Come scegliere la macchina utensile CNC più adatta?

Definire i pezzi tipici

Le macchine CNC sono disponibili in diverse configurazioni e ciascuna offre prestazioni ottimali in un determinato campo di applicazione. Il primo passo nell'acquisto di una macchina consiste quindi nel definire i pezzi e le operazioni rappresentativi che essa dovrà gestire.

Utilizzare il piano di modernizzazione o di sviluppo produttivo dell’azienda per individuare quali operazioni passeranno alle attrezzature CNC, quindi applicare la tecnologia di raggruppamento per classificare i pezzi candidati. Poiché le dimensioni dei pezzi e i carichi di lavoro complessivi possono variare notevolmente, perfezionare i raggruppamenti fino a definire un insieme pratico di pezzi tipici.

Ogni tipo di macchina ha applicazioni specifiche. I centri di lavoro orizzontali sono adatti per alloggiamenti, corpi pompa, corpi valvola e gusci, mentre i centri di lavoro verticali sono adatti per coperchi, piastre, gusci e camme piatte che vengono lavorate principalmente da un solo lato. La lavorazione di un pezzo progettato per un centro orizzontale su un centro verticale può richiedere modifiche all’attrezzaggio e al punto di riferimento che riducono l’efficienza e la precisione. La lavorazione di un pezzo progettato per un centro verticale su un centro orizzontale può richiedere un dispositivo di fissaggio con piastra angolare che riduce la rigidità del sistema. Una macchina orizzontale di dimensioni comparabili può costare da 80% a 100% in più e comportare costi di esercizio più elevati, sebbene la sua gamma di lavorazioni più ampia determini spesso una composizione del parco macchine di circa il 60%-70% di centri orizzontali e il 30%-40% di centri verticali.

Seleziona le dimensioni e la capacità della macchina

I principali criteri relativi alle dimensioni della macchina sono le corse degli assi controllati e la potenza del motore del mandrino.

Le corse sugli assi X, Y e Z definiscono l’area di lavorazione disponibile. Il pezzo da lavorare dovrebbe normalmente rientrare in tale area. Per un alloggiamento di 450 × 450 × 450 mm, un centro di lavoro con una tavola da 500 × 500 mm offre spazio sufficiente per il dispositivo di fissaggio. Una macchina con tavoli di tali dimensioni offre in genere una corsa sull’asse X compresa tra 700 e 800 mm, una corsa sull’asse Y compresa tra 550 e 700 mm e una corsa sull’asse Z compresa tra 500 e 600 mm.

È possibile che, in alcuni casi, un pezzo risulti più grande della corsa di un asse, purché l'area di lavorazione richiesta rimanga entro i limiti previsti. L'acquirente deve comunque verificare il carico massimo del piano di lavoro, lo spazio libero necessario per il cambio utensile e l'eventuale interferenza tra il pezzo in rotazione e le protezioni o gli accessori della macchina.

La potenza del mandrino indica la capacità di taglio e, indirettamente, la rigidità di taglio. I centri moderni utilizzano potenti motori a corrente alternata (AC) o continua (DC) a velocità variabile, ma la coppia disponibile può essere limitata a basse velocità poiché la potenza del motore diminuisce al calare della velocità. È quindi necessario verificare la coppia a bassa velocità in caso di grandi diametri e asportazione massiccia di materiale, in particolare nella foratura. I torni CNC ad alta velocità e per lavori leggeri e i torni convenzionali della stessa dimensione nominale possono presentare differenze di potenza del mandrino anche di diverse volte. La scelta dovrebbe tenere conto del margine di asportazione, della velocità di asportazione richiesta, della precisione desiderata e degli utensili disponibili.

Se un numero limitato di pezzi speciali non può essere realizzato con tre assi lineari, potrebbe essere necessario ricorrere agli assi rotativi A, B o C, oppure agli assi ausiliari U, V o W, il che comporta un ordine di macchina speciale.

Selezionare il livello di precisione richiesto per la macchina

Scegliere la classe di precisione in base alle caratteristiche critiche dei pezzi tipici. I centri di lavorazione si distinguono generalmente in classi standard e di precisione.

Il posizionamento e la ripetibilità combinano gli errori dei componenti mobili su ciascun asse. La ripetibilità è particolarmente importante perché indica se un asse è in grado di tornare in modo coerente a posizioni arbitrarie lungo tutta la sua corsa. I controlli CNC spesso forniscono la compensazione dell’errore di passo e del gioco. Queste funzioni possono correggere errori sistematici stabili, ma non sono in grado di correggere completamente le perdite casuali causate da zone morte dell’azionamento, giochi, deformazioni elastiche, variazioni della rigidità di contatto, carico sul tavolo, distanza percorsa o velocità di posizionamento. Un’elevata ripetibilità dipende quindi comunque da una progettazione meccanica e da una regolazione accurate.

