Rigatura della canna, tipologie produttive a confronto

Dal taglio della barra alla formazione delle righe: tecniche diverse per ottenere uno degli elementi che più caratterizzano una canna da carabina. Con la collaborazione di Sabatti ricostruiamo il processo produttivo e mettiamo a confronto rigatura a taglio, a bottone, a broccia, martellatura a freddo ed erosione elettrochimica

Quando si parla della canna di una carabina, raramente ci si domanda come i principi elicoidali che costituiscono la rigatura siano stati effettivamente realizzati. Eppure, dietro una tecnica apparentemente semplice, esistono tecnologie produttive profondamente differenti: alcune asportano acciaio, altre lo deformano plasticamente, altre ancora lo rimuovono attraverso un processo elettrochimico.

Per comprenderne differenze, vantaggi e limiti è utile partire ancora più a monte, dalla nascita della canna stessa. Con la collaborazione di Sabatti, che nella propria produzione impiega sia la martellatura a freddo sia l'erosione elettrochimica, abbiamo ricostruito il percorso che trasforma una barra d'acciaio in una canna rigata pronta per le successive lavorazioni e i trattamenti finali. La sequenza produttiva comprende svariate fasi, dal taglio a misura della barra fino ai controlli dimensionali e superficiali.

Prima della rigatura: nasce l'anima della canna

Il punto di partenza è una barra cilindrica di acciaio, scelta con caratteristiche metallurgiche adeguate alle pressioni, alle sollecitazioni termiche e ai cicli di lavoro ai quali sarà sottoposta. Prima che possa essere definita una canna, la barra deve attraversare una successione di lavorazioni nelle quali tolleranze dimensionali, concentricità e qualità della superficie interna assumono progressivamente maggiore importanza.

Taglio a misura della barra

La prima operazione consiste nel sezionare le barre di acciaio ottenendo sbozzati della lunghezza necessaria alle lavorazioni successive (raw material cutting). È un'operazione apparentemente elementare, ma rappresenta l'inizio di una catena nella quale ogni fase prepara le condizioni geometriche necessarie alla successiva.

Foratura profonda dell'anima

Lo sbozzato pieno deve essere attraversato longitudinalmente. Non si tratta di una comune foratura, ma di una foratura profonda (deep-hole drilling), caratterizzata da un rapporto molto elevato fra lunghezza del foro e diametro. Nasce così il foro assiale che diventerà l'anima della canna. In questa fase sono particolarmente importanti la rettilineità del foro e il suo corretto posizionamento.

Tornitura del diametro esterno

Segue la external OD turning, dove OD sta per outside diameter: la superficie cilindrica esterna viene tornita per regolarizzare e dimensionare lo sbozzato. La lavorazione esterna e quella dell'anima non sono indipendenti. Il controllo della geometria dello sbozzato e della relazione fra asse esterno e foro interno costituisce infatti uno dei presupposti per le successive operazioni di precisione.

Alesatura

Il foro prodotto dalla foratura profonda non possiede ancora le caratteristiche dimensionali e superficiali richieste per ricevere la rigatura. Viene quindi sottoposto ad alesatura (reaming). L'alesatore asporta una quantità controllata di materiale, portando il foro verso il diametro previsto e migliorandone precisione geometrica e finitura.

Levigatura

Con l'honing, o levigatura (lappatura), si entra nel campo delle lavorazioni abrasive di precisione. Lo scopo è ottenere una superficie interna estremamente regolare e controllare con grande accuratezza diametro e geometria dell'anima della canna. A questo punto lo sbozzato possiede un foro preparato per ricevere la rigatura.

Rigatura

È a questo punto del ciclo che viene realizzata la rigatura, vale a dire l'insieme delle scanalature a sviluppo elicoidale ricavate sulla superficie interna della canna. La successione di pieni e vuoti obbliga il proiettile, durante l'avanzamento nell'anima, ad assumere una rotazione attorno al proprio asse longitudinale. La stabilizzazione giroscopica che ne deriva gli consente di mantenere l'assetto durante il volo.

