Fresatura HSC (High Speed Cutting) - Ad alta velocità verso il successo
La fresatura HSC, ovvero la fresatura ad elevata velocità costituisce un grande potenziale nella lavorazione CNC, perché offre tempi di ciclo ridotti, una maggiore produttività e inoltre un’elevata qualità. In questo articolo ci soffermiamo sulla fresatura HSC e vedremo in particolare i seguenti argomenti:
Sfide della fresatura HSC
Uno dei problemi più spinosi nella fresatura HSC è costituito dalla presenza di vibrazioni. Come si creano queste vibrazioni? Poiché ogni sistema (albero, utensile) capace di vibrare ha una sua frequenza naturale, nel caso riceva uno stimolo (urto, deviazione) continua a vibrare finché non si ferma a causa dell’attenuazione (come succede nel caso di un diapason) oppure di una frequenza negativa di pari intensità. Quando invece dall’esterno gli stimoli continuano ad arrivare a intervalli regolari e la loro frequenza si trova inoltre approssimativamente nella stessa gamma di frequenze dell’oscillazione propria del sistema, le due frequenze si sovrappongono. In tal caso si parla di “risonanza” → Il sistema inizia a vibrare.
Quali sono le conseguenze delle vibrazioni nella fresatura?
- La profondità di lavorazione ap non rimane costante → superficie irregolare di scarsa qualità
- Scarsa precisione dimensionale
- Notevole riduzione della durata
- Rottura dei taglienti
- Allentamento del bloccaggio del pezzo
- Forti sollecitazioni sulle guide e sui cuscinetti della macchina
Vantaggi della lavorazione HSC
- Grazie all’enorme volume truciolo la sgrossatura non è più necessaria
- Eccellente qualità della superficie < 0,001 mm (Ra) → Qualità pari a una superficie rettificata
- Tempo ciclo ridotto fino al 50%
- Lavorazione senza vibrazioni grazie all’elevata frequenza naturale dell’utensile → Le vibrazioni vengono eliminate
- Nessuna distorsione del pezzo da lavorare dovuta alle sollecitazioni termiche, poiché il calore viene dissipato con i trucioli
- Molto conveniente
Le velocità di taglio dipendono dal materiale
Materie plastiche con fibra rinforzata
Alluminio
Bronzo, ottone
Ghisa
Leghe di titanio
Leghe a base di nichel
- Range di velocità convenzionale
- Range di velocità di transizione
- Range di velocità HSC
Massimi numeri di giri per ridurre al minimo i pericoli
* Diametro utensile in mm
- Secondo GW
- Secondo DIN EN ISO 15641
Temperatura di lavorazione
Alluminio tenero
Metalli non ferrosi
Bronzo
Ghisa grigia
Acciaio
La riduzione della temperatura attraverso il truciolo rappresenta un problema di importanza fondamentale nella lavorazione HSC. Il diagramma illustra il comportamento dei singoli materiali in relazione alla temperatura.
Determinazione dei parametri di taglio ottimali per la fresatura HSC
In un test condotto con una velocità di taglio di ca. 600 m/min l’usura subisce una brusca impennata. Per frese a testa sferica con Z=2 e Z=4 il limite massimo secondo questa serie di test è una velocità di taglio pari a 580 m/min.
La scelta della larghezza di taglio nella fresatura HSC contribuisce in maniera decisiva a una maggiore durata. È stato osservato che nella fresatura HSC è meglio usare una profondità di taglio ridotta piuttosto che cercare di ottenere la massima capacità di asportazione possibile, analogamente a quanto avviene per la sgrossatura. Il massimo volume truciolo infatti non si ottiene attraverso la profondità di taglio, ma tramite la velocità di taglio massima raggiungibile.
Ammortamento: vale la pena acquistare un mandrino ad alta frequenza?
Un confronto di ammortamento dimostra che, nonostante i costi di acquisizione più alti di una fresatrice con mandrino ad alta frequenza, la lavorazione è considerevolmente più conveniente ed economica.
