La Convenzione degli Assi nelle Fresatrici CNC: Dalle Basi alle Lavorazioni Avanzate

Le moderne fresatrici a controllo numerico, ossia le macchine a controllo numerico progettate per tagliare o modellare i materiali mediante un utensile rotante, sono in grado di produrre pezzi e prototipi in modo rapido e affidabile. Ciò è possibile grazie alla loro capacità di muoversi lungo diversi assi di marcia. La lavorazione CNC è uno dei processi più comuni quando si vuole produrre pezzi complessi. Tuttavia, a volte le persone parlano di lavorazione CNC quando in realtà cercano la fresatura. La lavorazione comprende sia la fresatura che la tornitura, ma entrambi hanno differenze evidenti.

Per capire come funzionano fresatrice e fresa CNC bisogna premettere che l’acronimo significa: “Computer Numerical Control”. Si tratta dunque di una macchina a controllo numerico computerizzato. Ciò vuol dire che un dispositivo elettronico gestisce e coordina i movimenti dell’utensile, facendogli seguire traiettorie predefinite su specifici assi. La fresatura è adatta a molte caratteristiche diverse, come filettatura, smussatura, scanalatura, ecc.

Vantaggi della Fresatura CNC

I vantaggi di questa macchina CNC, soprattutto rispetto alle corrispettive soluzioni tradizionali, sono:

• Precisione assoluta (fino a 100 nanometri)
• Maggior velocità
• Ripetibilità
• Adattabilità
• Agilità
• Flessibilità

Componenti e Funzionamento di una Fresatrice CNC

Le fresatrici CNC sono le macchine su cui è installato l’utensile, ovvero la fresa. Esse si compongono di diversi elementi fondamentali:

• Un basamento: Su di esso viene posizionato il pezzo da lavorare.
• Un montante: Qui viene fissato il mandrino.
• Il mandrino: Questo consente di serrare e tenere fermo il pezzo in lavorazione, nonché di trascinare in rotazione la fresa. È composto da un motore, un cono per fissare gli utensili e un asse che mantiene uniti tutti i componenti separatamente. A seconda del senso in cui è montato il mandrino, si parla di fresatrici orizzontali o verticali. Si può dire che è il motore della macchina.
• La fresa: L’utensile è a sezione circolare ed è formato da una serie di denti taglienti. In base alla loro disposizione, le frese si classificano in: elicoidali, piane, ad angolo doppio, a denti sfalsati, frontali, a smussare e a candela. L’utensile da taglio è collegato alla colonna e serve a tagliare i pezzi esattamente come indicato dall’operatore.
• Il tavolo: È la piattaforma piana su cui si fissa il pezzo da lavorare tramite una morsa.
• Il pannello di controllo: È la parte che supporta il computer.
• Il refrigerante: È una parte fondamentale della fresatura. Aiuta a prolungare la vita dell’utensile e a migliorare la finitura superficiale dei pezzi lavorati.

Come si realizza la Fresatura

A questo punto si può entrare nel merito di come si fa la fresatura, fondamentale lavorazione CNC. Questa è realizzabile con l’ausilio della fresatrice, funzionale a modellare il pezzo grezzo, che viene fissato sul piano di lavoro. Tramite la rotazione dell’utensile (la fresa) ad alti giri, avviene l’esportazione del materiale in eccesso, ovvero il truciolo. Proprio per questo motivo si parla di lavorazione sottrattiva.

Leggi anche: Pregi e Utilizzi delle Assi in Castagno

In questo primo passaggio, si crea il prototipo virtuale del prodotto finale nel software CAD. Grazie al CNC, per realizzare la fresatura è sufficiente impostare i parametri della macchina. Il codice può essere controllato e modificato, se necessario, per adattarlo alle capacità della macchina. Questa lavora in seguito in totale automatismo. Con lo stesso set-up è possibile produrre una serie di pezzi identici.

Il ciclo produttivo prevede in genere:

1. Una prima fase di sgrossatura: Avviene una rapida esportazione di materiale, lasciando un sufficiente sovrametallo per lo stadio successivo.

