Fresatura - itis galileo galilei conegliano

Classe 4^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - UdA n° 2: Taglio dei metalli - Lavorazioni di fresatura
LAVORAZIONI DI FRESATURA
Le lavorazioni di fresatura sono effettuate mediante macchine dette “fresatrici” utilizzando
utensili detti “frese”.
Oltre alle lavorazioni di spianatura, si possono eseguire anche operazioni di contornatura,
foratura, alesatura, scanalature diritte ed elicoidali, esecuzione di tasche e taglio di ruote dentate.
Le fresatrici, che sostituiscono quindi in primo luogo le limatrici e le piallatrici, consentono
elevata produttività, buona finitura superficiale, ottima precisione dimensionale dei pezzi
lavorati, senza la necessità di dovere ricorrere a successile operazioni di rettifica.
Nella fresatrice il moto di taglio è rotatorio continuo uniforme ed è posseduto dall’utensile, a
cui è impresso da un mandrino; il moto di alimentazione è rettilineo uniforme ed è posseduto dal
pezzo, che è montato e fissato, di solito tramite morsa, sulla tavola della macchina.
Nella fresatura non si ha asportazione continua del truciolo: durante
la rotazione della fresa, ciascun dente lavora in modo intermittente,
cioè taglia per un piccolo arco e poi rimane inattivo fino a che non
“attacca” nuovamente il pezzo. Ciò è vantaggioso per la durata dei
denti, che hanno il tempo di raffreddarsi. Di contro occorre rilevare
l’escursione termica cui gli stessi denti sono soggetti e le forti
sollecitazioni meccaniche alle quali i taglienti sono sottoposti nel
momento in cui entrano in contatto col pezzo.
Al contrario del tornio, nel quale le lavorazioni si svolgono lungo due
assi principali (asse del mandrino Z longitudinale ed asse dell’utensile X trasversale), sulla fresatrice
si distinguono tre assi: uno longitudinale X, uno trasversale Y ed uno verticale Z.
Classificazione delle fresatrici
Si distinguono generalmente due tipologie di fresatrici:
1) Fresatrice orizzontale, se l’utensile è montato su
un albero portafresa orizzontale. Può essere
utilizzata soltanto per eseguire spianature e
scanalature e per questo motivo sono ormai in
disuso.
L’incastellatura di ghisa è costituita da un
basamento, da un montante e da un braccio.
Nell’incastellatura sono posizionati il motore
elettrico e gli organi di trasmissione della macchina
(cinghie, cambi di velocità ...). Il braccio sostiene il
mandrino orizzontale sul quale è montata la fresa.
Sulle guide del montante si muove in verticale, mediante una vite telescopica, la 1a slitta, che ha
la forma di mensola. Su di essa scorre trasversalmente, su guide disposte sulla mensola, la 2a
slitta, parallelamente all’asse del mandrino. Sulla slitta trasversale scorre longitudinalmente, su
guide disposte sulla slitta trasversale, la 3a slitta, detta tavola portapezzo, che ha forma lunga e
stretta e si muove perpendicolarmente all’asse del mandrino.
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2) Fresatrice verticale, se l’utensile è montato su
un portamandrino verticale inclinabile. E’
utilizzata per eseguire spianature accurate di
superfici anche inclinate, scanalature e
profilature anche circolari.
Basamento, montante, slitte ed organi di
trasmissione sono simili a quelli della fresatrice
orizzontale. E’ differente la testa, che è ad asse
verticale e, spesso, orientabile. Il mandrino
riceve il moto da un albero orizzontale tramite
una coppia di ruote dentate coniche.
- Procedimenti di fresatura (UNI-ISO 3855)
Si distinguono due metodi di fresatura: quella periferica e quella frontale
1) Fresatura periferica
Nella fresatura periferica (detta anche “fresatura con frese a taglio
periferico”), l’albero portafresa, per lo più orizzontale, è parallelo al
pezzo da fresare. Per tale lavorazione viene utilizzata la fresatrice
orizzontale universale e sono impiegate frese cilindriche.
La fresatura periferica può essere a sua volta discorde (o “in discordanza” o “in opposizione”) e
concorde (o “in concordanza”).
a) Fresatura discorde
In tale procedimento di fresatura il senso di rotazione della fresa si
oppone al senso di avanzamento della tavola portapezzo. Il dente
della fresa “attacca” il pezzo in lavorazione sulla superficie già fresata,
strisciando su di essa e, quindi, usurandosi. Nel contempo, comprimendo
il materiale, ne determina un incrudimento.
b) Fresatura concorde
In tale procedimento di fresatura il senso di rotazione della fresa è
nello stesso senso dell’avanzamento della tavola portapezzo. Il dente
della fresa “attacca” il pezzo sulla parte alta della superficie in
lavorazione, dove lo spessore è massimo e dove, quindi, è sottoposto
alle maggiori sollecitazioni.
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2) Fresatura frontale
Nella
fresatura
frontale
l’albero
portafresa
è
perpendicolare al pezzo da
fresare. Per tale lavorazione
viene utilizzata la fresatrice
verticale, nella quale il montante
presenta superiormente un piano
verticale di appoggio per la testa portamandrino, che riceve il moto
dall’albero orizzontale mediante una coppia di ruote dentate coniche.
I taglienti sono disposti radialmente lungo tutta la superficie esterna
della fresa e sulla base cilindrica di essa. Ogni dente della fresa lavora
nel piano e lo spessore del truciolo varia poco dal momento in cui
“attacca” il materiale al momento in cui esce da esso.
Fresatura combinata
In taluni casi le due tipologie di fresatura sono presenti
entrambe. Si parla allora di fresatura combinata. La
fresa cioè esegue la spianatura utilizzando i taglienti
inferiori, mentre con quelli laterali esegue uno
spallamento, che è equiparabile alla fresatura periferica.
