Una soluzione contro il chatter strutturale

Sviluppato da Soraluce, Das (acronimo di Dynamics Active Stabilizer) è un sistema robusto ed economicamente accessibile che fornisce un aumento della rigidità dinamica della macchina, aumentandone, di fatto, la capacità di taglio, specialmente in regimi di lavorazione più sfavorevoli.
Sviluppato da Soraluce, Das (acronimo di Dynamics Active Stabilizer) è un sistema robusto ed economicamente accessibile che fornisce un aumento della rigidità dinamica della macchina, aumentandone, di fatto, la capacità di taglio, specialmente in regimi di lavorazione più sfavorevoli.

Le macchine utensili hanno subito una evoluzione costante nel corso degli ultimi 50 anni alla ricerca di maggiore qualità e produttività. Ciò ha portato a miglioramenti evidenti in termini di potenza di taglio consumata, rigidità statica delle strutture, precisione delle lavorazioni e livello di automatizzazione delle linee produttive. Tuttavia, i miglioramenti apportati hanno forzato l’apparizione di nuovi limiti, come le vibrazioni durante il processo di lavorazione.

«Al giorno d’oggi – spiega il dott. Giancarlo Alducci, direttore generale di Soraluce Italia – la comparsa delle vibrazioni è un aspetto che preoccupa seriamente gli utilizzatori di macchine utensili. Tuttavia, è necessario distinguere tra vibrazioni forzate, che sono sempre esistite e che raramente producono problemi importanti, e vibrazioni auto-rigenerative, più note come chatter, che costituiscono uno dei limiti più importanti della produttività dei processi di lavorazione».

Già nel 1907 Taylor definì il chatter come “il problema più oscuro e delicato che si affronta nella lavorazione meccanica”. Dalle sue prime ricerche, l’eliminazione di queste vibrazioni auto-rigenerative è stata una delle maggiori preoccupazioni del settore. Tuttavia, nonostante gli sforzi profusi solo poche innovazioni sono state trasferite in modo stabile all’industria. Lo sviluppo sperimentato per i processi di lavorazione anticipano che questo problema continuerà in futuro, a causa dei miglioramenti dei materiali degli utensili, della progettazione di pezzi leggeri eco-efficienti o della evoluzione dei sistemi di guide con minore frizione alla ricerca di precisione maggiore.

Dott. Giancarlo Alducci, direttore generale di Soraluce Italia.
Dott. Giancarlo Alducci, direttore generale di Soraluce Italia.

Chatter, questo (s)conosciuto
Le vibrazioni auto-rigenerative tendono ad aumentare durante il processo di lavorazione a causa della loro natura instabile. Il processo di taglio esige una rigidità dinamica minima rispetto al sistema composto da: pezzo da lavorare, utensili di taglio e struttura della macchina. Nel caso in cui il sistema sia più flessibile della rigidità richiesta, il processo risulterà instabile, evidenziando così un aumento del livello di vibrazioni durante il taglio.

«Questa instabilità – rileva il dott. Alducci – porta conseguenze molto negative come, per esempio, la diminuzione della qualità della superficie lavorata, l’aumento dell’usura degli utensili o la riduzione di vita degli elementi meccanici della macchina. Tutto ciò comporta un maggiore costo di energia e di materiali, oltre a un incremento del costo in termini di tempi di produzione».

Lavorazione stampo con fresatrice Soraluce.
Lavorazione stampo con fresatrice Soraluce.

La causa principale del chatter è l’effetto rigenerativo. Questo fenomeno fisico si produce a causa della superficie generata da un dente viene alterata dalle piccole vibrazioni subite dall’utensile, creando una ondulazione non prevista dal punto di vista statico. Lo spessore dei trucioli che affronta il dente successivo viene ugualmente alterato dalla vibrazione subita in tale momento, nonché, nella parte esterna, dalla superficie ondulata lascata dalla passata precedente. A seconda il divario tra le due passate successive, lo spessore del truciolo da lavorare potrà crescere in modo esponenziale.

