Le saldature longitudinali nelle barre di acciaio inossidabile vengono sbavate elettrochimicamente per garantire una corretta passivazione. Immagine per gentile concessione di Walter Surface Technologies.
Immaginate che un produttore stipuli un contratto per la fabbricazione di un importante prodotto in acciaio inossidabile. Lamiere e sezioni di tubo vengono tagliate, piegate e saldate prima di essere inviate alla stazione di finitura. Il pezzo è costituito da piastre saldate verticalmente al tubo. Le saldature sembrano di buona qualità, ma non al prezzo ideale che l'acquirente si aspetta. Di conseguenza, la rettificatrice impiega più tempo del solito a rimuovere il materiale di saldatura. Poi, ahimè, sulla superficie compare una netta colorazione bluastra: un chiaro segno di eccessivo apporto di calore. In questo caso, ciò significa che il pezzo non soddisferà i requisiti del cliente.
Spesso eseguite a mano, la levigatura e la finitura richiedono destrezza e maestria artigianale. Gli errori di finitura possono essere molto costosi, considerando il valore attribuito al pezzo lavorato. L'aggiunta di materiali costosi e termosensibili come l'acciaio inossidabile può comportare costi di rilavorazione e di smaltimento degli scarti. A ciò si aggiungono complicazioni come la contaminazione e i problemi di passivazione, che possono trasformare un'attività di lavorazione dell'acciaio inossidabile, un tempo redditizia, in un'attività non redditizia o addirittura dannosa per la reputazione aziendale.
Come possono i produttori prevenire tutto ciò? Possono iniziare ampliando le proprie conoscenze in materia di rettifica e finitura, comprendendo il ruolo che svolgono e come influenzano i pezzi in acciaio inossidabile.
Non sono sinonimi. In realtà, gli obiettivi sono fondamentalmente diversi. La rettifica rimuove materiali come bave e residui di saldatura, mentre la finitura conferisce una finitura superficiale al metallo. La confusione è comprensibile, dato che chi rettifica con mole abrasive di grandi dimensioni rimuove molto metallo in tempi brevi, lasciando graffi profondi. Tuttavia, nella rettifica i graffi sono solo una conseguenza; l'obiettivo è rimuovere rapidamente il materiale, soprattutto quando si lavora con metalli termosensibili come l'acciaio inossidabile.
La finitura viene eseguita in fasi: l'operatore inizia con una grana più grossa e procede con mole abrasive a grana più fine, abrasivi non tessuti ed eventualmente panni in feltro e pasta lucidante per ottenere una finitura a specchio. L'obiettivo è raggiungere una determinata finitura finale (schema di graffi). Ogni fase (grana più fine) rimuove i graffi più profondi della fase precedente e li sostituisce con graffi più piccoli.
Poiché la molatura e la finitura hanno scopi diversi, spesso non si completano a vicenda e possono addirittura ostacolarsi a vicenda se si utilizza una strategia di materiali di consumo errata. Per rimuovere il metallo di saldatura in eccesso, l'operatore esegue graffi molto profondi con una mola, per poi passare il pezzo al ravvivatore, che a questo punto deve dedicare molto tempo alla rimozione di questi graffi profondi. Questa sequenza, dalla molatura alla finitura, può comunque rappresentare il modo più efficiente per soddisfare i requisiti di finitura del cliente. Ma, ripeto, non si tratta di processi aggiuntivi.
Le superfici dei pezzi progettate per la lavorabilità generalmente non richiedono rettifica o finitura. I pezzi che vengono levigati lo sono solo perché la levigatura è il metodo più rapido per rimuovere saldature o altro materiale, e i profondi graffi lasciati dalla mola sono esattamente ciò che il cliente desiderava. I pezzi che richiedono solo la finitura vengono fabbricati in modo tale da non richiedere un'eccessiva rimozione di materiale. Un esempio tipico è un pezzo in acciaio inossidabile con una bella saldatura protetta da un elettrodo di tungsteno che deve semplicemente essere sfumato e adattato al modello di finitura del substrato.
Le rettificatrici con dischi abrasivi a bassa capacità di asportazione del materiale possono presentare seri problemi durante la lavorazione dell'acciaio inossidabile. Allo stesso modo, il surriscaldamento può causare brunitura e alterazione delle proprietà del materiale. L'obiettivo è mantenere l'acciaio inossidabile il più freddo possibile durante l'intero processo.