Inoltre, durante la fresatura frontale, il truciolo viene
asportato in parte con azione in discordanza ed in parte
con azione in concordanza.
Frese per la lavorazione dei metalli
La fresa è un utensile a taglienti multipli, in grado di asportare
trucioli sottili, fornendo una superficie di lavoro uniforme e con un
buon grado di finitura. Ciascuno dei taglienti è assimilabile ad un
utensile monotagliente.
- Esecuzione delle frese
Si distinguono tre diverse esecuzioni dell’utensile fresa: N, D, T.
- Esecuzione N: è utilizzata per lavorazioni di acciai da
costruzione, ghisa grigia e materiali non ferrosi di media durezza.
- Esecuzione D: è utilizzata per materiali duri e tenaci.
- Esecuzione T: è utilizzata per materiali teneri e malleabili
L’esecuzione si differenzia in base alle caratteristiche costruttive dell’utensile, in particolare il
numero dei denti, la robustezza dei denti, gli angoli di spoglia, dei taglienti, dell’elica ecc.
Il campo d’impiego degli utensili N, D, e T è regolamentato dalla norma UNI 3899 e può essere
schematizzato nella seguente tabella:
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Materiale da lavorare
Acciaio con R ≤ 500 [N/mm2]
“
500 < R ≤ 800 [N/mm2]
“
800 < R ≤ 1000
“
“
1000 < R ≤ 1300 “
“
in getti
Ghisa con durezza fino a 180 HBS
Ghisa con durezza oltre 180 HBS
Ghisa malleabile
Rame e leghe di rame tenere
Leghe di rame dure
Leghe di zinco
Alluminio e leghe di alluminio tenere
Leghe di alluminio semidure
Leghe al magnesio
Materie plastiche
N
N
N
(N)
N
N
N
(N)
N
(N)
N
(N)
N
Esecuzione dell’utensile
(D)
D
(D)
D
(D)
-
(T)
T
T
T
(T)
(T)
T
Le lavorazioni tra parentesi sono possibilmente da evitare o comunque da utilizzare in caso di
necessità.
- Frese unificate
Le frese unificate che più interessano il nostro studio perché caratterizzanti le principali
lavorazioni sono le seguenti:
1) Fresa cilindrica a denti elicoidali UNI 3901
Ha azione periferica.
Ha denti elicoidali per rendere il lavoro più dolce.
E’ utilizzata per spianature senza spallamenti nella
fresatura periferica.
E’ in acciaio rapido tipo X 75 W 18.
Si trova nell’esecuzione N e T.
Esempio di designazione Fresa 80 x 63 T UNI 3901.
Diametro della fresa
(mm)
50
63
80
100
Larghezza della fresa
(mm)
40 – 63 – 80
50 – 70
63 – 100
70
Poiché i denti sono elicoidali, sono costruite in un sol pezzo con il corpo della fresa e quindi in
acciaio rapido.
Per lavorare materiali a truciolo lungo, sono utilizzate frese sulle quali sono praticati piccoli intagli
con la funzione di rompitruciolo.
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2) Fresa cilindrico-frontale a due taglienti UNI 3903
Ha azione frontale.
Ciascun dente ha due taglienti: uno principale sui denti
elicoidali disposti sulla superficie cilindrica ed uno
secondario sui denti frontali rettilinei.
E’ utilizzata per spianature con spallamenti retti, anche di
notevole altezza, nella fresatura frontale.
E’ in acciaio rapido tipo X 75 W 18.
Si trova nell’esecuzione N, D e T.
Esempio di designazione Fresa 63 N UNI 3903.
Diametro della fresa
(mm)
40
50
63
80
100
125
160
Larghezza della fresa
(mm)
32
36
40
45
50
56
63
Condizioni d’impiego in base al diametro D della fresa:
- profondità di passata p = 0,1 D
- larghezza di fresatura L = 2/3 D
3) Fresa a disco a tre taglienti UNI 3905
Ha azione periferica.
Possono avere solo taglienti principali (sulla superficie
cilindrica) ma anche taglienti secondari (sui due piani
laterali).
E’ utilizzata per l’esecuzione di scanalature profonde.
E’ in acciaio rapido tipo X 75 W 18.
Si trova nell’esecuzione N, D e T.
Esiste in commercio la dentatura tipo A (alternata) e la
dentatura tipo B (diritta).
Esempio di designazione Fresa A 80 x 18 N UNI 3905.
Diametro della fresa
(mm)
50
63
80
100
125
160
200
Spessore della fresa (mm)
4 – 5 – 6 – 8 – 10
5 – 6 – 10 – 12 – 14 – 16
6 – 10 – 12 – 14 – 16 – 18
8 – 10 – 12 – 14 – 16 – 18 – 20 – 22
10 – 12 – 14 – 16 – 18 – 20 – 22 – 25
12 – 14 – 16 – 18 – 20 – 22 – 25 – 28
14 – 16 – 18 – 20 – 22 – 25 – 28 – 32
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Condizioni d’impiego in base allo spessore della fresa:
- profondità di passata p ≤ spessore fresa
4) Fresa per cave a due taglienti con codolo
cilindrico liscio, serie corta UNI 8254
E’ utilizzata in genere per lavori di contornatura
ma anche per spallamenti retti e, in particolare,
per l’esecuzione di cave.
Nel caso di contornatura ha azione periferica,
nel caso delle cave ha azione frontale.
Ha due taglienti per ottenere anche un
avanzamento assiale in modo da poter ottenere una cava partendo dal pieno (come una punta a
forare) e quindi avanzare trasversalmente.
