Oggigiorno esistono diversi processi di lavorazione CNC, ognuno con i suoi vantaggi e casi d'uso specifici. Per componenti cilindrici e rotanti che richiedono elevata finitura superficiale e precisione, nessun processo supera la tornitura CNC di precisione.
Questo articolo tratta l'intero processo di lavorazione e le applicazioni della tornitura CNC di precisione. Inoltre, esamina i fattori da considerare prima di prendere decisioni di acquisto concrete, in particolare come identificare il fornitore più adatto alle proprie esigenze di lavorazione.
Che cos'è la tornitura CNC di precisione?
La tornitura CNC di precisione è un processo di lavorazione sottrattiva che crea pezzi rotanti con tolleranze ristrette rimuovendo materiale da un pezzo in rotazione mediante un utensile da taglio a movimento lineare. Per la tornitura CNC di precisione si utilizzano torni e centri di tornitura CNC (sia in orientamento orizzontale che verticale).
Quando hai bisogno della tornitura CNC di precisione?
Ecco i fattori che indicano la necessità di una tornitura CNC di precisione.
Tolleranze strette
La tornitura CNC standard è solitamente adeguata per componenti non critici con tolleranze comprese tra 0.05 mm e 0.5 mm. Tuttavia, i componenti che richiedono tolleranze molto più strette (<0.005 mm) non possono essere lavorati in modo affidabile con i processi CNC standard, poiché l'usura degli utensili e la dilatazione termica diventano fonti significative di errore.
Per componenti così critici, è necessaria la tornitura CNC di precisione, in quanto può produrre pezzi con tolleranze fino a 0.001 mm. Tuttavia, il compromesso è un aumento dei costi di produzione. Pertanto, il rapporto costo-beneficio è essenziale nella scelta del tipo di lavorazione da utilizzare. La tornitura CNC di precisione dovrebbe essere utilizzata solo se i potenziali benefici superano l'aumento dei costi.
Elevati requisiti di finitura superficiale
La tornitura CNC standard può garantire valori di rugosità superficiale compresi tra Ra 1.6 e 0.8 μm, che sono generalmente sufficienti per molti componenti strutturali o non soggetti a tenuta. Tuttavia, alcuni componenti (in particolare quelli esposti a elevate sollecitazioni e contatto superficiale) richiedono valori di Ra inferiori a 0.8 μm, a volte anche inferiori a 0.005 μm (finitura a specchio). Questi componenti necessitano di tornitura CNC di precisione.
Vale la pena notare, tuttavia, che i prodotti che richiedono superfici più lisce e tolleranze più strette hanno tempi di ciclo per pezzo più lunghi rispetto ai prodotti che non richiedono tali requisiti, in particolare a causa di passaggi di taglio e finitura più controllati. Pertanto, la tornitura CNC di precisione spesso richiede più tempo per completare la produzione rispetto alla tornitura CNC standard.
Sebbene l'esatta differenza nel tempo di ciclo dipenda dal prodotto in lavorazione e dalle condizioni dell'utensile, la tornitura CNC di precisione può richiedere fino al 40% in più per produrre pezzi finiti. Di conseguenza, gli ingegneri potrebbero talvolta preferire la tornitura standard se i prodotti non richiedono requisiti superficiali così rigorosi e sono richiesti in tempi più rapidi.
Qualità costante per produzioni di lotti da piccoli a medi
La tornitura CNC di precisione ha un intervallo di ripetibilità compreso tra ±2 e 5 µm, rispetto ai ±10-20 µm della tornitura standard. In sostanza, la tornitura CNC standard può essere in grado di raggiungere la tolleranza ristretta e la precisione dimensionale richieste in alcuni particolari cilindrici isolati.
Tuttavia, spesso si rivela insufficiente quando si lavora a prodotti composti da più parti e in lotti diversi. Al contrario, la tornitura CNC di precisione ha un intervallo di ripetibilità ristretto e dimostra livelli di qualità costantemente elevati su diversi pezzi e lotti di produzione.
