Fresatura e fresatrici

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Fresatura e fresatrici

Fresatura

Le fresatrici sono macchine utensili destinate alla lavorazione di superfici piane, di scanalature a profilo semplice o complesso, di incavi, di ingranaggi, ecc. per mezzo di un utensile rotativo, la fresa.
La fresatura è possibile se le superfici sono aperte almeno da un lato per consentire l’entrata dell’utensile.
Le fresatrici hanno le seguenti caratteristiche: elevata produttività, buona finitura superficiale e ottima precisione dimensionale dei pezzi lavorati.
In queste macchine il moto di taglio è posseduto dalla fresa, montata su di un albero detto mandrino, che realizza il moto circolare continuo della fresa stessa con una velocità periferica prefissata (velocità di taglio della fresa).
Il moto di alimentazione, normalmente rettilineo uniforme, viene impresso ad una tavola orizzontale su cui viene montato e fissato il pezzo da lavorare. Questa tavola, che si può spostare manualmente o automaticamente in varie direzioni, conferisce al pezzo la necessaria e prefissata velocità di alimentazione.
Moti relativi tra utensili e pezzo

  • Moto di lavoro. Rotatorio, posseduto dall’utensile (fresa)
  • Moto di avanzamento. Moto posseduto dal pezzo in lavorazione affinché l’utensile incontri sempre nuovo materiale da asportare
  • Moto di appostamento. Regola la profondità della penetrazione del materiale; può essere posseduto sia dal pezzo che dall’utensile.

La formazione del truciolo in fresatura avviene in condizioni molto diverse rispetto alla tornitura. L’utensile è un solido di rotazione provvisto di denti (taglienti) e lavora portandoli successivamente a contatto con il pezzo.
Il moto di taglio è dato all’utensile; la fresa è dotata di moto rotatorio intorno al proprio asse. Il moto di avanzamento può essere dato al pezzo o all’utensile (questo ultimo caso solo per le macchine più evolute). Quello che importa è però il moto relativo utensile – pezzo, che in generale è solo secondo un asse (gli assi di moto aumentano solo in presenza di CN).
Ciascun tagliente opera ad intermittenza, ossia per un piccolo angolo ed è inattivo (riposa) per la restante parte della rotazione. Conseguenze:

  • la T del tagliente è minore rispetto alla tornitura (positivo)
  • le forze di taglio sono variabili, a causa delle modalità del taglio (negativo); il truciolo staccato da ognuno dei denti presenta una sezione variabile fra il punto di attacco e quello di uscita dell’utensile.

Le forze di taglio sono quindi pulsanti: raggiungono un valore massimo e poi cadono a zero quando il tagliente non è più impegnato.
Principali tipi di fresatura:

  1. fresatura con frese cilindriche ad azione periferica
  2. fresatura con frese frontali

Esempi di operazioni di fresatura:

notiamo dall’ultimo disegno che le frese a profilo costante possono essere utilizzate per creare profili.

Fresatura con frese cilindriche ad azione periferica

Notiamo immediatamente che la geometria di ogni singolo tagliente è assimilabile a quella di un utensile monotaglienti per cui i parametri restano gli stessi; la differenza sta nel fatto che i taglienti non sono sempre in presa.
           

Nella seconda figura possiamo individuare:

  • γ : angolo di spoglia frontale
  • α : angolo di spoglia dorsale
  • β : angolo solido dell’utensile

Gli angoli di spoglia α e γ sono angoli apparenti. Gli angoli reali variano con la velocità di taglio e di avanzamento e sono quelli formati tra gli spigoli dorsale e frontale e, rispettivamente, la tangente e la normale alla traiettoria del tagliente del dente.

La fresatura periferica può essere:

  • in opposizione: il senso di rotazione della fresa è opposto al senso del moto di avanzamento del pezzo.
  • in concordanza: il senso di rotazione della fresa e quindi il senso del moto di taglio coincide col senso del moto di avanzamento del pezzo


Fig - Fresatura in concordanza ed in opposizione

Si può in ogni caso considerare il pezzo fermo e quindi attribuire all’utensile il moto di avanzamento u (di verso opposto all’avanzamento del pezzo).

