Caratteristiche Tecniche Dettagliate delle Fresatrici CNC

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 CNC è un processo di produzione sottrattivo che combina la fresatura tradizionale con la tecnologia del controllo numerico computerizzato (CNC).

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

Noto per la sua accuratezza e precisione, il processo è parte integrante di diversi settori, tra cui spiccano quello automobilistico e aeronautico. La fresatura CNC è ampiamente utilizzata in settori quali aerospaziale, automobilistico ed elettronico grazie alla sua capacità di produrre componenti complessi e di alta qualità con un intervento umano minimo.

Principi di Funzionamento della Fresatura CNC

La fresatura CNC è un processo di produzione sottrattivo che comporta l'uso di un utensile da taglio rotante per rimuovere materiale da un blocco solido di metallo, plastica, legno o altri materiali per creare parti e prodotti precisi. A differenza della fresatura manuale, in cui gli operatori controllano la macchina a mano, la fresatura CNC è completamente automatizzata. I movimenti della macchina sono guidati da un codice G pre-programmato, che determina il percorso utensile, la velocità e la profondità di taglio, garantendo risultati coerenti e altamente accurati.

Oltre alla foratura e alla tornitura CNC, la fresatura CNC costituisce il fondamento dei processi di lavorazione CNC. Il processo funziona rimuovendo parti da un pezzo utilizzando uno strumento di taglio cilindrico rotante controllato da computer che ruota e si muove lungo più assi.

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Fasi del Processo di Fresatura CNC

La fresatura CNC può essere suddivisa in tre fasi significative:

1. Preparare un modello CAD 2D o 3D

   Utilizza software CAD/CAM come Autodesk Inventor o SolidWorks per creare un disegno 2D/3D lavorabile del prodotto finale. La preparazione di un file CAD per la lavorazione CNC dipende dal software. Da un lato, alcuni software possono convertire immagini 2D in file CAD 3D. D'altra parte, alcuni software consentono di tracciare un'immagine 2D per convertirla in un file 3D. È inoltre presente un disegno tecnico consegnato all'operatore contenente informazioni quali: Caratteristiche/dimensioni critiche di una parte, Tolleranze, Indicazione dei fili, Preferenze di finitura, Linee di costruzione.

2. Esporta il tuo progetto in un formato file compatibile con CNC

   La fresatrice CNC non comprenderà il modello progettato a meno che non sia in un formato di file di lavorazione CNC compatibile. Pertanto, è necessario esportare il modello CAD in formati di file compatibili con CNC con il software CAD/CAM. Esempi di tali formati sono STEP e STL. Durante la conversione, il file indirizzerà la macchina sul movimento rotatorio e lineare, sulla sequenza di taglio, sul percorso utensile, sulla macchina e sulla velocità del pezzo associati al processo.

3. Impostare una fresatrice CNC e azionare una fresatrice CNC

   L'operatore attaccherà gli utensili da taglio al mandrino e posizionerà il pezzo sul tavolo. Quindi imposteranno la macchina per avviare il programma di lavorazione e iniziare la fresatura.

Il ciclo produttivo prevede in genere: Una prima fase di sgrossatura, dove avviene una rapida esportazione di materiale, lasciando un sufficiente sovrametallo per lo stadio successivo.

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Componenti Principali della Fresatrice CNC

Le fresatrici CNC sono le macchine su cui è installato l’utensile, ovvero la fresa. La macchina contiene diversi componenti con funzioni diverse per fornire l'azione di taglio. Ogni fresatrice CNC differisce per la raffinatezza e il design di questi componenti, tuttavia le loro funzioni non cambiano.

• Telaio: Il telaio è responsabile della stabilità e della rigidità della macchina. Ospita altri componenti come la base, le colonne staccabili e la paletta (un componente importante che ospita il mandrino). In una fresatrice, troviamo un basamento su cui viene posizionato il pezzo da lavorare, e un montante dove viene fissato il mandrino.

