Che cos'è il processo di tornitura CNC? Fondamenti, fasi, tipi e rapporto con la lavorazione CNC

La tornitura CNC è un processo produttivo molto diffuso nella moderna produzione di precisione. Per chiarire, CNC è l'acronimo di Computer Numerical Control, ovvero l'uso di macchine controllate da computer. In pratica, la tornitura CNC prevede l'utilizzo di un utensile da taglio per rimuovere il materiale da un pezzo in rotazione e produrre pezzi rotondi o cilindrici di elevata precisione e ripetibilità.

I settori automobilistico, aerospaziale, elettronico, delle apparecchiature mediche, petrolifero e del gas e dei macchinari industriali sono tra quelli in cui il processo di tornitura CNC trova maggiore applicazione. I produttori preferiscono la tornitura CNC per la sua elevata precisione dimensionale, la velocità di produzione e l’uniformità della qualità nella produzione in serie. Che si tratti di un semplice albero e boccola o di un pezzo filettato più complesso, l’utilizzo di servizi professionali servizi personalizzati di tornitura CNC garantisce che questi componenti vengano prodotti in modo efficiente e con elevata precisione.

Quali sono i fondamenti della tornitura CNC?

Il principio alla base del processo di tornitura CNC è l'asportazione di materiale mediante movimento rotatorio. Le operazioni di tornitura sono diverse da quelle di fresatura perché è il pezzo a ruotare invece dell'utensile da taglio. L'utensile da taglio è tenuto fermo mentre viene guidato lungo assi controllati per tagliare il componente.

L'asse X e l'asse Z sono i due assi principali di un tornio CNC. L'asse “X” serve a controllare la profondità di taglio, mentre l'asse “Z” serve per il movimento longitudinale lungo il pezzo da tagliare. Alcuni torni avanzati sono dotati di assi supplementari per geometrie più complicate e funzioni multitasking aggiuntive.

La programmazione svolge un ruolo importante nella tornitura CNC. I software CAD e CAM aiutano gli operatori a sviluppare modelli digitali e a produrre le istruzioni per le macchine (codice G). Queste istruzioni vengono utilizzate per impostare la velocità del mandrino, l'avanzamento, la profondità di taglio e il movimento degli utensili nella macchina.

Quali sono le fasi della tornitura CNC?

Selezione del materiale

Il primo passo di un processo di tornitura CNC consiste nello scegliere il materiale più adatto all'applicazione. I materiali più comuni sono: alluminio, acciaio inossidabile, acciaio al carbonio, ottone, titanio, rame e le materie plastiche tecniche. La scelta dei materiali dipenderà dalla loro resistenza meccanica, dalla resistenza alla corrosione, dalla lavorabilità e dalle proprietà termiche.

L'alluminio è un materiale molto utilizzato per la sua leggerezza e il basso costo di lavorazione. L'acciaio inossidabile ha un'elevata resistenza alla corrosione ed è molto durevole, mentre il titanio ha un elevato rapporto forza-peso, che lo rende adatto all'uso nell'industria aerospaziale e medica.

Preparazione del pezzo

Una volta selezionati i materiali, la materia prima viene tagliata in una lunghezza adeguata per la lavorazione. Il pezzo viene fissato saldamente nel mandrino o nella pinza del tornio CNC. La chiave per evitare vibrazioni ed errori dimensionali durante la lavorazione è un serraggio corretto.

Altre considerazioni importanti sono l'equilibratura e l'allineamento. Gli errori di allineamento possono causare una scarsa finitura superficiale, un'usura eccessiva degli utensili o errori dimensionali.

Impostazione dello strumento

Prima di avviare la macchina, gli utensili da taglio vengono inseriti nella torretta della macchina. Molti strumenti diversi può essere utilizzato in diverse operazioni quali spianatura, sgrossatura, finitura, filettatura, foratura e scanalatura.