La precisione dell'interpolazione circolare valuta congiuntamente l'inseguimento del servocomando e l'interpolazione CNC. Un provino cilindrico standard, tipicamente con diametro compreso tra 200 e 300 mm su una macchina di piccole o medie dimensioni, viene fresato con una fresa di finitura e misurato su un comparatore di rotondità. La differenza radiale tra il cerchio di inviluppo massimo e quello minimo rappresenta la precisione circolare.

Una serie di errori di posizionamento lungo l'intera corsa costituisce l'inviluppo degli errori di posizionamento su tutta la corsa e definisce la precisione di posizionamento.

La precisione di posizionamento della macchina può essere utilizzata per stimare la precisione dei pezzi prodotti. Ad esempio, la precisione dell’interasse tra due fori realizzati tramite movimento su un unico asse può essere da 1,5 a 2 volte superiore alla precisione di posizionamento su un singolo asse, sebbene anche i fattori di processo abbiano la loro importanza. Un centro di lavorazione standard è generalmente in grado di produrre in serie pezzi di grado 8, mentre un centro di precisione può produrre pezzi di grado compreso tra 6 e 7.

La maggior parte degli azionamenti di avanzamento standard CNC utilizza un controllo a anello semichiuso e non è in grado di rilevare direttamente l'allungamento termico della vite a sfere. Con un coefficiente di dilatazione lineare della vite a sfere pari a circa 11,2 × 10^-8/K, un aumento locale della temperatura compreso tra 1 °C e 2 °C durante il funzionamento continuo può causare uno spostamento dello zero macchina e del sistema di coordinate del pezzo. Se lo zero del pezzo si trova a circa 400 mm dall’estremità fissa della vite a ricircolo di sfere, un aumento di 2 °C può produrre una deriva di circa 8,9 µm. Su un centro orizzontale che ruota un alloggiamento di 180° per lavorare fori su entrambe le estremità, ciò può raddoppiare l’errore di coassialità. Il pretensionamento della vite a sfere può ridurre l’errore termico e aumentare la rigidità dell’azionamento, ma comporta un aumento dei costi. La precisione della macchina da sola non è sufficiente; è necessario anche un piano di lavorazione adeguato.

Selezionare il sistema CNC

Il modello CNC deve essere compatibile con la macchina e l'applicazione.

Adattare il comando al tipo di macchina

I controlli sono configurati per la tornitura, la fresatura, l'alesatura, la rettifica, la punzonatura e altre lavorazioni. Selezionare la versione adatta al tipo di macchina.

Allineare le prestazioni all’obiettivo di progettazione

I sistemi di controllo disponibili differiscono notevolmente in termini di prestazioni e prezzo. A titolo di esempio storico, un sistema di controllo FANUC 15 poteva fornire un avanzamento massimo di taglio di 240 m/min con un incremento di comando di 1 µm, mentre un sistema di controllo FANUC 0 forniva 24 m/min. Una macchina generica che richiede solo 20 m/min trarrebbe pochi vantaggi dal sistema più costoso. È opportuno valutare insieme prestazioni e costi, anziché scegliere automaticamente il sistema più recente o con le specifiche più elevate.

Selezionare solo le funzioni necessarie alla macchina

Le funzioni di base sono incluse nel sistema scelto, mentre quelle opzionali comportano un costo aggiuntivo. Selezionare le opzioni in base alle effettive esigenze prestazionali della macchina. Allo stesso tempo, specificare tutte le funzioni richieste al momento dell’ordine iniziale. Omettendo la compensazione del passo o la funzione di offset utensile, potrebbe risultare impossibile o costoso correggere tali omissioni durante la messa in servizio. L’utilizzo dello stesso modello di controllo già installato nell’impianto semplifica inoltre il funzionamento, la programmazione e la manutenzione.

Seleziona le funzioni e gli accessori della macchina

Servomotori di alimentazione

Tra i motori di avanzamento più comuni figurano i motori passo-passo, i servomotori a corrente continua e i servomotori a corrente alternata. I motori passo-passo sono economici ma presentano prestazioni limitate, quali velocità di avanzamento rapide comprese tra 6 e 8 m/min, una risoluzione minima di circa 0,01 mm e una tendenza all’oscillazione a bassa velocità; vengono utilizzati principalmente in sistemi economici a ciclo aperto. I servomotori a corrente continua sono stati ampiamente utilizzati e costano meno dei servomotori a corrente alternata, ma la loro risposta è meno reattiva e la presenza di spazzole e commutatori aumenta il rischio di guasti. I servomotori a corrente alternata dominano ormai le applicazioni CNC.

