Più produttività con la profilatura meccanizzata degli spigoli

mepI produttori svolgono operazioni di tornitura, fresatura e foratura per effettuare le lavorazioni dei componenti. Tuttavia, questi stessi processi possono anche produrre bave e spigoli troppo affilati, che possono causare la rottura del componente quando è in uso, provocare un indebolimento strutturale e costituire un pericolo durante la movimentazione. Tali condizioni negative sono il motivo per cui molti utenti finali considerano bave o spigoli troppo affilati come motivi per rifiutare i pezzi provenienti dai fornitori.

Tradizionalmente, i produttori rimuovevano bave e spigoli affilati mediante rettificatrici a mano ed altri processi manuali. Tali metodi sono lenti e richiedono l’estrazione del pezzo dalla macchina utensile ed il suo fissaggio per le operazioni di sbavatura o smussatura. Inoltre, anche quando eseguite da esperti, queste operazioni mancano della necessaria uniformità del processo tra i singoli pezzi.

Un’alternativa produttiva alla sbavatura manuale è il processo di profilatura meccanizzata degli spigoli (Mechanised Edge Profiling, MEP), che elimina le condizioni dei bordi inaccettabili mediante l’applicazione di un utensile appositamente progettato, montato sullo stesso dispositivo utilizzato per lavorare il pezzo. Il processo offre numerosi vantaggi: consente l’esatta definizione e programmazione della condizione finale del bordo mediante il sistema CAM della macchina, assicurando così la massima ripetibilità; i tempi di produzione complessivi sono ridotti, dal momento che non è necessario riposizionare il pezzo e non sussistono più somme di tolleranze ed altre difformità tra le varie impostazioni. In risposta a questa tendenza, i produttori di utensili continuano a sviluppare utensili nuovi e produttivi che potenziano i vantaggi del processo di profilatura meccanizzata degli spigoli.

 

Candidati ideali per il processo di profilatura meccanizzata degli spigoli

Considerate le esigenze di precisione e uniformità dei pezzi sempre più rigorose dell’industria aerospaziale, i componenti di aerei sono i candidati ideali per l’applicazione di un processo di profilatura meccanizzata degli spigoli.

I componenti dei motori a turbina degli aerei, ad esempio, sono generalmente classificati come non rotanti e rotanti. Per la profilatura meccanizzata degli spigoli dei componenti del motore non rotanti, come tamburi ed alloggiamenti, la profilatura dei bordi consiste solitamente nella lavorazione di un bordo smussato standard con un utensile montato sulla macchina che ha eseguito la lavorazione del pezzo.

Per le parti rotanti critiche, come ventole e dischi del compressore, gli utenti finali hanno standard più elevati ed esigono la completa eliminazione delle imperfezioni superficiali. Le condizioni degli spigoli tipicamente devono essere sottoposte ad approvazione e certificazione in laboratorio. Per la sbavatura di questi pezzi, i produttori hanno sviluppato attrezzature specifiche per la profilatura meccanizzata degli spigoli, che assicurano alta precisione e ripetibilità.

 

Sviluppo degli utensili per la profilatura meccanizzata degli spigoli

Gli utensili per sbavatura e profilatura standard, come quelli applicati ai componenti non rotanti, comprendono frese in metallo duro integrale rivestite per smussatura con taglienti a 45° e 60°, nonché utensili ad inserti per produrre smussature a 45° e 60°.

Per le applicazioni più critiche, i produttori offrono utensili specializzati per la profilatura dei bordi e la rimozione delle bave all’ingresso o all’uscita dei fori. Alcuni utensili combinano tali operazioni e sono in grado di rimuovere le bave sia dal lato di ingresso che dal lato di uscita.

Questi utensili specifici spesso presentano geometrie di taglio complesse. I più sofisticati sono dotati di disegni dei taglienti che producono uno smusso con un bordo arrotondato, preceduto da angoli di imbocco ed uscita progettati per prevenire la formazione di bave secondarie.

Lo sviluppo di utensili specializzati non si limita ai soli taglienti. La ricerca ha rivelato che la combinazione di taglio destrorso ed elica destrorsa è la più efficace per la profilatura dei bordi e la sbavatura in corrispondenza dell’ingresso di un foro, sulla superficie superiore di un componente, in quanto consente di rimuovere il materiale asportato dal pezzo. D’altro canto, per le bave in corrispondenza dell’uscita, sulla superficie inferiore del pezzo, la soluzione migliore è un taglio destrorso con elica sinistrorsa, anche in questo caso poiché tale configurazione allontana i trucioli dal componente.

Altre analisi dell’applicazione hanno indicato che gli utensili per la rimozione delle bave in corrispondenza della sommità o dell’entrata di un foro presentano una durata maggiore rispetto agli utensili destinati alla rimozione delle bave sul fondo o all’uscita di un foro passante. Questo è dovuto al fatto che un utensile per sbavatura progettato per passare attraverso un pezzo e raggiungere l’uscita del foro sarà più lungo e presenterà un diametro minore rispetto ad un utensile destinato a lavorare da un solo lato del foro.