Fresatura CNC vs tornitura CNC: quale processo scegliere?
Fresatura e tornitura CNC Sono entrambi processi di lavorazione sottrattiva che prevedono la rotazione per ottenere le forme desiderate. Tuttavia, la fresatura CNC ruota l'utensile da taglio rispetto a un pezzo fermo, mentre la tornitura CNC ruota il pezzo con l'utensile da taglio che si muove linearmente.
Ruotando il pezzo su un asse fisso, la tornitura CNC di precisione offre una maggiore libertà di movimento rispetto alla fresatura CNC. La fresatura CNC è adatta a progetti complessi e intricati di forme diverse, mentre la tornitura CNC è più adatta per pezzi cilindrici.
Oggigiorno i produttori dispongono di centri di tornitura e fresatura CNC in grado di eseguire sia operazioni di fresatura che di tornitura.
Quali sono i pro e i contro della tornitura CNC di precisione?
La tornitura CNC di precisione offre molteplici vantaggi, ma presenta anche dei limiti. Comprendere i pro e i contro della tornitura CNC di precisione consente agli ingegneri di prendere decisioni ponderate.
Vantaggi della tornitura CNC di precisione
Ecco alcuni dei vantaggi della tornitura CNC di precisione:
- Precisione: La tornitura CNC di precisione può produrre parti con tolleranze estremamente strette (fino a 0.001 mm), rendendola adatta a geometrie complesse e design intricati.
- Coerenza tra lotti: La tornitura di precisione garantisce la coerenza della qualità tra più componenti nello stesso lotto e tra lotti diversi.
- EFFICIENZA: Il processo di tornitura CNC di precisione è completamente automatizzato e non ci sono ritardi tra le fasi.
- Versatilità: La tornitura CNC di precisione è adatta a un'ampia varietà di forme, dimensioni, design e materiali.
- Sicurezza: Il processo di tornitura di precisione è chiuso e l'operatore non è esposto a detriti volanti.
Contro della tornitura CNC di precisione
Ecco alcuni svantaggi della tornitura CNC di precisione:
- Costo:I costi di installazione e manutenzione dei macchinari di tornitura CNC di precisione sono elevati, il che è particolarmente svantaggioso per la produzione su piccola scala e una tantum.
- Spreco di materiale: La tornitura CNC di precisione è più dettagliata del taglio standard, il che si traduce in un maggiore spreco di materiale.
- Restrizione di progettazione: La tornitura CNC di precisione non è in grado di lavorare efficacemente geometrie non cilindriche, come cuboidi e fori curvi.
Quali materiali sono adatti alla tornitura CNC di precisione?
La tornitura CNC di precisione è compatibile con una vasta gamma di materiali, ma questi materiali spesso rispondono in modo diverso a tolleranze ristrette e finiture superficiali estremamente fini. Ecco alcuni dei materiali adatti alla tornitura CNC di precisione e i fattori importanti da considerare nella scelta di quello più adatto al vostro progetto.
Acciai
L'acciaio al carbonio, l'acciaio legato e l'acciaio inossidabile (303, 304 e 316) sono adatti alla tornitura CNC di precisione. Sia gli acciai al carbonio che quelli bassolegati presentano un'elevata resistenza meccanica, il che li rende un'ottima scelta per componenti sottoposti a carichi elevati e sottoposti a fatica. Questi acciai sono adatti anche per alberi lunghi e filettature.
La durezza degli acciai al carbonio e legati può presentare alcuni problemi durante la lavorazione, poiché il pezzo in lavorazione è abrasivo e può accelerare il degrado dell'utensile da taglio. Questi acciai, in particolare quelli legati, hanno anche una scarsa capacità di dissipare il calore. Ciò può causare l'espansione del pezzo durante la lavorazione, compromettendo la precisione dimensionale del processo.
