La lavorazione meccanica di precisione è un processo per rimuovere materiale da un pezzo durante il mantenimento di finiture con tolleranze strette.La macchina di precisione ha molti tipi, tra cui fresatura, tornitura e lavorazione con elettroerosione.Una macchina di precisione oggi è generalmente controllata utilizzando un controllo numerico computerizzato (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 proprio 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, fenomeno noto come movimento secondario di "avanzamento".Insieme, questi movimenti e l'affilatura dell'utensile da taglio consentono il funzionamento della macchina di precisione.
La lavorazione di precisione e di qualità richiede la capacità di seguire progetti estremamente specifici realizzati con 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 tridimensionali o i contorni 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, solo per citarne alcuni.A seconda delle dimensioni del progetto e dei materiali da utilizzare, verranno utilizzati diversi strumenti di lavorazione di precisione.Può essere utilizzata qualsiasi combinazione di torni, fresatrici, trapani a colonna, seghe e smerigliatrici e persino robotica ad alta velocità.L'industria aerospaziale potrebbe utilizzare la lavorazione ad alta velocità, mentre l'industria per la produzione di utensili per la lavorazione del legno potrebbe utilizzare processi di incisione e fresatura fotochimica.Il numero di prodotti prodotti da una tiratura, o una quantità specifica di un particolare articolo, può essere di migliaia o essere solo pochi.La lavorazione di precisione spesso richiede la programmazione di dispositivi CNC, il che significa che sono controllati numericamente da computer.Il dispositivo CNC consente di seguire le dimensioni esatte durante tutta la lavorazione di un prodotto.
La fresatura è il processo di lavorazione che prevede l'utilizzo di frese rotanti per rimuovere materiale da un pezzo facendo avanzare (o alimentando) la fresa nel pezzo in una determinata direzione.La taglierina può anche essere tenuta ad angolo rispetto all'asse dell'utensile.La fresatura copre un'ampia varietà di operazioni e macchine diverse, su larga scala da piccole parti singole a operazioni di fresatura in gruppo di grandi dimensioni e pesanti.È uno dei processi più comunemente utilizzati per la lavorazione di parti personalizzate con tolleranze precise.
La fresatura può essere eseguita con una vasta gamma di macchine utensili.La classe originaria 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 dotate di cambio utensile automatico, magazzini utensili o caroselli, funzionalità CNC, sistemi di raffreddamento e involucri.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 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), costruite appositamente per facilitare la fresatura e la tornitura all’interno dello stesso ambito di lavoro.
Per gli ingegneri progettisti, i team di ricerca e sviluppo e i produttori che dipendono dall'approvvigionamento dei componenti, la lavorazione CNC di precisione consente la creazione di componenti complessi senza lavorazioni aggiuntive.Infatti, la lavorazione CNC di precisione spesso rende possibile la realizzazione di 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), utilizzato per automatizzare il controllo degli utensili 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 secondo le specifiche senza l'intervento manuale da parte dell'operatore della macchina.
Prendendo un modello CAD (Computer Aided Design) fornito da un cliente, un macchinista esperto utilizza un software di produzione assistita da computer (CAM) per creare le istruzioni per la lavorazione della parte.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 è profondo il taglio
■ Quando applicare il liquido refrigerante
■ Qualsiasi altro fattore correlato alla velocità, alla velocità di avanzamento e alla coordinazione
Un controller CNC utilizza quindi il codice di programmazione per controllare, automatizzare e monitorare i movimenti della macchina.
Oggi, il CNC è una funzionalità integrata di un'ampia gamma di apparecchiature, da torni, frese e router fino alle macchine per elettroerosione a filo (lavorazione per scarica elettrica), laser e taglio al plasma.Oltre ad automatizzare il processo di lavorazione e a migliorare la precisione, il CNC elimina le attività manuali e consente agli operatori di supervisionare più macchine in funzione contemporaneamente.
Inoltre, una volta progettato un percorso utensile e programmata una macchina, è possibile eseguire una parte un numero qualsiasi di volte.Ciò fornisce un elevato livello di precisione e ripetibilità, che a sua volta rende il processo altamente conveniente e scalabile.
Materiali 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 plastica 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 manifatturieri, la lavorazione CNC di precisione è spesso il metodo di fabbricazione preferito.
Come praticamente per tutti i metodi di taglio e lavorazione, i diversi materiali si comportano diversamente 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 elevato grado di complessità delle parti
■ Tolleranze strette, generalmente comprese tra ±0,0002" (±0,00508 mm) e ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Finiture superficiali eccezionalmente lisce, comprese finiture personalizzate
■ Ripetibilità, anche a volumi elevati
Mentre un macchinista esperto può utilizzare un tornio manuale per realizzare un pezzo di qualità in quantità di 10 o 100, cosa succede quando sono necessari 1.000 pezzi?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 in grandi volumi.Inoltre, l'elevata ripetibilità della lavorazione CNC di precisione garantisce pezzi sempre uguali dall'inizio alla fine, indipendentemente dal numero di pezzi prodotti.
