La lavorazione di precisione è un processo per rimuovere il materiale da un pezzo durante il mantenimento di finiture con tolleranze strette. La macchina di precisione ha molti tipi, tra cui fresatura, tornitura ed elettroerosione. Una macchina di precisione oggi è generalmente controllata utilizzando un Computer Numerical Controls (CNC).
Quasi tutti i prodotti in metallo utilizzano lavorazioni meccaniche di precisione, così come molti altri materiali come plastica e legno. Queste macchine sono gestite da macchinisti specializzati e formati. Affinché l'utensile da taglio possa svolgere il suo lavoro, deve essere spostato nelle direzioni specificate per eseguire il taglio corretto. Questo movimento primario è chiamato "velocità di taglio". Il pezzo può anche essere spostato, noto come movimento secondario di "avanzamento". Insieme, questi movimenti e l'affilatura dell'utensile da taglio consentono alla macchina di precisione di funzionare.
La lavorazione di precisione di qualità richiede la capacità di seguire progetti estremamente specifici realizzati da programmi CAD (progettazione assistita da computer) o CAM (produzione assistita da computer) come AutoCAD e TurboCAD. Il software può aiutare a produrre i complessi diagrammi o schemi tridimensionali necessari per produrre uno strumento, una macchina o un oggetto. Questi progetti devono essere rispettati con grande dettaglio per garantire che un prodotto mantenga la sua integrità. Sebbene la maggior parte delle aziende di lavorazione di precisione lavori con una qualche forma di programmi CAD/CAM, spesso lavorano ancora con schizzi disegnati a mano nelle fasi iniziali di un progetto.
La lavorazione di precisione viene utilizzata su numerosi materiali tra cui acciaio, bronzo, grafite, vetro e plastica per citarne alcuni. A seconda delle dimensioni del progetto e dei materiali da utilizzare, verranno utilizzati vari strumenti di lavorazione di precisione. È possibile utilizzare qualsiasi combinazione di torni, fresatrici, trapani a colonna, seghe e smerigliatrici e persino robot ad alta velocità. L'industria aerospaziale può utilizzare la lavorazione ad alta velocità, mentre un'industria di fabbricazione di utensili per la lavorazione del legno potrebbe utilizzare processi di incisione e fresatura fotochimici. Lo sfornamento di una corsa, o una quantità specifica di un particolare articolo, può contare nell'ordine di migliaia o essere solo alcuni. La lavorazione di precisione richiede spesso la programmazione di dispositivi CNC, il che significa che sono controllati numericamente da computer. Il dispositivo CNC consente di seguire le dimensioni esatte durante la corsa di un prodotto.
La fresatura è il processo di lavorazione che utilizza frese rotanti per rimuovere materiale da un pezzo facendo avanzare (o alimentando) la fresa nel pezzo in una certa direzione. La fresa può anche essere tenuta ad un angolo rispetto all'asse dell'utensile. La fresatura copre un'ampia varietà di operazioni e macchine diverse, su scale da piccole parti singole a grandi operazioni di fresatura di gruppo per impieghi gravosi. È uno dei processi più comunemente utilizzati per la lavorazione di parti personalizzate con tolleranze precise.
La fresatura può essere eseguita con un'ampia gamma di macchine utensili. La classe originale di macchine utensili per la fresatura era la fresatrice (spesso chiamata mulino). Dopo l'avvento del controllo numerico computerizzato (CNC), le fresatrici si sono evolute in centri di lavoro: fresatrici potenziate da cambiautensili automatici, magazzini utensili o caroselli, capacità CNC, sistemi di raffreddamento e custodie. I centri di fresatura sono generalmente classificati come centri di lavoro verticali (VMC) o centri di lavoro orizzontali (HMC).
L'integrazione della fresatura negli ambienti di tornitura, e viceversa, è iniziata con l'utensileria motorizzata per torni e l'uso occasionale di frese per operazioni di tornitura. Ciò ha portato a una nuova classe di macchine utensili, le macchine multitasking (MTM), costruite appositamente per facilitare la fresatura e la tornitura all'interno dello stesso ambito di lavoro.
Per i progettisti, i team di ricerca e sviluppo e i produttori che dipendono dall'approvvigionamento delle parti, la lavorazione CNC di precisione consente la creazione di parti complesse senza ulteriori elaborazioni. Infatti, la lavorazione CNC di precisione consente spesso di realizzare pezzi finiti su un'unica macchina.
Il processo di lavorazione rimuove materiale e utilizza un'ampia gamma di utensili da taglio per creare il design finale, e spesso molto complesso, di una parte. Il livello di precisione è migliorato attraverso l'uso del controllo numerico computerizzato (CNC), che viene utilizzato per automatizzare il controllo degli strumenti di lavorazione.
