La fresatura dei metalli rappresenta uno dei processi fondamentali nella produzione industriale avanzata. Si tratta di un processo di lavorazione per asportazione di truciolo caratterizzato da una cinematica complessa e da fenomeni meccanici, termici e dinamici fortemente interconnessi. L'idea di utilizzare nella lavorazione dei metalli un utensile da taglio ruotante è antica e se ne hanno tracce verso il 1664, con le prime frese di forma per il taglio dei denti d'ingranaggi nel XVIII secolo. Attraverso questo processo è possibile realizzare superfici piane, scanalature, profili complessi e geometrie tridimensionali su componenti metallici. La notevole rapidità di lavoro e la precisione che si ottengono con le fresatrici hanno fatto preferire queste macchine ad altre destinate all'esecuzione degli stessi lavori.
Componenti e Funzionamento Generale della Fresatrice
Una fresatrice è costituita da un'incastellatura di forma appropriata e da un insieme di meccanismi capaci di far assumere all'utensile il moto relativo, rispetto all'oggetto in lavorazione, occorrente per ottenere su quest'ultimo una superficie determinata in relazione alla forma dell'utensile impiegato. Nelle fresatrici, come in tutte le macchine utensili, si distinguono gli organi per ricevere il movimento trasmesso dal motore, il meccanismo per dare e togliere movimento, il meccanismo di trasmissione del movimento di lavoro all'albero portafresa e il meccanismo per la realizzazione del moto di alimentazione.
Le fresatrici sono provviste di un cambio di velocità, che può consistere in una trasmissione per cinghia con puleggia a gradini o, nelle macchine monopulegge e in quelle con motore direttamente accoppiato, da un insieme di ruotismi di schema diverso. Il moto di alimentazione è generalmente dipendente dal moto di lavoro, e in tal caso la velocità di avanzamento, per moto di traslazione, si suole esprimere in millimetri per giro di fresa. Tuttavia, può essere anche del tutto indipendente, con la sua velocità espressa in millimetri al minuto primo. Alcune fresatrici moderne hanno il moto di alimentazione con comando indipendente idraulico, consentendo una variazione continua nei valori delle velocità di avanzamento. Il meccanismo di alimentazione deve permettere anche il moto retrogrado del portaoggetti.
Varianti Costruttive delle Fresatrici
Le fresatrici assumono forme costruttive diverse secondo i lavori cui sono destinate. Possono avere l'albero portafrese orizzontale (fresatrici orizzontali) o verticale (fresatrici verticali). Su talune macchine l'albero portafresa può assumere orientamenti diversi nello spazio, e allora le fresatrici vengono chiamate universali. Alcune fresatrici possiedono più alberi portafrese in modo da poter lavorare contemporaneamente superfici diverse. Il portaoggetti è costituito da più slitte che possono assumere movimenti di traslazione secondo tre direzioni ortogonali e in alcune macchine anche ruotare intorno ad un asse verticale.
Sistemi a Vite e Pressione nelle Fresatrici Moderne
Le moderne fresatrici integrano avanzati sistemi per garantire precisione, stabilità e prestazioni ottimali. Un esempio significativo di "sistema a vite a pressione" si trova nella gestione dei fluidi e nella regolazione meccanica.
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Refrigerazione Interna con Pompa a Vite ad Alta Pressione
Nelle fresatrici a montante mobile EMERA, ad esempio, la refrigerazione interna dell’elettromandrino è gestita dalla pompa a vite ad alta pressione programmabile con inverter. Questo sistema è cruciale per mantenere le prestazioni stabili dell'utensile, specialmente durante lavorazioni ad alta velocità e su materiali resistenti. La gestione precisa della pressione del fluido di raffreddamento contribuisce a prolungare la vita dell'utensile e a migliorare la finitura superficiale del pezzo.
Regolazione delle Guide con Barre di Pressione e Cunei
Per assicurare la massima precisione e ridurre il gioco, le guide a coda di rondine sugli assi X, Y e Z possono essere regolate senza gioco utilizzando barre di pressione e cunei. Questa metodologia è adottata in modelli come la SIEG SX3L e la SIEG SX3.5Z, dove le guide a coda di rondine sugli assi X, Y e Z possono essere regolate senza gioco mediante strisce a cuneo. Questo sistema di regolazione basato sulla pressione è fondamentale per la stabilità meccanica e la precisione dei movimenti della macchina.
