Un approccio sistematico alla scelta del portautensile

I più moderni centri di lavoro, le nuove macchine multi-tasking così come i centri di lavoro specifici per micro-fresatura ad alta precisione richiedono costantemente tecnologie innovative e sempre più performanti. Oltre all’utensile da taglio, la scelta del giusto portautensile è determinante. In quest’ottica, SCHUNK propone un approccio sistematico in grado di aiutare a individuare il portautensile ottimale per ogni singola lavorazione.

di Francesca Fiore

I vari requisiti di ogni settore industriale si riflettono nella varietà di gamma e relativa distribuzione geografica dei portautensili nel mondo. Se in Europa il 60% è rappresentato dai portautensili a calettamento a caldo, negli Stati Uniti e in Asia le percentuali scendono rispettivamente al 20 e 30%. I porta-pinze sono più diffusi, invece, fuori dall’Europa rispetto alla Germania. La proporzione dei portautensili di precisione ad espansione idraulica si aggira tra l’8 ed il 15% in tutto il mondo. Nella valutazione degli ultimi sviluppi nel mercato, due aspetti diventano particolarmente centrali: da un lato, la molteplicità di varianti sta aumentando, dall’altro le tecnologie di precisione stanno acquisendo rapidamente importanza poiché la migliorata qualità e le prestazioni più performanti delle macchine utensili portano a una crescente domanda di affidabilità dei processi, nonché all’esigenza di utensili che possano durare più a lungo. A ciò si aggiunge il fatto che, una maggiore efficienza nella produzione dei portautensili di precisione ad espansione riduce significativamente il loro costo rispetto ai mandrini meccanici tradizionali, come i sistemi Weldon, Whistle-Notch o porta-pinze. In particolare, per i portautensili ad espansione idraulica, i prezzi sono diminuiti in modo significativo.
A tale proposito, cresce sempre di più l’esigenza di una selezione sempre più attenta nella selezione delle attrezzature, e ciò rende tanto più importante mettere in discussione regolarmente le strategie consolidate, soprattutto quando si investe in nuovi centri di lavoro.

Una valutazione dell’intero sistema
Quando si confrontano i singoli portautensili, le loro caratteristiche tecniche e le loro interfacce per il mandrino della macchina, diventa chiaro che non esiste un portautensili ottimale per tutte le applicazioni.
La selezione di una tipologia è sempre una decisione unica che dipende da una varietà di parametri. Il portautensile non deve essere considerato come componente isolato, bensì sempre nell’interazione dell’intero sistema, che comprende: pezzo, utensile, portautensili, interfaccia del mandrino e macchina. Considerata l’interazione privilegiata data la vicinanza con il pezzo, il portautensili svolge un ruolo cruciale, poiché può compensare parzialmente i punti deboli all’interno dell’intero sistema.
La selezione del portautensile ideale dovrebbe essere eseguita per gradi, in più fasi. Innanzitutto, è importante definire i criteri di base che influenzano in modo significativo la stabilità del processo. Questi includono la forza di serraggio richiesta, la rigidità radiale, l’ingombro, e, se applicabile, l’idoneità per le applicazioni ad alta velocità.
In una seconda fase, l’attenzione si concentra su criteri di qualità che incidono sulla qualità del processo, sulla precisione e sulla produttività.
Questi includono la precisione di run-out e la precisione di ripetibilità, il grado di bilanciatura, l’assorbimento delle vibrazioni, l’adduzione del refrigerante e la possibilità di pre-regolazione assiale. Infine, nella terza fase, è consigliabile considerare i criteri economici nel quadro di un’analisi costi-benefici (vale a dire costi di acquisizione, durata, flessibilità e ri-usabilità, nonché i costi delle operazioni in corso).

Forza/coppia di serraggio tra i criteri principali per la stabilità di processo
I criteri base per la selezione dei portautensili possono essere intesi come criteri prioritari e per garantire un processo di lavorazione regolare questi devono essere mantenuti.
La forza di serraggio del portautensile determina in quale misura la coppia tra l’interfaccia del portautensile e l’utensile è controllabile.
Se la forza di serraggio è sufficiente, il tagliente dell’utensile taglia il materiale in modo uniforme. Se questa non fosse sufficiente, l’utensile inizierebbe a ruotare e il taglio sarà instabile. In casi estremi, l’utensile può sfilarsi dal portautensile. Il principio della trasmissione della coppia all’interno dei portautensili funziona in modo diverso: gli utensili possono essere bloccati con una vite mediante filettature nel corpo base del portautensile. In questo caso, la filettatura deve sostenere la coppia. Una seconda variante è costituita da utensili bloccati meccanicamente dotati di un trascinatore. Solo quando le coppie risultanti superano la forza di rottura o di taglio dei componenti, un serraggio di questo tipo fallirebbe.
Di norma, questi punti di forza sono molto al di sopra delle coppie che si verificano durante la lavorazione e l’elevata sicurezza del processo è assicurata dall’uso di utensili meccanicamente bloccati. Infine, la terza opzione è il bloccaggio dell’utensile, dove vengono utilizzate le cosiddette connessioni di pressione incrociate. Il foro che trattiene l’utensile è influenzato dal calore o da forze esterne e lo strumento è bloccato da una sovrapposizione. Di regola, i sistemi di bloccaggio degli utensili di precisione, come i portautensili ad espansione idraulica, funzionano secondo questo principio. Nel contesto dei recenti sviluppi tecnologici, è stato possibile aumentare le forze di serraggio dei portautensili ad espansione idraulica in modo tale da poter realizzare in modo affidabile anche asportazioni di grandi volumi.
Con un diametro di 20 mm, i moderni portautensili ad espansione idraulica trasmettono coppie fino a 900 Nm.