A tal fine, è utile selezionare la mola con la velocità di asportazione più elevata in base all'applicazione e al budget. Le mole in zirconio sono più veloci di quelle in allumina, ma nella maggior parte dei casi le mole in ceramica offrono le prestazioni migliori.
Le particelle ceramiche, estremamente resistenti e affilate, si usurano in modo particolare. Man mano che si disgregano, non si appiattiscono, ma mantengono un bordo tagliente. Ciò significa che possono rimuovere il materiale molto rapidamente, spesso diverse volte più velocemente rispetto ad altre mole abrasive. In generale, questo rende le mole abrasive in ceramica un ottimo investimento. Sono ideali per la lavorazione dell'acciaio inossidabile, poiché rimuovono rapidamente i trucioli di grandi dimensioni e generano meno calore e deformazioni.
Indipendentemente dal tipo di mola scelto dal produttore, è fondamentale tenere presente il rischio di contaminazione. La maggior parte dei produttori sa di non poter utilizzare la stessa mola sia per l'acciaio al carbonio che per l'acciaio inossidabile. Molti, per questo motivo, separano fisicamente le operazioni di rettifica dell'acciaio al carbonio da quelle dell'acciaio inossidabile. Anche piccole scintille di acciaio al carbonio che cadono su componenti in acciaio inossidabile possono causare problemi di contaminazione. Molti settori industriali, come quello farmaceutico e nucleare, richiedono che i materiali di consumo siano classificati come non inquinanti. Ciò significa che le mole per acciaio inossidabile devono essere praticamente prive (con una percentuale inferiore allo 0,1%) di ferro, zolfo e cloro.
Le mole abrasive non si affilano da sole, hanno bisogno di un utensile elettrico. Chiunque può pubblicizzare i vantaggi delle mole abrasive o degli utensili elettrici, ma la realtà è che utensili elettrici e mole abrasive funzionano come un sistema. Le mole abrasive in ceramica sono progettate per smerigliatrici angolari con una determinata potenza e coppia. Sebbene alcune smerigliatrici pneumatiche abbiano le specifiche richieste, nella maggior parte dei casi l'affilatura delle mole in ceramica viene eseguita con utensili elettrici.
Le smerigliatrici con potenza e coppia insufficienti possono causare seri problemi anche con gli abrasivi più moderni. La mancanza di potenza e coppia può far sì che l'utensile rallenti significativamente sotto pressione, impedendo di fatto alle particelle ceramiche sulla mola di svolgere la loro funzione: rimuovere rapidamente grossi pezzi di metallo, riducendo così la quantità di materiale termico che entra nella mola.
Questo aggrava il circolo vizioso: gli operatori, vedendo che non viene rimosso materiale, premono istintivamente più forte, il che a sua volta genera calore eccessivo e annerimento. Finiscono per premere così forte da vetrificare le mole, il che li costringe a lavorare di più e a generare più calore prima di rendersi conto di doverle sostituire. Se si lavora in questo modo con tubi o lamiere sottili, si finisce per trapassare completamente il materiale.
Naturalmente, se gli operatori non sono adeguatamente addestrati, anche con i migliori strumenti, questo circolo vizioso può innescarsi, soprattutto per quanto riguarda la pressione esercitata sul pezzo in lavorazione. La prassi migliore è quella di avvicinarsi il più possibile alla corrente nominale della smerigliatrice. Se l'operatore utilizza una smerigliatrice da 10 ampere, deve esercitare una pressione tale da far sì che la smerigliatrice assorba circa 10 ampere.
L'utilizzo di un amperometro può contribuire a standardizzare le operazioni di rettifica se un'azienda lavora grandi quantità di acciaio inossidabile di valore. Naturalmente, poche aziende utilizzano regolarmente un amperometro, quindi è meglio ascoltare attentamente. Se l'operatore sente e percepisce un rapido calo dei giri al minuto, potrebbe star forzando troppo.
Percepire tocchi troppo leggeri (ovvero, una pressione insufficiente) può essere difficile, quindi prestare attenzione al flusso delle scintille può essere utile in questo caso. La levigatura dell'acciaio inossidabile produce scintille più scure rispetto all'acciaio al carbonio, ma dovrebbero comunque essere visibili e sporgere uniformemente dall'area di lavoro. Se l'operatore nota improvvisamente una diminuzione delle scintille, potrebbe essere dovuto a una pressione insufficiente o a una lucidatura inadeguata della mola.
