Le parti fresate CNC a parete sottile sono spesso impiegate in alloggiamenti leggeri, componenti robotici, coperture di strumenti, staffe, componenti per l’automazione e parti strutturali di precisione. Contribuiscono a ridurre il peso e il consumo di materiale, ma risultano anche più difficili da lavorare rispetto alle parti massicce standard.
La sfida principale è semplice: le pareti sottili presentano una scarsa rigidità. Durante la lavorazione, la parte può piegarsi o spostarsi sotto l’azione della forza di serraggio, della forza di taglio, delle vibrazioni, del calore o del rilascio delle tensioni residue. Una volta rilasciato il morsetto, la componente potrebbe ritornare alla forma originaria, uscendo così dai limiti di tolleranza.
In molti progetti CNC, le aree a parete sottile si trovano vicino o al di sotto di 1 mm. Queste caratteristiche possono comunque essere realizzabili, ma richiedono un attento esame DFM, un corretto fissaggio, tagli leggeri e una sequenza di lavorazione stabile. Le linee guida generali di progettazione CNC sottolineano inoltre che pareti più sottili riducono la rigidità, aumentano le vibrazioni e abbassano la precisione raggiungibile. [1]
Per ingegneri e acquirenti, il momento migliore per controllare la deformazione delle pareti sottili è prima dell’inizio della produzione. Una piccola modifica del disegno o una regolazione del processo durante la fase DFM può contribuire a ridurre il rischio di scarti, i costi di lavorazione e i ritardi nella consegna.
1. Perché le parti CNC a parete sottile sono difficili da lavorare
Le parti a parete sottile sono difficili perché non possiedono la stessa resistenza delle parti più spesse, rendendole incapaci di sopportare le forze di lavorazione.
1.1 Facile da deformare
Le pareti sottili possono piegarsi sotto l’azione della forza di taglio, della forza di serraggio o del calore. La componente può apparire accettabile mentre è ancora bloccata, ma dopo il rilascio potrebbe riprendere la sua forma originaria, manifestando errori dimensionali.
1.2 Facile da far vibrare
Quando l’utensile, il pezzo da lavorare o la parete sottile non godono di un adeguato supporto, possono verificarsi vibrazioni o chatter. Ciò può compromettere la finitura superficiale, causare segni di utensile, danneggiare i bordi o persino provocare la rottura dell’utensile. Sandvik Coromant evidenzia che le vibrazioni di lavorazione possono essere influenzate dalle condizioni dell’utensile, del portautensile, della macchina, del pezzo e del dispositivo di fissaggio. [2]
1.3 Difficile da fissare
I tradizionali morsetti rigidi o le robuste morsature a vite possono esercitare una pressione eccessiva sulle zone sottili, provocando deformazioni elastiche durante la lavorazione. Al rilascio del morsetto, la parte potrebbe modificare la propria forma.
1.4 Facile da spostare dopo la rimozione del materiale
Quando viene asportata una grande quantità di materiale dal grezzo, possono verificarsi rilasci di tensioni interne. Poiché le pareti residue rimanenti sono più sottili e quindi meno rigide, la componente tende maggiormente a deformarsi o a torcersi. [3]
2. Problemi comuni nei disegni che aumentano il rischio di deformazione
2.1 Lo spessore della parete è troppo ridotto
Una parete inferiore a 1 mm può risultare difficile da lavorare, a seconda del materiale, dell’altezza della parete, della lunghezza non supportata e della tolleranza. Alcune linee guida di progettazione CNC raccomandano circa 0,8 mm come valore minimo comune per le pareti metalliche e circa 1,5 mm per le pareti in plastica, mentre le caratteristiche ancora più sottili dovrebbero essere valutate caso per caso. [1]
2.2 Pareti alte o lunghe non supportate
Una parete può risultare sufficientemente spessa sulla carta, ma se è troppo alta o troppo lunga senza supporto, può comunque vibrare o piegarsi durante la lavorazione.
2.3 Tolleranze strette su aree sottili
Le pareti sottili di solito non riescono a mantenere le stesse tolleranze delle zone spesse e rigide. Se ogni elemento sottile viene specificato con tolleranze strette, i costi di lavorazione e il rischio di scarto aumentano.
2.4 Tasche profonde attorno alle pareti sottili
Cavità profonde e scanalature strette spesso lasciano nervature sottili o pareti laterali. La lunghezza eccessiva dell’utensile e una scarsa evacuazione dei trucioli possono aumentare vibrazioni, calore e pressione sull’utensile.
2.5 Angoli interni vivi
Gli angoli interni vivi richiedono utensili più piccoli oppure l’EDM. Gli utensili piccoli sono meno rigidi e più lenti, il che può aumentare i tempi di lavorazione e il rischio di vibrazioni.