Gli acciai inossidabili sono anche robusti e altamente resistenti alla corrosione grazie al loro contenuto di cromo (almeno il 10%), il che li rende adatti a molti progetti di tornitura di precisione. Tuttavia, i pezzi in acciaio inossidabile spesso si induriscono durante la lavorazione, richiedendo forze di taglio più elevate, il che può rendere il processo di produzione più lungo e costoso.
Ottone e leghe di rame
Le leghe di ottone sono facili da lavorare e richiedono basse forze di taglio, il che consente tolleranze strette e finiture superficiali eccellenti, anche su diametri molto piccoli. Le leghe di rame sono ancora più facili da tagliare delle leghe di ottone, oltre ad essere duttili e ad avere un'eccellente conduttività termica ed elettrica. Per questo motivo, rame e particolari torniti CNC in ottone sono comuni nel settore elettrico, in particolare per raccordi, valvole e connettori.
Tuttavia, la facile lavorabilità e l'elevata conduttività di queste leghe presentano degli svantaggi durante la lavorazione. Con le leghe di rame, esiste un elevato rischio di taglienti di riporto (BUE), che possono compromettere la qualità della finitura superficiale e accelerare l'usura dell'utensile. La deformazione del pezzo, l'espansione non uniforme e l'indurimento del pezzo sono altri problemi comuni che contribuiscono a risultati di lavorazione scadenti.
Anche la rapida usura degli utensili è un problema per le leghe di ottone, a causa dell'indurimento del pezzo, della formazione di polveri sottili e dell'evaporazione del contenuto di zinco durante la lavorazione. Le leghe di ottone possono inoltre rompersi a contatto con l'umidità.
Leghe di alluminio
Le leghe di alluminio più comunemente utilizzate nella tornitura CNC di precisione sono 6061, 6082 e 7075. Queste leghe sono preferite per l'elevato rapporto resistenza/peso e la prevedibilità della lavorazione. Sono inoltre compatibili con le elevate velocità di taglio e i complessi controlli tipici di molti centri di tornitura di precisione, consentendo tolleranze estremamente strette e finiture superficiali di alta qualità.
Uno svantaggio delle leghe di alluminio, tuttavia, è il loro modulo elastico inferiore rispetto ad altri metalli comunemente usati per la tornitura di precisione. Questo le rende più sensibili alle vibrazioni e alla flessione dei pezzi, il che è particolarmente problematico quando si lavorano pezzi lunghi o sottili.
Per controlli pratici sulla pressione del mandrino, passate di finitura, pianificazione del riferimento e uniformità del diametro, consultare la nostra guida alla tornitura di precisione di componenti in alluminio.
Titanio
Il titanio (solitamente di grado 5) ha un eccellente rapporto resistenza/peso, persino migliore dell'acciaio, il che lo rende la scelta preferita per molti componenti aerospaziali e automobilistici. Inoltre, il titanio è altamente resistente alla corrosione e può sopportare temperature estreme.
Tuttavia, il titanio ha una bassa conduttività termica e una scarsa dissipazione del calore, il che significa che il calore si concentra sul tagliente dell'utensile anziché dissiparsi con il truciolo. Questo può accelerare l'usura dell'utensile, aumentando i già elevati costi di produzione. Il titanio può anche aderire all'utensile ad alte temperature a causa di una reazione chimica chiamata grippaggio.
Plastica
La tornitura CNC di precisione è compatibile con molti materiali plastici tecnici, tra cui ABS, PEEK, PVC, PTFE, POM e nylon. Questi materiali plastici offrono elevata precisione e sono facilmente lavorabili, rendendoli adatti alla realizzazione di componenti in plastica personalizzati e geometricamente complessi.