Gli operatori devono inoltre mantenere un angolo di lavoro costante. Se si avvicinano al pezzo quasi perpendicolarmente (quasi parallelamente al pezzo), possono causare un surriscaldamento significativo; se si avvicinano con un angolo troppo ampio (quasi verticale), rischiano di urtare violentemente il bordo della mola contro il metallo. Se utilizzano una mola di tipo 27, dovrebbero avvicinarsi al pezzo con un angolo compreso tra 20 e 30 gradi. Se utilizzano mole di tipo 29, l'angolo di lavoro dovrebbe essere di circa 10 gradi.
Le mole abrasive di tipo 28 (coniche) sono generalmente utilizzate per la rettifica di superfici piane, consentendo la rimozione di materiale su percorsi di rettifica più ampi. Queste mole coniche offrono prestazioni ottimali anche ad angoli di rettifica ridotti (circa 5 gradi), contribuendo così a ridurre l'affaticamento dell'operatore.
Questo introduce un altro fattore importante: la scelta del tipo di mola più adatto. La mola di tipo 27 ha un punto di contatto con la superficie metallica, la mola di tipo 28 ha una linea di contatto grazie alla sua forma conica, la mola di tipo 29 ha una superficie di contatto.
Le mole di tipo 27, le più comuni al giorno d'oggi, sono adatte a molti ambiti, ma la loro forma rende difficile la lavorazione di pezzi con profili profondi e curve, come ad esempio i tubi saldati in acciaio inossidabile. Il profilo della mola di tipo 29, invece, facilita il lavoro degli operatori che devono rettificare superfici piane e curve combinate. La mola di tipo 29 raggiunge questo obiettivo aumentando l'area di contatto con la superficie, il che significa che l'operatore non deve dedicare molto tempo alla rettifica in ogni punto, una strategia efficace per ridurre l'accumulo di calore.
In realtà, questo vale per qualsiasi mola. Durante la rettifica, l'operatore non dovrebbe rimanere nella stessa posizione per lungo tempo. Supponiamo che un operatore stia rimuovendo materiale da un raccordo lungo diversi metri. Può azionare la mola con brevi movimenti verticali, ma questo può causare il surriscaldamento del pezzo in lavorazione, poiché la mola rimane in una piccola area per un lungo periodo di tempo. Per ridurre l'apporto di calore, l'operatore può eseguire l'intera saldatura in una direzione da una delle punte, quindi sollevare l'utensile (permettendo al pezzo di raffreddarsi) e passare il pezzo nella stessa direzione dall'altra punta. Esistono altri metodi, ma tutti hanno una cosa in comune: evitano il surriscaldamento mantenendo la mola in movimento.
Questo risultato è ulteriormente facilitato dai metodi di "pettinamento" ampiamente utilizzati. Supponiamo che l'operatore stia smerigliando una saldatura di testa in posizione piana. Per ridurre le sollecitazioni termiche e l'eccessivo scavo, evita di spingere la smerigliatrice lungo il giunto. Invece, inizia dall'estremità e fa scorrere la smerigliatrice lungo il giunto. Questo impedisce anche che la mola affondi troppo nel materiale.
Naturalmente, qualsiasi tecnica può causare il surriscaldamento del metallo se l'operatore lavora troppo lentamente. Lavorando troppo lentamente, il pezzo si surriscalderà; se invece si procede troppo velocemente, la levigatura può richiedere molto tempo. Trovare la velocità di avanzamento ottimale richiede solitamente esperienza. Tuttavia, se l'operatore non ha familiarità con il lavoro, può levigare un pezzo di scarto per "individuare" la velocità di avanzamento appropriata per il pezzo in lavorazione.
La strategia di finitura dipende dalle condizioni superficiali del materiale all'ingresso e all'uscita dal reparto di finitura. È necessario definire un punto di partenza (condizione superficiale iniziale) e un punto di arrivo (finitura desiderata), per poi elaborare un piano che individui il percorso ottimale tra questi due punti.
