Come ottenere una superfinitura

PoliMill, in collaborazione con GF Machining Solutions, HEIDENHAIN, Team3D, Bruker Alicona, Fraisa e BIG KAISER, ha organizzato un incontro dedicato alla superfinitura di stampi.

di Alberto Marelli

“Lavorazioni di superfinitura di stampi” è il titolo del workshop tenutosi lo scorso giugno e organizzato da PoliMill, il laboratorio di lavorazioni avanzate di fresatura del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano, in collaborazione con GF Machining Solutions, HEIDENHAIN, Team3d, Bruker Alicona, Fraisa e BIG KAISER.
L’incontro, incentrato sulla realizzazione live di uno stampo, è stato accompagnato da interventi multidisciplinari per mostrare come si possano coniugare in modo efficiente tecnologie di lavorazione tradizionali e innovative.
“Il laboratorio PoliMill vuole essere un nuovo modello di collaborazione tra le aziende e il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano nel campo della produzione avanzata”, ha spiegato il Professor Massimiliano Annoni del Politecnico di Milano. “PoliMill ha l’obiettivo principale di organizzare workshop tematici che forniscono competenze, attrezzature e metodi all’avanguardia per risolvere compiti produttivi avanzati dove la multidisciplinarietà è la chiave del successo”.

Precisione e qualità per la produzione di stampi
Per il workshop è stato scelto di realizzare uno stampo utilizzando un blocco di acciaio temprato Böhler K110 64 HRc con grado di finitura inferiore a Ra 0,5 µm.
Presso il laboratorio PoliMill è presente un centro di fresatura Mikron Mill S 400 U di GF Machining Solutions, equipaggiato con mandrino Step-Tec, motori lineari e sistema di termostabilizzazione che permette di mantenere la precisione nell’ambito di pochi micron anche lavorando con tutti e cinque gli assi in simultanea. “Per ottenere una superfinitura è necessario utilizzare una macchina che garantisca precisione su lunghi periodi di tempo, alta velocità di processo, accuratezza dinamica oltre che ripetibilità”, ha spiegato Marco Camagni, Application Developer presso GF Machining Solutions SpA.
Per raggiungere questi risultati la macchina deve essere termicamente e strutturalmente stabile. “La stabilità strutturale viene garantita dal basamento della macchina; un basamento in cemento polimerico, ad esempio, permette di assorbire nel miglior modo possibile le vibrazioni che si generano durante la lavorazione”, ha continuato Camagni.
Ulteriore aspetto da non sottovalutare è l’impiego di elettromandrini stabili e raffreddati. “La serie di mandrini OptiCool di Step-Tec garantisce la stabilità termica del mandrino, ma non solo: la limitazione del trasferimento di calore naturale al supporto del mandrino (per esempio, l’asse Z) è impostata sul quantitativo più basso possibile al fine di mantenere la geometria della macchina”, ha sottolineato Camagni. È anche disponibile il mandrino CoolCore, che supera i limiti del raffreddamento dello statore tradizionale per abbassare la temperatura e ridurre al minimo le oscillazioni termiche nell’albero rotante raffreddato ad acqua.
Una serie di moduli smart machine incrementano ulteriormente la produzione di stampi e di forme complesse. Per esempio, l’Operator Support System assicura tempi ciclo estremamente brevi e la massima produttività, a cui si aggiunge un’elevata finitura delle superfici. Il movimento più uniforme ottenuto da OSS extreme ottimizza i processi dei produttori di stampi secondo le loro priorità (tempo, precisione o qualità della superficie). La velocità di avanzamento generale più alta riduce poi il tempo di produzione. Di conseguenza il tempo di lavorazione è fino al 30% più breve.

