Machining Centers
PREREQUISITES
- Basic knowledge of chip removal processes
- Basic knowledge of general concepts of mechanical processes
- LEARNING TIME: 45 min.
OBJECTIVES
- Understanding the main functions of the components that make up a CNC machine
- Understanding the main types of CNC machines
- Main kinematic features
- Main machined components
Vertical Milling Machine Haas VF-5/40TR
INTRODUCTION
A machining center is a computer-controlled machine tool used to perform a wide variety of operations and machining processes. These centers are increasingly widespread in the manufacturing world. This diffusion is due to the possibility of substantially increasing the production performance due to the automation of the production process which increases its precision and repeatability.
Example of a component machined by milling (grabcad.com)
WHAT IS A MACHINING CENTER
Un centro di lavorazione è una macchina utensile dotata di controllo numerico in grado di eseguire autonomamente in modo ripetibile e preciso una vasta gamma di operazioni descritte in un programma in linguaggio standard (ISO 6983-1:2009) chiamato G-code, che solitamente viene ampliato con comandi specifici del produttore del controllo e della macchina utensile stessa. Ciò che contraddistingue un centro di lavorazione da una semplice macchina utensile è anche la versatilità nelle lavorazioni eseguibili. É infatti possibile eseguire un’ampia gamma di operazioni (fresatura, foratura, tornitura, lappatura, rettifica etc…) senza la necessità di manipolare il componente e doverlo trasferire da una macchina utensile all’altra quando si cambia tipologia di lavorazione.
The Okuma MB-5000HII is a horizontal spindle milling center
GENERAL ANATOMY OF A MACHINING CENTER
The anatomy of a machining center can be very complex but there are elements in common to all machines that are necessary for operation.
THE MACHINE BED OR CHASSIS
The first component that is introduced is the chassis of the machine. This component is often overlooked but it contains many features that contribute to the good functioning of the machine tool. In fact, it has to:
- Svolgere la funzione strutturale di sostegno statico ai componenti della macchina. In secondo luogo, deve garantire una rigidezza tale da assicurare deformazioni minime che possono scaturire dalle inerzie dei componenti mobili e dalle forze di taglio durante le lavorazioni.
- Un’altra funzione importante che svolge lo chassis è quella di smorzare il più possibile le vibrazioni provenienti sia dall’ambiente di lavoro circostante sia dal macchinario stesso (vibrazioni prodotte da altre macchine, motori elettrici ed altri azionamenti sia interni alla macchina che esterni).
- Ridurre le deformazioni termiche dovute al calore generato dalla lavorazione e dagli azionamenti, ma anche dall’ambiente circostante.
Minimizing deformations and vibrations is of enormous practical importance as they can be the cause of defects in the manufactured component as non-respected tolerances or out-of-spec surface finishes.
Example of a machining center chassis
THE AXES
Gli assi della macchina si occupano del movimento motorizzato roto-traslatorio (ovvero traslazione e rotazione) relativo tra utensile e grezzo.
Gli assi lineari:
Gli assi che si occupano del moto traslatorio (ovvero lungo X, Y, Z) sono formati a loro volta da diversi componenti:
- linear guide rails
- the table (or moving block) on which the spindle or blank is mounted
- the engine (non represented in the picture)
- the control screw (not represented in the picture), or the organ used to transmit motion between the motor and the moving block
Example of a linear guide rail of a milling machine with moving block
Some of the most precise machines are equipped with linear motors that do not need to convert a rotary motion into a linear one. However, they are expensive and require adequate controls and heat dissipation systems. Currently they have a limited implementation (for example the YASDA YMC650+RT20).
Come per lo chassis, anche le guide e i blocchi mobili devono essere concepiti in modo tale da poter reggere i carichi scaturiti dal processo riducendo le deflessioni. In questo caso sono necessarie elevate rigidezze flessionali e torsionali per garantire la precisione nel movimento e nel posizionamento degli organi.
The rotary axes:
Questi sono gli assi che implementano il moto rotatorio sono concepiti in modo differente in quanto la rotazione viene conferita direttamente dal motore elettrico senza organi che convertano il tipo di moto. Eventualmente può essere interposto un riduttore o una trassione per regolare la coppia ed il regime di rotazione (e.g. un sistema cinghia-puleggia).
