Deformazione struttura CNC

[Gerbelli]

Buon giorno a tutti,

In questo forum tutti scrivono della precisione centesimale delle loro macchine, ma volevo fare una piccola domanda, avete MAI verificato sotto sforzo quanto la vostra macchina si deforma?
Circa 6 mesi fa ho terminato una piccola CNC con area di lavoro di 400 x 300 x 120mm (rispettivamente X - Y e Z) e ho pensato di realizzarla in alluminio pieno di spessore 20mm utilizzando delle barre non supportate di à˜20mm per tutti gli assi.
Il risultato anche se apparentemente è sufficiente (non ho problemi a fresare nemmeno l'alluminio), sembrerebbe non esserlo quando con un comparatore mi sono accorto di quanto la struttura si deformi sotto sforzo, ad esempio premendo l'elettromandrino verso il basso con una forza di circa 10/15Kg verifico un piegamento della struttura di 0,5mm!, staffando i pezzi sul piano di lavoro lo stesso si deforma di 0,3mm!, insomma, mi sembra tutto molto flessibile con niente di veramente rigido!.

Pensando che il problema erano le barre non supportate, stavo vedendo di riprogettare una nuova CNC utilizzando altri materiali, ma oggi con gran stupore mi sono accorto con una prova pratica che una barra di alluminio da 50x20mm lunga 600mm messa di costa flette di circa 0,1mm se applico centralmente una forza di 30Kg!.

A questo punto ho deciso di fermarmi per capire meglio come agire nella progettazione di una nuova macchina e per capire se qualche altro utente ha mai verificato questo problema; inoltre come punto di partenza, mi piacerebbe anche sapere se nella progettazione è meglio utilizzare delle barre piene (esempio con spessore di 20/30mm) o dei profilati di alluminio che li avevo sempre snobbati considerandoli non sufficientemente rigidi ma che a questo punto li rimetto in gioco.

Qualcuno sa aiutarmi?
Stavo addirittura pensando di mettere come base di fissaggio delle barre supportate per l'asse X lungo 700mm due profilati di 50x50mm, ma poi pensando anche al resto della struttura mi sono chiesto se era la strada giusta oppure no: non posso fare una macchina pesante 200Kg!, e poi a torta finita che deformazioni ancora otterrei?

Attendo commenti da chi ci è già  passato cercando di limitare queste flessioni, magari con alcune foto della propria macchina con le soluzioni adottate.

Grazie
Gerbelli

[Zebrauno]

A dire il vero qualcuno qui dentro studia le deformazioni sotto sforzo prevedendole con grande precisione ben prima di mettersi a costruire.
Esistono vari strumenti, dal calcolo manuale sino alle simulazioni, per conscere esattamente sia lo sforzo in lavorazione in base alla fresa/affondo/velocita'/avanzamento usati che la conseguente deformazione di tutta la macchina.

Quindi la risposta alla tua domanda e': si, ci siamo gia' posti il problema e se guardi bene nel forum troverai discussioni molto approfondite.

La questione si affronta a grandi linee con punti fermi molto semplici e ricorrenti:
- maggiore sara' la Z, maggiori le deformazioni e imprecisioni in lavorazione
- maggiore sara' l'area di lavoro, maggiore la variabilita' di flessioni distribuite su tutto il piano a seguito dell'affondo della fresa
-maggiore corsa della traversa del ponte equivale a maggiori sforzi torsionali e deformazioni quando il mandrino lavora al centro della corsa.

In pratica, una macchina grande deve per forza diventare pesante per rimanere rigida, non si scappa.
O diventa pesante, o maledettamente complessa..quindi il primo obiettivo e' capire cosa bisogna lavorare e costruire la macchina piu' piccola possibile.

ciao

[c1anc10]

Non so se hai mai provato a costruire qualcos'altro a parte una cnc (magari sto rispondendo a un progettista della Ferrari), ma, come è facile immaginare, qualsiasi struttura o qualsiasi elemento flette sotto sforzo, anche minimo.
Sta tutto a vedere che tolleranze possiamo permetterci: se parlo della flessione che fa il manico della scopa quando sto ramazzando sul selciato davanti a casa, ovvio che non ha importanza che fletta di 1 mm o di 1 cm o di 10, ma anche quello, con pochi gr di forza flette.
Se sto costruendo una cnc da 10m x 3m per tagliare dei pannelli di truciolare per casseri da imballaggio, probabilmente non ho bisogno di una precisione al millesimo di mm, ma mi accontenterò del mm, quindi una certa flessione della struttura me la posso anche permettere.
Se con la tua macchina hai bisogno di ottenere un'errore entro il decimo anche fresando con una spinta superiore ai 10-15 kg, purtroppo non c'è altro modo che irrigidire il tutto finchè non regge.