Lezione CNC fresatura di una piastra.
Rigidità e Stabilità Strutturale
Per minimizzare le vibrazioni e la flessione durante asportazioni pesanti, le fresatrici a montante mobile EMERA vengono costruite con il sistema Box-in-Box, che sposta le forze di azionamento verso il centro di gravità. La RAM ottagonale rappresenta una struttura unica nel suo genere che garantisce un’eccellente rigidità e non subisce alterazioni dimensionali dovute all’aumento della temperatura. Tutte le teste che utilizziamo sono a 360.000 posizioni torque. Per mantenere le prestazioni sempre stabili la fresatrice a montante mobile Emera viene posizionata su livellatori di precisione.
Esempi di Fresatrici e Loro Caratteristiche
Fresatrice/Foratrice SIEG SX3L
La SX3L è una foratrice/fresatrice progettata per l’utilizzo hobbistico e semiprofessionale di fascia alta. È azionata da un motore DC brushless da 1.000 watt con controllo dinamico, garantendo una coppia elevata a tutte le velocità. L'intera gamma di velocità (100 a 1.750 giri/min) è coperta da un'unica posizione del nastro. La potenza viene trasmessa senza slittamento tramite una cinghia dentata. La macchina è dotata di una "funzione di filettatura" per cambiare immediatamente il senso di rotazione del mandrino premendo un pulsante. La testa di fresatura (asse Z) viene spostata tramite volantino. Dispone anche di un avanzamento fine attivabile per muovere il cannotto in direzione Z. La corsa del cannotto può essere letta sul display digitale della profondità di foratura. Il mandrino di lavoro è dotato di un portautensili SK30 di facile utilizzo. Il piano di lavoro 700 x 160 mm è dotato di tre scanalature a T (12 mm / M10) per il bloccaggio dei pezzi.
Fresatrice/Foratrice SIEG SX3.5Z
La foratrice/fresatrice SIEG SX3.5Z offre un'ampia gamma di applicazioni. È azionata da un motore DC brushless con controllo dinamico. La gamma di velocità è coperta da due posizioni di cinghia: bassa (da 80 a 1.500 giri/min con cinghia dentata) e alta (da 280 a 5.000 giri/min con cinghia con nervature V, molto scorrevole e a bassa vibrazione). Una caratteristica distintiva è l'azionamento elettrico dell'asse Z, alimentato da un motore elettrico separato, che consente di regolare l'altezza della testa di fresatura premendo un pulsante, senza manovrare il volantino. Le posizioni finali della testa di fresatura sono definite da finecorsa di sicurezza. Il piano di lavoro da 740 x 180 mm è dotato di tre scanalature a T (12 mm / M10). La regolazione sugli assi X e Y avviene tramite volantini con vernieri in alluminio anodizzato. Sul lato destro della colonna Z è presente un cuscinetto portautensili magnetico.
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Fresatrici-Trapani e Universali
Le fresatrici-trapani combinano le funzioni di due macchine - trapano e fresatrice. Sono dotate di motori robusti che garantiscono potenza elevata e coppia adeguata, indispensabili per la lavorazione di materiali duri. La loro struttura include sistemi di sicurezza e comandi intuitivi per un utilizzo confortevole. Il marchio CORMAK offre soluzioni moderne in diversi modelli per piccole officine e grandi impianti produttivi. L’offerta comprende anche un’ampia selezione di altre macchine per la fresatura, come le fresatrici universali, che consentono l’esecuzione di numerose operazioni, e le fresatrici per utensileria, destinate alla lavorazione precisa di utensili e stampi.
Il Sistema di Misurazione a Scala di Vetro
Molte fresatrici moderne, come i modelli SIEG SX3L e SX3.5Z, vengono fornite con un sistema di misurazione a scala di vetro già installato. Questo sistema viene utilizzato per visualizzare la posizione effettiva di un pezzo o di un utensile in un sistema di coordinate. L'unità di visualizzazione e controllo è dotata di uno schermo LCD da 7 pollici (18 cm) e di vari tasti funzione. Lo schermo è fissato alla colonna Z della fresatrice tramite un braccio girevole. Sotto l'unità di visualizzazione è presente anche un pratico vassoio portautensili. Gli assi X, Y e Z della macchina sono dotati di scale in vetro. Il quarto asse del sistema di misura può essere utilizzato per accessori opzionali, come una tavola rotante.