THE SPINDLE
The spindle represents the beating heart of the machining center as it is responsible for providing power and transmitting it to the tool to remove material. There are different types of spindle but the most common are two:
- Il mandrino azionato a cinghia, in cui il motore non è coassiale all’asse di rotazione dell’utensile
- Il mandrino con motore integrato, in cui la disposizione dei componenti è coassiale
Belt Driven Spindle
The first typology introduced is the one with belt drive. This type of architecture has several advantages:
- essendo il motore separato dall’asse mandrino, vi è la possibilità di montare un motore di grosse dimensioni, dunque, di accedere ad elevate potenze e coppie
- è un’architettura economica in quanto i componenti sono di semplice fattura
- vi è inoltre la possibilità di montare un riduttore a più velocità, rendendo la macchina più versatile in termini di regime di rotazione e coppia disponibile
Spindle with integrated motor
La seconda tipologia di mandrino ha un motore integrato. Questo tipo di architettura permette una connessione diretta tra motore e asse mandrino rimuovendo la necessità di cinghie e cuscinetti che resistano ad elevati carichi radiali. Vengono introdotte però altre limitazioni quali la necessità di un motore dal diametro contenuto e di conseguenza bassa coppia e sulla potenza espresse al mandrino dovuti allo spazio disponibile. Il vantaggio maggiore apportato da questa configurazione è la possibilità di raggiungere regimi di rotazione elevati senza imporre carichi elevati ai componenti meccanici.
Regarding the motor used to operate the spindles, the most common is the AC three-phase induction motor. The rotor is shrinked to the spindle shaft in the case of the integrated solution or to the pulley in the case of a belt. The important aspects that characterize the motor of a spindle are the torque/rotation speed and power/rotation speed curves. As in a classic electric motor, the maximum torque is reached at very low speeds and this decreases as the rotation speed increases. For this reason, it is important to take into account the availability of torque and power when designing the machining operation in order to identify the optimal region of cutting parameters to be used, such as cutting speed, feed rate and depth of cut.
THE TOOLHOLDER
Il mandrino da solo non è sufficiente per compiere una lavorazione ma servono un utensile e un’interfaccia che lo possa vincolare al mandrino. Per questo si utilizzano i cosiddetti portautensili, che permetteono l’accoppiamento del mandrino con l’utensile che offra rigidezza, precisione di centraggio e trasmissione della coppia. A tal fine esistono diverse tipologie di interfaccia mandrino/portautensile come, ad esempio, HSK (ISO 12164-1, DIN 69893), BT (JIS B 6339-2, MAS 403) etc.
Tool holder with HSK interface (BIG KAISER HSK E32 MEGA13N 70 Tool Holder)
TOOL MAGAZINE
Si passa ora a presentare una delle parti più innovative introdotte dai centri di lavorazione CNC, ovvero il magazzino utensili con sistema ATC (Automatic Tool Change). Il magazzino di queste macchine può essere realizzato in molteplici architetture e dimensioni. Si pensi che la capienza di un magazzino utensili può variare da poche unità fino a varie centinaia. É importante sottolineare come il sistema ATC permetta la sostituzione automatizzata dell’utensile sul mandrino in modo preciso e veloce.
Si distinguono principalmente tre tipi di magazzino ATC: a tamburo, a catena o a scaffale robotizzato.
- The first one is shaped like a rotating drum with the tools arranged around its circumference.
- The second one instead includes chain and gear wheel systems with the tools always arranged in either a horizontal or vertical position.
- The third one finally includes shelving systems equipped with an automated mechanism capable of picking up the tool from the rack and bringing it to the spindle.
Automating this step ensures a significant gain in performance as the tool change is carried out in just a few seconds and guarantees a higher level of safety for the operator and for the tool itself as the former does not have to get close to the machine and the latter is handled much less.
Examples of chain ATC (e.g. OKUMA GENOS M460V-5AX) and drum (e.g. HAAS UMC 750 SS)
Now that the general mechanical parts of the machine have been briefly introduced, we will introduce the type of control that allows the machining center to act automatically.
HOW DOES THE CONTROL OF MACHINING CENTERS WORK?
