Trapano

Un trapano tiene una punta in un mandrino, la fa girare e la spinge diritta nel pezzo, così che il foro risulti in squadra con la superficie e con un avanzamento regolare. Il più antico disegno noto di una macchina di questa famiglia mossa da una forza esterna, una foratrice ad acqua per tubi di legno, si trova in un manoscritto tedesco databile tra il 1420 e il 1440 circa; la prima immagine a stampa di una macchina per alesare i cannoni fusi uscì a Venezia nel 1540. Trapani a colonna con ingranaggi conici e volantino di avanzamento lavoravano già nelle officine britanniche nella prima metà dell'Ottocento, prima della punta elicoidale del 1863 e del trapano elettrico portatile del 1895.

Che cos’è

Un trapano fa fori rotondi. Tiene un utensile da taglio, la punta, in un albero rotante detto mandrino, la fa girare e la spinge nel pezzo lungo il suo stesso asse. Un utensile tenuto a mano devia e si inclina; il telaio della macchina mantiene la punta in squadra con il pezzo e la fa avanzare in modo uniforme, così che una fila di fori riesca diritta, alla stessa profondità e nella stessa direzione.

La forma più comune è il trapano a colonna: un mandrino verticale sopra una tavola su cui si fissa il pezzo. I trapani radiali portano il mandrino su un braccio che ruota sopra i pezzi grandi, e i trapani portatili mettono in mano un piccolo motore con il portapunte. Le punte più antiche giravano avanti e indietro, mosse da un archetto, come a Mehrgarh per i denti e le perline, o per accendere il fuoco. Anche un tornio può forare, facendo girare il pezzo contro una punta ferma.

Come funziona

In un trapano a colonna d’officina dell’Ottocento la forza arrivava da una cinghia che scendeva da un albero di trasmissione sospeso. La cinghia girava su una puleggia a più gradini di diametro diverso; spostandola da un gradino all’altro si cambiava la velocità del mandrino, perché una punta grossa deve girare piano e una piccola veloce. Una coppia di ingranaggi conici, un piccolo pignone sull’albero orizzontale che ingrana con una ruota posta in piano, rinviava il moto ad angolo retto verso il mandrino verticale.

I due taglienti della punta asportano il metallo e le scanalature a spirale portano i trucioli fuori dal foro.

A tagliare è la punta. Una punta elicoidale ha due taglienti sulla sua estremità conica, che girando staccano metallo dal fondo del foro, e due scanalature a elica, le gole, che fanno risalire i trucioli. Il brevetto di Stephen Morse del 1863 lo dice chiaramente: la sua punta taglia il metallo e scarica i trucioli senza intasarsi, mentre la comune punta piatta del suo tempo raschiava.

Il mandrino deve girare e scendere nello stesso tempo. Attraversa il mozzo della ruota conica ed è trascinato da una linguetta lunga che scorre in una scanalatura del mandrino: così gira con la ruota e può comunque scorrere attraverso di essa. Più in basso gira dentro un manicotto che non ruota. Il volantino di avanzamento, tramite un pignone e una cremagliera ricavata su quel manicotto, spinge manicotto, mandrino e punta dentro il pezzo; l’avanzamento automatico brevettato da Joseph Whitworth nel 1837 lo faceva da solo. Nel trapano a colonna di Whitworth del 1860 circa, una vite sotto la tavola la sposta di lato per portare il centro tracciato del foro sotto la punta.

Il pezzo va bloccato. Quando i taglienti mordono, la punta trascina il pezzo con sé, e una lamiera libera gira come una lama. Lo si stringe in una morsa o lo si imbullona alla tavola, sopra uno spessore di legno o di metallo di scarto, così che la punta possa uscire senza intaccare la tavola.

Come si fa

Per questo esercizio serve un trapano a mano a ingranaggi, con manovella e ruota dentata, che funziona come la testa di un trapano a colonna in piccolo: la ruota ha una dentatura conica che fa girare un pignone sull’albero del portapunte. Servono inoltre alcune punte elicoidali, una tavola di legno tenero spessa circa 2 cm, una striscia di lamiera di alluminio di circa 1,5 mm, una tavola di scarto, due morsetti, un punzone a centrare o un chiodo, un martello, una squadra e una punta più grossa o uno svasatore.

