La tornitura a controllo numerico è un processo di lavorazione ampiamente utilizzato nell'industria. Consente di lavorare un materiale con un processo a basso costo, per dargli la geometria desiderata rimuovendo i trucioli. I torni industriali a controllo numerico consentono di lavorare un pezzo ruotandolo mentre un utensile da taglio modella la forma desiderata. I pezzi e i prodotti lavorati con il processo di tornitura sono molto precisi.
A livello industriale una delle lavorazioni più importanti e trasversali è la cosiddetta tornitura meccanica di precisione. Questa è una tecnica molto particolare che permette la realizzazione di componenti meccanici fondamentali per diversi settori, da quello automotive a quello elettronico passando per quello aerospaziale e medicale. Si tratta di un processo produttivo industriale molto antico che nel corso dei secoli si è evoluto, migliorando sia in termini di velocità che di precisione. Per questo oggi la tornitura meccanica è detta di precisione, in quanto è capace di ottenere pezzi meccanici con una precisione infinitesimale, il tutto grazie anche alla computerizzazione e digitalizzazione dei macchinari.
Come Funziona la Tornitura CNC
Una definizione di tornitura è quella di processo di produzione industriale che si ottiene per asportazione di truciolo. La tornitura avviene fissando il pezzo grezzo su un mandrino e mettendolo in rotazione mentre un apposito utensile da taglio si muove lungo i vari assi asportando il materiale in eccesso e dando la forma che si desidera ottenere. Anticamente la tornitura veniva eseguita manualmente (tornio a mano); oggi, invece, si parla di torni a controllo numerico (CNC) per i quali ogni movimento (sia della rotazione del mandrino che di quello dell’utensile di taglio) è motorizzata e controllata da un computer.
In questa guida dettagliata alla tornitura CNC, esamineremo in modo approfondito il processo di tornitura. La tornitura CNC è un processo di lavorazione sottrattiva in cui un utensile da taglio rimuove materiale da un componente messo in rotazione. L’utensile da taglio è generalmente montato su una torretta controllata da un computer ed il pezzo da lavorare viene montato su un mandrino o una piastra. Quando l’utensile automatico si muove sulla superficie del pezzo, rimuove il materiale per realizzare la forma desiderata.
I pezzi da lavorare vengono posizionati al centro del tornio per mezzo di un mandrino la cui velocità di rotazione è adattata al materiale e all'operazione di tornitura da eseguire. Con l’introduzione del controllo numerico computerizzato (CNC), la tornitura è diventata improvvisamente una procedura in più fasi molto precisa e accurata. Il sistema di controllo numerico trasferisce le informazioni dal file di progettazione del computer alla macchina CNC, che lavora il pezzo, indipendentemente dalla sua forma.
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Il Workflow Digitale: Dal CAD al Codice G
In primo luogo, viene progettato il modello CAD (Computer-Aided Design) del prodotto. A tale scopo, si possono utilizzare diversi software di progettazione assistita da computer (CAD). Il formato dei file CAD non è riconosciuto dai torni CNC. Riconoscono, invece, una serie di istruzioni digitali chiamate G-Code che dicono loro dove andare e cosa fare nello spazio tridimensionale. Per questo motivo, è fondamentale trasformare i file CAD in codice G. In questo contesto è utile il software di fabbricazione assistita da computer (CAM).
Il passo successivo consiste nell’impostare la macchina. Una volta impostata la macchina, l’operatore inizierà a tornire utilizzando il pannello di controllo della macchina. I torni industriali della gamma MECANUMERIC utilizzano un motore potente per tornire tutti i tipi di materiale, compresi legno, materiali compositi e plastici. Questa tecnologia avanzata, che necessita del controllo di un tecnico professionista, permette di lavorare pezzi a velocità elevate, consentendo produzioni industriali in serie e garantendo allo stesso tempo una qualità impeccabile. I torni a controllo numerico vengono programmati, tramite apposito software, con i dati conformi al disegno tecnico originario; sarà poi il macchinario a eseguire fisicamente la lavorazione, seguendo le istruzioni ricevute.
Il vantaggio di questa tecnologia è che i moderni torni sono dotati di più utensili di taglio e mandrini che assicurano diverse prestazioni, tutte orientate a ottimizzare il lavoro e a consentire la tornitura di pezzi di qualsiasi materiale. In questo processo di lavorazione computerizzata ricopre un ruolo essenziale il tornitore, ovvero il professionista abilitato all’utilizzo del tornio. Questi non è una figura secondaria, ma di vitale importanza per l’ottenimento di un risultato di qualità. Tra le mansioni di cui si occupa il tornitore c’è la programmazione del tornio, la manutenzione del macchinario e il controllo qualità dei pezzi lavorati (assicurandosi che il componente rientri nei limiti di tolleranza richiesti).