L’importanza del controllo numerico
Ad HEIDENHAIN, specialista della tecnologia di controllo, è stato affidato l’intervento relativo al CNC e alle caratteristiche richieste per realizzare un percorso utensile preciso, veloce ed adattabile alle esigenze della tipologia del pezzo in lavorazione. “Se lavoriamo con una macchina molto performante con elevata dinamica, anche il controllo numerico deve essere in grado di gestire queste caratteristiche”, ha illustrato Alberto Cattaneo, Service and Application Manager di HEIDENHAIN ITALIANA.
“Quindi il CNC deve essere evoluto nella gestione dinamica, nella gestione dell’accelerazione e del jerk, per avere un movimento fluido e continuo durante l’esecuzione del percorso utensile. Deve essere in grado di interpretare i punti forniti dal CAD in maniera ottimale, sempre per mantenere una traiettoria veloce e uniforme per garantire qualità superficiale del pezzo.
Deve essere inoltre in grado di gestire la velocità sul profilo per mantenerla il più costante possibile anche quando si hanno delle brusche variazioni della geometria del pezzo. Infine deve essere in grado di adattarsi per far sì che l’utilizzatore possa scegliere il settaggio e la configurazione migliore della macchina utensile in base al tipo di lavorazione”.

Tecnologia di asportazione volumetrica esclusiva
Gli aspetti legati allo sviluppo dei percorsi utensili sono stati seguiti da Team3d, una realtà altamente qualificata sul territorio italiano nella vendita e formazione di soluzioni CAD, CAM, CAE e PLM di Siemens. Un consulente preparato per assistere le aziende nella trasformazione digitale dell’Industria 4.0, nell’integrazione dei processi aziendali ridefinendo la produttività.
“Per lo sviluppo dei percorsi utensile – ha sottolineato Corrado Biggiogero, Sales Product Manager di Team3d – ci siamo avvalsi del comando Adaptive Milling di NX CAM, una tecnologia di asportazione volumetrica esclusiva, che ha permesso di gestire in modo efficace la sgrossatura. Inoltre, Team3d è stata in grado di eseguire una superfinitura 5 assi ottenendo il grado di finitura richiesto grazie anche alla gestione dell’angolo di anticipo dell’utensile”.
Tutto ciò è stato possibile grazie all’utilizzo del software Siemens NX CAM che ha consentito:

  • la fresatura diretta delle superfici che compongono il modello matematico senza necessità di approssimare gli elementi ad un poliedro;
  • di creare e customizzare il post processor per gestire al meglio la dinamica del centro di fresatura Mikron Mill S 400 U di GF Machining Solutions e le caratteristiche del CNC (HEIDENHAIN);
  • di simulare il risultato del calcolo verificando sul gemello digitale della macchina CNC reale gestendo i fine corsa e scoprendo eventuali collisioni grazie alla simulazione del GCODE;
  • di ottimizzare lunghezza utensili e mandrineria.
    Il software NX CAM, utilizzato da Team3d per la realizzazione del particolare, è stato in grado di gestire l’intero ciclo di lavorazione.

Utensili indicati per la costruzione di stampi
Le operazioni di fresatura sono state realizzate con utensili del costruttore svizzero Fraisa, e in particolare le frese HX-NVS e Sphero X.
HX-NVS è una fresa di sgrossatura cilindrica lanciata circa un anno fa e particolarmente indicata per la costruzione di stampi.
Oltre ad adattarsi in maniera ottimale alla lavorazione HPC e HDC di acciai extra duri, le frese HX-NVS – concepite espressamente per la sgrossatura – sono anche indicate per lavorazioni in penetrazione. Il loro impiego permette infatti di realizzare angoli di penetrazione fino a 5°, dieci volte migliori quindi rispetto ai valori ottenibili con frese di tipo convenzionale destinate alla lavorazione di metalli duri.
La nuova geometria abbinata al nuovo rivestimento Duro-Si assicura un elevato volume truciolo nell’unità di tempo e lunga durata nella lavorazione di acciai con una durezza superiore a 55 HRc.
Quando è richiesta una rapida sgrossatura di scanalature, tasche interne ed esterne nonché complessi contorni bidimensionali, le frese HX-NVS dimostrano tutto il loro potenziale che si traduce in un maggiore aumento della produttività e in bassi costi utensile rispetto alle soluzioni convenzionali.
Passiamo ora alle frese Sphero X, che rappresentano la nuova gamma Fraisa di frese ad alto rendimento per la lavorazione efficiente di materiali duri nella costruzione di stampi.
Grazie alla flessibilità di impiego in ambito di asportazione trucioli ad alto rendimento, nella lavorazione di sgrossatura, finitura e superfinitura possono essere realizzati dei notevoli potenziali di risparmio.
Un punto di forza di questa gamma di frese è il nuovo rivestimento “Duro-V” che permette di ottenere la massima efficienza nella gamma di durezza di 40-70 HRc.

