Fresatrice CNC: comprensione della precisione, degli assi e dei tipi

Le fresatrici CNC (Computer Numerical Control), chiamate anche centri di lavoro CNC, sono macchine ad alta precisione utili in molti contesti industriali. Utilizzando utensili da taglio rotanti, possono ritagliare forme e motivi complessi nei loro pezzi. Questo articolo ti dirà tutto ciò che devi sapere sulle frese a controllo numerico computerizzato (CNC), incluso come funzionano, perché sono precise, gli assi che utilizzano e le diverse opzioni tra cui puoi scegliere.

Come funzionano le fresatrici CNC

Il mandrino, la tavola, l'HMI (interfaccia uomo-macchina), il controller, il magazzino utensili, il servomotore, la slitta con vite a ricircolo di sfere e altri componenti di supporto strutturale costituiscono una fresatrice CNC a tre assi. Il materiale in stock è fissato sul tavolo. Il mandrino fa girare l'utensile da taglio, che a sua volta taglia il materiale.

L'HMI traduce il disegno o il comando in un linguaggio comprensibile alla macchina e lo invia al controllore. servomotore la rotazione è controllata con precisione dal controller. Utilizzando una vite a ricircolo di sfere e un binario di guida, il servomotore sposta la tavola o il mandrino nella posizione specificata al momento specificato. Il materiale grezzo viene quindi tagliato per formare la forma desiderata. Il magazzino utensili memorizza un'ampia varietà di utensili.

Se necessario, il mandrino può accedere al magazzino utensili e ottenere gli attrezzi appropriati. Alcuni poco costosi fresatura CNC le macchine non hanno un magazzino utensili, rendendo necessario il cambio manuale degli utensili. Le fresatrici CNC a quattro e cinque assi hanno uno o due assi rotanti oltre ai tre assi che muovono la tavola.

Perché le fresatrici CNC sono precise

Sistema di controllo della fresatrice CNC

La figura sopra mostra le principali parti di controllo di una fresatrice CNC, tra cui l'interfaccia uomo-macchina (computer), il controller, l'amplificatore, l'encoder, il motore, la vite a ricircolo di sfere e il binario di guida. L'encoder può rilevare con precisione l'angolo di rotazione del motore. La precisione dei diversi encoder è diversa. Generalmente la precisione dell'encoder utilizzato dalle fresatrici CNC è compresa tra centinaia di millesimi e milionesimi di cerchio.

Il controller può quindi controllare il motore affinché ruoti all'angolo richiesto e la precisione può raggiungere anche diverse centinaia di millesimi di giro. Il controller, l'amplificatore, l'encoder e il motore formano un controllo a circuito chiuso. In questo ciclo di controllo, il comando inviato (l'angolo di rotazione richiesto) e il risultato (l'angolo di rotazione effettivo) verranno confrontati e corretti finché non saranno coerenti. Pertanto, è un sistema con altissima precisione e senza spazio di errore.

L'intero sistema di controllo CNC è un sistema a circuito semichiuso poiché la posizione finale della vite a ricircolo di sfere e delle guide non viene restituita al controller ad eccezione del controllo a circuito chiuso formato dal controller e dal motore. La precisione di questa parte della macchina dipende dalla precisione dei componenti meccanici.

Il motivo per cui una fresatrice CNC utilizza viti a ricircolo di sfere è che il loro gioco è molto inferiore a quello di una vite normale. Le viti a ricircolo di sfere di alta qualità possono raggiungere la precisione di posizione di pochi um. Il servomotore ad alta precisione, il controllo ad anello chiuso dell'encoder e la vite a ricircolo di sfere ad alta precisione possono garantire la precisione di posizionamento ripetuta del sistema fino a diversi μm in condizioni di assenza di carico.

Altre cose da considerare

Nel processo di lavorazione, il taglio dei metalli produce un'enorme forza di reazione. Per garantire la precisione della lavorazione, dipende anche dalla rigidità e dalla resistenza dell'intera macchina. In generale, maggiore è il peso, migliore è la rigidità della macchina. Maggiore è la larghezza del binario di guida, maggiore è la durezza e la rigidità.