Rigidità radiale e ingombro
Altro criterio base per la selezione dei portautensili è la rigidità radiale. Se questa è alta assicura elevate forze di taglio (ad esempio elevati incrementi e alte velocità di avanzamento). Si tratta di un criterio essenziale per l’asportazione di volume, poiché influisce in modo determinante sul tempo di lavorazione e, a sua volta, sulla produttività, ma anche sull’eventuale sbalzo degli utensili. La rigidità radiale dipende dalle proprietà del portautensile (modulo E) e dalla sua lavorazione, dalla geometria del portautensile e dalla sua integrazione nella macchina utensile, in particolare dall’interfaccia al mandrino della macchina. In parole semplici: più corto è il portautensile, maggiore il diametro, più omogenea sarà l’unità composta da utensile e portautensile, più forte sarà la parete dell’attacco dell’utensile e più esteso è la superficie di contatto con il mandrino macchina, maggiore sarà la rigidità radiale. Anche l’ingombro è un fattore da tenere ben presente: se i pezzi sui moderni centri di lavoro a 5 assi vengono lavorati in soli due set-up, l’accessibilità gioca di fatto un ruolo essenziale. Ciò che è necessario sono portautensili “slim” che trasmettono una coppia sufficientemente elevata garantendo al contempo un’elevata precisione sul pezzo. In spazi particolarmente ristretti, in alternativa vengono utilizzate prolunghe, montate tra l’utensile e il portautensili, se necessario. Rispetto ai portautensili con ingombro ottimizzato, le prolunghe possono essere utilizzate in modo molto flessibile e sono disponibili con diverse tecnologie di bloccaggio.

Indicati per l’alta velocità
Le velocità dei mandrini montanti sulle macchine di moderna concezione possono raggiungere anche gli 80.000 giri/min e oltre durante il taglio ad alta velocità. In quest’ottica, i portautensili devono soddisfare condizioni speciali in termini di geometria, accuratezza di run-out, grado di bilanciatura ma anche da un punto di vista di affidabilità del processo durante il cambio utensile. Più piccolo è il diametro di serraggio, più spesso i portautensili universali meccanici, ma anche i portautensili a calettamento a caldo o i portautensili ad espansione idraulica raggiungono i loro limiti, perché lo spazio disponibile non è sufficiente per il meccanismo di serraggio corrispondente o perché strumenti di dimensioni così ridotte non possono essere più a lungo sostituiti o regolati in modo affidabile. Altre tecnologie di bloccaggio, come la tecnica di serraggio poligonale, che non contiene parti mobili, gioca in questo caso un ruolo fondamentale.

Precisione di run-out e di ripetibilità
Storicamente, la soddisfazione dei criteri base è stata a lungo sufficiente per eseguire la maggior parte delle lavorazioni. Nel contesto attuale, dove le crescenti esigenze in termini di qualità ed efficienza e i nuovi concept delle macchine utensili, questi criteri non sono più sufficienti: i fattori precedentemente considerati secondari, quali precisione dimensionale, qualità, superficiale ed efficienza economica, stanno oggi acquisendo sempre maggiore importanza. A questo livello si distinguono anche criteri di qualità specifici per settore o per zona geografica.
Per lavorazioni di precisione, la precisione di run-out degli utensili e dell’intera trasmissione è di fondamentale importanza, poiché implica il rispetto delle dimensioni e delle tolleranze.
Se l’utensile non gira centralmente sull’asse del portautensile, si possono verificare imprecisioni e le dimensioni richieste sul pezzo possono non essere soddisfatte. Inoltre, gli utensili inizieranno a sbattere durante la lavorazione, il che porta a micro-rotture sul tagliente, accelerandone l’usura.
La precisione di ripetibilità descrive quanto precisamente un portautensile è capace di riprodurre il parametro predefinito durante i ripetuti utilizzi. Nei centri di lavoro di moderna concezione conta più la ripetibilità rispetto alla precisione assoluta e in questo il portautensile è decisivo. Gli errori sistematici della macchina vengono compensati in modo relativamente semplice nelle moderne macchine CNC, utilizzando algoritmi specifici. Tuttavia, ciò è possibile solo se vi è un alto grado di ripetibilità, ovvero se le rispettive deviazioni sono sempre le più identiche possibili. La precisione di ripetibilità del portautensile è quindi cruciale nel determinare quale precisione si ottiene in definitiva sul pezzo.