I denti sono elicoidali per rendere più dolce il taglio.
E’ in acciaio rapido tipo X 75 W 18.
Si trova nell’esecuzione N, D e T.
Esiste in commercio la fresa tipo A (per cave di linguette) e la fresa tipo B (per cave generiche).
Esempio di designazione Fresa A18 N UNI 8254.
Diametro della fresa
(mm)
2
2,5
3
3,5
4
5
6
7
8
9
10
11
12
14
16
18
20
22
Lunghezza
complessiva
48
49
49
50
51
52
52
60
61
61
63
70
73
73
79
79
88
88
Lunghezza tagliente
4
5
5
6
7
8
8
10
11
11
13
13
16
16
19
19
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Condizioni d’impiego in base al diametro D della fresa nel
caso dell’esecuzione di cave:
- profondità di passata p = 0,5 D
Condizioni d’impiego in base al diametro D della fresa nel
caso di contornature:
- profondità di passata p = (0,25 ÷ 0,3) D
- lunghezza tagliente fresa a contatto col pezzo L = (1 ÷ 1,25) D
Una scanalatura può essere eseguita
sia con fresa per cave che con fresa a
disco.
La fresa radiale a disco (adatta per
esempio per sedi di chiavette diritte)
consente una lavorazione economica e
rapida; la fresa per cave a codolo
(adatta per esempio per sedi di
chiavette incastrate arrotondate) permette una lavorazione più lenta e quindi più costosa.
Numero di denti delle frese
Come già detto, le frese sono utensili a taglienti multipli. Il numero dei denti é un elemento
importante in quanto influenza la formazione del truciolo con le modalità di seguito trattate.
Nella tabella che segue sono riportati i numeri di denti delle frese in acciaio super rapido. Il
numero di denti varia a seconda del diametro della fresa e del materiale in lavorazione.
D
Fresa
3
5
8
10
16
19
20
23
25
30
32
40
46
50
56
63
Fresa cilindrica
per spianare
N
D
T
6
6
8
10
12
12
4
4
6
Fresa frontale
Fresa a disco
Fresa a codolo
N
D
T
N
D
T
8
10
16
16
12
4
5
6
8
10
11
16
6
6
N
4
4
4
4
4
6
6
6
6
6
6
D
6
6
6
8
10
10
10
12
12
12
12
T
3
3
3
3
3
4
4
5
5
5
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68
80
100
125
160
200
8
10
12
14
14
16
18
20
6
8
8
10
12
14
16
18
20
24
26
28
8
10
10
12
10
12
14
16
18
16
20
24
26
28
6
8
10
10
12
In particolare, per quanto riguarda il numero dei denti di una fresa, si può dire che:
a) non influisce sulla finitura superficiale del pezzo
b) lo spessore di truciolo asportato varia inversamente al numero dei denti
c) la durata di affilatura é maggiore se il numero dei denti é elevato
d) un basso numero di denti causa una discontinuità d’azione.
Parametri di taglio per fresare
Anche nella Fresatura i parametri di taglio sono la profondità di passata, l’avanzamento e la
velocità di taglio.
- Scelta della profondità di passata
Per quanto riguarda la profondità di passata si può assumere:
- p = 2 ÷ 5 mm per la sgrossatura
- p = 0,3 ÷ 0,5 mm per la finitura
Fino al valore della profondità di passata p = 5 mm la potenza necessaria per eseguire la
lavorazione varia linearmente con tale parametro di taglio.
Un valore elevato della profondità di passata provoca, a causa dell’elasticità del materiale e dei
piccoli giochi esistenti tra vite e madrevite, deformazioni sensibili sul pezzo. In fase di finitura queste
deformazioni devono essere ridotte al minimo e quindi la profondità di passata deve essere di pochi
decimi di millimetri.
- Scelta dell’avanzamento
Per quanto riguarda l’avanzamento, nella fresatura si distinguono:
-
avanzamento per giro ag (avanzamento della tavola portapezzo ad ogni giro della fresa) in
mm/giro
velocità di avanzamento Va in mm/min: Va = ag * n
avanzamento per dente az (avanzamento della tavola portapezzo nel tempo in cui si ha la
rotazione della fresa di un valore corrispondente all’angolo tra un dente e l’altro) in
mm/dente.
Poiché:
Va = ag * n = az * z * n [mm/min]
si ha che:
az = Va / z * n [mm/dente]
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L’avanzamento è bene che sia alto nella sgrossatura e basso nella finitura. Normalmente si può
assumere ag = 0,5 ÷ 1 mm/giro.
Il valore migliore dell’avanzamento deve essere determinato in modo da sfruttare razionalmente la
fresa senza sovraccaricare i denti, il che pregiudicherebbe la durata dei taglienti e la finitura
superficiale del pezzo.
- Avanzamenti troppo bassi rendono difficile la penetrazione dei denti e determinano lo scivolamento
dei taglienti sulla superficie del pezzo con conseguente aumento di temperatura ed usura della
fresa.
- Avanzamenti troppo alti possono generare sollecitazioni eccessive sui denti con usura per
craterizzazione e possibile rottura dei taglienti.
Quando si voglia una buona finitura è conveniente ridurre al minimo l’avanzamento e la
profondità di passata. La superficie del pezzo sarà tanto più piana e liscia quanto più sono numerosi e
piccoli i trucioli.
Nella tabella seguente sono indicati i valori dell’avanzamento per dente in funzione del materiale
da lavorare e del tipo di fresa. Il primo dei due valori si deve utilizzare nel caso di passate di finitura,
il secondo nel caso di sgrossatura.
