2 - MACHINES & TOOLS FOR HIGH SPEED MILLING

The high speed machines (HSM) are different from thetraditional machine tools in some characteristic elementsthat make them different:- Speed and acceleration of the axes - Tool rotation speed- Stiffness of the structure- Numerical controlHigh speed milling is designed to increase the capacity ofchip removal of the machine tools, while no longerrelying on high removal power at low speed, but on thecapacity of the machine tools to be able to carry outwork passes more and more quickly and with increasedprecision, thanks to the tools which are able to work withhigher cutting speeds.For a traditional machine tool, feed speed values for theaxes of 10-15 metres/min, acceleration of about 1-1.5metre/sec2 and rotation speed for the electrospindle of7,000-10,000 rpm are parameters which are quite accep-table and widespread in the market. However for highspeed machines, we have feed speeds for the axes of30-60 or even 100 metres/min, an acceleration that goesfrom 3-6 metre/sec2 up to 15 metre/sec2 and spindlespeed range that start at 16,000-24,000 and go up to40,000 rpm.In machines for HSM, the increase in the characteristicparameters used to evaluate the work capacity of themachine is 300-400% of that for traditional machinetools.The tools also have particular characteristics that allowconsiderably higher cutting speeds. Taking steel, forexample, thanks to new materials with which the tools,treatment and coatings are produced, the cutting speedhas changed from 100-150 metres/min to 250-300metres/min; or at the same feed speed for teeth have tri-pled.

2 - MACCHINE ED UTENSILIPER ALTA VELOCITÀ

Le macchine per Alta Velocità (HSM) differiscono dalleclassiche macchine utensili per alcuni elementi caratteristiciche le contraddistinguono:- Velocità ed accelerazione degli assi - Velocità di rotazione dell’utensile- Rigidezza della struttura- Controllo numericoLa fresatura ad Alta Velocità (High Speed Milling) si poneinfatti come obbiettivo quello di aumentare la capacità diasportazione di truciolo delle macchine utensili non piùagendo sulla grossa potenza di asportazione alle bassevelocità, ma sulla capacità delle macchine utensili di potereseguire i percorsi di lavorazione sempre più velocementee con precisioni aumentate, grazie ad utensili in grado dilavorare con velocità di taglio più elevate. Se per unamacchina utensile tradizionale valori di velocità di avanza-mento degli assi di 10-15 m/min, accelerazioni dell’ordinedi 1-1,5 m/s2 e velocità di rotazione del mandrino di7.000-10.000 rpm sono parametri del tutto accettabili econdivisi dal mercato, per una macchina ad Alta Velocitàsi parla invece di velocità di avanzamento degli assi di 30-60 o addirittura di 100 m/min, accelerazioni che vanno dai3-6 m/s2 fino ai 15 m/s2 e velocità di rotazione del mandri-no che partendo dai 16.000-24.000 rpm arrivano fino ai40.000 rpm. Nelle macchine per HSM l’incremento deiparametri caratteristici utilizzati per valutare le capacità dilavoro della macchina è del 300-400% rispetto a quellidelle macchine utensili tradizionali. Anche gli utensili hanno caratteristiche particolari permettendodelle velocità di taglio notevolmente più elevate. Se pren-diamo ad esempio gli acciai, grazie ai nuovi materiali concui sono realizzati gli utensili, ai trattamenti e rivestimenti levelocità di taglio sono passate dai 100-150 m/min ai 250-300m/min oppure a parità di velocità gli avanzamenti per dentesono triplicati.

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Breton HSM 25

Fig. 28: La figura fa vedere come le velocità di taglio per levarie classi di materiali stanno evolvendo in funzione dellenuove tipologie di utensili per HSC (High Speed Cutting).

L’aumento notevole della dinamica ha portato di conse-guenza a dimensionare opportunamente la struttura dellamacchina utensile per Alta Velocità. Aumentando le acce-lerazioni, le forze d’inerzia generate dalle masse in movi-mento assumono un ruolo preponderante nel dimensio-namento della macchina, anche rispetto agli sforzi di lavo-razione. Ecco quindi che la macchina per HSM si rivolgead architetture compatte, il più possibile simmetriche, dovegli elementi in movimento siano il minor numero ed i piùleggeri possibile, ma allo stesso tempo sufficientementerigidi per garantire la precisione e la qualità di finiturarichiesta con la massima dinamica. L’incremento di presta-zioni dinamiche ottenibile con architetture di tipo classico,grazie all’impiego di tecnologia più moderna, è dell’ordinedi 2-3 volte, mentre su architetture espressamente con-cepite per Alta Velocità si possono utilizzare parametricinematici fino a dieci volte superiori.

2.1 - Architettura di fresatrici per HSMCome abbiamo detto l’architettura della macchina ha unruolo fondamentale per lo studio della dinamica, per mini-mizzare le forze inerziali e per garantire la precisione e laqualità di finitura del pezzo.Secondo una prima macro classificazione potremo suddi-videre le macchine utensili in due grandi categorie:

- Macchine ad architettura cartesiana- Macchine ad architettura parallela o esapodale

Fig. 28: The figure shows how the cutting speeds for thevarious classes of materials are evolving according to thenew types of tools for high speed cutting (HSC).

The considerable increase in the dynamics has lead to asuitable dimensioning of the structure of the high speedmachine tool. By increasing the acceleration, the forcesof inertia generated by the masses in movement take onan important role in deciding on the dimensions of themachine, also regarding the work forces. Therefore themachine for HSM makes use of a compact architecture,as symmetrical as possible, where the moving parts areas few in number as possible and as light as possible;but at the same time sufficiently rigid to ensure the pre-cision and quality of finish required, with the maximumdynamics. The increase on the dynamic performanceobtainable with traditional architecture, thanks to state-of-the-art technology, is of the order of 2 to 3 times, whileon architecture expressly conceived for high speed, youcan use kinematic parameters up to ten times better.

2.1 - Milling centre architecture for HSMAs we have said, the architecture of the machine has afundamental role in the study of dynamics, to minimisethe inertial forces and to ensure the precision and finalpiece quality.According to a first macro-classification, we could dividemachine tools into two main categories:

- Machines with Cartesian architecture,- Machines with parallel or hexapodal architecture

reinforced Plastics GFK/CFK

non-ferrous Aluminum

ferrous

super alloys

10 100 1000 10000Vc [m/min]

Ni - Base

Steel

Castings

We can say that the first category includes 95-99% ofthe machines present and offered on the market today,while the second represents a recent type of machinearchitecture conceived expressly for some applications inthe field of high speed.Looking only at the machines with Cartesian architecture,we can distinguish within the category various types ofarchitecture, that could be sub-divided in two macro-groups:

- Machines with fixed table- Machines with moving table

These can, in turn, be divided into:- C-shaped structures- T-shaped structures- Upright structures (moving or fixed)- Gantry structure (moving, the whole gantry / only

the cross piece, or fixed)- Box in box structures.

It is obvious that each style of architecture is more suita-ble for a certain type of application or sector of use thanfor others, and that the concepts of high speed millingwith suitable structural dimensioning can be applied to allarchitecture. However, if we wish to make an objectiveevaluation, we must say that the structures that are bestsuited to the high speed concepts are those of the gan-try type with moving bridge for machines with a verticalelectrospindle, and the Box in box style for the machineswith horizontal electrospindle. This is because they havea better structural symmetry both with respect to thework forces and to thermal expansion and greater reduc-tion and constancy of masses in movement, and so better dynamics.

Possiamo dire che la prima categoria costituisce il 95-99%delle macchine oggi presenti e proposte sul mercato,mentre la seconda rappresenta un recente tipo di archi-tettura di macchina concepita espressamente per alcuneapplicazioni nel campo dell’Alta Velocità.Facendo riferimento solo alle macchine ad architetturacartesiana, possiamo distinguere al suo interno varie tipo-logie di architetture che possono ancora essere suddivisein due macro gruppi:

- Macchine a banco fisso - Macchine a banco mobile

Le quali a loro volta possono essere distinte in: - Strutture a C- Strutture a T- Strutture a montante (mobile o fisso)- Strutture a portale (mobile, tutto il portale/ solo la

traversa, o fisso)- Strutture Box in Box

È chiaro che ciascuna architettura si adatta maggiormen-te a certe tipologie di applicazione o settori d’impiegopiuttosto che ad altri e che i concetti dell’Alta Velocitàcon opportuni dimensionamenti strutturali possono essereapplicati a tutte le architetture. Tuttavia volendo fare unavalutazione obbiettiva dobbiamo dire che le strutture chemeglio si adattano ai concetti dell’Alta Velocità sono quellea portale con traversa mobile per le macchine a mandrinoverticale e quelle Box in Box per le macchine a mandrinoorizzontale, in quanto presentano la migliore simmetriastrutturale sia rispetto alle forze di lavoro che alle dilatazionitermiche e la maggiore riduzione e costanza di masse inmovimento, quindi migliore dinamica.

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Z

Y’

X

ZYX

Z’

Y

X’

ZY

XZ

Y

X’

Z

Y

X

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Bisogna considerare che l’architettura della macchinainfluisce oltre che sulle prestazioni specifiche della stessaanche su altri aspetti collaterali,ma non di secondo piano,quali ad esempio l’accessibilità all’area di lavoro e quindisulla facilità di caricamento e piazzamento del pezzo,sulla sicurezza e sull’impatto ambientale. Fattori questiche pur non essendo direttamente legati al risultato dellalavorazione, influiscono direttamente sia sul ciclo produt-tivo che sull’organizzazione dell’officina.

2.2 - Componenti che caratterizzano unamacchina ad Alta Velocità

StrutturaLa struttura delle macchine per lavorazioni ad Alta Velocitàdeve garantire la massima dinamica degli assi unitamentealla rigidezza necessaria per le lavorazioni e ad una notevolecapacità di smorzamento delle vibrazioni.Le strutture mobili devono essere quindi il minor numeropossibile ed al tempo stesso contenute e con azionamen-ti baricentrici. Ecco quindi che la struttura a portale conponte mobile si presenta come una delle strutture più ido-nee, se non la più adatta, per le applicazioni di Alta Velocità.La trave, anche se il carro è tutto ad una estremità, graziealla movimentazione tipo gantry, presenta una spinta per-fettamente bilanciata e le deformazioni a cui è sottopostadurante il movimento o la lavorazione sono inferiori rispettoad una soluzione con trave a sbalzo o a montante mobile.Anche per quanto riguarda l’influenza delle dilatazioni ter-miche sulla precisione del pezzo lavorato la soluzione aportale verticale minimizza l’errore; ad esempio, la dilata-zione in altezza delle spalle viene compensata dalla dilata-zione in senso opposto del canotto.Per combinare rigidezza con pesi contenuti si è semprepiù orientati verso l’impiego di strutture in acciaio elettro-saldato opportunamente centinate.Per il basamento, che oltre ad avere la funzione di soste-gno di tutta la macchine ha anche quella di smorzatoredelle vibrazioni che dall’utensile attraverso la struttura sitrasmettono al pezzo, oggi vengono introdotte soluzioniinnovative come quelle di realizzarlo direttamente in con-glomerato polimerico oppure con struttura combinata incarpenteria di acciaio elettrosaldato riempita di conglome-rato polimerico.Azionamento assi Nel concetto di macchina per lavorazioni ad Alta Velocitàl’azionamento degli assi è un sistema che non può esse-re avulso dal controllo numerico che gestisce la macchina.Vista l’elevata dinamica richiesta alle macchine HSM equindi l’elevata banda passante di tutto il sistema di con-trollo e movimentazione dell’asse, la quantità ed il tipo diinformazioni che devono essere scambiate nella catena dicomando e controllo sono tali per cui è fondamentale chela tecnologia su cui deve essere basato tutto il sistema siaquella digitale.

We should bear in mind that the architecture of themachine not only has an influence on its specific perfor-mance but also on collateral aspects, which are no lessimportant, such as the accessibility of the work area, forexample, and thus the ease of lading and positioning thepiece, on safety and on the impact on the environment.Although these factors do not directly affect the result ofworking, they directly influence the production cycle andthe organisation of the factory.

