Fresatura: il controllo dei carichi meccanici

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spessore medio del trucioloQuesto è il secondo articolo di una serie che esamina la natura, gli effetti e il controllo dei carichi esercitati sugli utensili per l’asportazione di truciolo. Il primo articolo trattava i concetti base, la relazione tra geometria dell’utensile, avanzamenti e carichi meccanici nelle operazioni di tornitura. Questo articolo analizza l’influenza della posizione della fresa e dei percorsi dell’utensile sui carichi meccanici in fresatura. Mentre la tornitura genera carichi meccanici costanti su un utensile a tagliente singolo, la fresatura sottopone i taglienti multipli a carichi intermittenti che variano repentinamente. Pertanto, una buona fresatura richiede una serie di scelte e considerazioni specifiche.

 

Carichi sempre variabili

La prima e più importante fase nella pianificazione di un’operazione di fresatura è la scelta di una fresa e di inserti o taglienti che siano progettati per produrre le caratteristiche desiderate sul componente in lavoro. I fornitori di utensili offrono frese per spianatura, frese integrali, frese a disco ed altre frese con geometrie per sgrossatura o finitura, progettate per ottenere praticamente qualsiasi caratteristica desiderata. A prescindere dal tipo di fresa utilizzato, durante la lavorazione i taglienti entrano ed escono ripetutamente dal materiale del pezzo. I carichi sui denti di fresatura vanno da zero prima dell’entrata al valore di picco durante il taglio, per tornare a zero all’uscita. L’obiettivo è moderare i carichi intermittenti del processo di fresatura e ottimizzare quindi la durata dell’inserto, la produttività e l’affidabilità del processo. Il posizionamento della fresa, le strategie di entrata e uscita e il controllo dello spessore del truciolo sono fattori fondamentali per ottenere i risultati desiderati.

 

Avvicinamento al pezzo

I carichi sugli utensili da taglio nella fresatura sono determinati in larga misura dal modo in cui la fresa e i suoi taglienti entrano nel pezzo in lavorazione. Nella fresatura discorde o “verso l’alto”, la fresa ruota nella direzione opposta all’avanzamento del pezzo. Nella fresatura concorde o “verso il basso”, la fresa si sposta nella stessa direzione dell’avanzamento. Pertanto, nella fresatura discorde il tagliente entra nel pezzo al minimo spessore del truciolo e ne esce al massimo spessore del truciolo. Al contrario, nella fresatura concorde il tagliente entra nel pezzo al massimo spessore del truciolo e ne esce quando lo spessore del truciolo diminuisce fino a zero. In entrambi i casi, l’operazione produce un truciolo conico. Nella maggior parte delle situazioni, i fornitori di utensili raccomandano la fresatura concorde perché riduce al minimo lo sfregamento e l’attrito che si verificano nella fresatura discorde, dove la fresa entra allo spessore minimo del truciolo. Nella fresatura concorde, l’entrata nel materiale allo spessore massimo facilita anche il trasferimento di calore nel truciolo, proteggendo sia il pezzo che l’utensile. I trucioli fuoriescono dietro alla fresa, riducendo al minimo il rischio di rimacinarli. In alcuni casi, tuttavia, è preferibile la fresatura discorde. La spianatura concorde genera forze discendenti che possono causare movimenti di rimbalzo sulle macchine manuali meno recenti. La fresatura discorde, in cui la fresa esercita una spinta verso l’alto sul pezzo, può essere una scelta più adeguata per macchine meno stabili, in particolare nelle lavorazioni pesanti. La fresatura discorde può risultare efficace anche su materiali con superficie irregolare o pareti sottili, mentre l’entrata progressiva nel pezzo in lavorazione può proteggere i materiali molto duri e fragili degli utensili dai danni da impatto. D’altro canto, l’entrata al minimo spessore del truciolo, caratteristica della fresatura discorde, può provocare un eccesso di attrito e calore, con
conseguenti effetti negativi sull’utensile. Forze sbilanciate sul tagliente possono causarne la scheggiatura e aumentare le sollecitazioni di trazione. La finitura superficiale ne può risentire in quanto i trucioli cadono davanti alla fresa e possono essere rimacinati.

L’entrata allo spessore massimo dell’utensile nella fresatura concorde lo sottopone a carichi meccanici elevati, ma per la maggior parte dei materiali con cui gli utensili sono realizzati ciò non costituisce un grave problema. I materiali dei moderni utensili, tra cui metallo duro, ceramiche ed acciai rapidi, sono a base di polveri per una buona resistenza alla compressione. Quando si prendono in esame il posizionamento della fresa e le strategie di entrata dell’utensile, gli operatori devono sapere che è sempre preferibile posizionare la fresa su uno dei due lati rispetto alla linea mediana del pezzo. Il posizionamento al centro combina le forze della fresatura concorde e della fresatura discorde e può provocare instabilità della lavorazione e vibrazioni.