Materiale da fresare
Acciaio dolce (R ≤ 600
N/mm2)
Acciaio semiduro (R =
800 N/mm2)
Acciaio duro (R = 1000
N/mm2)
Acciaio durissimo (R =
1200 N/mm2)
Acciaio extra duro (R >
1200 N/mm2)
Ghisa HBS < 200
Ghisa HBS = 200 ÷ 300
Ghisa HBS ≥ 300
Rame, Ottone tenere
Bronzo, Ottone duro
Alluminio
Avanzamento per dente (mm/dente)
Fresatura frontale
Fresatura periferica
Widia
HSS
Widia
HSS
Spianatura A disco
A codolo
0,10÷0,40 0,15÷0,40 0,10÷0,40 0,10÷0,30 0,05÷0,10 0,08÷0,15
0,10÷0,30 0,15÷0,40 0,10÷0,30
0,10÷0,25
0,05÷0,08 0,07÷0,12
0,10÷0,25 0,10÷0,30 0,10÷0,25
0,08÷0,15
0,03÷0,07 0,06÷0,10
0,10÷0,20 0,10÷0,30 0,08÷0,20
0,05÷0,12
0,02÷0,06 0,04÷0,08
0,05÷0,10 0,08÷0,15 0,05÷0,10
0,05÷0,10
0,02÷0,05 0,03÷0,05
0,10÷0,40
0,10÷0,30
0,10÷0,20
0,10÷0,30
0,10÷0,40
0,20÷0,40
0,15÷0,40
0,10÷0,30
0,10÷0,20
0,15÷0,50
0,20÷0,40
0,20÷0,50
0,05÷0,15
0,04÷0,12
0,03÷0,10
0,05÷0,10
0,04÷0,08
0,04÷0,08
0,10÷0,50
0,10÷0,30
0,10÷0,20
0,20÷0,50
0,10÷0,50
0,10÷0,20
0,10÷0,40
0,10÷0,30
0,10÷0,20
0,10÷0,30
0,10÷0,40
0,20÷0,40
0,15÷0,25
0,10÷0,20
0,08÷0,15
0,15÷0,25
0,10÷0,20
0,20÷0,50
- Scelta della velocità di taglio
La velocità di taglio deve essere scelta dai cataloghi degli utensili principalmente in funzione del
materiale dell’utensile e del materiale da lavorare. Una corretta scelta deve tenere conto anche della
durata del tagliente, dell’uso o meno del refrigerante e della quantità di truciolo da asportare
(sgrossatura o finitura).
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Nella tabella seguente sono indicati i valori della velocità di taglio in funzione del materiale da
lavorare e del tipo di fresa. Il primo dei due valori si deve utilizzare nel caso di passate di sgrossatura,
il secondo nel caso di finitura.
Materiale da fresare
Fresatura frontale
Widia
HSS
Acciaio dolce (R ≤ 600 N/mm2)
Acciaio semiduro (R = 800
N/mm2)
Acciaio duro (R = 1000
N/mm2)
Acciaio durissimo (R = 1200
N/mm2)
Acciaio extra duro (R > 1200
N/mm2)
Ghisa HBS < 200
Ghisa HBS = 200 ÷ 300
Ghisa HBS ≥ 300
Rame, Ottone tenere
Bronzo, Ottone duro
Alluminio
Velocità di taglio (m/min)
Fresatura periferica discorde
Widia
HSS
Spianatura A disco A codolo
100÷150
13÷20
18÷30
15÷25
70÷120
12÷17
10÷15
12÷20
120÷200
80÷140
20÷25
17÷23
70÷130
14÷20
60÷100
10÷15
8÷14
10÷18
60÷110
12÷17
50÷90
8÷12
8÷12
8÷15
50÷90
10÷15
40÷70
6÷12
6÷12
6÷14
50÷80
40÷70
30÷60
100÷250
100÷200
300÷600
16÷22
12÷17
10÷15
40÷80
30÷50
300÷40
40÷60
35÷60
25÷50
80÷200
80÷150
250÷500
15÷25
12÷20
10÷15
40÷70
15÷40
150÷300
15÷25
12÷20
10÷15
40÷70
15÷40
150÷300
14÷22
12÷20
8÷15
30÷80
20÷40
150÷250
I valori riportati nelle tabelle si riferiscono a durate delle frese di circa otto ore e con uso di
refrigerante abbondante.
Nel caso di lavorazione concorde i valori della velocità di taglio possono essere incrementati (fino
ad un valore doppio).
Nelle operazioni di sgrossatura è conveniente mantenere bassa la velocità di taglio in modo da
permettere che il distacco dei trucioli avvenga gradualmente, utilizzando forti avanzamenti e medie
profondità di passata, impiegando frese con denti distanziati e grandi vani.
Nelle operazioni di finitura è conveniente invece utilizzare i valori massimi della velocità di
taglio essendo i trucioli di spessore ridotto e risultando più facile la loro asportazione, utilizzando
piccoli avanzamenti con i quali si ottengono superfici più regolari, impiegando frese a denti piccoli
ed avvicinati.
La velocità di taglio è data dall’espressione:
vt =
π•D•n
[m/min]
1000
dove:
D = diametro della fresa
n = numero di giri/min della fresa
La velocità economica di taglio deve permettere una durata prestabilita tra due affilature (almeno
pari a 240 minuti).
La relazione che lega velocità di taglio economica e durata di affilatura é:
vt * Tk = cost
dove k è una costante che dipende dal materiale.
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Sappiamo inoltre che la velocità di taglio economica per una generica sezione S si può ricavare da:
vte.1
vte.S = m • f [m/min]
S
dove:
vte.1 = velocità di taglio economica quando la sezione di truciolo é di 1 mm2
m = coefficiente che dipende dal materiale (2,44 per acciai tipo Fe)
f = coefficiente correttivo (da utilizzare quando il fattore di forma G =p/ag é diverso da 5.
