La lavorazione di precisione è un processo che consente di rimuovere materiale da un pezzo mantenendo finiture con tolleranze ristrette. Esistono diverse tipologie di macchine di precisione, tra cui fresatrici, torni e macchine per elettroerosione. Oggi, una macchina di precisione è generalmente controllata da un sistema di controllo numerico computerizzato (CNC).
Quasi tutti i prodotti in metallo, così come molti altri materiali quali plastica e legno, vengono lavorati con macchine di precisione. Queste macchine sono azionate da operatori specializzati e qualificati. Affinché l'utensile da taglio svolga correttamente il suo lavoro, deve essere mosso nelle direzioni specificate per effettuare il taglio corretto. Questo movimento primario è chiamato "velocità di taglio". Anche il pezzo in lavorazione può essere spostato, tramite un movimento secondario noto come "avanzamento". Insieme, questi movimenti e l'affilatura dell'utensile da taglio consentono alla macchina di precisione di funzionare.
La lavorazione di precisione di alta qualità richiede la capacità di seguire disegni tecnici estremamente specifici, realizzati con programmi CAD (progettazione assistita da computer) o CAM (produzione assistita da computer) come AutoCAD e TurboCAD. Questi software consentono di creare diagrammi o schemi tridimensionali complessi, necessari per la fabbricazione di utensili, macchine o oggetti. È fondamentale attenersi a questi disegni tecnici con estrema precisione per garantire l'integrità del prodotto. Sebbene la maggior parte delle aziende di lavorazione di precisione utilizzi programmi CAD/CAM, nelle fasi iniziali della progettazione si ricorre spesso ancora a schizzi disegnati a mano.
La lavorazione 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, si impiegano vari utensili per la lavorazione di precisione. Si possono utilizzare diverse combinazioni di torni, fresatrici, trapani a colonna, seghe e rettificatrici, e persino robot ad alta velocità. L'industria aerospaziale può utilizzare la lavorazione ad alta velocità, mentre l'industria della lavorazione del legno potrebbe impiegare processi di fotoincisione chimica e fresatura. La produzione di una serie, o di una quantità specifica di un determinato articolo, può variare da poche unità a migliaia. La lavorazione di precisione spesso richiede la programmazione di dispositivi CNC, ovvero macchine a controllo numerico computerizzato. Il dispositivo CNC consente di rispettare dimensioni precise durante l'intero processo di produzione.
La fresatura è un processo di lavorazione meccanica che utilizza frese rotanti per rimuovere materiale da un pezzo, facendo avanzare la fresa nel pezzo in una determinata direzione. La fresa può anche essere mantenuta ad un angolo rispetto all'asse dell'utensile. La fresatura comprende un'ampia varietà di operazioni e macchine, da piccoli pezzi singoli a grandi e complesse 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 semplicemente fresatrice). Con l'avvento del controllo numerico computerizzato (CNC), le fresatrici si sono evolute in centri di lavoro: fresatrici dotate di cambi utensili automatici, magazzini utensili o caroselli, capacità CNC, sistemi di raffreddamento e cabine di protezione. 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'utilizzo di utensili motorizzati per i torni e l'impiego occasionale di fresatrici per operazioni di tornitura. Ciò ha portato a una nuova classe di macchine utensili, le macchine multitasking (MTM), progettate specificamente per facilitare la fresatura e la tornitura all'interno dello stesso spazio 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 parti complesse senza ulteriori lavorazioni. Infatti, la lavorazione CNC di precisione spesso permette di realizzare pezzi finiti su un'unica macchina.
Il processo di lavorazione meccanica rimuove materiale e utilizza un'ampia gamma di utensili da taglio per creare il design finale, spesso molto complesso, di un componente. Il livello di precisione è migliorato grazie all'utilizzo del controllo numerico computerizzato (CNC), che viene impiegato per automatizzare il controllo degli utensili di lavorazione.
Il ruolo del "CNC" nella lavorazione di precisione
Grazie all'utilizzo di istruzioni di programmazione codificate, la lavorazione CNC di precisione consente di tagliare e sagomare un pezzo secondo le specifiche senza l'intervento manuale di un operatore.
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. Basandosi sul modello CAD, il software determina i percorsi utensile necessari e genera il codice di programmazione che indica alla macchina:
■ Quali sono i giri al minuto e le velocità di alimentazione corretti
■ Quando e dove spostare l'utensile e/o il pezzo in lavorazione
■ Quanto in profondità tagliare
■ Quando applicare il liquido di raffreddamento
■ Qualsiasi altro fattore relativo a velocità, velocità di alimentazione e coordinamento
Un controllore CNC utilizza quindi il codice di programmazione per controllare, automatizzare e monitorare i movimenti della macchina.