Nonostante questi vantaggi, le materie plastiche hanno un basso punto di fusione, il che le rende molto sensibili a deformazioni, rotture, deformazioni e crepe in presenza di calore. Se necessario, sono necessarie un'adeguata stabilizzazione termica e un'ispezione secondaria, che aumentano i costi di produzione e i tempi di ciclo.
Applicazioni di parti tornite di precisione CNC
La tornitura di precisione CNC è fondamentale nei settori e nei componenti in cui sono richieste precisione dimensionale rotazionale, tolleranze ristrette, geometrie complesse e un'elevata finitura superficiale. Di seguito sono riportate alcune delle applicazioni della tornitura di precisione CNC.
Aeronautico
I componenti aerospaziali richiedono in genere elevati rapporti lunghezza-diametro, rigorosi standard di coassialità, oltre a tolleranze ristrette e precisione del diametro dei pezzi. Questi componenti devono spesso operare in presenza di forti vibrazioni e devono essere in grado di resistervi.
Pertanto, le leghe di titanio e acciaio sono spesso molto richieste in questi settori. Tuttavia, a causa delle problematiche associate a queste leghe, un adeguato controllo termico e l'ispezione degli utensili sono fondamentali durante la lavorazione.
Tra i componenti comunemente lavorati nel settore aerospaziale rientrano:
- ingranaggio
- accoppiatori
- Gli ugelli
- distanziatori
- boccole
- Elementi di fissaggio
Medicale
La tornitura di precisione CNC è utile nella produzione di strumenti medicali e odontoiatrici, garantendo che i materiali soddisfino i requisiti di biocompatibilità e precisione. Il problema più comune in questo caso è garantire che i requisiti di finitura superficiale siano soddisfatti con materiali come il titanio e l'acciaio inossidabile, che possono indurirsi o diventare abrasivi durante la lavorazione.
I componenti CNC torniti di precisione più comuni includono:
- Viti ossee
- protesi
- Spille
- cannule
- Impianti
Automotive
Nel settore automobilistico, la tornitura CNC di precisione viene utilizzata per produrre componenti in cui tolleranze ristrette, precisione dimensionale e accuratezza, nonché resistenza all'usura, sono fondamentali. In questi componenti, anche piccoli errori di diametro o concentricità possono influire su NVH, tenuta e allineamento dei sensori.
Alcuni dei componenti automobilistici più comuni lavorati con tornitura CNC di precisione includono:
- Alberi di trasmissione
- Corpi valvola
- boccole
- Pistoni
- Alloggiamenti dei sensori
- Componenti della trasmissione
Elettronica
Le leghe di ottone, rame e alluminio sono i materiali più comunemente utilizzati per la tornitura CNC di precisione nel settore elettronico. I componenti in questo settore richiedono diametri ridotti ed elevata duttilità, oltre a tolleranze ristrette. I maggiori problemi della tornitura di precisione in questo settore sono la finitura superficiale non ottimale, le bave e le forze di inserimento non uniformi.
Alcuni dei componenti più comuni per la tornitura CNC di precisione in questo settore sono:
- rotori
- Spille
- Terminali
- Connettori
- Corpi Standard
Idraulica
La tornitura di precisione è utile nella produzione di componenti idraulici in cui la tenuta è funzione della precisione delle dimensioni e della finitura superficiale. Per questi componenti, le problematiche principali sono il mantenimento della rotondità e della rettilineità nei pezzi lunghi, la riduzione al minimo della rugosità per evitare l'usura della tenuta e il mantenimento del diametro del pezzo ad alte pressioni.
I tipici componenti idraulici lavorati con tornitura di precisione sono:
- Pistoni
- Cilindri
- bobine
- Maniche
- Giunti
- Gli ugelli
Considerazioni sulla progettazione della tornitura CNC di precisione
Esistono considerazioni progettuali chiave associate alla tornitura CNC di precisione, di qualità e conveniente, tra cui:
- velocità di taglio: Ciò influisce sulla velocità di usura dell'utensile, sulla stabilità della finitura superficiale e sulla generazione e il controllo del calore. Velocità più elevate aumentano il degrado termico dell'utensile e del pezzo, mentre velocità più basse possono aumentare l'usura superficiale.
