Diagnosi ed eliminazione della scarsa qualità superficiale durante la lavorazione CNC: usura degli utensili, vibrazioni, colpi del mandrino e ottimizzazione delle modalità di taglio

1. Descrizione del problema e ambito di applicazione

Questo manuale diagnostico è progettato per identificare ed eliminare sistematicamente le cause della scarsa qualità della superficie sulle macchine CNC. La scarsa qualità della superficie si manifesta sotto forma di maggiore rugosità, tracce visibili dell'utensile, ondulazioni, striature o altri difetti che non soddisfano i requisiti tecnici stabiliti.

Il problema può verificarsi su vari tipi di apparecchiature CNC, inclusi centri di fresatura, torni, rettificatrici e macchine multifunzione. Influisce direttamente sulla funzionalità, sulla durabilità e sull'aspetto estetico del prodotto finale, porta ad un aumento del numero di difetti, ulteriori operazioni di prova e significative perdite finanziarie.

Classificazione di gravità:

• Critico: le parti lavorate non soddisfano i requisiti funzionali minimi, il che porta al completo guasto del lotto o al guasto dell'attrezzatura in funzione. Cessazione immediata della produzione.
• Significativo: la qualità della superficie è inferiore al normale, richiede un'ulteriore lavorazione (molatura, lucidatura), che aumenta i tempi e i costi del ciclo. Diminuzione della produttività.
• Minori: piccole deviazioni dalla qualità ideale che non influiscono sulla funzionalità, ma possono essere esteticamente inaccettabili o complicare ulteriori processi.

2. Precauzioni

LA SICUREZZA PRIMA DI TUTTO: prima di iniziare qualsiasi lavoro diagnostico o di riparazione su una macchina CNC, è necessario seguire rigorosamente le procedure di blocco/tagout (LOTO) in conformità con DSTU EN ISO 12100. Ciò impedisce l'avvio non autorizzato dell'apparecchiatura e protegge il personale da lesioni. Utilizzare sempre dispositivi di protezione individuale (DPI) adeguati come occhiali di sicurezza (DSTU EN 166), guanti protettivi (DSTU EN 388), protezioni per l'udito (DSTU EN 352) e indumenti protettivi.

AVVERTENZA ENERGIA IMMAGAZZINATA: i sistemi idraulici, gli attuatori pneumatici, i condensatori e i meccanismi a molla possono contenere quantità significative di energia immagazzinata anche dopo lo spegnimento. Assicurarsi che tutti questi sistemi siano diseccitati o bloccati prima di iniziare il lavoro. Fare attenzione alle superfici calde (area di taglio, motori del mandrino) e ai bordi affilati dell'utensile.

3. Strumenti diagnostici necessari

Per una diagnosi accurata delle cause della scarsa qualità della superficie è necessario il seguente elenco di strumenti specializzati:

4. Lista di controllo della valutazione iniziale

Prima di iniziare una ricerca diagnostica dettagliata, eseguire un'ispezione preliminare e raccogliere informazioni sulle condizioni attuali della macchina e sul processo di lavorazione. Questi dati sono fondamentali per identificare in modo rapido e accurato la causa principale.

5. Algoritmo diagnostico sistematico

Segui questo algoritmo passo dopo passo per identificare sistematicamente la causa principale della scarsa qualità della superficie:

1. Valutazione iniziale della qualità della superficie.
   • Misurare la rugosità con un profilometro (Ra, Rz).
   • Valutare visivamente la natura dei difetti (strisce, ondulazioni, pori).
   • Se la qualità della superficie non soddisfa i requisiti, andare al passaggio 2.
2. Controllo delle condizioni dell'utensile da taglio.
   1. Ispezione visiva dell'utensile:
      • Rimuovere l'utensile dal mandrino.
      • Esaminare attentamente il tagliente utilizzando un microscopio ottico (ingrandimento x50 - x200). Cerca:
      • Usura sulla superficie posteriore (smusso di usura): La larghezza normale dello smusso per un utensile in metallo duro è 0,1-0,3 mm. Se > 0,3 mm l'utensile è usurato.
      • Trucioli: trucioli di bordo piccoli o grandi.
      • Struttura: Adesione del materiale lavorato al tagliente.
      • Segni di surriscaldamento: Scolorimento dell'utensile.
   2. Valutare l'eccentricità dell'utensile:
      • Un'eccentricità eccessiva dell'utensile può ridurre la rigidità e causare vibrazioni. Runout consigliato < 3-5 diametri utensile.
   3. Se si riscontrano segni di usura, scheggiature o escrescenze significative:
      • Probabile causa principale: Usura dell'utensile o selezione non ottimale dell'utensile/della modalità.
      • Vai alla sezione "7. Analisi delle cause principali: usura degli strumenti".
   4. Se lo strumento è OK o la sua sostituzione non ha risolto il problema:
      • Vai al passaggio 3.
3. Diagnostica delle vibrazioni (suono).
   1. Ispezione visivo-acustica:
      • Durante la lavorazione prestare attenzione a rumori insoliti (suono, stridore), valutare visivamente le vibrazioni del pezzo, dell'utensile, del mandrino.
   2. Utilizzo dell'analizzatore di vibrazioni:
      • Installare l'accelerometro dell'analizzatore di vibrazioni il più vicino possibile all'area di taglio (ad esempio, sull'alloggiamento del mandrino o sull'attrezzatura del pezzo da lavorare).
      • Effettuare misurazioni della velocità di vibrazione (mm/s RMS) e dell'accelerazione (g RMS) tra 0 e 5000 Hz.
      • Confronta con le soglie consentite: per un gruppo mandrino, fino a 2,8 mm/s RMS è considerata la norma. Valori compresi tra 2,8 e 4,5 mm/s RMS indicano un'usura moderata o un potenziale problema in via di sviluppo. Letture superiori a 4,5 mm/s RMS sono considerate di emergenza e richiedono un intervento immediato, indicando un'alta probabilità di vibrazioni o usura critica dei cuscinetti.
      • Prestare particolare attenzione all'analisi spettrale per rilevare picchi di vibrazione a frequenze legate alla velocità di rotazione del mandrino, frequenze dei denti dell'utensile, frequenze di risonanza del sistema.
   3. Se viene rilevato un livello elevato di vibrazioni o un caratteristico rumore di chiamata:
      • Probabile causa principale: Vibrazione (rumore di chiamata), rigidità insufficiente del sistema, usura dei cuscinetti.
      • Vai alla sezione "7. Analisi della causa principale: vibrazione (rumore di squillo)".
   4. Se la vibrazione è normale o non risolve il problema:
      • Vai al passaggio 4.
4. Controllo della eccentricità del mandrino e dell'utensile (radiale e assiale).
   1. SICUREZZA: prima di iniziare le misurazioni, assicurarsi che il mandrino sia completamente fermo e il sistema sia bloccato (LOTO).
   2. Per misurare l'eccentricità del mandrino:
      • Posizionare l'IGT sul supporto magnetico in modo che la punta di misurazione tocchi il cono interno del mandrino (senza utensile o mandrino).
      • Ruotare lentamente il mandrino a mano di 360°. Registrare le letture massime e minime.
      • Eccentricità radiale consentita del cono interno del mandrino: non più di 0,005 mm (5 μm) per lavori di precisione, fino a 0,010 mm (10 μm) per lavori generali.
   3. Misurazione della eccentricità del mandrino/mandrino:
      • Installare il mandrino/mandrino nel mandrino. Misurare l'eccentricità della superficie esterna del mandrino/mandrino.
      • Concentricità consentita del mandrino/mandrino: Solitamente fino a 0,010-0,015 mm (10-15 μm).
   4. Per misurare la eccentricità dell'utensile:
      • Installare l'utensile nel mandrino/mandrino. Misurare il colpo della parte lavorante dell'utensile (a una distanza di 1-2 mm dal tagliente).
      • Concentricità utensile tollerabile: fino a 0,015-0,020 mm (15-20 µm) per la maggior parte delle applicazioni. Per lavori di alta precisione, è auspicabile meno di 0,010 mm.
   5. Se il runout supera i valori accettabili:
      • Probabile causa principale: Contaminazione del mandrino, del mandrino, dell'utensile o del cono.
      • Andare alla sezione "7. Analisi della causa principale: runout mandrino/utensile".
   6. Se il battito è normale:
      • Vai al passaggio 5.
5. Valutazione e ottimizzazione delle modalità di taglio.
   1. Confronto con i parametri consigliati:
      • Confrontare le velocità di taglio attuali (Vc), l'avanzamento per dente/giro (Fz/Fn) e la profondità di taglio (ap, ae) con le raccomandazioni del produttore dell'utensile e del materiale del pezzo.
      • Fare riferimento alle schede tecniche o al software per calcolare le modalità ottimali.
   2. Analisi dei trucioli:
      • Valutare la forma, la dimensione e il colore dei trucioli. Un chip ideale dovrebbe essere compatto, omogeneo, senza segni di surriscaldamento.
      • Un truciolo lungo e arricciato può indicare un avanzamento insufficiente o una geometria errata. Fine, polveroso - per usura eccessiva dell'utensile o velocità molto elevata.
   3. Controllo della temperatura:
      • Utilizzare una termocamera per misurare la temperatura nell'area di taglio. Un riscaldamento eccessivo (oltre 200°C sul chip) indica modalità errate.
   4. Se vengono rilevate deviazioni significative dalle modalità ottimali:
      • Probabile causa principale: Modalità di taglio non ottimali.
      • Andare alla sezione "7. Analisi della causa principale: modalità di taglio non ottimali".
   5. Se tutti i controlli precedenti non hanno rivelato problemi evidenti:
      • Considerare altre possibili cause: problemi con la rigidità del pezzo/attrezzatura, qualità del refrigerante, condizione delle guide della macchina, gioco negli azionamenti di avanzamento, difetti del materiale del pezzo. Eseguire la loro diagnostica aggiuntiva.