Soprattutto le piccole imprese orientate a una produzione flessibile di componenti di dimensioni medie possono trarre grandi vantaggi dalla lavorazione HSC. Con un risparmio di tempo medio del 50% questa soluzione porta anche a un risparmio in termini di costi di produzione del 25%–27% circa.
Informazioni importanti sull’argomento della fresatura HSC
Il termine “fresatura HSC” o anche “foratura HSC” va sicuramente definito in relazione al materiale. È ovvio che la lavorazione HSC dell’alluminio va effettuata in una gamma di velocità di taglio diversa da quella degli acciai o dei materiali speciali. I limiti della velocità di taglio in questo contesto sono paragonabili alla fresatura convenzionale.
Va notato che con l’aumento della velocità di taglio le forze di taglio in un primo momento diminuiscono notevolmente per aumentare poi nuovamente in modo considerevole.
Va inoltre notato che con una velocità di taglio altissima di circa 130.000 m/min l’usura cresce in modo esponenziale. Tuttavia, se si rimane nel campo di velocità di taglio fino a circa 5000 m/min, l’usura del fianco aumenta fortemente all’inizio a seconda del materiale, per poi rimanere costante per un certo tempo.
È da notare che con l’aumento della velocità di taglio la forza passiva (forza di reazione alla forza di taglio) può essere ridotta fino al 70%. Ciò è particolarmente rilevante quando si lavorano profili dalle pareti estremamente sottili, nonché quando si mira a ottenere una qualità di superficie simile a una superficie rettificata.
Nella lavorazione dell’alluminio il volume truciolo specifico raggiunge il massimo a una velocità di taglio compresa fra 3100 e 4700 m/min. Oltre a un aumento del volume truciolo del 35% circa è stata ottenuta una superficie con una rugosità media di 1 μm. I valori ottimali dipendono però fortemente dalla lega.
L’utensile giusto per ogni materiale nella fresatura HSC
Fresatura HSC dell’alluminio
Per la lavorazione dell’alluminio occorre un utensile elicoidale con grandi vani truciolo. In questo caso un utensile a 2 taglienti con un passo dell’elica di circa 45° costituisce un vantaggio. L’utensile deve avere un angolo di spoglia superiore di 15°–20° e un angolo di spoglia inferiore di 10°–12°. Se si utilizza una macchina con una bassa potenza del mandrino, piccoli avanzamenti o scanalature profonde, è preferibile usare un utensile elicoidale a un tagliente. Con una velocità di taglio media di circa 2000 m/min è facilmente raggiungibile una durata utile di 500 m.
Fresatura HSC di rame
Nella lavorazione di rame e leghe di rame vanno utilizzati gli stessi utensili della lavorazione dell’alluminio. In base alla composizione della lega gli avanzamenti per dente vanno da 0,02 a 0,4mm.
Il rame puro va tagliato esclusivamente con un tagliente rettificato per evitare materiale di riporto.
In questo contesto la fresatura in concordanza è preferibile alla fresatura in discordanza. L’uso di utensili in ceramica è vantaggioso perché supportano velocità di taglio fino a 10 volte maggiori.
Materie plastiche con fibra rinforzata
La lavorazione HSC è particolarmente idonea per materie plastiche con fibra rinforzata, perché con l’aumento della velocità di taglio le forze di taglio si riducono sensibilmente, mentre gli alti avanzamenti contrastano la delaminazione delle zone periferiche. Dissipando l’energia di taglio con il truciolo, il materiale di base è soggetto ad uno stress termico minimo.
Materie plastiche con fibra rinforzata di carbonio o di vetro
Possibilmente usare la fresatura in discordanza e in direzione opposta alle fibre e non parallelamente ad esse. Tuttavia, solo gli utensili in diamante policristallino forniscono risultati da soddisfacenti a buoni. La velocità di taglio ottimale è approssimativamente tra vc = 4500 m/min e vf fino a 30 m/min. L’utensile deve avere un angolo di spoglia superiore di circa 5° e un angolo di spoglia inferiore di 10°.