Il controllo di una macchina CNC (Computer Numerical Control) è composto da tre unità: l’unità NC che offre l’interfaccia utente ed esegue il controllo della posizione, l’unità motore e l’unità driver. In senso stretto, solo l’unità NC è chiamata sistema CNC. Da un punto di vista funzionale, il sistema CNC è costituito dall’unità HMI o MMI (Human/Man Machine Interface), dall’unità NCK (Numerical Control Kernel) e dall’unità PLC (Programmable Logic Control).
L’unità HMI offre l’interfaccia tra NC e utente, esegue il comando di funzionamento della macchina, visualizza lo stato della macchina e offre funzioni per la modifica del programma pezzo.
L’unità NCK, essendo il nucleo del sistema CNC, interpreta il programma ed esegue l’interpolazione, il controllo della posizione, la compensazione degli errori in base al programma interpretato, controlla il sistema servo e determina la lavorazione del pezzo.
Il PLC controlla in sequenza il cambio utensile, la velocità del mandrino, il cambio pezzo, l’elaborazione del segnale in/out e svolge il ruolo di controllo del comportamento della macchina, ad eccezione del controllo servo.
THE HMI
L’unità HMI offre l’interfaccia (pulsanti, sirene, cicalini, schermi e interruttori) necessaria all’utente per comunicare con la macchine utensili e viceversa. Esistono molti tipi di interfaccia utente basati sui concetti di progettazione del produttore CNC. Le funzioni dell’interfaccia utente sono generalmente classificate in cinque gruppi:
- Funzioni operative: queste funzioni sono quelle utilizzate più frequentemente e supportano il funzionamento della macchina. Parte di queste funzioni sono svolte dal display che mostra lo stato della macchina. Ad esempio vengono mostrati la posizione, la distanza da percorrere e l’avanzamento, la velocità del mandrino, il blocco in esecuzione ecc…
- Funzioni di impostazione dei parametri: il funzionamento di un sistema CNC è caratterizzato da parametri che vanno a condizionare il suo comportamento, essi sono classificati in tre tipi: parametri macchina (utilizzati per impostare la regolazione della macchina, il sistema di azionamento servo/mandrino, l’offset utensile, le coordinate di lavoro e il limite delle corse degli assi), parametri di programma (devono essere impostati durante la modifica del programma pezzo, ad esempio gli offset dell’origine macchine) e parametri di personalizzazione (vengono utilizzati per adattare la macchina alle esigenze dell’utente, ad esempio colori, lingua ecc…)
- Funzioni di modifica del programma: queste funzioni sono in grado di modificare il programma pezzo, che è un codice G basato sullo standard EIA/ISO. In pratica, è necessario che l’utente conosca i codici G/M ed esegua calcoli matematici per modificare il programma in codice G. Poiché il calcolo matematico rende difficile modificare i programmi, sulle macchine più moderne sono stati introdotti sistemi di programmazione conversazionale, ovvero un software che permette l’inserimento di operazioni parametriche pre-programmate.
- Funzioni di monitoraggio e allarme: il sistema CNC informa l’utente dello stato della macchina ed esegue le attività programmate e informa l’utente del risultato. Queste funzioni sono essenziali quando le macchine utensili vengono eseguite ad alta velocità. Svolgono il ruolo di fornire informazioni di monitoraggio come lo stato di allarme, il metodo di ripristino di emergenza, lo stato del PLC e il diagramma ladder in esecuzione.
- Funzioni di servizio/utilità: sono fornite molte funzioni utili per assistere gli utenti. La funzione DNC per la trasmissione del programma pezzo, che viene modificato esternamente al CNC, il servizio file per la copia dei parametri interni e comunicazione per la connessione con i computer.
HMI of YASDA YMC650+RT20
THE NCK
Le funzioni principali dell’unità NCK sono: interpretare i programmi ISO, calcolare l’interpolazione degli assi, fungere da controller di accelerazione/decelerazione e da controller di posizione.