2.6 Finitura superficiale su elementi sottili
Anodizzazione, placcatura, lucidatura, spazzolatura o rivestimenti possono influenzare bordi sottili, fori, filettature e superfici di accoppiamento. Queste aree dovrebbero essere verificate prima della produzione.
3. Come controllare la deformazione delle pareti sottili
Il controllo della deformazione delle pareti sottili dipende principalmente da quattro fattori:
- Migliore fissaggio del pezzo
- Minore forza di taglio
- Sequenza di lavorazione più intelligente
- Migliore controllo della temperatura
3.1 Ottimizzare il fissaggio del pezzo
Il fissaggio del pezzo è uno degli aspetti più importanti nella lavorazione delle pareti sottili. Se il pezzo viene serrato troppo forte o in modo irregolare, potrebbe già risultare deformato prima ancora di iniziare la lavorazione.
Utilizzare una forza di serraggio più bassa e uniforme
La forza di serraggio deve assicurare una tenuta sicura, senza però deformare la parete sottile. Per molti componenti con pareti sottili, persino un adeguato supporto risulta più importante di una forte pressione di serraggio.
Modificare la direzione della forza
Se possibile, evitare di esercitare pressione direttamente sulla parete sottile. Per pezzi circolari con pareti sottili, passare dal serraggio radiale alla pressione assiale può ridurre la distorsione della parete.
Utilizzare ganasce morbide
Le ganasce morbide possono essere lavorate per adattarsi alla forma del pezzo. In questo modo, la forza di serraggio si distribuisce su una superficie di contatto più ampia, riducendo i segni locali di pressione.
Usare dispositivi di fissaggio a vuoto per pezzi piani
Per piastre piane o pannelli sottili, i dispositivi di fissaggio a vuoto possono distribuire la forza di presa in modo più uniforme su tutta la superficie inferiore.
Aggiungere supporti temporanei
Alcuni pezzi necessitano di supporti temporanei durante la lavorazione. Questi possono includere piastre di supporto, supporti sacrificali, linguette di processo, nervature di sostegno o materiale aggiuntivo che verrà poi rimosso.
Utilizzare il riempimento ausiliario per cavità profonde a parete sottile
Per componenti con cavità profonde e pareti sottili, materiali di riempimento temporanei come la cera, un materiale di supporto morbido o altri supporti rimovibili possono talvolta aumentare la rigidità durante la lavorazione. Il metodo di riempimento deve essere scelto in base al materiale, ai requisiti di pulizia e alla finitura superficiale.
Punto di revisione DFM
Prima della lavorazione, chiedersi: come verrà supportato questo componente senza deformare la parete sottile?
3.2 Ridurre la forza di taglio
Le pareti sottili sono facilmente spinte dall’utensile da taglio. Ridurre la forza di taglio è la chiave per mantenere dimensioni stabili.
Utilizzare utensili affilati
Utensili affilati riducono l’attrito e la pressione di taglio. Utensili smussati generano più calore, maggiore forza e maggiori vibrazioni.
Effettuare tagli leggeri
Durante la finitura, ridurre la profondità di passata e la velocità di avanzamento. È preferibile asportare il materiale in diverse passate più leggere piuttosto che rimuovere troppo in una sola passata.
Controllare l’eccentricità dell’utensile
Un utensile lungo tende più facilmente a vibrare. Utilizzare la lunghezza dell’utensile più corta possibile e evitare prolungamenti inutili.
Utilizzare avanzamento e velocità stabili
Una elevata velocità di rotazione del mandrino, associata a una lavorazione leggera, può in molti casi ridurre la pressione sull’utensile. Durante la lavorazione di pareti sottili, vanno evitate variazioni improvvise della velocità di avanzamento o interruzioni del taglio.
Scegliere la giusta direzione di fresatura
La fresatura a salita viene spesso impiegata per migliorare la finitura superficiale e ridurre lo sfregamento, ma la scelta finale dipende dalle condizioni della macchina, dalla stabilità del sistema di fissaggio e dalla geometria del pezzo. Per componenti instabili con pareti sottili, il percorso utensile va esaminato attentamente. [4]
Punto di revisione DFM
Prima della produzione, verificare: la parete sottile può essere lavorata con una bassa forza di taglio e un accesso stabile all’utensile?
3.3 Pianificare la sequenza di lavorazione
La sequenza di lavorazione può determinare se un componente con parete sottile rimane stabile oppure esce dai limiti di tolleranza.
Separare sgrossatura e finitura
Non finire la parete sottile troppo presto. Lavorare prima la parte grezza, lasciare una sovramisura controllata e rifinire successivamente le superfici critiche.