Alcuni parametri fondamentali sono:

  • avanzamento per dente:


dove a è l’avanzamento e z è il n° di denti
L’utensile spesso è scelto dai cataloghi proprio in funzione di questo parametro

  • avanzamento:


dove u = velocità di avanzamento [mm/min] e  n = n° giri del mandrino [giri/min]

  • velocità di taglio:

  • tempi di lavorazione:


Fresatura in opposizione

Caratteristiche:
     

  • distacco violento del truciolo
  • notevoli vibrazioni
  • scadente finitura superficiale

Lo spessore del truciolo asportato va via via aumentando da 0 ad hmax; per questo si un aumento della forza di taglio finché il truciolo non si stacca e immediatamente la forza ritorna a 0.
All’attacco di ogni tagliente si ha uno schiacciamento del materiale con conseguente incrudimento.
La risultante R della forza tangenziale FT e della forza normale FN può essere scomposta nella forza orizzontale O e nella forza verticale V.
La forza O è utile: ha senso opposto al moto della tavola porta – pezzo e quindi assicura che la chiocciola sia sempre in appoggio sui filetti della vite (recupero dei giochi)
La forza V è dannosa: tende a staccare il pezzo dalla tavola.

Fresatura in concordanza

Caratteristiche:

  • miglioramento del grado di finitura della superficie

   

  • minori vibrazioni
  • minore potenza assorbita
  • minore usura del tagliente
  • maggiore facilità di serraggio dei pezzi

 

L’utensile si impegna nel pezzo in corrispondenza dello spessore massimo quindi FT è decrescente, la precisione della superficie lavorata è maggiore.
La forza V è utile perché tiene aderente il pezzo alla tavola
La forza O è dannosa: agisce nello stesso senso dell’avanzamento e trascina il pezzo sotto la fresa se esiste gioco tra vite e chiocciola.

Per poter impiegare la fresatura in concordanza è necessario eliminare il gioco fra vite e madrevite. Senza un dispositivo opportuno ogni volta che un dente entra in presa la tavola viene spinta avanti e lo spessore del truciolo ↑ di una quantità pari al gioco esistente. Il sovraccarico può causare rottura.

Esistono vari dispositivi meccanici e idraulici basati sull’adozione di una doppia chiocciola che consentono di eliminare i giochi:

Nel grafico che segue riportiamo la variazione della potenza assorbita in funzione della velocità di avanzamento per fresatura in concordanza e opposizione.

Frese a denti elicoidali

 

I parametri fondamentali sono:

  • λs = angolo di inclinazione
  • D = diametro

Inoltre:

  • Passo circonferenziale 
  • Passo normale 
  • Passo assiale  

Gli angoli di spoglia variano passando da una sezione normale al profilo del tagliente in cui sono α e γ, ad una sezione normale all’asse della fresa (angoli αx e γx) e si ha:                   

Le frese elicoidali sono usate per tentare di uniformare le forze di taglio, altrimenti con troppi picchi e valli (fonte di vibrazioni).

   
A sinistra, distribuzione delle forse con tagliente adenti dritti. Con il tagliente elicoidale (a destra) le forze sono meglio distribuite. Si parla di condizione limite

Fresatura frontale

Parametri principali:

  • α : angolo di spoglia periferica (o di spoglia dorsale del tagliente principale)
  • αp : angolo di disimpegno periferico (o di spoglia dorsale del tagliente secondario)
  • γr : angolo di spoglia radiale (o di spoglia frontale del tagliente principale)
  • γa : angolo di spoglia assiale (o di spoglia frontale del tagliente secondario)
  • χ : angolo di attacco del tagliente principale
  • χ0 : angolo dello smusso al vertice
  • χ’ :angolo di disimpegno frontale (o di attacco del tagliente secondario)

