Il serraggio… partecipa alla sinergia

Quali sono i tratti essenziali di una moderna lavorazione? Qualità ed efficienza. Ed è sempre questione di sinergia.

Ogni lavorazione di qualità, performante ed efficiente è strettamente legata al “sistema macchina utensile”, che, come oramai è opinione diffusa, oltre a comprendere la macchina utensile stessa, coinvolge tutte le attrezzature che concorrono alla lavorazione. E in tutto ciò, i sistemi di serraggio figurano in prima linea. Infatti, la moderna macchina utensile, e con essa tutte le attrezzature, deve seguire le incalzanti esigenze di mercato, diventando sempre più versatile, precisa, facile da utilizzare e, naturalmente, performante. Questo comporta maggiori velocità, maggiore potenza specifica, senza perdere in precisione: le novità progettuali di una macchina utensile devono necessariamente essere accompagnate da attrezzature capaci di rinnovarsi e innovarsi, mantenendosi al passo con l’evoluzione tecnologica e del settore.

La pianificazione a medio-lungo termine, i grandi numeri del secolo scorso sono andati assottigliandosi e oggi il mercato punta più su piccola o media serie, sulla mass customization e sulla personalizzazione spinta: cambia lo storico concetto di produzione, e con esso tutto il mondo che ruota attorno ad esso. Un concetto però non cambia: il serraggio. Di cosa? Del pezzo in lavorazione e dell’utensile.

Il sistema è collaborativo

Serraggio, staffaggio, bloccaggio, ancoraggio… termini diversi che hanno però un significato che li accomuna: far sì che l’oggetto dell’azione “non si muova” e sia solidale al sistema cui è collegato.

Una lavorazione è performante solo quando tutto il sistema produttivo è collaborativo, e il serraggio è la base su cui si appoggia il processo: un pezzo non perfettamente fissato, un sistema di bloccaggio che lascia testimoni indesiderati, un sistema che richiede troppo tempo… renderebbero inutile qualsiasi successiva operazione, per quanto high performance. Ma non solo: il serraggio riguarda anche l’utensile e le tante problematiche ad esso collegate. Per quanto le situazioni siano diverse, le problematiche di fondo sono molto simili, se non addirittura identiche.

Va da sé che se il pezzo non è adeguatamente bloccato, se l’utensile non è serrato in maniera corretta (o l’inserto non è ben ancorato) come minimo si instaura un fenomeno vibratorio indesiderato, e pressoché incontrollabile, che va a interferire un po’ ovunque, dalla formazione del truciolo, al riscaldamento, all’usura dell’utensile, anticipando il degrado e innescando possibili rotture, con pesanti ricadute sulla qualità del manufatto e sull’efficienza della lavorazione. Come viene sempre sottolineato, le vibrazioni sono le maggiori nemiche della lavorazione, e, pertanto, occorre prestare la massima attenzione affinché non si instaurino fenomeni imprevedibili, per esempio dovuti a un serraggio non corretto.

Per il serraggio non esistono manuali che forniscano soluzioni esaustive: ogni situazione ha la sua storia, il più delle volte unica. Partendo dagli ingombri, lo studio dell’attrezzatura di staffaggio deve tener conto del passaggio utensile, del mandrino e di tutti gli eventuali accessori presenti: il tempo di progettazione e costruzione di queste attrezzature non è tempo sprecato, ma può, a buon diritto, essere considerato “ciò che fa la differenza“. E come serrare l’utensile, quale è il mandrino che risolve il problema specifico, anche nel rispetto dell’economia di processo?

Il campo di forza fra modulo magnetico e pezzo si genera in una frazione di secondo, dopo di che il pezzo resta bloccato fino alla disconnessione.

Ancorare il pezzo

Seguire, se non addirittura precedere, le richieste del mercato implica dedicare grandi sforzi alla ricerca e sviluppo di attrezzature di presa pezzo innovative, che perseguano l’obiettivo di massimizzare performance e flessibilità. In generale, possono essere evidenziati tre principi minimi:
• l’esatta conoscenza di posizione e orientamento del sistema di riferimento del pezzo rispetto a quello della macchina;
• il mantenimento della posizione durante la lavorazione;
• la compensazione delle sollecitazioni dovute alle forze in gioco.

