Più produttività senza chatter

Più produttività senza chatter
Giancarlo Alducci, Iker Mancisidor, Xabier Mendizabal, Jokin Munoa
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Giancarlo Alducci, Iker Mancisidor, Xabier Mendizabal, Jokin Munoa. Più produttività senza
chatter. Macchine Utensili, tecniche nuove, 2016. <hal-01352698>
HAL Id: hal-01352698
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Submitted on 8 Aug 2016
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Più produttività senza chatter
Giancarlo Alducci1, Iker Mancisidor2, Xabier Mendizabal3, Jokin Munoa2
1
2
Soraluce Italia, DanobatGroup, Este, Padova, Italia
IK4-Ideko, DanobatGroup, Elgoibar, Paesi Baschi, Spagna
3
Soraluce, DanobatGroup, Bergara, Paesi Baschi, Spagna
Abstract. In risposta alle criticità dovute alle vibrazioni auto-rigenerative, costituenti uno dei limiti più
importante della produttività dei processi di lavorazione in fresatura, Soraluce ha messo a punto un
sistema in grado di aumentare la rigidità dinamica della macchina utensile, aumentandone, di fatto, la
capacità di taglio (Fig.1).
Le macchine utensili hanno subito una evoluzione
constante nel corso degli ultimi 50 anni alla ricerca di
maggiore qualità e produttività. Ciò ha portato a
miglioramenti evidenti in termini di potenza di taglio
consumata, rigidità statica delle strutture, precisione delle
lavorazioni e livello di automatizzazione delle linee
produttive. Tuttavia, i miglioramenti apportati hanno
forzato l’apparizione di nuovi limiti, come le vibrazioni
durante il processo di lavorazione. Al giorno d’oggi la
comparsa delle vibrazioni è un aspetto che preoccupa
seriamente gli utilizzatori di macchine utensili. Tuttavia, è
necesario distinguere tra vibrazioni forzate, che sono
sempre esistite e che raramente producono problemi
importanti, e vibrazioni auto-rigenerative, più note come
chatter, che costituiscono uno dei limiti più importanti
della produttività dei processi di lavorazione. Già nel 1907
Taylor definì il chatter come “il problema più oscuro e
delicato che si affronta nella lavorazione meccanica” [1].
Dalle sue prime ricerche, l’eliminazione di queste
vibrazioni auto-rigenerative è stata una delle maggiori
preoccupazioni del settore. Tuttavia, nonostante gli sforzi
profusi solo poche innovazioni sono state trasferite in
modo stabile all’industria. Lo sviluppo sperimentato per i
processi di lavorazione anticipano che questo problema
continuerà in futuro, a causa dei miglioramenti dei
materiali degli utensili, della progettazione di pezzi leggeri
eco-efficienti o della evoluzione dei sistemi di guide con
minore frizione alla ricerca di precisione maggiore.
Chatter, questo (s)conosciuto
Le vibrazioni auto-rigenerative tendono ad aumentare
durante il processo di lavorazione a causa della loro natura
instabile. Il processo di taglio esige una rigidità dinamica
minima rispetto al sistema composto da: pezzo da
lavorare, utensili di taglio e struttura della macchina. Nel
caso in cui il sistema sia più flessibile della rigidità
richiesta, il processo risulterà instabile, evidenziando così
un aumento del livello di vibrazioni durante il taglio.
Questa instabilità porta conseguenze molto negative
Figura 1: Sviluppato da Soraluce, Das (acronimo di Dynamics Active Stabilizer) è un sistema robusto
ed económicamente accessibile che fornisce un aumento della rigidità dinámica della macchina.
come, per esempio, la diminuzione della qualità della
superficie lavorata, l’aumento dell’usura degli utensili o la
riduzione di vita degli elementi meccanici della macchina.
Tutto ciò comporta un maggiore costo di energia e di
materiali, oltre a un incremento del costo in termini di
tempi di produzione.