Lasciare un margine aggiuntivo per la finitura
Per molti componenti a parete sottile, è preferibile lasciare una piccola quantità di materiale dopo la sgrossatura e rimuoverla durante la passata finale di finitura. Il valore esatto dello sbavatura deve essere stabilito dal team di lavorazione in base al materiale, alle dimensioni e alla tolleranza.
Macchina passo dopo passo
Evitare di asportare tutto il materiale da un solo lato in una sola volta. Una lavorazione a step consente di mantenere il pezzo più equilibrato.
Rimuovere il materiale in modo simmetrico
Quando possibile, asportare il materiale da entrambi i lati o da aree diverse seguendo una sequenza bilanciata. Ciò aiuta a ridurre lo squilibrio delle sollecitazioni e lo spostamento del pezzo.
Aggiungere il rilascio delle tensioni tra sgrossatura e finitura
Per i componenti con asportazioni di materiale elevate o con tolleranze strette, dopo la sgrossatura si può procedere con un invecchiamento naturale o con un rilascio termico delle tensioni prima della finitura finale. Questo aiuta a liberare le tensioni interne prima della lavorazione di precisione.
Utilizzare linguette temporanee o bordi di processo
Lingue temporanee, bordi di processo o ponti di supporto possono mantenere collegate le zone fragili a parete sottile al pezzo principale durante la lavorazione. Tali elementi possono essere rimossi nell’operazione finale.
Punto di revisione DFM
Prima della lavorazione, chiedersi: quali aree devono rimanere supportate fino all’operazione finale?
3.4 Controllare il calore durante la lavorazione
Il calore può far espandere i metalli sottili durante la lavorazione. Quando il pezzo si raffredda, le dimensioni potrebbero variare.
Utilizzare una quantità sufficiente di refrigerante
Il refrigerante aiuta a ridurre il calore di taglio e a mantenere più stabile l’area di contatto tra utensile e pezzo. Inoltre, facilita la rimozione dei trucioli dalle cavità e dalle scanalature.
Evitare l’accumulo di calore negli angoli
Quando l’utensile resta troppo a lungo in un angolo o in una cavità stretta, il calore e la pressione sull’utensile possono aumentare rapidamente.
Utilizzare percorsi utensile fluidi
Traiettorie adattive o morbide dell’utensile possono contribuire a ridurre i repentini cambiamenti del carico di taglio. Ciò permette di diminuire sia il calore che le vibrazioni.
Lasciare stabilizzare i pezzi prima del controllo finale
Per componenti a parete sottile con tolleranze strette, l’ispezione finale deve essere eseguita dopo che il pezzo ha raggiunto una temperatura stabile.
Punto di revisione DFM
Prima dell’ispezione, verificare: il pezzo necessita di tempo per raffreddarsi e stabilizzarsi prima della misurazione?
4. Consigli progettuali per ridurre il rischio di lavorazione delle pareti sottili
4.1 Aumentare lo spessore della parete ove possibile
Anche un piccolo aumento dello spessore della parete può migliorare la rigidità e ridurre il rischio di lavorazione.
4.2 Aggiungere nervature o rinforzi locali
Rinforzi, bossoli, smussi o zone locali più spesse possono rendere le sezioni sottili più resistenti senza aggiungere troppo peso.
4.3 Evitare tolleranze strette su aree non critiche
Indicare come critiche solo le dimensioni funzionali. Per le aree a parete sottile non critiche, utilizzare tolleranze pratiche.
4.4 Aggiungere raggi interni adeguati
Un raggio interno ragionevole consente l’impiego di utensili più robusti e riduce i tempi di lavorazione.
4.5 Rivedere i requisiti di finitura superficiale
Specificare quali superfici sono di natura estetica, funzionali, mascherate o da ispezionare dopo la finitura.
4.6 Considerare un altro processo se necessario
Se la parete è estremamente sottile o il componente assomiglia più a una struttura lamellare, la fabbricazione della lamiera, la stampatura, l’estrusione o lo stampaggio possono talvolta risultare più adatti rispetto alla lavorazione CNC.
5. Cosa dovrebbero inviare gli ingegneri per ottenere un preventivo CNC relativo a pareti sottili
Per valutare il rischio di pareti sottili prima del preventivo, il fornitore necessita di informazioni complete.