Il ruolo del "CNC" nelle lavorazioni meccaniche di precisione
Utilizzando istruzioni di programmazione codificate, la lavorazione CNC di precisione consente di tagliare e modellare un pezzo in lavorazione secondo le specifiche senza l'intervento manuale dell'operatore della macchina.
Prendendo un modello di progettazione assistita da computer (CAD) fornito da un cliente, un macchinista esperto utilizza un software di produzione assistita da computer (CAM) per creare le istruzioni per la lavorazione del pezzo. Sulla base del modello CAD, il software determina quali percorsi utensile sono necessari e genera il codice di programmazione che comunica alla macchina:
■ Quali sono gli RPM e le velocità di avanzamento corretti
■ Quando e dove spostare l'utensile e/o il pezzo
■ Quanto in profondità tagliare
■ Quando applicare il refrigerante
■ Qualsiasi altro fattore correlato a velocità, velocità di avanzamento e coordinamento
Un controller CNC utilizza quindi il codice di programmazione per controllare, automatizzare e monitorare i movimenti della macchina.
Oggi, il CNC è una caratteristica integrata di un'ampia gamma di attrezzature, da torni, frese e router alle macchine per elettroerosione a filo (elettroerosione), laser e macchine per il taglio al plasma. Oltre ad automatizzare il processo di lavorazione e migliorare la precisione, il CNC elimina le attività manuali e consente ai macchinisti di supervisionare più macchine in funzione contemporaneamente.
Inoltre, una volta progettato un percorso utensile e programmata una macchina, è possibile eseguire un pezzo un numero illimitato di volte. Ciò fornisce un alto livello di precisione e ripetibilità, che a sua volta rende il processo altamente redditizio e scalabile.
Materiali che vengono lavorati
Alcuni metalli comunemente lavorati includono alluminio, ottone, bronzo, rame, acciaio, titanio e zinco. Inoltre, è possibile lavorare anche legno, schiuma, fibra di vetro e materie plastiche come il polipropilene.
In effetti, praticamente qualsiasi materiale può essere utilizzato con la lavorazione CNC di precisione, ovviamente, a seconda dell'applicazione e dei suoi requisiti.
Alcuni vantaggi della lavorazione CNC di precisione
Per molte delle piccole parti e dei componenti utilizzati in un'ampia gamma di prodotti fabbricati, la lavorazione CNC di precisione è spesso il metodo di fabbricazione preferito.
Come è vero per quasi tutti i metodi di taglio e lavorazione, materiali diversi si comportano in modo diverso e anche le dimensioni e la forma di un componente hanno un grande impatto sul processo. Tuttavia, in generale, il processo di lavorazione CNC di precisione offre vantaggi rispetto ad altri metodi di lavorazione.
Questo perché la lavorazione CNC è in grado di fornire:
■ Un alto grado di complessità delle parti
■ Tolleranze ristrette, tipicamente comprese tra ±0,0002" (±0,000508 mm) e ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Finiture superficiali eccezionalmente lisce, incluse finiture personalizzate
■ Ripetibilità, anche ad alti volumi
Mentre un abile macchinista può utilizzare un tornio manuale per realizzare una parte di qualità in quantità di 10 o 100, cosa succede quando hai bisogno di 1.000 parti? 10.000 parti? 100.000 o un milione di parti?
Con la lavorazione CNC di precisione, puoi ottenere la scalabilità e la velocità necessarie per questo tipo di produzione ad alto volume. Inoltre, l'elevata ripetibilità della lavorazione CNC di precisione offre parti tutte uguali dall'inizio alla fine, indipendentemente dal numero di parti che stai producendo.
Esistono alcuni metodi molto specializzati di lavorazione CNC, tra cui elettroerosione a filo (lavorazione a scarica elettrica), lavorazione additiva e stampa laser 3D. Ad esempio, l'elettroerosione a filo utilizza materiali conduttivi, in genere metalli, e scariche elettriche per erodere un pezzo in forme complesse.
Tuttavia, qui ci concentreremo sui processi di fresatura e tornitura, due metodi sottrattivi ampiamente disponibili e frequentemente utilizzati per la lavorazione CNC di precisione.
Fresatura vs tornitura
La fresatura è un processo di lavorazione che utilizza uno strumento di taglio cilindrico rotante per rimuovere materiale e creare forme. L'attrezzatura di fresatura, nota come fresa o centro di lavoro, realizza un universo di geometrie di parti complesse su alcuni dei più grandi oggetti in metallo lavorato.