Raddrizzatura

La formazione della rigatura non conclude la lavorazione geometrica della canna. La fase successiva è l'internal straightening, ossia la raddrizzatura dell'anima. La lavorazione ha lo scopo di controllare ed eventualmente correggere la rettilineità dell'asse; le deformazioni associate alle precedenti lavorazioni possono infatti determinare deviazioni che devono essere individuate e corrette.

Taglio delle estremità

Terminata la raddrizzatura, lo sbozzato viene sottoposto alla rifilatura delle estremità (extremity cutting). Le porzioni terminali vengono eliminate e la canna viene portata alla lunghezza prevista per le lavorazioni successive.

Sfacciatura delle estremità

Il semplice taglio non è sufficiente a ottenere superfici terminali con le caratteristiche geometriche necessarie. Segue pertanto la sfacciatura delle estremità, consistente nella lavorazione di una superficie trasversale rispetto all'asse di rotazione.

Controllo qualità

L'ultima fase della sequenza non consiste in una lavorazione vera e propria, ma in un insieme di controlli dimensionali, geometrici e superficiali.

Cinque modi per produrre una rigatura

La rigatura può essere ottenuta attraverso principi tecnologici molto differenti. Da un punto di vista meccanico e metallurgico possiamo ricondurre i principali sistemi a tre grandi famiglie: quelli che asportano meccanicamente materiale, quelli che deformano plasticamente l'acciaio e quelli che rimuovono il materiale mediante un processo elettrochimico.

Rigatura a taglio: un solco alla volta

Il single-point cut rifling, o rigatura a taglio con utensile singolo, rappresenta uno dei procedimenti tradizionali e continua a essere utilizzato nella produzione di canne di elevata precisione.
L'elemento caratteristico è l'hook cutter, un piccolo utensile da taglio, dotato di un singolo tagliente sporgente. Durante il passaggio attraverso l'anima segue una traiettoria elicoidale e asporta una quantità estremamente ridotta di acciaio. Lo stesso percorso viene ripetuto numerose volte, aumentando progressivamente la profondità; l'operazione viene quindi ripetuta per gli altri solchi.
Le forze esercitate sullo sbozzato sono relativamente contenute e il processo permette un controllo molto accurato della geometria. Offre inoltre grande libertà nella scelta del passo e consente di realizzare anche passi progressivi. Gli elevati tempi di lavorazione rendono questo sistema poco adatto alle grandi produzioni.

Rigatura a bottone: deformazione dell'acciaio

Nel button rifling cambia completamente il principio fisico. Il materiale non viene asportato, ma deformato plasticamente. Il cosiddetto bottone è un utensile di formatura ad altissima durezza, generalmente realizzato in carburo di tungsteno, la cui superficie presenta il profilo negativo della rigatura. Viene forzato assialmente attraverso l'anima e le pressioni locali esercitate dall'utensile portano l'acciaio oltre il proprio limite elastico. Il materiale viene quindi compresso e fluisce plasticamente, conservando dopo il passaggio del bottone la geometria che gli è stata impressa. L'utensile può essere spinto (push button) oppure tirato (pull button) attraverso la canna. Rispetto alla rigatura a taglio il procedimento è molto più rapido e permette di ottenere un'eccellente qualità superficiale con elevata ripetibilità. È per questo ampiamente utilizzato nella produzione di canne sportive e da caccia.
La deformazione a freddo presenta però una conseguenza metallurgica: genera tensioni residue nell'acciaio. Il controllo dello stato tensionale e i successivi trattamenti di distensione assumono quindi particolare importanza.

Rigatura a broccia: molti taglienti in successione

La brocciatura (broach rifling) appartiene, come il cut rifling, ai procedimenti per asportazione di truciolo, ma ne aumenta considerevolmente la produttività. La broccia è un utensile ad asportazione di truciolo provvisto di più taglienti successivi. Ogni dente è leggermente più sporgente del precedente e asporta una frazione progressiva del materiale necessario a raggiungere profondità e profilo definitivi dei solchi; esistono inoltre brocce configurate per lavorare simultaneamente tutti i solchi. Il risultato è un processo sensibilmente più rapido del taglio a utensile singolo e caratterizzato da buona ripetibilità. Per contro, le brocce sono utensili complessi e costosi e il sistema offre minore flessibilità quando si vogliono cambiare geometria o passo della rigatura.