2.2 - Components that are characteristicof a high speed machine

StructureThe structure of the machine for high speed milling mustensure maximum dynamics of the axes, together withthe stiffness necessary for working, and a considerablecapacity to dampen vibrations.There must be as few moving structures as possible, andat the same time, be compact and with barycentricmechanisms. That is why the gantry structure withmoving bridge is one of the most appropriate structures,if not the most ideal, for high speed applications. The beam gives a perfectly balanced thrust, even if thecarriage is right at one end, thanks to the gantry-typemovement. Also the deformation to which it is subjectduring the movement or working inferior compared to adesign with an overhanging beam or with moving upright.Also with regard to the influence of thermal expansion onthe precision of the milled piece, the vertical gantry desi-gn minimises the error since, for example, the verticalexpansion of the columns is compensated for by theexpansion in the opposite direction of the tailstock.To combine stiffness with a reduced weight, the trendhas been towards the use of structures in electro-weldedsteel, suitably centred.The base, as well as acting as a support for the wholemachine, also has to dampen the vibrations that is retran-smitted from the tool through the structure to the piece.And so there are now available innovative solutions,such as to make the base directly in polymer conglome-rate, or with a combined structure of electro-weldedsteel filled with polymer conglomerate

Axis driveIn the design of machines for high speed milling, the axisdrive is a system that cannot be detached from thenumerical control that controls the machine.Given the high dynamics required by the HSM machines,and the high band-pass of the whole system for control-ling and moving the axis, the quantity and type of infor-mation that must be exchanged in the control and moni-toring chain, it is essential that the technology on whichthe whole system is based is digital.

Fig. 30: Illustration of the chain of control and monitoring of an axis

As you can see from the diagram, in a very short spaceof time (of the order of milliseconds) the amount of datathat must exchanged between CNC, motor drive andtransducers is very high. Only with numerical type infor-mation is it possible to correct in the best way the beha-viour of each component in order to reach peak perfor-mances on the piece being worked.In recent years, a lot of work has been done on theimprovement of the functions of stiffness and rapidity ofresponse of the whole server unit. Digital technology hasallowed us to greatly increase both the quantity and thetype of information transmitted between TNC and drive.Thus we have been able to create control algorithms spe-cifically for high speed in order to increase the band-passof the control system - drive-motor, and to be able to setup through software, correcting networks tailored to thespecific application, in order to be able to ensure maxi-mum continuity of control. Having continuity of control in describing the path meansminimising the accelerations and variations of accelera-tion, and so the oscillations induced on the machine, allof which improves the speed of execution, precision andquality in surface finish of the piece.

ElectrospindleIn high speed milling, the electrospindle have an impor-tant role to play since they are the element that combi-nes high rotation speed, absence of vibrations, sufficienttorque at low revs, great stiffness and thermal stability.In traditional machine tools, the spindle consisted of arotating unit driven by a series of gears with mechanicalchange and powered by a three-phase motor. Such elec-trospindles could supply high torque at low revs, beingable to use all the power of the motor at constant torquecombined with a suitable reduction ratio obtained withthe gears. Their big drawback was not to be able toreach a high number of revs. Their limit was 8000, or amaximum of 10000 revs. At this speed, there were con-siderable problems of heating of the gear unit, and so ofthe whole RAM, with consequent wear of these andthermal drift of the machine.The technological development of components, such as

Fig. 30: Schema della catena di comando e controllo di un asse

Come risulta evidente dallo schema, in tempi molto ridotti(dell’ordine di millisecondi) i dati che devono esserescambiati tra CNC, azionamento motore e trasduttorisono elevatissimi e solo con informazioni di tipo numericoè possibile correggere in modo ottimale il comportamen-to di ciascun componente in modo da raggiungere lemassime performances sul pezzo in lavorazione.In questi ultimi tempi si è lavorato molto anche sulmiglioramento delle funzionalità di rigidezza e rapidità dirisposta di tutto l’asservimento. Grazie alla tecnologiadigitale, che ha permesso di ampliare moltissimo sia laquantità che il tipo di informazioni trasmesse tra CNC edazionamento, si sono potuti realizzare algoritmi di regola-zione specifici per l’Alta Velocità in modo da ampliare labanda passante del sistema controllo-azionamento moto-re e poter impostare via software reti correttrici persona-lizzabili sulla specifica applicazione in modo tale da potergarantire la massima continuità del comando.Avere continuità di comando nella descrizione di unatraiettoria significa minimizzare le accelerazioni e le varia-zioni di accelerazione e quindi le oscillazioni indotte sullamacchina, tutto a vantaggio della velocità di esecuzione,precisione e qualità di finitura superficiale del pezzo.

ElettromandrinoNelle lavorazioni ad Alta Velocità gli elettromandrini svol-gono un ruolo molto importante in quanto sono l’elemen-to che deve riuscire a compendiare elevata velocità dirotazione, assenza di vibrazioni, sufficiente coppia ai bassinumeri di giri, elevata rigidezza e stabilità termica.Nelle macchine utensili tradizionali il mandrino era costi-tuito da un gruppo rotante mosso da una serie di ingra-naggi con cambio meccanico ed azionato da un motoretrifase. Mandrini siffatti potevano fornire elevate coppiedi lavoro a bassi giri, potendo sfruttare tutta la potenzadel motore a coppia costante unita ad un opportuno rap-porto di riduzione ottenuto con il cambio. La loro grandelimitazione era di non poter raggiungere un elevatonumero di giri, il loro limite era di 8.000 massimo 10.000giri, ed a queste velocità presentavano notevoli problemidi riscaldamento del gruppo ingranaggi, quindi di tutto ilRAM con conseguente usura degli stessi e derive termi-

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CNC AzionamentoDrive

MotoreMotor

Organo condottoActuator

Trasd. posizionePosition transd.

Trasd. velocitàSpeed transd.

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che della macchina. Lo sviluppo tecnologico di compo-nenti, quali ad esempio cuscinetti ibridi, motori trifasecon azionamenti vettoriali, sistemi di lubrificazione, ecc...ha permesso agli elettromandrini di svilupparsi notevol-mente e porsi oggi come elemento fondamentale nellemacchine utensili per lavorazioni ad Alta Velocità.Andiamo adesso ad esaminare l’elettromandrino da duepunti di vista: quello prestazionale e quello costruttivo.Dal punto di vista prestazionale l’elemento discriminanteper l’elettromandrino è il grafico di coppia / potenza.

Fig. 31: Curva caratteristica di un elettromandrino

Un elettromandrino per Alta Velocità deve avere una coppiacontinuativa costante sufficientemente elevata, normalmen-te parte da 30-50 Nm per arrivare fino ai 100-150 Nm, davelocità praticamente nulle fino al punto in cui raggiungela potenza costante detto anche Punto Leonard.Questo punto è infatti il punto in cui il motore fornisce lemassime prestazioni in termini di coppia e potenza. Ilpunto Leonard può variare in funzione della costruzionedel motore e quindi delle caratteristiche che deve averel’elettromandrino. Normalmente varia da 1.000-1.500 rpmper elettromandrini che forniscono una elevata coppia aibassi giri, a 4.000-5.000 rpm per elettromandrini chemantengono una coppia costante fino ad elevate velocità.La velocità massima degli elettromandrini per Alta Velocitàva dai 15.000 rpm per arrivare fino a 30.000-40.000 rpmin funzione delle applicazioni. Per dare un’idea dei campid’impiego ottimali degli elettromandrini potremo definirela seguente classificazione.

hybrid bearings, three-phase bearings with vector action,lubrication systems, etc. has allowed electrospindle to benotably developed, and to be considered as one of the fun-damental parts of the machine tool for high speed milling.Let’s move on to consider the electrospindle from twopoints of view: the performance and the construction.From a performance standpoint, the discriminating ele-ment for the electrospindle is the torque/power graph.

Fig. 31: Characteristics curve for a electrospindle

An electrospindle for high speed milling must have a con-stant continuous torque which is sufficiently high, nor-mally starting at 30-50 Nm and going up to 100-150 Nm,with a speed of virtually nothing up to the point where itreaches a constant power, also known as the LeonardPoint.This point is in fact the point where the motor providesmaximum performance in terms of torque and power.The Leonard Point can vary depending on the construc-tion of the motor, and so on the specifications that theelectrospindle must have. Normally, it varies from 1000to 1500 rpm, for electrospindle that provide high torqueat low revs, to 4000 to 5000 rpm for electrospindle thatmaintain a constant torque up to a high speed.The maximum speed of electrospindle for high speedwork varies from 15000 rpm up to 30000 or 40000 rpm,according to the applications. To give an idea of the opti-mal ranges of use of the electrospindle, we could laydown the following classification.

C (Nm) PL P (kW)

S6

S1

S (rpm)

Fig. 32: Application fields of electrospindlesAnother very important factor in defining the electro-spindle is the Service factor, generally indicated with theletter “S” followed by a number, which can be 1,3 or 6.In practice, the service factor shows the type of use forwhich the electrospindle has been designed, thus:S1 = Continuous service, indicates that the electrospind-le can provide the characteristics indicated by the curves,working without interruption 24 hours a day.S3 = 30% intermittent service, indicates that the electro-spindle can provide the characteristics indicated by thecurves, working continuously with a cycle in which theelectrospindle is only used for 30% of the time.S6 = 60% intermittent service, indicates that the electro-spindle can provide the characteristics indicated by thecurves, working continuously with a cycle in which theelectrospindle is only used for 60% of the time.This shows you that when you read the performanceratings for a machine, you have to pay close attention asto how the data is supplied. It is clear that the performan-ce of a service rated S3 will definitely be higher than thatof one rated S1. However it is necessary for the machineto actually work in S3, otherwise the electrospindle willdeteriorate rapidly.From a constructional point of view, we can consider theelectrospindle as constructed of the following units:

- External body- Motor (Rotor-Stator)- Bearings- Tool-holding - release unit - Seals

Fig. 32: Campi di applicazione elettromandriniAltra cosa molto importante nella definizione dell’elettro-mandrino è il Fattore di Servizio indicato generalmentecon la lettera S seguita da un numero che può essere 1,3 o 6. Il fattore di servizio indica praticamente il tipo di utilizzoper cui è stato dimensionato l’elettromandrino, in particolare:S1 = Servizio continuo, indica che l’elettromandrino puòfornire le caratteristiche indicate dalle curve lavorandosenza interruzione ventiquattro ore su ventiquattro.S3 = Servizio intermittente al 30%, indica che l’elettro-mandrino può fornire le caratteristiche indicate dallecurve lavorando continuativamente con un ciclo in cui ilmandrino è impegnato solo per il 30% del tempo.S6 = Servizio intermittente al 60%, indica che l’elettro-mandrino può fornire le caratteristiche indicate dallecurve lavorando continuativamente con un ciclo in cui ilmandrino è impegnato solo per il 60% del tempo.Questo fa capire che quando si leggono le prestazioni diuna macchina, bisogna fare molta attenzione a come idati vengono forniti, perché è chiaro che le prestazioni diun servizio S3 saranno sicuramente superiori a quelle diun servizio S1, però bisogna che la macchina poi lavorirealmente in S3, altrimenti il mandrino si deteriora rapida-mente.Dal punto di vista costruttivo possiamo considerare l’elettro-mandrino costituito fondamentalmente dai seguenti gruppi:

- Corpo esterno- Motore (Rotore-Statore)- Cuscinettamento- Gruppo di bloccaggio-sbloccaggio utensile - Tenute

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Coppia Continuativa Velocità Massima(Nm) (rpm)100 - 150 15.000 - 18.000

30 - 60 20.000 - 30.000

5 - 10 40.000 - 45.000

Applicazione Lavorazioni adAlta VelocitàElettromandrino universale ingrado di eseguire sgrossaturadi potenza su acciaio (profon-dità di passata 3-4 mm) e fini-tura. Ottimo anche per lavora-zioni su tutti gli altri materiali

Elettromandrino per sgrossa-tura con passate ridotte suacciaio (profondità di passata1-2 mm), universale per allu-minio ed altri materiali piùteneri in grado di eseguiresuperfinitura.Elettromandrini specifici peroperazioni di superfinitura,lavorazione di leghe leggere egrafite.

Continuous torque Maximum speed(Nm) (rpm)100 - 150 15.000 - 18.000

30 - 60 20.000 - 30.000

5 - 10 40.000 - 45.000

ApplicationHigh speed workingUniversal electrospindle ableto carry out powered rough-machining on steel (depth ofrun 3-4 mm) and finishing.Also ideal for working on allother materials.electrospindle for rough-machi-ning with limited runs on steel(depth of pass 1-2 mm), univer-sal for aluminium and othersofter materials able to carryout superfinishing.electrospindles specifically forsuperfinishing operations,work on light alloys andgraphite.