Una caratteristica importante della fresatura è che il pezzo rimane fermo mentre l'utensile da taglio gira. In altre parole, su un mulino, l'utensile da taglio rotante si muove attorno al pezzo, che rimane fisso in posizione su un letto.
La tornitura è il processo di taglio o sagomatura di un pezzo su un'attrezzatura chiamata tornio. Tipicamente, il tornio fa girare il pezzo su un asse verticale o orizzontale mentre un utensile da taglio fisso (che può girare o meno) si muove lungo l'asse programmato.
L'utensile non può fisicamente aggirare il pezzo. Il materiale ruota, consentendo all'utensile di eseguire le operazioni programmate. (C'è un sottoinsieme di torni in cui gli strumenti girano attorno a un filo alimentato a bobina, tuttavia, che non è trattato qui.)
Nella tornitura, a differenza della fresatura, il pezzo gira. Il grezzo del pezzo gira sul mandrino del tornio e l'utensile da taglio viene portato a contatto con il pezzo.
Lavorazione manuale vs. lavorazione CNC
Mentre sia le frese che i torni sono disponibili in modelli manuali, le macchine CNC sono più appropriate per la produzione di piccole parti, offrendo scalabilità e ripetibilità per applicazioni che richiedono una produzione di volumi elevati di parti con tolleranze strette.
Oltre a offrire semplici macchine a 2 assi in cui l'utensile si muove negli assi X e Z, le apparecchiature CNC di precisione includono modelli multiasse in cui anche il pezzo può muoversi. Ciò è in contrasto con un tornio in cui il pezzo è limitato alla rotazione e gli utensili si sposteranno per creare la geometria desiderata.
Queste configurazioni multiasse consentono la produzione di geometrie più complesse in un'unica operazione, senza richiedere ulteriore lavoro da parte dell'operatore della macchina. Ciò non solo semplifica la produzione di parti complesse, ma riduce o elimina anche la possibilità di errore dell'operatore.
Inoltre, l'uso di refrigerante ad alta pressione con lavorazione CNC di precisione garantisce che i trucioli non entrino nelle opere, anche quando si utilizza una macchina con un mandrino orientato verticalmente.
Frese CNC
Le diverse fresatrici variano per dimensioni, configurazioni degli assi, velocità di avanzamento, velocità di taglio, direzione di avanzamento della fresatura e altre caratteristiche.
Tuttavia, in generale, tutte le frese CNC utilizzano un mandrino rotante per tagliare via il materiale indesiderato. Sono utilizzati per tagliare metalli duri come acciaio e titanio ma possono essere utilizzati anche con materiali come plastica e alluminio.
Le frese CNC sono costruite per la ripetibilità e possono essere utilizzate per qualsiasi cosa, dalla prototipazione alla produzione ad alto volume. Le frese CNC di alta precisione vengono spesso utilizzate per lavori con tolleranze strette come la fresatura di matrici e stampi fini.
Mentre la fresatura CNC può fornire tempi di consegna rapidi, la finitura fresata crea parti con segni visibili degli utensili. Può anche produrre parti con alcuni bordi taglienti e bave, quindi potrebbero essere necessari processi aggiuntivi se bordi e bave non sono accettabili per tali caratteristiche.
Naturalmente, gli utensili di sbavatura programmati nella sequenza sbavaranno, sebbene di solito raggiungano al massimo il 90% del fabbisogno finito, lasciando alcune caratteristiche per la finitura manuale finale.
Per quanto riguarda la finitura superficiale, ci sono strumenti che produrranno non solo una finitura superficiale accettabile, ma anche una finitura a specchio su parti del prodotto di lavoro.
Tipi di frese CNC
I due tipi fondamentali di fresatrici sono noti come centri di lavoro verticali e centri di lavoro orizzontali, dove la differenza principale è nell'orientamento del mandrino della macchina.
Un centro di lavoro verticale è una fresa in cui l'asse del mandrino è allineato nella direzione dell'asse Z. Queste macchine verticali possono essere ulteriormente suddivise in due tipologie:
■ Frese a banco, in cui il mandrino si muove parallelamente al proprio asse mentre la tavola si muove perpendicolarmente all'asse del mandrino
■ Frese a torretta, in cui il mandrino è fermo e la tavola viene spostata in modo che sia sempre perpendicolare e parallela all'asse del mandrino durante l'operazione di taglio
In un centro di lavoro orizzontale, l'asse del mandrino della fresatrice è allineato nella direzione dell'asse Y. La struttura orizzontale fa sì che questi mulini tendano a occupare più spazio in officina; sono anche generalmente più pesanti e più potenti delle macchine verticali.