Volume di truciolo asportato
Il volume di truciolo asportato in un minuto é:
V = p * va * b [mm3/min] = (p * a * b)/1000 [cm3/min]
Da cui si capisce come, al contrario di quanto avviene nella tornitura, la velocità di taglio non
influisce sulla produzione. E’ pertanto errato ritenere che siano più economiche velocità di taglio
elevate, poichè il volume di truciolo prodotto non aumenta, anzi aumentano le vibrazioni e la
temperatura dei taglienti, la cui durata,m quindi, si riduce.
Lavorazione concorde e discorde
Quando occorre eseguire una lavorazione di fresatura si é obbligati a decidere se effettuarla in
discordanza o in concordanza. Ciò accade soprattutto nelle lavorazioni con frese a disco e nelle
lavorazioni di contornatura.
Un’analisi tecnica delle due lavorazioni, ci permette di osservare quanto segue.
1) Lavorazione periferica discorde
Durante l’azione del dente, si distingue una Forza
T tangenziale alla circonferenza descritta dal tagliente
ed una Forza N normale alla precedente e dovuta
all’azione esercitata dal dorso del dente sul pezzo.
Tali Forze si possono comporre in una Risultante R.
Tale Risultante può a sua volta essere scomposta in
una Forza orizzontale Fo e ed in una Forza verticale
Fv. Quest’ultima é dannosa perché, essendo diretta
verso l’alto, tende a sollevare il pezzo dalla tavola
sulla quale é fissato. Viceversa, la Forza orizzontale é utile perché, opponendosi al senso di
avanzamento della tavola portapezzo, assicura costantemente l’appoggio dei filetti della madrevite
sui filetti della vite la cui rotazione fornisce l’avanzamento della tavola, recuperando eventuali giochi
presenti.
In conclusione:
- il tagliente tende a strisciare notevolmente prima di formare il truciolo
- le forze risultanti tendono a staccare il pezzo dalla superficie di ancoraggio
- si ha il continuo recupero dei giochi fra il gruppo vite-madrevite di traslazione del pezzo
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2) Lavorazione periferica concorde
Durante l’azione del dente, si distingue una
Forza tangenziale T ed una Forza normale N, che si
possono comporre in una Risultante R. Tale
Risultante può a sua volta essere scomposta in una
Forza orizzontale Fo e ed in una Forza verticale Fv.
Quest’ultima é utile perché, essendo diretta verso il
basso, tende a schiacciare il pezzo sulla tavola e
quindi a bloccarlo ulteriormente. Viceversa, la
Forza orizzontale é dannosa qualora esistano dei
giochi tra vite e chiocciola perché, avendo lo stesso
senso dell’avanzamento della tavola, tira in avanti il
pezzo, avanzamento per dente e gioco tra vite e madrevite si sommano, aumenta la quantità di
truciolo asportato rispetto a quella prevista con conseguente pericolo di rottura del dente della fresa.
In conclusione:
- si ha un minor strisciamento del tagliente, quindi minor usura, cioé maggior durata della stesso
- la risultante delle forze di taglio tende a spingere il pezzo verso la superficie di ancoraggio
- non si ha il recupero dei giochi tra vite e madrevite ed i taglienti sono sottoposti ad urti continui.
In definitiva, se l’operazione di fresatura avviene con macchine aventi la ripresa dei giochi tra vite
e madrevite (come nelle macchine a controllo numerico provviste di vite a ricircolazione di sfere e
chiocciola), é consigliabile lavorare in concordanza; viceversa, é indispensabile lavorare in
discordanza.
3) Lavorazione frontale
Il problema non si pone nelle lavorazioni di
fresatura frontale di cave e di spianatura a fascia
centrata, in quanto in esse si ha sempre
l’alternanza tra lavorazione discorde e
lavorazione concorde.
Durante l’azione del dente, si distingue una
Forza T tangenziale alla circonferenza descritta
dal tagliente ed una Forza normale N di
repulsione esercitata dal pezzo sul dorso del
dente. Tali Forze si possono comporre in una
Risultante R, che ha intensità e direzione
variabile al variare dell’angolo di contatto. Tale Risultante può a sua volta essere scomposta in una
Forza orizzontale Fo ed in una Forza verticale Fv, rispettivamente parallela ed ortogonale all’asse del
pezzo. La Forza orizzontale é utile perché, opponendosi all’avanzamento, assicura costantemente
l’appoggio dei filetti della madrevite sui filetti della vite, recuperando eventuali giochi presenti.
La Forza verticale, che tende a spostare lateralmente il pezzo, deve essere contrastata dal sistema
di bloccaggio.
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Accorgimenti da seguire per la buona esecuzione di una spianatura con fresa frontale
Nella spianatura con fresa frontale, per eliminare eventuali giochi nel
dispositivo di alimentazione, é conveniente il moto discorde. Quindi,
qualora si debba spianare tutto il pezzo, é bene scegliere una fresa più
larga del pezzo in modo che sia soddisfatta la relazione:
D ≈ 1,5 b
con b la larghezza del pezzo.
Per aumentare la fase in discordanza e
ridurre quella in concordanza, l’asse della fresa
deve essere spostata dalla mezzeria del pezzo
delle quantità:
c = 3/5 * b
a = 2/5 * b
Per evitare lo strisciamento del dente all’inizio della lavorazione, é bene che si abbia un angolo di
entrata φe ≤ 70°.