Indipendentemente dal tipo di lavorazione, tutti gli obiettivi richiesti a un sistema di serraggio hanno alla base il riferimento in funzione dello spazio di lavoro e il bloccaggio in modo stabile e senza indurre deformazioni. A ciò vanno poi aggiunti obiettivi specifici, legati alle caratteristiche tecnologiche del processo, che tengono appunto conto di tutte le variabili ad esso legate. In quest’ottica non ha senso parlare di “miglior sistema di serraggio” in termini assoluti, ma si può pensare a un sistema ottimale per ogni impiego, per ogni utensile e ogni lavorazione, sempre nel rispetto del fattore costo: il sistema di serraggio migliore è quello che garantisce i migliori risultati globali, coerentemente al tipo di applicazione.

Lo studio e il dimensionamento dell’attrezzatura si basa sul principio del posizionamento isostatico, considerando che, nello spazio, ogni corpo ha 6 gradi di libertà: i gradi di libertà devono essere eliminati con il minimo numero indispensabile di punti di contatto tra pezzo e attrezzatura.

Se fino a pochi anni fa in setup veniva fatto on board, oggi, grazie anche al diffondersi di soluzioni standardizzate, il punto di partenza è il setup virtuale, con software dedicato, che non lascia parti irrisolte in officina (o comunque le minimizza), consentendo una pianificazione della produzione estremamente realistica, con conseguente ottimizzazione del carico di lavoro delle macchine.

Attualmente sono sempre più diffusi i sistemi modulari che consentono alla produzione di adattarsi celermente alle crescenti richieste di flessibilità della produzione, con tempi di sostituzione e approntamento ridotti al minimo. Questi sistemi possono essere visti come un kit di elementi combinabili, in funzione della forma, anche molto complessa, del manufatto da lavorare.

Se inizialmente i sistemi modulari garantivano la flessibilità, ma a scapito delle grandezze che tipiche del sistema di serraggio (rigidezza, forza di bloccaggio e compattezza dell’insieme), oltre a richiedere un importante impegno di manodopera, oggi questi limiti sono ampiamente superati: la “composizione” può essere studiata e ottimizzata in maniera virtuale, grazie alle librerie elettroniche fornite dai vari costruttori.

L’introduzione dei sistemi punto zero permette di annullare i possibili errori dell’operatore nel posizionamento dell’attrezzatura.

Il serraggio dell’utensile

Il serraggio dell’utensile è un aspetto molto delicato, che deve considerare vari aspetti, dalla truciolatura, alla precisione dimensionale, alla qualità superficiale, senza dimenticare i tempi di lavorazione e l’usura dell’utensile, tutte voci che hanno una ricaduta diretta sui costi globali di processo. Un buon sistema di serraggio utensile incide in maniera significativa sulla durata dell’utensile e sullo stato di sollecitazione.

Il tipo di serraggio utensile forse più semplice è quello con il mandrino a pinza, in genere impiegato quando non sono richieste particolari prestazioni: in generale, il ruolo del mandrino è quello di garantire il serraggio e la centratura dell’utensile montato, in modo da rendere la lavorazione precisa. Al crescere del livello di prestazioni e della precisione di lavorazione, il mandrino a pinza può mostrare i suoi limiti, motivo per cui l’orientamento va verso mandrini che permettano una lavorazione più stabile e sicura, con una precisione anche elevata di runout e conseguente migliore qualità superficiale, drastica riduzione delle vibrazioni e un aumento della durata del tagliente.

Un ruolo di primo piano spetta ai mandrini idraulici, da diverso tempo ampiamente utilizzati per lavorazioni quali l’alesatura e la fresatura di precisione grazie alla stabilità della concentricità, alla precisione e all’affidabilità dimostrata. Di recente, con la diffusione dei centri di lavoro a 5 assi, delle macchine multitasking e ad alta velocità, il ruolo dei mandrini si è evoluto tanto che sono stati utilizzati per eseguire le più diverse operazioni. Proprio a causa del dilatarsi delle applicazioni, gli attacchi idraulici sono oggi sviluppati ponendo particolare attenzione ai requisiti di precisione, miniaturizzazione, maggiore velocità e multifunzionalità, così come all’accessibilità del pezzo.

Sistema Zero Point (foto: Gerardi).

Il cacciavite dinamometrico: in officina non può mancare!

