Il mandrino è un componente essenziale utilizzato in diversi settori industriali per fissare e ruotare pezzi durante la lavorazione. Questo dispositivo è fondamentale nelle macchine utensili, permettendo di bloccare e trasmettere il movimento rotatorio al pezzo da lavorare o all'utensile. Ampiamente utilizzato nell'ambito industriale, il mandrino offre una soluzione versatile per la fissazione e la rotazione di materiali e utensili, contribuendo a migliorare l’efficienza e la qualità dei prodotti. Garantisce stabilità e precisione durante la lavorazione dei materiali e permette una rapida e semplice sostituzione degli utensili, riducendo i tempi di set-up e aumentando la produttività complessiva.
Tipi e Componenti Principali del Mandrino
Esistono diversi tipi di mandrino utilizzati in ambito industriale, tra cui il mandrino a pinza e il mandrino a serraggio idraulico. I componenti principali del mandrino includono la piastra frontale, la piastra posteriore, i manicotti e i cuscinetti. Il mandrino è composto da diversi elementi che svolgono funzioni specifiche per assicurare il corretto funzionamento della macchina utensile.
Il mandrino di una macchina CNC svolge un ruolo fondamentale nel processo di lavorazione. Il suo tipo, il suo design e i suoi parametri determinano principalmente la precisione della lavorazione e la stabilità del processo. Tuttavia, l’effetto finale è influenzato anche da altri fattori, come la geometria dell’utensile o la rigidità del sistema della macchina.
Classificazione dei Mandrini in base alla Funzione
- Mandrino portautensili: Aziona un utensile di lavorazione (ad esempio una fresa, un coltello da tornio). Di solito opera ad alta velocità e spesso è dotato di un sistema di raffreddamento del mandrino e di sensori di temperatura.
- Mandrino principale di un tornio: Ruota il pezzo da lavorare. Un tipico mandrino da tornio è progettato per gestire una coppia elevata a velocità relativamente basse.
- Mandrino per trapano: Strutturalmente più semplice, spesso con un’elevata assialità e resistenza assiale, ma è fondamentale anche una precisa disposizione dei cuscinetti per ridurre il run-out durante la perforazione.
Fattori Determinanti nella Scelta del Mandrino
Il tipo di trasmissione è un aspetto cruciale: si distingue tra trasmissione a cinghia, trasmissione diretta e trasmissione a ingranaggi. La trasmissione diretta, ad esempio, significa meno vibrazioni e maggiore stabilità assiale. Il sistema di fissaggio degli utensili - ad esempio ISO, HSK, BT - viene selezionato in termini di rigidità e di cambio automatico degli utensili (ATC). È importante prestare attenzione anche alla cosiddetta testata, ovvero il componente meccanico che sostiene il mandrino e che spesso contiene il sistema di azionamento e i sensori. La sua geometria e rigidità influiscono direttamente sulla qualità del mandrino CNC.
Evoluzione delle Interfacce del Mandrino
La selezione del mandrino è fondamentale perché spesso definisce le limitazioni in termini di efficienza di taglio del metallo. Non è automatico capire quale interfaccia sia la migliore, poiché dipende dai componenti da lavorare e dalle operazioni da eseguire. Quando non impegnata in lavorazione, l'interfaccia del mandrino deve essere facilmente intercambiabile, ma, quando in lavorazione, è vitale che il congiungimento tra mandrino e accoppiamento sia solido, anche se le forze di taglio fanno del loro meglio per interrompere questa interfaccia.
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La trasmissione del momento torcente è particolarmente sensibile nelle operazioni con grandi diametri. L'interfaccia del mandrino si è evoluta insieme alle macchine per soddisfare queste crescenti esigenze.
Interfacce Storiche e Moderne
- Cono Morse: La prima e ben conosciuta interfaccia è stata il cono Morse, sviluppato per la foratura già nel 1868.
