Jobs è presente nel settore aerospace da molti anni con applicazioni legate alla lavorazione di materiali compositi, alluminio e titanio.
Più di recente, però, c’è stato un significativo aumento nell’utilizzo del titanio nei velivoli: si è passati da una percentuale (in peso) del 25% a oltre il 30% tra elementi strutturali e motoristici. Pur essendo l’aeronautico il principale settore di sbocco dei manufatti in titanio, ci sono poi anche altri ambiti di utilizzo nei quali è apprezzato o si sta affacciando, come l’energetico per le turbine.
Questo ha imposto ancora maggiore attenzione nella gestione del titanio, un materiale che presenta caratteristiche molto peculiari. Se fino a pochi anni fa poteva essere accettabile utilizzare – con le ovvie limitazioni – le macchine convenzionali/universali facendo asportazioni modeste rispetto ad altre leghe, oggi le recenti tecnologie e i margini più ristretti richiedono una decisa svolta.
Non solo: anche gli utensilieri hanno sviluppato nuovi rivestimenti, geometrie e substrati in grado di aggredire con maggiore efficienza il titanio e le sue leghe. A patto di poter contare su macchine molto performanti sul fronte della rigidità, della capacità di smorzamento, della coppia al mandrino e in generale di poter asportare rapidamente anche il calore prodotto dal processo di lavorazione.
Basandosi su questi criteri, i progettisti Jobs hanno dunque pensato a una nuova linea di macchine create appositamente per questa applicazione.
Pensata per il titanio
TRT 1000 basa parte del proprio sviluppo su TARKUS 2.0, un modello che già 3 anni fa si distingueva proprio nel campo della lavorazione del titanio.
Il cambiamento più importante è stato l’impiego di strutture in ghisa sferoidale anziché in acciaio. La ghisa offre infatti un indiscutibile vantaggio in termini di smorzamento delle vibrazioni; il progetto TARKUS 2.0 ha dimostrato come questo approccio fosse vincente, dunque in Jobs si è pensato a un centro di lavoro orizzontale pallettizzato applicando gli stessi concetti: macchina in ghisa, mandrino ad alta coppia, una importante spinta sugli assi e un sistema di adduzione di lubrorefrigerante interno all’utensile ad alta pressione (80 bar e 150 l/min di portata) e di 15 bar all’esterno, utilizzabili entrambi contemporaneamente durante la lavorazione grazie a un importante chiller per il raffreddamento e a una vasca da 2.000 litri con sistema di filtrazione a elevata efficienza.
Un altro punto fermo nella creazione di TRT 1000 è l’assenza del cannotto: l’impostazione a colonna mobile consente di avere la medesima rigidità in qualsiasi punto dell’asse Z. Quello delle frequenze di lavoro (e di quelle indotte sul pezzo) è un tema critico quando si parla di titanio; dunque, poterle mantenere sotto controllo e al di fuori dei range critici è un passaggio fondamentale.
Dinamica e produttività
TRT 1000 è una macchina a 5 assi progettata con struttura a T: l’asse X è longitudinale, Z è quello trasversale sul quale scorre l’intera colonna, mentre l’asse Y è il verticale.
Gli assi A e B, rispettivamente la testa tiltante e l’asse rotativo della tavola, sono continui, ma possono essere bloccati idraulicamente: le coppie sulla testa sono di 13.000 Nm in continuo e 40.000 bloccato, mentre sulla tavola girevole sono disponibili 25.000 Nm in continuo (40.000 con il blocco idraulico).
Generose le dimensioni del campo di lavoro, con corse di 2.500 mm in X, 1.600 mm in Z e 1.500 mm in Y (2.000 mm opzionali).
TRT 1000 nasce con pallettizzazione a due posizioni (pallet da 1.250x1.600 mm con portata di 8 tonnellate): si tratta di una scelta che valorizza la produttività della macchina riducendo al minimo i tempi morti per il carico dei grezzi, il loro staffaggio e lo scarico del pezzo finito.
