Utilizzo della curva di coppia e potenza del mandrino per la scelta dei parametri di taglio

PREREQUISITI

  • Conoscenza base di CNC
  • Conoscenza base dei processi di fresatura
  • Conoscenza base di software CAD/CAM

OBIETTIVI

  • Scegliere il diametro utensile e la velocità di rotazione adeguata alla lavorazione considerando la coppia e la potenza erogabili dal mandrino
  • Eseguire i calcoli utili per definire i parametri di taglio in funzione della posizione scelta nella curva caratteristica del mandrino

DOMANDE ANTICIPATIVE

  1. Sai che la macchina potrebbe non riuscire a lavorare se non scegli correttamente i parametri di taglio considerando la coppia e la potenza erogabili dal mandrino?

  2. Sai che non basta che il tool holder della macchina possa montare un certo diametro di utensile per essere certi che la macchina potrà sopportare le coppie e potenze che si generano in lavorazione?

  3. Sai che i centri di lavoro sono progettati appositamente per lavorare in condizioni specifiche? In altre parole, una macchina adatta alle lavorazioni di precisione non è adatta alle lavorazioni standard

  4. Sai calcolare le forze, le coppie e le potenze che si generano in lavorazione? È utile per scegliere gli utensili!

Scelta dellA velocità di taglio

Rappresentazione delle velocità caratteristiche di un processo di fresatura.

Interfaccia di CoroPlus Tool Guide, software online per la scelta dei parametri di taglio (Sandvik Coromat).

SCELTA DEL DIAMETRO DELL'UTENSILE

Esempio di tasche con spigoli raccordati a 1.5 mm.

Possibili diametri dell’utensile:

    • Dc1 = 2 mm
    • Dc2 = 2.8 mm
    • Dc3 = 4 mm

La terza fresa è chiaramente non adatta, ma potremmo sceglierne una delle altre due. Dc dipende dalla geometria da realizzare. In generale, è meglio usare utensili relativamente grandi in quanto sono più rigidi, ma i raccordi nel pezzo limitano il raggio utensile (v. “Come selezionare un utensile usando un catalogo online”).

USO DEL DIAGRAMMA DI COPPIA E POTENZA DEL MANDRINO PER LA SCELTA DEI PARAMETRI

Centro di lavoro Kern Evo.

Questo diagramma è la curva caratteristica del mandrino, che ha una importanza fondamentale per scegliere l’utensile e i parametri di processo. La prima cosa da notare è che la performance di coppia e di potenza dichiarata nel datasheet della macchina si riferisce a un certo intervallo di numero di giri.

Infatti, si può vedere come la potenza massima sia fornita soltanto oltre i 40.000 giri al minuto.

Ciò significa che il mandrino della macchina è adatto a girare velocemente.

INTERAZIONE TRA DIAMETRO DELL'UTENSILE E VELOCITÀ DI TAGLIO

v_c=\frac{\pi \cdot D_\mathrm{c} \cdot n}{1000}

Variazione del punto di utilizzo della macchina in funzione del diametro di taglio.

Il diametro utensile è vincolato dalla geometria del pezzo (i raggi di raccordo delle tasche fissano un limite superiore per Dc), ma anche dal diagramma di coppia e di potenza del mandrino in quanto è meglio massimizzare la coppia e la potenza disponibili per usarle per aumentare la produttività. In altre parole, il diagramma di coppia e potenza del mandrino fissa un limite superiore per Dc.

VELOCITÀ DI AVANZAMENTO E TASSO DI RIMOZIONE DI MATERIALE (MICROFRESATURA)

Ora consideriamo l’equazione della velocità di avanzamento vf:

v_\mathrm{f} = n\cdot f_\mathrm{z}\cdot Z

Z vale tipicamente 2 in microfresatura e tende ad essere elevato per sfruttare meglio il mandrino, inoltre fz non può essere troppo piccolo per evitare il ricalcamento (minimum chip thickness effect).

Profondità di passate assiale ap, radiale ae e velocità di avanzamento vf.

La velocità di avanzamento aumenta: questo significa che vf tende ad essere elevato in microfresatura. Per questa ragione, i centri di microfresatura devono avere una buona performance in termini di massima velocità di avanzamento.

MRR = v_\mathrm{f}\cdot a_\mathrm{p} \cdot a_\mathrm{e}

Il Material Removal Rate (MRR) è limitato da ap e ae che sono piccoli in quanto legati alle dimensioni dell’utensile.
Per massimizzare l’MRR, abbiamo già vf, ma anche la profondità di taglio deve essere considerata. ae è limitata per preservare l’integrità dell’utensile (v. “Selezione dei parametri di taglio nelle aree critiche del percorso utensile (raccordi)“). ap invece può essere aumentata secondo le indicazioni dell’utensiliere e le nuove strategie di fresatura trocoidali (bassa ae e alta ap), che sono state inventate per la fresatura ad alta velocità e la microfresatura.