- avanzamento: Maggiore è la velocità di avanzamento, più efficiente è la rimozione del materiale, ma si verifica una corrispondente diminuzione della rotondità del pezzo. Al contrario, una bassa velocità di avanzamento può garantire una migliore finitura superficiale, ma il tempo di ciclo è più lungo e il materiale è esposto al calore più a lungo, aumentando il rischio di degradazione.
- Materiale del pezzo: I materiali più morbidi sono più facili da lavorare, ma la loro suscettibilità alla flessione è maggiore. D'altro canto, i materiali più duri sono più difficili da lavorare, ma l'usura degli utensili è più rapida.
Come scegliere il giusto produttore di pezzi torniti CNC?
Il successo o il fallimento della tornitura CNC di precisione dipendono in larga misura dal fornitore dei componenti. Pertanto, ingegneri e produttori devono essere altrettanto attenti e scrupolosi nell'affidare i propri servizi di tornitura CNC.
Ecco alcuni dei fattori chiave da considerare.
Capacità della macchina
Gli ingegneri devono confermare che il loro potenziale fornitore di servizi di tornitura CNC sia in grado di rispettare i limiti di tolleranza su più cicli. Devono essere disponibili dati verificabili di tolleranza e stabilità termica, nonché una ripetibilità di circa 5 µm. Inoltre, il fornitore deve essere disponibile e in grado di fornire report CMM e test di rugosità superficiale.
Conoscenza dei materiali e delle applicazioni
Gli ingegneri devono confermare che il fornitore sia in grado di gestire il materiale specifico e i prodotti finali richiesti. Ad esempio, un progetto di componenti torniti CNC in ottone dovrebbe essere assegnato a fornitori che abbiano una conoscenza e risultati verificabili nei precedenti processi e prodotti di tornitura in ottone.
Esperienza con parti tornite con tolleranze strette
L'esperienza è preziosa nella lavorazione CNC, e non si misura solo in anni di servizio, ma anche in base al numero di progetti gestiti con successo dal fornitore. I fornitori devono avere esperienza nella gestione di diversi rischi e problemi associati alle parti cilindriche, come vibrazioni, conicità, errori di coassialità e superfici irregolari.
Sistemi di qualità
Il fornitore deve rispettare gli standard normativi del settore. Ad esempio, deve dimostrare di possedere le certificazioni ISO 9001 o ISO 2768, nonché la certificazione GD&T. Alcuni settori specifici potrebbero inoltre disporre di certificazioni specifiche, come AS9100D per i componenti aerospaziali.
Tempi di consegna e scalabilità
In genere, più stretta è la tolleranza, più lungo è il processo di produzione. Un segnale d'allarme comune per i fornitori è l'incapacità di adeguare i tempi di consegna alla complessità dei progetti. Sebbene l'obiettivo sia in genere quello di fornire i prodotti il più rapidamente possibile, i fornitori che non sono realistici con i tempi di consegna rischiano di rinunciare alla qualità.
Inoltre, la capacità dei fornitori di mantenere la qualità del prodotto anche in presenza di carichi di lavoro elevati è un fattore critico nella scelta del fornitore giusto. Tolleranza e stabilità termica, precisione geometrica e rispetto dei tempi di consegna sono fattori essenziali da considerare quando si valuta il potenziale di scalabilità del fornitore.
Conclusione
La tornitura CNC di precisione è il metodo di produzione preferito per componenti cilindrici che richiedono tolleranze ristrette e finiture superficiali superiori, in particolare nei settori aerospaziale, medicale, automobilistico, elettronico e idraulico. Per sfruttare appieno questi vantaggi prestazionali, è essenziale scegliere il partner giusto per la lavorazione.
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