Martellatura a freddo: la rigatura nasce attorno al mandrino

La martellatura a freddo, o cold hammer forging (CHF), utilizza anch'essa la deformazione plastica ed è una delle tecnologie impiegate da Sabatti. All'interno dello sbozzato viene introdotto un mandrino sul quale è riprodotto in negativo il profilo che dovrà assumere l'anima. La canna viene quindi sottoposta dall'esterno all'azione rapida e ripetuta dei martelli della rotomartellatrice.

Sotto l'effetto delle pressioni (una successione rapidissima di colpi radiali, con forze di forgiatura che possono raggiungere l'ordine delle decine o delle centinaia di tonnellate-forza) l'acciaio supera localmente il proprio limite elastico e fluisce plasticamente attorno al mandrino. La superficie interna ne assume così la geometria: la rigatura non viene scavata nell'acciaio, ma impressa mediante deformazione.
Il processo è estremamente produttivo e, una volta definiti utensili e parametri di lavorazione, permette un'elevata ripetibilità fra una canna e l'altra. L'investimento necessario è però considerevole: rotomartellatrice e mandrini sono attrezzature costose. Inoltre la deformazione plastica modifica lo stato tensionale dell'acciaio e rende importante la corretta gestione delle tensioni residue.

Rigatura per erosione elettrochimica

Sabatti - insieme a pochissimi altri produttori - utilizza anche un procedimento basato su un principio completamente diverso: la rigatura mediante erosione elettrochimica, dove i solchi vengono ottenuti attraverso la dissoluzione anodica controllata del metallo.
Nel processo la canna costituisce l'anodo, mentre un utensile opportunamente sagomato costituisce il catodo. Fra i due viene fatto circolare un elettrolita. Applicando corrente elettrica, il materiale della superficie della canna esposto al processo viene ionizzato e rimosso in maniera controllata. La geometria dell'utensile, la disposizione delle superfici attive e il movimento relativo rispetto alla canna determinano dove avviene l'asportazione e consentono di generare l'andamento elicoidale della rigatura.

La caratteristica fondamentale è l'assenza di contatto meccanico tra utensile e superficie lavorata. Non essendoci deformazione plastica, non vengono generate le tensioni residue caratteristiche del button rifling e della martellatura; non essendoci un tagliente convenzionale, vengono meno anche i problemi di usura propri degli utensili ad asportazione di truciolo. Il procedimento permette inoltre di ottenere geometrie interne complesse (come per esempio la rigatura multiradiale) e presenta un'elevata ripetibilità, a fronte però della necessità di impianti tecnologicamente evoluti e di un controllo accurato dei parametri elettrochimici.

Tecniche diverse, stesso obiettivo

Le cinque tecnologie possono dunque essere ordinate in base a ciò che accade fisicamente all'acciaio:

• rigatura a taglio e brocciatura asportano meccanicamente materiale. La prima privilegia la gradualità e la flessibilità del singolo tagliente; la seconda aumenta la produttività distribuendo l'asportazione fra numerosi denti;
• rigatura a bottone e martellatura a freddo deformano plasticamente l'acciaio. Non scavano i solchi nel senso convenzionale del termine, ma costringono il materiale ad assumere il profilo imposto dall'utensile;
• l'erosione elettrochimica asporta invece il materiale senza contatto meccanico, attraverso una reazione controllata.

Il metodo con cui vengono generate le righe rappresenta soltanto una parte del risultato finale. Materiale di partenza, qualità della foratura profonda, alesatura, honing, controllo dello stato tensionale, rettilineità dell'anima, precisione dimensionale e qualità della superficie concorrono tutti alle prestazioni della canna.

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