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Il corpo esterno costituisce lastruttura portante dell’elettro-mandrino mediante la quale vieneriferito e fissato alla macchina.Al suo interno viene realizzatoil circuito di termostatazioneche serve per mantenere l’elet-tromandrino a temperaturacostante smaltendo il caloreprodotto dal motore e dagli altriorgani in movimento, evitandodilatazioni e variazioni dimensio-nali dello stesso, garantendoquindi una maggiore precisionedurante la lavorazione.Il motore è il componente chedetermina le prestazioni dell’elet-tromandrino. Lo statore vienefissato all’interno del corpo del-l’elettromandrino, mentre ilrotore viene calettato sull’albero.Il gruppo rotore albero è uno deicomponenti più critici da realiz-zare in quanto il collegamentomeccanico tra i due componentideve essere in grado di garantire,con margini di sicurezza elevati,la trasmissione di tutta lapotenza fornita dal motore sul-l’utensile in lavorazione senzapossibilità di slittamento.Al contempo, viste le elevatevelocità di rotazione, deveessere perfettamente equili-brato garantendo l’assenza divibrazioni, che risulterebberodannose per lo stesso elettromandrino, portando i cusci-netti ad un rapido deterioramento, e per la qualità finaledella lavorazione. Nella parte anteriore dell’albero è ricava-ta la sede per l’alloggiamento del cono portautensile.Il cuscinettamento assolve fondamentalmente due compiti:

- garantire l’adeguata velocità di rotazione dell’alberocon la dovuta rigidezza e precisione geometrica.- garantire assenza di giochi e vibrazioni - garantire l’adeguata resistenza agli sforzi di lavorazione.

Nell’applicazioni per Alta Velocità oggi vengono utilizzaticuscinetti ibridi con sfere in ceramica e piste in acciaioper garantire prestazioni di velocità e carico notevolmentesuperiori ad equivalenti cuscinetti di tipo tradizionale.I cuscinetti sono lubrificati a vita con grassi speciali oppurecon nebulizzazione di aria-olio. Il gruppo di bloccaggio-sbloccaggio utensile nella sua semplicità può essere vistocome un’altra macchina all’interno dell’elettromandrino.Solidale in rotazione con il gruppo albero-rotore, ma scorre-vole al suo interno, è costituito nella parte anteriore dallapinza di presa del cono portautensile azionata in chiusurada un gruppo di molle a tazza. Nella parte posteriore pre-senta il cilindro idraulico di sbloccaggio ed il distributorerotante che permette di far passare al suo interno il liquidoper la refrigerazione utensile e l’aria per la pulizia del cono.

The external body consists ofthe support structure of theelectrospindle, to which themachine is fixed. Inside isinstalled the thermostatic con-trol circuit that is used to keepthe electrospindle at a con-stant temperature, by dissipa-ting the heat produced by themotor and by the movingparts, thus avoiding expansionand variations in its dimen-sions, and so ensuring greaterprecision during working.The motor is the componentthat determines the perfor-mance of the electrospindle. The stator is fixed to the insideof the electrospindle body,while the rotor is keyed ontothe shaft. The shaft rotor unitis one of the most critical com-ponents to be built, since themechanical connectionbetween the two componentsmust be able to ensure, withhigh safety margins, the tran-smission of all the power pro-vided by the motor to the toolwhen working, without anychance of it slipping. At thesame time, given the high rota-tion speed, it must be perfectlybalanced, to ensure the absen-ce of vibration, which coulddamage the electrospindle

itself, causing the bearings to wear fast, and to ensurethe final quality of the working. The housing for the tool-support cone is built into the front part of the shaftThe bearing fulfils two functions:

- ensuring the shaft rotates at an adequate speedwith the required stiffness and geometrical precision,and free of play and vibration,- ensuring an adequate resistance to the stresses ofworking.

In high-speed applications today, hybrid bearings areused, with ceramic balls and steel races, to ensureratings for speed and load that are considerably higherthan equivalent bearings of the traditional type. The bea-rings are lubricated for life with special grease, or withair-oil atomisation.The tool locking-unlocking unit, in its simplicity, can beseen as another machine inside the electrospindle. Fixedto rotate with the shaft-rotor unit, but moving inside it, itis fitted in the front of the grippers for holding the tool-support cone, activated for closing by a cup-spring unit.Meanwhile the rear part houses the hydraulic releasecylinder and the rotary distributor, that allows liquid to runinto the interior to cool the tool and the air to clean thecone.

Fig. 33: Spaccato di elettromandrinoCutaway illustration of electrospindle

Tenute frontaliSeals

Tool

intern

al co

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Spind

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entry

Generally in setting up the electrospindle, it is easy toalmost forget the unit of seals, since we primarily consi-der the electro-mechanical design aspects to be moreimportant. The seal unit however, even if it is less impor-tant, is designed to ensure the reliability of the electro-spindle during its operational life. The main causes ofproblems for this component are water and dirt that canpenetrate inside it, both at the front and at the back,through the gaps naturally present between the fixedpart and the rotating part. Each manufacturer has develo-ped its own solutions, but basically there are two con-cepts to consider:

- Centrifugal forces towards the outside of liquids thatcome into contact with the rotating parts,- pressurisation of the inside of the electrospindle sothat there is a continuous flow of air towards the out-side of the unit, and so humid air and any dirt is pre-vented from entering.

Numerical controlHigh speed milling does not only require a fast move-ment of the axes or a faster rotation of the electrospind-le, but also a series of specific software functions andvery fast interchange of data between the various unitsof the numerical control that take part in the running bothof the machine and of the working.Carrying out high-speed work involves, for the numericalcontrol, being able to combine the requirements for pre-cision with that of rapid execution.In traditional programming of a path, the geometric curveof the profile is approximated by linear segments, at theend of each of which the CNC must slow down andchange abruptly the speed and direction of tool move-ment, to stay within the tolerances allowed for the profileto be produced. To do this, the CNC uses inside it somefunctions such as the kV, the gain of the axes, the FeedForward, etc. While the kV and the gain are parametersdefined to optimise the overall characteristics of machineand control, the Feed Forward is a function that triggersdynamically during the execution of the piece.This automatically controls the speed of the axes accor-ding to the path to be followed, making sure that the pro-file produced is always within the required tolerances.As a simple example, we can consider the execution of acorner.

Near the corner, due to the inertiaof the machine and the responsetime of the electronics, without anycontrol, the profile could be thatshown in red, and the error madeon the profile of the piece wouldbe really excessive, even in theorder of some millimetres.The Feed Forward in this case, bychecking the error made in its path,according to the gains and the kV

Generalmente nella impostazione di un elettromandrinosi è quasi portati a dimenticare il gruppo delle tenute, inquanto come primo impatto si dà principalmente impor-tanza agli aspetti di dimensionamento elettro-meccanico.Il gruppo tenute invece, anche se in sordina, è quello cheè preposto a garantire l’affidabilità dell’elettromandrinodurante la sua vita operativa. I nemici principali di questocomponente sono infatti l’acqua e lo sporco che possonopenetrare al suo interno sia dalla parte anteriore che daquella posteriore, attraverso gli interstizi naturalmentepresenti tra parte fissa e parte rotante. Ogni costruttoreha sviluppato delle proprie soluzioni, ma fondamental-mente due sono i concetti da tenere presenti:

- Centrifugazione verso l’esterno dei liquidi che ven-gono in contatto con le parti rotanti.- Pressurizzazione dell’interno dell’elettromandrino inmodo tale che ci sia un continuo flusso di aria versol’esterno del gruppo e quindi si eviti l’ingresso di ariaumida e comunque sporca.

Controllo NumericoLe lavorazioni ad Alta Velocità non esigono solo un piùrapido spostamento degli assi od una più veloce rotazionedel mandrino, ma soprattutto una serie di specifiche fun-zioni software ed un rapidissimo scambio di dati tra levarie unità del controllo numerico che prendono parte allagestione sia della macchina che della lavorazione.Eseguire lavorazioni ad Alta Velocità significa, per il con-trollo numerico, riuscire a combinare le esigenze di preci-sione richieste con quelle di una rapida esecuzione.Nella programmazione tradizionale di una traiettoria, lacurva geometrica del profilo è approssimata da segmentilineari, all’estremità di ciascuno dei quali il CNC deve farrallentare e cambiare bruscamente la velocità e la direzio-ne di movimento dell’utensile per rimanere all’internodella tolleranza assegnata al profilo da eseguire. Per farequesto il CNC utilizza al suo interno alcune funzioni qualiad es. i Kv, i Guadagni degli assi, il Feed Forward ecc...Mentre Kv e Guadagni sono parametri definiti per ottimiz-zare le caratteristiche globali di macchina e controllo, ilFeed Forward invece è una funzione che interviene dina-micamente durante l’esecuzione del pezzo. Questa regolaautomaticamente la velocità degli assi in funzione dellatraiettoria da seguire facendo sì che il profilo eseguitorimanga sempre dentro la tolleranza richiesta.Come semplice esempio possiamo prendere in conside-razione l’esecuzione di uno spigolo.In prossimità dello spigolo a causadell’inerzia della macchina e deitempi di risposta dell’elettronica,senza nessun controllo il profilo per-corso sarebbe quello evidenziato inrosso e l’errore commesso sul pro-filo del pezzo risulterebbe veramen-te eccessivo, anche dell’ordine diqualche millimetro. Il Feed Forwardin questo caso, controllando l’errore

Breton HSM 32

B C

A

Fig. 34: Schema di funzionamentodel Feed ForwardFeed forward operating mode

Breton HSM 33

commesso sulla traiettoria, in funzione dei guadagni e deiKv impostati, calcola la velocità massima ammissibilelungo la traiettoria per far sì che l’errore del profilo rimanganella tolleranza stabilita. In questo caso otterremo il profiloazzurro. Questa funzione è fondamentale nelle operazionidi semifinitura e finitura per garantire la precisione del profilorichiesta, mentre nelle operazioni di sgrossatura può esse-re disattivata per privilegiare la velocità di esecuzione dellalavorazione.L’approssimazione di curve mediante profili discontinuimette in evidenza, oltre alla precisione di esecuzione delprofilo, altri problemi legati alla dinamica della lavorazione.Infatti ogni brusco cambiamento di traiettoria significaanche brusca variazione di velocità e di accelerazione,che si traducono in sollecitazioni della macchina che a lorovolta incidono sia sulla durata degli organi cinematici dellamacchina stessa, sia sulla qualità di finitura del particolare.Per compensare questi fenomeni sui moderni CNC perAlta Velocità è stata introdotta la funzione di Jerk Controlossia di controllo della variazione dell’accelerazione.Questa funzione, durante il cambio di traiettoria, permet-te di ottenere l’applicazione dell’accelerazione non più inmodo repentino, ma graduale. Nella figura successiva siillustrano graficamente i due diversi sistemi di controllo.

Controllo senza Jerk ControlControl without Jerk Control

set, calculates the maximum speed permissible along thepath to ensure that the error on the profile stays withinthe tolerances established. In this case, we would obtainthe profile shown in blue.This function is fundamental in the operations of semifini-shing and finishing to ensure the precision of the requi-red profile, while in rough-machining operations, it can bedeactivated to improve the speed of execution of thework.The approximation of curves through discontinuous profi-les shows up, as well as precision in executing the profi-le, other problems connected with the dynamics ofworking. In fact, any brusque change in the path, alsomeans sharp changes in speed and acceleration, thatleads to stress on the machine, which in turn affects thelifespan of the kinematic parts of the machine itself, andthe finished quality of the part.To compensate for these phenomena, on the modernhigh-speed CNC a function called jerk control has beenintroduced to control the variations in acceleration.This function, during changes in path, allows the accele-ration to be made gradually, instead of suddenly, as itused to be. In the illustration below, the two differentcontrol systems are shown.

Controllo con Jerk ControlControl with Jerk Control

Fig. 35: Confronto tra controllo senza / con Jerk ControlComparison between without / with Jerk Control

Tempo / Time

Accel

erazio

neAc

celera

tion

Veloc

itàFe

edJe

rk

Accel

erazio

neAc

celera

tion

Veloc

itàFe

edJe

rk

Tempo / Time

Tempo / Time

Tempo / Time

Tempo / Time

Tempo / Time

In the finishing operations for sculptured surfaces, it isvery important that the paths generated by the numericalcontrol, in both working directions, are as equal as possi-ble, since otherwise errors can be generated on the profi-le, which are easily visible, even to the naked eye. If a translation of the path in the X-Y plane is generallyhardly noticeable and influential on the finish of thepiece, the same is not true for a translation in the verticalplane. The correct finish of a surface must in fact have aseries of parallel grooves and equal width for both theworking directions. If the settings of the axes are not cor-rect or the paths generated are not equal, you will noticesurfaces that are known as crossed, that in fact derivefrom the different working heights of the tool in adjacentpoints.