Sistemi di Coordinate nella Fresatura CNC

Potete pensare al sistema di coordinate come al metodo in cui i macchinari CNC comprendono lo spazio tridimensionale. In mancanza di un sistema di coordinate, il vostro macchinario CNC non avrebbe modo di sapere:

• Dove si trova il blocco di materiale
• Quanto dista il vostro strumento dalla parte in lavorazione
• Quali movimenti eseguire per agire sulla parte in lavorazione

Il sistema di coordinate può sembrare, a prima vista, complicato, ma può essere suddiviso in semplici componenti. Quasi ogni macchinario CNC utilizza un sistema di coordinate cartesiane basato su assi X, Y e Z. Riducendo un sistema cartesiano alle sue basi vi ritroverete con una stringa di numeri familiare. Un punto sulla stringa viene designato come l’origine.

Tutti i più recenti macchinari CNC condividono caratteristiche analoghe: utilizzano l’asse X, Y e Z per definire le coordinate spaziali all’interno del macchinario, insieme ad uno strumento (a volte una fresa, a volte un estrusore, altre un raggio laser) che si sposta nello spazio di lavorazione. Pur cambiando il tipo di tecnologia, le basi rimangono essenzialmente invariate. Per far ciò, il macchinario necessita di individuare la posizione del materiale nello spazio fisico.

Leggi anche: Rambaudi M3: analisi tecnica

Un metodo semplice per comprendere il sistema di coordinate cartesiane in relazione al proprio macchinario CNC è utilizzare la “Regola della Mano Destra”. Posizionate il palmo della mano verso l’alto, estendendo il pollice e l’indice verso l’esterno ed il medio verso l’alto. Utilizzando il sistema di coordinate cartesiano possiamo controllare il macchinario CNC lungo ogni asse per trasformare un blocco di materiale in un prodotto lavorato.

Il movimento della vostra CNC, insieme al sistema di coordinate, è sempre basato sul modo in cui si muovono i vostri strumenti, dunque non sul piano da lavoro. Incrementando il valore delle coordinate dell’asse Z muoverete il mandrino verso l’alto, mentre diminuendolo si muoverà in basso sul materiale in lavorazione. Se questa lettura vi lascia più confusi che persuasi, non preoccupatevi. Capire la differenza tra i movimenti del vostro strumento e del piano è più semplice che spiegarlo.

Il Punto "Home" della Macchina

Ogni macchinario CNC ha il suo punto di origine interno chiamato “Home”. Quando accade, i tre assi della vostra CNC si sposteranno verso il loro limite meccanico. Una volta raggiunto il limite, un segnale viene inviato al controller, il quale ricorderà la posizione “Home” per quell‘asse in particolare. Il processo varia di macchina in macchina. Per alcune, vi è un finecorsa fisico che segnala al controller che il macchinario ha raggiunto il limite di un asse. Su altre macchine, vi è un intero sistema dedicato che rende il tutto incredibilmente fluido e preciso. Il controller di un macchinario invia un segnale attraverso un circuito a un motore dedicato che si connette ad ogni asse del macchinario.

Finora abbiamo parlato di come un macchinario CNC utilizzi il proprio sistema interno di coordinate. Il problema è che tale sistema non è un punto di riferimento semplice da comprendere per noi esseri umani. Ad esempio, quando la vostra CNC trova la propria posizione Home, si troverà nella parte estrema del proprio limite meccanico lungo l’asse X, Y e Z. Immaginate di dovere utilizzare questi valori di coordinate estreme come punto di inizio del vostro programma CNC.

Il Work Coordinate System (WCS)

Per semplificare il processo di scrittura di programmi CNC, utilizzeremo un sistema differente di coordinate designato ad uso umano, chiamato Work Coordinate System (sistema di coordinate di lavorazione - WCS). Potete definire qualsiasi punto su un blocco di materiale come punto di origine di un WCS. Selezionare un punto di origine nel proprio WCS necessita un’attenta pianificazione. Potremmo scrivere un intero articolo sulla selezione dei punti di origine ottimali, specialmente per ogni impostazione successiva, quando l’accumulo di tolleranze comincia a crescere.

Leggi anche: Come scegliere un tavolo in legno massello a 4 assi

I sistemi di coordinate di lavorazione (WCS) colmano il divario tra le coordinate interne della macchina e il vostro programma CNC. Questi tre sistemi lavorano all’unisono per localizzare con precisione e lavorare i materiali mantenendo una qualità costante nel tempo.