Una fresa orizzontale viene spesso utilizzata quando è richiesta una migliore finitura superficiale; questo perché l'orientamento del mandrino significa che i trucioli di taglio cadono naturalmente e vengono rimossi facilmente. (Come ulteriore vantaggio, un'efficace rimozione del truciolo aiuta ad aumentare la durata dell'utensile.)
In generale, i centri di lavoro verticali sono più diffusi perché possono essere potenti quanto i centri di lavoro orizzontali e possono gestire parti molto piccole. Inoltre, i centri verticali hanno un ingombro ridotto rispetto ai centri di lavoro orizzontali.
Frese CNC multiasse
I centri di fresatura CNC di precisione sono disponibili con più assi. Una fresatrice a 3 assi utilizza gli assi X, Y e Z per un'ampia varietà di lavori. Con una fresa a 4 assi, la macchina può ruotare su un asse verticale e orizzontale e spostare il pezzo per consentire una lavorazione più continua.
Una fresatrice a 5 assi ha tre assi tradizionali e due assi rotanti aggiuntivi, che consentono di ruotare il pezzo mentre la testa del mandrino si muove attorno ad esso. Ciò consente di lavorare cinque lati di un pezzo senza rimuovere il pezzo e ripristinare la macchina.
Torni CNC
Un tornio, chiamato anche centro di tornitura, ha uno o più mandrini e assi X e Z. La macchina viene utilizzata per ruotare un pezzo sul proprio asse per eseguire varie operazioni di taglio e sagomatura, applicando al pezzo un'ampia gamma di utensili.
I torni CNC, chiamati anche torni per utensili dal vivo, sono ideali per creare parti cilindriche o sferiche simmetriche. Come le frese CNC, i torni CNC possono gestire operazioni più piccole come la prototipazione, ma possono anche essere configurati per un'elevata ripetibilità, supportando la produzione di volumi elevati.
I torni CNC possono anche essere impostati per una produzione relativamente a mani libere, il che li rende ampiamente utilizzati nei settori automobilistico, elettronico, aerospaziale, robotico e dei dispositivi medici.
Come funziona un tornio CNC
Con un tornio CNC, una barra grezza di materiale grezzo viene caricata nel mandrino del mandrino del tornio. Questo mandrino mantiene il pezzo in posizione mentre il mandrino ruota. Quando il mandrino raggiunge la velocità richiesta, un utensile da taglio fisso viene portato a contatto con il pezzo per rimuovere il materiale e ottenere la geometria corretta.
Un tornio CNC può eseguire una serie di operazioni, come foratura, filettatura, alesatura, alesatura, sfacciatura e tornitura conica. Operazioni diverse richiedono cambi utensile e possono aumentare i costi e i tempi di configurazione.
Quando tutte le operazioni di lavorazione richieste sono state completate, la parte viene tagliata dal grezzo per ulteriori lavorazioni, se necessario. Il tornio CNC è quindi pronto per ripetere l'operazione, con poco o nessun tempo di setup aggiuntivo solitamente richiesto nel mezzo.
I torni CNC possono anche ospitare una varietà di caricatori automatici di barre, che riducono la quantità di movimentazione manuale delle materie prime e offrono vantaggi come i seguenti:
■ Ridurre il tempo e lo sforzo richiesti all'operatore della macchina
■ Supportare la barra per ridurre le vibrazioni che possono influire negativamente sulla precisione
■ Consentire alla macchina utensile di funzionare alle velocità ottimali del mandrino
■ Riduci al minimo i tempi di cambio formato
■ Ridurre gli sprechi di materiale
Tipi di torni CNC
Esistono diversi tipi di torni, ma i più comuni sono i torni CNC a 2 assi e i torni automatici in stile cinese.
La maggior parte dei torni CNC Cina utilizza uno o due mandrini principali più uno o due mandrini posteriori (o secondari), con il trasferimento rotativo responsabile del primo. Il mandrino principale esegue la lavorazione primaria, con l'ausilio di una bussola di guida.
Inoltre, alcuni torni in stile cinese sono dotati di una seconda testa utensile che funziona come una fresa CNC.
Con un tornio automatico CNC in stile cinese, il materiale grezzo viene alimentato attraverso un mandrino a testa scorrevole in una boccola di guida. Ciò consente allo strumento di tagliare il materiale più vicino al punto in cui il materiale è supportato, rendendo la macchina China particolarmente vantaggiosa per pezzi torniti lunghi e sottili e per la microlavorazione.
I centri di tornitura CNC multiasse e i torni in stile cinese possono eseguire più operazioni di lavorazione utilizzando un'unica macchina. Ciò li rende un'opzione conveniente per geometrie complesse che altrimenti richiederebbero più macchine o cambi di utensile utilizzando attrezzature come una fresa CNC tradizionale.