Per evitare che i denti
posteriori della fresa striscino
sul piano già lavorato senza
asportare
truciolo
e
logorandosi, si può inclinare
l’asse di rotazione della fresa di
circa 1’ ÷ 3’ (primi, non gradi!). Certamente, in questo modo, la superficie lavorata non risulterà
perfettamente piana ma leggermente concava. Si limita però l’usura dei denti e si riduce la corsa di
lavoro (e quindi il tempo) in quanto non é necessario fare uscire completamente la fresa dal pezzo,
ma si può fermare la corsa quando il dente asporta l’ultimo truciolo.
Nella lavorazione frontale riveste una certa importanza l’angolo tra un dente e l’altro della fresa,
determinabile tramite la relazione:
δ = 360°/z
dove z è il numero dei denti della fresa.
Tale angolo deve permettere una buona evacuazione del truciolo ed é quindi particolarmente
importante nelle lavorazioni di materiali a truciolo lungo dove, a volte, un vano ridotto causa
vibrazioni, scheggiature dei taglienti, maggior assorbimento di potenza, rapida usura della fresa.
In generale, maggiore risulta essere l’arco in presa del tagliente, maggiori dovranno essere le
dimensioni del vano di evacuazione.
Nello stesso tempo, é bene che durante la lavorazioni ci siano sempre almeno due denti in presa,
per evitare problemi di ripresa dei giochi esistenti tra motore e fresa. Infatti la lavorazione
intermittente della fresa determinerebbe una rapida usura dei taglienti per scheggiatura.
Detto δ l’angolo tra un dente e l’altro e φ l’angolo di contatto fresa-pezzo, il numero dei denti in
presa si calcola mediante la relazione:
ψ = φ/δ
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Formazione del truciolo nella fresatura periferica
La trattazione che segue vale sia per la lavorazione discorde che per quella concorde.
Per effetto dell’avanzamento del pezzo, la
traiettoria descritta dal dente non è un arco di
circonferenza ma un’epicicloide. Essendo però
la velocità di avanzamento molto inferiore
rispetto al numero di giri, si può ritenere
minima la differenza tra l’epicicloide e l’arco
di circonferenza. Per questo il tratto percorso
dal dente della fresa a contatto del pezzo sarà
assimilato ad un arco di circonferenza.
Con riferimento al disegno a lato, nel quale
si considera una fresatura discorde, il dente
“attacca” il materiale nel punto A. Per effetto
dell’avanzamento della tavola portapezzo, il
dente esce dal pezzo nel punto C.
La forma del truciolo asportato é “a virgola”, con spessore crescente da zero ad un valore massimo
in corrispondenza del punto di uscita del dente dal pezzo.
Si ritiene che lo spessore massimo sia quello corrispondente al punto D. Dopo questo punto lo
spessore decresce rapidamente fino a diventare nullo al distacco del dente.
Nel caso di fresatura concorde, il dente attacca il pezzo nel punto C ed esce dal pezzo nel punto A.
Il truciolo asportato é anche in questo caso “a virgola”, ma con spessore massimo all’inizio e
progressivamente decrescente fino al punto del distacco del dente dove lo spessore é praticamente
nullo.
L’angolo φ è detto “angolo di contatto fresa-pezzo” e rappresenta l’angolo di cui ha ruotato il
dente durante l’asportazione di truciolo. In corrispondenza di φ si ha lo spessore massimo.
In tale posizione, si ha la sezione di truciolo massima asportata, che vale:
SMax = sMax * b [mm2]
dove sMax è lo spessore massimo e b è la larghezza di fresatura.
Dal disegno:
sMax = az * sen φ
con az l’avanzamento per dente.
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- Calcolo dell’angolo φ e dello spessore massimo
Si è detto che:
sMax = az * sen φ
Ma è anche:
sen φ = 1 - cos 2 ö
Essendo:
D/2 – p = D/2 cos φ
si ha:
cos φ = (d/2 – p) * 2/D = 1 – 2p/D
per cui:
cos2 φ = (1- 2p/D)2
Quindi:
sen φ = 1 - cos 2 ö = √1 - (1- 2p/D)2
relazione che, sviluppata, diventa infine:
sen φ = 2
p p2
D D2
Lo spessore massimo diviene quindi:
sMax = az * sen φ = 2 * az *
p p2
D D2
Essendo la profondità di passata p molto minore del diametro della fresa, si ha:
sMax = 2 * az * √ p/D
Ricordando che lo spessore massimo è anche pari a sMax = az * sen φ, uguagliando le due relazioni
si ha:
sMax = az * sen φ = 2 * az * √ p/D
da cui:
da cui:
sen φ = 2 * az √ p/D
φ = arcsen 2 √ p/D
Lo spessore medio può essere assunto pari alla metà dello spessore massimo:
smed = ½ * sMax = az √ p/D [mm]
oppure può essere determinato tramite la formula:
smed = (az * p * 360) / (π * D * φ)
Gli spessori all’entrata ed all’uscita sono pari a zero:
- se = 0
- su = 0
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- Calcolo della Forza di strappamento
La forza necessaria per il taglio é data dall’espressione: Fs = S * σs
dove:
S = s * b [mm2]
è la sezione di truciolo che, al variare dello spessore di
truciolo e, quindi, dell’angolo di contatto φ, varia. Per
cui si ha:
- una sezione di truciolo all’entrata Se = se * b
- una sezione di truciolo media Smed = smed * b
- una sezione di truciolo massima SMax = smax * b
- una sezione di truciolo all’uscita Su = su * b
Mentre:
σS = (σ1 /
n
S)*f
è lo sforzo specifico di strappamento, anch’esso variabile con la sezione di truciolo. Per cui si ha:
- uno sforzo specifico di strappamento all’entrata σse = σ1 / n S e (ipotizzando f = 1 se p/ag = 5)
- uno sforzo di strappamento medio σSm = σ1 /
n
Sm
- uno sforzo di strappamento massima σsMax = σ1 /
n
- uno sforzo di strappamento all’uscita σSu = σ1 /
Su
n
S Max
Dalle considerazioni svolte, si deduce che anche la Forza di strappamento sarà variabile lungo
l’arco di contatto fresa-pezzo e si avrà:
- una Forza di strappamento all’entrata Fse = Se * σse
- una Forza di strappamento media Fsm = Sm * σsm
- una Forza di strappamento massima FsMax = SMax * σsMax
- una Forza di strappamento all’uscita Fsu = Su * σsu
- Nel caso di fresatura discorde, la Forza di taglio cresce gradualmente dall’inizio del taglio fino al
punto dove lo spessore del truciolo è massimo e diventa bruscamente zero nel punto di uscita del
dente. Ciò provoca il distacco violento del truciolo stesso nonché vibrazioni che determinano una
finitura superficiale scadente del pezzo lavorato.