Naturalmente va considerata anche la robustezza strutturale dell’intera macchina. Nelle operazioni reali, dovrebbero essere considerati anche i fattori umani, la precisione degli strumenti di misurazione, i cambiamenti di temperatura del pezzo e degli strumenti durante la lavorazione, l'usura degli strumenti e altri fattori. Sulla base dei fattori sopra indicati, le moderne fresatrici CNC possono raggiungere una precisione di 0.01 mm nella lavorazione effettiva.

Controllo ad anello chiuso e motore lineare

Il controllo a circuito semichiuso viene utilizzato nelle macchine CNC. La precisione del movimento del tavolo dipende in parte dalla precisione del dispositivo meccanico, poiché il controller riceve feedback solo sull'angolo di rotazione del motore. Gli azionamenti a motore lineare rappresentano il progresso tecnologico più recente in questo settore per affrontare questo problema.

Se immagini la parte mobile di un servomotore, che in genere ruota e poi si raddrizza, hai un'idea di cosa fa un motore lineare. Il mandrino viene ruotato dal servomotore e la vite a ricircolo di sfere viene utilizzata per convertire il movimento rotatorio in movimento lineare.

Il motore lineare non ha vite a ricircolo di sfere poiché non ha elementi rotanti. Aziona un nucleo di ferro, chiamato anche carrello o cursore, sulla pista magnetica per eseguire direttamente il movimento lineare. L'encoder del servomotore segnala la posizione angolare del motore, mentre l'encoder del motore lineare segnala la posizione lineare del nucleo di ferro.

La tavola o il mandrino normalmente poggiano sul nucleo di ferro. Si tratta quindi di un sistema di controllo a circuito chiuso in cui il risultato finale di qualsiasi comando viene riportato al controller e il movimento viene corretto di conseguenza. Maggiore precisione, maggiore capacità di carico e maggiore velocità e accelerazione sono solo alcuni dei vantaggi del motore lineare nel CNC. Uno svantaggio, però, è l’aumento del prezzo.

Assi di una fresatrice CNC

Prendendo come esempio le frese CNC verticali più comuni, 3 assi controllano il movimento lineare del pezzo e del mandrino, l'asse X si muove a sinistra e a destra, l'asse Y si muove avanti e indietro e l'asse Z si muove su e giù. Come accennato in precedenza, il movimento di questi tre assi è realizzato dalle viti a ricircolo di sfere azionate dai servomotori, che possono raggiungere un'elevata precisione.

Una fresatrice CNC a 5 assi comprende anche un asse di rotazione attorno all'asse X – l'asse A, e un asse di rotazione attorno all'asse Z – l'asse C. L'asse di rotazione è realizzato da un servomotore tramite un riduttore di precisione e la precisione può raggiungere dal decimillesimo al centomillesimo di grado.

Collegamento multiasse

A volte per poter lavorare pezzi molto complessi, come superfici complesse. Ciascun asse della fresatrice CNC deve muoversi simultaneamente in una determinata relazione. Ad esempio, gli assi X, Y e Z si muovono nella relazione z=x^2+y^2.

La funzione con cui gli assi possono realizzare questa complessa relazione e muoversi allo stesso tempo è chiamata “linkage”. Tutte le frese CNC hanno il collegamento tra gli assi X, Y e Z, quindi è possibile realizzare la fresatura di un anello o di una semisfera. Ma non tutti i CNC hanno il collegamento degli assi A e C con X, Y e Z.

Le frese CNC senza collegamento dell'asse A/C sono chiamate macchine a 3+1 assi/3+2 assi, chiamate anche “falsi quattro assi” e “falsi cinque assi”. Questo tipo di fresatrice può solo ruotare l'asse A/C per raggiungere la posizione predeterminata e mantenerlo fermo durante la lavorazione di superfici curve complesse, quindi eseguire la fresatura XYZ.

È quindi difficile ottenere una fresatura uniforme di superfici molto complesse. Ma danno comunque più libertà agli operatori rispetto a una fresatrice CNC a 3 assi.