FRESATURA STANDARD

Nella fresatura standard, Z può essere aumentato per migliorare la produttività, ma il diametro dell’utensile è maggiore e n tende a ridursi per ottenere la velocità di taglio richiesta. Il diagramma del mandrino deve essere adatto per questa situazione (i mandrini dei centri di microfresatura e di fresatura ad alta velocità non lo sono). L’MRR è sostenuto da ap e ae che sono più grandi grazie alle dimensioni maggiori della fresa.

Diagramma caratteristico dell’Okuma Genos M460V.

In questo nugget, consideriamo quello che accade nelle traiettorie rettilinee. Considereremo quanto accade nelle curve nel prossimo nugget. ae gioca un ruolo sullo spessore massimo del truciolo hex tramite l’angolo di impegno della fresa. hex può essere usato per calcolare la forza di taglio massima secondo il metodo della pressione di taglio. L’angolo di spoglia frontale (ɣ0) gioca un ruolo importante nella pressione di taglio.

Come noto, quando ɣ0 aumenta, l’azione di taglio richiede una forza minore. In qualche caso, un valore rappresentativo medio della forza di taglio deve essere calcolato per un certo angolo di impegno della fresa. Lo spessore di truciolo medio hm può essere calcolato come indicato di seguito. hm può essere usato per calcolare la corrispondente pressione di taglio e forza di taglio.

Schema per il calcolo dello spessore di truciolo medio e massimo.

Angolo di impegno della fresa:

cos(\varphi) = \frac{\frac{D_\mathrm{{c}}}{2}-a_\mathrm{e}}{\frac{D_\mathrm{{c}}}{2} } = \frac{D_\mathrm{{c}}-2a_\mathrm{e}}{D_\mathrm{{c}}} = 1 – \frac{2a_\mathrm{e}}{D_\mathrm{c}}

Approccio allo spessore di truciolo massimo:

h_\mathrm{{ex}} = f_z sin(\varphi)
k_\mathrm{{c,ex}} = k_\mathrm{{c1}}h_\mathrm{{ex}}^{-x}(1-\frac{\gamma_0}{100})
F_\mathrm{{c,ex}} = k_\mathrm{{c,ex}}A_\mathrm{D} = k_\mathrm{{c,ex}}h_\mathrm{{ex}}a_\mathrm{p}

Approccio allo spessore di truciolo medio:

h_\mathrm{m}=\frac{2f_\mathrm{z}a_\mathrm{e}}{\varphi D_\mathrm{{c}}}

k_\mathrm{{c,m}} = k_\mathrm{{c1}}h_\mathrm{{m}}^{-x}(1-\frac{\gamma_0}{100})

F_\mathrm{{c,m}} = k_\mathrm{{c,m}}A_\mathrm{D} = k_\mathrm{{c,m}}h_\mathrm{m}a_\mathrm{p}

kc1: Pressione di taglio di riferimento (N/mm2)

x: Coefficiente del materiale dell’utensile (ad es. x = 0,25)

kre = 90° (fresa a candela)

Note:

    • Esprimere ɣ0 in valori decimali nella formula di kc,ex
    • In generale usiamo lo spessore medio di truciolo per calcolare la forza valido anche per valori di φ > 90°, anche se in quel caso sottostimerebbe il valore dello spessore massimo del truciolo. Nel nostro caso, abbiamo φ < 90°, così possiamo usare hex espresso dalla formula indicata per essere conservativi. In questo modo, possiamo calcolare lo spessore massimo di truciolo e la forza massima.

COPPIA DI TAGLIO, POTENZA E DEFLESSIONE UTENSILE

Considerando che solo un tagliente è impegnato alla volta, possiamo usare semplici formule per calcolare la coppia e la potenza di taglio. Come fatto precedentemente, ci riferiamo allo spessore di truciolo medio e allo spessore di truciolo massimo hm e hex.

M_\mathrm{{c,m}} = F_\mathrm{{c,m}}\frac{D_\mathrm{c}}{2}

M_\mathrm{{c,ex}} = F_\mathrm{{c,ex}}\frac{D_\mathrm{c}}{2}

P_\mathrm{c} = F_\mathrm{c}v_\mathrm{c}*

Momento di inerzia di una sezione circolare (modelliamo la fresa come un cilindro; in questo modo sovrastimiamo J):

J = \frac{\pi D_\mathrm{c}^4}{64}

La deflessione utensile che viene espressa nella seguente equazione gioca un ruolo sull’accuratezza del pezzo.

d = \frac{F_\mathrm{c}L^3}{3EJ}**

*Formula valida per un tagliente impegnato

**L è la lunghezza a sbalzo (consideriamo la fresa come una trave incastrata)

Schema delle grandezze caratteristiche di una fresa: diametro di taglio Dc, lunghezza a sbalzo L, angolo d’elica ɣp, angolo di spoglia frontale ɣ0 e raggio di punta dello spigolo re.

La forza di taglio Fc può essere usata per calcolare la deflessione utensile in funzione del diametro dell’utensile e della lunghezza a sbalzo. Come atteso, la lunghezza a sbalzo deve essere mantenuta più piccola possibile per ridurre la deflessione utensile e il conseguente errore sul pezzo.

Hai acquisito le seguenti competenze:

  • Scegliere i parametri di taglio tenendo conto della curva di coppia e potenza del mandrino della macchina.

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