Massima produttività dalle macchine ad alta velocità

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1 Massima produttività dalle macchine ad alta velocità White Paper Un approccio pratico per identificare le impostazioni relative a velocità e avanzamenti per prestazioni ad alta velocità eccellenti e stabili. Questo white paper introduce una pratica procedura gratuita, basata sulla teoria delle vibrazioni, che consente di identificare la percentuale massima di asportazione del materiale per condizioni di lavorazione sicure e stabili. Per raccogliere i frutti degli attuali investimenti nelle macchine utensili ad alta velocità (HSM), è necessario che i programmatori NC comprendano i limiti delle prestazioni del sistema in uso. Il presente documento illustra come identificare i parametri di taglio ad alta velocità ottimali per ogni combinazione di utensile, attacco, macchina e materiale del pezzo. In alcuni casi tale approccio ha consentito un'efficienza di taglio 6 volte superiore. Pubblicato da: Siemens PLM Software Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. Tutti i diritti riservati.

2 White Paper Massima produttività dalle macchine ad alta velocità 2 Sommario Introduzione... 3 Un nuovo processo... 5 Raccogliere dati importanti dal catalogo utensili...6 Restringere il campo di prova...7 Mantenere un carico ridotto costante...7 Lavorazione...7 I risultati... 8 Conclusione... 9 Ridurre la velocità può non essere il rimedio più efficace per le vibrazioni...9 La lavorazione a velocità più elevate può essere l'opzione meno efficiente Note sull utilizzo... 10

3 White Paper Massima produttività dalle macchine ad alta velocità 3 Introduzione Una delle sfide più importanti che un programmatore NC affronta ogni giorno è identificare i parametri di lavorazione critici, quali la profondità di taglio, lo step-over, la velocità del mandrino e di avanzamento. Generalmente il punto di partenza per questi dati era un manuale dei dati di lavorazione oppure l'esperienza degli operatori più esperti. Nella maggior parte dei casi i dati sono conservativi e/o obsoleti. Quando insorgono dei problemi, la soluzione comune è di ridurre uno o più parametri di lavorazione critici. Tali rimedi riducono invariabilmente la percentuale di asportazione del metallo (MRR metal removal rate). Sebbene accettabile in passato, il mercato della lavorazione di stampi/matrici altamente competitivo di oggi costringe gli utenti a spingere i limiti della produttività. L'ampia applicazione negli ultimi anni di macchine ad alta velocità richiede una visione completamente nuova di come si lavora in officina. Aumentare semplicemente la velocità del mandrino e di avanzamento e ridurre significativamente il carico ridotto non costituiscono una lavorazione ad alta velocità. Per raccogliere i frutti dei significativi investimenti nelle macchine utensili e negli accessori ad alta velocità, è necessario che i programmatori NC siano in grado di ottimizzare e raggiungere i limiti di sicurezza del sistema. Figura 2: schermata del software NX che illustra i tagli dell'asse delle Z sul pezzo di prova. Il white paper esamina il rapporto tra parametri di lavorazione critici e lavorazione ad alta velocità. Introduce un nuovo processo che sottolinea l'importanza dei dati di taglio per le applicazioni di fresatura ad alta velocità. Questo metodo segue la teoria delle vibrazioni e si avvale dei diagrammi di stabilità a lobi per suggerire una implementazione pratica e gratuita. Una lavorazione instabile comporta finiture delle superfici di scarsa qualità e ondulate che molti associano al suono metallico della vibrazione. Una nuova metodologia sfrutta queste semplici caratteristiche per individuare la velocità mandrino e i carichi tagliente per ogni utensile, attacco, macchina e combinazione di materiali del pezzo in lavorazione. In pratica, riduce diverse passate dell'asse delle Z con diverse velocità mandrino al fine di individuare condizioni di lavorazione stabili. Figura 1: due tagli che illustrano condizioni di lavorazione stabili e con vibrazioni. Sulla faccia inclinata di un blocco di prova viene effettuata una serie di passate identiche, come nella Figura 2. Ogni passata viene eseguita aumentando la velocità del mandrino e di avanzamento, mantenendo lo stesso carico ridotto per tutte le passate. L'ascolto dei tagli e l'ispezione della finitura della superficie di ogni passata consente di individuare condizioni di taglio stabili.

