La Fresatura CNC: Comprendere l'Avanzamento Automatico e i Suoi Parametri Essenziali

Una fresatrice CNC è uno strumento di lavorazione controllato da computer utilizzato per rimuovere materiale da un pezzo in lavorazione per creare forme complesse e componenti di precisione. Questa operazione si basa sull'asportazione di truciolo e viene eseguita mediante utensili, detti frese, montate su macchine utensili chiamate fresatrici. Una fresatrice CNC opera attraverso una combinazione di controlli computerizzati e movimenti meccanici precisi per eseguire varie attività di fresatura. È un dispositivo di automazione che modella i materiali in parti precise utilizzando utensili da taglio e movimenti controllati, soddisfacendo le richieste di progetto di componenti complessi e di alta precisione.

Componenti Chiave di una Fresatrice CNC

Al timone di ogni fresatrice CNC c'è il sistema CNC (Controllo Numerico Computerizzato). Questo sistema integra hardware e software per realizzare il controllo e il coordinamento automatici dell'intero processo di lavorazione. Funziona trasformando le istruzioni geometriche e di movimento in movimenti tangibili della macchina utensile. I pannelli di controllo offrono agli operatori la possibilità di inserire comandi, monitorare dati in tempo reale ed effettuare gli interventi necessari. La precisione richiede feedback in tempo reale ed è qui che encoder e sensori svolgono un ruolo cruciale, consentendo al sistema CNC di percepire e rispondere meglio ai cambiamenti nel processo di lavorazione.

Il Sistema di Movimento del Mandrino

Il sistema di movimento del mandrino funge da centrale elettrica di una fresatrice CNC. Traduce l'input dal controller CNC in un movimento rotatorio controllato del mandrino. Il mandrino è uno dei componenti più cruciali nelle macchine utensili CNC, tipicamente di forma cilindrica, principalmente responsabile del supporto e della rotazione degli utensili da taglio. Il suo movimento rotatorio costituisce il fulcro delle operazioni di lavorazione, dettando la dinamica dell'intero processo di taglio. Requisiti di lavorazione diversi richiedono velocità del mandrino diverse. Il motore del mandrino è la forza motrice dietro il movimento rotatorio del mandrino, trasformando l'energia elettrica in energia meccanica e fornendo la potenza necessaria affinché il mandrino ruoti a velocità controllate.

Cambio Utensile Automatico (ATC)

Non tutte le fresatrici sono dotate di ATC. In genere, le fresatrici dotate di cambio utensile automatico (ATC) vengono chiamate Centri di lavoro. La presenza di un ATC può migliorare significativamente l’efficienza produttiva, riducendo i tempi di cambio utensile.

Il Sistema di Movimento di Avanzamento

Il movimento dell'avanzamento nelle fresatrici CNC è simile al sistema muscolare che controlla le parti del corpo. È un concetto cruciale e fondamentale nella lavorazione CNC, responsabile del controllo del movimento del pezzo o dell'utensile rispetto alla macchina. Servomotori o motori passo-passo sono responsabili del movimento dei componenti della macchina lungo gli assi.

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Struttura Meccanica e Dispositivi Ausiliari

Il banco di lavoro è il componente utilizzato per sostenere il pezzo in lavorazione e accogliere l'attrezzatura del pezzo. La struttura meccanica di una macchina utensile è come lo scheletro del corpo umano e costituisce la struttura portante dell'intera macchina utensile. Molte macchine utensili ad alta velocità stanno ora scegliendo di utilizzare calcestruzzo polimerico o granito ingegnerizzato come i materiali per il letto e le colonne. Questi materiali hanno caratteristiche di smorzamento superiori rispetto alla ghisa, con un rapporto da 7 a 10 volte superiore, pur pesando solo un terzo della ghisa. La colonna collega la base con il pistone, fornendo supporto verticale. Il pistone, o trave mobile, è un componente orizzontale che collega la colonna e supporta l'utensile o il pezzo in lavorazione.

I dispositivi ausiliari si riferiscono alle apparecchiature ausiliarie di una macchina utensile che supportano, migliorano o salvaguardano il processo di lavorazione. Sebbene non siano direttamente coinvolti nelle operazioni di taglio, svolgono un ruolo cruciale nel supportare l’intero processo di lavorazione. Il sistema di raffreddamento e lubrificazione è un componente critico all'interno dei dispositivi ausiliari. Nei processi di taglio ad alta velocità, sia l'utensile che il pezzo possono generare una quantità significativa di calore. Il sistema di raffreddamento riduce efficacemente la temperatura spruzzando liquido refrigerante, prevenendo il surriscaldamento.