Parametri Chiave nella Tornitura CNC
I parametri del processo di tornitura CNC dipendono da diversi fattori. L’unità di misura è il numero di giri al minuto, che indica la velocità di rotazione del mandrino e del pezzo. La velocità del mandrino è direttamente proporzionale alla velocità di taglio, che tiene conto anche del diametro. La velocità di avanzamento indica la distanza percorsa dall’utensile da taglio a ogni giro del pezzo. La velocità di avanzamento deve essere controllata attentamente per produrre una finitura di alta qualità ed evitare di danneggiare il pezzo o l’utensile.
Il diametro del pezzo è un importante parametro nella tornitura CNC che determina le dimensioni del pezzo lavorabile. Nella tornitura CNC, la profondità di taglio (in inglese: DOC) è uno dei parametri più importanti, in quanto determina la quantità di materiale che può essere rimossa in una singola passata. Un DOC troppo piccolo comporta tempi di lavorazione lunghi, mentre un DOC troppo elevato può causare la rottura dell’utensile.
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Tipi di Tornitura Meccanica di Precisione
Un tornio CNC può eseguire diversi processi di tornitura, a seconda dell’utensile da taglio e del design della macchina. Come anticipato la tornitura è una lavorazione complessa, che varia secondo diversi elementi. Può variare per la velocità di rotazione, per il tipo di utensile di taglio, per il tipo di tornio utilizzato, ma anche per il tipo di lavorazione che si deve ottenere. La principale distinzione è quella tra tornitura esterna e tornitura interna, ovvero se l’asportazione di truciolo avviene internamente o esternamente al pezzo in lavorazione.
Tornitura Esterna
Tra le lavorazioni eseguibili esternamente sul pezzo troviamo la tornitura vera e propria, la sfacciatura, la scanalatura, la troncatura e la filettatura. La tornitura è quell’asportazione che consente di dare la forma (conica, cilindrica, eccetera) al componente. La tornitura conica è un tipo di tornitura CNC che prevede la graduale rastrematura del diametro del pezzo. Questa conicità può essere prodotta modificando l’angolo dell’utensile da taglio o spostando il pezzo lungo l’asse del tornio.
La tornitura rettilinea è un tipo di tornitura a controllo numerico ed è utilizzata per realizzare pezzi con superfici cilindriche parallele all’asse di rotazione. Questo tipo di tornitura è adatto alla produzione di pezzi con geometrie semplici, come assi e perni. Il processo di tornitura rettilinea inizia con un blocco di materiale, ovvero il pezzo da lavorare, montato su un mandrino. Con la sfacciatura l’utensile da taglio si muove in maniera superficiale consentendo di ottenere una superficie piana e liscia. La scanalatura è quella tornitura capace di incidere dei solchi sul pezzo, in modo da ottenere scanalature della stessa dimensione o di diversa profondità. La scanalatura esterna contribuisce a creare una finitura liscia e uniforme sulla parte esterna di un prodotto. Questo tipo di tornitura può essere utilizzato su diversi materiali, tra cui metalli, plastiche e materiali compositi.
La troncatura è quella lavorazione che, agendo più in profondità rispetto alla scanalatura, consente di separare una sezione del pezzo. Infine la filettatura è quel tipo di lavorazione che consente di creare la forma elicoidale del pezzo in modo che questo si possa poi accoppiare con un altro (si pensi ai bulloni con i rispettivi dadi). La profilatura è il processo di taglio di una forma tridimensionale sulla superficie di un pezzo. L’utensile viene montato su un mandrino e fatto ruotare ad alta velocità mentre il pezzo viene alimentato attraverso la macchina ad una velocità controllata. La profilatura può creare un’ampia varietà di forme, comprese le scanalature e i contorni.
Tornitura Interna
Internamente la tornitura può avvenire per alesatura, foratura o maschiatura. L’alesatura è quella lavorazione che permette di perfezionare il diametro dei fori. La foratura, invece, come indica il nome stesso, serve a ottenere dei fori, imprimendo la forma desiderata al pezzo in lavorazione. Infine la maschiatura è quella lavorazione che si applica su un foro già esistente con lo scopo di realizzare una filettatura interna.