4 White Paper Massima produttività dalle macchine ad alta velocità 4 Ciascuna linea orizzontale nella Figura 3 mostra una serie di passate dell'asse Z a velocità mandrino crescenti. Le linee parallele, spostandosi verso l'alto, indicano un aumento delle percentuali di asportazione del metallo. Quelle verticali indicano come trovare i limiti di ciascuna velocità mandrino identificata. Le condizioni di prova e i risultati delle passate di taglio vengono rappresentati in un diagramma di stabilità a lobi (Figura 3). In base al diagramma e a equazioni semplici, è possibile calcolare la percentuale di asportazione del materiale (MRR) per ciascuna combinazione di velocità mandrino e profondità di taglio. L'utilizzo del sistema alla massima percentuale di asportazione del materiale (MRR) ed entro i limiti di sicurezza e stabilità, garantisce un utilizzo ottimale delle attrezzature di lavorazione. Profondità stabile (mm) Diagramma di stabilità a lobi Velocità mandrino (rpm x 10 3 ) Figura 3: condizioni di taglio di prova illustrate in un diagramma di stabilità a lobi.

5 White Paper Massima produttività dalle macchine ad alta velocità 5 Un nuovo processo Una nuova alternativa è stata messa in pratica su una Makino V33. In questo caso è stata analizzata una fresa Jabro Tornado Ball di 10 mm. La lunghezza dell'utensile è stata fissata a 30 mm su un attacco HSK. Come pezzo di prova è stato utilizzato un pezzo in lavorazione P20 di 82 mm di lunghezza, 65 mm di larghezza e 48 mm di altezza. Lati conici di 30 gradi sono stati tagliati su un lato del blocco in modo da ospitare l'attacco e visualizzare ogni taglio distintamente. Per questo esempio, supporre una profondità di taglio pari a circa il 30 per cento del diametro dell'utensile. Se ci sono altri fattori che limitano il carico sull'utensile, attenersi a quello minore. Assicurarsi che l'utensile crei delle cuspidi nette in modo da poter distinguere una profondità dall'altra. L'altezza del blocco deve ospitare almeno 12 profondità di taglio. L inclinazione del lato del taglio deve essere sufficiente a che il portautensili non venga toccato. Il blocco deve essere di lunghezza sufficiente a sporgere dalla morsa per consentire un minimo di 10 passate laterali. La larghezza deve essere sufficiente a consentire la visualizzazione dei tagli.

6 White Paper Massima produttività dalle macchine ad alta velocità 6 Raccogliere dati importanti dal catalogo utensili Velocità di taglio Vc Materiale Gruppo Slot fresatura Helic./ramp Fresatura Fresatura Copiatura Copiatura Seco num. sgrossatura finishing sgrossatura finitura fresatura fresatura m/min m/min laterale m/min laterale m/min sgrossatura m/min finitura m/min Acciaio dolce /225* Acciaio normale /180* Acciaio per utensili <48 HRc / Acciaio temprato >48-56 HRc /170* 280 Acciaio temprato >56-62 HRc /100* 150 Acciaio temprato >62-65 HRc /80* 110 Acciaio temprato >65 HRc /60* 85 Acciaio inox Acciaio inox difficile Ghisa dolce Ghisa temprata Alluminio con <16% Si 16 Max Max Max Max Max Max Alluminio con >16% Si Superleghe Superleghe difficili Leghe a base titanio Grafite Plastica morbida * * Max Max Plastica dura * * Rame Max Max * Si riferisce agli utensili alternativi presenti nella tabella di selezione degli utensili. * * In caso di fusione della plastica, ridurre la velocità di taglio (in caso di forte usura a causa degli elementi aggiunti, ridurre la velocità di taglio). Avanzamento/dente Fz Ø 8-10 mm Materiale Gruppo Slot fresatura Helic./ramp Fresatura Fresatura Copiatura fresatura Copiatura Seco num. sgrossatura finishing sgrossatura finitura laterale sgrossatura fresatura finitura mm/dente mm/dente laterale mm/dente mm/dente mm/dente mm/dente Acciaio dolce /0.045* Acciaio normale /0.042* Acciaio per utensili <48 HRc /0.041* Acciaio temprato >48-56 HRc /0.112* Acciaio temprato >56-62 HRc /0.104* Acciaio temprato >62-65 HRc /0.086* Acciaio temprato >65 HRc /0.086* Acciaio inox Acciaio inox difficile Ghisa dolce Ghisa temprata Alluminio con <16% Si Alluminio con >16% Si Superleghe Superleghe difficili Leghe a base titanio Grafite Plastica morbida Plastica dura Rame * Si riferisce agli utensili alternativi presenti nella tabella di selezione degli utensili. Figura 4: tabelle con i dati di taglio consigliati dal produttore.