La potenza del servomotore dipende dallo smorzamento e dai carichi di inerzia. Verificare che:

1. La coppia a vuoto, su tutto l'intervallo di velocità, rimane entro il campo della coppia nominale continua.
2. La coppia massima di carico, il ciclo di carico e la durata del sovraccarico rimangono entro i limiti consentiti dal motore.
3. La coppia di accelerazione e quella di decelerazione rimangono entro il campo di funzionamento intermittente.
4. In caso di avviamenti e arresti frequenti e di carichi ciclici, la coppia quadratica media rimane al di sotto della coppia nominale continua.
5. L'inerzia del carico non compromette la sensibilità del motore né la precisione del servocomando.

Un'inerzia del carico inferiore a quella del rotore ha un effetto minimo, ma un'inerzia pari o superiore a circa tre volte quella del rotore può compromettere gravemente la risposta e impedire al servoamplificatore di funzionare correttamente.

Motori a mandrino

La scelta del motore del mandrino deve soddisfare i requisiti relativi alla potenza di taglio, alla velocità di asportazione del metallo e alla coppia massima a bassa velocità; mantenere la potenza di accelerazione e decelerazione al di sotto della potenza massima; mantenere la potenza media durante avviamenti e arresti frequenti al di sotto della potenza nominale continua; e garantire che la potenza di taglio a velocità costante, sommata alla potenza di accelerazione, rimanga entro i limiti della potenza disponibile.

Accessori pratici

Configurare accessori economici necessari per l’operatività immediata, condividendo al contempo i dispositivi compatibili tra le macchine quando possibile. Confrontare le funzioni di controllo costose, come la programmazione conversazionale e la grafica dinamica, con alternative di programmazione esterne alla macchina, poiché la programmazione direttamente sulla macchina consuma tempo di produzione. La misurazione automatica, i tastatori e i sistemi di rilevamento dell’usura o della rottura degli utensili dovrebbero essere scelti in base alla loro comprovata affidabilità piuttosto che alla loro novità.

Anche il raffreddamento, la protezione e la rimozione dei trucioli meritano un'attenzione particolare, poiché molti guasti operativi hanno origine proprio in questi sistemi. I sistemi di erogazione del refrigerante a ugelli multipli e le protezioni sigillate gestiscono meglio le diverse dimensioni dei pezzi e il taglio ad alta velocità rispetto ai semplici tubi e schermi protettivi. Scegliere una capacità adeguata alla produzione. A temperature ambiente comprese tra 38 °C e 40 °C, un climatizzatore per armadi elettrici può essere essenziale per garantire un funzionamento affidabile dei semiconduttori.

Selezionare il sistema di utensili CNC

Cambio utensili automatico e magazzino

Il sistema di cambio utensili automatico (ATC) è fondamentale per i centri di lavoro, i centri di tornitura e le punzonatrici CNC con cambio automatico dei punzoni. Può rappresentare dal 30% al 50% dell’investimento totale nella macchina. I suoi indicatori chiave di prestazione sono il tempo di cambio utensile e il tasso di guasti. L’esperienza sul campo attribuisce all’ATC più della metà dei guasti dei centri di lavoro, pertanto la soluzione migliore è solitamente quella più semplice e affidabile che soddisfi le esigenze dell’applicazione.

La capacità dei magazzini varia da meno di 20 utensili a 40, 60 o 100, mentre un magazzino centrale FMC può contenerne quasi 1.000. Un centro di lavorazione autonomo che non verrà integrato in un FMC o in un FMS normalmente non dovrebbe disporre di un magazzino di dimensioni eccessive, poiché ciò comporta un aumento dei costi, della complessità, del tasso di guasti e dell’onere gestionale.

Dimensionare il magazzino in base agli utensili necessari per una lavorazione completa del pezzo tipico, aggiungendo una modesta riserva. Circa 20 utensili sono spesso sufficienti per un centro verticale e circa 40 per un centro orizzontale. I pezzi complessi possono spesso essere suddivisi in due o tre programmi in base al trattamento termico, ai cambi di punto di riferimento o alla separazione tra sgrossatura e finitura, mantenendo ogni programma al di sotto dei 40 utensili. Per volumi annuali di diverse migliaia di pezzi, gli utensili combinati a taglienti multipli dedicati possono risultare economici. I programmi che utilizzano più di 50 utensili rendono inoltre notevolmente più difficili la programmazione, la verifica, la progettazione delle attrezzature e le revisioni.

