UTENSILI, MACCHINE
UTENSILI, MACCHINE
(XXXIV, p. 856; App. II, II, p. 1079; III, II, p. 1060; IV, III, p. 779)
L'evoluzione rapida delle nuove tecnologie e la crescente competizione internazionale hanno cambiato profondamente in questi ultimi 30 anni i sistemi di produzione: in passato l'automazione, legata alle lavorazioni di grande serie, aveva come obiettivo la riduzione dei costi di produzione, con programmazione a lungo termine; man mano gli obiettivi strategici dell'impresa si sono orientati verso una maggiore flessibilità produttiva, cioè la capacità di adattare la macchina e il sistema produttivo nel suo complesso alle rapide variazioni del prodotto, per soddisfare un mercato sempre più mutevole ed eterogeneo. Queste nuove strategie dell'attività produttiva, insieme agli enormi progressi raggiunti nel campo dei materiali per utensili e delle tecnologie elettroniche e informatiche, hanno notevolmente trasformato la concezione e la progettazione della macchina utensile. In particolare l'adozione del controllo numerico (NC, Numerical Control) ha permesso di controllare automaticamente, con elevata precisione e ripetibilità i movimenti di lavoro, sulla base di un programma scritto in un opportuno linguaggio. I vantaggi conseguiti derivano dal miglioramento della qualità del prodotto, dall'aumento di produzione e di flessibilità e dalla possibilità di utilizzare una singola macchina multiscopo in sostituzione di più m.u. tradizionali.
Dall'inizio degli anni Sessanta, in cui apparvero in Europa le prime macchine a controllo numerico, si sono alternate varie generazioni di controlli, caratterizzati da due stadi principali di sviluppo: nel primo periodo tutte le funzioni del controllo, quali l'interpolazione o l'asservimento di posizione, sono state sviluppate circuitalmente (via hardware). Nel secondo stadio l'introduzione del controllo numerico computerizzato (CNC, Computer Numerical Control) ha fatto aumentare enormemente le possibilità d'impiego delle macchine, con grandi vantaggi in termini di flessibilità e di tasso di utilizzazione: questo vuol dire che molte funzioni sono state costruite via software, cioè con l'uso di opportuni programmi di gestione. Il controllo numerico con calcolatore è quindi costituito da un calcolatore con programma interno modificabile o un microprocessore che fa parte integrante del sistema di controllo.
Abbinando il computer alla m.u. si può disporre di un gran numero di funzioni che non sarebbe economico gestire con un controllo numerico tradizionale. Tali funzioni sono le seguenti.
Memoria di programma: è possibile caricare in memoria l'intero programma di lavoro, eliminando l'impiego del lettore di banda durante la lavorazione; inoltre si può passare rapidamente da una lavorazione all'altra con la semplice sostituzione di un programma nella memoria dell'elaboratore. Sono disponibili due aree di memoria indirizzabili: la prima contiene i programmi su cui opera la m.u.; e l'altra è quella cui ha accesso l'operatore per operazioni di creazione o di editing.
Compensazione utensile: vengono direttamente caricati in memoria i parametri di compensazione delle lunghezze e dei diametri degli utensili impiegati durante le lavorazioni.
Compensazione degli errori: memorizzando gli errori presenti negli organi della macchina (per es. gli errori del passo della vite di comando di un asse della macchina), il calcolatore ne tiene conto nell'impartire le istruzioni.
Ritorno automatico sulla traiettoria: nel CNC è memorizzata la posizione dell'utensile istante per istante, ciò che permette di ritornare sulla traiettoria precedente, per es. dopo un'interruzione per la rottura dell'utensile.
C'è inoltre un miglioramento delle possibilità di applicazione dei comandi adattivi per la rapidità del calcolatore a ottimizzare le specifiche di lavorazione del prodotto. Risultano anche possibili la visualizzazione sullo schermo del profilo finale del pezzo, per testare la correttezza del programma, e la diagnosi automatica con la segnalazione di opportuni codici di errore; in caso di avaria viene prevista l'interruzione automatica della lavorazione.
Il controllo numerico diretto (DNC, Direct Numerical Control) ha consentito di porre sotto un unico elaboratore tutte le macchine a controllo numerico, con una centralizzazione dell'archivio programmi; in questo modo è possibile trasmettere dati e istruzioni alle macchine a controllo numerico collegate e nello stesso tempo ricevere ed elaborare informazioni da stazioni grafiche o da altre apparecchiature, col minimo intervento umano e quindi senza possibilità di errori.
