La fresatura, per definizione, è un’operazione ad asportazione di truciolo con cui è possibile lavorare superfici piane e sagomate. Questa operazione viene eseguita da un utensile multi-tagliente rotante chiamato fresa su una macchina utensile chiamata fresatrice. L'idea di utilizzare nella lavorazione dei metalli un utensile da taglio ruotante è antica, con tracce che risalgono al 1664. Nel XVIII secolo, si trovano già riferimenti a frese di forma specifiche per il taglio dei denti d'ingranaggi, precursore dell'importante applicazione che è oggi la fresatura delle ruote dentate.
Il Principio di Funzionamento della Fresatura
Nella fresatura, 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, permettendo la realizzazione di forme complesse e precise, come i denti di ingranaggi.
Componenti e Meccanismi Fondamentali
La 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 quando quest'ultimo non sia direttamente accoppiato;
- il meccanismo per dare e togliere movimento (puleggia fissa, folle, innesto a frizione, ecc.);
- il meccanismo di trasmissione del movimento di lavoro all'albero portafresa;
- il meccanismo per la realizzazione del moto di alimentazione.
Le fresatrici sono di conseguenza provviste di un cambio di velocità il quale può consistere in una trasmissione per cinghia con puleggia a gradini completata da un ruotismo, o, nelle macchine monopulegge (così dette perché al posto della puleggia a gradini hanno una sola puleggia per ricevere il moto trasmesso) e in quelle con motore direttamente accoppiato, da un insieme di ruotismi di schema diverso secondo i varî costruttori, comandabile dall'esterno per mezzo di leve.
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Meccanismi di Alimentazione
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 da quello del tutto indipendente (in qualche caso anche comandato da motore distinto) e allora la sua velocità si esprime in millimetri al minuto primo. Alcune fresatrici moderne hanno il moto di alimentazione con comando indipendente idraulico. In questo caso si può ottenere una variazione continua nei valori delle velocità di avanzamento tra il massimo e il minimo realizzabili sulla stessa macchina e, mantenendo costante la pressione nel cilindro motore, si possono, se non eliminare, almeno ridurre gl'inconvenienti sopra indicati per il comando indipendente del meccanismo di alimentazione. Il meccanismo di alimentazione deve permettere anche il moto retrogrado del portaoggetti.
Classificazione e Tipologie di Fresatrici
Le fresatrici sono macchine utensili molto versatili e assumono forme costruttive diverse secondo i lavori cui sono destinate. Vi sono diverse famiglie di fresatrici appositamente studiate per lavorazioni specifiche, e si possono classificare in base all'orientamento dell'albero portafresa o al loro grado di automazione.
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Fresatrici Orizzontali
La struttura delle fresatrici orizzontali è costituita da un basamento e un 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, invece, 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 Verticali
Le fresatrici verticali sono macchine utensili manuali in cui il mandrino è disposto verticalmente. Questa macchina utensile è costituita da un basamento inferiore su cui è connesso un montante verticale. All’estremità del montante è collegata la testa della macchina, inclinabile rispetto ad 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 Universali
La fresatrice universale è la diretta evoluzione della fresatrice ad asse orizzontale. Su talune macchine l'albero portafresa può assumere orientamenti diversi nello spazio, e allora le fresatrici vengono chiamate universali. In questa macchina manuale, la tavola è inclinabile a piacere per mezzo di una piattaforma girevole. 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. Grazie alla possibilità di inclinare la tavola e grazie ai vari accessori di cui dispone, questa macchina esegue fresature complesse.
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Fresatrici a Controllo Numerico (CNC)
Le fresatrici a controllo numerico sono la versione automatica delle fresatrici manuali precedentemente menzionate. 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. La tendenza moderna è verso le forti produzioni che si ottengono con macchine robuste utilizzando spesso utensili con elementi riportati di carburo di tungsteno. La differenza costruttiva tra le macchine per lavori generici e quelle per lavori in serie è sempre più sensibile. Le seconde tendono a specializzarsi per determinati lavori, assumono forme sempre più semplici e robuste con elevato grado di precisione e impiegano in sempre più larga scala l'automatismo dei movimenti.
L'Importanza della Fresatura nella Produzione di Ruote Dentate
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. Un'applicazione particolarmente importante delle fresatrici è quella con frese di forme o con frese a vite madre o creatori per il taglio delle ruote dentate. In aggiunta, con l’impiego del divisore, è anche possibile lavorare le ruote dentate. Le fresatrici descritte consentono l'esecuzione di lavori svariatissimi: lavorazione di superficie piane, sagomate, di rivoluzione, scanalature di forma diversa, ingranaggi cilindrici a denti diritti ed elicoidali, ecc. 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, sostituendo largamente, ad esempio, le pialle nell'industria moderna.