Uno strumento indispensabile all’officina è il cacciavite dinamometrico, che “si occupa” del corretto serraggio delle viti. Quando si tratta di serrare gli inserti, le viti hanno un’impronta che, generalmente, è di tipo Torx o Torx Plus, nelle varie grandezze, a forma di stella a sei punte e normalizzata secondo le norme ISO. La caratteristica geometrica di questa impronta è stata studiata in modo che il cacciavite, nel caso venisse applicata una forza troppo elevata, non possa “scappare” dalla sua sede. Infatti, con la testa Torx, il cacciavite dinamometrico non perde mai il contatto con la vite e permette di applicare una forza, o più correttamente un momento, a valore costante e controllato.

Le Torx esistono con misure differenti, e, evidentemente, la punta del cacciavite deve essere congruente con la misura della testa in modo da non creare danno ad attrezzi o persone. La costanza della forza di serraggio deve essere garantita per un numero dichiarato di ore di lavoro.

Sebbene il cacciavite sia considerato un utensile secondario nella complessità di un processo produttivo, in realtà ha anch’esso un ruolo chiave, permettendo di evitare teste di viti strappate o filettature rovinate, a patto che sia stata individuata correttamente l’impronta e la conseguente forza necessaria al serraggio (o disserraggio), e, di conseguenza, perdite in efficienza.

Esistono vari tipi di cacciaviti dinamometrici, con caratteristiche e colori diversi, con una sola impugnatura e più lame intercambiabili, con avvisatore sonoro a coppia di serraggio raggiunta, ad abbinamento colori-impronta-forza di serraggio… in modo da rendere la procedura semplice, intuitiva e, il più possibile, “a prova d’errore”.

La… forza magnetica

Lo studio del magnetismo, fra le altre cose, ha permesso di mettere a punto sistemi di ancoraggio del pezzo: poggiano direttamente sulla superficie magnetica, la forza è distribuita uniformemente su tutta la superficie di contatto senza comprimere o deformare.
Un sistema di serraggio classico, con staffe e morse, può non permette ai pezzi di essere lavorati, in un unico piazzamento, su più facce: occorre quindi ricorrere a più posizionamenti. Proprio per avviare al problema dei piazzamenti multipli, garantendo precisione, stabilità e rigidità, sono state messe a punto interessanti tecniche che prevedono l’uso di magneti permanenti per il bloccaggio pezzo, garantendo uniformità di ancoraggio sia verso il pezzo che verso la macchina. Si tratta di un sistema caratterizzato da elevate flessibilità e riconfigurabilità, grazie al quale il pezzo, una volta opportunamente collocato sul piano magnetico, può essere lavorato su ogni faccia con un solo posizionamento, indipendentemente dalla forma e dimensione. Il consumo energetico è molto limitato perché serve solo per il tempo necessario all’attivazione-disattivazione dei magneti permanenti. Manufatti con pareti sottili, o che siano facilmente deformabili, possono essere bloccati in modo delicato ma sicuro allo stesso tempo, dato che le forze, non essendo applicate in un sol punto, non provocano deformazioni o distorsioni.

Il limite del fissaggio magnetico è dovuto alle proprietà del materiale: non risulta essere direttamente applicabile a materiali para e diamagnetici, mentre nel caso di materiali ferromagnetici, la permeabilità del materiale al flusso magnetico, specie quando le pareti sono sottili, può portare alla cattura del truciolo.

Sistema modulare (foto: Gerardi).

La forza di serraggio e la sua misura

Per un bloccaggio sicuro e riproducibile, è indispensabile la corretta calibrazione della forza di serraggio che, fra l’altro, deve mantenersi costante nel tempo. Il calcolo della forza con cui bloccare un pezzo deve tener conto della morfologia, del materiale e delle sollecitazioni che si instaurano durante il processo produttivo: pezzi con pareti sottili, o la delicatezza di alcuni materiali quali l’alluminio e le sue leghe, richiedono un serraggio soft, in modo da non andare a compromettere forma e/o finitura superficiale. In particolare, ad esempio nel caso di manufatti che hanno subito lavorazione di superfinitura, l’attenzione sulle forze di serraggio sarà massima, in modo da non segnare in alcun modo il pezzo che, diversamente, andrebbe ripreso con tutti i costi aggiuntivi, sia diretti che indiretti, che ne conseguono.

La valutazione discreta delle forze di serraggio è ancora ampiamente diffusa, sebbene l’avvento della sensoristica consenta la verifica on board: l’impiego di sensori e di sistemi di elaborazione dati in tempo reale, permette di rilevare la forza, verificandone lo scostamento dai dati prefissati ed una possibile immediata ricalibrazione.

di Daniela Tommasi

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