Strategie CAM: generalità e problemi

Strategie CAM: generalità e problemi

Gli elementi da considerare durante la definizione di un processo di asportazione per la realizzazione di cavità di stampaggio sono numerosi. Il fattore utensile e la tipologia di percorso che si intende intraprendere sono variabili che influenzano in maniera decisiva la generazione del codice di lavorazione attraverso software CAM.

Gli stampi vengono realizzati principalmente attraverso le tradizionali lavorazioni per asportazione di truciolo che, in funzione della complessità della geometria da realizzare, possono essere combinate in diverso modo seguendo specifiche sequenze, le quali permettono di ottenere la geometria definita dal modello CAD e le relative tolleranze e rugosità superficiali richieste dal progetto. La fresatura è una delle lavorazioni maggiormente sfruttate in questo ambito, e viene generalmente eseguita effettuando più passate che possono essere classificate in sgrossatura e finitura, ognuna poi declinata in accezioni più specifiche in funzione della quantità di materiale che deve essere asportato, delle caratteristiche dell’utensile e dei parametri di processo. Nello specifico, le operazioni di sgrossatura vengono eseguite con una fresa di diametro maggiore e un passo elevato poiché, in questo modo, è possibile rimuovere, in maniera rapida, una grande quantità di materiale dal grezzo di partenza, avvicinandosi alle caratteristiche di progetto desiderate.

Gli algoritmi impiegati dai software riconoscono esattamente dove deve essere rimosso il materiale in ogni istante assicurando il mantenimento costante dei carichi utensile, controllando le potenziali collisioni e minimizzando gli svincoli. Al termine della sgrossatura, viene restituito uno stampo sovradimensionato rispetto a quello descritto dal modello CAD.

Il sovradimensionamento è fondamentale in quanto, permette di avere agio nell’esecuzione delle operazioni di finitura che porteranno a ottenere le caratteristiche geometriche della cavità di stampaggio descritta dal progetto. Questo è possibile grazie all’integrazione della cosiddetta tecnologia materiale residuo all’interno dei CAM attuali, la quale rileva il materiale rimanente sul pezzo sottoposto a sgrossatura. Grazie a questa funzione vengono limitati i movimenti non necessari dell’utensile, permettendo di lavorare successivamente con utensili più piccoli che riducono i tempi di lavorazione complessivi. Infatti, in genere, le operazioni di finitura vengono eseguite impiegando frese caratterizzate da diametri inferiori rispetto a quelle impiegate nella sgrossatura così che sia possibile ridurre il tasso di asportazione implementando i risultati in termini di finitura superficiale e precisione geometrica. Ma non solo, la riduzione delle dimensioni dell’utensile e di conseguenza dei parametri di taglio, permette di ridurre le sollecitazioni e le vibrazioni di cui risente il pezzo durante la lavorazione permettendo un processo più stabile e preciso, evitando problemi di difetti nella lavorazione e danni permanenti alla cavità di stampaggio che si sta realizzando. Al termine delle operazioni di finitura, il risultato ottenuto sarà funzione, oltre che degli evidenti parametri di taglio scelti, anche del tipo di percorso scelto e dalle caratteristiche dell’utensile impiegato.

A livello generale, nella sgrossatura il percorso dell’utensile coinvolge solitamente l’utilizzo simultaneo di 2 o 3 assi, mentre nella finitura il percorso dell’utensile è generato come percorso nello spazio e solitamente è realizzato mediante l’uso simultaneo di 3 o più assi. Questo aspetto è poi influenzato dalla tipologia di CNC che si ha a disposizione per effettuare le lavorazioni. Prendendo in considerazione una macchina a 5 assi, è possibile, non solo lavorare con utensile perpendicolare alla superficie di lavorazione, ma anche mantenere l’utensile inclinato di una specifica angolazione che permetta di evitare eventuali ostacoli, lavorare superfici “rigate” rimanendo perpendicolare alla superficie quando questa presenta una certa inclinazione.

L’importanza di un sistema CAM

Per poter realizzare un programma CN è necessario avere a disposizione un sistema CAM che sia in grado di calcolare la posizione punto per punto dell’utensile e l’inclinazione degli assi di rotazione, oppure che calcoli solamente i punti sul pezzo e l’angolo di rotazione degli assi orientabili; in questo secondo caso, le correzioni della geometria della macchina, la lunghezza dell’utensile e la correzione del raggio dell’utensile 3D sono eseguite automaticamente dalla macchina stessa con l’ausilio di funzioni specifiche. Esistono sul mercato numerosi software CAM che, a livello generale, presentano configurazioni e modalità di funzionamento simili tra loro.

