La lavorazione di precisione è un processo che consiste nell'asportazione di materiale da un pezzo mantenendone le tolleranze di finitura ristrette. Le macchine utensili di precisione sono di vario tipo, tra cui fresatura, tornitura ed elettroerosione. Oggigiorno, una macchina utensile di precisione è generalmente controllata da un controllo numerico computerizzato (CNC).
Quasi tutti i prodotti metallici sono lavorati con lavorazioni di precisione, così come molti altri materiali come la plastica e il legno. Queste macchine sono azionate da operatori specializzati e qualificati. Affinché l'utensile da taglio possa svolgere il suo compito, deve essere mosso nelle direzioni specificate per eseguire il taglio corretto. Questo movimento primario è chiamato "velocità di taglio". Anche il pezzo può essere mosso, noto come movimento secondario di "avanzamento". Insieme, questi movimenti e l'affilatura dell'utensile da taglio consentono alla macchina di precisione di funzionare.
Una 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 la produzione di uno strumento, una macchina o un oggetto. Questi progetti devono essere rispettati nei minimi dettagli per garantire l'integrità del prodotto. Sebbene la maggior parte delle aziende di lavorazione di precisione utilizzi programmi CAD/CAM, nelle fasi iniziali di un progetto spesso si affida a schizzi realizzati a mano.
La lavorazione meccanica di precisione viene utilizzata su diversi materiali, tra cui acciaio, bronzo, grafite, vetro e plastica, solo per citarne alcuni. A seconda delle dimensioni del progetto e dei materiali da utilizzare, verranno utilizzati vari utensili per la lavorazione meccanica di precisione. È possibile utilizzare qualsiasi combinazione di torni, fresatrici, trapani a colonna, seghe e rettificatrici, e persino robot ad alta velocità. L'industria aerospaziale può utilizzare lavorazioni meccaniche ad alta velocità, mentre l'industria di produzione di utensili per la lavorazione del legno potrebbe utilizzare processi di incisione fotochimica e fresatura. La produzione di una serie, o di una quantità specifica di un particolare articolo, può essere di migliaia o di pochi pezzi. La lavorazione meccanica di precisione richiede spesso la programmazione di dispositivi CNC, ovvero a controllo numerico computerizzato. Il dispositivo CNC consente di seguire le dimensioni esatte durante l'intera produzione 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 determinata direzione. La fresa può anche essere mantenuta con un'angolazione specifica rispetto all'asse dell'utensile. La fresatura comprende un'ampia varietà di operazioni e macchine diverse, che spaziano dalla produzione di piccoli pezzi singoli alle grandi e pesanti operazioni di fresatura in serie. È uno dei processi più comunemente utilizzati per la lavorazione di pezzi personalizzati 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 fresa). Dopo l'avvento del controllo numerico computerizzato (CNC), le fresatrici si sono evolute in centri di lavoro: fresatrici potenziate da cambi utensili automatici, magazzini utensili o caroselli, capacità CNC, sistemi di raffreddamento e cabine. I centri di fresatura sono generalmente classificati come centri di lavoro verticali (VMC) o centri di lavoro orizzontali (HMC).
L'integrazione della fresatura in ambienti di tornitura, e viceversa, è iniziata con l'utilizzo di utensili motorizzati 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), progettate appositamente per facilitare la fresatura e la tornitura all'interno dello stesso ambiente di lavoro.
Per i progettisti, i team di ricerca e sviluppo e i produttori che dipendono dall'approvvigionamento di componenti, la lavorazione CNC di precisione consente la creazione di componenti complessi senza ulteriori lavorazioni. Infatti, la lavorazione CNC di precisione consente spesso di realizzare componenti finiti su una singola macchina.
Il processo di lavorazione meccanica rimuove materiale e utilizza un'ampia gamma di utensili da taglio per creare il design finale, spesso estremamente complesso, di un componente. Il livello di precisione è migliorato grazie all'impiego del controllo numerico computerizzato (CNC), che automatizza il controllo degli utensili di lavorazione.
Il ruolo del "CNC" nella lavorazione di precisione
Utilizzando istruzioni di programmazione codificate, la lavorazione CNC di precisione consente di tagliare e modellare un pezzo in base alle specifiche senza l'intervento manuale di un operatore della macchina.
Partendo da un modello CAD (Computer Aided Design) fornito dal cliente, un macchinista esperto utilizza un software CAM (Computer Aided Manufacturing) 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 indica alla macchina:
■ Quali sono i giri al minuto e le velocità di avanzamento corretti
■ Quando e dove spostare l'utensile e/o il pezzo in lavorazione
■ Quanto in profondità tagliare
■ Quando applicare il refrigerante
■ Qualsiasi altro fattore correlato alla velocità, alla velocità di avanzamento e al coordinamento
Un controllore CNC utilizza quindi il codice di programmazione per controllare, automatizzare e monitorare i movimenti della macchina.