• Mandrino: Il mandrino è l'intera unità rotante della fresatrice comprendente l'albero che sostiene gli utensili da taglio e altre parti. Questo consente di serrare e tenere fermo il pezzo in lavorazione, nonché di trascinare in rotazione la fresa. È orizzontale o verticale, a seconda della fresatrice. Un motore fa ruotare il mandrino sull'asse determinato dal controller CNC.

• Fresa (Utensile): 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.

• Assi: Gli assi generali sono x (verticale), y (orizzontale) e z (profondità). Tuttavia, in base ad alcune macchine sono inclusi altri assi rotanti; A, B e C. Diverse macchine possono ruotare lungo l'asse a seconda della loro sofisticazione.

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• Colonne: Le colonne poggiano sulla base contenente un serbatoio del liquido refrigerante e una pompa. Funziona quindi come supporto al raffreddamento della macchina durante il processo di taglio. La colonna può essere singola, tuttavia ciò dipende dalla complessità della macchina.

• Pannello di controllo CNC: Il CNC comprende un monitor CNC e pulsanti di programmazione per l'immissione di dati e codici. Pertanto, controlla il processo di fresatura. Di conseguenza, è il sistema nervoso della macchina.

• Cambio utensile automatico (ATC): Gli ATC del tamburo sono adatti per fresature che richiedono meno di 30 utensili. Gli ATC a catena sono adatti per fresature che richiedono più di 30 utensili. Questi sono montati sulla colonna o montati separatamente sulla macchina. Il numero di utensili può variare in base al design e al produttore della fresatrice.

• Portautensili: Il portautensili mantiene gli utensili da taglio sulla macchina CNC. Esistono diversi design e dimensioni, con i tre principali tipi di portautensili: BT, CAT e HSK. I portautensili BT, di dimensioni standard nel settore, presentano un design robusto con una manopola di ritenzione che utilizza una filettatura metrica. Le versioni aggiornate, i portautensili BBT, includono doppi punti di contatto con il mandrino, migliorando la stabilità e la rigidità e sono altamente consigliate per applicazioni di fresatura CNC. I portautensili HSK (codolo conico cavo), di progettazione europea, hanno lo stesso angolo dei portautensili BT, ma sono dotati di una scanalatura di orientamento aggiuntiva sulle flange, rendendoli adatti alla lavorazione ad alta velocità con tolleranze strette.

• Tavolo: Il tavolo è la base solida su cui si posiziona il pezzo da lavorare e si blocca utilizzando dispositivi o morse. Il tipo di tavoli e le loro funzioni aggiuntive dipendono dalla macchina. Ad esempio, alcuni tavoli utilizzano scanalature a T per un facile bloccaggio. Un altro esempio è la fresatrice CNC orizzontale che utilizza pallet forati con grande flessibilità.

• Serbatoio del refrigerante: Il serbatoio del refrigerante contiene un refrigerante fornito alla superficie di taglio o al mandrino durante la fresatura. Poiché la fresatura produce calore, aiuta a raffreddare la superficie e ad allungare la durata della macchina.

Tipologie di Fresatrici CNC e Assi di Movimento

Le macchine a controllo numerico possono essere classificate in base al numero di assi di movimento e alla loro configurazione. Ogni tipo di fresatrice ha una configurazione unica, che consente anche operazioni diverse. Le parti fresate CNC hanno un'elevata tolleranza poiché le fresatrici possono raggiungere una tolleranza compresa tra +/- 0.001 pollici e +/- 0.005 pollici (alcune macchine possono raggiungere una tolleranza di +/- 0.0005 pollici).

Classificazione per Assi

• Fresatrici a 2 assi: In tal caso, il movimento lineare riguarda X e Y, ovvero altezza e larghezza. Possono lavorare come pezzo in lavorazione negli assi x e z. Pertanto, possono tagliare verticalmente e orizzontalmente in una direzione. Sono il tipo più semplice di fresatrici CNC.