- L’interprete svolge il ruolo di leggere un programma. La sua lettura avviene in blocchi ASCII e vengono memorizzati i dati interpretati nella memoria interna per l’interpolatore. In generale, l’NC emette gli ordini relativi ai dati interpretati e l’interprete legge e interpreta il blocco successivo mentre il comando viene eseguito. In alcuni casi la velocità con cui vengono eseguiti i comandi è superiore a quella con cui vengono letti creando potenzialmente dei fermi tra un comando e l’altro. Per evitare questi arresti momentanei durante l’esecuzione di un programma letti i blocchi successivi a quello in esecuzione e i comandi processati vengono salvati momentaneamente in un buffer nell’attesa di esser eseguiti (internal data buffer).
- L’interpolatore svolge il ruolo di leggere in sequenza i dati dell’internal data buffer, calcolare la posizione e la velocità per unità di tempo di ciascun asse e memorizzare il risultato in un buffer FIFO per il controller di accelerazione/decelerazione. In un sistema a controllo numerico possono essere utlizzati quattro tipi di interpolatore differenti: lineare, circolare, parabolico ed spline. A seconda dell’applicazinoe della macchina viene impiegata la tipologia più adatta. L’interpolatore genera un impulso corrispondente ai dati del percorso in base al tipo di traiettoria e invia l’impulso al buffer FIFO. Il numero di impulsi è deciso in base alla lunghezza del percorso e la frequenza degli impulsi è basata sulla velocità.
- Se il controllo della posizione venisse eseguito utilizzando i dati generati dall’interpolatore, si verificano grandi vibrazioni meccaniche e urti ogni volta che il movimento degli azionamenti inizia e si arresta all’esecuzione di ogni singolo avanzamento comandato. Per prevenire vibrazioni meccaniche e urti, il filtro per il controllo di accelerazione/decelerazione viene eseguito prima che i dati interpolati vengano inviati al controller di posizione. Questo metodo è chiamato metodo “acceleration/deceleration after-interpolation“. Esiste anche un metodo “acceleration/deceleration-before-interpolation“, in cui il controllo di accelerazione/decelerazione viene eseguito prima dell’interpolazione.
- I dati, dal controller di accelerazione/decelerazione, vengono inviati a un controller di posizione ed questo viene eseguito in base ai dati trasmessi in un intervallo di tempo costante. Un controllo della posizione in genere significa un controller PID (Proportional Integral Derivative) e invia comandi di velocità al sistema di azionamento del motore per ridurre al minimo la differenza di posizione tra la posizione comandata e la posizione effettiva rilevata dall’encoder.
Logic schem of the NGK unit (“Theory and design of CNC systems”, Suh, S.H., Kang, S.K., Chung, D.H. and Stroud, I., 2008)
THE PLC
Il PLC viene utilizzato per eseguire il controllo sequenziale di azioni in una macchina CNC. In passato, il controllo logico veniva eseguito utilizzando hardware costituito da relè, contatori, timer e circuiti. Pertanto, era considerato un controllore logico basato su hardware.
Tuttavia, i recenti sistemi PLC sono costituiti da alcuni dispositivi elettrici tra cui microprocessori e memoria, in grado di eseguire operazioni logiche, la funzione contatore, la funzione timer e operazioni aritmetiche. Pertanto, un sistema PLC può essere definito come un controllore logico basato su software. I vantaggi dei sistemi PLC basati su software sono i seguenti:
- Flessibilità: la logica di controllo può essere modificata modificando solo un programma.
- Scalabilità: l’espansione di un sistema è possibile aggiungendo moduli e modificando i programmi.
- Efficienza economica: la riduzione dei costi è possibile grazie alla riduzione dei tempi di progettazione, all’elevata affidabilità e alla facile manutenzione.
- Miniaturizzazione: le dimensioni di installazione sono inferiori rispetto a una scatola di controllo relè.
- Affidabilità: la probabilità di guasti dovuti a un contatto difettoso diminuisce grazie all’utilizzo di un semiconduttore.
- Prestazioni: sono possibili funzioni avanzate come operazioni aritmetiche e modifica dei dati.
The hardware architecture of the PLC unit in an NC system includes a microprocessor, a system memory, a program memory, and an input/output module. As soon as the power is turned on, the system memory sets up the hardware environment of the PLC, and the program memory manages input/output, relays/timers/counters, and stores a user program and data to be interpreted by the microprocessor.