«In questa situazione – prosegue il dott. Alducci – la crescita dello spessore del truciolo aumenta la forza di taglio che, a sua volta, incrementa le vibrazioni, generando così un processo instabile. Si tratta di un fenomeno complesso che interesserà le caratteristiche del processo di taglio, per esempio: la geometria dell’utensile, il materiale dei pezzi, i parametri di taglio e le proprietà dinamiche del sistema, inclusi la struttura della macchina, l’utensile e il pezzo. In alcuni casi, i parametri di controllo dei distinti azionamenti della macchina potranno influire sulla stabilità del processo di taglio».

Pertanto, si può dire che per una macchina il chatter cresce ad una serie di condizioni di taglio. Per questo sono utili i diagrammi di stabilità (noti anche come lobi dei diagrammi di stabilità) che descrivono la stabilità del processo secondo le condizioni di taglio differenti. L’ottenimento di questi lobi non è semplice, poiché richiede la misura sperimentale della rigidità dinamica del sistema tramite funzioni di risposta in frequenza (FRF), l’ottenimento della forze specifiche di taglio e l’implementazione di un modello di stabilità.

La creazione di onde nel processo di fresatura è causa dell’effetto rigenerativo; attraverso la misurazione della FRF si può ottenere il diagramma dei lobi di stabilità.
La creazione di onde nel processo di fresatura è causa dell’effetto rigenerativo; attraverso la misurazione della FRF si può ottenere il diagramma dei lobi di stabilità.

Tipi di chatter
Uno dei fattori importanti per la comparsa del chatter è la flessibilità dinamica offerta del sistema di lavorazione. Ciò significa che la mancanza di rigidità di qualsiasi dei componenti di questo sistema, inclusi la struttura della macchina, il mandrino, l’utensile con il suo portautensili, le attrezzature di ancoraggio o il pezzo stesso, possono essere la causa della comparsa delle vibrazioni auto-rigenerative.

Uno dei casi di vibrazioni più distruttive e chiare è quando proviene dalla struttura della macchina. Ciò succede soprattutto durante attività di sgrossatura di diverse applicazioni industriali, come la lavorazione di beni strumentali, pezzi del settore energetico, aeronautico o petrolifero. I principali modi di vibrazione in questo caso sono di un alto spostamento nei due piani di flessione della Ram (20-100 Hz).

Durante gli ultimi anni, i produttori di macchine utensili hanno cercato la soluzione di questo tipo di vibrazioni: un’attività complicata.

«Infatti – sostiene il dott. Alducci – si può realizzare una riprogettazione della macchina alla ricerca dell’aumento di rigidità dinamica della stessa. Ma questo richiede la realizzazione di un’analisi modale che mostri i punti più flessibili e critici nella macchina con l’obiettivo di realizzarne le modifiche. Tuttavia, i progettisti e i produttori di macchine utensili si concentrano sull’aumento della rigidità senza considerare l’effetto dell’ammortizzazione».

Sono diversi i tipi di chatter che possono attivarsi nei processi di lavorazione.
Sono diversi i tipi di chatter che possono attivarsi nei processi di lavorazione.

Tra le soluzioni più impiegate per aumentare il margine di stabilità delle macchine utensili si trova quella di aggiungere un ammortizzatore passivo sintonizzato alla struttura, grazie alla sua semplicità e relativamente basso costo. Ciononostante l’uso di ammortizzatori passivi non è fattibile in molti processi di lavorazione dove la dinamica del sistema può variare durante il processo (ciò si può verificare nelle macchine dotate di Ram).

Gli attuatori attivi possono superare parte di questi limiti con la loro capacità di adattarsi a delle condizioni combinate. Basicamente, questi attuatori producono una forza di reazione sulla struttura della macchina, controllata mediante un algoritmo di controllo, creando così un soluzione meccatronica avanzata. Tra queste soluzioni si trovano gli attuatori basati nel movimento di una massa inerziale, i quali vengono solitamente collocati paralleli al flusso della forza della macchina, e per tanto, si mantiene la rigidità originale della struttura.

«L’introduzione degli ammortizzatori attivi per macchine adatte alla sgrossatura – continua il dott. Alducci – è stata studiata da vari ricercatori negli ultimi anni. Tuttavia, fino ad oggi, ricercatori e produttori incontravano complicanze nel momento di introdurre questi dispositivi nella macchina, a causa del loro costo e delle loro dimensioni».