Partendo da un modello CAD, sono presenti funzioni di riconoscimento intelligente degli elementi che analizzano la geometria del pezzo per identificare le feature lavorabili sulla macchina utensile. I cicli del percorso utensile utilizzano le proprietà delle feature quali profondità, sformo e stile del foro per ridurre al minimo l’inserimento manuale, velocizzando il processo e riducendo le possibilità di errori. Ogni feature viene automaticamente associata a un piano di lavoro che aziona assi aggiuntivi (ad esempio, il quarto o quinto) per orientare il pezzo. Se il modello CAD viene aggiornato, il percorso utensile associato viene aggiornato automaticamente per riflettere le modifiche alla geometria. In pratica, la conoscenza del pezzo è impiegata per semplificare la programmazione. In questo modo, il processo di programmazione è velocizzato riducendo le possibilità di errore, conducendo, inoltre, un’associazione automatica fra i cambiamenti nella geometria e il nuovo percorso che deve essere eseguito.

Il software CAM definisce il percorso utensile necessario per eseguire il processo in maniera ottimale

Le tecniche di generazione dei percorsi utensile sono diverse, solitamente dipendono dal tipo di movimento che si vuole che l’utensile compia e dall’area in cui si vuole rimuovere materiale. Ad esempio, è possibile identificare modalità di lavorazione definite Z-level contouring, ovvero il software CAM genera il percorso utensile andando a eseguire traiettorie basate sul comune livello di Z. vengono eseguiti dei singoli percorsi chiusi, concentrici che permettono di rimuove il materiale a livelli planari perpendicolari a un asse dell’utensile fisso. È possibile lavorare particolari caratterizzati sia da geometria piana che sagomata.

Una seconda logica di definizione del percorso utensile si basa sulla definizione di curve di intersezione tra la superficie da lavorare e un fascio di piani paralleli o attraverso l’impostazione di curve a parametro geometrico costante che sviluppa un percorso a “zig zag”.

Un altro percorso frequentemente utilizzato è quello a spirale, dove, attraverso l’interpolazione, vengono disegnate delle traiettorie continue concentriche che permettono, con una passata, di raggiungere diversi livelli di Z. Questa rappresenta una delle tecniche di definizione del percorso utensile molto spesso impiegata per la realizzazione di tasche.

Un’ultima strategia di percorso che si può identificare è quella di tipo radiale che asporta materiale partendo da un punto centrale per poi andare verso l’esterno, quasi suddividendo la superficie da lavorare a spicchi.

Dal generale al particolare: le problematiche in fase di programmazione

A prescindere da quale strategia di percorso CAM si decida di impiegare, è importante tenere in considerazione le problematiche che si possono riscontrare durante la fase di programmazione. Infatti, è importane tenere in considerazione i problemi di sottosquadro e di interferenza che si potrebbero verificare durante la definizione del percorso. Ad esempio, è possibile eseguire fresature attuando dei percorsi a spirale, lineari o a “zig zag”, ma non sempre queste traiettorie sono utilizzabili o adatte, il tutto dipende dalla geometria della cavità di stampaggio che si vuole realizzare. A livello generale, è possibile dire che traiettorie a spirale o lineari sono facilmente impiegabili quando è necessario eseguire asportazione per la generazione di tasche, ma non è così detto che questa strategia funzioni allo stesso modo quando si devono realizzare delle isole.

Data la varietà di software CAM esistenti e le opzioni che ciascuna casa cerca di implementare nel proprio software per renderlo sempre più attraente per le aziende, le strategie attuabili per eseguire operazioni di fresatura (sia in termini di sgrossatura che di finitura) sono quasi infinite in quanto possono essere combinate diverse opzioni in termini di percorsi, parametri di processo, utensili e inserti.

Attenzioni che bisogna prestare nel momento in cui si programmano le operazioni di fresatura

Sicuramente un occhio di riguardo va tenuto per i principali parametri di taglio che vengono coinvolti nel processo, come la velocità e l’avanzamento. Infatti, impostare una velocità di taglio e un valore di avanzamento idonei può risultare un processo complicato, ma è indispensabile comprendere quali siano i valori ideali. Impostare una velocità di taglio eccessiva può produrre una dimensione sub-ottimale del truciolo o portare alla distruzione dell’utensile; al contrario, una velocità troppo bassa può, nella migliore delle ipotesi, generare un’asportazione di materiale troppo lenta, nella peggiore delle ipotesi può danneggiare il lavoro fatto causando flessioni o una cattiva finitura. Per quanto riguarda l’avanzamento migliore, esso varia considerevolmente in funzione della tipologia di utensile e del materiale in lavorazione. Se viene impostato un valore di avanzamento troppo basso, si corre il rischio di tagliare nuovamente il truciolo, accelerando l’usura dell’utensile; al contrario, un avanzamento troppo elevato, potrebbe causare fratture e rotture dell’utensile.