If “P” is small compared to D, you can take H = P2/(4*D).With this formula, you can then calculate with a goodapproximation even the error committed in Z.As far as we have said, the generation of continuousruns, equal for adjacent points, is fundamental in thenumerical controls for high-speed milling.To obtain this, according to traditional approximationlogic, we therefore try to get from the CAM the highest

number of points possible that approximate to thecurve. This means that the volume of data that

must be exchanged within the unit that super-vises the control of the machine is enormous,

and whether the CNC has the capacity toexchange data fast or not directly

influences the performance of themachine.

Nell’operazione di finitura di superfici sculturate è moltoimportante che le traiettorie generate dal controllo nume-rico in entrambi i sensi di lavorazione siano il più ugualipossibile perché altrimenti si possono generare errori sulprofilo ben visibili anche all’occhio umano. Se una trasla-zione della traiettoria nel piano X-Y è generalmente pocoavvertibile ed influente per la finitura del pezzo non èaltrettanto vero per una traslazione nel piano verticale. Lafinitura corretta di una superficie deve presentare infattitutta una serie di solchi paralleli e di uguale larghezza perentrambe le direzioni di lavorazione. Se le tarature degliassi non sono corrette o le traiettorie generate non sonouguali si noteranno sulla superficie i cosiddetti incroci chein realtà derivano dalla diversa altezza di lavoro dell’utensi-le in punti adiacenti.

Se P è piccolo rispetto a D, si può considerare H = P2/(4*D).Con questa formula si può quindi calcolare con buonaapprossimazione anche l’errore commesso in Z.Per quanto finora detto, la generazione di traiettorie conti-nue ed uguali per punti adiacenti è fondamentale nei con-trolli numerici per Alta Velocità. Per ottenere questo,secondo la tradizionale logica di approssimazione, sicerca quindi già dal CAM di avere il maggiornumero di punti possibili che approssiminola curva.Questo fa sì che il volume di dati chedeve essere scambiato all’internodelle unità che sovrintendono ilcontrollo della macchina è enor-me e la capacità del CNC discambiare dati più o menovelocemente influisce diretta-mente sulle prestazioni dellamacchina.

Breton HSM 34

P

D

H

PFig. 36: Profondità di passata ed incroci nella finitura

Traiettoria reale / Real pathTraiettoria approssimata dal CNC / CNC approximate pathTolleranza superiore alla traiettoria / Max. path toleranceTolleranza inferiore alla traiettoria / Min. path toleranceErrore cordale / Chordal error

Fig. 36: Depth of run and crosses in finishing

Fig. 37: Approssimazione cordale di una traiettoria Fig. 37: Example of chordal approximation on a path

Breton HSM 35

Al fine di fare una esemplificazione basta pensare che perottenere una buona finitura superficiale, evitare sfaccetta-ture visibili, segni di vibrazione sul pezzo e mantenerequindi un’elevata precisione e finitura del particolare la riso-luzione deve essere molto alta, valori tipici di distanza tradue punti vanno da 2 a 20 µm e quindi il numero di blocchiche il CNC deve eseguire è elevatissimo.Considerando che il tempo minimo per l’esecuzione di unblocco per i moderni CNC si aggira intorno ad 1 ms (unmillisecondo) e che un blocco consiste di circa 250 bit idati che devono essere scambiati all’interno del CNCsono di 250.000 bit/s.Ridurre il carico di lavoro del CNC ed ottenere la miglioreapprossimazione possibile della curva è quindi un obbietti-vo molto importante da raggiungere. Per questo motivoultimamente si sta affermando sempre più nei CNC l’uti-lizzo di funzioni matematiche denominate NURBS (NonUniform Rational B-Spline). Senza entrare nella trattazionerigorosa dell’argomento, ma comunque per capire il loromodo di funzionamento si può dire che data una serie dipunti lungo una traiettoria è definito quindi anche il poligo-no che approssima la traiettoria stessa, la generazionedella NURBS che ricostruisce la curva è legata per ognipunto della spezzata a due parametri fondamentali:il nodo Ki ed il peso Ri. La funzione del nodo è quella diguidare l’interpolazione sulla curva, ovvero gestire inmodo opportuno la distribuzione dei nodi permette unamiglior descrizione della curva, mentre il peso descrivequanto ogni punto e quindi ogni nodo è in grado di attrarrela curva stessa. È facile quindi intuire che algoritmi chedistribuiscano nodi ed attribuiscano pesi in modo opportu-no, riescano a generare una curva continua molto aderen-te a quella reale. Infatti un’importante caratteristica delleNURBS sta proprio nel fatto di riuscire a generare curveche si adattano morbidamente al poligono di controllo.Ne deriva quindi che l’utilizzo di queste curve, generandoprofili continui, limita automaticamente i Jerk e quindi lesollecitazioni sulla macchina migliorando la qualità di fini-tura superficiale del pezzo.Rendere più veloce la macchina nell’esecuzione delletraiettorie, può essere ottenuto, oltre che aumentandonele potenzialità di calcolo, permettendo al controllo numeri-co di lavorare direttamente sulle curve NURBS utilizzatedal CAM per generare le traiettorie di lavorazione.Così facendo è possibile eliminare, per una determinatatolleranza di esecuzione del profilo, un gran numero diblocchi di programmazione CN.Infatti utilizzando direttamente le NURBS, il CNC gestiràuna funzione matematica e non più una serie di segmentipiccolissimi che approssimano la stessa funzione a lorovolta da interpolare. Poiché la tecnologia NURBS si basa su movimenti non lineari, ipercorsi utensili così generati hanno transizioni continue e quindi ilCNC mantiene velocità d’interpolazione, accelerazioni e decelera-zioni significativamente più elevate rispetto al metodo conapprossimazione cordale della traiettoria evitando nel contempoforti variazioni delle forze di taglio e della dinamica dell’utensileche si ripercuotono negativamente sia sulle condizioni di taglioche sulla qualità del pezzo finito.

In order to take an example, it is enough to rememberthat to obtain a good surface finishing, avoid visible face-ting, signs of vibration on the piece, and so keep highprecision and finish of the part, the resolution must bevery high. Typical values for the distance between thetwo points vary from 2 to 20 µm, and so the number ofblocks that the CNC must carry out is very high indeed. Considering that the minimum time to carry out oneblock for modern CNC’s is about 1 ms (one millisecond)and that a block consists of about 250 bits, the data thatmust be exchanged inside the CNC are 250,000 bits/sec.

Reducing the work load on the CNC and obtaining thebest possible approximation of the curve is therefore amost important objective to be reached. For this reason,recently more and more often in the CNC, mathematicalfunctions called NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline)are used. Without going into this too deeply, but just tohelp understand the way it operates, we can say thatgiven a series of points along a path, and thereforehaving defined the polygon that approximates the pathitself, the generation of the NURBS that reconstructs thecurve is joined for each point of the dotted line to two fundamental parameters: the node Ki and the weight Ri.The function of the node is to guide the interpolation onthe curve, or in other words, suitably managing the distri-bution of the nodes allows a better description of thecurve, while the weight describes how much each point,and so each node, is able to pull in the curve itself.It is easy to understand therefore that algorithms thatdistribute nodes, and suitably attribute weights, manageto generate a continuous curve which is very close to thereal one. In fact, an important characteristic of theNURBS is actually the fact that it manages to generatecurves that adapt easily to the control polygon. From thisyou can deduce that the use of these curves, generatingcontinuous profiles, limits automatically the “jerks”, andso the stresses on the machine, improving the quality ofthe surface finishing of the piece.We can make the machine faster in executing paths, aswell as by increasing the calculation power, by allowingthe numerical control to work directly on the NURBS cur-ves used by the CAM to generate work paths. By doingthis, it is possible to eliminate, for a certain executiontolerance of the profile, a good number of NC program-ming blocks. In fact, by using the NURBS directly, the CNC will carryout a mathematical function and no longer a series of verysmall segments that approximate the same function, inturn, to be interpolated.Since NURBS technology is based on non-linear move-ments, the tool paths thus generated have continuoustransitions, and therefore the CNC maintains interpola-tion speed, accelerations and decelerations which aresignificantly higher compared to the method with chordialapproximation of the path, at the same time avoidingstrong variations in the cutting forces and in the dynamicsof the tool that have a negative effect both on the cuttingconditions and on the quality of the finished piece.

Increase in productivity can vary from 20% to 50%.The better the level of quality of the mechanics of themachine, the better is the dimensional precision, geome-try and the surface finishing of the piece.Through NURBS technology, as well as the data of thepath, it is possible to also program the cutting speed andthe electrospindle rotation speed, so as to maintain opti-mum cutting conditions along the path.In the following figure, the operational feed speed withNURBS programming is shown compared to that obtaina-ble with conventional programming. As you can see, theNURBS programming, by generating continuous move-ments, gives rise to optimum cutting conditions and lessdynamic stress on the machine and on the tool, whichmeans better quality of the finished workpiece.

Another very important function of the CNC in executingsculptured surfaces at high speed is the Look Aheadfunction.This allows the numerical control to analyse in advance,with respect to their execution, a certain number of toolpath blocks so as to be able to optimise the execution. Inhigh-speed milling, it is essential that the numerical con-trols have a powerful Look Ahead function, capable ofanalysing several NC blocks, and then manages to under-stand the type of path that the machine must travel andoptimise both the path and the dynamic parameters toensure the required tolerances are met. Today the mostsophisticated controls can have up to 1024 Look Aheadblocks. To take maximum advantage of this potential, it ishowever important that the control also has a high calcu-lation power so as not to slow down the other functionswhich it must supervise.Another very important functions in high-speed working,especially if machines with five continuous axes areused, is TCPM (Tool Centre Point Management).

L’incremento di produttività può variare dal 20% al 50% emigliore è il livello qualitativo della meccanica della mac-china migliore è la precisione dimensionale, geometrica ela finitura superficiale del pezzo.Attraverso la tecnologia NURBS oltre ai dati della traietto-ria è possibile programmare anche la velocità di taglio edi rotazione del mandrino in modo tale da mantenerelungo il percorso condizioni di taglio ottimali. Nella figura seguente viene messa a confronto la velocitàdi avanzamento in lavorazione con programmazioneNURBS rispetto a quella ottenibile con programmazioneconvenzionale. Come si può notare la programmazioneNURBS, generando movimenti continui, dà luogo a condi-zioni di taglio ottimali e minori sollecitazioni dinamichesulla macchina e sull’utensile, che si traducono in unamigliore qualità del pezzo lavorato.

Altra funzione del CNC molto importante nella esecuzio-ne di superfici sculturate ad alta velocità e la funzione diLook Ahead. Questa permette al controllo numerico di analizzare inanticipo, rispetto alla loro esecuzione, un certo numero diblocchi di percorso utensile in modo tale da poterne otti-mizzare l’esecuzione. Nelle lavorazioni ad Alta Velocità èfondamentale che i controlli numerici abbiano una funzio-ne di Look Ahead potente, capace di analizzare moltiblocchi CN e che quindi riescano a capire il tipo di traiet-toria che la macchina dovrà percorrere ed ottimizzare siail percorso che i parametri dinamici per garantire le tolle-ranze richieste. Oggi i controlli più evoluti riescono adavere fino a 1024 blocchi di Look Ahead. Per sfruttare almassimo questa potenzialità è però importante che ilcontrollo abbia anche una elevata potenza di calcolo pernon rallentare le altre funzioni a cui deve sovrintendere.Altra funzione molto importante nelle lavorazioni ad AltaVelocità soprattutto se si utilizzano macchine a cinque assicontinui è quella di TCPM (Tool Center Point Management).