6. Matrice "Causa-guasto"

Questa matrice fornisce una rapida panoramica dei sintomi comuni, delle loro probabili cause, dei metodi diagnostici e dei risultati attesi.

7. Analisi delle cause profonde di ciascun malfunzionamento

7.1. Usura dell'utensile da taglio

• Perché accade: L'usura dell'utensile è un processo naturale, ma la sua accelerazione può essere causata da diversi fattori: usura abrasiva (inclusioni dure nel materiale del pezzo), usura adesiva (adesione del materiale al bordo), usura per diffusione (interazione di materiali ad alte temperature), usura ossidativa, distruzione termomeccanica (dovuta a carichi termici e meccanici ciclici). La scelta errata del materiale dell'utensile, del suo rivestimento o della geometria per uno specifico materiale del pezzo e delle modalità di taglio accelera significativamente l'usura. Anche una concentrazione insufficiente o un'alimentazione inadeguata del liquido refrigerante contribuiscono al surriscaldamento e all'usura.
• Come confermare: Un'analisi microscopica dettagliata del tagliente dell'utensile rivelerà la natura dell'usura: la larghezza dello smusso di usura (norma: 0,1-0,3 mm, critico: >0,3 mm), la presenza di scheggiature, crepe, escrescenze. Anche un aumento della forza di taglio e della potenza del mandrino sono segni di usura.
• Quali danni provoca se non eliminati: Consumo eccessivo di elettricità, aumento della generazione di calore nella zona di taglio, che può portare alla deformazione del pezzo e a cambiamenti nella sua microstruttura. Un utensile usurato genera maggiori vibrazioni, che accelerano l'usura dei cuscinetti e delle guide del mandrino. In definitiva, ciò porta al guasto dell'utensile, al danneggiamento del pezzo e, in alcuni casi, al danneggiamento del mandrino o del mandrino.