L’importanza del grado di bilanciatura
Uno squilibrio si può verificare quando la massa in un corpo rotante non è distribuita in modo equo, poiché il centro di gravità non si trova sull’asse di rotazione (squilibrio statico), o l’asse principale di inerzia non è parallelo all’asse di rotazione (squilibrio dinamico). I portautensili hanno spesso una combinazione di squilibrio statico e dinamico.
Le cause si possono individuare sia nella progettazione del portautensile che dell’utensile (ad esempio utensili a tagliente singolo); nel design asimmetrico del portautensile (ad esempio dovuto a scanalature o viti di fissaggio); nella distribuzione di massa asimmetrica a causa delle tolleranze di fabbricazione; disallineamento o errori nel montaggio del corpo rotante. I portautensili con grandi squilibri hanno effetti negativi sotto diversi aspetti: qualità superficiale più scadente a causa delle vibrazioni sul portautensile: velocità di taglio limitate ottenibili; diminuzione della precisione del processo; vita dell’utensile più breve e rischio di danneggiamento del mandrino della macchina.

Assorbimento delle vibrazioni e adduzione del refrigerante
A seconda della risposta in frequenza dell’indulgenza dell’intero sistema che comprende macchina, portautensile, utensile, bloccaggio del pezzo e pezzo, si verificano vibrazioni durante ogni processo di lavorazione.
Questi possono avere effetti considerevoli sul risultato della lavorazione e comportare un aumento dell’usura dell’utensile, rottura dell’utensile o danni alla macchina. Simile a un ammortizzatore, i portautensili sono in grado di smorzare le vibrazioni e supportare un’azione di taglio regolare e uniforme, in base alla tecnologia di serraggio.
Ciò consente di ridurre le emissioni di rumore, migliorare la qualità della superficie del pezzo, prolungare la durata dell’utensile e proteggere il mandrino macchina dall’usura. I lubro-refrigeranti svolgono molte funzioni nella lavorazione: rimuovono i trucioli, riducono il calore e l’attrito, assicurano una temperatura uniforme dell’utensile e del pezzo e aiutano a rispettare le tolleranze. A seconda del tipo di adduzione del refrigerante, è possibile distinguere tra raffreddamento esterno, raffreddamento periferico e raffreddamento interno. I vantaggi del raffreddamento interno sono particolari: il lubro-refrigerante arriva esattamente al livello del tagliente senza dover allineare manualmente gli ugelli del refrigerante e anche i trucioli vengono rimossi in modo affidabile dalle cavità strette e profonde. Anche se devono essere praticati fori profondi, il tagliente può essere raffreddato in modo efficace, di conseguenza, si prolunga la vita dell’utensile e si migliorano i parametri di taglio.

I criteri economici influenzano l’efficienza della lavorazione
Mentre i criteri base e i criteri di qualità influenzano direttamente il processo di lavorazione e sono sempre considerati una priorità, i criteri economici aiutano a prendere una decisione definitiva dal punto di vista economico. Oltre al puro costo di acquisto del portautensile, è necessario considerare anche i costi diretti: vita utile, investimenti in dispositivi periferici, costi di gestione (cambio utensile, pulizia, pre-setting della lunghezza e manutenzione), flessibilità, consumo di energia durante il cambio utensile e ri-usabilità dei supporti. E non solo. Anche i costi indiretti svolgono un ulteriore ruolo chiave: i costi degli utensili (poiché la vita utile dell’utensile varia considerevolmente in base al sistema di bloccaggio utilizzato) nonché i costi e i risparmi derivanti dalla riduzione o dall’aumento della produttività. Analizzando la vita del prodotto, i costi indiretti per portautensile possono portare a risparmi addirittura a cinque cifre. Non da ultimo, l’aspetto della prevenzione degli incidenti ha assunto grande importanza: la combustione o la frantumazione dell’utensile sono considerati potenziali rischi.

Dal serraggio meccanico al portautensile intelligente
In conclusione, è consigliabile valutare con attenzione ogni applicazione quando si tratta di selezionare l’attrezzatura e gli utensili. Forte di una vasta conoscenza nel campo dei sistemi di presa e della tecnologia di serraggio, SCHUNK propone l’ampio programma di portautensili Total tooling tra i più completi disponibili oggi sul mercato.
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