I torni semplici CNC possono ospitare quattro utensili, mentre i centri di tornitura complessi possono ospitarne decine, sia fissi che motorizzati. Gli utensili motorizzati sono costosi e potrebbero non garantire un’elevata produttività; pertanto, sono più indicati per lavorazioni complesse, miste e in piccoli lotti piuttosto che per una produzione più semplice a medio o alto volume.

Portautensili e utensili da taglio

Dopo aver selezionato la macchina e il sistema ATC, occorre scegliere portautensili e utensili da taglio standardizzati. I sistemi dei centri di lavoro sono altamente standardizzati e generalmente rispettano i requisiti ISO. Il portautensili collega l’ampia gamma di utensili da taglio al mandrino, al magazzino e al meccanismo di movimentazione.

Si considerino tre punti:

1. La maggior parte dei portautensili sono adattatori privi di tagliente e richiedono trapani, frese, alesatori, maschi, pinze di serraggio, mandrini e le chiavi appropriate.
2. I produttori offrono numerosi sistemi che si sovrappongono. Scegliete tra le schede tecniche dei componenti tipici, confrontate i fornitori, chiedete consiglio a esperti e, se opportuno, effettuate gli acquisti in più fasi. I portautensili hanno spesso tempi di consegna compresi tra i due e i tre mesi, più brevi rispetto a quelli della macchina stessa.
3. I portautensili sono principalmente di tipo integrale, modulare o combinato. I sistemi integrali e modulari sono standardizzati; i portautensili combinati sono progettati su misura.

L’utilizzo di due serie di portautensili su un’unica macchina è antieconomico e difficile da gestire. L’utensileria modulare ha un costo iniziale maggiore, ma offre una maggiore flessibilità se acquistata come sistema. Ad esempio, una barra di alesatura convenzionale da Ø60 può costare circa 120 USD, mentre un gruppo modulare composto da gambo, prolunga e testa di taglio può superare i 200 USD. Per un magazzino da 30 utensili, tuttavia, 30 gambi modulari, da 50 a 60 prolunghe e da 70 a 80 teste di taglio possono sostituire 100 gruppi integrati e semplificare la gestione tramite computer. Gli utensili semplici utilizzati ripetutamente senza bisogno di essere rimontati, come i portapunte, sono spesso più economici se acquistati come unità monoblocco.

Per la produzione in serie di diverse migliaia o decine di migliaia di pezzi all'anno, un utensile combinato che costa da tre a dieci volte di più di un portautensile standard può comunque essere giustificato se sostituisce da tre a cinque utensili e riunisce diverse operazioni in un'unica fase.

Dispositivi di preregolazione degli utensili

La misurazione radiale e assiale degli utensili dovrebbe essere effettuata, ove possibile, al di fuori della macchina, in modo da non consumare il costoso tempo di funzionamento del mandrino per le operazioni di configurazione. I presettatori possono utilizzare sistemi di misurazione ottici, a reticolo o induttivi. Le versioni gestite da computer combinano un software di gestione degli utensili con supporti codificati montati sui portautensili.

Scegliere un presettatore per utensili da tornio, per centri di lavoro o universale il cui cono del mandrino sia compatibile con la macchina CNC, in modo da poter inserire direttamente gli offset misurati. I presettatori sono disponibili nelle versioni standard e di precisione, con modelli di fascia alta che raggiungono una precisione di misura di 0,001 mm. Questa precisione statica non garantisce la stessa dimensione della parte lavorata. Un foro alesato potrebbe risultare da 0,01 a 0,02 mm più piccolo del valore preimpostato a seconda delle condizioni del tagliente e del materiale, e la normale ripetibilità del carico sul mandrino potrebbe aggiungere un ulteriore scarto compreso tra 0,005 e 0,008 mm. Una tolleranza del foro vicina a 0,01 mm può comunque richiedere una lavorazione di prova e una regolazione direttamente sulla macchina. Ove possibile, un unico presettatore dovrebbe essere sufficiente per diverse macchine.

Valutare l'assistenza tecnica

Una buona macchina, di per sé, non garantisce il successo né dal punto di vista tecnico né da quello economico. I nuovi utenti hanno bisogno anche di operatori qualificati, programmatori e personale addetto alla manutenzione meccanica ed elettrica.

I costruttori di macchine offrono sempre più spesso assistenza pre e post-vendita, che comprende l’analisi dei processi relativi ai pezzi tipici, prove di fattibilità, progettazione degli utensili, programmazione, installazione, messa in servizio, prove di taglio e avvio della produzione. La formazione e l’addestramento pratico per il personale addetto alla manutenzione, i programmatori e gli operatori rivestono particolare importanza. Investire nelle competenze del personale è fondamentale per utilizzare in modo efficace le attrezzature CNC.