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Vantaggi e Applicazioni della Tornitura CNC
La tornitura CNC offre diversi vantaggi rispetto ai metodi di lavorazione tradizionali. I torni CNC possono creare componenti con livelli di precisione estremamente elevati, garantendo una maggiore precisione. Le macchine possono essere programmate per creare parti di varie forme e dimensioni, offrendo una maggiore flessibilità. Inoltre, queste macchine possono funzionare per lunghi periodi senza dover essere fermate per la manutenzione o l’intervento dell’operatore, il che si traduce in una maggiore produttività. I torni CNC sono sistemi chiusi che funzionano con programmi informatici, assicurando una maggiore sicurezza. Possono produrre componenti in modo rapido ed efficiente, con conseguente riduzione dei costi di produzione.
Tuttavia, esistono alcune limitazioni. La principale limitazione è che la tornitura CNC può produrre solo componenti simmetrici lungo l’asse di rotazione. Inoltre, può realizzare solo parti con una sezione trasversale uniforme.
La tornitura è una delle pietre miliari dell’industria manifatturiera. Questa tecnica di produzione produce i risultati più accurati per i componenti simmetrici lungo l’asse. I torni CNC sono in grado di produrre una varietà di forme e dimensioni con grande precisione. Il processo è ideale sia per le piccole produzioni che per la produzione di massa. Molti processi di tornitura CNC sono adatti a diversi materiali e componenti. Diversi tipi di materiali possono essere usati nella tornitura CNC. I metalli sono ampiamente utilizzati perché sono forti e durevoli. Possono anche essere lavorati con tolleranze strette, il che li rende ideali per i pezzi di precisione. Le materie plastiche sono un altro materiale popolare per la tornitura CNC.
I centri di tornitura CNC sono generalmente adatti alla produzione di parti per diversi settori. Molti componenti degli aerei sono realizzati tramite tornitura CNC. Alcuni componenti fondamentali del motore a combustione interna di un’auto possono essere prodotti con la lavorazione CNC. Un enorme componente di alluminio, ad esempio, può essere trasformato in un blocco cilindri. L’industria elettronica è uno dei principali settori industriali del mondo e comprende molti articoli, dalla grande elettronica di consumo ai piccoli componenti elettrici.
I servizi Metal Rapid Project per la tornitura meccanica di precisione prevedono un processo in cinque diversi step. Il primo, quello di progettazione, prevede la ricezione del disegno tecnico e delle indicazioni del committente, con la valutazione del tipo di materie prime e di lavorazioni che bisognerà eseguire. Solo successivamente si procede alla realizzazione vera e propria consentendo una tornitura grezza (con i segni visibili) o una perlata (liscia ed esteticamente impeccabile). A questo punto la fase successiva è quella di controllo tramite la quale si verifica che i pezzi realizzati siano dalla forma corretta e con caratteristiche tecniche conformi alle indicazioni e ideali per assicurare a quel componente l’utilizzo per il quale è stato progettato. Quindi i pezzi vengono imballati in modo da assicurarne il corretto trasporto e procedere con la spedizione.
La Tecnologia Laser nella Lavorazione Moderna
Negli ultimi anni, nell’ambito della lavorazione dei metalli, si è affermato sempre più l’utilizzo della tecnologia del taglio laser. La moderna lavorazione dei metalli è stata rivoluzionata da una tecnologia che combina velocità e precisione: il taglio laser. Questa tecnica ha reso possibile la realizzazione di geometrie un tempo impensabili su tubi e non solo, migliorando drasticamente l’efficienza produttiva. Il funzionamento del taglio laser è basato su un processo termico ad alta precisione, controllato digitalmente, essenziale per l’efficienza produttiva di tutti i settori. Comprendere i suoi meccanismi non significa solo conoscere la macchina, ma capire la tecnologia che si cela dietro un componente tagliato alla perfezione.
La tecnologia laser, al giorno d'oggi, è un processo frequentemente utilizzato per il taglio di un'ampia varietà di materiali. Il taglio laser è una tecnologia di precisione utilizzata nelle lavorazioni industriali per ottenere pezzi tagliati a spessore e dimensione variabile, partendo da un foglio di lamiera. Si tratta dell’uso di un laser per tagliare o scolpire materiali in modo bidimensionale o tridimensionale, spesso tramite macchine dotate di più assi (anche a 5 assi). Per molte applicazioni, il laser lavora grazie a file CAD/CAM e sposta il fascio o l’asse della macchina per seguire forme 3D, evitando la necessità di stampi o utensili di piegatura/cavitazione tradizionali.