Un altro errore che può essere commesso è il continuo impiego della sgrossatura cosiddetta tradizionale; ovvero le operazioni di sgrossatura che vedono una lavorazione caratterizzata da un maggior impegno radiale, ma un minor impiego del tagliente, in quanto l’asportazione di un elevato spessore viene eseguita attraverso una serie, più o meno numerosa, di passate. Al suo posto può essere utilizzata la cosiddetta fresatura a elevata efficienza (HEM), una tecnica di sgrossatura che utilizza una profondità di taglio radiale minore e una più alta profondità di taglio assiale, questo significa che si cerca di impegnare la fresa per tutto il suo tratto utile. Questa tecnica fa in modo che l’usura si distribuisca uniformemente sull’intero tagliente dissipando calore e riducendo le possibilità di danneggiamento. Applicando la tecnica HEM, non solo è possibile prolungare la vita dell’utensile, ma è anche possibile generare una finitura superficiale migliore incrementando il tasso di rimozione del materiale.

Le caratteristiche dell’utensile

L’utensile ricopre un ruolo fondamentale nella buona riuscita di una strategia di lavorazione e di conseguenza della definizione del programma di lavorazione generato dal software CAM. Ogni materiale si lavora meglio con il rivestimento adatto; infatti, molti rivestimenti aumentano la capacità di far scorrere il truciolo sul tagliente e sull’elica, rallentando la normale usura dell’utensile, altri invece aumentano la durezza e la resistenza all’abrasione. È importante tenere in considerazione che non tutti i rivestimenti sono adatti a lavorare tutti i materiali. Tenendo in considerazione la geometria dell’utensile, un fattore importante è la lunghezza del tagliente, infatti, in funzione della tipologia di lavorazione è necessario valutare se sia meglio un tagliente lungo o corto. Ad esempio, nelle operazioni di finitura, un utensile con un tagliente lungo può essere necessario, ma è importante ricordare che questa caratteristica riduce la rigidità e la forza dell’utensile.

È difficile identificare una roadmap generale, le variabili che si riscontrano durante queste lavorazioni sono numerose e non sono legate semplicemente al tipo di software CAM o alla macchina che si impiega, ogni stampo deve essere trattato singolarmente. Tenendo conto che uno dei materiali più comunemente impiegati nella realizzazione di stampi è l’acciaio, ad esempio, è possibile sottolineare che la stessa lavorabilità di questo materiale varia in funzione degli elementi leganti, al trattamento termico e al processo di fabbricazione scelto. Possono quindi verificarsi diversi problemi come la formazione di bave, il tagliente di riporto (se l’acciaio è dolce o a basso tenore di carbonio), la finitura superficiale, la scheggiatura dei taglienti causata da microfessurazioni termiche (in particolare su acciai duri). A carattere molto generale è possibile identificare come caratteristiche comuni in fase di lavorazione, che in sgrossatura sarebbe meglio prediligere elevate velocità di taglio (vc = 150-250 m/min) e lavorare a secco per ridurre i problemi di microfessurazione termica. Per quanto riguarda le operazioni di finitura, per implementare la finitura superficiale, è utile impiegare il fluido da taglio o il refrigerante nebulizzato evitando di impostare avanzamenti eccessivamente ridotti che potrebbero provocare una maggiore usura dell’inserto.

Conclusioni

Gli elementi da considerare durante la definizione di un processo di asportazione per la realizzazione di cavità di stampaggio sono numerosi come abbiamo visto, e se ne potrebbero identificare molti altri. Il fattore utensile, in tutte le sue accezioni (geometria, rivestimento…) e la tipologia di percorso che si intende intraprendere durante l’asportazione sono fattori che influenzano in maniera decisiva la generazione del codice di lavorazione attraverso software CAM. Per questo motivo, è sì importante definire una strategia in termini di percorso utensile ottimale, ma è altrettanto fondamentale inserire all’interno del programma le informazioni necessarie per la corretta gestione della lavorazione, ad esempio, in termini di definizione delle caratteristiche fondamentali dell’utensile, del liquido lubrorefrigerante, del sistema di staffaggio del grezzo. Per fare questo i moderni applicativi CAM sono integrati con delle librerie che permettono di velocizzare il processo di configurazione e di attrezzaggio.

di Mariangela Quarto

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