The PLC unit of a CNC system is similar to a generic PLC system, but there is an auxiliary controller that partially assists in the functions of the NCK unit. There are five different standardized PLC programming languages (IEC 1131-3):
- Ladder Diagrams (LD)
- Function Block Diagram (FBD)
- Sequential Function Chart (SFC)
- Structured Text (ST or STX)
- Instruction List (IL)
The most popular of the five is the LD thanks to its intuitive graphic design.
Example of programming in Ladder Logic language
CLASSIFICATION BASED ON PROCESSES TECHNOLOGY AND POSITION OF AXES
La principale caratteristica a cui ci si riferisce per classificare un centro di lavorazione è il numero di gradi di libertà disponibili per la lavorazione ovvero il numero di assi azionabili dalla macchina. Le tipologie più comuni di centri di lavorazione sono le seguenti:
- 2 assi lineari, in cui gli assi interpolati sono solo 2
- 2 assi e mezzo lineari, in cui gli assi interpolati sono 2 mentre il terzo è movimentato solo in posizionamento
- 3 assi lineari, in cui gli assi interpolati sono tutti e 3 (X, Y e Z)
- 4 assi, in cui gli assi movimentati sono 3 di traslazione e uno di rotazione
- 5 assi, in cui gli assi interpolati sono 3 di traslazione e 2 di rotazione garantendo una quasi completa libertà di movimento nello spazio rimanendo entro i limiti geometrici e di mobilità degli assi della macchina (fine corsa, ingombro dell’attrezzatura e del grezzo). Il sesto asse è di rotazione lungo l’asse dell’utensile.
Degrees of freedom of a 3 and 5 axis machine
There are machining centers that have more than 5 machining axes. This means the possibility of performing a movement through redundant axes or multiple machining operations in parallel as in the case of multi-spindle machines (e.g. INDEX CNC-Mehrspindeldrehautomat MS40-8: Produktiver mit 8 Spindeln! – YouTube).
It is possible to make a further distinction in the vast panorama represented by machining centers. Based on the application of the machine tool, the main types of machining centers on the market are the following:
- 3-axis Vertical Milling Machine (VMC, Vertical Machining Center)
- 5-axis Vertical Milling Machine (VMC, Vertical Machining Center)
- 4-axis horizontal milling machine (HMC, Horizontal Machining Center)
- Bridge milling machine
- 2-axis lathe
- 3-axis lathe
- Multi-turret lathe
- Swiss lathe
3-AXIS VERTICAL MILLING MACHINE
Example of a 3-axis vertical milling machine (Haas MiniMill)
A 3-axis VMC is characterized by the ability to move the X, Y and Z translation axes. It is called vertical because the rotation axis of the spindle is tipically in the vertical direction corresponding to the Z axis. These types of machines are very popular because they are very versatile, they give the possibility of creating shapes of any kind, as long as the geometry of the piece being machined does not have undercuts By design they have a more economical architecture than other more complex machines such as those with 4 or 5 axes.
The most general configuration of a 3-axis VMC consists of associating the translation along the X and Y axes to the worktable on which the workpiece is fixed, while the vertical translation Z is associated with the spindle axis. An example of this layout is the Haas MiniMill. There are also other configurations in which the X or Y axis or even both are associated with the spindle.
Applicazione: Realizzazione di componenti da a semplici a complessi senza sottosquadri.
5-AXIS VERTICAL MILLING MACHINE
A 5-axis VMC is characterized by the ability to move the translation axes X, Y and Z and at the same time the rotation axes of which, in most cases, one is around the X or Y axis and one is around the Z axis but is housed on the table, allowing the piece to rotate on itself.
- Axis A → rotation around the X axis
- Axis B → rotation around the Y axis
- Axis C → rotation around the Z axis
These machining centers are the most versatile centers in absolute terms as they guarantee the greatest number of degrees of freedom for machining. They can work on complex geometries and those characterized by undercuts. Naturally, this flexibility affects both the cost of the machine, making this configuration one of the most expensive, and the difficulty of programming.
A common 5-axis VMC configuration associates one translational axis (X or Y) and two rotary axes to the machining table, while the other two linear axes are associated with the spindle. An example of this layout can be the Yasda YMC650+RT20. There are also other configurations in which for example both X and Y axes are responsible for moving the table etc.