Esistono alcuni metodi molto specializzati di lavorazione CNC, tra cui l'elettroerosione a filo (lavorazione per scarica elettrica), 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 e tornitura
La fresatura è un processo di lavorazione che utilizza un utensile da taglio cilindrico rotante per rimuovere materiale e creare forme.Le apparecchiature di fresatura, note come fresatrici o centri di lavoro, realizzano 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, in una fresatrice, l'utensile da taglio rotante si muove attorno al pezzo, che rimane fisso su un banco.
La tornitura è il processo di taglio o modellatura 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.
Lo strumento non può fisicamente aggirare la parte.Il materiale ruota consentendo all'utensile di eseguire le operazioni programmate.(Esiste tuttavia un sottoinsieme di torni in cui gli utensili ruotano attorno a un filo alimentato da una bobina, che non è trattato qui.)
Nella tornitura, a differenza della fresatura, il pezzo gira.Il pezzo gira sul mandrino del tornio e l'utensile da taglio viene portato a contatto con il pezzo.
Lavorazione manuale o CNC
Mentre sia le frese che i torni sono disponibili nei 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 ad offrire semplici macchine a 2 assi in cui l'utensile si muove sugli assi X e Z, le apparecchiature CNC di precisione comprendono 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 spostano per creare la geometria desiderata.
Queste configurazioni multiasse consentono la produzione di geometrie più complesse in un'unica operazione, senza richiedere lavoro aggiuntivo 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 nel pezzo, anche quando si utilizza una macchina con un mandrino orientato verticalmente.
Frese CNC
Le diverse fresatrici variano in termini di dimensioni, configurazione 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 il materiale indesiderato.Vengono 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 precisione di fascia alta vengono spesso utilizzate per lavori con tolleranze strette come la fresatura di matrici e stampi fini.
Mentre la fresatura CNC può garantire tempi di lavorazione rapidi, la finitura fresata crea parti con segni di utensile visibili.Potrebbe anche produrre parti con bordi taglienti e bave, quindi potrebbero essere necessari processi aggiuntivi se bordi e bave sono inaccettabili per tali caratteristiche.
Naturalmente, gli utensili di sbavatura programmati nella sequenza sbaveranno, anche se di solito raggiungono al massimo il 90% del requisito finito, lasciando alcune caratteristiche per la finitura manuale finale.
Per quanto riguarda la finitura superficiale, esistono strumenti che producono non solo una finitura superficiale accettabile, ma anche una finitura a specchio su porzioni del prodotto lavorato.
Tipi di frese CNC
I due tipi base di fresatrici sono noti come centri di lavoro verticali e centri di lavoro orizzontali, dove la differenza principale sta nell'orientamento del mandrino della macchina.
Un centro di lavoro verticale è una fresatrice 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 letto, in cui il mandrino si muove parallelo al proprio asse mentre la tavola si muove perpendicolarmente all'asse del mandrino
■Mulini 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 nell'officina meccanica;inoltre sono 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 fa sì che i trucioli di taglio cadano naturalmente e possano essere facilmente rimossi.(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 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 reimpostare 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 un'ampia gamma di utensili al pezzo.
I torni CNC, chiamati anche torni con utensili live action, 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 configurati per una produzione relativamente a mani libere, il che li rende ampiamente utilizzati nei settori automobilistico, elettronico, aerospaziale, della robotica 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 in contatto con il pezzo in lavorazione 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 di utensile e possono aumentare i costi e i tempi di configurazione.
Una volta completate tutte le operazioni di lavorazione richieste, la parte viene tagliata dal grezzo per un'ulteriore lavorazione, se necessario.Il tornio CNC è quindi pronto per ripetere l'operazione, con poco o nessun tempo di impostazione aggiuntivo solitamente richiesto nel frattempo.
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
■ Sostenere la barra per ridurre le vibrazioni che possono influire negativamente sulla precisione
■ Consentire alla macchina utensile di funzionare a velocità del mandrino ottimali
■ Ridurre al minimo i tempi di cambio formato
■ Ridurre lo spreco di materiale
Tipologie 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 posteriori (o secondari), con il trasferimento rotatorio responsabile del primo.Il mandrino principale esegue la lavorazione primaria, con l'ausilio di una boccola 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 all'utensile di tagliare il materiale più vicino al punto in cui è supportato, rendendo la macchina China particolarmente utile per parti tornite lunghe 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 utensili utilizzando attrezzature come una fresatrice CNC tradizionale.