Spesso la strada migliore non inizia con un abrasivo molto aggressivo. Questo può sembrare controintuitivo. Dopotutto, perché non iniziare con sabbia grossolana per ottenere una superficie ruvida e poi passare a sabbia più fine? Non sarebbe molto inefficiente iniziare con una grana più fine?
Non necessariamente, anche in questo caso dipende dalla natura del confronto. Man mano che si ottiene una grana più fine in ogni fase, il condizionatore sostituisce i graffi più profondi con graffi sempre più fini. Se si inizia con carta vetrata a grana 40 o con una vaschetta abrasiva, si lasceranno graffi profondi sul metallo. Sarebbe ideale se questi graffi avvicinassero la superficie alla finitura desiderata, ed è per questo che esistono materiali di finitura a grana 40. Tuttavia, se un cliente richiede una finitura n. 4 (levigatura direzionale), i graffi profondi lasciati dalla grana n. 40 richiedono molto tempo per essere rimossi. Gli artigiani ricorrono quindi a diverse grane o impiegano molto tempo con abrasivi a grana fine per rimuovere quei graffi più grandi e sostituirli con graffi più piccoli. Tutto ciò non solo è inefficiente, ma surriscalda anche eccessivamente il pezzo in lavorazione.
Naturalmente, l'utilizzo di abrasivi a grana fine su superfici ruvide può essere lento e, se combinato con una tecnica scorretta, può generare troppo calore. I dischi due in uno o a grana sfalsata possono essere d'aiuto. Questi dischi combinano tele abrasive con materiali per il trattamento delle superfici. Permettono all'artigiano di rimuovere il materiale con gli abrasivi, ottenendo al contempo una finitura più liscia.
La fase successiva della finitura può includere l'utilizzo di tessuti non tessuti, il che illustra un'altra caratteristica peculiare di questo processo: la sua efficacia è comprovata dall'utilizzo di utensili elettrici a velocità variabile. Una smerigliatrice angolare che lavora a 10.000 giri/minuto può gestire alcuni materiali abrasivi, ma potrebbe fondere completamente alcuni materiali non tessuti. Per questo motivo, gli addetti alla finitura riducono la velocità a 3.000-6.000 giri/minuto prima di trattare i tessuti non tessuti. Naturalmente, la velocità esatta dipende dall'applicazione e dai materiali di consumo. Ad esempio, i tamburi per tessuti non tessuti ruotano in genere a 3.000-4.000 giri/minuto, mentre i dischi per il trattamento superficiale ruotano in genere a 4.000-6.000 giri/minuto.
Disporre degli strumenti giusti (smerigliatrici a velocità variabile, vari materiali di finitura) e determinare il numero ottimale di passaggi fornisce sostanzialmente una mappa che mostra il percorso migliore tra il materiale in ingresso e quello finito. Il percorso esatto dipende dall'applicazione, ma i rifilatori esperti seguono questo percorso utilizzando metodi di rifilatura simili.
I rotoli di tessuto non tessuto completano la superficie in acciaio inossidabile. Per una finitura efficiente e una durata ottimale dei materiali di consumo, i diversi materiali di finitura vengono lavorati a velocità di rotazione differenti.
Innanzitutto, ci mettono tempo. Se notano che un sottile pezzo di acciaio inossidabile si sta surriscaldando, interrompono la lavorazione in un punto e iniziano da un altro. Oppure potrebbero lavorare su due manufatti diversi contemporaneamente. Lavorano un po' su uno e poi sull'altro, dando al primo il tempo di raffreddarsi.
Quando si lucida per ottenere una finitura a specchio, si può eseguire una lucidatura incrociata con il tamburo o il disco lucidante in direzione perpendicolare al passaggio precedente. La lucidatura incrociata evidenzia le aree che dovrebbero fondersi con il precedente disegno di graffi, ma non porta ancora la superficie a una finitura a specchio di grado 8. Una volta rimossi tutti i graffi, sarà necessario un panno in feltro e un tampone lucidante per ottenere la finitura lucida desiderata.
Per ottenere la finitura desiderata, i produttori devono fornire agli addetti alla finitura gli strumenti adeguati, inclusi utensili e materiali veri e propri, nonché strumenti di comunicazione, come la creazione di campioni standard per definire l'aspetto di una determinata finitura. Questi campioni (affissi vicino al reparto di finitura, inclusi nei materiali di formazione e nella documentazione commerciale) contribuiscono a mantenere tutti allineati sugli stessi obiettivi.
