La battaglia tra mandrini e portautensili

La battaglia riguarda la rigidezza, la rigidezza necessaria ai moderni sistemi di taglio, spinti talvolta in maniera esasperata, con sporgenze che potrebbero essere/sembrare troppo lunghe. In tutto questo vibrazioni e deflessioni sono sempre in agguato, creando non poca ansia agli operatori, tanto che paventano portautensili lunghi e snelli. La questione però importante è capire il perché del comportamento del portautensile lungo e, se si capiscono le cause, si può pensare di combatterle perché, in realtà esistono risposte a questa flessione.

Facendo un passo indietro: da sempre gli addetti sanno che portautensili corti e tozzi offrono maggior resistenza alla flessione rispetto a quelli lunghi e snelli. Non solo: è noto come sia meglio, nei limiti del possibile, che le forze di taglio siano assiali piuttosto che radiali, in particolari per contenere le vibrazioni in foratura. Ed il mandrino è ben attrezzato per sopportare carichi lungo questa direzione! La questione però si complica quando la lavorazione richiede soluzioni diverse, come in molti processi di fresatura.

A onor del vero, va detto che la battaglia contro la deflessione, e tutti i fenomeni susseguenti che innesca, dura da molto tempo: sono stati spesi notevoli sforzi e molto tempo per sviluppare progetti innovativi, contenendo le lunghezze, aumentando la rigidità, studiando materiali anti-vibrazioni,…Purtroppo però non sempre è possibile lavorare sul diametro del corpo del supporto per migliorare la rigidezza e quindi diventa importante trovare altre soluzioni tecnologiche.

Se il contatto diventasse doppio?

Una soluzione tecnologica interessante per aumentare la rigidità è quella del doppio contatto, una soluzione che esiste da anni, e che è proposta in forme diverse, pur riferendosi al codolo a contatto con la parte conica del mandrino e la faccia del mandrino contemporaneamente. Tutto ciò può portare alla necessità di modifiche al mandrino o al portautensili in modo che il gap si riduca. È quindi evidente come il “può portare” significhi che non esiste una soluzione standard, in grado di soddisfare le richieste di rigidità e di parametri di processo, senza dover incorrere in spese e perdite di tempo per adattare o modificare soluzioni esistenti.

Questo vuoto tecnologico è stato colmato da BIG PLUS: sia il mandrino che il portautensili sono stati rettificati secondo precise specifiche in modo da colmare lo spazio tra la faccia del mandrino e la flangia, garantendo l’uso di utensileria standard.

BIG PLUS non è uno standard internazionale, anche se oggi è adottato da moltissimi costruttori di macchine utensili proprio perché, in maniera semplice, permette di migliorare sensibilmente il processo produttivo.

BIG PLUS

“BIG PLUS è diventato uno standard senza essere uno standard – spiega Giampaolo Roccatello, responsabile delle vendite e del marketing in Europa di BIG KAISERCi capita anche di incontrare operatori che lavorano su macchine utensili con mandrini BIG PLUS senza rendersene conto.”

Ma come può il doppio contatto favorire la rigidità ? La coppia esercitata dalle forze di taglio è massima laddove il portautensile e il mandrino si incontrano, alla base dell’utensile. Riferendosi al portautensile Standard ISO40, questa zona coincide con il diametro della linea di calibratura. Nel caso di BIG PLUS, il contatto avviene lungo il diametro maggiore della flangia a V, perché questo è diventato il nuovo “ancoraggio” fra portautensile e mandrino. Questo significa aver rinforzato il diametro laddove la sollecitazione è maggiore.

La rigidezza e la trave a sbalzo

A sentimento, sembra logico che un diametro effettivo maggiore porti ad un aumento di rigidità , ma la questione è che, in questo caso, non si sta parlando di incrementi eclatanti, ma piccoli, quindi potrebbe essere logico chiedersi come un piccolo aumento possa fare la differenza. Che, in fondo, è la realtà di BIG PLUS.

