensile?
Una macchina utensile è una macchina che permette la manipolazione o la lavorazione di metallo o altri materiali rigidi, generalmente mediante taglio, alesatura, rettifica o altre forme di deformazione.
Come suggerisce il nome, il funzionamento di una macchina utensile deriva appunto dall’interazione con l’utente. Mentre tutte le macchine utensili sono “macchine che aiutano le persone a fare cose”, non tutte le macchine industriali sono macchine utensili.
Le macchine utensili possono essere azionate manualmente o sotto controllo automatico. Le prime macchine usavano i volani per stabilizzare il loro movimento e disponevano di complessi sistemi di ingranaggi e leve per controllare la macchina e il pezzo su cui si stava lavorando.
Poco dopo la seconda guerra mondiale, fu sviluppata la macchina a controllo numerico (NC). Le macchine a controllo numerico utilizzavano una serie di numeri punzonati su schede perforate per controllarne il movimento. Negli anni ’60 furono aggiunti i computer per dare ancora più flessibilità al processo. Tali macchine, note come macchine a controllo numerico computerizzato (CNC), erano in grado di ripetere continuamente le sequenze per produrre pezzi anche molto complessi.
In breve tempo, le macchine divennero in grado di cambiare automaticamente gli strumenti specifici di taglio e sagomatura utilizzati. Ad esempio, un trapano potrebbe contenere un caricatore con una varietà di punte per produrre fori di varie dimensioni. Se prima gli operatori di una macchina dovevano sostituire manualmente la punta o spostare il pezzo in lavorazione su un’altra stazione per eseguire queste diverse operazioni, ora non era più necessario. Il passo logico successivo è stato quello di combinare diverse macchine utensili differenti, tutte sotto il controllo del computer. Questi sono noti come centri di lavorazione e hanno cambiato radicalmente il modo in cui vengono realizzate le parti.
Caratteristiche delle macchine utensili
Le macchine utensili possono essere alimentate da una varietà di fonti. Oggi la maggior parte è alimentata dall’elettricità; a volte vengono utilizzate la potenza idraulica e pneumatica.
Poiché uno strumento surriscaldato può perdere la sua capacità di taglio, le temperature di una macchina utensile devono essere controllate. La quantità di calore generata dipende dalla forza di taglio e dalla velocità di taglio. Poiché la forza di taglio varia con il materiale da tagliare e il materiale dell’utensile varia nella sua tolleranza per le alte temperature, la velocità di taglio ottimale dipende sia dal materiale da tagliare sia dal materiale dell’utensile da taglio. È anche influenzato dalla rigidità della macchina, dalla forma del pezzo e dalla profondità del taglio.
In molte operazioni con macchine utensili, si ricorre a fluidi da taglio o liquidi di raffreddamento per modificare gli effetti dannosi dell’attrito e delle alte temperature. In generale, le principali funzioni di un refrigerante sono lubrificare e raffreddare.
L’acqua è un ottimo mezzo di raffreddamento, ma corrode i materiali ferrosi. L’olio minerale solforato è uno dei refrigeranti più popolari. Lo zolfo tende a impedire che gli scarti del lavoro si saldino sulla punta dell’utensile. Per operazioni di taglio e smerigliatura, viene comunemente usato olio solubile, che è un’emulsione oleosa liberamente mescolabile in acqua.
Le macchine utensili più diffuse
Centinaia di varietà di macchine utensili, di dimensioni variabili da piccole macchine montate su banchi di lavoro a enormi macchine di produzione che pesano diverse centinaia di tonnellate, sono utilizzate nell’industria moderna. Conservano le caratteristiche di base dei loro antenati del XIX e dell’inizio del XX secolo e sono ancora classificate tra le seguenti categorie.
Torni e alesatrici
Il tornio è il più importante di tutte le macchine utensili. Di solito è considerato il padre di tutte le altre macchine utensili perché molti dei suoi elementi meccanici fondamentali sono incorporati nella progettazione di altre macchine utensili.
Si tratta di una macchina utensile di base che può essere utilizzata per una varietà di operazioni di tornitura, sfacciatura e perforazione. Utilizza un utensile da taglio a punta singola per le operazioni di tornitura e alesatura.
Le alesatrici hanno tavoli orizzontali circolari che ruotano attorno ad un asse verticale e sono progettate per operazioni di alesatura e tornitura su parti troppo grandi per essere montate su un tornio.
Sagomatrici e piallatrici
Le operazioni di sagomatura e piallatura comportano la lavorazione di superfici piane, con scanalature, scanalature a T e superfici angolari con strumenti a punta singola. Le sagomatrici più grandi hanno una corsa di taglio di 92 cm e possono lavorare parti lunghe fino a 92 cm. L’utensile da taglio sulla sagomatrice oscilla, tagliando il materiale nella sua corsa in avanti, con il pezzo che si alimenta automaticamente verso l’utensile durante ogni corsa di ritorno.
Le piallatrici eseguono le stesse operazioni delle sagomatrici ma possono lavorare pezzi più lunghi. Il pezzo è montato su una tavola che sposta il pezzo sotto un utensile da taglio. L’utensile, che rimane fermo durante la corsa di taglio, si inserisce automaticamente nel pezzo dopo ogni corsa di taglio.
Presse
Una pressa è uno strumento utilizzato nell’industria manifatturiera per deformare un pezzo in lavorazione ad alta pressione. Esistono varie presse piegatrici in vendita ma tutte hanno una caratteristica distintiva, cioè, che plasmano un pezzo usando l’alta pressione per cambiarne la forma. Sfruttano in genere la forza idraulica o quella elettrica.
Queste macchine utensili di base sono state progettate per accelerare la produzione, ma possono incorporare modifiche di progettazione che consentono loro di eseguire sequenze operative complesse o ripetitive più rapidamente.
Fresatrici
Una fresatrice taglia il metallo mentre il pezzo viene alimentato contro un utensile da taglio rotante chiamato fresa. Sono disponibili frese di varie forme e dimensioni per un’ampia varietà di operazioni di fresatura. Le fresatrici tagliano superfici piane, scanalate, superfici inclinate e scanalature a T. Diverse frese a forma di dente vengono utilizzate per il taglio di forme concave e scanalature convesse, per arrotondare gli angoli e per tagliare i denti degli ingranaggi.
Rettificatrici
Le rettificatrici rimuovono piccoli trucioli dalle parti metalliche che vengono a contatto con una mola abrasiva rotante o un nastro abrasivo. La rettifica è la più accurata di tutti i processi di lavorazione di base. Le moderne rettificatrici rettificano le parti dure o morbide con tolleranze di più o meno 0,0025 millimetri.