Breton HSM 36

Programmazione convenzionale / Standard programmingProgrammazione NURBS / NURBS programming

AvanzamentoFeed

Blocchi / Blocks CN

Fig. 38: Avanzamento della macchina con i duetipi di programmazione

Fig. 38: Machine feed with the two types of programming

Breton HSM 37

Con questa funzione il controllo numerico riesce a mante-nere il corretto orientamento tra utensile e pezzo anchedurante la rotazione degli assi della testa o della tavola.Grazie a questa funzione è anche possibile impostare emantenere angoli di contato tra utensile e pezzo diversida quello corrispondente alla normale della superficie perottimizzare le condizioni di taglio dell’utensile e quindimigliorare il grado di finitura della lavorazione.Un utensile sferico infatti presenta al suo centro unavelocità di taglio nulla che durante la lavorazione generauno strappo del materiale con conseguente cattiva finituradel pezzo. Mantenere quindi l’utensile non perpendicolarealla superficie, ma inclinato di un certo angolo (5°-10°)permette di evitare la zona di velocità nulla del tagliente equindi avere una migliore finitura del pezzo e una maggiorevelocità di avanzamento.

Fig. 39: Esempio della funzione TCPM

2.3 - Struttura degli utensili per Alta Velocità

Nella presente analisi come utensile consideriamo tuttociò che partendo dal naso mandrino arriva a contatto conil pezzo da lavorare ed esegue l’asportazione del truciolo.In particolare troveremo tre componenti:

- Il portautensile- Il corpo dell’utensile- Il tagliente

Nel caso degli utensili integrali il corpo dell’utensile ed iltagliente saranno un unico pezzo, mentre negli utensilicon inserti riportati il collegamento tra inserto e corpoassume un’importanza fondamentale nelle lavorazioni adAlta Velocità.

With this function, the numerical control can maintain thecorrect orientation between tool and piece, even duringthe rotation of the axes of the head and the table.Thanks to this function, it is also possible to set andmaintain angles of contact between tool and piece diffe-rent from those corresponding to the norm for the surfa-ce, to optimise the cutting conditions for the tool, and soimprove the finishing standard of the work.In fact, at the centre of a spherical tool the cutting speedis zero, and so during work this generates a tearing ofthe material with a resulting poor finishing of the piece.Therefore by keeping the tool off the perpendicular to thesurface, but inclined at a certain angle (5°-10°), you canavoid the zone of zero cutting speed, and so have a bet-ter finishing for the piece and a higher feed.

Fig. 39: Example of the TCPM function

2.3 - Structure of tools for high speed milling

In this analysis, we are considering the whole tool, whichstarting from the spindle nose, comes into contact withthe piece to be worked and removes the chip.We will find three components:

- The tool holder,- The body of the tool,- The cutting edge

In the case of integral tools, the body of the tool and thecutting edge are all one piece, while with tools that takean insert, the connection between insert and body has afundamental importance for high-speed milling.

15°

Superficie normaleSuperficie normaleUtensile normalealla superficeTool perpendicularto the surface

Utensile sfasatorispetto alla normaleTool angled tothe normal

The tool-holderThe tool holder is the element which has the job of ensu-ring maximum stability, stiffness and precision for theconnection between the body of the tool and the electro-spindle, that is the machine tool. The tool holder canbasically be divided into two parts:

- the connector to the electrospindle,- the gripper for the tool.

In traditional machines, the most commonly used con-nector is the ISO type, which basically consists of a flan-ged cone with the hold at the bottom end.

Fig. 40: Illustration of ISO type tool-holder

The fixing of this type of connector inside the electro-spindle nose is carried out by a gripper that pulls the tool-holder inside a female cone made inside the end of theshaft of the electrospindle. The reference and locking ofthis cone is achieved on two cone sectors, one at thefront end and one at the back end. The main limitations of this type of connector are the fol-lowing:

- Difficulty in positioning of the tool holder in thesame place, due to the fact that the reference point ismade between two conical surfaces.- Poor stiffness of connection, since it relies only on thefriction of connection between the two cones and onthe geometrical constructional precision of the parts.- At high rotation speeds, the gripper tends to slackendue to the centrifugal force, and so lose even moreconnection stiffness.- Insufficient geometrical connection precision forhigh speed rotation.- Tendency by the tool holder to wedge itself insidethe housing, making it impossible to remove in theautomatic tool-changing phase.

With the introduction of machine for high-speed milling, anew type of connector has been produced, the HSK,designed especially for high-speed work, to ensure maxi-mum geometrical precision for the connection, maximumstiffness and stability at high speeds, and the tool-holderno longer becoming stuck inside its housing.

Il PortautensileIl portautensile è l’elemento che nella catena ha il compi-to di assicurare la massima stabilità, rigidezza e precisio-ne di collegamento tra il corpo dell’utensile ed il mandri-no, cioè la macchina utensile. Il portautensile può esseredistinto fondamentalmente in due parti:

- l’attacco al mandrino- la presa dell’utensile

Nelle macchine tradizionali l’attacco più diffuso è l’attaccodi tipo ISO costituito fondamentalmente da un cono flan-giato con all’estremità posteriore un codolo di presa.

Fig. 40: Schema portautensile tipo ISO

Il fissaggio di questo tipo di attacco all’interno del nasomandrino viene effettuato da una pinza di presa che tira ilportautensile dentro un cono femmina realizzato dentrol’estremità dell’albero del mandrino. Il riferimento e bloc-caggio di questo cono viene ottenuto su due settori dicono uno all’estremità anteriore ed uno all’estremitàposteriore.I limiti principali di questo tipo di attacco sono i seguenti:

- Scarsa ripetibilità del posizionamento del portauten-sile nella sede dovuta al fatto che il riferimento è rea-lizzato tra due superfici coniche.- Scarsa rigidezza di collegamento perché affidata uni-camente all’attrito di collegamento tra i due coni edalla precisione geometrica di costruzione delle parti- Alle alte velocità di rotazione la pinza di presa perforza centrifuga tende ad allentarsi e quindi a far per-dere ancor più rigidezza al collegamento.- Non sufficiente precisione geometrica di collega-mento per la rotazione alle alte velocità.- Tendenza del portautensile ad incunearsi all’internodella sede con impossibilità di estrazione in fase dicambio utensile automatico.

Con l’avvento delle macchine per lavorazioni ad AltaVelocità è stato introdotto un nuovo tipo di attacco, HSK,studiato appositamente per garantire nelle lavorazioni adAlta Velocità la massima precisione geometrica di collega-mento, la massima rigidezza e stabilità alle alte velocità,l’assenza di incuneamenti del portautensile nella suasede.

Breton HSM 38

Breton HSM 39

Fig. 41: Schema portautensile tipo HSK

Come possiamo vedere l’attacco tipo HSK a differenzadell’ISO fa riferimento con la sua sede su un piano fron-tale che garantisce un’ottima rigidezza ai momenti ribal-tanti generati dalla forze di taglio, si centra su un riferi-mento cilindrico alla base del piano di appoggio, il chegarantisce un’ottima precisione geometrica nell’accoppia-mento, la pinza di presa agisce ad espansione all’internodel cono nella sua parte finale facendola deformare fino aportarla in contatto con la sede e garantendo la necessa-ria coppia di attrito. La pinza di presa agendo ad espansio-ne, in lavorazione, grazie alla forza centrifuga che si svilup-pa, tende ancor più ad espandersi e quindi ad aumentareil serraggio del portautensile nella sua sede, contrariamen-te a quanto succede con l’attacco tipo ISO.Oggi attacchi HSK di precisione possono garantire delleeccentricità di rotazione dell’utensile rispetto alla sua sededi 3 µm per una lunghezza di tre-cinque volte il diametrodell’utensile.Per capire la differenza sostanziale tra i due tipi di attacchiad Alta Velocità dalla seguente tabella possiamo confronta-re la percentuale di contatto tra cono e sua sede alle diffe-renti velocità di rotazione tra un cono ISO ed uno HSK.

Fig. 42: Confronto di percentuale di contatto tra cono ISO ed HSK

Fig. 41: Diagram of HSK type tool-holder

As you can see, the HSK type connector is different fromthe ISO in that it takes as a reference its housing on thefront surface, which ensures optimum stiffness to the til-ting moments generated by the cutting forces, centresitself on a reference cylinder at the base of the supportsurface. This ensures optimum geometrical precisionwhen coupling, the gripper acts by expanding inside thecone at the end part, changing its shape so as to bring itinto contact with the seating, and ensuring the necessaryfrictional torque. The gripper working by expansion,during machining, due to centrifugal force that develops,tends to expand even more, and so to increase the tight-ness of the tool-holder in its housing, as opposed towhat happens with the ISO type connector.Today, the precision HSK can guarantee a rotation eccen-tricity for the tool with respect to its seating of 3 µm fora length of three to five times the diameter of the tool.To illustrate the substantial difference between the twotypes of high-speed connector, in the following table, youcan compare the percentage of contact between coneand seating for the different rotation speeds, of the ISOcone and the HSK.

Fig. 42: Comparison by percentage of contactbetween the ISO and HSK cones

Rotazione Mandrino Attacco ISO 40 Attacco HSK 50Aelectrospindle rotation ISO 40 taper HSK 50A taper

0 100 10020.000 100 9525.000 37 9130.000 31 8335.000 26 7240.000 26 67

When working at high speed, the work requires rotationspeeds for the tool that may vary from a minimum of15,000 rpm to speeds of up to 40,000 rpm. It is obvious that, under these conditions, the balance ofthe tool - tool-holding unit is important in order to obtainan optimum quality in the final working. It is necessary to note that in order not to damage thedelicate parts of the machine, such as the electrospindlefor example, it is best to have balanced tools right from

the start at 8,000 rpm. To understand this phenomenonbetter, let us analyse the conceptof unbalance, which is the condi-tion that occurs when the axis of arotating mass does not coincidewith the axis of rotation for themass itself. If we refer to the figu-re, we can see three types ofunbalance:- static (or in a single plane): whenthe axis of the mass does not coin-cide with axis or rotation, but it isparallel to it - coupled: when the axis of themass does not coincide with axisof rotation, but intersects it throughthe centre of gravity of the rotor.- dynamic (or in two planes): whenthe axis of the mass does not coin-cide with the axis of rotation, it isnot parallel to it and intersects itaway from the centre of gravity ofthe rotor.Dynamic unbalance is a combina-tion of static unbalance and cou-pled unbalance, and is present inpractically all rotating masses invol-ved in mechanical working.Residual unbalance of a rotatingmass, “U”, is calculated with theformula: U = m r, where “m” is themass (expressed in grams) and “r”is the radius of the piece to bebalanced (expressed in mm).Every situation of unbalance produ-ces a centrifugal force “F”, deter-mined by F = U ω2 where “ω” isthe angular speed (expressed inradians per second).The formula is ω = (2 π n)/60So, combining the two formulas,the centrifugal force becomes:F = m r (2 π n)2

3600

Parlando di lavorazioni ad Alta Velocità si parla di lavorazioninelle quali il regime di rotazione dell’utensile può variareminimo dai 15.000 giri fino ad arrivare ai 40.000 giri.È evidente, in queste condizioni operative, l’importanzadell’equilibratura del gruppo utensile-portautensile perottenere un’ottima qualità della lavorazione finale.Occorre notare che per non danneggiare organi dellamacchina delicati, qual è ad esempio l’elettromandrino, èimportante avere utensili equilibrati già a partire dagli8.000 giri. Per capire meglio il fenomeno par-tiamo con l’analizzare il concetto disquilibratura che è la condizione chesi verifica quando l’asse della massarotante non coincide con l’asse dirotazione della massa stessa. Conriferimento alla figura si possonoindividuare tre tipi di squilibratura:- statica (o di singolo piano), quandol’asse della massa non coincide conl’asse di rotazione, ma è ad essoparallelo.- in coppia, quando l’asse dellamassa non coincide con l’asse dirotazione, ma lo interseca in corri-spondenza del centro di gravità delrotore- dinamica (o a due piani), quandol’asse della massa non coincide conl’asse di rotazione, non è ad essoparallelo e lo interseca al di fuori delcentro di gravità del rotore.La squilibratura dinamica è una com-binazione di squilibratura statica e incoppia ed è presente praticamentein tutte le masse rotanti coinvoltenelle lavorazioni meccaniche.Lo squilibrio residuo di una massarotante “U” viene calcolato con laformula: U = m r dove m è lamassa (espressa in grammi) e r è ilraggio del pezzo da equilibrare(espresso in mm).Ogni situazione di squilibratura pro-duce una forza centrifuga F, deter-minata come: F = U ω2 dove ωè lavelocità angolare (espressa inradianti per secondo).La formula di ω = (2 π n)/60Combinando le due formule, la forzacentrifuga diventa:F = m r (2 π n)2