Il Processo di Fresatura e i Suoi Utensili

La fresatura è un’operazione ad asportazione di truciolo con cui è possibile lavorare superfici piane e creare forme non simmetriche e/o molto complesse (fori, fessure, tasche, scanalature o profili tridimensionali). Questa operazione viene eseguita da un utensile multi-tagliente rotante chiamato fresa su una macchina utensile chiamata fresatrice. Il pezzo possiede il moto di alimentazione (avanzamento) e di appostamento, mentre il moto di taglio è fornito dalla fresa in rotazione. La fresa, ruotando, asporta trucioli dal pezzo che avanza contro di essa.

Tipi di Frese

Le frese sono di diversa forma e tipologia a seconda della lavorazione da eseguire. Normalmente, si tratta di utensili cilindrici con i taglienti disposti sulla periferia esterna. Esistono:

• Le frese a candela per fresare tasche e scanalature.
• Le frese a spianare per eseguire spianature di piastre.
• Le frese a coda di rondine per eseguire le omonime lavorazioni.
• Le frese a disco per eseguire scanalature laterali.

Inoltre, tramite le apposite punte, si possono eseguire altre lavorazioni quali forature, alesature e maschiature. Con l’impiego del divisore, è anche possibile lavorare le ruote dentate.

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Lo spazio tra i denti taglienti è il passo della fresa. A seconda del numero e della disposizione dei taglienti, si caratterizzano varie tipologie di fresa da impiegarsi in diversi tipi di lavorazione. In linea di massima, maggiore è il numero di denti, migliore è il grado di finitura apportato al pezzo in lavorazione. A seconda della tipologia di materiale e di lavorazione da eseguire, si selezionano la dimensione, il numero di taglienti, gli angoli di spoglia del tagliente e il materiale della fresa. Durante l’operazione di sgrossatura, i taglienti subiscono variazioni di temperatura considerevoli, il che, a lungo andare, provoca microfessure e una riduzione della loro durata.

Classificazione delle Fresatrici

Le fresatrici sono macchine utensili molto versatili, con diverse famiglie appositamente studiate per lavorazioni specifiche.

Fresatrici Manuali

• Fresatrici Verticali

  Le fresatrici verticali sono macchine utensili manuali in cui il mandrino è disposto verticalmente. Sono costituite da un basamento inferiore su cui è connesso un montante verticale. All’estremità del montante è collegata la testa della macchina, inclinabile rispetto a un asse orizzontale. Al di sotto della testa si trova la tavola portapezzo su cui si staffa il pezzo da lavorare, tipicamente serrato in una morsa. La tavola si muove nello spazio tramite delle guide a coda di rondine ed è connessa a una slitta. I tre assi sono movimentati da viti trapezoidali.

• Fresatrici Orizzontali

  La struttura delle fresatrici orizzontali è simile a quella delle fresatrici verticali, sempre con basamento e montante verticale, ma in questo caso l’asse del mandrino è orizzontale. Dal montante sporge il mandrino a cui viene collegato l’albero portafrese per mezzo di un accoppiamento conico. Dall’altro lato, l’albero porta-frese viene sostenuto da uno slittone superiore che ne evita l’eccessiva flessione durante la fresatura. Questa macchina manuale ha un campo di utilizzo abbastanza limitato e ristretto e viene usata principalmente per la spianatura di piastre e l’esecuzione di scanalature.

• Fresatrici Universali

  La fresatrice universale è la diretta evoluzione della fresatrice ad asse orizzontale. In questa macchina manuale, la tavola è inclinabile a piacere per mezzo di una piattaforma girevole. Spesso questa fresatrice fa uso di un divisore sincronizzato con gli avanzamenti della tavola, il che permette di fresare forme elicoidali (molto utile per esempio nella lavorazione di ruote dentate elicoidali). Grazie alla possibilità di inclinare la tavola e grazie ai vari accessori di cui dispone, questa macchina esegue fresature complesse. La struttura di questa macchina utensile è simile a quella della fresatrice orizzontale, con il basamento che sostiene il montante e, superiormente, lo slittone su cui si può montare l’albero portafrese oppure collegare la testa verticale.

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Fresatrici a Controllo Numerico (CNC)

Le fresatrici a controllo numerico sono la versione automatica delle fresatrici manuali. Le fresatrici CNC sono, normalmente, ad asse verticale e sono azionate da un controllo numerico che ne aziona gli assi. Grazie alle istruzioni contenute nel part-program, è possibile eseguire la stessa lavorazione in modo ripetitivo su grandi lotti, senza introdurre variabilità nel processo a causa del fattore umano. L’intervento dell’operatore è necessario per il cambio pezzo e, nel caso di fresatrici senza magazzino utensile, anche per eseguire manualmente il cambio utensile. L’operatore staziona davanti al pannello di controllo, da cui controlla e programma la macchina.