Nella fig. è data la definizione unificata (UNI ISO 841) dei movimenti (detti genericamente assi) di macchine a controllo numerico. A seconda del numero dei movimenti controllati simultaneamente, le macchine a controllo numerico possono essere così suddivise: 2 assi (torni, elettroerosione a filo): in questo caso, la combinazione dei due movimenti nel piano X-Y permette di approssimare traiettorie anche complesse; 2,5 assi (frese-alesatrici, foratrici): è possibile combinare i movimenti in due dei piani coordinati X-Y, X-Z e Y-Z, mentre del terzo asse è possibile controllare solo la posizione finale e la velocità; 3 assi (fresatrici): il controllo a tre assi permette la lavorazione nello spazio col controllo simultaneo dei tre assi coordinati; 5 assi (fresatrici, robot): utilizzato nel caso di lavorazioni di superfici complesse; il controllo a 5 assi dispone di tre assi lineari (X, Y e Z) e due assi di rotazione (generalmente intorno a X e Y).
L'evoluzione delle m.u. a controllo numerico, ha percorso le seguenti tappe: macchine individuali (o monoscopo); centri di lavoro; celle flessibili di lavorazione. La macchina a controllo numerico individuale (tornio, fresatrice, alesatrice, ecc.) presenta qualche piccola modifica strutturale e componentistica rispetto alla m.u. tradizionale; l'aggiunta del controllo numerico permette infatti il controllo automatico del percorso utensile e l'impostazione automatica dei parametri tecnologici (velocità di avanzamento e di rotazione, erogazione o meno del fluido da taglio, ecc.). Il suo uso risulta conveniente quando il ciclo di lavoro richiede l'uso di pochi utensili e ciascun utensile ha un tempo di contatto con il pezzo notevolmente lungo in quanto è richiesta la costante presenza dell'operatore per effettuare il cambio utensile e il carico-scarico dei pezzi.
Il centro di lavoro (machining center, fig. II) differisce dalla m.u. tradizionale per la presenza di un magazzino utensili che permette di effettuare sul pezzo una molteplicità di lavorazioni quali fresatura, foratura, maschiatura, alesatura e contornitura.
L'elevato grado di automazione e la grande precisione raggiunti da queste macchine presuppone l'uso di una struttura rigida e indeformabile (bancali, teste, montanti, guide, ecc.) in modo tale da assorbire i fenomeni vibratori e garantire elevata precisione e ripetibilità di posizionamento degli assi anche in presenza di variazioni termiche. L'adozione, per i movimenti delle slitte, di sistemi a sostentamento idrostatico e di viti a ricircolazione di sfere a doppia chiocciola precaricata, ha consentito di ridurre l'attrito e mantenerlo costante anche a velocità basse. Un altro accorgimento atto a ridurre e a mantenere costante l'attrito consiste nel rivestire le guide di acciaio con un materiale plastico a base di bronzo.
Il mandrino viene realizzato in acciaio legato ad alta resistenza e montato su cuscinetti ad elevata rigidezza statica e dinamica. Per evitare deformazioni termiche del mandrino viene anche previsto il termocondizionamento della testa portamandrino. I motori usati sono a corrente continua con variazione continua del numero di giri e con potenze variabili tra 10 e 100 kW. È inoltre da tener presente che le molte lavorazioni effettuabili su questo tipo di macchina e la conseguente necessità di cambio automatico dell'utensile, richiedono un'interfaccia standardizzata tra utensile e mandrino. È possibile così ottenere l'identificazione automatica dell'utensile nel magazzino usando una speciale codifica posta sul portautensile; il controllo della macchina deve inoltre tener conto della diversa lunghezza dei vari utensili per il posizionamento della tavola portapezzo, oppure, in fresatura, per poter programmare direttamente la geometria del profilo desiderato indipendentemente dal diametro della fresa usata; quest'operazione viene chiamata presetting ed è resa possibile o mediante la lettura diretta di un chip magnetico fissato sul portautensile, o mediante trasmissione delle informazioni all'unità di governo della macchina da un computer centrale (nei sistemi DNC). Opportuni dispositivi assicurano il riconoscimento automatico dell'utensile nel magazzino, il cambio utensile automatico e il bloccaggio e lo sbloccaggio rapido dell'utensile.
Particolarmente interessanti sono i centri di lavoro di tornitura, muniti non solo di magazzino utensili per effettuare automaticamente le lavorazioni tradizionali, ma anche di utensili rotanti (frese e punte elicoidali) per svolgere lavorazioni ausiliarie.