Oggi, il controllo numerico (CNC) è una funzionalità integrata in un'ampia gamma di macchinari, da torni, fresatrici e router a macchine per elettroerosione a filo, laser e taglio al plasma. Oltre ad automatizzare il processo di lavorazione e a migliorarne la precisione, il CNC elimina le operazioni manuali e consente agli operatori di supervisionare più macchine in funzione contemporaneamente.
Inoltre, una volta progettato il percorso utensile e programmata la macchina, quest'ultima può eseguire la lavorazione di un pezzo un numero illimitato di volte. Ciò garantisce un elevato livello di precisione e ripetibilità, rendendo il processo estremamente conveniente e scalabile.
Materiali che vengono lavorati
Tra i metalli comunemente lavorati meccanicamente figurano 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 realtà, quasi tutti i materiali possono essere utilizzati con la lavorazione CNC di precisione, a seconda ovviamente dell'applicazione e dei suoi requisiti.
Alcuni vantaggi della lavorazione CNC di precisione
Per molti dei piccoli componenti e parti utilizzati in una vasta gamma di prodotti manifatturieri, la lavorazione CNC di precisione è spesso il metodo di fabbricazione preferito.
Come accade 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, la lavorazione di precisione CNC offre vantaggi rispetto ad altri metodi di lavorazione.
Questo perché la lavorazione CNC è in grado di fornire:
■ Un elevato grado di complessità dei componenti
■ Tolleranze ristrette, 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 utilizzare un tornio manuale per realizzare un pezzo di qualità in quantità di 10 o 100, cosa succede quando servono 1.000 pezzi? 10.000 pezzi? 100.000 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 garantisce 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 e dargli forme complesse.
Tuttavia, in questa sede ci concentreremo sui processi di fresatura e tornitura, due metodi sottrattivi ampiamente disponibili e frequentemente utilizzati nella lavorazione CNC di precisione.
Fresatura contro tornitura
La fresatura è un processo di lavorazione meccanica che utilizza un utensile da taglio cilindrico rotante per rimuovere materiale e creare forme. Le macchine per la fresatura, note come fresatrici o centri di lavoro, consentono di realizzare un'ampia gamma di geometrie complesse su alcuni dei più grandi oggetti in metallo lavorato.
Una caratteristica importante della fresatura è che il pezzo in lavorazione rimane fermo mentre l'utensile da taglio ruota. In altre parole, su una fresatrice, l'utensile da taglio rotante si muove attorno al pezzo in lavorazione, che rimane fisso su un basamento.
La tornitura è il processo di taglio o sagomatura di un pezzo su una macchina chiamata tornio. Tipicamente, 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 fisicamente ruotare attorno al pezzo. 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 viene trattato in questa sede.)
Nella tornitura, a differenza della fresatura, il pezzo in lavorazione ruota. Il pezzo grezzo gira sul mandrino del tornio e l'utensile da taglio viene portato a contatto con il pezzo stesso.
Lavorazione manuale vs. lavorazione CNC
Sebbene sia le fresatrici che i torni siano disponibili in modelli manuali, le macchine a controllo numerico (CNC) sono più adatte alla produzione di piccoli componenti, offrendo scalabilità e ripetibilità per applicazioni che richiedono la produzione di grandi volumi di pezzi con tolleranze ristrette.
Oltre alle semplici macchine a 2 assi in cui l'utensile si muove lungo gli assi X e Z, le macchine CNC di precisione includono modelli multiasse in cui anche il pezzo in lavorazione può muoversi. Questo si differenzia da un tornio, dove 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. Ciò non solo semplifica la produzione di pezzi complessi, ma riduce o elimina anche la possibilità di errore da parte dell'operatore.
Inoltre, l'utilizzo di un refrigerante ad alta pressione con lavorazione CNC di precisione garantisce che i trucioli non penetrino nei componenti, anche quando si utilizza una macchina con mandrino orientato verticalmente.
Fresatrici CNC
Le fresatrici variano per dimensioni, configurazione degli assi, velocità di avanzamento, velocità di taglio, direzione di avanzamento della fresatura e altre caratteristiche.
In generale, tuttavia, tutte le fresatrici CNC utilizzano un mandrino rotante per asportare il materiale indesiderato. Vengono utilizzate per tagliare metalli duri come acciaio e titanio, ma possono essere impiegate 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 di grandi volumi. Le fresatrici CNC di alta precisione sono spesso impiegate per lavorazioni con tolleranze ristrette, come la fresatura di stampi e matrici di piccole dimensioni.
Sebbene la fresatura CNC possa garantire tempi di consegna rapidi, la finitura ottenuta con la fresatura stessa crea pezzi con segni di lavorazione visibili. Può anche produrre pezzi con spigoli vivi e bave, pertanto potrebbero essere necessari processi aggiuntivi se tali spigoli e bave non sono accettabili per quelle caratteristiche.