3600

Breton HSM 40

Squilibratura statica / Static unbalance

Squilibratura dinamica / Dynamic unbalance

Squilibratura in coppia / Coupled unbalance

M

ω

Ds

em

r

Fig. 43: Possibilità di squilibraturaPossibility of unbalance

Fig. 44: Schema di rotore squilibratoScheme of an unbalanced rotor

M = Massa motore / Motor massS = Centro della massa (M + m)Centre mass (M + m)e = Spostamento del centro della massaCentre mass dispacementr = Distanza dal centro geometrico alcentro della massa “m”Distance between the geometrical centre and the centre mass “m”ω = Velocità angolare / Angular speedm = Squilibratura della massaUnbalance massF = Forza centrifuga / Centrifugal forceD = Centro geometrico / Geometrical centre

Breton HSM 41

Si può vedere che aumentando la velocità di rotazione n,la forza centrifuga F dovuta alla squilibratura non aumentalinearmente, ma in proporzione quadratica.Se fino ad una velocità di 8.000 giri/min è sufficiente unbuon mandrino equilibrato dal costruttore in classe G 2.5,oltre gli 8.000 giri/min l’equilibratura dinamica diventaimportantissima, infatti un’equilibratura inadeguata puòprovocare:- danni nel pezzo in lavorazione, per effetto delle vibrazio-ni dell’utensile. Ne derivano una scarsa finitura superficia-le e precisione dimensionale.- danneggiamento dei cuscinetti del mandrino che avran-no un’usura molto precoce con conseguenti frequentiarresti macchina.- riduzione della vita del tagliente fino al 50%Nelle lavorazioni ad Alta Velocità l’errore di concentricità del-l’utensile è particolarmente critico, rilevato in prossimità deltagliente questo non dovrebbe superare i 10 µm, infattiempiricamente si verifica che per ogni 10 µm di eccentricitàsi riduce la durata del tagliente del 50%, oltre naturalmenteai problemi indotti sulla qualità di finitura del pezzo.Le classi di equilibratura sono standardizzate ed il metododi calcolo è riportato nella norma ISO 1940 della quale diseguito riportiamo un breve esempio. La classe di equili-bratura è indicata con la lettera “G” seguita da un nume-ro, ad esempio 2.5 che indica il valore di squilibrio resi-duo ad una velocità stabilita.Dalla norma ISO 1940, in funzione del tipo di lavorazionee dei parametri di taglio si individua la relativa classe diequilibratura.Per lavorazioni meccaniche ad alte velocità la classe diequilibratura è G 2.5.G è il prodotto dello sbilanciamento specifico “e” per lavelocità di rotazione angolare w, quindi:G = e xω (espresso in mm/sec)dato che: e = U/M G = U ω

Me dato che: ω = 2 π n G = U (2 π n)

60 M 60risolvendo per U e svolgendo i calcoli: U = 9,5 M G

NU è lo squilibrio residuo (espresso in gmm)Proponiamo un calcolo dello squilibrio residuo di un por-tautensili di 3 kg che lavora a 25.000 giri/minconsiderando due diverse classi di equilibratura G 2.5 e G 1:U = 9,5 x3000 gr x 2,5 mm/sec = 2,85 gmm

25000U = 9,5 x 3000 gr x 1 mm/sec = 1,14 gmm

25000

You can see that increasing the rotation speed “n”, thecentrifugal force “F” due to the unbalance does notincrease linearly, but in quadratic proportion.If, at a speed of 8,000 rpm, it is sufficient to have a goodbalanced electrospindle from the manufacturer in class G2.5, over 8,000 rpm the dynamic balance becomes veryimportant indeed. In fact, an inadequate balance cancause:- damage to the piece being worked, due to the effect ofthe tool vibrating. From this arises poor surface finish anddimensional precision;- damage to the electrospindle bearings, which wouldsuffer greater wear with frequent machine stoppages;- reduction in the life of the cutting edge by up to 50%.In high-speed working, the concentricity of the tool isparticularly critical. It is measured near the cutting edge,and should not exceed 10 µm. In fact, empirically it hasbeen shown that for each 10 µm of eccentricity, the life-span of the cutting edge is reduced by 50%, as well ascausing problems with the quality of finish of the piece,of course.The classes of balancing are standardised, and the calcu-lation method is shown in standard ISO 1940, fromwhich we show a brief example. The balance class isindicated with the letter “G”, followed by a number, forexample 2.5, which shows the value of residual balanceat an established speed. From the ISO standard 1940, depending on the type ofworking and on the cutting parameters, you identify therelevant balance class. For high-speed mechanical working, the balance class isG 2.5.G is the product of specific unbalance “e” for the angularrotation speed w, therefore:G = e x ω (expressed in mm/sec)given that: e = U/M G = U ω

Mand given: ω = 2 π n G = U (2 π n)

60 M 60resolving for U and calculating: U = 9,5 M G

NU is the residual unbalance (expressed in gmm)Let us now take a calculation of the residual unbalance ofa tool-holder of 3 kg that works at 25,000 rpm.considering two different classes of balancing, G 2.5 and G 1:U = 9.5 x3000 gm x 2.5 mm/sec = 2.85 gmm

25000U = 9.5 x 3000 gm x 1 mm/sec = 1.14 gmm

25000

Le possibili cause che possonogenerare lo squilibrio del gruppoportautensile utensile possonoessere ricondotte a: a) cause geometrico costruttive eli-minabili già in fase di costruzionedel portautensili con un’adeguatabilanciatura dello stesso come: - la posizione asimmetrica delle sca-nalature usate per il cambio auto-matico (portautensili DIN o CAT)- le viti di bloccaggio nei portau-tensili Weldon- la scanalatura a V non rettificatadella flangiab) cause più operative o costrutti-ve ma difficili da controllare e daeliminare, come:- la non perfetta posizione dellapinza e della sua ghiera di bloccag-gio nella sua sede- non perfetto centraggio dell’utensile con il portautensile- il codolo dell’utensile (Weldon o Whistle Notch)- la lunghezza e profondità diverse della scanalatura del-l’elica- le forme asimmetriche per particolari esigenze di lavora-zione (tipo barre di alesatura).Per eliminare il più possibile questi ultimi problemi,soprattutto nelle operazioni di finitura, occorre utilizzareportautensili simmetrici e di precisione. Tra tutti quelli chegarantiscono il miglior risultato sono quelli con caletta-mento dell’utensile a caldo. Negli altri casi per ottenere lamassima compensazione dello squilibrio si possono utiliz-zare portautensili bilanciabili. Questi portautensili hanno lapossibilità di poter eseguire al loro interno uno sposta-mento di masse in modo tale da riportare entro il valoredesiderato lo squilibrio del gruppo utensile-portautensile. I fattori discriminanti nella scelta di un portautensile bilan-ciabile sono:- alta qualità del materiale e massima precisione dicostruzione- un basso valore di sbilanciamento residuo dato dall’a-zienda costruttrice- l’esistenza di due piani di equilibratura (necessari perportautensili con L>100 mm o >2D, oppure con velocitàdi rotazione oltre 15.000-20.000 giri/min)- la precisione della scala graduata delle ghiere e la lorocorrispondenza alla realtà- un sistema di bloccaggio delle ghiere che assicuri lamassima stabilità- un sistema che impedisca alle ghiere di deformarsi pereffetto della forza centrifuga.

The possible causes of unbalancein the tool-holder - tool unit can betraced to the following:a) constructive geometrical factorsthat can be eliminated in the con-struction phase of the tool-holder byadequately balancing it, thus:- the asymmetric position of thegrooves used for the automaticchange (DIN or CAT tool-holders), - the locking screws in theWeldon tool-holders,- the non-machined V-shapedgrooves of the flange,b) causes which are more opera-tional or constructional, but diffi-cult to check and to eliminate,such as: - the imperfect positioning of thegripper and its lock nut in its posi-tion,

- the tool is not perfectly centred with the tool-holder,- the chuck for the tool (Weldon or Whistle Notch),- the length and depth different from the groove ofthe spiral- the asymmetric shapes for special working require-ments (boring bar type).

To eliminate these latter problems as much as possible,above all in the finishing operations, it is necessary touse symmetrical and precision tool-holders. Among allthose which ensure the best results are those with hotkeying of the tool. In other cases, to obtain the maximumcompensation for unbalance, you can use tool-holdersthat can be balanced up. These tool-holders have theoption of being able to move weight inside them so as torestore the value of the unbalance of the tool - tool-hol-der unit to that required.The discriminating factors in choosing a tool-holder thatcan be balanced are:- high quality of material and precision of construction,- a low value for the residual unbalance given by themanufacturers,- the existence of two balancing planes (necessary fortool-holders with L >100 mm or >2D, or with rotationvelocity over 15,000-20,000 rpm),- the precision of the graduated scale of the ferrules andtheir correspondence to reality- a system of locking of the ferrules that ensure maxi-mum stability,- a system that prevents the ferrules from becomingdeformed due to the centrifugal forces.

Breton HSM 42

Fig. 45: Classi di equilibraturaClasses of balancing

N in giri/min (rpm)

ein g

x mm

/kg o

eccen

tr. in

µm

250

100

50

20

10

5421

0,5

0,20,1

1500 2000 3000 5000 7000 10000 15000 30000

G40

G40

G40

G40

G40

G40

Breton HSM 43

Può essere utile a questo punto dare un breve cennosulle macchine equilibratrici che si possono trovare sulmercato.Possiamo suddividerle fondamentalmente in due categorie:1) macchine a piano singolo, che permettono solo la misu-razione e la correzione della squilibratura statica, lasciandoinalterato o creando una squilibratura in coppia2) macchine a due piani, che permettono la misurazionee la correzione della squilibratura dinamica, in corrispon-denza a due piani preselezionati.Il primo tipo è da utilizzarsi per equilibrare portautensilicon velocità di lavorazione inferiore a 15.000 giri/min, econ utensili di lunghezza inferiore a due volte il diametroin corrispondenza della linea di fede e che siano stati pre-bilanciati dal costruttore.Il secondo tipo invece si rende indispensabile per equili-brare portautensili con velocità di rotazione superiori a15.000-20.000 giri/min, con lunghezza superiore a duevolte il diametro in corrispondenza della linea di fede.Nel caso di attacco utensile HSK vi sono macchine equili-bratrici appositamente studiate per questa tipologia diattacco.

Il corpo dell’utensileIl corpo utensile svolge fondamentalmente le funzioni di:

- fissaggio e supporto del tagliente- garantire l’adeguata resistenza e rigidezza durantel’azione di taglio - permettere un’ottima evacuazione del truciolo- garantire un’ottima precisione dimensionale e geo-metrica- smorzare le vibrazioni che si generano durante lalavorazione

Se nelle lavorazioni tradizionali alcuni particolari costruttividel corpo utensile possono passare in secondo ordine,nella nuova fresatura HSC ognuno dei punti sopra elenca-ti assume un ruolo molto importante. Prendiamo ad esempio il fissaggio del tagliente: la vitenell’applicazione standard è dimensionata essenzialmenteper resistere a carichi assiali generati dalla forza di taglio,nelle applicazioni HSC in taluni casi la forza centrifuga chesi genera è molto superiore a quella dovuta all’azione ditaglio per cui è molto importante che sia la vite che lasede dell’inserto siano studiati per garantire la massimastabilità e resistenza anche a questo tipo di forze.

It may be useful at this point to give a brief overview ofthe balancing machines that can be found on the market.We can basically divide them into two categories:1) machines with a single plane, that only allow the mea-suring and correcting of static unbalance, leaving unalte-red or creating a coupled unbalance 2) machines with two planes, that allow the measuringand correcting of dynamic unbalance, corresponding totwo pre-selected planes.The first type is to be used to balance tool-holders with aworking speed of less than 15,000 rpm, and with tool ofa length less than twice the diameter corresponding tothe index line, and that have been pre-balanced by themanufacturer.The second type is valuable for balancing tool-holderswith a rotation speed of more than 15,000-20,000 rpm,with a length more than twice the diameter correspon-ding to the index line.In the case of HSK tool connectors, there are balancingmachines especially designed for this type of connector.

The body of the toolThe tool body carries out the following functions:

- fixing and supporting the cutting edge,- ensuring adequate strength and rigidity during thecutting action,- allowing an optimum removal of the chip,- ensuring optimum dimensional and geometrical pre-cision- absorbing the vibrations that are created duringworking.