        

Valori degli angoli delle frese frontali:


Materiali

γr

γa

χ0

χ

αp

Acciai teneri
Acciai legati
Ghisa
Leghe leggere

-10…-15
-5…-15
5…-10
10…20

5…10
15…-10
5…10
10…20

45
45
45
60

75
75
75
75

4…6
4…6
4…6
4…6

Forme costruttive delle fresatrici

Esistono due grandi famiglie dal punto di vista costruttivo:

Fresatrici a mensola

Comprendono sostanzialmente un montante e un basamento fusi in monoblocco e una mensola a spostamento verticale, dove è montata la slitta a croce, che esegue il movimento trasversale e provvede alla guida della tavola longitudinale. Il pezzo è sostenuto da una serie di tavole che consentono i movimenti. Questo sistema è a sbalzo rispetto al montante.
A seconda della disposizione del mandrino si distinguono fresatrici orizzontali, verticali e universali. La più diffusa è la fresatrice universale a mensola.

Dimensionamento delle fresatrici a mensola in base all’utensile


Nr.

Diametro
massimo
fresa [mm]

Attacco
utensile
ISO

Diametro
cuscinetto
[mm]

Potenza
[kW]

Velocità
mandrino
[giri/min]

1
2
3
4
5
6

160
200
200
250
250
300

40
40
50
50
50
50

73
95
95
100
100
114

3
7.5
7.5
12
15
22

45-2000
35-1800
35-1800
28-3500
22-2800
18-1800

Le fresatrici vengono classificate con numeri in base alle dimensioni e alla potenza. Notiamo che la velocità diminuisce all’aumentare delle dimensioni.
Altro importante parametro è l’attacco utensile (vedere “Fissaggio dell’albero portafresa al mandrino”)

Dimensionamento delle fresatrici a mensola in base al pezzo


Nr.

Dimensioni
tavola

[mm]

Campo di posizionamento
[mm]

Carico
tavola
[kg]

Peso macchina [kg]

1
2
3
4
5
6

1000 x 315
1350 x 300
1500 x 355
1500 x 400
1500 x 400
1800 x 425

710 x 400 x 250
950 x 425 x 280
1000 x 400 x 320
600 x 450 x 400
1100 x 450 x 400
1400 x 475 x 360

250
400
500
600
600
1000

1700
3300
3200
4500
4500
5200

Fresatrici a banco fisso

Deve il suo nome al bancale, sul quale appoggia tutta la machina. Questa struttura implica che l’altezza della tavola e quindi del pezzo sia fissa, contrariamente a quanto avviene sulla fresatrice a mensola.
Grazie all’ampia superficie di appoggio sella tavola sul bancale, il peso del pezzo e dell’attrezzatura gravano direttamente sul bancale, per cui è possibile lavorare pezzi anche di grosse dimensioni.
Hanno una struttura formata da un basamento solidale al montante. Sul montante sono applicate le guide verticali, lungo le quali si sposta una testa a mandrino orizzontale oppure verticale. Nel basamento è ricavata una guida trasversale per la slitta a croce, su cui si muove in direzione longitudinale la tavola portapezzi. L’eliminazione della mensola conferisce alla macchina un’elevata rigidità. La testa con un mandrino verticale od orizzontale scorre in direzione verticale sul montante.
Il sistema a tavole non è più a sbalzo percui il pezzo può muoversi secondo 1 o 2 assi coordinati, ma non lungo quello verticale. I moti di avanzamento del pezzo sono lungo gli assi x e y, quello dell’utensile lungo l’asse z.


Per macchine nuove il gioco può essere tra 0.02 e 0.06; per macchine usurate tra 0.4 e 0.6

Fonte: https://www.universibo.unibo.it/file/1416/download/

Sito web da visitare: https://www.universibo.unibo.it

Autore del testo: G. Tani - Ing. L. Orazi

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