- Cono ad elevata rastrematura 7/24 (Cono ISO): Introdotto nel 1927, il problema del cono ad elevata rastrematura è la rigidità alla flessione e la capacità in termini di giri al minuto, a causa della bassa forza di bloccaggio e della mancanza di contatto su faccia con il naso del mandrino. Per questi coni, l'angolo del cono è sempre lo stesso, mentre possono variare la scanalatura di presa e il filetto del perno di trazione.
- BIG-PLUS®: Sviluppato per i centri di lavoro, presenta cono e scanalatura per le pinze uguali a quelli del tradizionale cono ad elevata rastrematura, ma le strette tolleranze del contatto cono-faccia aumentano la rigidità alla flessione. In un mandrino BIG-PLUS® è possibile montare un attacco per cono ad elevata rastrematura standard, ma non è consigliabile mischiare.
- HSK (DIN 69893): Anche questo sviluppato per i centri di lavoro, grazie al contatto a flangia e al bloccaggio a segmenti del cono a stelo cavo, elimina il bisogno dei perni di trazione. Esistono diversi tipi di HSK:
- Tipo C: Lavorazione generale, carichi di flessione elevati e momento torcente moderato, cambio utensile manuale.
- Tipo D: Applicazione statica, carichi di flessione moderati, momento torcente elevato, applicazioni speciali, cambio utensile manuale.
- Tipo T: Applicazioni rotanti e statiche con tolleranze più strette nella cava di trascinamento (per posizionamento utensili).
- Coromant Capto® (ISO 26623): Offre i vantaggi di HSK e BIG-PLUS® ma ha eliminato la necessità di chiavette di trascinamento passando a un poligono conico con contatto cono-faccia. Sandvik Coromant lavora attivamente con i costruttori di macchine utensili per supportare l'integrazione di Coromant Capto® nelle macchine. È consigliabile l'utilizzo di un'interfaccia mandrino con contatto su faccia.
BIG-PLUS® e HSK-A offrono una stabilità abbastanza buona per la maggioranza delle applicazioni rotanti nei centri di lavoro. Per le applicazioni pesanti, prima di un accoppiamento più grande come HSK-A 125 o SK60, andrebbe considerato Coromant Capto® C10. Il bloccaggio a segmenti interno utilizzati per i coni a stelo cavo (HSK e Coromant Capto®) garantisce una forza di bloccaggio maggiore di quella che può fornire il perno di trazione sul cono ad elevata rastrematura. La dimensione dell'accoppiamento incide su rigidità alla flessione e regime massimo. I grafici mostrano che Coromant Capto® C6 ha una resistenza al momento torcente di 2,29 volte migliore rispetto a HSK-A 63. L'angolo di torsione è risultato migliore di 7,1 volte.
Il Mandrino nella Tornitura di Ingranaggi
Il mandrino è una parte importante del processo di tornitura, specialmente nella produzione di ingranaggi. Come dispositivo di serraggio, ha la funzione di fissare e serrare in modo sicuro il pezzo in lavorazione. Il mandrino del tornio ha una diversità per garantire che il materiale delle parti di tornitura CNC possa essere mantenuto stabile e preciso. È ampiamente utilizzato nelle fabbriche di lavorazione CNC per bloccare il materiale delle parti tornite CNC in una posizione specifica.
Un esempio comune di utilizzo del mandrino è nella fresatura, dove viene utilizzato per tenere saldamente il pezzo da lavorare e consentire la rotazione e il movimento preciso dell’utensile. Inoltre, il mandrino viene impiegato nella foratura, nella tornitura e in molte altre operazioni di lavorazione. Possiamo realizzare la tornitura di ingranaggi, flange, alberi, boccole, perni, mozzi, cannotti, giunti, supporti, anelli, lavorando tutti i materiali metallici come acciai, acciai inox, alluminio, bronzo, ghisa e materiali plastici di vario tipo come Nylon, Peek, Delrin, Polizene, ecc.