Preciso e bilanciato per lavorazioni ad alta velocità
Per ottenere elevate finiture superficiali anche la concentricità del portautensile è fondamentale. “La perfetta sinergia tra macchina utensile, portautensile e utensile da taglio permette di spingere la lavorazione fino a raggiungere risultati di finitura pregevoli con bassa rugosità, assicurando la massima precisione di concentricità”, ha affermato Giampaolo Roccatello, Head of Sales & Marketing di BIG KAISER. “In questo modo è possibile evitare post-lavorazioni costose e difficili da gestire fuori macchina quali lappatura, rettifica e lucidatura, con notevole risparmio in termini di tempo e costi”.
Sul centro di lavoro sono stati utilizzati i portapinze di BIG KAISER MEGA6S e MEGA6N e il mandrino idraulico Super Slim HDC6S-UP.
La tecnologia idraulica del mandrino assicura la massima precisione per eseguire finiture ultraprecise ad alta velocità, con concentricità di 0,001 mm a 4 volte il diametro, unico mandrino idraulico a garantire tali prestazioni. Il controllo qualità eseguito da BIG KAISER sul portautensile è certificato del 200%, con otto passaggi di controllo e rotazione a 180°, e coinvolge sia il corpo che la pinza e la ghiera così da garantire la miglior concentricità.
“Il continuo lavoro di ricerca portato avanti dal nostro dipartimento R&D ci ha permesso di sviluppare utensili che assicurano le migliori prestazioni in termini di qualità e precisione. La ricerca costituisce la chiave dell’innovazione, pertanto essere partner di questo workshop presso il Politecnico di Milano è per noi motivo di orgoglio e uno stimolo a cercare nuove soluzioni”, ha spiegato Roccatello.

Sistemi di misura ottici per la meccanica di precisione
Per le attività di controllo e misura sono stati utilizzati i sistemi 3D ottici di Bruker Alicona. “I nostri sistemi – ha sottolineato Alessandro Di Nicola, Sales Manager di Bruker Alicona per l’Italia – sono sviluppati per la misura ottica ad alta risoluzione di tutte le microgeometrie di superficie dei componenti, sia in termini di forma 3D sia in termini di rugosità, con un’elevata densità di punti su ampie superfici.
La robustezza meccanico-ottica ne permette la facile integrazione con sistemi robotici per l’integrazione del processo di misura in ambiente di produzione”.
Nel settore degli stampi, i sistemi Bruker Alicona possono essere utilizzati per diverse applicazioni, come ad esempio il controllo di qualità di precisione sulle microgeometrie degli stampi e degli stampati; l’ispezione della finitura superficiale mediante misurazione bidimensionale della rugosità; l’ottimizzazione del processo; la preventivazione della formazione di depressioni lungo nervature o linee di saldatura nonché per la verifica numerica delle deviazioni geometriche dello stampo a iniezione.

Applicazioni avanzate
L’attività di ricerca svolta al Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano sulle applicazioni avanzate dell’asportazione di truciolo è stata oggetto dell’ultimo intervento del Professor Annoni, che ha citato i progetti ForZDM e Digiman 4.0 (Industria 4.0), MADE4LO (Additive Manufacturing), Microman (microlavorazioni) e ha introdotto la lavorazione di Magnetic Assisted Finishing, utile per la finitura di superfici sculturate e oggetto di ricerca presso l’Università della Florida (Prof.ssa Hitomi Yamaguchi).