Anche la scelta del materiale dell'utensile è di grande importanza. Gli utensili in metallo duro sono molto utilizzati perché sono estremamente duri e resistenti all'usura. Gli utensili rivestiti migliorano inoltre l'efficienza di taglio riducendo al minimo l'attrito e la generazione di calore.

Programmazione CNC

Il programma CNC detta il processo di lavorazione e i parametri operativi. Il percorso dell'utensile, la velocità del mandrino, l'avanzamento, la profondità di taglio e il refrigerante sono decisi dal programmatore in base al tipo di materiale e alla geometria del pezzo.

Le simulazioni utilizzano un software per verificare il programma prima dell'inizio della produzione. Questo può aiutare a prevenire collisioni o errori di lavorazione e a ridurre al minimo lo spreco di materiali.

Operazione di lavorazione

Nel processo di lavorazione, il mandrino viene utilizzato per far ruotare il pezzo e l'utensile da taglio taglia il materiale metallico strato dopo strato. Le operazioni di sgrossatura rimuovono grandi quantità di materiale in breve tempo, mentre le operazioni di finitura portano il pezzo alla forma e alla finitura superficiale corrette.

I sistemi di raffreddamento sono spesso utilizzati per ridurre il calore e lubrificare la zona di taglio. Un raffreddamento corretto prolunga la durata dell'utensile e previene la distorsione termica del pezzo.

Ispezione e controllo qualità

Tutti i pezzi lavorati vengono poi sottoposti a controllo. Misurazioni effettuate con strumenti quali micrometri, calibri, macchina di misura a coordinate e gli strumenti di misurazione della rugosità superficiale garantiscono che il componente sia conforme ai requisiti di progettazione.

Nella tornitura CNC, il controllo di qualità svolge un ruolo critico nella produzione, poiché sono molti i pezzi coinvolti in applicazioni critiche che potrebbero causare un guasto al sistema.

Quali sono i tipi di operazioni di tornitura CNC?

Tornitura rettilinea

La tornitura diritta è uno dei processi di tornitura CNC più semplici e diffusi. Durante questa operazione, l'utensile viene fatto avanzare parallelamente all'asse del pezzo per asportare materiale dal pezzo in modo uniforme lungo il diametro. Le applicazioni tipiche di questa operazione riguardano la produzione di alberi cilindrici, aste, perni e distanziatori.

La tornitura in rettilineo può essere eseguita sia come processo di sgrossatura che di finitura. La sgrossatura è un metodo per rimuovere rapidamente grandi quantità di materiale per produrre la forma di base del pezzo. Per ottenere dimensioni precise e finiture superficiali lisce in fase di finitura, si utilizzano tagli più fini e avanzamenti più lenti. La tornitura rettilinea ha un'elevata precisione ed è adatta a pezzi di alta precisione e di diametro uniforme.

Operazione di facciata

La sfacciatura viene eseguita per ottenere un'estremità piana e liscia del pezzo. L'utensile da taglio viene alimentato perpendicolarmente all'asse di rotazione e il pezzo viene fatto girare nel mandrino. La prima lavorazione è solitamente la sfacciatura, che serve a creare una superficie di riferimento pulita e precisa per le lavorazioni successive.

L'utilizzo di questa operazione è significativo per la produzione di pezzi con estremità perfettamente piane che vengono utilizzati per l'assemblaggio o la sigillatura. La sfacciatura di precisione crea stabilità dimensionale e garantisce il corretto allineamento dei sistemi meccanici.

Tornitura conica

Il processo di tornitura conica crea una variazione graduale del diametro nella lunghezza del prodotto, formando un cono. È particolarmente importante per gli alberi conici, i portautensili, i raccordi per tubi e i mandrini delle macchine.

La tornitura conica viene eseguita su un tornio CNC spostando l'utensile ad angolo. La programmazione CNC viene utilizzata per controllare attentamente l'angolo di conicità e la lunghezza per mantenere la precisione dimensionale.

Per la tornitura conica è necessario un movimento sincronizzato tra l'utensile e il mandrino. Un disallineamento potrebbe causare una geometria o una finitura superficiale scadente. È possibile realizzare conicità altamente precise utilizzando un sistema CNC avanzato per applicazioni industriali complesse.