La causa principale del chatter è l’effetto rigenerativo
[2,3]. Questo fenomeno fisico si produce a causa della
superficie generata da un dente viene alterata dalle piccole
vibrazioni subite dall’utensile, creando una ondulazione
non prevista dal punto di vista statico. Lo spessore dei
trucioli che affronta il dente successivo viene ugualmente
alterato dalla vibrazione subita in tale momento, nonché,
nella parte esterna, dalla superficie ondulata lascata dalla
passata precedente. A seconda il divario tra le due passate
successive, lo spessore del truciolo da lavorare potrà
crescere in modo esponenziale (Fig.2).
In questa situazione la crescita dello spessore del truciolo
aumenta la forza di taglio che, a sua volta, incrementa le
vibrazioni, generando così un processo instabile. Si tratta
di un fenomeno complesso che interesserà le
caratteristiche del processo di taglio, per esempio: la
geometria dell’utensile, il materiale dei pezzi, i parametri
di taglio e le proprietà dinamiche del sistema, inclusi la
struttura della macchina, l’utensile e il pezzo. In alcuni
casi, i parametri di controllo dei distinti azionamenti della
macchina potranno influire sulla stabilità del processo di
taglio. Pertanto, si può dire che per una macchina il chatter
cresce ad una serie di condizioni di taglio. Per questo sono
utili i diagrammi di stabilità (noti anche come lobi dei
diagrammi di stabilità) che descrivono la stabilità del
processo secondo le condizioni di taglio differenti [4].
L’ottenimento di questi lobi non è semplice, poiché
richiede la misura sperimentale della rigidità dinámica del
sistema tramite funzioni di risposta in frequenza (FRF),
l’ottenimento della forze specifiche di taglio e
l’implementazione di un modello di stabilità [5,6].
Tipi di chatter
Uno dei fattori importanti per la comparsa del chatter è la
flessibilità dinamica offerta del sistema di lavorazione. Ciò
significa che la mancanza di rigidità di qualsiasi dei
Figura 3: Sono diversi i tipi di chatter che possono attivarsi
nei processi di lavorazione.
Figura 2: La creazione di onde nel processo di fresatura è causa
dell’effetto rigenerativo; attraverso la misurazione della FRF si
può ottenere il diagramma dei lobi di stabilità.
componenti di questo sistema, inclusi la struttura della
macchina, il mandrino, l’utensile con il suo portautensili
[7,8], le attrezzature di ancoraggio [9] o il pezzo stesso
[10], possono essere la causa della comparsa delle
vibrazioni autorigenerative (Fig.3).
Uno dei casi di vibrazioni più distruttive e chiare è quando
proviene dalla struttura della macchina. Ciò succede
soprattutto durante attività di sgrossatura di diverse
applicazioni industriali, come la lavorazione di beni
strumentali, pezzi del settore energetico, aeronautico o
petrolifero. I principali modi di vibrazione in questo caso
sono di un alto spostamento nei due piani di flessione della
Ram (20-100 Hz).
Durante gli ultimi anni, i produttori di macchine utensili
hanno cercato la soluzione di questo tipo di vibrazioni:
un’attività complicata. Infatti si può realizzare una
riprogettazione della macchina alla ricerca dell’aumento di
rigidità dinamica della stessa. Ma questo richiede la
realizzazione di un’analisi modale che mostri i punti più
flessibili e critici nella macchina con l’obiettivo di
realizzarne le modifiche. Tuttavia, i progettisti e i
produttori di macchine utensili si concentrano
sull’aumento della rigidità senza considerare l’effetto
dell’ammortizzazione.
Tra le soluzioni più impiegate per aumentare il margine di
stabilità delle macchine utensili si trova quella di
aggiungere un ammortizzatore passivo sintonizzato alla
struttura [11,12], grazie alla sua semplicità e relativamente
basso costo. Ciononostante l’uso di ammortizzatori passivi
non è fattibile in molti processi di lavorazione dove la
dinamica del sistema può variare durante il processo (ciò
si può verificare nelle macchine dotate di Ram). Gli
attuatori attivi possono superare parte di questi limiti con
la loro capacità di adattarsi a delle condizioni combinate
idrostatiche (Fig.5). Mi riferisco a macchine progettate per
lavorare a diverse velocità e che, normalmente, non
presentano alcun tipo di problema in condizioni di taglio
di acciaio comune (200-300 m/min ndr). Tuttavia, i due
tipi di guide mostrano una zona critica nella velocità di
taglio su materiali con minore lavorabilità, come per
esempio l’acciaio inossidabile e il titanio (80-150 m/ min
ndr). In questi casi, la presenza del chatter è più probabile
e perciò, la profondità di taglio, non può essere elevata e
ciò può limitare la produttività.