Caratteristica è la forma del portaoggetti nelle fresatrici universali, come quelle brevettate nel 1865 da J. R. Brown in America, il quale permette al pezzo lavorato, sostenuto tra punta e contropunta, di assumere un moto elicoidale risultante di una traslazione e di una rotazione intorno a un asse parallelo alla direzione della traslazione stessa. L'asse del moto elicoidale poi può assumere un'inclinazione determinata rispetto all'asse di rotazione della fresa. Con tale mezzo possono ricavarsi su un cilindro delle scanalature elicoidali di passo assegnato e di sezione data. Poiché la testa portaoggetti è in queste macchine munita di divisore, il pezzo a fermo può essere fatto ruotare di una frazione voluta di circonferenza e in tal modo è resa possibile l'esecuzione di ruote dentate cilindriche a dentatura dritte o elicoidali. L'orientabilità poi della testa portaoggetti permette anche la lavorazione delle superficie coniche. Se non occorre un alto grado di precisione, si può operare con una fresa a "creatore".
Le Frese: Utensili da Taglio per Ogni Materiale
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. Ogni tagliente ha una funzione diversa. 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 e le frese a disco per eseguire scanalature laterali.
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. Una volta individuata la fresa e scelto il giusto tagliente, è consigliabile scegliere in base all’asportazione richiesta, il tipo di attacco (S, o codolo di attacco). Gli attacchi delle frese per CNC possono variare molto di più rispetto a quelle manuali. Un esempio di fresa è la fresa HM elicoidale integrale.
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Materiali dei Taglienti
Sapere che tipo di materiale andremo a fresare è determinante per scegliere il giusto tipo di materiale della fresa. La scelta del materiale del tagliente è cruciale e dipende fortemente dalla lavorazione e dal materiale del pezzo. Ecco una panoramica dei materiali più comuni:
| Materiale del Tagliente | Riconoscimento | Uso Comune | Vantaggi Principali |
|---|---|---|---|
| Acciaio | Mancanza di placchetta saldata e, per frese dello stesso colore del metallo duro, un peso significativamente inferiore. | Lavorazioni meno esigenti, materiali più teneri. | Costo inferiore e facilità di riaffilatura. |
| Metallo Duro (WIDIA) | È il più comune e il più usato tra tutti i materiali, facilmente riconoscibile. Le frese da hobbistica sono principalmente fatte di questo materiale. | Quasi tutte le lavorazioni. | Elevata durezza e resistenza all'usura, versatilità, buon equilibrio tra costo e prestazioni. |
| Diamante Policristallino (PCD) | Piccole placchette saldo brasate similmente a quelle in metallo duro ma di colore nero. | Lavorazioni ripetute (produzione in serie) e materiali molto duri o abrasivi (es. compositi, leghe non ferrose, ceramiche). | Durata superiore di 40 volte rispetto ad altri tipi, alta durezza e resistenza all'usura. Il prezzo aumenta di conseguenza. |
Un'alternativa economica è anche la fresa a coltellino intercambiabile: basta avere i coltellini di scorta o ordinarli al bisogno.
Considerazioni Pratiche per la Scelta dell'Utensile e della Macchina
Arrivati a questo punto, individuata la lavorazione adatta con il giusto tagliente, l’attacco idoneo ed analizzato il materiale da lavorare, è fondamentale porsi un’altra domanda: Che macchina utensile sto per andare a utilizzare? La riuscita della vostra fresata deve essere studiata ed avviene molto prima della fresata stessa.
Quando si utilizza una fresatrice manuale, sia per hobby che per lavori artigianali veloci e di piccole dimensioni, la scelta della fresa assume una grande importanza. Esistono fresatrici di tante fasce di prezzo e di tantissime marche, e spesso quelle professionali e quelle di bassa qualità sono confuse dall'utilizzatore. Se si dispone di una fresatrice con poca potenza e che non riesce ad alloggiare attacchi di diametro maggiore, le opzioni di fresa saranno limitate.
Da una fresatrice low-cost ci si potrà aspettare qualche piccola fresata, la possibilità di montare pinze di piccole dimensioni e la parte meccanica potrebbe risultare disallineata dopo pochi giorni di lavoro, compromettendo la precisione della fresatura e lasciando imperfezioni. Con un bulino sagomato, invece, si incorrerebbe molto facilmente in rotture dell'utensile, anche se il materiale non è "esotico", oltre al fatto che si dovrebbero per forza adottare parametri di taglio poco convenienti economicamente. Per un singolo pezzo, si potrebbe sgrossare il canale con una motorizzata a 90° e poi finire con una fresa frontale tutta la contornatura del profilo, risparmiando sull'utensile specifico e garantendo maggiore velocità rispetto a una fresa sferica.
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