- Nel caso di fresatura concorde, la Forza di taglio decresce gradualmente dall’inizio del taglio fino al
punto dove lo spessore del truciolo è minimo. Il momento più gravoso è all’inizio della lavorazione,
poi le vibrazioni sono minori e quindi anche l’usura dei taglienti.
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- Calcolo della Potenza necessaria per eseguire la lavorazione
La Potenza si determina tramite la formula:
P = Fs * vt / 60 000 [kW]
Ci si chiede quale tipo di Forza di strappamento, tra le precedenti enunciate, bisogna considerare
per la determinazione della Potenza. Ci si comporta nel seguente modo:
- qualora lungo l’arco di contatto fresa-pezzo (angolo φ) ci fosse un solo dente in presa, si deve
assumere come Forza di strappamento quella massima (FsMax);
- nel caso ci fossero più denti in presa, si prende in considerazione la Forza di strappamento media
moltiplicata per il numero di denti in presa (F’s = Fs * ψ).
Il numero di denti in presa si può calcolare nel seguente modo:
ψ = angolo di contatto fresa-pezzo/angolo tra un dente e l’altro = φ / δ
con δ = 360/z
dove z il numero dei denti della fresa.
In definitiva, nel caso in cui ψ ≤ 1:
P = FsMax * vt / 60 000 [kW]
Qualora ψ > 1:
P = Fs * ψ * vt / 60 000 [kW]
La potenza necessaria per eseguire la lavorazione deve essere disponibile al mandrino. La potenza
disponibile al mandrino Pm è pari a:
Pm = PM * η [kW]
dove:
PM = Potenza del motore in kW
η = rendimento della fresatrice
Il rendimento si una fresatrice può essere assunto pari a 0,8 nel caso di macchine in ottimo stato e
0,5 nel caso di macchine in cattivo stato.
Rappresentazione della Forza di taglio
La variazione della Forza tangenziale sul dente
della fresa periferica, in funzione dell’angolo di
rotazione della fresa, si può rappresentare su
diagramma.
Nel caso di fresatura discorde, si ha inizialmente
F = 0 dove φ = 0 (cioè quando la fresa attacca il
materiale). Quindi si raggiunge gradualmente il
valore massimo FMax dove φ = 30° (in pratica φMax).
Nell’esempio considerato la Forza periferica dal massimo scende a zero perché non si ha più di un
dente in presa. Il successivo dente entrerà poi in presa in corrispondenza di φ = 36° e finirà la sua
corsa per φ = 36° + 30° = 66°.
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Nel caso di fresatura concorde,
il dente penetra nel materiale con
lo spessore massimo di truciolo. La
Forza di taglio è quindi massima
all’inizio e diminuisce con
l’avanzamento del dente.
Dai diagrammi si rileva
facilmente come sia notevole
l’oscillazione della Forza di taglio
durante la fresatura periferica. Tale
oscillazione é svantaggiosa in
quanto sollecita eccessivamente la
fresatrice, la fresa, il pezzo,
l’attrezzatura di fissaggio. La
situazione é migliore se ci sono più
denti in presa e con frese elicoidali,
che “ingranano” gradualmente nel pezzo.
Calcolo del tempo attivo (o di macchina)
La corsa di lavoro nella fresatura é data dalla
distanza in mm fra i centri della fresa misurata tra
l’inizio e la fine della lavorazione. Sul tempo ha
quindi influenza non solo la lunghezza del pezzo ma
anche il diametro della fresa.
t = corsa/va = (corsa)/(ag * n) = (L+ c +ex)/(ag * n)
Applicando il Teorema di Pitagora per determinare il cateto c, si ha:
t=
l + p( D - p) + ex
[min]
az • z • n
L’extracorsa dipende dall’abilità dell’operatore e può essere assunta pari a 2 ÷ 5 mm per parte.
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Formazione del truciolo nella fresatura frontale
Per avere le condizioni più favorevoli in questo procedimento di fresatura, è bene che il diametro
della fresa sia più grande della larghezza della superficie da lavorare, in modo che i denti abbiano
l’opportunità di lasciare momentaneamente il pezzo e raffreddarsi ed il truciolo possa evacuare
facilmente.
E’ consigliabile che tra la larghezza di fresatura “b” ed il diametro della fresa “D” sussista la
relazione:
b ≈ (2/3 ÷ ¾) D
e comunque sia sempre b ≥ ½ D
E’ consigliabile quindi scegliere il diametro della fresa: D ≈ (1,3 ÷ 1,5) b
Occorre distinguere diversi casi.
1) Fresatura frontale senza disassamento
Si ha quando il diametro della fresa é maggiore della
larghezza del pezzo ed il percorso dell’asse fresa é proprio
sull’asse del pezzo.