Tornitura dei contorni

La tornitura di contorno è un metodo utilizzato per produrre profili curvi o irregolari su un pezzo in rotazione. È un tipo di tornitura che richiede all'utensile movimenti più complessi, programmati dal CNC.

Viene spesso applicata nei settori dell'industria aerospaziale e automobilistica, nonché nella produzione medica, dove i pezzi devono spesso avere bordi curvi e forme complesse. Ne sono un esempio i componenti delle turbine, gli alloggiamenti di precisione e gli impianti ortopedici.

Taglio del filo

La filettatura è un processo di tornitura per realizzare scanalature elicoidali su una superficie cilindrica. Le filettature possono essere esterne, come quelle dei bulloni, o interne, come quelle dei raccordi e dei dadi.

Filettature metriche, unificate, trapezoidali e per tubi sono solo alcune delle molte forme di fili che possono essere realizzati con un tornio CNC. La macchina è in grado di sincronizzare la velocità di rotazione del mandrino con il movimento dell'utensile, garantendo un passo e una profondità della filettatura precisi.

Il controllo dei parametri di taglio è molto importante nella produzione di filettature, poiché le filettature devono avere tolleranze dimensionali ristrette. La qualità della filettatura è importante per l'assemblaggio, le perdite o i guasti meccanici.

Operazione di scanalatura

La scanalatura è un processo che consiste nel realizzare canali stretti o incavi sulla superficie del pezzo. Le scanalature possono essere esterne o interne, a seconda del progetto del componente. È ampiamente utilizzata per la realizzazione di sedi per anelli di ritegno, scanalature per O-ring, scanalature per anelli elastici e elementi decorativi.

Durante la scanalatura, è particolarmente importante prestare attenzione al controllo dei trucioli a causa della capacità di accumulare trucioli e surriscaldarsi nell'area di taglio ristretta. Le condizioni di taglio stabili sono garantite da una corretta applicazione del refrigerante e dall'ottimizzazione della velocità di taglio.

Le applicazioni che richiedono guarnizioni o elementi di contenimento che si adattino perfettamente alle dimensioni della scanalatura richiedono una scanalatura di precisione.

Operazione di alesaggio

L'alesatura viene utilizzata per allargare e rifinire i fori in modo più preciso rispetto alla foratura. Si tratta di un'operazione in cui un utensile da taglio a punta singola rimuove il materiale dal diametro interno del pezzo.

L'alesaggio aumenta la precisione, la concentricità e la finitura superficiale dei fori. È ampiamente utilizzata nella produzione di cilindri di motori, alloggiamenti di cuscinetti, parti idrauliche e parti meccaniche di alta precisione.

Le barre di alesatura lunghe possono deflettere sotto le forze di taglio e per l'alesatura interna sono necessari utensili stabili e un allineamento preciso. Una deflessione eccessiva può causare fori conici o troppo grandi.

Grazie alla precisione dell'alesatura CNC, è possibile ottenere tolleranze molto strette, adatte ad applicazioni ingegneristiche critiche.

Operazione di perforazione

Sebbene l'operazione principale dei centri di tornitura CNC sia la sagomatura cilindrica, molti di essi possono anche forare. La punta del trapano viene inserita nel pezzo in rotazione per formare dei fori al centro.

I processi di foratura CNC vengono spesso combinati con quelli di tornitura per ridurre al minimo i tempi di attrezzaggio e migliorare l'efficienza produttiva. Oggi, su un moderno centro di tornitura, è possibile eseguire forature di centraggio, forature profonde e forature con diametri diversi in un unico attrezzaggio.

In particolare, durante la perforazione, l'erogazione del refrigerante è fondamentale perché i trucioli devono essere rimossi in modo efficiente dai fori profondi. Se ciò non avviene, la punta può essere danneggiata o può avere un impatto sulla qualità del foro.