Compensazione degli Strumenti e dei WCS

Come abbiamo menzionato, gli operatori umani utilizzeranno un WCS, che fornirà un set di coordinate di semplice comprensione per produrre un programma CNC. In ogni caso, queste coordinate saranno ben diverse da quelle “comprensibili” dal macchinario. Dunque, come fa la vostra CNC ad interpretarle?

Una macchina CNC userà una compensazione per determinare la differenza di distanza tra il vostro WCS e la sua posizione iniziale. Vengono programmate varie compensazioni, come G54, G55 e G59. Qual è il beneficio derivante dal disporre di compensazioni multiple? Se state lavorando su diverse parti dello stesso progetto, ad ognuna di esse può essere assegnata la propria compensazione.

È piuttosto comune utilizzare strumenti multipli per un singolo progetto, ma è necessario un metodo per tenere in considerazione la lunghezza dei diversi strumenti. Programmare una compensazione degli strumenti nel proprio macchinario CNC facilita il lavoro. Programmando la compensazione di uno strumento, il vostro macchinario CNC saprà con certezza quanto ogni strumento si estende dal mandrino.

La compensazione dello strumento può essere impostata in diversi modi:

• Manualmente: Spostate lo strumento annesso al macchinario dalla posizione Home alla posizione zero della parte in lavorazione. La distanza percorsa dallo strumento viene misurata ed inserita come compensazione dello strumento.
• Usando un blocco di precisione: Impostando tutti gli strumenti su una posizione Z comune al di sopra di un blocco di precisione 1-2-3 posizionato sul piano dal lavoro del macchinario.
• Utilizzando una sonda: La sonda determinerà automaticamente la compensazione necessaria allo strumento.

Tipologie di Fresatrici CNC in Base al Numero di Assi

Esistono diversi tipi di fresatrici con funzioni varie basate su determinati componenti. Può avere tre, quattro, cinque o anche sei assi, a seconda del tipo di macchina. In realtà, determina la dimensione e anche la funzione che deve svolgere. Le macchine sono classificate in base al numero di assi su cui operano. Le più comuni sono le fresatrici CNC a 3, 4 e 5 assi. Gli assi determinano le caratteristiche del pezzo o del prototipo e influenzano l’efficienza e la precisione della produzione.

La differenza principale tra lavorazione a 3, 4 e 5 assi è la complessità del movimento che il pezzo e l'utensile possono compiere l'uno rispetto all'altro. Più complesso è il movimento delle due parti, più complessa può essere la geometria del pezzo finale lavorato. Aumentare il numero di assi significa aggiungere gradi di libertà di movimento alla macchina fresatrice, la quale può seguire più direzioni indipendenti lungo le quali l'utensile può muoversi nello stesso momento.

Per approfondire questo concetto e capire la differenza tra le fresature CNC a 3, 4 e 5 assi, presentiamo una panoramica delle loro caratteristiche e vantaggi:

Fresatrici CNC a 3 Assi

È il tipo di lavorazione più semplice, in cui il pezzo è fissato in un'unica posizione. I movimenti del mandrino sono disponibili nelle direzioni lineari X, Y e Z. La fresatrice verticale a 3 assi significa che il tavolo può muoversi in 2 direzioni: X e Y. Questo permette di posizionare il pezzo da lavorare rispetto all’utensile da taglio mantenendo costante la distanza. L'asse Z aggiunge movimento verticale. Da questa descrizione possiamo capire che la fresa può lavorare solo superfici accessibili dall'alto.

Le macchine a 3 assi sono tipicamente utilizzate per la lavorazione di geometrie 2D e 2,5D. Quindi, sono perfette per lavorazioni planari, tasche, fori e profili semplici su un lato dell'elemento. La lavorazione a 3 assi è più adatta alla produzione di profili fresati planari, forature e fori filettati in linea con un asse. Le fresatrici a 3 assi sono tipicamente utilizzate per la foratura e la maschiatura solo lungo l’asse Z. Sebbene sia in grado di realizzare profili arrotondati, non è l’ideale per questo compito, quindi si consiglia di utilizzarlo semplicemente per forme prismatiche (cioè prevalentemente rettilinee).

La lavorazione di tutti e 6 i lati di un pezzo è possibile con la lavorazione a 3 assi, ma per ogni lato è necessario un nuovo set-up di attrezzature, che potrebbe essere costoso. Le caratteristiche di sottosquadro sono possibili con l'uso di frese con scanalature a T e frese a coda di rondine. Tuttavia, a volte l'elemento progettato non può essere fisicamente prodotto da una macchina a 3 assi, oppure l'elemento potrebbe essere economicamente più conveniente da lavorare con una macchina a 4 o 5 assi.