Materie plastiche con fibra rinforzata di ammide
Dato che in questo caso vanno tagliate fibre conduttrici di forza, occorrono taglienti vivi e una geometria simile a quella impiegata per la lavorazione dei metalli leggeri. I risultati migliori si raggiungono con gli utensili del campo ISO K. La velocità di taglio ottimale va da 2000 m/min fino a 3000 m/min con una velocità d’avanzamento compresa fra
10 m/min e 15 m/min.
Acciaio
Nella fresatura ad elevate velocità di acciaio con una velocità di taglio pari a 750 m/min si raggiunge una durata utile di
20–25 m. Velocità di taglio da 500 m/min fino a 1500 m/min sono senz’altro realizzabili con frese in M.D.I. del campo ISO P. La fresatura HSC si è dimostrata una valida soluzione in particolare nell’ambito della costruzione di utensili e stampi dove le forme complesse vengono prodotte attraverso la fresatura pendolare soprattutto usando una geometria di taglio sferica.
In questo campo è possibile ottenere notevoli risparmi di tempo e miglioramenti della qualità della superficie attraverso le velocità d’avanzamento e di taglio. È stato dimostrato che con un angolo di spoglia superiore costante (0°) e un angolo di spoglia inferiore crescente combinati con un avanzamento sempre maggiore si ottiene un miglioramento della durata utile.
L’angolo di spoglia inferiore ottimale è di circa 12°–20°. Gli utensili con scanalature diritte si sono dimostrati ottimali per le loro caratteristiche di stabilità per la costruzione di utensili e stampi. Si consiglia di mirare ad avanzamenti da 0,3 a 0,7<mm, con fresatura in concordanza
e lavorazione a secco, con una velocità di taglio fra 500 m/min e 1500 m/min.
Ghisa
La lavorazione della ghisa è possibile con utensili in M.D.I. con angolo di spoglia superiore fra 0° e 6° e angolo di spoglia inferiore di 12°. Gli utensili devono essere rivestiti. Occorre inoltre assicurare che la formazione di micro-scheggiature e scheggiature nel rivestimento venga tenuta al minimo mediante l’entrata e uscita dolce dell’utensile dal materiale.
Con una velocità di taglio pari a 1000 m/min il volume truciolo, ad esempio di ghisa grigia GG 25, può essere aumentato del fattore 10. La durata dell’utensile è di circa 20 m per ogni tagliente e la qualità della superficie corrisponde ad una superficie rettificata. La durata utile può essere aumentata scegliendo un avanzamento per dente relativamente alto di circa 0,3 fino a 0,4 mm.
Grafite
Nella lavorazione della grafite sia le basse forze di taglio che il materiale asportato a forma di polvere costituiscono un vantaggio. Il materiale asportato deve essere rimosso il più presto possibile e completamente poiché la durata dell’utensile dipende essenzialmente dalla velocità di evacuazione. Per evitare l’effetto carta vetrata le nostre frese per grafite sono dotate di un rivestimento con riporto in diamante.
Questo rivestimento ultraduro contrasta ottimamente l’usura abrasiva prolungando la durata. Per migliorare l’evacuazione del materiale asportato occorre fresare in concordanza.
HSC vs. fresatura convenzionale
Esempio
| Fresatura HSC (in rosso) |
Fresatura convenzionale (in verde) | |
|---|---|---|
| Utensile | M.D.I., 2 denti Ø 3,0 mm | |
| Lavorazione | scanalatura 3 mm x 700 mm x 6 mm | |
| Numero di tagli | 3 | 3 |
| Avanzamento per dente in mm |
0,03 | 0,03 |
| Numero di giri (g./min) | 80.000 | 5.000 |
| Velocità di taglio | 753 | 47 |
| Avanzamento (mm/min) |
4.800 | 300 |
| Durata utile (m) | 25 | 37 |
| Tempo di ciclo (s) | 25,8 | 421,8 |