Le fresatrici CNC possono avere un numero variabile di assi. Le configurazioni comuni includono macchine 3-assi, 4-assi e 5-assi. Una fresatrice CNC verticale è caratterizzata da un utensile che scorre verticalmente e tipicamente ha tre assi. Questo tipo di fresatrice CNC è economica, facile da programmare e adatta a molte officine meccaniche, in grado di gestire vari compiti.

Simile alla fresatrice CNC verticale, una fresatrice CNC orizzontale ha un utensile rotante orizzontalmente ed è più adatta per la lavorazione produttiva. La fresatrice CNC orizzontale di solito ha impostazioni della macchina più complesse ed è dotata di un quarto asse rotante, che consente al piano di lavoro di ruotare in modo che la testa di fresatura possa accedere a diversi lati del pezzo. Le fresatrici CNC multiasse espandono le loro funzionalità aggiungendo assi aggiuntivi, ciascuno dei quali rappresenta un tipo di movimento aggiuntivo, aumentando notevolmente la flessibilità della fresatrice. La complessità della parte deve corrispondere alla complessità della macchina e l'utilizzo di una fresa a 5 assi per produrre parti semplici/a tolleranza bassa non è conveniente.

Le fresatrici CNC sono adatte alla lavorazione di vari materiali come metalli, plastica e legno ed sono ideali per la produzione di lotti di quantità limitata e prototipi progettati su misura.

Approfondimento sull'Avanzamento Automatico

Nodo cruciale nel processo di fresatura è stabilire i parametri di lavorazione, in particolare quelli relativi all'avanzamento automatico. L'operatore, nella fresatura CNC (effettuata nei moderni centri di lavoro CNC), inserisce le istruzioni nel computer che controlla la macchina. Tali istruzioni, chiamate codici G o codici NC, definiscono la geometria del pezzo e il percorso dell’utensile come una griglia di punti facilmente trattabili da un calcolatore. A questo punto la macchina lavora autonomamente e l’operatore si limita a controllare la lavorazione, intervenendo in caso di guasti. Tramite la fresatura CNC si possono ottenere lavorazioni con la precisione di un micron (un decimillesimo di millimetro).

Definizioni Chiave dell'Avanzamento

• Avanzamento: È la distanza di avanzamento della fresa (o del pezzo) durante ogni singola rotazione dell’utensile.
• Velocità di avanzamento: È la velocità del movimento della fresa rispetto al pezzo in lavorazione.
• Profondità di taglio assiale: È la profondità di lavoro della fresa nel pezzo di lavorazione secondo il proprio asse. Maggiore è la profondità di taglio, minore dovrà essere la velocità di avanzamento.
• Profondità di taglio radiale: È la profondità dell’utensile, misurata lungo il suo raggio, nella superficie in lavorazione mentre esegue il taglio.

Tipi di Fresatura in base all'Avanzamento

• La fresatura concorde è quella in cui il moto di rotazione della fresa procede nella stessa direzione del moto di avanzamento lineare del pezzo.
• Nella fresatura discorde, invece, avviene il contrario: pezzo e fresa procedono in direzione opposta.

Ottimizzazione dei Parametri di Fresatura per l'Avanzamento Automatico

L'impostazione della velocità corretta è fondamentale. La fresatura a una velocità errata provoca un'usura più rapida degli utensili di fresatura/foratura e porta a un modello di fresatura o foratura inadeguato. Lo stesso vale per la fresatura a una velocità di avanzamento o di taglio errata. È altrettanto importante utilizzare l'utensile di fresatura corretto: assicurarsi di utilizzare l'utensile di fresatura o gli inserti giusti per il materiale in questione.

Consigli Operativi

1. Evitare di cambiare marcia/velocità mentre la fresa è in funzione.
2. Modifica del senso di rotazione: Per le fresatrici con azionamento Vario o a frequenza controllata, il senso di rotazione non deve essere cambiato sotto carico, a meno che non sia indicato nel sistema di controllo (ad es. funzione di filettatura). Ciò significa che la macchina deve "costeggiare".
3. Capacità massima di fresatura/foratura: Rispettare la capacità massima di fresatura e foratura indicata nei dati tecnici della fresatrice.
4. Allineamento della testa di fresatura: Dopo aver regolato la testa di fresatura, ricordatevi di allinearla correttamente, altrimenti le frese potrebbero danneggiarsi. Inoltre, una posizione errata della testa di fresatura può portare a un risultato di fresatura impreciso. Per garantire il corretto allineamento della testa di fresatura, è possibile utilizzare un goniometro digitale. Non appena il mandrino di lavoro è allineato perpendicolarmente al tavolo, il display digitale del goniometro mostra 0° o 90°, a seconda dell'operatore.

