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I “CARICHI” DELLE MACCHINE UTENSILI
01/11/2018

Gruppo elettromandrino con cambio utensile prodotto da Biesse (Fonte: http://www.biesse.com/it/).

La maggior complessità delle macchine utensili si riflette nei telai: la progettazione richiede l’analisi accurata di aspetti come dimensioni e materiali. Il ruolo di un fornitore di componenti come R+W offre un supporto ai costruttori di macchine.

di Stefano Vinto

Il mercato delle macchine utensili in Italia ha conosciuto una tale espansione negli ultimi anni che il rallentamento degli ultimi mesi è comprensibile se non fisiologico; i numeri restano comunque incoraggianti, soprattutto per le esportazioni. Le macchine utensili italiane rimangono molto apprezzate all’estero, grazie al riconosciuto ottimo livello qualitativo e alla capacità di collaborare con i costruttori dei diversi Paesi per creare soluzioni complementari alle produzioni già in atto. A consolidare le buone prestazioni de settore ha contribuito l’Industria 4.0, con i concetti chiave di digitalizzazione e automazione; aumenta, inoltre, l’attenzione alla sicurezza degli operatori.

 

Tornio con telaio in fusione di ghisa, prodotto da Sibimex (Fonte: http://www.sibimex.com).

SOLUZIONI IN EVOLUZIONE

Fino a 50 anni fa, la maggior parte delle macchine utensili fornivano funzionalità singole (come la foratura e la tornitura) e operavano senza alcuna interazione con macchine contigue. Con l’aggiunta delle torrette portautensile e dei cambia utensili automatici (vedi foto di apertura), unitamente ai sistemi CNC, i torni sono difatti diventati centri di tornitura e le fresatrici centri di lavoro.

I centri di tornitura possono poi essere trasformati in centri di lavoro, tramite l’inserimento di mandrini portautensili multipli (sia statici che motorizzati), affiancati ai classici portautensili singoli. Questi centri di lavoro multiprocesso possono effettuare tutte le lavorazioni standard quali tornitura, fresatura, alesatura/barenatura, foratura, e anche rettifica.

I generici componenti di una moderna macchina utensile comprendono il telaio, le guide, i motori, i mandrini, gli attrezzi e le unità di controllo. Le caratteristiche di questi componenti sono di fondamentale importanza per l’ottenimento delle funzionalità e delle prestazioni richieste.

 

Pressa piegatrice con telaio in acciaio saldato, prodotta da Vimercati (Fonte: http://www.fvimercati.it).

I MATERIALI PER I TELAI DELLE MACCHINE UTENSILI

Il telaio costituisce l’elemento fondamentale di una qualsiasi tipologia di macchina utensile. La funzione principale del telaio è quella di sostenere tutti i componenti attivi e passivi della macchina e costituire la base per tutti i sottoassiemi che reggono i mandrini, le guide lineari, la tavola portapezzo, gli azionamenti e i controlli.

I fattori che condizionano la scelta dei materiali per il telaio di una macchina utensile sono i seguenti: resistenza alla deformazione (durezza); resistenza all’impatto e alla frattura (tenacità); bassa dilatazione per effetto dell’incremento di temperatura (coefficiente di dilatazione termica lineare); alta capacità di smorzamento delle vibrazioni (smorzamento); resistenza alla corrosione ad eventuali agenti aggressivi negli ambienti di utilizzo; basso costo.

Macchina per il taglio a ultrasuoni con telaio in composito, prodotta da mtorres (Fonte: http://www.mtorres.es).

Gran parte dei telai delle macchine utensili vengono realizzati con i materiali di seguito descritti.

Ghisa: è il materiale tradizionalmente usato per la costruzione dei telai delle macchine utensili. Ha una buona rigidità e resistenza, come confermato dalle sue caratteristiche di seguito riportate: E = 50 - 110 GPa; Rm = 100 - 300 MPa. Nella seconda immagine è mostrato un moderno tornio CNC con telaio in ghisa.

Acciaio saldato: l’acciaio saldato è caratterizzato da valori del modulo di elasticità e della resistenza maggiori di quello della ghisa: E = 210 GPa; Rm = 400 – 1.300 MPa. Nella terza immagine è mostrata una pressa piegatrice con telaio in acciaio saldato.