La produzione di ingranaggi spesso impiega torni plurimandrino come gli SCHÜTTE SF26/32. Il modulo automatizzato ad alta resa della dentatrice a creatore VLC 200 H può essere integrato in un sistema di produzione secondo modalità differenti, permettendo un flusso di pezzi regolato, un’automazione circolare, o un collegamento con il metodo "Chaku Chaku". Il principio pick-up garantisce la riduzione dei tempi di inattività nella produzione di ingranaggi. Il mandrino di lavoro preleva l'ingranaggio dal nastro trasportatore e lo sposta verso la contropunta, dove viene bloccato saldamente in posizione. I due azionamenti diretti degli assi, raffreddati ad acqua, sia sulla testa di taglio che sul mandrino principale, garantiscono potenze elevate. Gli ingranaggi con diametro fino a 200 mm e modulo 4 possono essere fresati a secco con tempi di lavorazione brevi. Dopo la tornitura dei pezzi grezzi (ad esempio su un tornio VL 2) si avvia il processo di dentatura sulla VLC 200 H. Lo smusso su entrambi i lati viene eseguito con la VLC 100 C.
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Mandrini Specializzati: Il Mandrino a Tre Ganasce e il Mandrino di Potenza
Il mandrino a tre ganasce, chiamato anche mandrino multiuso, utilizza il movimento radiale di tre ganasce mobili distribuite uniformemente sul corpo del mandrino per bloccare il pezzo in lavorazione e posizionarlo sull'attacco della macchina utensile. È composto da un corpo a griffe, un piccolo ingranaggio conico, un grande ingranaggio conico (l'altra estremità è una filettatura piana) e tre ganasce. Le tre ganasce sono abbinate alla stessa filettatura della filettatura piana e sono distribuite uniformemente a 120 gradi nella scanalatura di guida nel corpo della piastra della ganascia. Il foro conico del corpo a griffe è abbinato alla superficie conica esterna dell'estremità anteriore del mandrino del tornio, che svolge un ruolo di centraggio e trasmette la coppia tramite la chiave. Tutte le ganasce sono installate su una spirale, che utilizza la chiave del mandrino per ruotare uno qualsiasi dei tre denti dell'ombrello sulla circonferenza, guidando così la filettatura del piano a ruotare e muovendo le tre ganasce insieme per svolgere il ruolo di autocentranti e parti di serraggio.
Il mandrino di potenza è un mandrino autocentrante che può essere combinato con diversi dispositivi di potenza (cilindro, cilindro dell'olio o motore) per formare un mandrino pneumatico, un mandrino idraulico o un mandrino elettrico. Il cilindro dell'aria o il cilindro dell'olio è installato all'estremità posteriore del mandrino della macchina utensile e il tirante o il tubo che passa attraverso il foro del mandrino viene utilizzato per spingere e tirare il manicotto a cuneo nel corpo del mandrino all'estremità anteriore del mandrino.
Struttura del Tornio e il Ruolo degli Ingranaggi
Un tornio è costituito da una incastellatura, generalmente fusa in ghisa, chiamata "bancale", che supporta tutti gli altri organi della macchina. A sinistra del bancale è fissata la "testa", chiamata anche "fantina". La fantina supporta l' "albero del mandrino", cioè l'asse rotante che, girando con grande precisione su appositi cuscinetti e sporgendo dalla fantina, permette di collegare all'asse gli organi di presa del pezzo in lavoro.
Sull'albero del mandrino sono calettati gli ingranaggi, manovrati da apposite leve poste all'esterno della fantina, che permettono di variare la velocità di rotazione dell'albero. Gli ingranaggi sono quasi sempre in bagno d'olio, funzionando insomma come un cambio di velocità di automobile. Le velocità selezionabili per la rotazione dell'albero del mandrino sono abbastanza numerose e molto spaziate tra loro. Il motivo è che le variabili di lavoro (natura del materiale, dimensioni del pezzo in lavoro, tipo dell'utensile), nonché il tipo di lavorazione (tornitura cilindrica, in piano, o filettatura), necessitano di diverse velocità di lavorazione.