Un primo chiarimento arriva dallo studio della statica e della scienza delle costruzioni, assimilando il portautensili, una volta fissato al mandrino, ad un’asta cilindrica a sbalzo, quindi incastrata e caricata all’estremità libera con una forza radiale F (fig.1). La forza F è la forza di taglio tipica, per esempio, della fresatura o della foratura. Come è noto, oltre che intuitivo, l’asta  tende a flettere verso il basso e la flessione sarà in funzione della lunghezza dell’asta, del suo diametro, oltre che del materiale, attraverso la rigidezza k, espressa dalla relazione:

Dove:

d= diametro dell’asta

L=lunghezza dell’asta

E= modulo di Young (o di elasticità longitudinale, che dipende dal materiale)

Basandosi su semplici nozioni di matematica, è evidente come la rigidezza k aumenti con l’aumentare del diametro e diminuirà con l’aumentare della lunghezza, e questo sembrerebbe in linea con la teoria: la trave (=portautensili) corta e tozza è più rigida di una lunga e snella. In realtà va però considerato anche l’esponente sia del diametro che della lunghezza: il diametro è elevato alla quarta e la lunghezza alla terza. Questo significa che l’influenza del diametro è di un intero ordine di grandezza maggiore della lunghezza. Allora può valer la pena investigare meglio, per esempio considerando una situazione reale. L’esempio potrebbe essere l’attacco ISO 40: la barra avrebbe quindi diametro di calibro 44.45mm (ISO40 standard), 63.5mm (ISO40 BIG PLUS). La lunghezza L resta identica, così come il materiale, quindi con E costante.

Introducendo i dati nell’equazione, si avrebbe quindi una rigidezza ben superiore con BIG PLUS rispetto ad un identico ISO40 standard.

La questione potrebbe anche essere posta in altri termini, cioè: a pari rigidezza, inserendo una delle lunghezze più comuni di BIG PLUS ISO40 di diametro 63.5mm, che è 105mm, quale lunghezza deve avere un ISO40 standard? Ritornando alla formula di cui sopra, con alcuni semplici passaggi si ottiene:

Questo significa che BIG PLUS, con una lunghezza di 105mm, avrà la stessa rigidezza di un ISO40 standard lungo 65.3mm, risultato che può essere letto anche in altro modo: BIG PLUS avrà un comportamento simile ad un portautensile standard che è quasi la metà della sua lunghezza.

Ovviamente Il mondo delle lavorazioni per asportazione di truciolo è complesso e le operazioni di taglio sono complesse e dinamiche: i portautensili non hanno materiali uniformi o diametri del corpo costanti, così come le forze di taglio non è detto agiscano in un’unica direzione, né che siano sempre completamente prevedibili. È però vero che, discretizzando la lunghezza del portautensili, magari spingendosi fino ad una analisi ad elementi finiti, le situazioni sono simili a quella descritta dalle precedenti equazioni. Quindi, sebben il calcolo fatto si rifaccia ad una condizione ideale e semplificata, il vantaggio che BIG PLUS può offrire è reale, anche se magari non così “drammaticamente” alto: in alcuni casi la pratica darà risultati molto simili al modello impostato, in altri un po’ meno. E’ però inconfutabile come il contatto della flangia di BIG PLUS abbia una forte influenza sulla rigidità.

BIG PLUS e il doppio contatto non sono un’idea nuova, ma quello che è nuovo è l’approccio, il modo di gestire il contatto. L’assoluta precisione, e i conseguenti risultati applicativi, nascono dal rigore della progettazione e della misura, effettuata con calibri proprietari: il raggiungimento del doppio contatto è possibile solo attraverso un controllo rigoroso della posizione della faccia della flangia e la linea dell’origine della parte conica (Gauge line).

Il testimonial: Nobili Rubinetterie SpA

Nobili Rubinetterie SpA, azienda piemontese specializzata nella produzione di rubinetteria da bagno e cucina, è l’unica azienda in Europa con il 100% del ciclo di produzione all’interno dei propri stabilimenti ed è il primo gruppo italiano per numero di pezzi venduti (oltre tre milioni e mezzo).

