Spesso gli operatori di sistemi CNC sono portati a pensare che le ragioni di una cattiva finitura siano imputabili a problemi hardware.
- I regimi e gli avanzamenti erano corretti?
- Gli staffaggi e la macchina sono sufficientemente rigidi?
- Il mandrino gira in modo eccessivamente eccentrico?
- La lubrificazione era adeguata?
- L’utensile è del tipo giusto e correttamente affilato?
Queste sono le prime domande da porsi, ma la faccenda non finisce qui. Molti fattori influenzano la finitura della superficie, ed alcuni di questi dipendono più dal software CAD/CAM utilizzato che da motivi hardware. Ad esempio, le parti rappresentate nell’immagine presentano superfici sfaccettate. Questo è decisamente un problema software (anche se eccezionalmente una cattiva taratura di motori servo può produrre difetti similari).
Diamo un’occhiata più in profondità ad alcuni aspetti critici del software.
1) Tolleranza cordale
Il programmi CAD/CAM spesso simulano curve e superfici “morbide” con una serie di segmenti di linea. La rappresentazione del modello sullo schermo si avvale di tecniche antialiasing che sfruttano algoritmi supportati dal programma o dalla scheda grafica per rappresentare il modello nel modo migliore, ma internamente, in termini di dati geometrici disponibili, il modello viene discretizzato. Inoltre in generale la maggior parte dei controlli CNC è in grado di produrre solo linee ed archi, in contrasto con la moltitudine di tipologie di curve che possono esistere in un modello. Per queste ragioni è importante verificare le impostazioni della tolleranza cordale, considerando che in alcuni programmi questo parametro potrebbe essere definito con una terminologia diversa. Per comprendere la tolleranza cordale, pensiamo alla simulazione di un arco attraverso una serie di curve:
Nel disegno, i segmenti di linea (gialli) sono le corde dell’arco, da ciò il termine “tolleranza cordale”. Il criterio generale è quello di mantenere il valore di tolleranza cordale uguale o meglio ancora inferiore rispetto alla accuratezza della macchina.
I computer attuali sono estremamente potenti, e consentono di definire valori molto bassi di tolleranza cordale senza rallentare eccessivamente il calcolo. Se la tolleranza cordale è troppo elevata, si ottengono parti sfaccettate, come quelle rappresentate nell’illustrazione precedente.
2) Formato del file CAD
Strettamente correlato al problema della tolleranza cordale è il tipo di formato file utilizzato per importare il modello nel software CAM. Ad esempio, formati poligonali come il diffuso STL rappresentano le superfici 3D attraverso una moltitudine di piccole superfici triangolari. L’effetto nel contesto 3D è sostanzialmente analogo a quanto accade nel contesto 2D in relazione alla tolleranza cordale. Le considerazioni sono le stesse; la poligonizzazione deve dar luogo a poligoni di lato più piccolo dell’accuratezza della macchina per ottenere buoni risultati di finitura. Nota: anche utilizzando formati analitici (es. 3DM, Iges, Step etc.), la maggior parte dei programmi CAM all’atto dell’importazione del file converte comunque il modello analitico in un modello poligonale; di conseguenza è comunque necessario controllare come e con quali tolleranza tale poligonizzazione avviene. Un’eccezione a questo comportamento è rappresentata da SprutCAM, che effettua direttamente i calcoli su superfici e curve analitiche, senza poligonizzazione e senza errore cordale.
3) – 4) Passata laterale e strategie di lavorazione
Se è già abbastanza difficile ottenere buone finiture nelle lavorazioni 2,5D, ottenerle nelle lavorazioni 3D è ancora più difficile. Dopo tutto, in generale si utilizzano utensili sferici o raccordati per tentare di ottenere superfici levigate, ma ovviamente questi utensili producono inevitabilmente un più o meno marcato “effetto onda”, o meglio quello che tecnicamente viene definito “cresta”. In merito, ci sono almeno due importanti aspetti da tenere in considerazione nel progettare la lavorazione. Il primo è la passata laterale. Ci sono molti articoli sul web per approfondire i criteri di selezione di valori corretti per la passata laterale, ma questi sono i punti principali da considerare:
- La passata laterale dovrebbe essere compresa tra 1/3 e 1/10 del diametro utensile
- Utilizzare i valori superiori (da 1/5 a 1/3) per materiali morbidi, che non supportano elevati dettagli.
- Utilizzare i valori inferiori (da 1/6 a 1/10) per i materiali più duri o per i materiali che possono supportare elevati dettagli.
- Utilizzare l’utensile più grande possibile che permette di lavorare la geometria in oggetto.
Il secondo aspetto chiave è la strategia da utilizzare. In particolare, l’orientamento delle passate rispetto all’angolo di incidenza frontale e laterale dell’utensile è un elemento critico. Alcuni programmi (es. SprutCAM) consentono di utilizzare strategie composte che adeguano automaticamente la direzione delle passate al grado di inclinazione delle superfici.
5) Troppi movimenti!