Compositi a matrice polimerica, metallica e ceramica: i telai per macchine utensili realizzati con materiali compositi sono di solito molto costosi. Sono principalmente destinati alla realizzazione di macchine per lavorazioni ad alta velocità, con elevati gradi di precisione. È il caso delle macchine per il taglio ad ultrasuoni, principalmente usate in ambito aeronautico, come quella raffigurata nella quarta immagine. Nelle macchine utensili con telaio in materiale composito, la movimentazione di posizionamento dell’utensile viene spesso realizzata ricorrendo a trasmissioni idrodinamiche.

Materiali ceramici: i materiali ceramici sono stati introdotti come materiali per i telai delle macchine utensili negli anni ’80. Sono caratterizzati da elevati valori di resistenza, rigidità, stabilità dimensionale, resistenza alla corrosione ed eccellente finitura superficiale. Il loro svantaggio principale è dato dal comportamento fragile per carichi di esercizio prossimi a quello di rottura, oltre che dai costi eccessivi.

Cemento polimerico: nelle sue componenti convenzionali, il cemento polimerico impiegato per i telai delle macchine utensili fornisce opportuni valori in termini di massa e capacità di smorzamento delle vibrazioni. Per questi scopi viene usata una composizione alternativa, costituita da una matrice polimerica alla quale viene aggiunta una miscela di polveri di granito e di altri minerali. Questa varietà di cemento presenta caratteristiche di smorzamento migliori della ghisa grigia, come viene illustrato nella quinta immagine. Questa tipologia di materiali presenta intervalli di valori di rigidità e di resistenza più bassa dei materiali metallici visti in precedenza: E = 20 GPa; Rm = 5 - 60 MPa, ma rispetto a essi ha una maggiore capacità ed efficacia nella dispersione del calore.

 

Base di macchina utensile in cemento polimerico realizzata da RAMPF (Fonte: https://www.rampf-gruppe.de/en/).

LA DETERMINAZIONE DEI CARICHI

La capacità di resistenza del telaio di una macchina utensile alle forze statiche e dinamiche (che si originano durante i processi di lavorazione) costituisce l’altro aspetto fondamentale da tenere in conto durante le fasi di progettazione. Le forze statiche, in particolare, insieme alla massa totale della macchina utensile e del pezzo sottoposto alla lavorazione, determinano inflessioni e distorsioni, causa dell’introduzione di errori geometrici nel prodotto finito. Le forze dinamiche sono il risultato, ad esempio, dell’innesto a intermittenza della fresa e della variazione rigenerativa dello spessore del truciolo, a una frequenza corrispondente al numero di giri della fresa stessa.

La caratteristica statica di una macchina utensile dipende quindi dalle deformazioni elastiche corrispondenti ai carichi applicati in un dato momento. Nella sesta immagine viene mostrato l’andamento della deflessione della linea elastica v in funzione del carico applicato F.

Come primo step di calcolo per la determinazione dei carichi nel telaio di una macchina utensile, è pratica comune ipotizzare una relazione lineare tra carico e deformazione e utilizzare una rigidezza media k per ciascun componente del telaio e della macchina, come illustrato nella settima immagine.

Il progetto strutturale del telaio di una macchina utensile richiederà quindi di tenere conto di tutte le componenti di carico flessionale e torsionale. Per quanto riguarda le componenti di carico flessionale, i componenti del telaio possono essere considerati come travi rettilinee inflesse. Perciò si può applicare agevolmente l’analisi della tensione elastica che deriva dalla sollecitazione da momento flettente, considerando sezioni trasversali dalla semplice geometria.

Andamento della deflessione della linea elastica v in funzione del carico applicato F.

In tale fase di analisi tensionale di massima viene poi trascurata la sollecitazione da taglio in quanto relativamente bassa. Nella stessa fase di analisi tensionale, viene inoltre trascurata l’influenza del peso del mandrino, del suo alloggiamento e dell’utensile montato. Tali contributi sono rilevanti solo in termini di peso proprio e non dal punto di vista di errore di forma del pezzo, indotto dalla deflessione, una volta predisposto l’utensile all’inizio della lavorazione desiderata.