L'ultima e più completa evoluzione del controllo numerico è rappresentata dalla cella flessibile, che è composta da uno o più centri di lavoro, a cui viene abbinato un sistema per il carico e lo scarico automatico del pezzo: infatti le attrezzature portapezzo vengono predisposte su tavole di lavoro standardizzate, denominate pallets, e trasportate verso le macchine per le lavorazioni da appositi sistemi automatici di movimentazione, quali per es. i nastri trasportatori. La macchina è dotata di una tavola girevole che prevede mezzi di posizionamento preciso per il bloccaggio dei pallets e di dispositivi di scambio pallets (denominate shuttles) che sostituiscono automaticamente sulla tavola girevole il pezzo già lavorato. Il pallet può anche essere codificato, per cui in base alle informazioni acquisite da appositi lettori di codici a barre si può ottenere l'identificazione del pallet in arrivo alla m.u. e la richiesta al controllo dell'apposito programma di lavoro. In questo modo la m.u. può lavorare senza soluzioni di continuità pezzi diversi, a patto di disporre nel magazzino di tutti gli utensili necessari: a tal fine, la cella può essere dotata di dispositivi ausiliari per il cambio utensile nel magazzino in quanto esiste la possibilità di interscambio di utensili tra il magazzino della macchina e un magazzino utensili centralizzato. La funzione dell'uomo viene ancora più ridotta in quanto si limita a generici compiti di supervisione.
Mentre nelle m.u. tradizionali è l'operatore stesso che manovra la macchina, impostando i parametri di taglio e imponendo i movimenti al pezzo o all'utensile, nel caso delle macchine a controllo numerico è possibile eseguire la lavorazione in modo automatico sulla base di istruzioni che vengono programmate dall'utente e quindi trasferite all'unità di governo della macchina. Mentre nel passato la programmazione della macchina era di tipo manuale, l'evoluzione delle capacità elaborative dei calcolatori ha condotto all'adozione della programmazione automatica, con l'uso di linguaggi simbolici tra i quali il più importante è l'APT (Automatically Programmed Tools). Con tali istruzioni simboliche vengono esplicitate tutte le informazioni geometriche e tecnologiche della lavorazione sotto forma di un programma che viene elaborato dal computer per la generazione di un file standard chiamato Cl-file (Cutter location) con formato standard per essere interpretato dal particolare controllo della macchina usata mediante un altro programma denominato post-processor. I più moderni programmi di progettazione e di disegno assistito (CAD, Computer Aided Design) consentono di generare automaticamente, senza alcuna necessità di programmare e a partire dalla geometria del pezzo da lavorare, le istruzioni per il controllo adottato.
La m.u. del futuro sarà sempre più dotata di sensori per sorvegliare le condizioni di funzionamento, per preavvisare il verificarsi di condizioni anomale e per la localizzazione delle dimensioni e condizioni del pezzo da lavorare; particolarmente interessante è lo sviluppo nei sistemi di visione artificiale con telecamere allo stato solido CCD (Charge Coupled Devices) per l'ispezione e il controllo dell'usura utensile on-line; possono inoltre essere applicati al mandrino, e in qualche caso sugli assi lineari, dei sensori di sforzo, coppia e potenza, con funzioni di verifica della rottura dell'utensile o per il controllo adattivo dei parametri di taglio.
Il grande sviluppo nei materiali per utensili e una progettazione avanzata degli organi di comando delle macchine ha condotto a un incremento delle velocità di rotazione del mandrino e quindi a un aumento delle velocità di taglio durante le lavorazioni ad asportazione di truciolo. Le lavorazioni ad alta velocità, oltre che un aumento sensibile del volume di truciolo asportato nel tempo, permettono una riduzione dello sforzo di taglio e una migliore finitura superficiale; inoltre tutto il calore generato viene evacuato insieme ai trucioli, con un riscaldamento del pezzo e dell'utensile quasi insignificante. Tutto questo è stato reso possibile dall'adozione, per l'unità portamandrino, di cuscinetti speciali di tipo idrostatico o idrodinamico, oppure di cuscinetti a sostentamento magnetico che permettono velocità di rotazione fino a 30.000 giri al minuto con potenze fino a 20 kW, alla massima velocità.
Bibl.: C. Spur, T. Stoferle, Enciclopedia delle lavorazioni meccaniche, 3, Milano 1983; Tool material for high speed machining, Proc. Conf. on Advances in tools-materials for HSC, 25-27 febbraio 1987, Scottsdale (Arizona) 1987; F. Giusti, M. Santochi, Tecnologia meccanica e studi di fabbricazione, Milano 1992; S. Kalpakjian, Manufacturing engineering and technology, Reading (Mass.) 1992.