Se non si applicano i parametri di fresata specifici per la propria lavorazione (in base al tipo di legno, al tipo di asportazione ed alla strategia di fresata) si otterrà come minimo la superficie del pezzo ruvida e bruciacchiata e si correrà il rischio di rompere la fresa o di ridurne enormemente la durata.

Flusso di Lavoro per la Fresatura CNC

Il processo tipico di fresatura CNC segue questi passaggi:

1. Si utilizza il software CAD per progettare le parti da produrre.
2. Il modello CAD viene quindi importato nel software CAM (Computer-Aided Manufacturing) per generare il percorso utensile e i codici G.
3. Il pezzo o il blocco di materiale è fissato saldamente sul piano di lavoro della macchina. L'allineamento di precisione è garantito tramite strumenti di misura o tastatori.
4. L'operatore CNC carica il programma per avviare il processo di fresatura.

Formule e Definizioni Utili per la Fresatura

Qui troverete una raccolta di formule e definizioni utili per la fresatura che vengono utilizzate per quanto riguarda il processo, le frese, le tecniche di fresatura e altro ancora.

Termine	Definizione
Velocità di taglio (vc)	Indica la velocità periferica a cui il tagliente lavora il pezzo.
Velocità di taglio effettiva (vc_eff)	Indica la velocità superficiale al diametro effettivo (DCap), necessaria per determinare i dati di taglio effettivi alla profondità di taglio effettiva (ap).
Numero di giri (n)	Il numero di giri che la fresa compie ogni minuto sul mandrino. È un valore orientato alla macchina, calcolato in base al valore della velocità di taglio consigliato.
Avanzamento per dente (fz)	Valore per il calcolo dell'avanzamento tavola, basato sul valore massimo consigliato per lo spessore dei trucioli.
Avanzamento per giro (fn)	Valore ausiliario che indica la distanza di movimento dell'utensile durante una rotazione completa. Utilizzato specificamente per i calcoli dell'avanzamento e per determinare la capacità di finitura di una fresa.
Velocità di avanzamento (vf)	Conosciuto anche come avanzamento tavola o avanzamento macchina. È l'avanzamento dell'utensile in relazione al pezzo, in distanza per unità di tempo, legato all'avanzamento per dente e al numero di denti della fresa.
Numero di denti (zn, zc)	Il numero di denti disponibili nell'utensile (zn) varia notevolmente. Il numero effettivo di denti (zc) è il numero di denti effettivamente impegnato nel taglio.
Spessore del truciolo (hm)	Fattore importante da considerare quando si decide l'avanzamento per dente, al fine di garantire l'impiego dell'avanzamento tavola più produttivo.
Volume di truciolo rimosso (Q)	Volume di metallo rimosso in mm cubi al minuto. Viene stabilito utilizzando i valori di profondità di taglio, larghezza e avanzamento.
Tempo di lavorazione (Tc)	Lunghezza di lavorazione (lm) divisa per l'avanzamento tavola (vf).
Potenza netta (Pc)	Valori orientati alla macchina utensile, che aiutano a calcolare la potenza netta per garantire che la macchina sia in grado di gestire la fresa e l'operazione.
Interpolazione lineare	Movimento rettilineo simultaneo in direzione di avanzamento assiale e radiale.
Interpolazione circolare	Un percorso utensile circolare su un livello z costante.
Interpolazione elicoidale	Un percorso utensile circolare per la lavorazione in rampa.
Profondità di taglio assiale (ap)	La differenza tra la superficie non tagliata e quella di taglio in direzione assiale. È limitata principalmente dalla dimensione dell'inserto e dalla potenza della macchina.
Larghezza radiale della fresa (ae)	La larghezza radiale della fresa impegnata nel taglio. È particolarmente critica per determinare l'avanzamento tavola (vf) e la produttività.
Passo della fresa	Per un determinato diametro della fresa, è possibile scegliere tra diversi passi: largo (-L), normale (-M), extra stretto (-H). L'aggiunta di una X indica una versione la cui distanza tra i denti è leggermente più ravvicinata.
Passo diseguale	Indica uno spazio disuguale tra i denti di una fresa. Questo è un modo molto efficace per ridurre al minimo la tendenza alle vibrazioni.

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