L’angolo di contatto fresa-pezzo é complessivamente
2φ. Il valore dell’angolo é pari a φ nel momento in cui la
fresa “attacca” il pezzo. Tale angolo decresce fino al valore
φ = 0 quando il dente raggiunge la mezzeria del pezzo
(dove l’asse fresa coincide con l’asse pezzo).
La sezione di truciolo è data, in generale, da:
S = s * p [mm2]
dove s é lo spessore di truciolo e p è la profondità di passata.
Lo spessore di truciolo è pari a:
s = az * cos φ
Dal disegno, si ricava che:
sen φ = (b/2)/(D/2)
per cui:
φ = arcsen b/D
Al variare dell’angolo φ, varia lo spessore di truciolo e, quindi, si ha:
-
spessore all’entrata se = az * cos φ
spessore medio sm = (az * b * 360) / (π * D * 2 φ)
spessore massimo sMax = az (in mezzeria, dove φ = 0)
spessore all’uscita su = az * cos φ (uguale allo spessore all’entrata)
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Al variare dell’angolo φ, variando lo spessore di truciolo, varia anche la sezione. Per cui si ha:
-
sezione all’entrata Se = se * p
sezione media Sm = sm * p
sezione massima SMax = sMax * p
sezione all’uscita Su = su * p
Nella fresatura frontale si distinguono due fasi: una in discordanza ed una in concordanza. La fase
discorde é ottimale perché elimina eventuali giochi nel dispositivo di alimentazione. E’ bene quindi
che tale fase sia ampia, o meglio che sia ridotta la fase in concordanza. Per questo é conveniente
spostare l’asse della fresa, rispetto alla mezzeria del pezzo, di una quantità
c = 3/5 * b
Si ha così la cosiddetta “fresatura con disassamento”.
2) Fresatura frontale con disassamento
Con riferimento al disegno a lato, si ha:
-
spessore all’entrata se = az * cos φ1
spessore medio sm = (az * b * 360) / [π * D * (φ1 + φ2)]
spessore massimo sMax = az (dove φ = 0)
spessore all’uscita su = az * cos φ2 (che non é uguale allo
spessore all’entrata)
L’angolo di entrata é pari a:
φ1 = arcsen c/(D/2)
L’angolo di uscita é pari a:
φ2 = arcsen (b – c)/(D/2)
Al variare dell’angolo φ, variando lo spessore di truciolo, varia anche la sezione S = s * p.
3) Fresatura frontale con fresa a codolo
Quando si eseguono scanalature aventi larghezza pari al diametro della
fresa, con riferimento al disegno a lato, si ha:
-
spessore all’entrata se = az * cos φ = 0 (essendo φ = 90°)
spessore medio sm = (az * b * 360) / (π * D * 2 φ) con b = D
spessore massimo sMax = az (in mezzeria, dove φ = 0)
spessore all’uscita su = az * cos φ = 0
Al variare dell’angolo φ, variando lo spessore di truciolo, varia anche la
sezione S = s * p.
Per il calcolo dello sforzo specifico di strappamento, della Forza di strappamento e della Potenza
necessaria per eseguire la lavorazione, vale quanto detto per la fresatura periferica.
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Rappresentazione della Forza di taglio
La variazione della Forza tangenziale sul dente della fresa frontale, in funzione dell’angolo di
rotazione della fresa, si può rappresentare su diagramma.
Dal diagramma si rileva come l’andamento della variazione della Forza tangenziale sia piuttosto
piatto, orizzontale, mentre nella fresatura periferica é verticale (quindi sfavorevole).
Oltre all’andamento più uniforme, notiamo che gli stessi valori delle forze di taglio sono più bassi
nella fresatura frontale. Quindi anche la potenza assorbita nella fresatura frontale é minore.
Calcolo del tempo attivo (o di macchina)
Anche nella fresatura frontale la corsa di lavoro é data dalla distanza in mm fra i centri della fresa
misurata tra l’inizio e la fine della lavorazione. Sul tempo ha quindi influenza non solo la lunghezza
del pezzo ma anche il diametro della fresa.
Nel caso di fresatura frontale senza disassamento il tempo é dato da:
t = corsa/va = (L +ex)/(ag * n) = (l + le + lu +ex)/(ag * n) = (l + D/2 + D/2 +ex)/(az * z * n) [min]
L’extracorsa dipende dall’abilità dell’operatore e può essere assunta pari a 2 ÷ 5 mm per parte.
La corsa di lavoro, e quindi il tempo, si riduce nel caso di fresa con diametro piccolo.
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Qualora la lavorazione venga effettuata con
l’inclinazione dell’asse della fresa, e quindi non è
necessario fare uscire completamente la fresa dal
pezzo in lavorazione, detta l la larghezza del pezzo
ed L la sua lunghezza, il tempo di machina è dato
da:
t = corsa/va = (L +ex)/(ag * n)
= (L1 + S +ex)/(ag * n)
= (L1 + [(D-√(D2-l2)/2] +ex)/(ag * n)
dove S = (D-√(D2-l2)/2 é ricavabile tramite il teorema di Pitagora.
Nel caso di fresatura frontale con fresa
spostata rispetto all’asse del pezzo, il tempo
attivo è dato da:
t = corsa/va = (L +ex)/(ag * n)
= (L1 + S +ex)/(ag * n)
= [L1 + (D-√(D2-(l+2d)2)/2] +ex)/(ag * n)
dove S = (D-√(D2-(l+2d)2/2 è ricavabile tramite
il teorema di Pitagora.
I tempi suddetti sono riferiti ad una passata. Nel caso di più passate occorre moltiplicare i tempi
prima calcolati per il numero di passate.
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