7.2. Vibrazione (squillo)

• Perché accade: le vibrazioni nella lavorazione CNC (in particolare le vibrazioni) sono un fenomeno di autoeccitazione in cui la deformazione causata dal taglio modifica lo spessore del truciolo, che a sua volta provoca ulteriore deformazione. I motivi principali:
• Rigidità insufficiente del sistema: il pezzo, l'utensile, l'attrezzatura, il mandrino, il basamento della macchina possono avere una rigidità insufficiente, che consente loro di oscillare a determinate frequenze (risonanza).
• Squilibrio: le masse rotanti sbilanciate (utensile, mandrino, mandrino) creano forze centrifughe che causano vibrazioni, soprattutto a velocità elevate.
• Disallineamento: installazione imprecisa di parti di azionamento, motori o mandrino.
• Usura dei cuscinetti del mandrino: i cuscinetti usurati o danneggiati perdono rigidità e precisione, consentendo al mandrino di vibrare.
• Modalità di taglio inappropriate: alcune combinazioni di velocità, avanzamento e profondità di taglio possono eccitare le frequenze di risonanza del sistema.
• Come confermarlo: un analizzatore di vibrazioni con analisi di spettro è fondamentale per la diagnosi delle vibrazioni. Permette di identificare le frequenze di vibrazione e le loro ampiezze, indicando la fonte del problema (squilibrio, disallineamento, cuscinetti, risonanza). Anche l'analisi acustica (a orecchio) è il primo segno.
• Quali danni provoca se non affrontato: Usura significativamente accelerata di strumenti e attrezzature. Deterioramento della qualità della superficie, riduzione della precisione dimensionale, aumento del livello di rumore. Può portare all'affaticamento dei materiali nelle parti critiche della macchina, causando guasti costosi e tempi di fermo prolungati.

7.3. Runout del mandrino e dell'utensile (Runout)

• Perché ciò accade: la frustata è una deviazione dall'asse centrale di rotazione.
• Eccentricità del mandrino: la causa principale è l'usura o il danneggiamento dei cuscinetti del mandrino di precisione. Altre cause includono: imbrattamento o danneggiamento del cono della sede del mandrino, montaggio impreciso del gruppo mandrino, deformazione termica del mandrino.
• Battimento dello strumento: può essere causato da:
• Imprecisione o usura del mandrino/mandrino.
• Contaminazione o danneggiamento del gambo dell'utensile o del cono del mandrino.
• Installazione errata dell'utensile nel mandrino (ad esempio serraggio non uniforme delle pinze).
• Deformazione dell'utensile stesso.
• Come confermarlo: Misurare l'eccentricità radiale e assiale utilizzando l'IGT sul cono interno del mandrino, sul mandrino/mandrino e sul corpo dell'utensile è l'unico metodo accurato.
• Quali danni provoca se non eliminati: Spessore irregolare del truciolo, che porta a un carico irregolare sul tagliente, rapida usura dell'utensile su un lato, deterioramento della qualità della superficie (segni di spirale, ondulazione), scarsa precisione delle dimensioni e della forma del pezzo. Porta ad un aumento delle vibrazioni e ad un'usura accelerata dei cuscinetti del mandrino.

7.4. Modalità di taglio non ottimali

• Perché ciò accade: le modalità di taglio (velocità del mandrino, avanzamento, profondità di taglio) devono essere ottimizzate per il materiale specifico del pezzo da lavorare, il materiale dell'utensile, la sua geometria e la rigidità del sistema.
• Velocità di taglio troppo elevata: Porta ad una rapida usura termomeccanica dell'utensile, surriscaldamento della zona di taglio, escrescenze, ustioni.
• Velocità di taglio troppo bassa: può causare l'adesione del materiale all'utensile, un aumento dei tempi di lavorazione, una riduzione della scheggiatura e della qualità della superficie.
• Avanzamento eccessivo: aumenta il carico sull'utensile, può causarne la scheggiatura, la rottura, la vibrazione e l'aumento della ruvidità.
• Avanzamento insufficiente: provoca attrito, surriscaldamento, rapida usura della superficie posteriore, lucidatura anziché taglio, con conseguente deterioramento della qualità della superficie.
• Profondità di taglio troppo grande/piccola: Una profondità di taglio errata può causare vibrazioni o una rimozione inefficiente del materiale.
• Come confermare: Analisi dei trucioli, rumore durante il taglio, temperatura nella zona di taglio e confronto dei parametri attuali con le raccomandazioni del produttore di utensili e le guide specializzate.
• Quali danni provoca se non viene rimosso: Usura e rottura accelerata dell'utensile, bassa produttività, deterioramento significativo della qualità della superficie, surriscaldamento del pezzo, che può portare a deformazioni e cambiamenti nelle proprietà del materiale.

