Stampo di tranciatura, frutto di una sinergia vincente

Durante un recente workshop tenutosi presso il laboratorio PoliMill del Politecnico di Milano è stato dimostrato come sia possibile realizzare uno stampo di tranciatura mediante fresatura rispettando tolleranze micrometriche. Scopriamo quali tecnologie sono state adottate e il criterio di scelta. 

di Laura Alberelli

È possibile realizzare uno stampo di tranciatura fresato con tolleranze micrometriche? La risposta è sì, come è stato dimostrato in occasione di un recente workshop multidisciplinare che si è svolto presso il laboratorio PoliMill del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano. Per illustrare le strategie e le tecnologie che hanno portato alla concreta realizzazione dello stampo, sono intervenute numerose aziende partner dell’ateneo direttamente coinvolte in questo progetto particolarmente sfidante. 

A coordinare i lavori della giornata è stato Massimiliano Annoni, professore del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano nonché Responsabile del progetto. “Oggi parleremo delle difficoltà di realizzare uno stampo di tranciatura in acciaio temprato con durezza molto elevata (60 HRc) e con tolleranze micrometriche e di come siamo riusciti a superarle grazie alla scelta oculata di un certo tipo di soluzioni, hardware e software. L’obiettivo dei nostri workshop (quello di oggi è l’ottavo) è infatti quello di creare una community che possa aiutare le aziende a risolvere determinate problematiche di lavorazione”. 

Luca Villa, uno dei soci fondatori di WatAJet, azienda di Besnate in provincia di Varese specializzata in lavorazioni meccaniche di alta precisione oltre che spin-off del Politecnico di Milano, ha brevemente illustrato le criticità del progetto. “Uno stampo di tranciatura ha dei costi molto elevati. Prima di andare in macchina, il cliente ci chiede di realizzare stampi di piccole dimensioni (che hanno costi decisamente inferiori) su cui poi andremo a realizzare coniature e altre feature, proprio come abbiamo fatto con lo stampo di tranciatura per pezzi automotive di cui parliamo oggi. Oltre a garantire tolleranze geometriche elevate e uguali a quelle che si ritroveranno nel pezzo finale, lo stampo prototipale di tranciatura deve essere modificabile e ultrapreciso”. 

Yasda YMC 650: una macchina dalla rigidità elevata

Cominciamo a illustrare le tecnologie adottate partendo dalla macchina. Per questa applicazione, la soluzione più indicata si è rivelata essere il centro di lavoro YMC 650 di Yasda, marchio distribuito da 40 anni nel nostro Paese da R.F. Celada. A mostrarne le prerogative prestazionali e costruttive è stato Davide Carrera, Product Manager di R.F. Celada. “YMC 650 è una macchina estremamente performante e precisa, merito delle soluzioni tecnologiche adottate da Yasda in fase di progettazione e di realizzazione. Per sostenere l’elevata dinamicità dei motori lineari è necessario disporre di una struttura a portale, sovradimensionata, mantenuta costantemente a temperatura ambiente (±0,2 °C) tramite la circolazione di liquido refrigerato al suo interno. La precisione invece viene assicurata dalla assoluta qualità del processo di assemblaggio della macchina: tutte le superfici di accoppiamento vengono raschiettate manualmente per raggiungere un grado di precisione altrimenti non raggiungibile. A rendere la macchina molto precisa concorrono anche le righe ottiche di acciaio con risoluzione 5 nm e le guide lineari a sfera che, soprattutto grazie alla doppia pista di scorrimento di queste ultime, riescono a garantire sia un movimento estremamente fluido che una robustezza elevata. La combinazione di rigidità, precisione geometrica e fluidità di movimento si traduce pertanto in una lavorazione che risponderà fedelmente a quanto programmato con il sistema CAM e a una limitata usura degli utensili in lavorazione”.

L’utensile più indicato per l’applicazione secondo Sandvik Coromant

Stefano Bertoni, Specialista di Fresatura presso Sandvik Coromant, ha spiegato invece quali sono stati i criteri che hanno indirizzato la scelta degli utensili. “Realizzare questo stampo ha rappresentato una bella sfida, perché le profondità sono notevoli e determinare il giusto diametro fresa non è facile. A tutto questo, si è aggiunta anche la difficoltà di dover lavorare un materiale particolarmente duro: si parlava inizialmente di 50 HRc per poi arrivare a 60 HRc. Altro aspetto che ci ha un po’ condizionato al momento della scelta dell’utensile è la curva di coppia della macchina, che rappresenta forse il valore più importante perché è proprio in base alla potenza del centro che si valuta il diametro dell’utensile da utilizzare. 

Prendendo in considerazione le profondità, Sandvik Coromant offre tre diversi diametri di fresa (6, 8 e 10 mm) optando in ultima analisi per la media misura (ovvero il diametro 8 mm). Per quanto riguarda i taglienti, abbiamo scelto di utilizzarne 4 perché più denti si mettono in presa e più potenza si assorbe. 