Example of a 5-axis vertical milling machine (Yasda YMC650+RT20)
It is useful to underline how the presence of rotation axes can contribute to the efficiency of a process that can be achieved also with a 3-axis milling machine. The possibility of varying the inclination between the tool and the piece makes it possible to adopt more efficient strategies than those implemented on a 3-axis machine. This involves both a reduction in production times and greater precision on the piece considering that with a 5-axis VMC it is possible to reduce the number of setups even when multiple faces of the component must be machined also in presence of undercuts.
Applicazione: Realizzazione di componenti con geometrie molto complesse anche caratterizzate da sottosquadri con la conseguente riduzione del numero di setups.
4-AXIS HORIZONTAL MILLING MACHINE
A 4-axis HMC is characterized by the ability to move the 3 translation axes X, Y and Z and at the same time also the rotation axes of the table. In this case, the machine is called horizontal because the rotation axis of the spindle is placed horizontally. According to the standard nomenclature, the Z axis is placed horizontally coherently with the spindle. An example of this type of machine is the Okuma MB-5000HII.
Example of a 4-axis horizontal milling machine (Okuma MB-5000HII)
Il vantaggio principale portato da un’architettura di questo genere è la possibilità di lavorare un grezzo di grandi dimensioni bloccandolo sulla tavola oppure grezzi più piccoli bloccandoli in morsa su una apposita attrezzatura (tombstone, v. figura). La posizione del mandrino in orizzontale facilita l’evacuazione del truciolo. Grazie a queste sue peculiarità possono essere montati sulla tavola dei portapezzi detti spalle o squadre (o tombstones) che possono ospitare molti grezzi contemporaneamente e che possono essere lavorati in serie aumentando la produttività della macchina.
Example of a tombstone
Applicazione: Realizzazione di molteplici componenti in serie o in alternativa particolari di grandi dimensioni.
BRIDGE MILLING MACHINE
La fresatrice a portale è una fresatrice (a tre o a cinque assi) dalla configurazione particolare. Essa infatti è stata concepita principalmente per la realizzazione di componenti di grandi dimensioni per rispondere all’esigenza di avere lunghe corse degli assi. A tal fine questo tipo di fresatrice è composta da due elementi principali che sono il portale ed il letto.
Example of a Gantry Milling Machine (Hartford HSA-423)
The portal (also called a bridge or gantry) is a double-column structure with a crosspiece that supports the spindle; the bed, on the other hand, constitutes the plane on which the component being machined is fixed. Given the considerable dimensions of the bed and the rough workpiece, it is not possible to house the rotary axes on the table since the mass to be rotated would be excessive and complex to manage. If the rotation axes are present, they must be mounted close to the spindle in order to give rotation to the tool. The portal structure also allows the milling machine to move around the machined component without too many space problems. There are then two variants of this milling machine: portal and mobile portal. While in the first case the translational motion along the longitudinal direction is given to the piece, in the second case, however, the translation in the same direction is given directly to the portal structure, which is housed on motorized guides. The transverse motion, however, in both typologies is given to the spindle that moves along the crosspiece of the portal. An example of a fixed portal milling machine is the Hartford HSA-423.
Applicazione: Lavorazione di componenti di considerevoli dimensioni e massa.
2-AXIS LATHE
The 2-axis lathe is the simplest type of CNC lathe on the market. The 2 translation axes in this case are the X axis and the Z axis. The first is perpendicular to the rotation axis of the piece, therefore, it moves the machining turret radially while the Z axis is parallel to the rotation axis and translates the turret in the longitudinal direction. An example of a 2 axis lathe is the Okuma GENOS L3000-E. This relatively simple configuration of the machine allows it to be economical but maintains high productivity.
Example of a 2-axis lathe (Okuma GENOS L3000-E)
Applicazione: Realizzazione di componenti assialsimmetrici.
3-AXIS LATHE
The 3-axis lathe, compared to the 2-axis one, has a third axis called Y. The presence of this axis allows for complete movement capacity in the radial direction with respect to the rotation axis of the piece. In this way, it is possible to carry out not only simple turning and drilling operations but also milling operations. This is possible with motorized turrets and special tool holders equipped with transmission. They are able to give rotation to the cutter or tip, supplying power in order to remove material.