Oggi, il CNC è una funzionalità integrata in un'ampia gamma di apparecchiature, dai torni, alle fresatrici e alle fresatrici verticali, fino alle macchine per elettroerosione a filo (EDM), al taglio laser e al taglio al plasma. Oltre ad automatizzare il processo di lavorazione e ad aumentare la precisione, il CNC elimina le attività manuali e consente agli operatori di supervisionare più macchine in funzione contemporaneamente.
Inoltre, una volta progettato il percorso utensile e programmata la macchina, questa può eseguire un pezzo un numero qualsiasi di volte. Ciò garantisce un elevato livello di precisione e ripetibilità, che a sua volta rende il processo altamente conveniente e scalabile.
Materiali lavorati
Tra i metalli comunemente lavorati a macchina figurano alluminio, ottone, bronzo, rame, acciaio, titanio e zinco. Possono essere lavorati 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 molti dei piccoli componenti e delle parti utilizzati in un'ampia gamma di prodotti, la lavorazione CNC di precisione è spesso il metodo di fabbricazione preferito.
Come accade per quasi tutti i metodi di taglio e lavorazione, i diversi materiali si comportano in modo diverso e anche le dimensioni e la forma di un componente hanno un impatto significativo 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 offrire:
■ Un elevato grado di complessità delle parti
■ Tolleranze strette, in genere comprese tra ±0,0002" (±0,00508 mm) e ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Finiture superficiali eccezionalmente lisce, comprese finiture personalizzate
■ Ripetibilità, anche ad alti volumi
Mentre un macchinista esperto può usare un tornio manuale per realizzare un pezzo di qualità in quantità di 10 o 100 pezzi, cosa succede quando servono 1.000 pezzi? 10.000 pezzi? 100.000 pezzi o un milione di pezzi?
Grazie alla lavorazione CNC di precisione, è possibile ottenere la scalabilità e la velocità necessarie per questo tipo di produzione ad alto volume. Inoltre, l'elevata ripetibilità della lavorazione CNC di precisione consente di ottenere pezzi identici dall'inizio alla fine, indipendentemente dal numero di pezzi prodotti.
Esistono alcuni metodi di lavorazione CNC molto specializzati, tra cui l'elettroerosione a filo (EDM), la lavorazione additiva e la 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 un utensile da taglio cilindrico rotante per rimuovere materiale e creare forme. Le attrezzature di fresatura, note come frese o centri di lavoro, realizzano un universo di geometrie complesse su alcuni degli oggetti metallici più grandi lavorati.
Una caratteristica importante della fresatura è che il pezzo in lavorazione rimane fermo mentre l'utensile da taglio ruota. In altre parole, in una fresatrice, l'utensile da taglio rotante si muove attorno al pezzo in lavorazione, che rimane fisso su un bancale.
La tornitura è il processo di taglio o sagomatura di un pezzo su un'attrezzatura chiamata tornio. In genere, il tornio fa ruotare il pezzo su un asse verticale o orizzontale mentre un utensile da taglio fisso (che può essere rotante o meno) si muove lungo l'asse programmato.
L'utensile non può ruotare fisicamente attorno al pezzo. Il materiale ruota, consentendo all'utensile di eseguire le operazioni programmate. (Esiste un sottoinsieme di torni in cui gli utensili ruotano attorno a un filo alimentato da una bobina, ma questo argomento non è trattato in questa sede.)
Nella tornitura, a differenza della fresatura, il pezzo in lavorazione ruota. Il pezzo grezzo ruota sul mandrino del tornio e l'utensile da taglio viene portato a contatto con il pezzo.
Lavorazione manuale vs. CNC
Sebbene sia le fresatrici che i torni siano disponibili in modelli manuali, le macchine CNC sono più adatte alla produzione di piccole parti, offrendo scalabilità e ripetibilità per applicazioni che richiedono una produzione in grandi volumi di parti con tolleranze strette.
Oltre a offrire semplici macchine a 2 assi in cui l'utensile si muove lungo gli assi X e Z, le apparecchiature CNC di precisione includono modelli multiasse in cui anche il pezzo in lavorazione può muoversi. Questo è a differenza di un tornio in cui il pezzo in lavorazione è limitato alla rotazione e gli utensili si muovono 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. Questo non solo semplifica la produzione di pezzi complessi, ma riduce o elimina anche la possibilità di errori da parte dell'operatore.
Inoltre, l'uso di refrigerante ad alta pressione con lavorazione CNC di precisione garantisce che i trucioli non penetrino nei meccanismi, anche quando si utilizza una macchina con mandrino orientato verticalmente.
fresatrici 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 asportare il materiale indesiderato. Sono utilizzate per tagliare metalli duri come acciaio e titanio, ma possono essere utilizzate anche con materiali come plastica e alluminio.