Abbiamo cercato di mantenere costante sia lo spessore truciolo sia le forze di taglio, che variano in base alla potenza. Per eseguire la foratura, abbiamo invece utilizzato una fresa da 6 mm in elicoidale. L’interpolazione elicoidale dal pieno minimizza le problematiche di controllo truciolo e, soprattutto, permette di gestire la potenza e il momento torcente”. 

Processi digitalizzati con il software VERICUT di CGTech

Nell’intervento di Luca Mozzoni, Country Manager di CGTech si è parlato dell’importanza di digitalizzare il processo produttivo. “Per realizzare questo progetto, abbiamo fornito il nostro software di simulazione VERICUT con cui è possibile creare un gemello digitale (digital twin) della macchina utensile sulla quale si eseguirà una lavorazione virtuale, e dove i risultati conseguiti saranno attentamente analizzati. In caso di anomalie, saranno messi in atto tutti gli interventi necessari a ottimizzare i processi evitando così sorprese in macchina. L’ottimizzazione dei processi è stata effettuata con il modulo Force, che permette di scoprire gli aspetti meno tangibili delle inefficienze delle lavorazioni, perché analizza e ottimizza le condizioni di taglio nel corso del processo di asportazione e calcola nuove velocità di avanzamento mantenendo costante lo spessore ideale del truciolo e limitando eccessi di forza di taglio o di potenza del mandrino. 

Ottimizzare con Force significa determinare le velocità di avanzamento migliori, basandosi sulla caratterizzazione fisica del materiale di grezzo e tagliente, sulla geometria dell’utensile in termini di sporgenza, numero di denti, angoli di spoglia e sulla geometria del pezzo. Force è fornito di un catalogo, costantemente aggiornato, di materiali caratterizzati attraverso test dinamometrici, che comprende migliaia di materiali. I grafici elaborati dalla simulazione rappresentano, per ogni utensile, come variano nel tempo grandezze quali forza, spessore e tasso di rimozione del truciolo, potenza, deflessione dell’utensile, confrontando il programma NC originale con quello ottimizzato. L’ottimizzazione interviene sulle velocità di avanzamento del programma originario, spezzando i blocchi dove necessario e assegna a ogni nuovo segmento l’avanzamento calcolato. Il tutto senza alterare la traiettoria dell’utensile. I risultati dell’ottimizzazione sono quantificabili in tempi di lavorazione ridotti, migliore qualità superficiale, maggiore durata dell’utensile e della stessa macchina utensile”. 

È stato impiegato un mandrino MEGA di BIG KAISER 

Per assicurare una perfetta concentricità in lavorazioni ad alta velocità, è stato scelto di utilizzare un mandrino MEGA di BIG KAISER, come ha spiegato Cristian Boldini, Area Sales Manager presso BIG KAISER. “I mandrini MEGA sono rettificati con una finitura speculare su tutte le superfici in modo da assicurare una perfetta concentricità nel caso di lavorazioni ad alta velocità. La chiavetta di trascinamento viene lavorata dopo il trattamento termico. Per garantire massima precisione, la ghiera rappresenta un elemento chiave: le ghiere sono prive di scanalature, offrendo un bilanciamento e una concentricità superiori. Questo design della ghiera non solo riduce il rumore e il convogliamento di refrigerante ma assicura una maggiore robustezza della ghiera stessa. I filetti vengono rettificati dal pieno (no pre-tornitura) dopo il trattamento termico. Così facendo si elimina la cattiva influenza derivante dall’azione di bloccaggio che aumenta di conseguenza le prestazioni.

La ghiera incorpora un cuscinetto con sfere di acciaio che impediscono la tensione verso la pinza, conferendo in questo modo alla pinza una forza di serraggio superiore rispetto agli standard e assicurando una migliore concentricità dell’utensile. Per garantire nel tempo precisione e stabilità, tutti i mandrini BIG KAISER vengono sottoposti a un controllo qualità che per BIG DAISHOWA vuol dire testare la concentricità di una singola pinza per 200 volte. Anche dopo 200 cambi utensili, la media del run-out dell’utensile risulta inferiore ai 2 µm. La concentricità di un portautensile influisce direttamente sulla vita utensile, ma anche sulla rugosità superficiale, sulla produttività della macchina utensile e sulla redditività delle risorse. La concentricità deve dunque essere garantita per l’intera vita del portautensile in modo da assicurare processi stabili e ripetibili”. 