Il sistema di misura è caratterizzato da funzioni e opzioni di visualizzazione molto ampie. Le funzioni selezionate sono visualizzate graficamente sul display per una migliore comprensione. Il display di posizione offre la possibilità di scegliere tra le modalità di tornitura, fresatura e rettifica. Le lingue disponibili includono tedesco, inglese, spagnolo, francese e cinese.
Funzioni in Modalità Fresatura:
- Contorno inclinato / superficie: fresatura di fasi o superfici diagonali.
- Impostazione di un numero qualsiasi di fori a distanza regolare su una linea retta (funzione SHL).
- Fresatura di un raggio o di un arco di cerchio.
- Rappresentazione di un cerchio di fori per fori distanziati in modo uniforme su un arco circolare.
- Determinazione del punto centrale tra due punti.
Funzioni in Modalità Tornitura:
- Tornitura conica.
- Compensazione utensile.
Il percorso di traslazione sull'asse X può essere visualizzato in diametro o in raggio. È possibile visualizzare Z e Z0 combinati, ossia la corsa della slitta del piano e la corsa della slitta superiore vengono visualizzate come un totale. I valori possono essere visualizzati in mm o pollici in tutte le modalità operative. È possibile cambiare il segno quando si visualizzano i singoli assi. Il display di posizione dispone di una modalità di standby ed è possibile impostare la luminosità del display, la data, l'ora e i segnali acustici.
Utensili e Materiali per la Fresatura dei Metalli
La fresa è lo strumento utilizzato per modellare la forma, una punta rotante montata su trapano o fresatrice, necessaria per rimuovere materiale in eccesso e creare forme specifiche. La lista delle possibili operazioni che portano la firma di una fresa studiata per gli acciai e il ferro è infinita: intagliare, decorare, aggiungere uno scalino o un bordo, pulire un foro, sagomare, cesellare e rettificare.
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Scelta della Fresa
In primo luogo, si deve valutare il taglio: la struttura della lama può garantire buoni risultati in determinate condizioni. Ad esempio, il taglio standard è perfetto per limare cordoni di saldatura, ghisa e acciaio di base, mentre quello specifico per l'alluminio si usa per operare su questo tipo di metallo ma anche per le attività su plastica e gomma dura. La forma della fresa dipende dallo scopo: cilindrica (con o senza frontale affilato), a cono, a sfera o a ogiva. La scelta dell'utensile di fresatura rappresenta uno degli aspetti più critici per il successo del processo.
Materiali degli Utensili
Per realizzare questi attrezzi si usa il metallo duro, ovvero il Widia (carburo di tungsteno), noto per l'elevata durezza, resistenza al calore (perfetta per lavorazioni ad alta velocità), tenacità, rigidità e resistenza alla compressione. Per affrontare le sfide della fresatura su materiali duri, questa soluzione è indispensabile.
Rivestimenti Avanzati
I moderni rivestimenti PVD e CVD creano strati protettivi che riducono l’attrito, aumentano la durezza superficiale e fungono da barriera termica. Un esempio è il nitruro di titanio e alluminio che conferisce durezza, resistenza termica e chimica, aumento delle prestazioni e riduzione dell'attrito. Il rivestimento svolge un ruolo determinante nella durata e nelle prestazioni della fresa.