Come Funziona il Taglio Laser
Il taglio laser è un processo di separazione termica. Il processo di produzione inizia con la progettazione del tracciato di taglio tramite l’apposito software di nesting. Il funzionamento esecutivo dell’impianto è piuttosto semplice: una volta caricato il materiale da tagliare negli appositi pallet di carico, il laser, guidato da remoto da un programma computerizzato, inizia a emettere un raggio termico contro il materiale metallico mediante un’apposita lente. Il processo prevede l'impiego di una luce infrarossa ad alta intensità che viene focalizzata in un singolo punto della superficie metallica. Il metallo colpito si scalda a tal punto da essere fuso o vaporizzato completamente. Una volta che il raggio laser è penetrato completamente nel materiale in un determinato punto, ha inizio il processo di taglio vero e proprio. Il sistema laser segue la geometria selezionata e nel corso di questo processo il materiale viene separato. I parametri di taglio vengono ottimizzati prima di iniziare il procedimento.
Il cuore del funzionamento del taglio laser moderno per la lavorazione dei metalli è il generatore a fibra. Questi generatori hanno un’elevata efficienza energetica, una grande velocità di taglio superiore e una manutenzione ridotta. Una volta generato, però, il raggio deve essere guidato: il sistema di trasporto, effettuato tramite fibra ottica, porta l’energia alla testa di taglio. Qui, un sistema di lenti e specchi ha il ruolo cruciale di focalizzare il raggio. L’energia viene concentrata in un punto focale (spot) minuscolo (spesso inferiore a un millimetro), raggiungendo una densità di energia tale da fondere istantaneamente il metallo. Quando il fascio laser concentrato colpisce la superficie del metallo, l’energia luminosa viene assorbita e convertita in calore.
Il gas non è un semplice elemento ausiliario, ma una parte integrante del corretto funzionamento del taglio laser. L’Azoto è utilizzato per il taglio per fusione di materiali come l’acciaio inox e l’alluminio, mentre l’Ossigeno è impiegato per il taglio a fiamma dell’acciaio al carbonio. L’operatore deve bilanciare la potenza del laser (Watt) con la velocità di taglio. La regolazione micrometrica del punto focale è cruciale. Il software è il “cervello” del funzionamento del taglio laser.
Tipologie di Laser per il Taglio
Il laser CO2 sfrutta una miscela gassosa di azoto ed elio che, quando viene stimolata elettricamente, produce un fascio focalizzato, potente e preciso. Rispetto al laser CO2, il laser a fibra ottica presenta una serie di vantaggi operativi in grado di migliorare le performance e la produttività. Il funzionamento si basa sull’unione della fibra ottica arricchita con terre rare. In questo modo, il raggio laser risulta amplificato, producendo una lunghezza d’onda che, essendo più corta rispetto a quella prodotta dai laser CO2, permette al materiale lavorato di assorbire l’irraggiamento con più facilità.
Taglio Laser 2D, 3D e su Tubi
Il taglio laser 2D e 3D sono entrambe lavorazioni valide ed estremamente precise e la scelta di utilizzare una piuttosto che l’altra dipende dalla forma originaria del materiale da lavorare e dal risultato finale che si desidera. Il taglio laser 2D consente di ottenere sagomati, anche complessi, da fogli di lamiera di vario spessore e prepara il metallo ad ulteriori lavorazioni come la piegatura, lo stampaggio, la tornitura e l’imbutitura. Il taglio laser 3D, invece, viene generalmente utilizzato quando la lamiera è già stata deformata in seguito a processi di piegatura, stampaggio, imbutitura e tornitura. Opera su forme complesse per ottenere semilavorati o prodotti finiti.
Se il funzionamento del taglio laser su lamiera piana è efficiente, su tubi e profilati, però, diventa rivoluzionario. A differenza del taglio bidimensionale (2D), le macchine specializzate per tubi operano su più assi contemporaneamente (multi-asse). Il tubo viene bloccato e ruotato in continuo, mentre la testa di taglio si muove longitudinalmente e radialmente. Questo avanzato funzionamento del taglio laser su tubo ha un vantaggio strategico imbattibile: elimina le lavorazioni secondarie. Padroneggiare il taglio laser, in particolare sulle complesse geometrie 3D di tubi e profilati, è la chiave per sbloccare i massimi livelli di precisione e efficienza nella produzione.
Vantaggi della Tecnologia Laser
Grazie alla sua precisione e rapidità, questo processo di lavorazione è estremamente diffuso in ambito industriale. I grandi vantaggi di utilizzare una macchina da taglio laser sono l'elevata precisione, la velocità e la versatilità del laser. I motivi principali per eseguire un processo di taglio utilizzando la tecnologia laser sono:
- Versatilità nei materiali: Nessun'altra tecnologia consente di tagliare così tanti tipi di materiali organici ed inorganici diversi.