Magazzino utensili Scelta per fresatrice CNC

Sebbene diversi tipi di magazzini utensili abbiano tassi di guasto e affidabilità diversi, quando si sceglie un magazzino utensili, il numero di utensili che può ospitare è ancora l'elemento più importante da considerare. Le funzioni principali del magazzino utensili sono l'alloggiamento dell'utensile e il cambio rapido dell'utensile sul mandrino, risparmiando così il tempo del cambio utensile manuale. Pertanto, quale magazzino utensili scegliere è legato principalmente al lotto di prodotti lavorati.

Scelta della produzione di grandi volumi

Se il prodotto da elaborare è relativamente semplice e la dimensione del lotto è relativamente grande, è possibile scegliere un magazzino utensili con una capacità inferiore, un tasso di guasto inferiore e una velocità di cambio utensile più rapida, come un magazzino utensili con cappello di bambù che può ospitare 10 -16 strumenti. Se si tratta di un prodotto complesso di grandi volumi, è necessario un magazzino utensili con una grande capacità e un cambio utensile estremamente veloce, come un magazzino utensili ad azione sincrona che può ospitare da 24 a 36 utensili.

Scelta Produttiva della Prototipazione

Le aziende che si concentrano sui prototipi spesso scelgono di utilizzare tipi di magazzino utensili più lenti, affidabili ed economici, come il tipo con braccio di presa a 12 utensili, perché la velocità di cambio utensile rapido non è molto vantaggiosa per lotti molto piccoli. Inoltre, alcune aziende che si concentrano sulla produzione automatizzata di piccoli lotti utilizzeranno magazzini utensili esterni di grande capacità per ridurre al minimo la necessità di installare utensili nel magazzino quando è necessario realizzare nuove parti. Ho visto casi estremi utilizzando due magazzini utensili esterni con una capacità di 98 utensili ciascuno.

Sebbene ci siano ancora aziende in Cina che utilizzano frese CNC senza magazzini utensili per lavorare parti semplici come prototipi in plastica o accessori per stampi, poiché i salari dei lavoratori qualificati continuano ad aumentare, questo tipo di fresa CNC che utilizza il cambio utensile manuale sta diventando sempre più raro in Cina. l'industria.

Diversi tipi di fresatrici CNC

Fresatrice verticale CNC:

Il tipo più diffuso di fresatrice CNC è quella verticale. I centri di lavoro verticali mantengono l'utensile da taglio su un albero principale (mandrino) perpendicolare al suolo. Una colonna sostiene il mandrino. Questo design, che ha una struttura più semplice, è adatto per la fresatura di articoli di medie dimensioni e pesanti. L'operazione è più pratica e il pezzo è comodamente accessibile. Di solito ha un costo iniziale inferiore rispetto ad altri tipi.

Fresatrici CNC orizzontali:

Il mulino CNC orizzontale è un'altra varietà popolare. Il mandrino del centro di lavoro orizzontale, posizionato orizzontalmente, viene utilizzato per trattenere l'utensile da taglio. L'accesso laterale al pezzo è semplice grazie a questo design. In generale, una fresatrice orizzontale è più potente e adatta alla lavorazione di pezzi sfusi o con trucioli pesanti. Un mulino orizzontale costa molto di più di un mulino verticale di dimensioni simili.

Fresatrice CNC a portale:

Una struttura composta da due colonne e travi supporta il mandrino della fresatrice CNC a portale. Un portale è una struttura aerea che assomiglia ad un ponte. Questa costruzione fornisce un supporto più forte per il mandrino e ha un elevato livello di precisione e stabilità, consentendogli di supportare mandrini e utensili più grandi. Generalmente, le parti in lamiera ragionevolmente grandi o relativamente lunghe vengono prodotte in fresatrici CNC a portale. Le fresatrici CNC a portale possono essere incredibilmente enormi. Ho visto fresatrici CNC a portale con un tavolo di lavoro delle dimensioni di una piscina e strumenti delle dimensioni di una persona.

Vantaggi della lavorazione con fresatura CNC.

Lavorazione prototipi e produzione di pezzi singoli:

In questa gamma di lotti, i metodi di lavorazione più comunemente utilizzati sono la stampa 3D e la lavorazione con macchine CNC. La gamma di materiali per la stampa 3D è limitata e le fresatrici CNC possono lavorare quasi tutti i tipi di materiali plastici e metallici. Anche la precisione della stampa 3D è limitata, sostanzialmente a livello millimetrico. La fresatrice CNC può raggiungere 0.01 mm. Quindi è una scelta molto migliore quando la parte prodotta ha un requisito di tolleranza.