5.1 Informazioni consigliate per la richiesta di offerta
- Disegno 2D con dimensioni critiche
- File CAD 3D, ad esempio STEP, STP, IGS o X_T
- Grado del materiale
- Requisito di finitura superficiale
- Quantità
- Stadio prototipo o produzione
- Superfici critiche per l’assemblaggio
- Aree di parete funzionali
- Rapporto di ispezione obbligatorio
- Tempo di consegna previsto
Se alcune tolleranze sono critiche e altre flessibili, indicarle chiaramente sul disegno 2D. Ciò aiuta il fornitore a concentrare gli sforzi di lavorazione e ispezione nei punti più importanti.
6. Quando richiedere la revisione DFM
È consigliabile richiedere una verifica DFM prima della lavorazione CNC se il tuo componente presenta:
- Spessore della parete vicino o inferiore a 1 mm
- Pareti alte o lunghe non supportate
- Cavità profonde o scanalature strette
- Grandi asportazioni di materiale
- Elevati requisiti di planarità o perpendicolarità
- Fori critici vicini a pareti sottili
- Superfici sottili di natura estetica
- Anodizzazione, placcatura, lucidatura o rivestimento
- Piani di passaggio dal prototipo alla produzione
Una verifica precoce del DFM aiuta a stabilire se il componente debba essere lavorato come progettato, leggermente modificato, supportato con dispositivi di fissaggio speciali oppure realizzato tramite un processo diverso.
7. Come Xu Feng aiuta a esaminare i componenti CNC a parete sottile
Presso Xu Feng, esaminiamo i disegni CNC per pareti sottili prima della produzione, al fine di individuare rischi di deformazione, problematiche relative alle tolleranze, difficoltà di fissaggio e punti di controllo.
La nostra revisione CNC può includere:
- Revisione dello spessore e della struttura della parete
- Verifica dell’accesso alla lavorazione
- Revisione dei rischi legati a serraggio e dispositivi di fissaggio
- Verifica della ragionevolezza delle tolleranze
- Revisione dell’impatto sulla finitura superficiale
- Focus sulle dimensioni critiche e sull’ispezione
- Proposta di processo prototipale o produttivo
Questo aiuta i clienti esteri a trasformare i disegni CNC per pareti sottili in componenti personalizzati realizzabili, garantendo un migliore controllo dei costi e riducendo i rischi di produzione.
Conclusione
La lavorazione CNC di componenti a parete sottile è complessa, poiché il pezzo presenta scarsa rigidità ed è facilmente soggetto a deformazioni. La chiave sta nel ridurre la forza di taglio, ottimizzare il sistema di fissaggio, scaricare le tensioni interne e controllare il calore generato durante la lavorazione.
Il modo migliore per evitare rischi è esaminare il disegno prima della produzione. Verificando tempestivamente lo spessore delle pareti, le tolleranze, l’accesso degli utensili, il metodo di fissaggio, la sequenza di lavorazione e i requisiti di finitura superficiale, gli ingegneri possono migliorare la stabilità del componente e ridurre i problemi di produzione.
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Riferimento
[1] Hubs – Guida alla progettazione per la lavorazione CNC
Hubs spiega che uno spessore ridotto delle pareti diminuisce la rigidità del pezzo, aumenta le vibrazioni durante la lavorazione e riduce la precisione raggiungibile. Fornisce inoltre valori di riferimento comuni per lo spessore delle pareti nei processi CNC, indicando circa 0,8 mm per i metalli e 1,5 mm per le plastiche, sottolineando tuttavia che le pareti sottili vanno valutate caso per caso.
Fonte: https://www.hubs.com/guides/cnc-machining/
[2] Sandvik Coromant – Conoscenze sulle vibrazioni nella fresatura
Sandvik Coromant spiega che le vibrazioni nella fresatura possono essere attribuite a limitazioni relative all’utensile, al portautensile, alla macchina, al pezzo da lavorare e all’attrezzatura di fissaggio. Ciò conferma l’idea che i componenti a parete sottile richiedano una fissazione stabile, un controllo accurato dell’utensile e una verifica delle condizioni di taglio.
Fonte: https://www.sandvik.coromant.com/en-us
[3] JLC CNC – Lavorazione CNC di pareti sottili
JLC CNC descrive la deformazione delle pareti sottili come conseguenza di una ridotta rigidità, del carico applicato dall’utensile, delle sollecitazioni interne del materiale e della forza di serraggio, che diventano significative rispetto alla resistenza della parete alla flessione.
Fonte: https://jlccnc.com/blog/thin-wall-cnc-machining
[4] Sandvik Coromant – Fresatura verso il basso vs. fresatura verso l’alto
Sandvik Coromant illustra la differenza tra fresatura verso il basso e fresatura verso l’alto, inclusa l’interazione delle forze di taglio con il pezzo da lavorare. Questo sostiene la raccomandazione di rivedere la direzione di fresatura in base alla stabilità della fissazione e alla geometria del particolare.