Figura 4: Circuito chiuso di funzionamento del DAS.
[13]. Basicamente, questi attuatori producono una forza di
reazione sulla struttura della macchina, controllata
mediante un algoritmo di controllo, creando così un
soluzione meccatronica avanzata (Fig. 4). Tra queste
soluzioni si trovano gli attuatori basati nel movimiento di
una massa inerziale, i quali vengono solitamente collocati
paralleli al flusso della forza della macchina, e per tanto, si
mantiene la rigidità originale della struttura.
L’introduzione degli ammortizzatori attivi per machine
adatte alla sgrossatura è stata studiata da vari ricercatori
negli ultimi anni [14-17]. Tuttavia, fino ad oggi, ricercatori
e produttori incontravano complicanze nel momento di
introdurre questi dispositivi nella macchina, a causa del
loro costo e delle loro dimensioni.
Vibrazioni sotto controllo
Negli ultimi anni Soraluce ha investito molte risorse nella
ricerca di soluzioni per il chatter. Un impegno profuso che
si è recentemente concretizzato nel Das, overo Dynamics
Active Stabilizer. Stiamo parlando di un sistema robusto
ed economicamente accessibile che fornisce un aumento
della rigidità dinamica della macchina, aumentando, di
fatto, la capacità di taglio della stessa, specialmente in
regimi di lavorazione più sfavorevoli. Lo studio di
comparazione dei lobi di stabilità delle differenti guide, ha
dimostrato che il Das fornisce un miglioramento nelle
zone di lavorazione più critiche delle macchine, ottenendo
un comportamento della macchina ottimale. Perciò il
sistema è orientato alle macchine che realizzano
operazioni di sgrossatura di grandi quantità di asportazione
di truciolo o che lavorano materiali con bassa lavorabilità,
dove abitualmente la profondità di taglio deve essere
ridotta.
È stato precedentemente osservato che il diagramma di
stabilità dipende dalla rigidità dinamica. Nel caso di
chatter a causa della flessibilità della struttura, la rigidità
varia a seconda delle guide utilizzate nella macchina.
Tuttavia, benché la rigidità vari, tutte le macchine hanno
un loro range di velocità critica.
Basandosi sulla tecnologia attiva il sistema misura le
vibrazioni esistenti della macchina e le compensa
istantaneamente nella stessa struttura. In questo modo, si
adatta ai possibili cambidinamici che la macchina stessa
può avere in diverse posizioni. Da sottolineare che si tratta
di un sistema completamente integrato, pertanto non
riduce l’area di lavoro della stessa.
In un recente studio appositamente effettuato sono state
compárate macchine con guide lineari a ricircolo di rulli e
Per come pensato e realizzato, questo dispositivo si
propone di risolvere i problemi di chatter strutturali della
Figura 5: Confronto delle risposte in frequenza sperimentali e i lobuli di stabilitá teorici tra macchine con differenti guiade e il
miglioramento ottenuto tramite l’introduzione del DAS.
Figura 6: Misurazioni sperimentali dell’aumento del tasso di
asportazione del materiale ottenuto con il DAS nella fresatrice
FR di Soraluce, con materiale a basso grado di lavorazione.
macchina, pertanto si rivela un sistema molto interessante
per gli utilizzatori che realizzano operazioni di sgrossatura
con elevate quantità di trucioli. Risulta altresì molto utile
in quei casi dove si lavorano dei materiali con bassa
lavorabilità e le velocità di taglio devono essere
conseguentemente diminuite (Fig.6).
A parte la realizzazione di questo sistema, Soraluce ha
inoltre dimostrato la capacità di sviluppare soluzioni
contro il chatter avente origine dalla flessibilità di altri
elementi della lavorazione. In questo modo, durante gli
ultimi anni, ha applicato soluzioni particolari ai differenti
problemi dei propri clienti progettando degli
ammortizzatori (passivi, semiattivi e attivi), utensili
speciali anti-chatter, sistemi di variazione della velocità
automatica.
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