7 White Paper Massima produttività dalle macchine ad alta velocità 7 Il produttore fornisce due informazioni molto importanti: la velocità massima di taglio e la profondità di passata. La velocità massima di taglio dipende dal tipo di rivestimento dell'utensile e dalla temperatura massima supportata. La profondità di passata (avanzamento/dente) si basa sul materiale e sulla geometria della punta dell'utensile. In base alla tabella allegata, la velocità massima di taglio è 280 mm/min e la profondità di passata 0,072 mm/denti. In questo esempio, per la prova, sono state utilizzate condizioni di sgrossatura laterale. Al fine di non oltrepassare la massima velocità di taglio, è necessario rimanere al di sotto dei giri/minuto. (Nota: è possibile aumentarli in caso di condizioni di finitura). Maximum_RPM = Max_Cutting_Speed_in_mm/min π*tool_diameter Maximum_RPM = 280*103 = π*10 Restringere il campo di prova Per queste prove la velocità mandrino è stata variata da a a intervalli di 500 giri/minuto. L'RPM massimo (numero massimo di giri) è stato aumentato affinché i risultati fossero applicabili anche alle condizioni di finitura. La profondità di ciascun taglio lungo l asse delle Z era di 4 mm. Il programma è stato modificato manualmente per riflettere il cambiamento della velocità mandrino a ogni livello di taglio. Mantenere un carico ridotto costante L'avanzamento è stato modificato di conseguenza per mantenere il valore avanzamento/denti costante durante tutta la prova. Feed_mm/min = Feed_per_Teeth * Number_of_Teeth * RPM Lavorazione Un taglio iniziale con uno step-over laterale di 0,5 millimetri è stato prodotto sul lato inclinato. Lo step-over laterale è stato regolato sul registro di offset X della macchina, eliminando così la necessità di un nuovo programma per ciascun ciclo. Il taglio iniziale con step-over di 0,5 mm è stato ripetuto ancora una volta per consentire analoghe condizioni di partenza per ciascun ciclo. Il taglio ha prodotto condizioni di taglio stabili in tutta l inclinazione (alcuni tagli erano lievi alla base della cuspide a causa di una velocità di taglio ridotta). Lo step-over è stato aumentato di 1 mm e il ciclo è stato ripetuto. Anche se il diagramma di stabilità a lobi prevede condizioni di lavorazione stabili a tutte le velocità mandrino, sono stati osservati segnali di vibrazione molto bassi a entrambi gli estremi della velocità mandrino. Questo processo è stato ripetuto aumentando i valori di step-over fino alla rilevazione a 2 mm di forti segnali di vibrazione. Questo ciclo ha mostrato chiaramente un taglio stabile a giri/minuto e giri/minuto. Lo step-over è stato progressivamente aumentato fino a 3 mm. I tagli a e giri/minuto sono rimasti stabili.

8 White Paper Massima produttività dalle macchine ad alta velocità 8 I risultati La parte illustrata nella Figura 5 mostra condizioni di lavorazione stabili e instabili. Questo indica una profondità di taglio di 4 mm e un passo laterale di 3 mm. Si noti che la terza e ottava passata indicano tagli netti a giri/minuto e giri/minuto. Nota: il diagramma di stabilità a lobi mostrato nella Figura 6 è stato calcolato per la stessa configurazione utensile/attacco/macchina. In realtà il comportamento segue il modello generale previsto ma i numeri effettivi si scostano di circa giri/minuto. Figura 5: la prova finale. Velocità Velocità di Carico Profondità Step-over laterale (mm) mandrino avanzamento ridotto di taglio (rpm) (mm/min) (mm/denti) (mm) Stabile Vibrazione leggera Vibrazione forte Figura 6: diagramma di stabilità a lobi

9 White Paper Massima produttività dalle macchine ad alta velocità 9 Conclusione Il diagramma di stabilità a lobi è uno strumento utile per individuare condizioni di taglio stabili a diverse velocità mandrino e percentuali di asportazione del materiale (MRR). Il diagramma può essere utilizzato per trovare l'mrr massimo consentito, un indicatore di prestazioni chiave per l'efficienza di lavorazione a una determinata velocità mandrino. È importante notare che la lavorazione stabile può essere raggiunta con qualsiasi RPM, ma a scapito dell'mrr. Una visione globale del diagramma di stabilità a lobi, sia calcolato con gli strumenti hardware di rilevamento delle vibrazioni che con il metodo previsto nel presente white paper, consente agli utenti di ottenere elevati MRR a determinati RPM stabili. Ridurre la velocità può non essere il rimedio più efficace per le vibrazioni In caso di vibrazioni gli operatori tendono spesso a ridurre la velocità mandrino per eliminare la vibrazione. Sebbene questa tecnica consenta una condizione di taglio stabile, potrebbe non essere la più efficiente. Al contrario, spesso è possibile aumentare la velocità del mandrino, che eliminerà la vibrazione migliorando nel contempo l'efficienza di taglio. Nel diagramma riportato di seguito, viene rilevata una leggera vibrazione al punto A (8.000 giri/minuto con step-over laterale di 2,0 mm). Per evitare la vibrazione, oltre a riprogrammare la parte con uno step-over più piccolo, sono disponibili due semplici opzioni: ridurre o aumentare la velocità mandrino. Poiché il diagramma a lobi mostra chiaramente che è possibile raggiungere una condizione di taglio stabile aumentando la velocità mandrino, questa è l'opzione migliore, perché più efficiente. Velocità Velocità di Carico Profondità Step-over laterale (mm) mandrino avanzamento ridotto di taglio (rpm) (mm/min) (mm/denti) (mm) A Opzione 1: Ridurre la velocità mandrino a giri/minuto. La vibrazione è stata eliminata ma l'efficienza di lavorazione è diminuita. Opzione 2: Aumentare la velocità mandrino a giri/minuto. La vibrazione è stata eliminata ma l'efficienza di lavorazione è migliorata. Figura 7: un aumento della velocità mandrino produce condizioni di taglio stabili e una maggiore efficienza di lavorazione.