Per quanto riguarda gli utensili veri e propri (inclusi utensili elettrici e abrasivi), la geometria di alcuni pezzi può essere impegnativa anche per il team di finitura più esperto. Questo aiuterà gli utensili professionali.
Supponiamo che un operatore debba assemblare un tubo in acciaio inossidabile a parete sottile. L'utilizzo di dischi lamellari o persino di tamburi può causare problemi, surriscaldamento e talvolta persino la formazione di un punto piatto sul tubo stesso. È qui che entrano in gioco le levigatrici a nastro progettate per tubi. Il nastro trasportatore copre la maggior parte del diametro del tubo, distribuendo i punti di contatto, aumentando l'efficienza e riducendo l'apporto di calore. Tuttavia, come per qualsiasi altra operazione, l'artigiano deve comunque spostare la levigatrice a nastro in un'altra posizione per ridurre l'eccessivo accumulo di calore ed evitare l'azzurramento.
Lo stesso vale per altri strumenti di finitura professionali. Si pensi a una levigatrice a nastro progettata per i punti difficili da raggiungere. Un addetto alla finitura può usarla per realizzare una saldatura d'angolo tra due assi con un angolo acuto. Invece di muovere la levigatrice a nastro verticalmente (un po' come lavarsi i denti), il tecnico la muove orizzontalmente lungo il bordo superiore della saldatura d'angolo e poi lungo quello inferiore, assicurandosi che la levigatrice non rimanga ferma in un punto per troppo tempo.
La saldatura, la molatura e la finitura dell'acciaio inossidabile comportano un'ulteriore sfida: garantire una corretta passivazione. Dopo tutte queste lavorazioni, è rimasta qualche contaminazione sulla superficie del materiale che potrebbe impedire la naturale formazione di uno strato di cromo sull'intera superficie dell'acciaio inossidabile? L'ultima cosa di cui un produttore ha bisogno è un cliente arrabbiato che si lamenta di pezzi arrugginiti o sporchi. È qui che entrano in gioco una pulizia adeguata e la tracciabilità.
La pulizia elettrochimica può contribuire a rimuovere i contaminanti e garantire una corretta passivazione, ma quando dovrebbe essere eseguita? Dipende dall'applicazione. Se i produttori puliscono l'acciaio inossidabile per garantire una passivazione completa, di solito lo fanno immediatamente dopo la saldatura. In caso contrario, il mezzo di finitura potrebbe assorbire i contaminanti superficiali dal pezzo e distribuirli in altre zone. Tuttavia, per alcune applicazioni critiche, i produttori possono aggiungere ulteriori fasi di pulizia, arrivando persino a testare la corretta passivazione prima che l'acciaio inossidabile lasci lo stabilimento.
Supponiamo che un'azienda stia saldando un importante componente in acciaio inossidabile per l'industria nucleare. Un saldatore professionista ad arco di tungsteno crea una saldatura liscia e dall'aspetto perfetto. Ma, ripeto, si tratta di un'applicazione critica. Un addetto del reparto di finitura utilizza una spazzola collegata a un sistema di pulizia elettrochimica per pulire la superficie della saldatura. Successivamente, leviga la saldatura con un abrasivo non tessuto e un panno, ottenendo una superficie liscia. Infine, utilizza un'ultima spazzola con il sistema di pulizia elettrochimica. Dopo un paio di giorni di fermo macchina, si utilizza un tester portatile per verificare la corretta passivazione del pezzo. I risultati, registrati e salvati insieme alla pratica, dimostrano che il pezzo era completamente passivato prima di lasciare la fabbrica.
Nella maggior parte degli impianti di produzione, la molatura, la finitura e la pulizia della passivazione dell'acciaio inossidabile avvengono in genere in fasi successive. Di fatto, vengono solitamente eseguite poco prima della consegna del pezzo.
I pezzi lavorati in modo improprio generano tra gli scarti e le rilavorazioni più costosi, quindi è opportuno che i produttori rivedano i loro reparti di levigatura e finitura. I miglioramenti nella levigatura e nella finitura contribuiscono a eliminare i principali colli di bottiglia, a migliorare la qualità, a ridurre i problemi e, soprattutto, ad aumentare la soddisfazione del cliente.
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