Un utensile più lungo e con diametro minore è più soggetto ad instabilità e vibrazioni, entrambi fattori che possono provocare la scheggiatura o la rottura degli utensili in metallo duro. Di conseguenza la maggior parte delle officine sceglie di adottare utensili diversi per la sbavatura dei bordi di ingresso e uscita dei fori, anziché un singolo utensile in grado di realizzare entrambe le operazioni.

Gli utensili più lunghi e con diametro inferiore richiedono inoltre un’attenzione maggiore per quanto riguarda la scelta dei parametri di taglio. Un utensile corto e robusto può lavorare a velocità maggiori senza vibrazioni o altri problemi. Anche la geometria e le caratteristiche del pezzo fanno la differenza. Per condizioni di taglio stabili e tagli uniformi e senza interruzioni, è possibile applicare parametri di taglio più aggressivi. Al contrario, caratteristiche dei pezzi come fori di accesso che interrompono i percorsi della profilatura meccanizzata degli spigoli costringono all’uso di parametri più conservativi, al fine di ridurre al minimo l’usura
dell’utensile e prevenirne la rottura.

Parte dello sviluppo corrente degli utensili per la profilatura meccanizzata degli spigoli riguarda utensili in grado di combinare una lavorazione con la sbavatura. Ad esempio il tagliente può essere posizionato sulla parte superiore della fresa integrale, in modo da potere contemporaneamente lavorare il diametro del foro e sbavare i bordi dell’ingresso.

 

Sfide poste dai materiali

Molti materiali del settore aerospaziale, a livello di caratteristiche di lavorazione, presentano ulteriori sfide per la rimozione delle bave e degli spigoli affilati. Le leghe a base di nichel utilizzate nei componenti del motore, ad esempio, sono tenaci ed hanno scarsa conduzione termica. Pertanto, l’utensile assorbe il calore generato nel processo di asportazione e questo ne accelera l’usura.

Di conseguenza, nel determinare la metallurgia e la geometria di un utensile, i produttori devono trovare un equilibrio tra affilatura e robustezza del tagliente. Un duro substrato in metallo duro può resistere molto bene all’usura termica e abrasiva, ma non avrà la resistenza agli urti offerta da un substrato con aggiunte di cobalto o altri materiali leganti che ne accrescono la tenacità. Allo stesso modo, un tagliente molto affilato può essere più soggetto a rotture rispetto ad uno arrotondato. I produttori di utensili ottimizzano inoltre gli angoli di spoglia e dell’elica e i rivestimenti degli utensili per ottenere i migliori risultati su materiali da lavorare specifici.

 

Dimensioni dell’utensile

Per la lavorazione di fori grandi e degli spigoli, i produttori possono progettare utensili di qualsiasi misura per la quale i fornitori possono offrire un semilavorato di grandezza sufficiente. Tuttavia, le misure più piccole della gamma prevedono dei limiti; attualmente, il raggio più piccolo che è possibile rettificare è di circa 0,2 mm, con angoli di imbocco e uscita proporzionalmente minori.

Gli utensili specifici per la profilatura meccanizzata degli spigoli presentano raggi, smussi ed angoli specifici, oltre a combinazioni di tali caratteristiche. Gli utensili sono generalmente dotati di taglienti a spallamento. Tuttavia, sono disponibili anche utensili a testa sferica e lollipop per la profilatura di componenti i cui contorni impediscono l’accesso di un utensile a spallamento. Applicati su macchine a cinque assi, questi utensili possono seguire un profilo parziale complesso e creare un arrotondamento su spigoli lunghi.

 

Profilatura meccanizzata degli spigoli in azione

Per massimizzare precisione e uniformità e risparmiare il tempo impiegato per lo spostamento di un componente da una macchina ad un’altra, i produttori solitamente eseguono il processo di profilatura meccanizzata degli spigoli come parte dell’effettiva lavorazione del pezzo.

In genere, la sbavatura avviene dopo il completamento di tutte le lavorazioni. Il programma CAM dirige gli utensili per la sbavatura di tutti i fori e la rottura degli spigoli affilati in sequenza. Alcuni utensili per la profilatura meccanizzata degli spigoli possono essere utilizzati per la sbavatura di una varietà di fori, mentre alcuni utensili per profilatura possono essere applicati a tre o quattro posizioni o caratteristiche diverse, come il fondo di un foro nonché il fondo del contorno di una sede.

Al fine di garantire che la profilatura meccanizzata degli spigoli avvenga nella posizione corretta, è necessario definire o misurare il foro e la lavorazione interessata prima dell’inizio del processo. Quando le tolleranze del pezzo sono molto strette, la posizione della superficie è ben definita e le misurazioni in fase di lavorazione possono essere superflue. Tuttavia, quando le tolleranze sono larghe, è necessario eseguire la misurazione dopo la lavorazione iniziale per determinare la posizione del bordo o del profilo.