Hai le seguenti possibilità :
1) aumentare le dimensioni e gli spessori degli elementi della struttura, metodo più grezzo ma più facilmente realizzabile
2) utilizzare materiali speciali ad alta resistenza, o per lo meno più alta di quella che avevi precedentemente (se un particolare era in alluminio puoi passare al ferro, se era già  in ferro, puoi cercare dell'hardox o weldox, ... )
3) utilizzare strutture più complesse, prevedendo triangoli di rinforzo, tiranti, eventualmente anche bloccaggi ad un'altra struttura più rigida (esempio bloccare il tutto su un piano di marmo...); questo metodo probabilmente è il più economico ma anche il più difficile da realizzare e da valutare.
4) correzioni elettroniche: puoi fare in modo di misurare in tempo reale l'errore introdotto dalle flessioni, usando un doppio sistema di misura che verifichi lo spostamento reale dell'utensile, metodo molto complesso da realizzare me che ti garantisce probabilmente la più alta precisione possibile
5) ridurre la velocità  di lavoro: quando spingi la fresa contro il pezzo, lo sforzo è proporzionale alla velocità  con cui avviene questo moto: se riduci la velocità , dai modo ai taglienti di fare il loro lavoro più efficacemente, e riduci quindi la forza necessaria ad eseguire la stessa lavorazione

...
Mi sono lasciato un po' prendere la mano.
Per finire: una soluzione universale immagino che non esista, ogni macchina avrà  i suoi accorgimenti e soluzioni per limitare gli errori (alla fine è di questo che si parla), il limite tra "rigido" e "flessibile" dipende dalla tolleranza della lavorazione che si deve effettuare.
"devo pitturare una parete grande, mi serve un pennello grande"; Devi lavorare un pezzo grande? Ti serve una macchina grande (e pesante!!!)

[Zebrauno]

Hardox? Se e' quello che conosco si tratta di una lamiera antiusura, ma il suo modulo di Young e' uguale a quello dell'acciaio...dunque le flessioni saranno nello stesso ordine di grandezza.
Al massimo ci potranno essere piccole variazioni in funzione dello spessore della lamiera, dovute al processo di laminazione, ma di entita' trascurabile.

Idem per il Weldox....stesso peso specifico e modulo di Young dell'acciaio, dunque stesse deformazioni sia sotto peso proprio che sotto carico.


Il balzo maggiore e' nel passaggio tra alluminio e ferro, le deformazioni si riducono a 1/3...ma andare oltre richiede spese notevoli e spesso non e' praticabile perche' si tratta di materiali non lavorabili o con grande difficolta'.

ciao

[Kappagi]

ma quindi a parità  di costruzione una struttura i ferro è più rigida di quella in alluminio?
scusate l'ignoranza

[walgri]

A parità  di TUTTO la struttura in acciaio è tre volte più rigida e tre volte più pesante.

[Kappagi]

Grazie
peso a parte non avrei mai pensato a così tanta differenza sulla rigidezza...

[c1anc10]

Hardox? Se e' quello che conosco si tratta di una lamiera antiusura, ma il suo modulo di Young e' uguale a quello dell'acciaio...
Idem per il Weldox....stesso peso specifico e modulo di Young dell'acciaio, dunque stesse deformazioni sia sotto peso proprio che sotto carico.

Scusami, non sono molto tecnico nelle definizioni: per modulo di Young del ferro intendi l'indice (che io chiamo per comodità  carico di snervamento, ma non credo sia corretto) quello comunemente scritto dopo l'Fe, quindi Fe430 o 510?