L’azienda, guidata dalla famiglia Nobili, nel 2016, con l’avvento di una nuova gamma di prodotti, ha deciso di equipaggiare i suoi centri di lavoro compatti 5 assi con gli attacchi BIG-PLUS di BIG KAISER: il reparto fresatura, oggi conta 30 macchine, che effettuano vari tipi di lavorazione (fresatura, foratura e foratura profonda, maschiatura) incluse lavorazioni 5 assi in continuo.

“La rigidità assicurata del sistema BIG-PLUS è incomparabile – sottolinea Samuele Maremma, Responsabile del reparto CNC di Nobili Rubinetterie – E’ proprio la rigidità che più ci ha convinto dato che, avendo un tipo di produzione spinta, dobbiamo assolutamente ottimizzare tutti i processi della lavorazione: con l’interfaccia BIG-PLUS possiamo sfruttare al massimo le potenzialità offerte dalla macchina e dagli utensili”.

Con l’installazione del primo centro di lavoro, Nobili Rubinetterie aveva provato soluzioni diverse che però non erano in grado di offrire prestazioni soddisfacenti, in linea con le aspettative della produzione. “Con il fornitore di allora abbiamo avuto un problema sul cambio utensile per via delle tolleranze troppo larghe del mandrino portautensile. Quindi abbiamo deciso di affidarci ad un fornitore che potessimo anche considerare nostro partner, un fornitore noto a livello nazionale e internazionale per l’alto grado di affidabilità ma che soprattutto ci desse tutte le garanzie riguardo la qualità del prodotto”.

Dunque, che cosa è cambiato rispetto al passato con l’avvento in produzione di BIG-PLUS?

“Oggi non abbiamo più il classico collo di bottiglia che avevamo con gli attacchi ISO tradizionali, abbiamo incrementato notevolmente tutti i parametri di taglio, allungato la vita utensile e migliorato la qualità superficiale dei componenti lavorati.  – spiega Samuele Maremma – Con BIG-PLUS siamo riusciti a realizzare molte lavorazioni che prima non potevamo eseguire, e a rafforzare la nostra gamma di prodotti. Inoltre l’ampio catalogo di soluzioni offerto da BIG KAISER, ci sta aprendo una nuova visone e nuove opportunità di sviluppo del ciclo produttivo: su alcuni prodotti siamo già riusciti a ridurre il tempo ciclo fino al 60%”.

BIG PLUS, il dual contact

Ampiamente diffuso, BIG PLUS, il sistema portautensili di BIG KAISER, è oggi adottato da più di 200 costruttori di macchine utensili, con oltre decine di migliaia di utilizzi. Cosa rende BIG PLUS così diffuso? Il doppio contatto simultaneo cono/flangia che assicura una rigidità unica, tanto che oggi sono 175 le aziende licenziatarie del sistema BIG PLUS, un numero in continua crescita.

La differenza con altri portautensili a doppio contatto oggi sul mercato sta proprio nel come viene raggiunto il doppio contatto: con BIG PLUS questo è possibile solo attraverso un rigoroso controllo della posizione della faccia della flangia e della gauge line, cioè la linea di origine della parte conica. Questo fa sì che, rispetto al portautensili conico tradizionale, appoggiato su un diametro di riferimento (calibro), BIG PLUS si appoggi sulla faccia della flangia, con un notevole aumento della rigidità. I vantaggi che ciò comporta sono notevoli, fra cui:

  • Migliore finitura superficiale e precisione dimensionale
  • Maggiore durata dell’utensile da taglio
  • Prevenzione della corrosione da micro vibrazioni causata dal contatto parziale del cono
  • Miglioramento della ripetibilità dell’ATC
  • Eliminazione del movimento assiale Z ad alta velocità
  • Miglioramento della rotondità nelle operazioni di alesatura
  • Maggiore rigidità durante barenature profonde

 

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here