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Quando un tipo svizzero è un tornio e un mulino a cinque assi

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I torni a fantina mobile con asse B orientabile consentono a questa officina di lavorare pezzi completi e non presidiati che altrimenti non potrebbero essere utilizzati dai suoi centri di lavoro a cinque assi. Ecco alcuni degli insegnamenti tratti dall'adozione di questa nuova tecnologia.

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Per la Challenge Machine, la complessa parte medicale mostrata nella presentazione sopra riportata, ha portato a considerare un tornio svizzero con asse B orientabile e programmabile con stazioni utensili in tensione.

L'officina di Blaine, Minnesota, recentemente certificata ISO 13485, ha gestito la parte impiantabile in polietereterchetone (PEEK) di grado medicale utilizzata nelle procedure di sostituzione del ginocchio su due macchine CNC. Una macchina a cinque assi ha lavorato gran parte del pezzo (tempo ciclo di 45 minuti) e una macchina a tre assi l'ha completato (tempo ciclo di 15 minuti). Oggi questo pezzo viene lavorato in 15 minuti su un tornio a fantina mobile Marubeni Citizen-Cincom L220 di tipo svizzero.

Challenge Machine ha acquistato la sua prima L220 nel 2015. Da allora ne ha aggiunto altri due. Il componente PEEK è uno dei tanti esempi di pezzi lavorati completi sui tipi svizzeri dell'asse B, alcuni dei quali in precedenza funzionavano in mulini multipli. Mentre questi centri di tornitura di tipo svizzero sono in primo luogo e soprattutto centri di tornitura, i montanti live tooling dell'asse B consentono loro di funzionare come frese a cinque assi con caricatori di barre che consentono lunghi tratti di funzionamento non presidiato. Durante una recente visita, ho appreso come il negozio sta beneficiando di questa tecnologia, alcune delle sfide che ha dovuto affrontare per adottarla e alcune delle lezioni apprese lungo il percorso.

Inizio Svizzera

Jim Betland ha lanciato Challenge Machine nel suo seminterrato nel 1999. Gran parte dell'attività era dedicata alla lavorazione di micropezzi per l'industria dei semiconduttori. Ora situato in una struttura di 16.000 piedi quadrati, a nord di Minneapolis, il negozio esegue ancora una buona parte del lavoro di microlavorazione per questo e altri settori, tra cui quello automobilistico, medico e della difesa. Infatti, ha recentemente aggiunto una fresa CNC Sodick UH430L con mandrino a 60.000 giri/min e cambio pallet per consentire lunghe tratte di microlavorazioni non presidiate.

Anche se non tutto il lavoro del negozio comporta una microlavorazione, quasi tutto è complesso. Questo è uno dei motivi per cui il negozio ha aggiunto le sue prime coppie di svizzeri. Sebbene queste macchine non disponessero di assi B, le stazioni di live tooling permettevano loro di eseguire lavori di fresatura. Uno presentava un sotto-mandrino che poteva prelevare pezzi parzialmente lavorati dal mandrino principale per le operazioni di controlavorazione.

Gli L220 sono stati i primi modelli svizzeri dell'asse B del negozio. "C'è sicuramente una curva di apprendimento con queste macchine", dice il signor Betland. "I negozi nuovi a questi tipi di svizzeri dovrebbero aspettarsi che ci vorrà del tempo prima di poter utilizzare appieno l'asse B."

L'officina ha incaricato Eric Grue di apprendere i dettagli della lavorazione dell'asse B sulla prima L220. Conosceva i tipi svizzeri e in particolare le apparecchiature Marubeni Citizen-Cincom, ma questa è stata la sua prima esperienza con un modello dell'asse B. "Ci è voluto un anno prima di sfruttare realmente l'asse B", dice. "Per un po', l'abbiamo usato solo per il lavoro incrociato normale alla barista o per il lavoro in controcorsa."

Ora, l'officina esegue un bel po' di foratura e fresatura ad angoli non normali alla linea centrale della barra (l'asse B offre 135 gradi di rotazione). Un trucco che il signor Grue ha scoperto è stato quello di utilizzare una fresa per creare un foro pilota per la foratura angolare. L'estremità piatta dell'utensile impedisce di "camminare" in quanto si impegna con il materiale con un angolo strano. Inoltre, egli osserva che profondità di taglio molto piccole e velocità di avanzamento lento sono necessarie quando si lavora con l'asse B (cioè quando si utilizzano utensili con diametri inferiori a 1 mm). Questo perché quando l'asse lineare e l'asse assiale si muovono in sincronia, mettono a dura prova l'utensile. Ad esempio, il negozio ha recentemente utilizzato una punta da 0,5 mm che applica una profondità di taglio del 5% e un avanzamento di 60 mm al minuto.