Ti argomento brevemente quello che ho scritto: sono d'accordo che l'Hardox non sia molto più "resistente" del ferro comune, visto che è specificamente antiusura (usato quindi ad esempio per lame sgombraneve, benne per scavatori, vasche per ghiaia, ...), sul sito viene riportata solo la durezza in brinnell, non so se sia possibile convertirla o confrontarla con quella del ferro comune, ma ti posso assicurare che se provi a lavorarlo (piegarlo in particolare, oltre che a forarlo, ma lì entrano in gioco altri fattori) a parità  di spessore del ferro normale è tutta un'altra musica. L'ho citato perché dei prodotti della SSAB è il più diffuso.

Per quanto riguarda il weldox, invece, mi sento di dissentire con quello che dici: il peso è ovviamente lo stesso, alla fine stiamo parlando di ferro, buono, ma pur sempre ferro, ma in questo caso si parla di valori di ... modulo di Young? che vanno da 700 a 1300 Mpa, credo che siano confrontabili con i 430-510 (ma spesso anche 360!) del ferro comune.
Ti do un'altro esempio: faccio piegare normalmente da una ditta esterna dei profilati in Fe 510 lunghi 6 metri spessore 6mm, hanno una pressa da 700 ton (penso che sia la più grande dei piegatori della mia zona) e li piegano senza problemi.
Gli ho chiesto se mi potevano fare gli stessi pezzi in Weldox 700 da 5 mm: dopo essersi confrontati con i tecnici della piegatrice mi hanno risposto che, a parte la necissità  di cambiare i coltelli che non avevano intenzione di affrontare (ovviamente), la forza della piegatrice non sarebbe stata comunque sufficiente. Poi non so dirti se è solo perchè non ne avevano voglia di provarci, ma solitamente sono abbastanza professionali...
Il Weldox nasce come acciaio strutturale, considera che i bracci delle gru sono fatti con questo, non penso che sia poi così trascurabile la differenza con il normale Fe 430 ...
Io sto confrontando dei numeri che PRESUMO essere della stessa unità  di misura, o riferiti alla stessa grandezza, potrei sbagliarmi, ma per esperienza di lavoro mi sembra che la differenza si senta eccome.
Ciao.

[almo]

Il modulo di Young, o modulo di elasticità , non è la stessa cosa del carico di snervamento.
Il secondo è relativo appunto alla resistenza meccanica allo snervamento, mentre il primo riguarda unicamente l'elasticità  del materiale. In sostanza il modulo di Young è il coefficiente che lega la deformazione elastica (la freccia) alla forza applicata.
Sono diversi anche numericamente: Young per gli acciai è intorno a 200 GPa, mentre il carico limite di snervamento si aggira sui 500MPa, quasi 3 ordini di grandezza di differenza.

Discorso simile per la durezza che è anch'essa una caratteristica diversa dall'elasticità . Infatti essa misura la resistenza alla deformazione plastica (e quindi non elastica); nulla ha a che vedere con il modulo di elasticità .

Nel merito del topic, visto che stiamo parlando di deformazioni, ha senso quindi parlare del modulo di Young e non del carico di snervamento o della durezza.


EDIT: Per la cronaca, il Weldox ha un modulo di elasticità  di 208 GPa (fonte, tra tante: http://www.b-e-c.se/Publikationer/IJSS_ ... 1_2007.pdf).

[Zebrauno]

c1anc10 non preoccuparti...in un forum chi nota un'inesattezza e' tenuto a farla presente non tanto per riprendere un utente ma per non lasciare che l'errore possa trarre in inganno altri lettori.

Aggiungo inoltre che la piegatura avviene proprio per snervamento (deformazione plastica, quindi permanente) ed e' questo il motivo per cui alla piegatrice occorre piu' pressione per il weldox rispetto all'acciaio comune, a parita' di spessori e larghezza di piega.

ciao

[c1anc10]

Non mi offendo assolutamnte, anzi mi fa piacere imparare qualcosa di nuovo. Come dicevo non sono ferrato (è il caso di dirlo!) sui parametri tecnolgici dei materiali, quindi significa che questi materiali possono flettere di più senza deformarsi, giusto? a parità  di sforzo la flessione è la stessa, ma possono sopportare un carico maggiore prima di cedere?

[Zebrauno]

Volendo riassumere molto si, e' corretto quello che hai scritto.