Come lavorare parti a parete sottile? - Una guida dalla A alla Z

La lavorazione di parti a parete sottile presenta una serie unica di sfide nella produzione. Questi componenti, caratterizzati da un elevato rapporto lunghezza-spessore o diametro-spessore, sono intrinsecamente suscettibili a vibrazioni, flessioni e deformazioni termiche durante il processo di taglio. Produrli con successo richiede un approccio altamente sistematico e preciso, selezionando con cura materiali, utensili, strategie di lavorazione e tecniche di fissaggio. Questa guida dalla A alla Z fornisce una panoramica completa delle considerazioni essenziali per padroneggiare la lavorazione di componenti a parete sottile.

A. Valutare le proprietà dei materiali:La scelta del materiale è fondamentale. Materiali più morbidi come alcune leghe di alluminio sono soggetti a bordo riportato e strappi superficiali, mentre materiali più duri come il titanio e le leghe ad alto contenuto di nichel generano più calore, portando a espansione termica e distorsione. La comprensione del modulo di elasticità, della conducibilità termica e della durezza del materiale è il punto di partenza per la pianificazione del processo.

B. Bilanciare il fissaggio e il bloccaggio:Il fissaggio è probabilmente il passaggio più critico. Un bloccaggio eccessivo può causare una distorsione iniziale della parte che viene poi lavorata nella geometria finale. Un bloccaggio insufficiente porta a vibrazioni e movimento del pezzo. Utilizzare forze di bloccaggio minime e posizionate strategicamente, spesso incorporando materiali di ganasce conformi o non graffianti. I mandrini a vuoto o i dispositivi idraulici a bassa pressione specializzati sono spesso preferiti per la loro capacità di distribuire la forza di bloccaggio in modo uniforme su un'area più ampia.

C. Controllare le forze di taglio:Forze di taglio basse e controllate sono fondamentali per ridurre al minimo la flessione. Questo si ottiene impiegando tecniche di lavorazione ad alta velocità (HSM): alte velocità del mandrino, basse profondità di taglio ($a_p$) e basse velocità di avanzamento ($f_z$). Mantenere il rapporto tra la profondità di taglio radiale ($a_e$) e lo spessore della parete il più piccolo possibile.

D. Strategia di utensili dedicata:Utilizzare utensili da taglio affilati con un angolo di rake elevato. Un angolo di rake positivo elevato riduce lo spessore del truciolo e quindi la forza di taglio. Scegliere utensili con un numero maggiore di scanalature per distribuire il carico, ma garantire uno spazio sufficiente per l'evacuazione dei trucioli. Le frese a candela elicoidali sono eccellenti per il loro impegno graduale e la riduzione degli urti.

E. Eliminare le vibrazioni (vibrazioni):Le vibrazioni sono la nemesi della lavorazione a parete sottile, con conseguente scarsa finitura superficiale e imprecisione dimensionale. Ottimizzare la velocità del mandrino per evitare le frequenze naturali dell'utensile e del pezzo. Portautensili corti e rigidi e assemblaggi di utensili bilanciati sono imprescindibili.

F. Concentrarsi sull'ottimizzazione del percorso utensile:I percorsi utensile devono essere continui e uniformi, evitando cambiamenti bruschi di direzione o di impegno che causano picchi di carico. Impiegare strategie di fresatura trocoidale o a impegno radiale costante (CRE), in cui l'utensile è sempre leggermente impegnato con il materiale, mantenendo una forza costante e riducendo al minimo il riscaldamento localizzato.

G. Rimozione graduale del materiale:Adottare una strategia di sgrossatura con generose tolleranze di materiale, seguita da passate di semifinitura e finitura con tagli molto leggeri. Ridurre gradualmente la profondità di taglio radiale man mano che lo spessore della parete si avvicina alla sua dimensione finale. Evitare di tagliare l'intera lunghezza della parete in un'unica passata se la flessione è un problema; utilizzare l'affondamento passo-passo o l'incassatura.

H. Gestione del calore e refrigerante:Il taglio genera calore e il calore provoca espansione termica e successiva deformazione nelle pareti sottili. Utilizzare un generoso refrigerante a inondazione o un sistema di refrigerazione ad alta pressione (HPC) per evacuare efficacemente il calore e i trucioli dalla zona di taglio. MQL (Lubrificazione a quantità minima) può anche essere efficace riducendo lo shock termico e fornendo una lubrificazione superiore.

I. Meccanismi di supporto innovativi:Considerare l'utilizzo di mandrini di supporto interni o esterni, leghe a basso punto di fusione (come il Cerrobend) per la colata attorno alla parte per fornire rigidità o nervature di irrigidimento progettate su misura che vengono rimosse solo nella passata finale di finitura leggera.

J. Progettazione di dime per la stabilità:Assicurarsi che la base della dima o del dispositivo sia significativamente più rigida del pezzo stesso. Utilizzare, ove possibile, i principi di montaggio cinematico per garantire un posizionamento ripetibile senza stress indebiti sulla parte.

K. Mantenere l'utensile impegnato:Per le parti circolari, assicurarsi che l'utensile mantenga un contatto continuo per evitare l'effetto martellamento del taglio intermittente, che può eccitare le vibrazioni. La fresatura in salita è quasi sempre preferita alla fresatura convenzionale a causa del favorevole assottigliamento del truciolo in uscita e dell'applicazione di forza più fluida.