Nel processo di stampa 3D, il materiale viene fuso e poi solidificato, quindi la resistenza della parte è bassa. La lavorazione CNC può utilizzare profili o materiali forgiati, che sono molto più resistenti della stampa 3D. Quindi è un processo migliore per i componenti strutturali e i componenti sollecitati. Lo scopo di molti prototipi è verificare se le parti possono soddisfare i requisiti della futura produzione di massa. Le parti lavorate con CNC sono più vicine alla produzione di massa, quindi sono più adatte a tali test.

Produzione in piccoli lotti:

La produzione in piccoli lotti è lo scenario più adatto per la lavorazione CNC. La stampa 3D è normalmente troppo costosa per piccoli lotti. L'investimento iniziale nella produzione di stampi è troppo grande. Il CNC può ancora offrire un'ampia selezione di materiali, un'eccellente precisione di resistenza e costi relativamente bassi.

Produzione ad alto volume:

In generale, quando la dimensione del lotto è elevata, la produzione di stampi presenta un vantaggio maggiore. Ma la produzione CNC può raggiungere un’elevata precisione che la produzione di stampi non può raggiungere. E se è necessario modificare il design, la produzione CNC è più flessibile. Inoltre, la realizzazione degli stampi richiede molto tempo e il tempo necessario per il primo lancio dei prodotti in lotti sarà più lungo rispetto alla produzione CNC. Se il primo lotto di prodotti deve rispettare una data di scadenza prossima, il CNC è la scelta migliore.

Come funziona una fresatrice CNC

Il processo di fresatura CNC inizia solitamente da disegni o progetti CAD. Vengono caricati in un computer, quindi utilizzano il software CAM (Computer Aided Manufacturing) per convertire il disegno in codice NC, che calcola la velocità di taglio, l'avanzamento e il percorso utensile necessari per produrre la parte.

Una volta caricato il codice NC nella macchina, l'utensile e il pezzo vengono posizionati e bloccati in posizione. Le fresatrici CNC utilizzano il codice NC per controllare il movimento di utensili e pezzi in lavorazione, in modo da ottenere operazioni di taglio, foratura e fresatura precise. La macchina taglia e si muove secondo le istruzioni del codice NC per produrre le parti o i componenti richiesti.

Alcune fresatrici CNC avanzate possono fornire misurazioni in-process. Questo tipo di macchina può monitorare continuamente gli utensili da taglio e i pezzi in lavorazione e regolarli secondo necessità per garantire che le parti finite soddisfino le specifiche e le tolleranze richieste. La macchina può anche produrre più parti in un'unica configurazione tramite la programmazione, riducendo così il tempo e lo sforzo necessari per produrre più parti. Inoltre, il tempo di bloccaggio del materiale può essere ridotto aggiungendo attrezzature esterne come un manipolatore e una tavola rotante.

Conclusione

In conclusione, le fresatrici CNC (controllo numerico computerizzato) sono una componente vitale della produzione contemporanea e sono ampiamente utilizzate in numerosi settori per creare un'ampia varietà di parti e componenti. Un computer viene utilizzato dalle macchine per inserire e decifrare il codice NC, che regola i movimenti dell'utensile da taglio e del pezzo in lavorazione e consente operazioni di taglio e foratura accurate e precise.

I complessi sistemi di controllo, i numerosi assi di movimento e i cambi utensile automatici sono solo alcune delle caratteristiche e capacità delle fresatrici CNC. L’adozione delle fresatrici CNC ha cambiato completamente il settore manifatturiero, migliorando la precisione, l’economicità, la produttività e la sicurezza.

Capable Machining dispone di più di 40 centri di lavoro CNC e torni CNC di tutti i tipi e più di dieci anni di esperienza nella lavorazione CNC. Che si tratti dell'elaborazione rapida di prototipi di un pezzo singolo, dell'elaborazione di piccoli lotti o di ordini di grandi lotti, disponiamo di processi maturi e di controllo di qualità per garantire la soddisfazione del cliente. Se avete domande sulla lavorazione CNC, inviateci un'e-mail e saremo lieti di rispondervi.