8. Procedure dettagliate per la risoluzione dei problemi

8.1. Eliminazione dell'usura dell'utensile da taglio

1. Sostituzione dell'utensile:
   • Azione: sostituire l'utensile usurato con uno nuovo.
   • Verifica: selezionare un utensile con materiale, rivestimento (ad es. AlTiN per leghe dure, PVD per materiali tenaci) e geometria adeguati che siano ottimali per il materiale da lavorare (secondo ISO 513).
   • Verifica: dopo la sostituzione, controllare la qualità della superficie con un profilometro.
2. Ottimizzazione delle modalità di taglio:
   • Azione: regolare la velocità di taglio (Vc) e l'avanzamento per dente (Fz). Se l'usura è rapida, ridurre la velocità di taglio del 10-20% o aumentare l'avanzamento del 5-10%.
   • Ispezione: eseguire la lavorazione di prova, valutare la qualità della superficie e il carattere del truciolo.
3. Controllo del liquido refrigerante:
   • Azione: controllare la concentrazione dell'emulsione (secondo il rifrattometro, dovrebbe soddisfare le raccomandazioni del produttore, solitamente 5-10%). Controllare la pressione e il flusso del refrigerante, assicurarsi che venga fornito direttamente all'area di taglio.
   • Controlla: sostituisci o aggiungi liquido refrigerante se necessario. Controllare il funzionamento della pompa.

8.2. Eliminazione delle vibrazioni (squillo)

1. SICUREZZA: assicurati di seguire le procedure LOTO prima di eseguire qualsiasi lavoro che richieda l'accesso alle parti mobili della macchina!

2. Aumentare la rigidità del sistema:
   • Azione: verificare l'affidabilità del fissaggio del pezzo. Utilizzare supporti aggiuntivi, morsetti, dispositivi di bloccaggio speciali. Ridurre la sporgenza dell'utensile al minimo possibile (<3-5D). Controllare il montaggio del mandrino/mandrino nel mandrino.
   • Verifica: effettuare misurazioni ripetute delle vibrazioni con un analizzatore di vibrazioni dopo la regolazione.
3. Ottimizzazione delle modalità di taglio:
   • Azione: cambiare gradualmente la velocità di rotazione del mandrino del ±10-20% rispetto a quella attuale. Spesso questo ti permette di uscire dalla risonanza. Ridurre la profondità di taglio (ap) e/o la larghezza di taglio (ae).
   • Verifica: monitoraggio delle vibrazioni e della qualità della superficie.
4. Bilanciamento dinamico:
   • Azione: se la vibrazione è significativa e correlata alla velocità di rotazione, eseguire il bilanciamento dinamico dell'utensile e/o del mandrino.
   • Verifica: Riduzione dell'ampiezza delle vibrazioni.
5. Ispezione e sostituzione dei cuscinetti del mandrino:
   • Azione: Se l'analisi delle vibrazioni mostra segni di usura dei cuscinetti (armoniche, rumori di rotolamento), condurre una diagnosi più dettagliata. Sostituire i cuscinetti del mandrino secondo le raccomandazioni del produttore (ISO P4/ABEC 7).
   • Verifica: misurazione del battito del fuso IGT e vibroanalisi ripetuta.

8.3. Eliminazione del runout del mandrino e dell'utensile

1. SICUREZZA: tutti i lavori di assemblaggio e smontaggio del mandrino richiedono una formazione speciale e il rigoroso rispetto delle norme LOTO.