Castrol Syntilo 9913: un lubrificante sintetico a pH neutro per applicazioni gravose

Andrea Chiappa dell’Area Vendite di Ronchi-ils (distributore ufficiale dei lubrificanti Castrol per il settore industriale) ha parlato invece dell’importanza strategica di scegliere il giusto lubrificante. “Dopo aver confrontato tra loro diversi lubrificanti (Castrol e non solo), il lubrificante Castrol Syntilo 9913 si è rivelato essere la soluzione più adatta per questo tipo di applicazione, e tenendo in considerazione anche requisiti come rugosità superficiale, tolleranze e prestazioni dell’utensile. Castrol Syntilo 9913 è un solubile sintetico a pH neutro, esente da olio minerale, boro e donatori di formaldeide. È stato formulato su basi lubrificanti polimeriche ed è espressamente indicato in applicazioni di taglio gravoso su leghe di alluminio, acciai e titanio tipiche del settore aeronautico. La tecnologia Castrol Syntilo permette di sfruttare la temperatura generata in fase di taglio per attivare i polimeri che lo compongono e aumentare le caratteristiche di lubrificazione. A differenza di come agisce un prodotto minerale, polimeri ed esteri presentano una parziale carica delle molecole che ne permette un’adesione maggiore alle superfici metalliche. Il film che si genera non è quindi solo depositato sulla superficie ma legato a essa. Questa caratteristica permette di mantenere il film lubrificante tra utensile e pezzo anche nelle condizioni di taglio più difficili”. 

Serraggio modulare con la morsa IMG di OML

Per il serraggio dello stampo in macchina, OML ha fornito una morsa IMG come ha spiegato Massimiliano Rubin, Responsabile Vendite Italia di OML. “IMG è una morsa meccanica autocentrante sviluppata espressamente per lavorazioni su macchine a 5 assi. È equipaggiata con un sistema di bloccaggio telescopico brevettato, che consente il movimento continuo di apertura e chiusura della morsa, pur mantenendo la vite completamente protetta dallo sporco che si genera in fase di lavorazione. Questa particolare morsa è stata realizzata con il concetto di modularità, in quanto utilizzando un kit di trasformazione composto da pochi elementi suppletivi, è possibile trasformare la morsa da autocentrante a ganascia fissa e/o a doppio bloccaggio. Ciò vuol dire riuscire a garantire tre tipi di bloccaggio su un’unica morsa. Nella versione a doppio bloccaggio non è necessario che i pezzi abbiano la stessa dimensione, grazie alla disponibilità di un sistema di compensazione.  La morsa IMG è disponibile in 4 differenti modelli, due con una larghezza ganascia di 125 mm e due con una larghezza ganascia di 160 mm. Per ogni larghezza ganascia è possibile scegliere la versione con base corta, per chi necessita di soluzioni con ingombri limitati, oppure con base lunga per avere un campo di presa più ampio. Tutti i modelli possono bloccare particolari con carichi sino a 5.000 kg e sono predisposti per interfacciarsi con il sistema zero point APS/WPS e Lang 96 mm e per il fissaggio su tavole con cava a T. Ulteriore punto di forza che identifica le morse IMG è la possibilità di essere dotate di ganasce reversibili con inserti Sintergrip (brevettati), che permettono di bloccare un pezzo con un numero ridotto di millimetri (si parla di una presa di 3,5 mm). Per questa specifica applicazione, OML ha fornito una morsa IMG con larghezza ganascia 88 mm, un modello quindi molto compatto e dalle elevate forze di serraggio”. 

Massima flessibilità di misura con il sistema InfiniteFocusG6 di Bruker Alicona

Per raggiungere le accuratezze attese sullo stampo di tranciatura di cui si è parlato nel workshop organizzato da PoliMill, Bruker Alicona ha fornito il suo sistema di misura ottico 3D InfiniteFocusG6. “Problemi di ingombro? Aree difficili da raggiungere? Pareti verticali/fori? Con InfiniteFocusG6 possiamo effettuare una misura quantitativa a cui abbinare un’immagine qualitativa”, ha affermato Massimo Paletta, Sales Manager Italy di Bruker Alicona che con il suo intervento ha concluso la sessione di interventi. “Con il nuovo software di misura MetMax, è possibile decidere la mesh di misura più adatta ad ogni dettaglio. Nel caso specifico di questo stampo di tranciatura, abbiamo eseguito sia misure di forma sia misure di difettosità su bave e scratch superficiali, fino ad arrivare alla misura della più fine rugosità di lucidatura. Questa è la libertà di misura che si può ottenere con uno strumento tridimensionale di misura ottico come il nostro. 

Indipendentemente da materiale, finitura superficiale, complessità geometrica del componente, Infinite Focus G6 combina la misura della rugosità e morfologia superficiale (Ra, Rq, Rz/Sa, Sq, Sz) alla misura a coordinate, permettendo così la caratterizzazione a 360° di manufatti moderni della più alta precisione in qualsiasi ambiente, dalla RD alla Qualità alla Produzione”.