Un sufficiente e tipico numero di velocità di rotazione del mandrino è 12, realizzate con un cambio a 3 ingranaggi più un'ulteriore coppia di ruote dentate che costituisce un'ulteriore riduzione, chiamata "ingranaggio di volata e ritardo" (quindi 3 x 2 = 6). Per raddoppiare ulteriormente le 6 velocità, si fa di solito affidamento ad un motore elettrico di trascinamento a doppia velocità, generalmente 1400-2800 giri/min. Quindi per selezionare la velocità desiderata si ha a disposizione la leva del cambio di velocità (3 posizioni), la leva del ritardo (2 posizioni), ed il commutatore elettrico del numero di poli del motore. Un ulteriore selettore elettrico stabilisce il senso di rotazione del mandrino, che normalmente è antiorario, ma per certe lavorazioni può essere fatto ruotare in senso contrario. Sulla macchina è sempre presente la targhetta delle velocità, con l'indicazione delle manovre per impostare quella desiderata. Generalmente più piccolo è un tornio e più elevate sono le velocità di rotazione del mandrino. È bene che la velocità inferiore sia molto bassa, in quanto facilita l'esecuzione di filettature, in special modo quelle interne.
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A titolo di esempio, ecco alcune velocità di rotazione in giri/min per un tornio di taglia media:
| Velocità (giri/min) | Velocità (giri/min) | Velocità (giri/min) |
|---|---|---|
| 52 | 158 | 586 |
| 79 | 258 | 721 |
| 104 | 293 | 886 |
| 129 | 443 | 1442 |
La presa di moto è derivata dai ruotismi della testa tramite una cascata di ingranaggi (in genere 4), più un'altra scatola di riduzione interposta (chiamata in gergo "scatola Norton"), il tutto contenuto in una "scatola degli avanzamenti". Il rapporto di riduzione è molto importante perché determina di quanto si spostano i carrelli per ogni giro dell'albero del mandrino. Ciò equivale a fissare il "passo" di avanzamento nella creazione di una filettatura, oppure il grado di finitura della superficie tornita. A tale scopo, i torni sono corredati di una serie di ingranaggi di varie grandezze, da scegliere seguendo le indicazioni di una tabella esposta sulla macchina, a seconda del passo della filettatura o dell'avanzamento desiderato.
Tornio a fantina mobile FM-742/40 Celoria
Corretto Gioco del Fianco dei Denti degli Ingranaggi di Cambio
Per evitare un gioco errato, è necessario considerare quanto segue: se il gioco è troppo piccolo, gli ingranaggi si consumano maggiormente e si danneggiano. Se il gioco è troppo grande, invece, gli ingranaggi potrebbero non essere in grado di fare presa correttamente, potrebbero scivolare e potrebbero danneggiarsi o usurarsi. Per impostare correttamente il gioco, è possibile eseguire una prova con una striscia di carta. Si tratta di posizionare una sottile striscia di carta sul lato dei due pignoni e poi farli ruotare. Se il gioco del fianco del dente è corretto, la striscia avrà l'aspetto di una fisarmonica. Se il gioco è troppo ridotto, la striscia non può essere girata facilmente o può addirittura strapparsi.
Manutenzione e Ottimizzazione del Mandrino
I sintomi più comuni di problemi al mandrino sono un aumento del rumore, delle vibrazioni, del surriscaldamento, delle perdite di refrigerante o una diminuzione della precisione di lavorazione. Un segnale d’allarme può essere anche il gioco dell’utensile o un’anomalia assiale percepibile del pezzo nel tornio, che può essere dovuta a un danno ai cuscinetti del mandrino o a un’installazione impropria dell’utensile. Quando compaiono questi sintomi, non vale la pena aspettare. I tempi di inattività costano più di una diagnosi e di una riparazione rapida. Professionisti del settore possono ricondizionare e riparare mandrini portautensili, mandrini principali e fantine di macchine CNC di tutte le dimensioni, disponendo di banchi di prova e di strumentazione di misura di precisione.
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