Dal momento che la resistenza a flessione della colonna di un telaio di una macchina utensile è proporzionale al momento d’inerzia della sua sezione intorno all’asse neutro, la stessa sezione trasversale costituisce un parametro di progetto fondamentale.

Considerando quindi le componenti di carico torsionale, lo stato tensionale da sollecitazione di torsione sulla generica sezione sarà funzione del momento d’inerzia polare della sezione stessa. Il miglioramento complessivo della risposta della sezione ad entrambe le sollecitazioni di flessione e di torsione viene conseguito inserendo apposite nervature di rinforzo, come mostrato nell’ottava immagine.

Qualora lo schema del telaio della macchina utensile sia caratterizzato da una notevole complessità e da grandi dimensioni, la stima delle deflessioni fin qui considerate viene eseguita ricorrendo a simulazioni strutturali con il Metodo degli Elementi Finiti o FEM, come illustrato nella nona immagine.

 

Schematizzazione strutturale del telaio di una macchina utensile.

IL RUOLO DEL FORNITORE DI COMPONENTI

Un’attività complessa come la progettazione nell’ambito dei telai per le macchine utensili può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W (www.rw-giunti.it) azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la propria esperienza a disposizione del progettista.

Nel settore dei telai per le macchine utensili, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione e limitazione della coppia, quali: giunti a soffietto metallico della serie BK, giunti ad elastomero della serie EK, limitatori di coppia della serie SK e giunti con allunga della serie ZA e EZ.

I giunti BK a soffietto metallico, precisi e senza gioco, sono molto apprezzati per il basso momento di inerzia, la totale assenza di necessità di manutenzione, la durata praticamente infinita e soprattutto la totale affidabilità.

Tipi di sezione per le colonne del telaio di una macchina utensile.

I giunti a elastomero della serie EK combinano elevata flessibilità e buona resistenza. Smorzano vibrazioni e impatti compensando i disallineamenti degli alberi. Molti elementi condizionano la progettazione dei giunti a elastomero: da fattori quali il carico, l’avviamento e la temperatura dipende la durata dell’inserto. L’elemento elastomerico è disponibile in diverse durezze shore, per trovare sempre un compromesso adatto fa le proprietà di smorzamento, la rigidità torsionale e la correzione dei disallineamenti per la maggior parte delle applicazioni.

I limitatori di coppia SK, assolutamente privi di gioco, permettono di proteggere il sistema motore in caso di sovraccarico, scollegandolo dalla parte condotta nel giro di pochi millisecondi. Estremamente precisi, trasmettono la coppia con gande accuratezza e intervengono solo in caso di effettiva necessità. Inoltre, consentono un riarmo semplice e rapido non appena viene rimossa la causa del sovraccarico.

I giunti con allunga della serie ZA-EZ sono ideali per collegamenti con grandi distanze assiali, eventualità spesso presente nelle macchine da imballaggio. Sono facili da montare e smontare senza che occorra muovere o allineare gli elementi da collegare. R+W ha in assortimento giunti con allunghe fino a 6 m, che non necessitano di supporto intermedio. Disponibili in versioni speciali per quanto riguarda materiali, tolleranze, dimensioni e prestazioni, i giunti con allunga R+W se ben dimensionati e montati correttamente non hanno alcuna necessità di manutenzione e una durata praticamente infinita.

Simulazione FEM del telaio di una macchina utensile (Fonte: http://pubs.sciepub.com/ajme/1/1/2/).

R+W Italia si propone sul mercato come partner ideale per la fornitura di giunti, alberi di trasmissione e limitatori di coppia standard e “speciali”, sviluppati su specifica richiesta del cliente con l’obiettivo di offrire il giunto corretto per ogni singola applicazione: l’ampia gamma di prodotti comprende soluzioni per tutte le esigenze.

Per una consulenza personalizzata, è possibile contattare R+W telefonicamente allo 0226264163), via mail info@rw-italia.it, tramite webchat disponibile sul sito www.rw-giunti.it o tramite i canali social dell’azienda: potrete contare su #progettiSicuri con R+W! ©tecnelab

 

Un’attività complessa come la progettazione nell’ambito dei telai per le macchine utensili può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti: è il caso di R+W, azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione.



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