Circuito chiuso di funzionamento del DAS.
Circuito chiuso di funzionamento del DAS.

Vibrazioni sotto controllo
È stato precedentemente osservato che il diagramma di stabilità dipende dalla rigidità dinamica. Nel caso di chatter a causa della flessibilità della struttura, la rigidità varia a seconda delle guide utilizzate nella macchina. Tuttavia, benché la rigidità vari, tutte le macchine hanno un loro range di velocità critica.

«In un recente studio appositamente effettuato – prosegue il dott. Alducci – sono state comparate macchine con guide lineari a ricircolo di rulli e idrostatiche. Mi riferisco a macchine progettate per lavorare a diverse velocità e che, normalmente, non presentano alcun tipo di problema in condizioni di taglio di acciaio comune (200-300 m/min ndr). Tuttavia, i due tipi di guide mostrano una zona critica nella velocità di taglio su materiali con minore lavorabilità, come per esempio l’acciaio inossidabile e il titanio (80-150 m/min ndr). In questi casi, la presenza del chatter è più probabile e perciò, la profondità di taglio, non può essere elevata e ciò può limitare la produttività».

Misurazioni sperimentali dell’aumento del tasso di asportazione del materiale ottenuto con il DAS nella fresatrice FR di Soraluce, con materiale a basso grado di lavorazione. Differenza nel livello di vibrazioni e la finitura superficiale dopo avere eliminato il chatter attraverso il DAS.
Misurazioni sperimentali dell’aumento del tasso di asportazione del materiale ottenuto con il DAS nella fresatrice FR di Soraluce, con materiale a basso grado di lavorazione. Differenza nel livello di vibrazioni e la finitura superficiale dopo avere eliminato il chatter attraverso il DAS.

Negli ultimi anni Soraluce ha investito molte risorse nella ricerca di soluzioni per il chatter. Un impegno profuso che si è recentemente concretizzato nel Das, ovvero Dynamics Active Stabilizer. Stiamo parlando di un sistema robusto ed economicamente accessibile che fornisce un aumento della rigidità dinamica della macchina, aumentando, di fatto, la capacità di taglio della stessa, specialmente in regimi di lavorazione più sfavorevoli.

Lo studio di comparazione dei lobi di stabilità delle differenti guide, ha dimostrato che il Das fornisce un miglioramento nelle zone di lavorazione più critiche delle macchine, ottenendo un comportamento della macchina ottimale. Perciò il sistema è orientato alle macchine che realizzano operazioni di sgrossatura di grandi quantità di asportazione di truciolo o che lavorano materiali con bassa lavorabilità, dove abitualmente la profondità di taglio deve essere ridotta.

«Basandosi sulla tecnologia attiva – conclude il dott. Alducci – il sistema misura le vibrazioni esistenti della macchina e le compensa istantaneamente nella stessa struttura. In questo modo, si adatta ai possibili cambi dinamici che la macchina stessa può avere in diverse posizioni. Da sottolineare che si tratta di un sistema completamente integrato, pertanto non riduce l’area di lavoro della stessa».

Lavorazione stampo lamiera per settore automotive.
Lavorazione stampo lamiera per settore automotive.

Per come pensato e realizzato, questo dispositivo si propone di risolvere i problemi di chatter strutturali della macchina, pertanto si rivela un sistema molto interessante per gli utilizzatori che realizzano operazioni di sgrossatura con elevate quantità di trucioli. Risulta altresì molto utile in quei casi dove si lavorano dei materiali con bassa lavorabilità e le velocità di taglio devono essere conseguentemente diminuite.

A parte la realizzazione di questo sistema, Soraluce ha inoltre dimostrato la capacità di sviluppare soluzioni contro il chatter avente origine dalla flessibilità di altri elementi della lavorazione. In questo modo, durante gli ultimi anni, ha applicato soluzioni particolari ai differenti problemi dei propri clienti progettando degli ammortizzatori (passivi, semiattivi e attivi), utensili speciali anti-chatter, sistemi di variazione della velocità automatica.

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