Le caratteristiche non possibili nella fresatura a 3 assi includono qualsiasi caratteristica angolata rispetto al sistema di coordinate X-Y-Z, anche se la caratteristica stessa è planare. È possibile progettare due tipi di elementi angolati, e capire la distinzione tra questi è importante quando si progettano pezzi per la fresatura CNC:

• Carattere Angolare: Si tratta di un elemento lavorato con un'angolazione rispetto a uno degli assi X, Y o Z. Ad esempio, una superficie fresata piana si trova a 45° rispetto all'asse X, ad esempio una rotazione dell'asse A.
• Caratteristica dell'Angolo Composto: Si tratta di un elemento lavorato con un angolo rispetto a due assi. Ad esempio, una superficie fresata planare è lavorata con un angolo di 45° rispetto all'asse X e un angolo di 30° rispetto all'asse Z.

Sia gli elementi angolari che quelli composti non possono essere lavorati con macchine CNC a 3 assi.

Fresatrici CNC a 4 Assi

La lavorazione a 4 assi aggiunge una rotazione intorno all'asse X, detta asse A. Il mandrino ha 3 assi lineari di movimento (X-Y-Z), come nella lavorazione a 3 assi, più l'asse A che avviene tramite la rotazione del pezzo. Il pezzo da lavorare è montato sull'asse X e può ruotare con l'attrezzatura sull'asse A. Con un'unica attrezzatura è possibile lavorare 4 lati del pezzo. La tavola rotante consente di montare un pezzo a un’estremità della macchina e di ruotarlo per accedere agli altri lati del pezzo.

L’aggiunta di un altro asse significa molte nuove possibilità di lavorazione. Il limite principale della fresatrice a 3 assi scompare poiché, essendo il pezzo parzialmente sospeso, è possibile eseguire fori o altri elementi che penetrano completamente nel pezzo. Inoltre, è possibile realizzare curve e contorni più complessi grazie alla rotazione del pezzo durante la lavorazione. In questo modo introduciamo la realizzazione di geometrie più complesse come eliche e parti cilindriche, consentendo la lavorazione di piani inclinati. La lavorazione a 4 assi ci permette di lavorare elementi angolati, altrimenti non possibili con una macchina a 3 assi.

La lavorazione a 4 assi può essere utilizzata come metodo economicamente più vantaggioso per lavorare pezzi teoricamente possibili su una macchina a 3 assi. Utilizzando la capacità dell'asse A della lavorazione a 4 assi, è necessaria una sola attrezzatura, eliminando la necessità di cambiare le attrezzature e riducendo i costi. Eliminando il rischio di errore umano, si ottiene un pezzo lavorato con una qualità elevata, senza bisogno di costose indagini di garanzia della qualità. L'eliminazione della necessità di cambiare le attrezzature ha l'ulteriore vantaggio di poter mantenere tolleranze più strette tra gli elementi su lati diversi del pezzo. La perdita di precisione dovuta al fissaggio e alla reimpostazione viene eliminata.

Profili complessi come i lobi delle camme e la lavorazione elicoidale possono essere realizzati su una macchina a 4 assi. Tenete presente che la lavorazione a 4 assi consente un solo asse di rotazione per ogni attrezzatura, quindi tutti gli elementi angolati devono essere angolati intorno agli stessi assi, oppure devono essere installate attrezzature aggiuntive.

Esistono due tipi di lavorazione CNC a 4 assi:

• Lavorazione a indicizzazione: Il quarto asse (asse A) ruota mentre la macchina non sta tagliando il materiale. Una volta selezionata la rotazione corretta, viene applicato un freno e la macchina riprende a tagliare.
• Lavorazione in continuo: La macchina può tagliare il materiale contemporaneamente alla rotazione dell'asse A, simultaneamente. Ciò consente di lavorare archi complessi, come il profilo dei lobi delle camme e delle eliche.