If, in traditional work, some constructional parts of thetool body may become of secondary importance, in thenew HSC milling process, each of the points listed aboveassumes a much more important role.Let us take as an example the fixing of the cutting edge.The screw in the standard application is designed essen-tially to withstand axial loads generated by the cutting force.In the HSC applications, in some cases the centrifugalforce that is generated is much higher than that due tothe cutting action. So therefore it is very important thatboth the screw and the seating of the insert are desi-gned to ensure the maximum stability and resistanceeven to these types of forces.

Fc: forza centrifuga sul corpo utensileFi: forza centrifuga sull’insertoFt: forza di taglio tangenzialeFa: forza assiale determinata dalla profondità di taglio dpFr: forza radiale determinata dalla larghezza di passata de

Le forze centrifughe che agiscono sia sul corpo che sul-l’inserto aumentano in modo esponenziale all’aumentaredella velocità di rotazione e come possiamo vedere dalseguente grafico, in funzione del diametro dell’utensile,raggiungono valori paragonabili o superiori a quelli delleforze di taglio.

La spalla del tagliente deve essere la più grossa possibileper garantire stabilità e rigidezza ed allo stesso tempo develasciare il maggior spazio possibile per l’evacuazione del tru-ciolo. Esigenze ancora più particolari si hanno negli utensiliche eseguono la sgrossatura per penetrazione assiale.

Fc: centrifugal force of the tool bodyFi: centrifugal force of the insertFt: tangential cutting forceFa: axial force determined by the cutting depth dpFr: radial force determined by the width of the run de

The centrifugal forces that act both on the body and onthe insert increase exponentially as the rotation speedincreases, and, as you can see from the following graph,according to the diameter of the tool they reach valueswhich are equal to or higher than that of the cutting force.

The structure supporting the cutting edge must be as thickas possible to ensure stability and rigidity, and at the sametime it must leave as much space as possible for the remo-val of the chip. There are even more special requirementsfor tools that carry out rough-machining operations by axial

Breton HSM 44

Fig. 46: Rappresentazione schematica delle forze durante il taglioSchematical representation of forces during cutting

Fig. 47: Andamento della forzacentrifuga al variare della velo-cità e del diametroCentrifugal force trend whenchanging speed and diameter

Fa

FrFa

Fi

Ft

Fc

centrif

ugal

force

[N]

100000

90000

80000

70000

60000

50000

40000

30000

20000

10000

0

rotation speed [N]

tool diameter:

D [mm]

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000

D = 150

D = 300 / D = 250 / D = 200

D = 100

D = 50

Breton HSM 45

Il gambo dell’utensile deve poi permettere di avvicinarsial pezzo il più possibile garantendo la massima rigidezza,ecco che nascono quindi gambi a rigidezza variabile quan-do la lunghezza supera i 100 mm.

Nelle lavorazioni di finitura con utensili lunghi per ottene-re i migliori risultati si utilizzano steli di utensili in materia-le antivibrante. Questi materiali sono dei materiali ad altadensità con struttura cristallina particolarmente studiataper avere un effetto di smorzamento delle vibrazioni chesi generano durante il taglio interrotto, proprio nelle ope-razioni di fresatura.

2.4 - Fattori che caratterizzano lalavorazione ad Alta Velocità

Come abbiamo già in parte visto nei precedenti paragrafi ifattori che influiscono sulla lavorazione del pezzo nellatecnologia HSM sono diversi e partono dalla programma-zione della lavorazione (CAD-CAM) fino ad arrivare all’u-tensile.Volendo brevemente focalizzare i concetti principali cheoccorre tenere presente nelle varie fasi che intercorrononella realizzazione di un pezzo potremo individuare leseguenti fasi:

- Programmazione- Preparazione ed ottimizzazione macchina/pezzo- Lavorazione

ProgrammazioneLa fase di programmazione della lavorazione si svolgefondamentalmente in ufficio con l’impiego di modernistrumenti informatici di CAD/CAM, grazie ai quali, partendodal modello matematico tridimensionale del pezzo si realiz-zano i programmi di lavorazione da eseguire poi in macchina.Questi strumenti, anche se oramai esistono sul mercatoda anni non è detto che siano sempre i più adatti per l’e-secuzione di lavorazioni ad Alta Velocità.Infatti l’ottimizzazione di questo processo richiede l’utiliz-zo di strategie e tecniche che permettano di ridurre itempi di lavorazione, ottimizzare lo sfruttamento degliutensili ed ottenere i migliori risultati in qualità della lavo-razione passando attraverso le fasi di sgrossatura, semifi-nitura e finitura.Vediamo quindi quali debbano essere le principali caratte-ristiche di un CAM per lavorazioni ad Alta Velocità ed inparticolare per le lavorazioni a cinque assi.

penetration. The shank of the tool must then allow it to getas close as possible to the piece, ensuring the maximumrigidity. This is why shafts of variable rigidity have beendesigned for when the length exceeds 100 mm.

In the finishing work with long tools, to obtain the bestresults, tool rods are used made of anti-vibration material.These materials have a high density with crystallinestructure, especially designed to have a dampeningeffect on the vibrations that are created during interrup-ted cutting, just in milling operations.

2.4 - Factors that characterize high speed working

As we have already partly seen in the previous para-graphs, the factors that influence working on a piecewith HSM technology are varied and start from the pro-gramming of the work (CAD-CAM) and finish with the tool.Focussing briefly our attention on the principal conceptsthat need to be born in mind in the various phases thatare gone though in creating a piece, we can identify thefollowing phases:

- Programming- Preparation and optimisation of machine and piece- Working process

ProgrammingThe phase of programming the work basically takes placein the office with the use of modern IT equipment,CAD/CAM, thanks to which, starting from the three-dimensional mathematical model, working programs areproduced which are then to be carried out by the machine.These instruments, even if they have been on the marketsome years, are not necessarily the most suitable forexecuting high-speed work. In fact, the optimisation ofthis process required the use of strategies and techni-ques that allow the working time to be reduced, to opti-mise the use of the tools and to obtain the best qualityresults for the work, going through the phases of roughrough-machining, semi-finishing and finishing. Let us look therefore at what the main characteristics ofa CAM for high-speed working must be, and especiallyfor working with five axes.

Fig. 48: Esempio di portautensile con mandrino integralePhoto of tool-holder whith integral spindle

- Garantire una costanza del sovrametallo nelle lavo-razioni di finitura del pezzo. Sovrametallo non costanteimplica variazione degli sforzi di taglio sull’utensile e quin-di variazione di flessione utensile e possibilità di innescodi microvibrazioni, fattori questi che vanno ad influiredirettamente sia sulla precisione che sulla finitura delpezzo finale.- Strategie di lavorazione in concordanza: è noto chela condizione ottimale di lavoro dell’utensile è quellacosiddetta in concordanza, cioè la condizione in cuila combinazione tra avanzamento e senso dirotazione dell’utensile formano il truciolopartendo dalla sezione maggiore perfinire a zero.

- Strategie di lavorazione a cresta costante: risultanomolto importanti quando si devono lavorare delle superfi-ci che presentano variazioni di pendenza e si debba otte-nere una costanza nella qualità della finitura superficialeottimizzando il tempo di esecuzione. L’altezza della crestaè legata infatti al diametro della fresa ed allo step di pas-sata. È chiaro che, a parità di altezza di cresta, lo step dipassata può variare molto da quando si lavora una super-ficie piana a quando si lavora una parete con una certapendenza.L’espressione della cresta per una superficie comunqueinclinata è data da:

Hc = R - [R2 - (P2 x COS2α) / 4]1/2

dove:Hc = Altezza crestaR = Raggio fresaP = Step di avanzamento a = Angolo d’inclinazione dellasuperficie rispetto al pianoorizzontale

- Ensure constant machining allowances in the fini-shing work on the piece. - Machining allowances that are not constant involvevariation in cutting forces on the tool, and so variations intool flexion and the possibility of microvibrations starting.These are factors that directly affect the precision andthe finish of the final piece.- Strategies for working in harmony: We know thatthe optimum working conditions for a tool are what we

may call “in harmony”. That is to say the conditionsunder which the combination between feed and

rotation direction of the tool form a chipwhich starts from the greatest cross-sec-

tion and ends at zero.

- Strategies for working with constant peaks: Theseare very important when we have to work on surfacesthat have variations in slope, and we have to obtain con-stant quality of the surface finish, optimising the execu-tion time. The height of the peak is in fact linked to thediameter of the mill and the step of the pass-run. It is obvious that for the same height of peak, the step ofthe pass-run can vary a lot from when we are working ona flat surface to when we work on a piece with a certainslope.The formula for the peak of a surface however it slopesis as follows:

Hc = R - [R2 - (P2 x COS2α) / 4]1/2

where:Hc = height of the peak R = Mill radiusP = Feed pitch a = Angle of inclination of the surface with respect to the horizontal

Breton HSM 46

P

Hc

α

R

Fig. 49: Schema di fresatura in concordanzaScheme of milling “in harmony”

Fig. 50: Schema di lavorazione di piano inclinato a cresta costanteMachining of an inclined surface with constant peaks

Breton HSM 47

- Strategie di lavorazioni SWARF: sono strategie con lequali si realizza la lavorazione di una parete piana con unutensile cilindrico lavorando di fianco.- Strategie di svuotature tasche con ingresso inrampa ed avanzamento elicoidale.- Strategie smoothing: sono strategie con le quali sicerca di evitare durante la lavorazione ad Alta Velocitàbrusche variazioni di direzione dell’utensile o discontinuitàdi percorso. - Lavorare direttamente sulle superfici del pezzo:permette di raggiungere la massima precisione della lavo-razione- Ripresa in automatico del materiale residuo:funzione molto importante in quanto permette di rispar-miare lunghi ed inutili passaggi a vuoto su superfici giàlavorate. Questa funzione che è praticamente normalenelle lavorazioni a tre assi, non è però comune nei CAM acinque assi.- Uniforme distribuzione dei punti lungo la traiettoria:permette una movimentazione più uniforme degli assimacchina e quindi miglior finitura del pezzo- Utilizzo di NURBS nella generazione del percorsoutensile- Verifica dell’interferenza tra utensile-portautensile epezzo: permette di verificare la fattibilità della lavorazioneprima di mettere in esecuzione il programma e quindi dievitare danneggiamenti a pezzi molto costosi e notevoliperdite di tempo.- Capacità di verificare facilmente la correttezza delmodello matematico: permette di evidenziare che tuttele superfici che costituiscono il modello siano perfetta-mente combacianti tra di loro e non vi siano né buchi nésovrapposizione di superfici. La presenza di questi difettigenera errori nella lavorazione del pezzo.- Capacità di verificare e gestire la costanza dei verso-ri delle superfici: questa funzione è particolarmente utilenelle lavorazioni a cinque assi dove la presenza indeside-rata di inversione dei versori della superficie provocamovimenti scoordinati della testa con conseguente rallen-tamento della lavorazione e difettosità nella finitura super-ficiale.

Preparazione ed ottimizzazione macchina/pezzoQuesta fase prevede il posizionamento ed il corretto staf-faggio del particolare in macchina, l’eventuale scelta diparticolari set di parametri macchina per l’ottimizzazionedelle lavorazioni, la predisposizione di tutti gli utensili edaccessori necessari e la messa a punto dei programmi.Nelle lavorazioni ad Alta Velocità, vista l’elevata dinamicadelle lavorazioni, anche lo staffaggio del pezzo, se nonfatto correttamente, può dar luogo ad inneschi di vibrazio-ni che portano poi ad una cattiva esecuzione della lavora-zione. Analogamente, particolari di forme sostanzialmen-te diverse potrebbero necessitare di parametri macchinadifferenti per ridurre i tempi macchina o migliorare la qua-lità della lavorazione.