Tuttavia, ha anche scoperto che lo sviluppo di strategie di attrezzaggio per questo tipo di macchine richiede ingegnosità. A differenza delle fresatrici CNC con cambio utensili ad alta capacità, i tipi svizzeri hanno un numero limitato di stazioni utensili. Le L220 dispongono di cinque stazioni di tornitura, tre stazioni di lavorazione trasversale per il mandrino principale, sei stazioni contrapposte (tre live, tre statiche), otto stazioni sul montante posteriore (quattro live, quattro statiche) e quattro stazioni live sul montante dell'asse B. "Semplicemente non c'è la capacità di utilizzare strumenti speciali come gli utensili per moduli personalizzati come potremmo fare in un mulino", dice il signor Grue. "Dobbiamo essere creativi nell'uso di frese a sfere, barre forate, utensili per scanalatura e simili per creare le caratteristiche complesse di cui hanno bisogno le parti complesse, come la geometria ID a campana sulla parte di sostituzione del ginocchio in PEEK"

Ci sono anche vari modi in cui una parte può essere orientata all'interno del volume della materia prima. L'orientamento del pezzo è a volte dettato da quale caratteristica lavorata sul mandrino principale avrebbe una lunghezza sufficiente per la presa del sotto-mandrino. Questa è tipicamente una caratteristica tonda, ma in un caso, il signor Grue ha fresato un profilo quadrato in una pinza ER per bloccare un elemento quadrato di accoppiamento all'estremità del pezzo.

Considerazioni sui materiali

Challenge Machine ha il vantaggio che le tre L220 possono raffreddare le parti utilizzando olio o aria compressa. Il liquido di raffreddamento dell'olio è comunemente usato nella lavorazione dei metalli. Infatti, la più recente L220 ha un'erogazione di refrigerante ad alta pressione per migliorare l'evacuazione del truciolo durante la foratura profonda in acciaio inossidabile 17-4 e 304.

L'aria compressa è utile per le materie plastiche perché l'olio può contaminare questi materiali. L'officina può passare da parti metalliche a parti in plastica semplicemente pulendo pinze di serraggio e boccole di guida e rimuovendo i portautensili e le linee del refrigerante e dell'aria compressa. Questo non e' un processo meticoloso. La chiave è di assicurarsi che non ci sia olio residuo che potrebbe gocciolare sul materiale plastico. La programmazione dei lavori medici e di plastica in lotti aiuta a ridurre al minimo i cambi di produzione. Challenge Machine utilizza anche aria compressa per espellere le parti in plastica delicate dal sotto-mandrino perché il perno di espulsione della macchina potrebbe lasciare un segno.

Una tecnica specifica per i pezzi in PEEK consiste nel ridurre al minimo la lunghezza della barra "resto", cioè l'estremità rimanente della barra che non può essere lavorata a causa della distanza tra la pinza principale di un tipo svizzero e la boccola di guida della firma. La lunghezza dei residui varia tipicamente da 7 a 12 pollici, il che può essere costoso per i clienti che forniscono il materiale (una lunghezza di 36 pollici di questo materiale costa circa $1.800). Le prolunghe in acciaio lavorato che si avvitano all'estremità della barra riducono la lunghezza residua del PEEK a 2 pollici.

Guardando indietro, guardando avanti

Con il senno di poi, l'officina avrebbe dovuto prendere in considerazione macchine con un diametro della barra di 32 mm anziché 20 mm per accogliere pezzi più grandi, dice il sig. Betland. Inoltre, probabilmente non avrebbe acquistato più mandrini elettrici ad alta velocità a 80.000 giri/min, come ha fatto per le sue prime due L220 (una macchina che offre 6.000 giri/min per utensili in movimento e gli altri 9.000 giri/min). "Un numero di giri molto elevato non è necessariamente necessario per la lavorazione con piccoli utensili", spiega Grue. "I 9.000 giri al minuto che due delle nostre L220 sono sufficienti per questo. Inoltre, i mandrini elettrici hanno una coppia minima, quindi non si può ottenere una profondità di taglio decente nei metalli che li utilizzano"

Andando avanti, Challenge Machine sta considerando l'utilizzo di metodi di raffreddamento a freddo come la CO2 compressa o la sabbiatura a secco per la lavorazione delle materie plastiche per ridurre la possibilità di creare bave sul pezzo. Il signor Grue spiega che quando si lavora la plastica, il materiale dell'utensile e del pezzo base assorbono il calore invece di quello che fuoriesce con il truciolo. Più alta è la temperatura del materiale della parte base, più è probabile che il materiale tagliato si sfilacci e rimanga collegato alla parte. L'uso di aria fredda come refrigerante combinato con taglienti affilati e non rivestiti riduce la probabilità che ciò accada.

Inoltre, presto passerà dalla programmazione di tipo svizzero al software CAD/CAM GibbsCAM, che attualmente utilizza per le frese CNC. Il negozio apprezza le capacità di simulazione del software e la sua strategia MultiBlade toolpath. Attualmente utilizza MultiBlade per la lavorazione di giranti in plastica sulle sue macchine a cinque assi, ma vorrebbe trasferire questo lavoro alle L220 per raccogliere i vantaggi della lavorazione non presidiata.

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