Apparecchiature di tornitura CNC

La tornitura CNC viene eseguita utilizzando macchinari speciali dotati di una funzione di asportazione del materiale di precisione. Torni CNC sono le macchine più utilizzate, poiché eseguono automaticamente il taglio rotativo.

I centri di tornitura sono più sofisticati dei tradizionali torni CNC, in quanto offrono una serie di utensili e funzioni di lavorazione aggiuntive. Di solito, queste macchine sono dotate anche di cambi utensili automatici, sistemi di utensili vivi e mandrini secondari che migliorano la produttività.

Un altro tipo fondamentale è il tornio CNC di tipo svizzero. Queste macchine sono utilizzate per produrre piccoli pezzi di alta precisione e con un'elevata accuratezza dimensionale. Sono comuni nell'industria dei dispositivi medici e nell'industria elettronica.

I torni verticali sono adatti alla tornitura di pezzi grandi e pesanti. Il pezzo non viene ruotato orizzontalmente, ma verticalmente, e questo aiuta a mantenere la stabilità dei pezzi di grandi dimensioni.

Parametri di taglio nella tornitura CNC

La qualità e la produttività del processo di tornitura sono fortemente influenzate dai parametri di taglio. I parametri principali sono la velocità del mandrino, l'avanzamento e la profondità di taglio. La velocità del mandrino indica la velocità di rotazione del pezzo (misurata in RPM o piedi di superficie al minuto). Velocità di taglio più elevate producono generalmente una migliore finitura superficiale, ma con un aumento della generazione di calore e dell'usura degli utensili.

L'avanzamento è la velocità di avanzamento dell'utensile da taglio contro il pezzo. Un avanzamento troppo rapido può produrre superfici ruvide, mentre un avanzamento troppo lento può ridurre la produttività. La profondità di taglio è la quantità di materiale rimosso per ogni taglio. Le operazioni di sgrossatura prevedono una profondità di taglio maggiore per rimuovere il materiale a una velocità maggiore, ma anche una profondità di taglio minore per ottenere precisione e scorrevolezza durante le operazioni di finitura.

Questi parametri devono essere adeguatamente controllati per garantire prestazioni di lavorazione efficienti.

Importanza degli utensili nella tornitura CNC

I moderni utensili da taglio sono progettati per essere durevoli, resistere al calore e avere un elevato grado di precisione nel taglio. Gli inserti in carburo sono comunemente utilizzati perché resistono alle alte temperature e mantengono taglienti affilati. Gli utensili in ceramica e nitruro di boro cubico sono utilizzati per la lavorazione di materiali induriti.

Anche la geometria dell'utensile influisce sulle prestazioni della lavorazione. Una configurazione con angoli di spoglia, raggi di punta e rompitruciolo corretti favorisce l'evacuazione dei trucioli e riduce al minimo le forze di taglio.

In un'officina di tornitura CNC automatizzata, un sistema di monitoraggio dell'usura degli utensili sta diventando una soluzione sempre più comune. Questi sistemi possono essere utilizzati per identificare gli utensili usurati non appena compromettono la qualità del prodotto.

Sfide nella tornitura CNC

Sebbene la tornitura a controllo numerico abbia i suoi meriti, ci sono anche una serie di sfide da considerare. Uno dei problemi più frequenti è l'usura degli utensili, soprattutto quando si tagliano materiali duri e si utilizzano condizioni di taglio aggressive.

L'enorme attrito e la deformazione del materiale durante la lavorazione generano un forte calore, che incide direttamente sulla precisione dimensionale. Ad esempio, durante la tornitura di materiali aerospaziali duri come il titanio (Ti-6Al-4V), le temperature localizzate sul tagliente possono superare rapidamente gli 800 °C fino a raggiungere i 1000 °C ^[1]. Tali effetti termici estremi devono essere rigorosamente controllati tramite parametri di taglio ottimizzati e sistemi avanzati di raffreddamento ad alta pressione, al fine di prevenire una rapida usura degli utensili e la deformazione del pezzo.