• Fresatrici a 3 assi: Il movimento avviene su 3 dimensioni: altezza, larghezza e profondità, ovvero asse X, Y e Z. Possono muoversi sugli assi x, y e z. Pertanto, possono tagliare i pezzi verticalmente in qualsiasi direzione. Sono le fresatrici multiasse più comuni. Tuttavia, presentano alcune limitazioni, ad esempio l'angolo uniforme riduce la capacità di tagliare alcune parti complesse.

• Fresatrici a 4 assi: Al movimento di altezza, larghezza e profondità, si aggiunge la rotazione dell’utensile o del pezzo da lavorare. Il mandrino della fresatrice a 4 assi può spostarsi lungo i tre assi: su e giù, lateralmente e avanti e indietro senza che il pezzo si muova. Può anche ruotare lungo l'asse X o l'asse A. Pertanto, è una scelta adatta per realizzare ritagli e altre operazioni di fresatura complesse. Queste macchine sono veloci, precise e precise.

• Fresatrici a 5 assi: 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. Il mandrino di una fresatrice a 5 assi e l'utensile da taglio si muovono lungo tre assi e consentono la rotazione lungo due assi (qualsiasi asse x, asse y e asse z). Possono lavorare su più pezzi e sono la macchina CNC multiasse più completa.

Configurazioni della Macchina

• Fresatrice verticale: La fresatrice verticale è una macchina a 3 assi con tavola e braccio collegati ad una colonna verticale e il mandrino è verticale. Da un lato, rispetto al braccio, la tavola si muove su e giù lungo l'asse z. D'altro canto, per il mandrino, il movimento del tavolo dipende dal tipo di fresatrice verticale. Ad esempio, quando si utilizza una fresatrice verticale a torretta, il mandrino è fermo mentre il tavolo si muove lungo l'asse x. In una fresatrice verticale a letto, il tavolo può muoversi sull'asse x e il mandrino lungo la direzione del braccio sull'asse y. Le fresatrici verticali sono adatte per operazioni complesse grazie alla loro precisione. Inoltre, sono adatti per lavorare su superfici verticali e forme angolari.

• Fresatrice orizzontale: Le fresatrici orizzontali sono come le fresatrici verticali. Tuttavia, quelle universali possono ruotare lungo l’asse z. Si tratta quindi di fresatrici a 4 assi. Hanno anche un mandrino con orientamento orizzontale. Queste macchine sono meno versatili delle loro controparti verticali, tuttavia sono più adatte per lavorazioni pesanti.

• Fresatrice a torretta: Una fresatrice a torretta è dotata di un mandrino fisso, che consente al tavolo di lavoro di muoversi in due direzioni: orizzontalmente (perpendicolarmente al mandrino) e verticalmente (parallelamente al mandrino). Questo design consente di eseguire varie operazioni di lavorazione, come foratura, alesatura e contornatura, rendendola versatile per diversi progetti nella lavorazione dei metalli e nella produzione.

• Fresatrice a letto: Una fresatrice a letto ha un mandrino che si muove su e giù e parallelamente al tavolo, ma il tavolo stesso si muove solo in una direzione perpendicolare al mandrino. Questa configurazione fornisce maggiore stabilità per pezzi di grandi dimensioni ed è particolarmente efficace per attività di fresatura pesanti, garantendo precisione ed efficienza negli ambienti di produzione.

Tipi di Operazioni di Fresatura CNC

La fresatura CNC ha diverse operazioni con diverse configurazioni e applicazioni. Di seguito sono riportati i tipi comuni di operazioni di fresatura CNC.

• Fresatura frontale: Nella fresatura a spianare, l'asse di rotazione dell'utensile da taglio (fresa a spianare) è perpendicolare alla superficie del pezzo. La fresa per fresatura frontale ha un design unico, degno di nota nei suoi inserti di fresatura intercambiabili. Offre un'azione di taglio utilizzando i suoi denti di taglio multipli. Di conseguenza, le parti fresate frontalmente hanno una finitura superficiale di qualità superiore. Inoltre, il processo è sotto stretto controllo, rendendo facile produrre la superficie desiderata facilmente.