Fissate la tavola di scarto al banco e sopra la tavola di legno tenero. Segnate il centro di ogni foro con due tratti di matita incrociati. Montate una punta da 5 mm nel portapunte e stringetelo a mano finché la punta sta ben al centro; girate lentamente la manovella e controllate che la punta non sbandi.

Il trapano a mano: la ruota della manovella muove il portapunte con una dentatura conica, come nella testa di un trapano a colonna.

Appoggiate la punta sul segno, mettete la squadra accanto al trapano per controllare che sia verticale e girate la manovella con ritmo costante premendo leggermente sull’impugnatura superiore. Estraete ogni tanto la punta per liberare i trucioli. Quando la punta sbuca nella tavola di scarto il foro è finito; senza di essa il retro del foro si scheggerebbe. Confrontate i trucioli arricciati del legno con quelli che escono dal metallo.

Per l’alluminio, fissate la striscia in piano sulla tavola di scarto, vicino al punto da forare. Battete un piccolo incavo sul segno con il punzone, perché la punta non scivoli. Forate prima a 3 mm, poi allargate a 6 mm. Ora i trucioli escono in lunghe spirali. Togliete la bava tagliente su entrambi i lati del foro girandovi dentro a mano una punta più grossa o uno svasatore.

Storia ed evoluzione

Per millenni le punte furono fatte girare a mano o con l’archetto, avanti e indietro. Il più antico disegno noto di una macchina per forare mossa da un’altra forza si trova in un libro tedesco di figure di tecnica militare, eseguito nella regione dell’Alto Reno tra il 1420 e il 1440 circa e conservato nella Zentralbibliothek di Zurigo. L’acqua che cade da una doccia colpisce una piccola ruota idraulica orizzontale il cui albero verticale porta una trivella, e la trivella fora dal basso un tronco tenuto in piedi in un telaio, per farne un tubo per l’acqua. La più antica immagine a stampa di una macchina per alesare il metallo fu pubblicata a Venezia nel 1540, nella Pirotechnia di Vannoccio Biringuccio, un manuale di metallurgia e di fusione dei cannoni. La sua xilografia mostra una macchina orizzontale per alesare i cannoni fusi. Lo storico Andrea Bernardoni la considera la prima immagine di un’alesatrice orizzontale e ne segue le versioni successive fino alla fine del Settecento.

I trapani per la meccanica generale si diffusero nelle officine britanniche all’inizio dell’Ottocento. Richard Roberts aprì una piccola officina a Manchester nel 1816 e in pochi anni costruì un tornio per filettare e tutta una serie di trapani. Lo Science Museum di Londra conserva una macchina del 1840 circa proveniente dalla filanda di Strutt e Arkwright a Milford, usata per costruire macchine tessili: un trapano e una stozzatrice stanno schiena contro schiena su un’unica colonna di ghisa, il mandrino del trapano porta una ruota conica e una puleggia a cinque gradini, l’avanzamento si dà con un volantino e tre ruote dentate, e il tutto è mosso da cinghie dall’albero di trasmissione. L’azienda di Whitworth costruì il suo primo trapano a motore nel 1847 e più tardi trapani radiali a braccio girevole.

La punta piatta a lancia e la punta elicoidale che la sostituì.

Le prime punte da macchina erano lame piatte affilate a lancia; il trapano a colonna di Whitworth del 1860 circa ne monta ancora una. Il 7 aprile 1863 Stephen A. Morse, di East Bridgewater nel Massachusetts, ottenne il brevetto statunitense 38.119 per una punta elicoidale, e l’azienda che fondò l’anno seguente produce ancora utensili da taglio. Per fresare le gole a spirale di queste punte la Brown & Sharpe costruì nel 1862 la sua fresatrice universale.

Nel 1895 alcuni meccanici della C. & E. Fein di Stoccarda collegarono un piccolo motore elettrico a un portapunte e ottennero il primo trapano elettrico portatile, che l’azienda produsse poi in serie.