Le fresatrici CNC sono progettate per garantire la ripetibilità e possono essere utilizzate per qualsiasi applicazione, dalla prototipazione alla produzione su larga scala. Le fresatrici CNC di alta precisione sono spesso utilizzate per lavorazioni con tolleranze ristrette, come la fresatura di stampi e matrici di precisione.
Mentre la fresatura CNC può garantire tempi di consegna rapidi, la finitura "as-milled" crea pezzi con segni di lavorazione visibili. Può anche produrre pezzi con bordi taglienti e bave, quindi potrebbero essere necessari processi aggiuntivi se bordi e bave non sono accettabili per quelle caratteristiche.
Naturalmente, gli utensili di sbavatura programmati nella sequenza eseguiranno la sbavatura, anche se solitamente raggiungono al massimo il 90% del requisito finale, lasciando alcune caratteristiche per la finitura manuale finale.
Per quanto riguarda la finitura superficiale, esistono utensili che non solo producono una finitura superficiale accettabile, ma anche una finitura a specchio su parti del prodotto lavorato.
Tipi di fresatrici CNC
I due tipi fondamentali di fresatrici sono noti come centri di lavoro verticali e centri di lavoro orizzontali, dove la differenza principale risiede nell'orientamento del mandrino della macchina.
Un centro di lavoro verticale è una fresatrice in cui l'asse del mandrino è allineato lungo la direzione dell'asse Z. Queste macchine verticali possono essere ulteriormente suddivise in due tipologie:
■Fresatrici a letto, in cui il mandrino si muove parallelamente al proprio asse mentre la tavola si muove perpendicolarmente all'asse del mandrino
■Fresatrici a torretta, in cui il mandrino è fisso 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 lungo l'asse Y. La struttura orizzontale fa sì che queste fresatrici tendano a occupare più spazio in officina; inoltre, sono generalmente più pesanti e potenti delle macchine verticali.
Una fresa orizzontale viene spesso utilizzata quando è richiesta una migliore finitura superficiale; questo perché l'orientamento del mandrino fa sì che i trucioli di taglio si stacchino naturalmente e vengano rimossi facilmente. (Come ulteriore vantaggio, un'efficiente rimozione dei trucioli contribuisce ad aumentare la durata dell'utensile.)
In generale, i centri di lavoro verticali sono più diffusi perché possono essere potenti quanto quelli orizzontali e gestire pezzi molto piccoli. Inoltre, i centri di lavoro verticali hanno un ingombro ridotto rispetto ai centri di lavoro orizzontali.
Fresatrici 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 gamma di lavorazioni. Con una fresatrice 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 rotativi 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 rimuoverlo e reimpostare la macchina.
torni CNC
Un tornio, chiamato anche centro di tornitura, è dotato di uno o più mandrini e di assi X e Z. La macchina viene utilizzata per ruotare un pezzo sul proprio asse per eseguire varie operazioni di taglio e sagomatura, applicando un'ampia gamma di utensili al pezzo.
I torni CNC, chiamati anche torni a controllo numerico, sono ideali per la creazione di componenti cilindrici o sferici simmetrici. 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 grandi volumi.
I torni CNC possono anche essere configurati 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 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 diverse operazioni, come foratura, filettatura, alesatura, spianatura e tornitura conica. Le diverse operazioni richiedono il cambio utensile e possono aumentare i costi e i tempi di attrezzaggio.
Una volta completate tutte le lavorazioni meccaniche richieste, il pezzo viene tagliato dal grezzo per ulteriori lavorazioni, se necessario. Il tornio CNC è quindi pronto per ripetere l'operazione, solitamente con tempi di attrezzaggio minimi o nulli.
I torni CNC possono anche ospitare una varietà di alimentatori di barre automatici, 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 a velocità ottimali del mandrino
■ Ridurre al minimo i tempi di cambio
■ 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 cinesi utilizza uno o due mandrini principali più uno o due mandrini secondari, con un sistema di trasferimento rotante responsabile per il 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 portautensili che funziona come una fresa CNC.
Con un tornio automatico CNC in stile China, il materiale grezzo viene alimentato attraverso un mandrino a testa scorrevole in una boccola di guida. Ciò consente all'utensile di tagliare il materiale più vicino al punto in cui è supportato, rendendo la macchina China particolarmente adatta per pezzi torniti lunghi e sottili e per la microlavorazione.
I centri di tornitura CNC multiasse e i torni di tipo cinese possono eseguire più lavorazioni con un'unica macchina. Questo li rende un'opzione conveniente per geometrie complesse che altrimenti richiederebbero più macchine o cambi utensile con attrezzature come una fresatrice CNC tradizionale.