Anche il controllo dei trucioli è un aspetto critico. Trucioli lunghi o aggrovigliati possono incepparsi nella macchina o causare danni al pezzo da tagliare o all'utensile. Questo problema viene talvolta risolto utilizzando rompitrucioli e sistemi di raffreddamento specializzati.

Le vibrazioni della macchina o il chattering sono indesiderabili perché degradano la superficie e la durata dell'utensile. Ridurre il problema delle vibrazioni aumentando la rigidità della macchina e modificando le condizioni di taglio.

Conoscere la tornitura e la lavorazione CNC

Qual è il rapporto tra tornitura e lavorazione CNC?

I concetti di tornitura CNC e lavorazione meccanica sono strettamente correlati tra loro. La lavorazione meccanica è un termine generico che indica i processi di asportazione di materiale utilizzati per produrre pezzi di varie forme, mentre la tornitura CNC è uno dei principali processi all’interno del più ampio soluzioni personalizzate di lavorazione CNC utilizzato per la produzione di pezzi prevalentemente cilindrici.

Fresatura, foratura, rettifica, lavorazione a scarica elettrica e tornitura sono alcuni dei metodi utilizzati nella lavorazione. I diversi processi hanno funzioni diverse, a seconda della geometria e della funzione del componente.

Poiché molti componenti industriali sono a rotazione simmetrica, l'applicazione della tornitura CNC svolge un ruolo fondamentale nella lavorazione. I processi di tornitura sono utilizzati per realizzare alberi, perni, giunti, valvole e boccole.

Il CNC ha rivoluzionato il mondo della lavorazione convenzionale. Oggi i sistemi CNC vengono utilizzati per aumentare l'efficienza dei processi produttivi, ridurre al minimo il coinvolgimento umano e automatizzare il movimento degli utensili. In questo modo i produttori possono realizzare pezzi complessi in modo più rapido e costante.

Integrazione di tornitura e fresatura

Oggi molti centri di tornitura CNC (Computerized Numerical Control) sono progettati per eseguire operazioni di tornitura e fresatura nella stessa macchina. Questi sistemi multitasking possono eseguire diverse operazioni senza trasferire il pezzo da una macchina all'altra.

La tornitura e la fresatura integrate consentono di fissare il pezzo nella stessa posizione durante le operazioni di tornitura e fresatura, riducendo i tempi di impostazione e migliorando la precisione dimensionale. In questo modo si riducono anche i costi di produzione e si aumenta l'efficienza produttiva.

I sistemi di utensili vivi consentono la rotazione degli utensili da taglio per consentire la fresatura, la foratura e la maschiatura sul centro di tornitura. Ciò è particolarmente utile per i componenti complessi dell'industria aerospaziale e automobilistica.

Automazione della lavorazione CNC

Uno dei progressi più significativi nella tecnologia di tornitura e lavorazione CNC è l'automazione. I sistemi robotizzati e gli alimentatori automatici di barre consentono alle macchine di funzionare senza la necessità di un monitoraggio e di un controllo umano.

I sistemi di automazione migliorano notevolmente la produttività riducendo al minimo i tempi di inattività durante le operazioni di carico e scarico. Secondo alcune analisi di settore, l’integrazione di sistemi di carico robotizzati e alimentatori automatici di barre può aumentare il tasso effettivo di utilizzo del mandrino di una macchina CNC rispetto a un sistema tradizionale 40%-50% a oltre 80% ^[2]. Questo cambiamento non solo ottimizza la produttività, ma migliora anche la sicurezza sul posto di lavoro, riducendo il contatto diretto dell'operatore con le parti mobili della macchina.

Le tecnologie di produzione intelligente ottimizzano ulteriormente il processo di lavorazione CNC. I sensori controllano le prestazioni della macchina, l'usura degli utensili e i parametri di taglio in tempo reale. Questi dati consentono ai produttori di prevedere le esigenze di manutenzione ed evitare fermi macchina indesiderati.

