La lavorazione ad alta velocità (HSM) è un'importante tecnologia ampiamente utilizzata nella moderna tecnologia di fresatura. Applicando la tecnologia di fresatura HSM, è possibile non solo fresare vari materiali morbidi e duri, ma anche ottenere un'eccellente precisione del pezzo. Questo articolo descrive i requisiti HSM per utensili e supporti.
1. Requisiti HSM per utensili da taglio
1. Geometria
La vibrazione dell'utensile influisce direttamente sulla qualità della superficie ottenuta dalla lavorazione. Pertanto, è estremamente importante mantenere una forza di taglio uniforme sull'utensile durante la finitura HSM per evitare vibrazioni dell'utensile.
L'influenza delle caratteristiche geometriche adiacenti dell'utensile sulla forza di taglio:
• La buona concentricità facilita la distribuzione uniforme del carico sul tagliente
• Maggiore sovrapposizione dei taglienti per caratteristiche di forza di taglio uniformi (angolo dell'elica e numero di taglienti maggiori)
• Lunghezza di taglio ridotta per una migliore rigidità (il diametro dell'albero è leggermente ridotto rispetto alle pareti ripide della macchina)
• Migliore condizione della sezione trasversale del nucleo con concentrazione minima delle sollecitazioni in corrispondenza dell'intaglio
I materiali ad alta resistenza possono essere lavorati utilizzando HSM, il che significa che la resistenza alla deformazione aumenta con la durezza del materiale da lavorare. L'aumento del carico sul tagliente richiede un design stabile della geometria del tagliente. Tuttavia, a velocità di taglio elevate, nell'area libera della superficie del pezzo verrà generato più calore da attrito, il che significa che l'angolo di spoglia inferiore dell'utensile deve essere ridotto. Pertanto, l'aumento della stabilità del tagliente può essere ottenuto solo riducendo l'angolo di smusso. Nei casi in cui il materiale è molto duro e il materiale dell'utensile è fragile, può anche risultare in un angolo di inclinazione negativo.
I raggi di precisione sono rettificati sulla punta della lama per evitare condizioni roventi o rotture parziali del bordo in caso di riscaldamento improvviso.
Se la precisione della forma del pezzo deve essere molto elevata, il raggio della parte sferica dell'utensile di finitura utilizzato ha un impatto diretto sulla precisione della forma del pezzo da lavorare. Pertanto, come condizione di base, è molto importante utilizzare utensili con tolleranze di raggio molto strette (nell'ordine dei micron) durante la finitura di pezzi molto delicati.
2. Materiali e Rivestimenti
Il materiale dell'utensile deve essere più duro del materiale da lavorare. Maggiore è la differenza di durezza tra il materiale del pezzo e il materiale dell'utensile, minore è l'usura dell'utensile e maggiore è la durata dell'utensile. A causa delle elevate temperature locali, è inoltre necessario garantire che il materiale dell'utensile sia resistente all'ossidazione.
Grandi fluttuazioni del carico termico e la necessità di resistenza all'ossidazione del materiale dell'utensile portano all'eventuale necessità di rivestimenti su corpi di utensili in carburo di tungsteno a grana fine.
I collaudati sistemi di rivestimento come TiN, TiCN e TiAlCN raggiungono rapidamente i loro limiti nella lavorazione HSM. Sono stati quindi sviluppati sistemi di rivestimento multicomponente, a base di nitruri ad alto contenuto di alluminio, in combinazione con altri elementi come ittrio, vanadio o tantalio. È inoltre possibile ottenere prestazioni più elevate utilizzando strutture a nanostrati, CBN e PKD.
2. Requisiti di HSM per i portautensili
A causa delle elevate velocità del mandrino richieste nella lavorazione HSM, è preferibile utilizzare i sistemi di portautensili HSK-A e HSK-E. Poiché la flangia portautensili è montata sulla testa del mandrino, il portautensili ha un appoggio meccanico definito nella direzione Z, quindi a velocità più elevate non viene trascinato nel mandrino a causa delle maggiori forze centrifughe.
Errori fondamentali potrebbero essersi già verificati nella fase di preparazione del processo, rendendo impossibili meno vibrazioni e un controllo sicuro del processo. Per ottenere una lavorazione HSM stabile, è essenziale bilanciare e controllare l'allineamento dell'utensile e del gruppo portautensile come richiesto. Deve essere considerato anche il limite di velocità di rotazione associato alla massa sbilanciata.
Un sistema di utensili rotanti mal bilanciato o disallineato si tradurrà in:
• qualità della superficie molto scadente
• vita utensile molto bassa
• Scarsa stabilità e sicurezza del processo
• Possibili danni al mandrino di fresatura
Lo squilibrio e la deviazione dalla concentricità ideale causati da bruschi cambiamenti nel processo possono essere visti molto chiaramente nel diagramma schematico sottostante:
Nessuna deviazione rispetto alla perfetta concentricità: minore rugosità teorica
Deviazione dalla perfetta concentricità: maggiore rugosità teorica
La massa del bilanciere ha un'influenza importante sulle prestazioni dinamiche dell'intero sistema rotante.
Lo squilibrio equivale alla rotazione di un oggetto eccentrico. Questo corpo eccentrico può indurre una forza centrifuga che aumenta quadraticamente con la velocità di rotazione. Ciò significa che lo stesso squilibrio induce una forza centrifuga 441 volte maggiore su un mandrino a 42,000 rpm rispetto a un mandrino a 2,000 rpm (212=441). Pertanto, uno squilibrio della disposizione dei portautensili nelle lavorazioni ad alta velocità ha conseguenze negative particolarmente pronunciate.
Applicando la tecnologia di bloccaggio degli utensili in HSM, è possibile utilizzare portautensili con:
• Pinze e
• Riduttori
Sistemi alternativi come i connettori Weldon non sono consigliati in quanto presentano svantaggi significativi nella lavorazione HSM.
Grazie alle buone proprietà di smorzamento dei portautensili a pinza che danno buoni risultati durante il processo di sgrossatura, insieme ai giunti di riduzione è possibile ottenere un grado molto elevato di rigidità e ripetibilità. Questo è essenziale per ottenere una perfetta superficie del pezzo. L'utilizzo di riduttori consente di ottenere una concentricità molto precisa (deviazione inferiore a 0.003 mm) e un'elevata coppia di trasferimento.
Struttura di progettazione di vari portautensili riduttori: la coppia di trasmissione dipende dalla struttura di progettazione dell'attrezzatura di bloccaggio; diverse strutture di progettazione, possono essere molto diverse.