Naturalmente, gli utensili di sbavatura programmati nella sequenza eseguiranno la sbavatura, sebbene in genere raggiungano al massimo il 90% del risultato finale richiesto, lasciando alcune caratteristiche da rifinire a mano.
Per quanto riguarda la finitura superficiale, esistono strumenti in grado di produrre non solo una finitura superficiale accettabile, ma anche una finitura a specchio su alcune parti del prodotto lavorato.
Tipi di fresatrici CNC
I due tipi principali di fresatrici sono noti come centri di lavoro verticali e centri di lavoro orizzontali, la cui 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 l'asse Z. Queste macchine verticali possono essere ulteriormente suddivise in due tipologie:
■Fresatrici a banco, in cui il mandrino si muove parallelamente al proprio asse mentre il piano si muove perpendicolarmente all'asse del mandrino.
■Fresatrici a torretta, in cui il mandrino è fisso e la tavola viene spostata in modo da essere 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 implica che queste fresatrici tendono a occupare più spazio nell'officina; inoltre, sono generalmente più pesanti e più potenti delle macchine verticali.
Una fresatrice 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 vengano 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 quelli orizzontali e sono in grado di lavorare pezzi molto piccoli. Inoltre, i centri verticali occupano meno spazio rispetto a quelli 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 varietà 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 rotanti aggiuntivi, che consentono di ruotare il pezzo in lavorazione mentre la testa del mandrino si muove attorno ad esso. Ciò permette di lavorare cinque lati di un pezzo senza doverlo rimuovere e riposizionare la macchina.
torni CNC
Un tornio, detto anche centro di tornitura, è dotato di uno o più mandrini e di assi X e Z. La macchina viene utilizzata per far ruotare un pezzo in lavorazione sul proprio asse al fine di eseguire diverse operazioni di taglio e sagomatura, applicando al pezzo un'ampia gamma di utensili.
I torni CNC, detti anche torni a utensili motorizzati, sono ideali per la creazione di pezzi cilindrici o sferici simmetrici. Come le fresatrici CNC, i torni CNC possono gestire operazioni di piccole dimensioni come la prototipazione, ma possono anche essere configurati per un'elevata ripetibilità, supportando la produzione di grandi volumi.
I torni CNC possono essere configurati anche per una produzione relativamente automatizzata, il che li rende ampiamente utilizzati nei settori automobilistico, elettronico, aerospaziale, della robotica e dei dispositivi medicali.
Come funziona un tornio CNC
Con un tornio a controllo numerico (CNC), una barra grezza di materiale grezzo viene caricata nel mandrino del mandrino del tornio. Questo mandrino tiene fermo il pezzo in lavorazione mentre il mandrino ruota. Quando il mandrino raggiunge la velocità richiesta, un utensile da taglio fisso viene portato a contatto con il pezzo in lavorazione per rimuovere il materiale e ottenere la geometria corretta.
Un tornio CNC può eseguire diverse operazioni, come foratura, filettatura, alesatura, allargatura, spianatura e tornitura conica. Le diverse operazioni richiedono cambi utensile e possono aumentare i costi e i tempi di attrezzaggio.
Una volta completate tutte le operazioni di lavorazione necessarie, il pezzo viene separato dal materiale grezzo per l'ulteriore lavorazione, se necessaria. Il tornio CNC è quindi pronto a ripetere l'operazione, con tempi di impostazione aggiuntivi generalmente minimi o nulli.
I torni CNC possono inoltre essere dotati di diversi alimentatori automatici di barre, che riducono la movimentazione manuale delle materie prime e offrono vantaggi quali 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 alla velocità ottimale del mandrino
■ Ridurre al minimo i tempi di cambio turno
■ 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 di tipo cinese.
La maggior parte dei torni CNC cinesi utilizza uno o due mandrini principali più uno o due mandrini posteriori (o secondari), con la trasmissione rotativa responsabile dei primi. Il mandrino principale esegue l'operazione di lavorazione primaria, con l'ausilio di una boccola di guida.
Inoltre, alcuni torni di tipo cinese sono dotati di una seconda testa portautensili che funziona come una fresatrice CNC.
Con un tornio automatico CNC in stile cinese, il materiale grezzo viene alimentato attraverso un mandrino a testa mobile in una boccola di guida. Ciò consente all'utensile di tagliare il materiale più vicino al punto di supporto, rendendo la macchina cinese particolarmente vantaggiosa per pezzi torniti lunghi e sottili e per la microlavorazione.
I centri di tornitura CNC multiasse e i torni di tipo cinese possono eseguire molteplici operazioni di lavorazione con un'unica macchina. Questo li rende una soluzione economicamente vantaggiosa per geometrie complesse che altrimenti richiederebbero più macchine o cambi utensile, come nel caso di una fresatrice CNC tradizionale.