Tornitura e lavorazione CNC di precisione

Una delle caratteristiche distintive della lavorazione CNC è la precisione. La tolleranze Le macchine di tornitura avanzate possono raggiungere precisioni dell'ordine dei micron, il che le rende adatte ai settori che richiedono prestazioni elevate. Per applicazioni critiche nei settori aerospaziale e medico, la tornitura CNC ad alte prestazioni è in grado di garantire in modo affidabile Gradi di tolleranza da IT5 a IT6 sotto il ISO 286-1 standard, mantenendo spesso la precisione dimensionale entro ±0,005 mm (5 micron) ^[3].

La precisione dimensionale è influenzata da vari fattori, quali la rigidità della macchina, la qualità degli utensili da taglio, i parametri di taglio e la stabilità termica. Per garantire la precisione, è fondamentale mantenere la costanza durante la produzione mediante lavorazioni meccaniche di precisione.

Anche una finitura superficiale di qualità è un fattore cruciale. Le finiture fini riducono l'attrito, rendono più gradevole l'estetica e aumentano le prestazioni dei componenti. L'ottimizzazione delle condizioni di taglio e delle operazioni di finitura può portare a finiture estremamente lisce nella tornitura CNC.

Quali sono le tendenze future della tornitura CNC?

Il futuro della tornitura CNC è strettamente legato ai progressi dell'automazione e della produzione digitale. Le tecnologie di intelligenza artificiale e di apprendimento automatico sono sempre più adottate nel campo dei sistemi di lavorazione.

I sistemi di manutenzione predittiva rilevano i potenziali problemi delle macchine prima che si verifichino, interpretando i dati della macchina. In questo modo si riducono i tempi di fermo macchina e si aumenta l'affidabilità della produzione.

Si stanno sviluppando anche sistemi di produzione ibridi, che combinano la produzione additiva con la tornitura CNC. Con questo tipo di sistema si producono parti di forma quasi netta mediante stampa 3D e successiva lavorazione di precisione. La sostenibilità sta emergendo come nuovo obiettivo. Per ridurre al minimo l'impatto ambientale, i produttori intendono utilizzare refrigeranti ecologici, macchine ad alta efficienza energetica e materiali riciclabili.

La tecnologia digital twin continua a rivoluzionare le operazioni di tornitura CNC. Le simulazioni di macchine virtuali aiutano i produttori a ottimizzare i processi di lavorazione prima di realizzare i prodotti.

Conclusione

La precisione, l'efficienza e la versatilità della tornitura CNC ne fanno una parte essenziale dei moderni processi produttivi. Questo processo aiuta i produttori a creare pezzi cilindrici di alta qualità per varie applicazioni, tra cui quelle automobilistiche, aerospaziali, mediche ed elettroniche.

Il processo di tornitura CNC è completato da più processi rigorosamente controllati, che comprendono la selezione del materiale, la scrittura del programma, la tornitura e il controllo della qualità. Sui centri di tornitura avanzati è ora possibile eseguire più operazioni in un'unica configurazione, con conseguente aumento della produttività e della precisione.

L'automazione, le tecnologie di produzione intelligenti e i sistemi di utensili avanzati stanno ulteriormente guidando l'evoluzione della tornitura e della lavorazione CNC. Queste innovazioni consentono ai produttori di produrre componenti in modo più rapido, preciso ed efficiente.

Riferimenti

[1] Ezugwu, E. O. e Wang, Z. M. (1997). Leghe di titanio e loro lavorabilità: una rassegna. Rivista di Tecnologia di Lavorazione dei Materiali, 68(3), 262-274. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(96)00030-1

[2] Federazione Internazionale di Robotica (IFR). (2023). Rapporto World Robotics 2023: I robot industriali si adattano alla produzione automatizzata. https://ifr.org/worldrobotics/

[3] Organizzazione internazionale per la normazione. (2010). ISO 286-1:2010 Specifiche geometriche dei prodotti (GPS) — Sistema di codici ISO per le tolleranze sulle dimensioni lineari — Parte 1: Principi di base relativi a tolleranze, deviazioni e accoppiamenti. https://www.iso.org/standard/42079.html