- Nessuna necessità di lavorazioni successive: Il laser è un processo di separazione che nella maggior parte dei casi esclude la necessità di eseguire lavorazioni successive. È in grado di sigillare i bordi dei tessuti come materiali sintetici o tappeti, evitando in tal modo che inizino a disfarsi. A seconda del tipo di materiale lavorato, il laser rende superfluo trattamenti successivi come la saldatura meccanica, la sabbiatura o la lucidatura.
- Elevata precisione: Il kerf risultante è a malapena più grande dello stesso raggio laser. Questo permette di tagliare geometrie di qualsiasi forma con un elevato livello di precisione. Inoltre, il software con telecamera integrata (JobControl Vision), è in grado di leggere i crocini di registrazione e regolare automaticamente il percorso di taglio anche in caso di disallineamento, rotazione o distorsione del modello originale.
- Nessuna usura degli attrezzi: Le macchine di taglio laser non sono soggette a usura e non necessitano di manutenzione; ad esempio con il laser non ci sono teste degli attrezzi che diventano lisce. Ciò si traduce in una riduzione dei costi di esercizio.
- Eliminazione degli stampi: Non serve realizzare stampi o maschere dedicate per ogni geometria.
L’efficienza della lavorazione è ulteriormente incrementata quando le macchine laser sono interconnesse con un gestionale aziendale.
Confronto con Altri Metodi di Taglio
Il taglio al plasma è un processo di taglio a fusione termica frequentemente utilizzato per tagliare l'acciaio, l'acciaio inossidabile e l'alluminio. Rispetto all'utilizzo di un laser, questa tecnica comporta degli svantaggi: tra quelli citati più spesso vi sono una qualità di taglio inferiore, consumi energetici più elevati, formazione di polvere ed emissioni rumorose. Eppure anche l'utilizzo del laser ha i suoi vantaggi rispetto ai processi meccanici di taglio con asportazione di truciolo. Tra questi vantaggi vi sono la lavorazione senza contatto, i costi di attrezzaggio ridotti, la minore contaminazione e la flessibilità di lavorazione. Naturalmente, a seconda del materiale e dell'applicazione, ogni metodo di lavorazione ha i suoi punti di forza, ad esempio quando si tagliano contemporaneamente più campioni in una pila.
Materiali Lavorabili con il Laser
Quali materiali possono essere tagliati con il laser? La tecnologia laser offre un ampio ventaglio di possibilità, come riepilogato nella tabella seguente:
| Tipo di Materiale | Esempi |
|---|---|
| Plastica | Acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS), Polietilene tereftalato (PET), Acrilico/PMMA, Poliimmide (PI), Poliossimetilene (POM) (ossia Delrin®), Poliammide (PA), Polipropilene (PP), Polibutilentereftalato (PBT), Solfuro di polifenilene (PPS), Policarbonato (PC), Polistirene (PS), Polietilene (PE), Poliuretano (PUR), Poliestere (PES), Espanso (privo di PVC) |
| Metallo | Lamiere metalliche con spessore max. 0,5 mm |
| Legno | Vari |
| Carta | Bianca, Colorata |
| Gomma | Vari |
| Alimenti | Vari |
| Pelle | Vari |
| Tessuto | Vari |
| Cartone | Vari |
| Sughero | Vari |
Metrologia e Tecnologie Avanzate (ULTRASONIC, LASERTEC)
DMG MORI è un produttore leader a livello mondiale di macchine utensili. L'automazione olistica e le soluzioni di digitalizzazione end-to-end ampliano il core business delle macchine di tornitura e fresatura, delle tecnologie avanzate (ULTRASONIC, LASERTEC) e della produzione additiva. Nella lavorazione di precisione al laser, come in tutti i settori della tornitura, della fresatura, della rettifica e delle tecnologie laser, il know-how dei processi trasversali si combina con soluzioni tecnologiche innovative. Questo apre strategie di lavorazione altamente efficienti e nuove opportunità economiche per l'utente nella produzione di strutture superficiali tecniche, utensili diamantati, cavità e incisioni fini, (micro)foratura e produzione additiva di componenti metallici.
Più complesse sono le geometrie dei componenti, più impegnative sono le sfide metrologiche. Come si presenta la tecnologia di misura ideale nella tecnologia laser? Con DMG MORI ULTRASONIC | LASERTEC, si pone l'attenzione su quali strumenti di misura vengono utilizzati e quali requisiti devono soddisfare, sottolineando l'importanza della precisione nella fase di controllo e verifica.