 

Strategie di uscita

Il modo con cui il tagliente esce dal pezzo è importante tanto quanto il modo in cui vi entra. I risultati delle prove pratiche mostrano una chiara relazione tra il posizionamento della fresa all’uscita e la durata del tagliente. Se l’uscita è troppo improvvisa o non uniforme, i taglienti si scheggiano o si spezzano. Al contrario, porre attenzione all’uscita dell’utensile può portare a una durata dieci volte maggiore. Il valore critico è l’angolo di uscita, definito come angolo tra il raggio della fresa e il punto di uscita del tagliente. L’angolo di uscita può essere negativo (sopra il raggio della fresa) o positivo (sotto il raggio). I guasti al tagliente sono più evidenti con angoli di uscita compresi tra circa -30° e +30° (vedere la figura 3/3 immagini). L’ampiezza dell’area del pezzo compresa tra questi angoli è all’incirca la metà del diametro della fresa. massimo il numero di taglienti impegnati nella lavorazione. Applicando frese a passo stretto con diametro più piccolo e profondità di taglio radiale superiore, un numero maggiore di denti viene in contatto con il pezzo e le forze di taglio sono distribuite in modo più uniforme.

 

Spessore del truciolo

Lo spessore del truciolo prodotto in fresatura influenza notevolmente le forze e la temperatura di taglio, la durata e la formazione ed evacuazione del truciolo. Se i trucioli sono troppo spessi, vengono generati carichi pesanti che possono scheggiare o spezzare i taglienti. Quando i trucioli sono troppo sottili, il taglio viene eseguito su una porzione inferiore del tagliente e il maggiore attrito genera calore e di conseguenza accelera l’usura.

Lo spessore del truciolo viene misurato perpendicolarmente rispetto al tagliente effettivo. Come spiegato prima, i trucioli generati in fresatura cambiano continuamente di spessore man mano che il tagliente attraversa il componente in lavorazione. Ai fini della programmazione, i fornitori di utensili utilizzano il concetto di “spessore medio del truciolo“. Lo spessore medio è la media numerica delle dimensioni minime e massime dello spessore del truciolo. Le aziende produttrici forniscono i dati sullo spessore medio del truciolo per geometrie dell’utensile specifiche che, se applicate e mantenute, assicurano durata e produttività massime.

Gli operatori usano questi dati per stabilire gli avanzamenti della fresa che manterranno lo spessore medio del truciolo consigliato. L’impegno radiale, il diametro e il posizionamento della fresa e l’angolo di attacco del tagliente sono fattori che determinano il corretto avanzamento. L’impegno radiale è definito come il rapporto tra la profondità di taglio radiale (ae) e il diametro della fresa (Dc). Maggiore è l’impegno radiale della fresa, minore sarà l’avanzamento richiesto per generare lo spessore del truciolo desiderato. Analogamente, con un impegno della fresa inferiore, l’avanzamento deve essere superiore per ottenere lo stesso spessore del truciolo. L’angolo di attacco del tagliente influisce anche sulle necessità di avanzamento. Lo spessore del truciolo massimo si realizza con un angolo di attacco di 90°, quindi angoli inferiori richiedono un avanzamento superiore per ottenere trucioli di pari spessore. I taglienti affilati producono forze di taglio inferiori ma sono anche più fragili di quelli arrotondati o smussati. Il carico meccanico sul tagliente deve essere limitato per impedirne la scheggiatura e la rottura, quindi si raccomanda uno spessore medio del truciolo minore quando si usano taglienti affilati. In questo caso, la geometria del tagliente utilizzata determina lo spessore medio del truciolo corretto e viceversa. Gli operatori possono avvalersi di questi principi e metodi nelle applicazioni di fresatura base per controllare le sollecitazioni intermittenti sugli utensili di fresatura. Tuttavia, poiché i requisiti dei componenti in lavoro sono sempre più complessi, anche solo al livello di semplice fresatura sugli angoli, cambiare manualmente gli avanzamenti per rispettare lo spessore medio del truciolo consigliato è essenzialmente impossibile. Per questi e altri casi, inclusa la complessa fresatura a 5 assi, i produttori di software CAM e macchine avanzate a controllo numerico hanno sviluppato tecniche come la fresatura trocoidale, il peeling sugli angoli e programmi con percorsi utensile che prevedono un impegno dell’utensile costante, quali Dynamic Milling, Volumill o Adaptive Clearing. Questi software e i miglioramenti al controllo delle macchine rappresentano l’evoluzione tecnologica dei concetti di base della gestione di entrata e uscita dell’utensile e dello spessore del truciolo per controllare gli effetti del processo di fresatura intermittente sull’utensile.

I produttori hanno impiegato fresatrici e utensili per oltre un secolo producendo innumerevoli pezzi in volumi elevati e di alta qualità. Nel corso del tempo, il processo di fresatura base è rimasto lo stesso, in particolare l’uso della fresa rotativa su un pezzo per lavorare una superficie. Anche la natura intermittente del taglio nel processo è rimasta la stessa.

Le fresatrici e le frese hanno compiuto un’incredibile evoluzione, ma in molti casi i loro utilizzatori non stanno godendo a pieno dei vantaggi di questo progresso tecnico. Riconoscendo le peculiarità dell’interazione tra pezzo e utensile durante la fresatura e adottando mezzi per attenuare le sollecitazioni intermittenti che fanno parte del processo, i produttori possono centrare un triplice obiettivo, occasione rara, e ottenere massima produttività, qualità e durata.

Patrick de Vos, responsabile della formazione tecnica per il gruppo Seco Tools

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