Di seguito una tabella che riassume le principali tipologie di rivestimento utilizzate nella fresatura dell'acciaio:
| Rivestimento | Composizione | Durezza (HV) | Temp. max (°C) | Applicazione consigliata |
|---|---|---|---|---|
| TiN | Nitruro di titanio | 2.300 | 600 | Acciai comuni, lavorazioni generiche |
| TiCN | Carbonitruro di titanio | 3.000 | 400 | Acciai legati, finiture |
| TiAlN | Nitruro di titanio-alluminio | 3.300 | 800 | Acciai duri, lavorazioni ad alta velocità |
| AlTiN | Nitruro di alluminio-titanio | 3.500 | 900 | Acciai temprati, lavorazioni a secco |
| nACo® | Nano-composito Al-Cr-N | 3.800 | 1.100 | Acciai inossidabili, alte temperature |
Geometrie di Taglio e Loro Influenza
La geometria della fresa influenza direttamente le forze di taglio, la formazione del truciolo, la finitura superficiale e la durata dell’utensile. I parametri geometrici fondamentali comprendono l’angolo di spoglia, l’angolo di elica, il numero di taglienti e la preparazione del tagliente. Per la fresatura dell’acciaio, angoli di spoglia compresi tra +6° e +15° rappresentano un buon compromesso tra efficienza di taglio e resistenza del tagliente. L’angolo di elica influisce sull’evacuazione del truciolo e sulle forze assiali. Il numero di taglienti condiziona l’avanzamento per giro e la capacità di evacuazione truciolo.
Ottimizzazione dei Parametri di Taglio e Strategie di Refrigerazione
L’ottimizzazione dei parametri di taglio rappresenta uno degli aspetti più critici nella fresatura dei metalli. La corretta impostazione dei parametri è essenziale per sfruttare appieno le potenzialità della fresa e garantire una durata utensile ottimale. I parametri fondamentali comprendono la velocità di taglio (Vc), l’avanzamento per dente (fz), la profondità di passata assiale (ap) e radiale (ae).
Strategie per Materiali Specifici
- Alluminio: La lavorabilità si differenzia soprattutto in base al contenuto di Si. Una velocità di taglio maggiore generalmente migliora le prestazioni. Si consiglia un valore hex di 0,10-0,20 mm, valori troppo bassi possono causare la formazione di bave.
- Titanio: Usare frese con inserti rotondi per aumentare l’effetto di assottigliamento del truciolo. La precisione della fresa è essenziale per mantenere un carico del dente costante. Lavorare a secco, evitando il fluido da taglio. La fresatura trocoidale è un metodo adatto che consente elevati avanzamenti della tavola uniti a basse forze di taglio.
Refrigerazione e Lubrificazione
La gestione del calore generato durante il taglio influisce significativamente sulla durata della fresa e sulla qualità della lavorazione. Le principali strategie comprendono la lavorazione a secco, la lubrorefrigerazione tradizionale e la lubrificazione minimale (MQL).
Vantaggi della Lubrificazione Minimale (MQL)
La tecnologia MQL rappresenta una soluzione sempre più diffusa con i seguenti benefici:
- Riduzione dei costi operativi: il consumo di lubrificante si riduce drasticamente.
- Miglioramento della vita utensile: lubrificazione efficace senza shock termici.
- Trucioli più puliti: l’assenza di emulsione facilita il riciclo.
- Ambiente di lavoro più salubre: si eliminano nebbie oleose e residui.
- Compatibilità con rivestimenti avanzati: rivestimenti come AlTiN e nACo® esprimono massime prestazioni con MQL.
La lavorazione completamente a secco è consigliabile solo con rivestimenti ad alta resistenza termica e su acciai che non presentano tendenza al grippaggio. Gli acciai inossidabili austenitici, al contrario, beneficiano sempre di una lubrificazione efficace per prevenire l’incollaggio del truciolo sul tagliente.
Un'Applicazione Specializzata: La Fresatura delle Viti
Se necessitate di modificare dei semilavorati e vi state chiedendo come effettuare la fresatura delle viti a regola d’arte, alcuni consigli sugli utensili e sulle modalità di procedere possono essere utili. Il primo passo è la scelta di una strumentazione adeguata, che varia a seconda delle caratteristiche e della lunghezza della vite. Per lavorare una vite lunga si necessita di una fresa biconica simmetrica a disco, con angolo di apertura tra i 55 e i 60 gradi.
L’utilizzo della fresa biconica può essere più complicato se si sta lavorando su viti trapezie o quadre, dato dalla difficoltà di adattare la forma a disco della fresa all’interno del vano elicoidale. Un’alternativa è una tipologia di fresa dotata di denti in grado di tagliare alternativamente i due fianchi del pezzo. Questa soluzione abbatte i costi di lavorazione rispetto a una tradizionale lavorazione con il tornio, ma offre una precisione minore.