2. Pulizia dei coni:
   • Azione: pulire accuratamente il cono della sede del mandrino, il gambo dell'utensile e il cono del mandrino/mandrino da trucioli, sporco e grasso. Utilizzare detergenti speciali e salviette prive di pelucchi.
   • Verifica: misurazione ripetuta del battito IHT.
3. Controllo e sostituzione del mandrino/mandrino:
   • Azione: Se la concentricità dell'utensile supera la norma, ma la concentricità del mandrino è normale, il problema potrebbe risiedere nel serraggio o nel mandrino stesso. Se il runout della cartuccia supera 0,010-0,015 mm, sostituirla con una nuova (cartucce ad alta precisione ISO HSK-A63, DIN 69871-AD/B).
   • Verifica: misurazione del runout della nuova cartuccia e dell'utensile.
4. Diagnosi e riparazione del gruppo mandrino:
   • Azione: Se l'eccentricità del cono interno del mandrino supera 0,005 mm, ciò indica un problema con il mandrino. Ciò può essere usura dei cuscinetti, deformazione dell'albero, danni al cono di atterraggio. È necessario un intervento professionale: smantellamento del mandrino, difetti, sostituzione dei cuscinetti o sostituzione completa del mandrino.
   • Verifica: dopo aver riparato o sostituito il mandrino, eseguire un ciclo completo di misurazioni di eccentricità e vibrazioni.

8.4. Ottimizzazione delle modalità di taglio

1. Consultazione sui consigli:
   • Azione: iniziare sempre con le modalità di taglio consigliate dal produttore dell'utensile per il materiale e l'operazione specifici. Consulta i loro manuali o i calcolatori online.
2. Ottimizzazione incrementale:
   • Azione: modifica solo un parametro alla volta per valutarne l'impatto.
   • Se la rugosità è troppo elevata: Aumentare l'avanzamento (F) del 10-20% o diminuire la velocità di taglio (Vc) del 10-20%.
   • Se si osserva una rapida usura o bruciatura dell'utensile: Ridurre la velocità di taglio (Vc) del 10-20% e/o ridurre la profondità di taglio (ap/ae).
   • Se si verificano vibrazioni: Prova a cambiare la velocità del mandrino di ±10%.
   • Verifica: taglio di prova, misurazione della qualità della superficie, analisi del truciolo, monitoraggio del suono del taglio.
3. Utilizzo di sistemi di simulazione e CAM:
   • Azione: i moderni sistemi CAM e i programmi di simulazione possono aiutare a ottimizzare i percorsi utensile e le modalità di taglio prima dell'inizio della lavorazione.

9. Precauzioni

L’implementazione di queste misure preventive ridurrà significativamente la probabilità di problemi di qualità della superficie.

10. Pezzi di ricambio e componenti

I seguenti pezzi di ricambio e componenti devono essere disponibili in magazzino per una rapida risoluzione dei problemi relativi alla qualità della superficie. Tutto quanto sopra può essere trovato nel Catalogo elettronico UNITEC-D.

Per ordinare e visualizzare la gamma in dettaglio, visitare il Catalogo elettronico UNITEC-D.

11. Collegamenti

• DSTU ISO 4287:2018 (ISO 4287:1997; Amd 1:2009, IDT). Caratteristiche geometriche dei prodotti (GPS). Rugosità superficiale. Metodo del profilo. Termini, definizioni e parametri di rugosità.
• DSTU EN ISO 13565-1:2018 (EN ISO 13565-1:1998, IDT). Caratteristiche geometriche dei prodotti (GPS). Rugosità superficiale. Metodo del profilo. Superfici che hanno proprietà funzionali.
• DSTU ISO 10816-3:2004 (ISO 10816-3:1998, IDT). La vibrazione è meccanica. Valutazione delle vibrazioni della macchina in base ai risultati delle misurazioni su parti non rotanti. Parte 3. Macchine industriali con potenza nominale superiore a 15 kW e velocità nominale compresa tra 120 giri al minuto e 15.000 giri al minuto quando funzionano in condizioni di installazione su supporti rigidi o elastici.
• ISO 513:2012. Classificazione e applicazione degli inserti in metallo duro per lavorazione meccanica.
• Manuali di funzionamento e manutenzione (manuali OEM) per una specifica macchina CNC.
• Manuali di manutenzione UNITEC-D correlati (es. "Diagnosi e Manutenzione Cuscinetti di Precisione").