• Fresatura semplice: La fresatura piana è un'operazione a colonna e a ginocchio utilizzata per la fresatura di superfici orizzontali piane. L'utensile da taglio è parallelo al pezzo. Pertanto, il taglio avviene da un'estremità all'altra del pezzo. Gli operatori possono alimentare la tavola longitudinalmente, trasversalmente o verticalmente.

• Fresatura angolare: La fresatura angolare prevede la fresatura di superfici piane utilizzando un utensile da taglio ad angolo. Il processo è simile alla fresatura semplice, l'unica differenza è la configurazione angolare. Esistono due frese angolari: ad angolo singolo e ad angolo doppio. Le frese ad angolo singolo hanno denti sulla faccia angolare della fresa e lati piatti grandi e sono adatte per lavorare ad angoli di 45° o 60°. Le frese angolari doppie hanno denti a V con superfici coniche e sono la soluzione migliore per fresare superfici piane a 45°, 60° e 90°.

• Fresatura di forme: La fresatura a forma è il metodo migliore per creare contorni irregolari su un pezzo. Il contorno può essere curvo o curvo con linee rette. I contorni possono essere concavi o convessi e sono realizzati con denti opposti a tali forme. Di conseguenza, per realizzare un prodotto con bordo concavo, la fresa per profilatura dovrebbe avere un bordo convesso. La fresatura della forma è leggermente più lenta (dal 20 al 30% circa) rispetto alla fresatura normale a causa del taglio più complesso per realizzare superfici curve.

• Fresatura di scanalature: Nella fresatura di scanalature, la larghezza della fresa è inferiore alla larghezza del pezzo in lavorazione e viene utilizzata per creare una scanalatura nel pezzo in lavorazione.

• Fresatura laterale: È adatto per la fresatura per produrre una superficie verticale piana nel pezzo in lavorazione. È possibile controllare la profondità del taglio ruotando la vite di alimentazione verticale del tavolo.

• Fresatura di gruppo: La fresatura multipla prevede l'utilizzo di due utensili da taglio sullo stesso albero per tagliare superfici orizzontali. La combinazione ha un potenziale illimitato e riduce il tempo necessario per il processo di fresatura.

Selezione dei Materiali e Parametri di Lavorazione

Scegliere i materiali giusti può essere difficile a causa dell’ampia varietà di materiali disponibili. Di seguito sono riportati i fattori che è possibile utilizzare e i materiali comuni disponibili:

• Funzioni della parte: Il materiale giusto deve avere funzioni intrinseche che ne aiutano la funzione nell'ambiente di utilizzo. Ad esempio, l’acciaio inossidabile è migliore dell’acciaio al carbonio in termini di resistenza alla corrosione.

• Carico di stress: Le parti applicabili sotto stress elevato devono provenire da materiali stabili sotto stress. L'incapacità di farlo può portare a deformazioni o crepe.

• Tolleranza dimensionale: La tolleranza dimensionale aiuta la precisione durante la fresatura.

È fondamentale impostare i parametri di fresata specifici per la propria lavorazione (in base al tipo di legno, al tipo di asportazione ed alla strategia di fresata). Se non si applicano tali parametri, si otterrà come minimo la superficie del pezzo ruvida e bruciacchiata e si correrà anche il rischio di rompere la fresa (o sicuramente di ridurre enormemente la sua durata). Ad esempio, parametri ideali potrebbero essere 4.1 metri/min e 18000 giri/min. Tuttavia, se una CNC non può rispettare questi valori, ad esempio essendo costretta a ruotare fissa a 20000 giri/min con una velocità di avanzamento di 4.5 m/min, allora deve aumentare anche la velocità di avanzamento e viceversa. Se, invece, la CNC non può rispettare 1 metro/min, si dovrebbe adattare il rapporto, per esempio, calcolando i giri/min ideali come 18000 diviso 4.1, che equivale a circa 4400 giri/min.

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