L. Impegno radiale basso (CRE):Mantenere una profondità di taglio radiale ($a_e$) bassa e costante, in genere inferiore al 10% del diametro della fresa, combinata con una maggiore profondità di taglio assiale ($a_p$). Questo approccio garantisce che le forze siano costantemente basse e dirette più assialmente che radialmente.

M. Misurare e monitorare in processo:Utilizzare sonde a contatto o scanner laser per la misurazione in processo. Se si sospetta una flessione, incorporare cicli di compensazione o controllare le dimensioni della parte dopo specifiche fasi di rimozione del materiale, regolando il percorso utensile rimanente, se necessario.

N. Strategia di lavorazione nidificata:Per tasche complesse a parete sottile, lavorare dal centro verso l'esterno (nidificazione), mantenendo una parete o una base più spessa fino all'ultimo momento possibile per fornire il massimo supporto strutturale durante tutto il processo.

O. Ottimizzare il numero e la geometria delle scanalature:Scegliere utensili con geometrie specializzate progettate per leghe di alluminio o ad alta temperatura, se necessario. Evitare utensili a geometria standard che spingono il materiale invece di tagliarlo in modo pulito. Un numero maggiore di scanalature può offrire stabilità, ma richiede un'eccellente evacuazione dei trucioli.

P. Programmare il percorso utensile sul mandrino:Utilizzare funzioni come il controllo del punto centrale dell'utensile (TCPC) e l'interpolazione di alto livello sul controllo CNC per garantire che la macchina esegua i percorsi continui e uniformi necessari per una variazione minima della forza.

Q. Requisiti di finitura superficiale di qualità:È spesso richiesta una finitura superficiale più liscia (bassa rugosità media $R_a$). Per ottenere questo risultato sono necessari utensili perfettamente bilanciati, bordi affilati e il taglio finale deve essere estremamente leggero, un taglio "sussurrato", per rimuovere le deflessioni microscopiche lasciate dalla semifinitura.

R. Ridurre lo sbalzo:Utilizzare lo sbalzo dell'utensile più corto possibile (rapporto $L/D$) per massimizzare la rigidità dell'utensile e ridurre la tendenza del sistema a vibrare. Utilizzare portautensili idraulici o a bloccaggio laterale ad alte prestazioni per la massima rigidità.

S. Analisi con estensimetri:Per parti estremamente difficili, utilizzare estensimetri sui prototipi per mappare le aree di massima flessione sotto carico di taglio. Questi dati possono informare la riprogettazione del dispositivo o la modifica del percorso utensile.

T. Compensazione della distorsione della parete sottile:Se si verifica una distorsione prevedibile, il percorso utensile può essere deliberatamente alterato (compensato) nel software CAD/CAM per "sovra-tagliare" leggermente la parte nelle aree che si riprendono, ottenendo la dimensione finale corretta. Ciò richiede test empirici.

U. Utilizzo di assi multipli (5 assi):Una macchina a 5 assi è molto vantaggiosa. L'inclinazione dell'utensile rispetto alla superficie può modificare la geometria di taglio effettiva, aumentare la durata dell'utensile e, soprattutto, dirigere le forze di taglio più nella parte rigida del dispositivo piuttosto che perpendicolarmente alla parete sottile.

V. Verificare e convalidare:Dopo aver sviluppato un processo, eseguire esecuzioni di convalida dettagliate per garantire che le tolleranze dimensionali siano mantenute su più parti. Utilizzare macchine di misura a coordinate (CMM) per mappare l'intera geometria della parte per la flessione.

W. Iterazione della progettazione del pezzo in lavorazione:Aspettarsi di iterare sulla progettazione del pezzo in lavorazione. Il primo progetto raramente fornisce il perfetto equilibrio tra rigidità e stress minimo della parte. Essere pronti a perfezionare i punti di bloccaggio e le caratteristiche di supporto in base alla distorsione della parte osservata.

X. Esaminare l'avanzamento truciolo:Assicurarsi sempre che lo spessore del truciolo sia superiore allo spessore minimo del truciolo richiesto ($h_{min}$), altrimenti l'utensile sfregherà invece di tagliare, aumentando drasticamente il calore e la flessione. Questo è il motivo per cui, anche con velocità di avanzamento molto basse, l'impegno radiale deve essere gestito con attenzione.

Y. Considerazione del limite di snervamento:Tenere presente il limite di snervamento del materiale, soprattutto alle alte temperature dovute al taglio. Le forze di lavorazione non devono superare il limite di snervamento, altrimenti il materiale si deformerà permanentemente prima del taglio finale, portando a errori dimensionali permanenti.

Z. Concentrarsi sulla giusta strategia CAM:Le capacità del software CAM sono cruciali. Utilizzare funzionalità avanzate come la fresatura ad alta efficienza (HEM) e la fresatura dinamica per generare i percorsi utensile uniformi e a bassa forza che sono alla base della lavorazione di componenti a parete sottile di successo.

Affrontando meticolosamente ciascuno di questi punti, i produttori possono passare dal semplice tentativo di lavorare parti a parete sottile al raggiungimento costante della precisione e della qualità superficiale richieste, trasformando una sfida complessa in un successo produttivo ripetibile.