10 White Paper Massima produttività dalle macchine ad alta velocità 10 La lavorazione a velocità più elevate può essere l'opzione meno efficiente Quando si utilizzano macchine ad alta velocità, spesso si tende a farle funzionare alla massima velocità consentita. Mentre le condizioni senza vibrazioni possono essere raggiunte a velocità estreme, l'efficienza di lavorazione misurata dal MRR (percentuale di asportazione del materiale) può risultare piuttosto bassa. Material_Removal_Rate = Feed_rate_mm/min * Depth_of_Cut_mm * Side_Step_Over_mm Nel diagramma riportato di seguito, il taglio stabile è raggiunto a giri/minuto con step-over laterale di 0,5 mm (punto A). Poiché il mandrino sta funzionando a un elevato numero di giri, è comune supporre che il sistema stia operando in modo efficiente. Tuttavia non è così, come illustrato nel diagramma a lobi. Punto B, un numero di giri molto più lento ma con una maggiore profondità di taglio produce un'efficienza di lavorazione quasi sei volte maggiore. Note sull utilizzo Seguire condizioni pratiche e ripetibili (ad esempio, stringere sempre il portapinze con la stessa coppia di serraggio). Questo deve essere ripetuto per ogni combinazione di utensile/attacco/macchina. Procedura impegnativa, ma che ripaga gli sforzi fatti. Gli sweet spot sono direttamente trasferibili ad altri materiali del pezzo. La profondità massima di taglio e i valori di step-over corrispondenti possono variare. È possibile sostituire l'utensile con uno sostitutivo similare dello stesso produttore. I risultati sono ancora validi. Ciò è vero anche per gli attacchi. Reimpostare la lunghezza utensile il più vicino possibile alle condizioni di test. È possibile aumentare la profondità di taglio diminuendo lo step-over corrispondente e viceversa. Non utilizzare questi dati su parti con pareti sottili in quanto la frequenza naturale della parte lavorata cambia durante il processo di lavorazione. Velocità Velocità di Carico Profondità Step-over laterale (mm) mandrino avanzamento ridotto di taglio (rpm) (mm/min) (mm/denti) (mm) B A Lavorazione senza vibrazioni a giri/minuto con step-over laterale di 3,5 mm. MRR = 18,620mm^3/min Lavorazione senza vibrazioni a giri/minuto con step-over laterale di.5 mm. MRR = 3,220mm^3/min Figura 8: una lavorazione stabile a un numero di giri più lento con una maggiore profondità di taglio è molto più efficiente rispetto a una lavorazione a un numero di giri più elevato con una profondità di taglio minore.

11 Siemens PLM Software Siemens PLM Software, business unit della divisione Industry Automation di Siemens, è leader nella fornitura di software e servizi per la gestione del ciclo di vita dei prodotti (PLM), con 6,7 milioni di licenze e oltre clienti in tutto il mondo. Con sede centrale a Plano, in Texas, Siemens PLM Software offre soluzioni aperte che permettono alle aziende di trasformare più idee in prodotti di successo. Per maggiori informazioni sui prodotti e i servizi di Siemens PLM Software, visitare il sito Siemens PLM Software Sede principale Granite Park One 5800 Granite Parkway Suite 600 Plano, TX USA Fax Americhe Granite Park One 5800 Granite Parkway Suite 600 Plano, TX USA Fax Europa 3 Knoll Road Camberley Surrey GU15 3SY Regno Unito 44 (0) Fax 44 (0) Asia Pacifico Suites , 68/F Central Plaza 18 Harbour Road WanChai Hong Kong Fax Italia Via Gaetano Crespi, Milano Italia.plm@siemens.com 2011 Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. Tutti i diritti riservati. Siemens e il logo Siemens sono marchi registrati di Siemens AG. D-Cubed, Femap, Geolus, GO PLM, I-deas, Insight, JT, NX, Parasolid, Solid Edge, Teamcenter, Tecnomatix e Velocity Series sono marchi o marchi registrati di Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. o delle sue consociate negli Stati Uniti e in altri paesi. Tutti gli altri logo, marchi o marchi registrati citati nel presente documento sono di proprietà delle rispettive società. X16-IT /11 L 1