Inoltre, l’utensile stesso deve essere misurato e posizionato in modo da profilare correttamente il pezzo. Poiché i raggi dell’utensile sono così piccoli e di fatto non misurabili, la lunghezza dell’utensile viene specificata nel programma CAM. L’operatore può confermare la lunghezza dell’utensile fuori dalla macchina con una selezione preliminare o sulla macchina mediante laser o sonda a contatto. Gli avanzamenti sono calcolati rispetto alle dimensioni misurate delle caratteristiche del pezzo e dell’utensile. Gli utensili per sbavatura specialistici più sofisticati sono misurati al 100% dai produttori con una tolleranza di 40 micron per il profilo dell’utensile, compresa l’eccentricità radiale.

L’operazione di sbavatura o smussatura deve essere considerata come un passaggio di finitura, con la qualità come obiettivo primario. La produttività è sempre importante ma, soprattutto nel caso di componenti aerospaziali con costi di centinaia di migliaia di euro, forzare l’utensile per massimizzare la produzione può avere ripercussioni negative e onerose. Uniformità, affidabilità ed eliminazione degli scarti sono di fondamentale importanza.

Il processo di profilatura meccanizzata degli spigoli, considerato ormai un’operazione di finitura, utilizza il programma CAM del pezzo per dirigere gli utensili per la sbavatura di tutti i fori e per la correzione degli spigoli affilati in sequenza e, spesso, alcuni utensili per queste operazioni possono essere applicati a tre o quattro posizioni o caratteristiche differenti dello stesso pezzo in lavorazione.

 

Conclusione

I componenti con bordi affilati e bave sono sempre più spesso considerati come costosi scarti. Questo è particolarmente evidente nel settore aerospaziale, ma è una tendenza crescente in alcune applicazioni critiche in ambito medico, energetico e in altri settori. I produttori hanno bisogno di un metodo per la sbavatura dei componenti e la profilatura dei bordi dei pezzi che sia affidabile, documentabile ed efficiente sotto il profilo dei costi. Il processo di profilatura meccanizzata degli spigoli colma questa lacuna sostituendo le operazioni manuali che, per quanto abilmente eseguite, possono essere non uniformi tra pezzo e pezzo e sono costose in termini di manodopera, configurazione e gestione dei pezzi. Alcuni utenti finali hanno già bandito la sbavatura manuale perché non può essere documentata e certificata.

Il processo di profilatura meccanizzata degli spigoli più efficiente ed efficace dal punto di vista dei costi rappresenta una combinazione di sviluppo tecnico ed esperienza applicativa. I produttori di utensili che offrono una soluzione totale di questo tipo contribuiranno a semplificare il processo produttivo del settore aerospaziale (nonché processi analoghi in altri settori importanti) e raggiungere nuovi livelli di qualità e produttività.

 

Sidebar: la profilatura meccanizzata degli spigoli in azione

La profilatura meccanizzata dei bordi offre vantaggi ai produttori in una varietà di applicazioni. Un produttore realizzava componenti in acciaio inossidabile 303 su una macchina a doppio mandrino. Con l’aumento del volume di pezzi e delle dimensioni dei lotti, cresceva anche l’esigenza di una maggiore produttività. Le operazioni erano squilibrate e dispendiose in termini di tempo: il 90% della lavorazione avveniva nel mandrino principale ed era richiesta la sbavatura manuale della parte inferiore del pezzo, per cui era necessaria un ulteriore piazzamento. Quando il produttore ha applicato un utensile specifico per profilatura meccanizzata degli spigoli in metallo duro integrale al mandrino secondario, ha potuto eseguire contemporaneamente la profilatura di entrambi i lati dei fori per bulloni flangiati. Il tempo di lavorazione tra i due mandrini è ora più equilibrato, mentre il tempo ciclo è diminuito significativamente. L’uso dell’utensile per profilatura meccanizzata degli spigoli ha inoltre eliminato la necessità di sbavatura manuale, ad esempio i conseguenti tempi di azzeramento ed esecuzione.

Un altro caso riguardava la scelta tra un trattamento del tagliente smussato (piatto) o arrotondato (curvo). Alcuni pezzi non presentano esigenze specifiche di lavorazione del bordo con l’una o l’altra modalità.

Tuttavia, un produttore ha notato che applicando l’arrotondamento anziché la smussatura, la durata del pezzo era tre volte superiore. Una differenza di scelta degli utensili apparentemente minima ha consentito di migliorare significativamente la qualità dei componenti. Infine, la lavorazione nel settore aerospaziale di un disco turbina in TiAl-4V fornisce un esempio di applicazione di un utensile per contornatura meccanizzata degli spigoli. Un produttore si serviva di un utensile sagomato in metallo duro, tenuto in un supporto a camma per la lavorazione del disco. La finitura superficiale era scadente in alcuni punti del disco e sul raggio della scanalatura, il problema non si presentava in modo uniforme e variava in gravità e frequenza. Il produttore ha applicato una fresa in metallo duro integrale lollipop con taglio al centro, con un diametro di 10 mm e 10 denti e un’elica destra a 30°. L’utensile ha eliminato i problemi di finitura superficiale ed è stato in grado di eseguire la finitura di entrambi i lati del disco in un tempo considerevolmente ridotto.

di Teun van Asten, marketing tecnico frese in metallo duro integrale di Seco Tools, e Jan Willem van Iperen, tecnico frese in metallo duro integrale di Seco Tools

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