- Strategies for SWARF working: These are strate-gies with which work is carried out on a flat wall with acylindrical tool working on the edge.- Strategies for emptying cavities with ramp entryand spiral feed.- Strategic smoothing: These are strategies withwhich, during high-speed working, we try to avoidsharp changes in the direction of the tool or disconti-nuity of travel.- Working directly on the surfaces of the piece: This allows us to reach maximum precision of thework.- Automatic return to work on the residual mate-rial: This is a very important function, since it saveslong and wasteful non-working passes on surfaces thathave already been worked. This function is virtuallynormal in three-axes working, but not common in five-axis CAMs.- Uniform distribution of the points along the path:This allows a more uniform movement of the machineaxes, and so a better finish of the piece.- Use of NURBS in generating the tool path.- Check on the interference between tool - tool-hol-der and piece: This allows you to check the feasibilityof working before carrying out the program, and thusavoiding damage to very expensive pieces and makingconsiderable savings in time- Capacity to easily check that the mathematicalmodel is correct: Allows you to ensure that all the sur-faces that make up the model perfectly match eachother, and there are no holes or overlaps of surfaces.These defects would generate errors in working thepiece.- Capacity to check and control the unit vectors ofthe surfaces: This function is particularly useful in five-axis work, where the unwanted presence of inversionof the unit vectors of the surface causes uncoordinatedmovements of the head, with subsequent slowingdown of the work, and defects in the finish.

Preparation and optimisation of machine and pieceThis phase involves positioning and correctly fixing thepieces in the machine, any choice of particular sets ofmachine parameters for the optimisation of the work,preparing all the tools and accessories necessary andsetting up the programs. In high-speed machining, giventhe high dynamics of working, even fixing the piece, ifnot done correctly, can lead to vibrations starting, whichwould then cause the work to be poorly carried out.Similarly, pieces with shapes that are substantially diffe-rent could require different machine parameters to redu-ce the machine times or improve the quality of the work.

Altro aspetto molto importante nella preparazione dellamacchina è, come abbiamo già visto, la preparazione delgruppo utensile-portautensile per il quale occorre:

- Assicurarsi che siano correttamente definiti i para-metri utensile (lunghezza e raggio)- Assicurarsi che l’utensile sia integro- Assicurarsi che la geometria sia quella desiderata- Assicurarsi che l’utensile sia equilibrato secondo lespecifiche richieste

Nelle moderne macchine per Alta Velocità, proprio perl’importanza che ha questo ultimo aspetto sia per l’inte-grità della macchina, sia per la qualità della lavorazione,spesso viene integrato nella testa operatrice un sensoreche rileva dinamicamente lo squilibrio dell’utensile sia infase di avvio di lavorazione, come ulteriore verifica dellacorretta bilanciatura, sia in fase di lavorazione per accor-gersi di eventuali rotture dell’utensile.

LavorazioneUna volta iniziata la lavorazione del pezzo potrebbe sem-brare che oramai tutto sia definito e quindi la macchinadebba soltanto eseguire il programma prestabilito senzainterruzione.In realtà, in funzione anche del tipo di pezzo e di materia-le da lavorare, si può ancora intervenire sul processo pereffettuarne un’ottimizzazione.In particolare si può intervenire su:- Lubrificazione: in funzione del tipo di operazione, diutensile e materiale si potrà scegliere se lavorare conlubrorefrigerante, a secco o con lubrificazione minimalearia-olio. Generalmente, soprattutto nelle operazioni difinitura, si lavora sempre con getto d’aria sull’utensile pertenere pulita la zona di lavora dai trucioli che si formanodurante la lavorazione e che potrebbero interferire con iltagliente provocando difettosità nella finitura superficialedel pezzo.- Parametri di lavorazione: per ottimizzare i tempi diesecuzione si possono scegliere parametri di lavorazionediversi a seconda della fase di lavorazione che stiamoeseguendo. Durante la fase di sgrossatura, infatti, noninteressa un’eccessiva precisione mentre invece interes-sa asportare la maggior quantità di materiale alla massi-ma velocità, per cui si può adottare un set di parametrimacchina che favorisca questo aspetto a discapito dellaprecisione. Durante la semifinitura si può invece adottareun set di parametri che lasci comunque la macchina lavo-rare velocemente, ma che al contempo garantisca unamaggior precisione proprio per preparare una superficiecon un sovrametallo il più costante possibile per garantirela migliore esecuzione della fase di finitura, dove sceglie-remo dei parametri che garantiscano la massima precisio-ne, proprio per garantire le tolleranze richieste. I moderni CNC prevedono già di poter richiamare da PartProgram set di parametri macchina diversi.

Another very important aspect in preparing the machineis, as we have already seen, the preparation of the tool - tool-holder unit, for which it is necessary to do thefollowing:

- Ensure that the tool parameters have been correctlydefined (length and radius).- Ensure that the tool is intact.- Ensure that the geometry is that required,- Ensure that the tool is balanced, according to thespecific requirements.

In modern machines for high-speed working, this aspectis very important, both to prevent damage to the machi-ne and for the quality of work. Therefore the operatinghead often incorporates a sensor that dynamicallydetects any unbalance of the tool, both in the work start-up phase, as the last check of the correct balance, and inthe work phase, to detect any breakage in the tool.

WorkingOnce work has started on the piece, it could seem thateverything has already been defined, and so the machineonly has to carry out the program established withoutinterruption.But in fact, also depending on the type of piece andmaterial to be worked, you can also intervene during theprocess to carry out optimisation.In particular, you could take action on the following factors:- Lubrication: According to the type of operation, of tooland material, you can choose whether to work with lubri-cant-coolant, dry, or with minimal air-oil lubrication.Generally, above all in finishing operations, we alwayswork with a jet of air on the tool, to keep the work zonefree of chips, that form during working, and that couldinterfere with cutting edge, causing defects in the surfa-ce finish of the piece.

- Working parameters: To optimise the times of execu-tion, you can choose different work parameters accor-ding to the phase of work that is being carried out.During the rough rough-machining stage, for example,great precision is not required, while we want to removea higher quantity of material at maximum speed. So youcan adopt a set of machine parameters that favours thisaspect rather than precision. Whereas during semi-fini-shing, you can adopt a set of parameters that lets themachine work fast, but at the same time ensures higherprecision in order to prepare a surface with a machiningallowance which is as constant a possible. This ensuresthe best execution of the finishing phase, where we willchoose the parameters that ensure maximum precision,precisely to ensure the work is within the required tole-rances. Modern CNC’s have already the potential ofbeing able to recall different sets of machine parametersfrom the part program.

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ae F

ae1 < ae2 > ae3fz1 = fz2 = fz3

hm1 < hm2 > hm3

F

F

ae

h

h h

- Equilibratura utensile: come abbiamo già detto prece-dentemente è possibile avere sulle teste operatrici deidispositivi che verifichino il run time e la corretta equili-bratura e integrità dell’utensile in modo tale da garantirela corretta esecuzione del particolare.- Presetting: il presetting a bordo macchina è moltoimportante per poter aggiornare il run time, i correttoriutensili durante la lavorazione di un pezzo, qualora si uti-lizzi lo stesso utensile per lavorazioni diverse. L’utensileinfatti durante la lavorazione si usura e quindi varia i suoivalori di lunghezza e raggio. Per ogni tipo di utensile, infunzione del materiale che lavora e dei parametri di lavo-razione utilizzati, viene definita una durata, detta “vita“,intesa come il tempo per il quale l’utensile può lavoraresenza che i suoi parametri geometrici e di taglienza sianocompromessi. È chiaro però che durante la vita i parame-tri dell’utensile cambiano ed utilizzando il presetting inprocess si può determinare prima dell’inizio di ogni lavo-razione gli esatti valori di lunghezza e raggio in modo dagarantire la massima precisione di lavorazione.- Situazioni particolari: nella lavorazioni delle matrici sipossono trovare talvolta situazioni che mettono in crisi lamacchina e la lavorazione se non gestite manualmentedall’operatore o da particolari algoritmi. Ci riferiamo inparticolare alla lavorazione di angoli di 90° o inferiori in cuil’utensile si trova di colpo dall’essere impegnato permetà della sua larghezza ad essere impegnato per trequarti o più. In questo caso vi è un maggior numero didenti in presa e si richiede di colpo maggior potenza allamacchina con la velocità di avanzamento che, per unistante, tende a zero per cambiare direzione.

- Tool balancing: As we have already said, it is possibleto have devices on the operating heads that check therun time, that check the correct balance and that the toolis intact, so as to be able to ensure the correct executionof work on the piece.- Presetting: The presetting on board the machine isvery important to be able to update the run time, the toolcorrectors during the working of a piece, whenever thesame tool is used for different work. In fact, during work,the tool wears, and so its length and radius values vary.For each type of tool, according to the material that isbeing worked and the work parameters used, a durationtime is defined, the “lifespan”, which is the time forwhich the tool can work without its geometrical and cut-ting parameters being compromised. It is clear, however,that during its life, the parameters of the tool, on chan-ging and using the presetting in process, you can deter-mine, before the start of each job, the exact values forlength and radius, so as to ensure the maximum workingprecision.- Special situations: In working matrixes, you can some-times come across situations that are beyond the machi-ne if they are not controlled manually by the operator, orby particular control algorithms. We refer especially toworking with angles of 90° or less, where the tool sud-denly changes from being used for half its length to beused for three-quarters or more, to having a greater num-ber of teeth in the chuck, and to suddenly requiringhigher power for the machine, with a feed speed that fora moment goes to zero to change direction.

Fig. 51: Aumento dell’impegno dell’utensile in lavorazioni ad angoloIncrease of the involvement when working whith angles

Questa situazione innesca generalmente vibrazioni sull’u-tensile che possono essere eliminate riducendo la velo-cità di avanzamento in prossimità dell’angolo per poi ripri-stinarla nella zona diritta. Quando la tasca è profonda lasituazione è resa ancora più critica dall’aumentare dellalunghezza utensile. In questo caso per limitare al massi-mo le vibrazioni si devono utilizzare portautensili il più rigi-di possibile e in materiale antivibrante.Situazioni analoghe si possono avere anche nella sgrossa-tura di fusioni di alluminio dove l’utensile può ritrovarsi adasportare grosse variazioni di spessore rispetto a quelloprogrammato che possono mandare in sovrassorbimentoil mandrino con conseguente arresto della macchina senon opportunamente gestite da algoritmi di PowerMonitor.

- Gestione 4°-5° asse per posizionamento utensile:nelle operazioni di finitura con macchine a cinque assi,qualora non si eseguano lavorazioni a cinque assi conti-nui, ci può essere comunque la necessità di gestire l’o-rientamento della testa per ottenere le migliori condizionidi taglio e di penetrazione. L’orientamento della testa puòessere previsto già da CAM oppure impostato diretta-mente sul pezzo dall’operatore con l’ausilio del volantinomanuale. Una volta impostata la nuova posizione dellatesta, la funzione TCPM (RTCP) del controllo permetteràdi continuare la lavorazione senza discontinuità ricalcolan-do il nuovo percorso utensile.- CAM a bordo macchina: può capitare talvolta che l’o-peratore si accorga che alcune parti del percorso utensiledevono essere ricalcolate, o perché gli utensili program-mati non sono disponibili o perché si evidenziano dellesituazioni di collisione non facilmente verificabili a priori operché la tecnologia applicata non è quella ottimale per lalavorazione di quel particolare settore. La possibilità diavere a bordo del controllo numerico un CAM facilmenteutilizzabile dall’operatore, che gli permetta di ricalcolare ilpercorso utensile in breve tempo, minimizza o annulla itempi di fermo macchina.

This situation generally starts vibrations on the tool, thatcan be eliminated by reducing the feed speed near thecorner, and then restoring it in the straight zone. Whenthe cavity is deep, the situation becomes even more criti-cal by the increased length of the tool. In this case, to limit the vibrations as much as possible,you should use the most rigid tool-holders possible andthey should be of an anti-vibration material.Similar situations could arise in rough-machining alumi-nium alloy, where the tool could start to remove thick-nesses widely differing from that programmed, whichcould cause the electrospindle to overload, causing themachine to stop, if not suitably controlled by PowerMonitor algorithms.

- Control of 4°-5° axes for tool positioning: in the fini-shing operations, with five-axis machines, whenever con-tinuous five-axis work is not being executed, it could stillbe necessary to control the orientation of the head toobtain better cutting conditions and penetration. Theorientation of the head can be already established by theCAM, or set directly on the piece by the operator withthe help of the manual handwheel. Once the new posi-tion of the head has been set, the TCPM (RTCP) functionwill allow you to continue working without a break, byrecalculating the new tool path.

- CAM on board the machine: It could sometimes hap-pen that the operator realises that some parts of the toolpath must be recalculated, either because the tools pro-grammed are not available or because collision situationsarise that are not easily predictable previously, or becau-se the technology applied is not the best for the work onthat particular sector. The possibility to have on board thenumerical control a CAM which can be easily used by theoperator that allows him to quickly recalculate the toolpath minimises or cuts down the machine downtime tozero.

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