L’insieme degli stratagemmi che a questo punto si possono adottare si riassume con il concetto di “aumentare”. Aumentare il numero di segmenti (riducendo la tolleranza cordale), aumentare il numero di triangoli nella poligonizzazione, aumentare il numero di passate (riducendo la passata laterale), aumentare il numero di strategie utilizzate…. aumentare… aumentare…
Questo è probabilmente il momento di rivelare il “lato oscuro” di tutto ciò. E già. Percorrendo questa strada si può infatti arrivare ad un punto in cui viene prodotto un numero eccessivo di comandi G-Code, e questo può essere controproducente. Il primo limite che viene in mente è la capacità del controller di processare una moltitudine di comandi. In particolare i vecchi controller possono gestire file di limitate dimensioni; ma in realtà, in questo momento stiamo parlando di altri problemi, persino più gravi. Infatti, la scarsa capienza del controller è una difficoltà in qualche modo risolvibile, ad esempio inviando il file in diverse parti. Quello che invece generalmente non si può fare è far funzionare il controller in modo più veloce. Inviando una serie eccessiva di movimenti, i controller iniziano a degradare le prestazioni. All’estremo, possiamo calcolare il minimo tempo che il controller impiega a processare un singolo movimento G01 lungo un segmento di linea. Sulla base di questo dato, possiamo stabilire la lunghezza al di sotto della quale il tempo necessario a percorrerla diviene inferiore al tempo di processo del controller. Al di sotto di questo limite, è possibile riscontrare dei problemi di degradazione del percorso di finitura. Il controller resta sempre più indietro ad ogni ciclo, è può bloccarsi.
Cosa fare per evitare troppi movimenti
Ci sono due possibili contromisure.,La prima è ovviamente aumentare le tolleranze, e fare alcuni esperimenti sulle parti curve per individuare parametri accettabili che consentano di realizzare una soddisfacente finitura. E’ necessario anche tentare di individuare i limiti del controller; che vengono raggiunti quando vengono prodotti così tanti dettagli che la superficie inizia a degradare. Queste informazioni sono ovviamente particolarmente importanti, e possono essere ottenute soltanto attraverso una serie di prove ed errori. E’ consigliabile tenere traccia delle prove effettuate e dei loro risultati; una volta scoperti i limiti del sistema, sarà possibile introdurre altre strategie per aggirarli.
La seconda cosa da fare è ottimizzare il G-Code all’interno di questi limiti. A questo punto emerge l’utile pratica di approssimazione agli archi (“Arc Fitting”). L’idea è selezionare una tolleranza, e combinare i segmenti di linea in archi, che approssimano la curva da seguire all’interno di quella specifica tolleranze. Si tratta di una sorta di tolleranza cordale all’inverso. Il risultato finale è molto meno sfaccettato, e il programma risulta molto più corto, e facile da eseguire per un povero vecchio controller. Per sfruttare l’approssimazione agli archi è necessario ovviamente che questa venga supportata dal software. Alcuni programmi CAM la prevedono di serie, e sono disponibili altri applicativi che la offrono come utility.
6. Lavorazione ascendente o convenzionale. Sfruttare la deflessione.
Gli operatori CNC ricevono spesso l’insegnamento di utilizzare sempre lavorazioni ascendenti, e questo è un peccato, poiché vi sono occasioni nelle quali le lavorazioni convenzionali producono risultati migliori. Non voglio elencare tutte le circostanze nelle quali questo avviene; questo sarà oggetto di un approfondito articolo separato, ma consideriamo almeno gli aspetti base. C sono due essenziali concetti riguardo alle prerogative peculiari delle lavorazione ascendenti o convenzionali.
- La lavorazione ascendente richiede una forza di taglio inferiore. Questa è la ragione principale per la quale viene generalmente utilizzata per tutte le lavorazioni, incluse quelle di finitura.
- La lavorazione convenzionale provoca una deflessione lungo il percorso, mentre la lavorazione ascendente provoca una deflessione lungo le parteti di taglio. Questo è il segreto per cui in alcune circostanze, la lavorazione convenzionale produce una finitura migliore.
Certamente, la questione è sottile. Con una forza di taglio inferiore, la deflessione è minore e non costituisce motivo di preoccupazione. D’altro lato, quando si osserva la parte con un angolo particolarmente obliquo, è possibile notare con sorpresa minute variazioni. Se l’utensile deflette verso la parte anche in maniera minima, produce inevitabilmente un effetto onda che può risultare visibile.
Il fatto è che ciascuna lavorazione è diversa, e questo fenomeno può accadere o meno. Io tendo sempre ad utilizzare la lavorazione convenzionale per le finiture, per poter sfruttare i vantaggi di una minore forza di taglio necessaria. Ma se la qualità di finitura è una necessità assoluta, allora è il caso di sperimentare anche la lavorazione ascendente e comparare i risultati.
7. Considerazioni tattiche sul percorso utensile: Approcci, ritrazioni, angoli, Dwell
L’ultimo punto di questo post riguarda alcuni aspetti della tattica, secondo il concetto per cui qualsiasi variazione nel percorso è un’occasione per creare problemi nella qualità di finitura. Ciascuno degli eventi elencati nel titolo del punto 7 è un elemento di disturbo per l’utensile, che può lasciare un segno nella finitura. Tutto ciò che può essere fatto per minimizzare le variazioni migliora la finitura. Ad esempio, i migliori programmi CAM non cambiano la direzione dei movimenti G01 durante il taglio. Tendono anzi a rendere più fluido il percorso includendo archi su ciascuno spigolo esterno. E’ sorprendente quanto ciò influenzi la qualità di finitura.
Nello stesso modo, entrando o uscendo da un contorno, dovremmo cercare di evitare movimenti perpendicolari alla parete, ma usare curve tangenti. Se è possibile allineare gli ingressi e le uscite tangenti ad uno spigolo, si otterrà la migliore qualità possibile.
Per alcuni programmi può essere complesso ottenere dei percorsi simili a quello rappresentato, ma vale la pena tentare di produrli.