Fresatrici CNC a 5 Assi

Le fresatrici CNC a 5 assi utilizzano 2 dei 3 assi di rotazione possibili, a seconda del tipo di macchina. Una macchina utilizzerà una rotazione sull'asse A e sull'asse C, oppure una rotazione sull'asse B e sull'asse C. Oltre ai classici lineari X, Y e Z, vi sono due assi di movimento aggiuntivi di rotazione. Questi assi sono denominati A e B. Il movimento lineare riguarda l’utensile, quello rotativo interessa il mandrino. I due avvengono simultaneamente.

La fresatura CNC a 5 assi completa l'opera operando sui tre assi lineari e i due rotativi. Con questa fresatrice è possibile produrre forme più sofisticate, cioè forme con curve composte complesse in più direzioni. Una macchina a 5 assi è solitamente molto più rigida, poiché deve mantenere la precisione anche quando si muove in molte direzioni contemporaneamente.

Esistono due tipi principali di macchine CNC a 5 assi:

• Macchine a 3+2 assi: I due assi di rotazione operano indipendentemente l'uno dall'altro, il che significa che il pezzo può essere ruotato di qualsiasi angolo composto rispetto all'utensile da taglio per le caratteristiche da lavorare. Tuttavia, la rotazione di due assi contemporaneamente alla lavorazione non è possibile. La lavorazione 3+2 può produrre forme 3D molto complesse.
• Macchine a 5 assi completamente continue: Possono ruotare simultaneamente i due assi di rotazione, contemporaneamente alla lavorazione e all'utensile da taglio che si muove linearmente in coordinate XYZ. La lavorazione continua a 5 assi è in grado di produrre forme 3D molto complesse, non solo elementi planari angolati composti ma anche superfici 3D curve complesse, consentendoci di produrre pezzi normalmente riservati ai processi di stampaggio.

La lavorazione a 5 assi offre ai progettisti un enorme livello di flessibilità per progettare geometrie 3D molto complesse. Le differenze tra una fresatura con un numero di assi che va da 3 a 4 e poi a 5 riguardano, in primo luogo, la possibilità di ruotare su piani diversi rispetto a quello standard. Di conseguenza, avere una fresatura che può contare su assi differenti aiuta a creare forme complesse. La comprensione delle possibilità di ciascun tipo di lavorazione CNC è essenziale nella progettazione di pezzi lavorati CNC. Se il vostro progetto richiede l'uso di una CNC a 5 assi, sfruttatela al massimo!

Confronto delle Fresatrici CNC per Assi

Ecco una tabella riassuntiva delle capacità principali delle fresatrici in base al numero di assi:

Tipo di Fresatrice CNC	Movimenti Assiali	Capacità di Lavorazione Tipiche	Vantaggi Chiave	Limiti Principali
3 Assi (X, Y, Z)	3 assi lineari (utensile si muove in X, Y, Z)	Geometrie 2D e 2.5D, superfici planari, forature e filettature lungo Z, tasche semplici.	Semplicità, costo inferiore, rapida asportazione di materiale per forme prismatiche.	Non può lavorare superfici angolate complesse, richiede più setup per lati diversi.
4 Assi (X, Y, Z + A)	3 assi lineari + 1 asse rotativo (A, intorno a X) del pezzo	Elementi angolati, superfici cilindriche, lobi di camme, eliche, lavorazione di 4 lati con un setup.	Riduzione dei setup, maggiore precisione tra i lati, lavorazione di geometrie più complesse.	Un solo asse di rotazione per setup, limitazioni su angoli composti.
5 Assi (X, Y, Z + A/B + C)	3 assi lineari + 2 assi rotativi (pezzo o mandrino)	Forme 3D estremamente complesse, superfici curve complesse, elementi angolati composti.	Massima flessibilità, alta precisione, lavorazione di geometrie complesse in un unico setup.	Costo elevato, maggiore complessità di programmazione e gestione.

In definitiva, la differenza tra una macchina CNC a 3, 4 e 5 assi sta nella capacità di ruotare su piani diversi. Sia le fresatrici CNC a 4 assi che quelle a 5 assi consentono la rotazione in diverse coordinate. Questa qualità consente di produrre più facilmente forme complesse. Può sembrare giusto pensare che una fresatura con un numero superiore di assi di movimento sia da preferire a soluzioni minori. Una lavorazione professionale sarà avvantaggiata da questa procedura ma ci sono tante richieste che possono essere eseguite da una macchina a 3 assi.

tags: #convenzione #assi #fresatrice