Example of a tool holder with transmission for a Haas BMT45 lathe model
An example of a 3-axis lathe is the Okuma GENOS L3000-E with the addition of the optional Y-axis. In this way, the machine becomes much more versatile and also allows for milling operations.
Applicazione: Realizzazione di componenti assialsimmetrici o con semplici geometrie prismatiche con l’aggiunta di features realizzate mediante fresatura.
MULTI-TURRET LATHE
The multi-turret lathe has multiple tool turrets, each of which, in most cases, has 2 or 3 degrees of freedom with respect to the rough material and allows for multiple operations to be performed simultaneously. An example of a multi-turret lathe is the Okuma LT3000. The greatest advantage of using this configuration is increased productivity. The most competitive aspect of the machine is the ability to work in parallel and perform several operations simultaneously on the same piece. It is therefore suitable for use in high-volume production and situations where the investment can be amortized with the increased productivity. Typically, the products machined on these machines are produced in series that involve the production of large batches of the same component.
Example of the working area of a CMS TTL series multi-turret lathe
Applicazione: Realizzazione di componenti lunghi e complessi che richiedono un’ingente quantità di rimozione materiale. Lavorazione di pezzi piccoli in cui è possibile dividere le operazioni tra le torrette per ridurre drasticamente il tempo ciclo.
SWISS LATHE
The sliding headstock lathe is a special machine whose architecture differs from that of a classic lathe. The main peculiarity of a sliding headstock is that the feed motion, the longitudinal one, is no longer associated with the tool but with the rough material.
The Swiss lathe was born from the need to obtain multiple small components in series from single bars of long dimensions. The need therefore is to have the possibility of continuously supplying material to the work area without continuous clamping of shorter bars.
Nella figura qui sotto viene schematizzato un tornio svizzero. Come si può vedere la barra, che in questo caso è caricata da destra verso sinistra, viene spinta dalla fantina mobile attraverso una boccola chiamata bussola di guida la cui funzione è quella di mantenere il sistema rigido. Entrata nell’area di lavoro la barra viene lavorata dagli uTensili che sono fissati al telaio e che si muovo in direzione radiale per asportare materiale.
An example of a sliding headstock lathe can be found in the Star SW-20.
Schematic of a sliding headstock lathe
Applicazione: Realizzazione di componenti generalmente piccoli ed in lotti di grandi dimensioni (viteria, componenti per orologi ecc…).
VERTICAL LATHE
This lathe works like a conventional lathe but the rotation axis of the piece is not horizontal but vertical. This configuration is mainly used for the production of heavy and large diameter components (e.g. train wheels) whose clamping on a horizontal vice would generate moments and shear stresses that the machine would not be able to support.
Example of a horizontal lathe (RIC-DV3000)
Applicazione: Lavorazione di componenti di diametri importanti con considerevole massa.
MULTITASK MACHINING CENTER
A multitask machining center is a type of machine that can perform multiple operations without the need for a setup change. In general, a multifunctional machining center can perform both turning and milling operations without any repositioning of the blank or machine change between one operation and another.
Example of a multitask center (Okuma MULTUS U4000)
There are multitask machining centers with different internal arrangements. For example, in the Okuma MULTUS U4000, there is a spindle with tip and tailstock with a horizontal rotation axis like in a traditional lathe, but there is also a spindle for milling. The peculiarity of this machine is that this second spindle can function both statically as a tool holder turret and as a real spindle and creates turn-milling or pure milling features.
Another arrangement could be that of the IBARMIA ZVH 55, in which the rotation for turning is given by the rotation of the table around the vertical axis, as happens for a vertical lathe.
The advantages brought by the adoption of this solution are multiple:
- Savings in terms of time and labor due to the absence of piece repositioning between one process and another, allowing the finished product to be obtained with a single set-up on a single machine
- Space saving, as one machine performs the functions that are traditionally associated with two different machines (lathe and milling machine)
- Improved accuracy, as single placement of the piece reduces sources of error.
- ACQUIRED SKILLS
You have acquired the following skills:
- Understanding the main functions of the components that make up a CNC machine
- Recognize the main types of CNC machines
- Recognize their main kinematic characteristics
- Make an initial choice of the machine configuration based on the pieces to machine
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Prof. Annoni Massimiliano, Politecnico di Milano: massimiliano.annoni@polimi.it - For educators:
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