Un sistema di cambio pallet con queste caratteristiche, con scambiatore frontale che ha accesso a due differenti posizioni per pallet, assicura un’alta affidabilità senza rinunciare alla produttività. Le lavorazioni che vengono eseguite sulla TRT 1000 richiedono generalmente parecchie ore (non di rado si effettuano asportazioni dal pieno) e un maggior numero di posizioni per i pallet può avere una logica quando la macchina viene integrata in un sistema FMS.
Jobs è anche conosciuta per l’ampia disponibilità di teste sia meccaniche, sia con elettromandrino. Per questo modello è stata scelta una testa a forcella con elettromandrino per una questione di maggiore affidabilità complessiva.
La qualità più evidente è data dalla semplificazione della catena cinematica: una scelta che riduce il calore generato e risulta più compatta. Inoltre, i dati di coppia e potenza dell’elettromandrino sono quelli effettivamente disponibili all’utensile, vista l’assenza di rinvii o trasmissioni (che ne assorbono una quota non trascurabile). Infine, l’elettromandrino è più facile da regolare termicamente.
La testa è azionata da un doppio motore raffreddato a liquido, con pignoni e galoppini per il recupero elettronico del gioco.
Anche lo stesso elettromandrino è stato progettato appositamente per questa applicazione: costruito su progetto Jobs, è in grado di sviluppare 1.210 Nm di coppia e 96 kW di potenza, arrivando fino a 4.000 giri/min. Il prossimo passo è la realizzazione di un modello da 1.600 Nm di coppia: TRT 1000 è stata infatti dimensionata per assicurare piena funzionalità con questi valori.
L’altro asse rotativo (la tavola girevole), anch’esso di produzione Jobs, è interpolabile grazie a due motori con trasmissione a 90° con pignoni che agiscono su una ruota dentata solidale con la tavola stessa, che raggiunge i 4 giri/min.
Gli assi lineari presentano invece un sistema a vite a ricircolo di sfere con guide a ricircolo di rulli: questa scelta è data dalla volontà di Jobs di creare una macchina che non fosse solo adatta alla sgrossatura, ma che fosse in grado di effettuare anche operazioni di finitura grazie a una buona dinamica.
Per sua stessa natura, il titanio richiede traiettorie di approccio e di distacco specifiche. Nella sua lavorazione non si raggiungono avanzamenti elevati, ma risulta fondamentale un’elevata dinamica: se pensiamo alla creazione di tasche, accelerazioni e decelerazioni anomale negli angoli possono inficiare la finitura superficiale e influire negativamente sulla vita residua degli utensili.
TRT 1000 non è dunque definibile una macchina veloce in senso stretto (come invece avviene su altre macchine del gruppo, pensate per alluminio e leghe leggere) ma, come vedremo, assicura un’elevata produttività grazie al volume di truciolo di titanio che è in grado di asportare.
La taratura degli assi è pensata per evitare movimenti bruschi in lavorazione, una condizione negativa quando si lavora sul titanio.
Per lo stesso motivo, non viene utilizzato un “processo adattativo”: mentre con altri materiali variare i parametri durante la lavorazione può essere utile per ottenere sempre il massimo dalla macchina senza mettere in crisi utensili, motori e pezzo, sul titanio è preferibile fermare la lavorazione in modo controllato quando gli assorbimenti risultano eccessivi poiché è indice di anomala usura degli inserti.
Dettagli che fanno la differenza
La struttura a T come accennato è la chiave per poter contare sempre sulla medesima rigidità in qualsiasi punto del volume di lavoro.
Sugli assi lineari la spinta è di 22.000 N, indispensabile per aggredire un materiale che per sua stessa natura tende a respingere l’utensile. 20 m/min è la velocità massima raggiungibile, con una accelerazione di 2 m/s2.
Visto il volume di truciolo che è in grado di asportare, la macchina è dotata di due trasportatori che corrono lungo l’asse X (uno per parte) e riversano il materiale in un terzo trasportatore trasversale che convoglia il tutto verso un contenitore esterno.
La macchina inoltre è completamente cabinata ed è dotata di un sistema di aspirazione delle nebbie oleose.
È stata inoltre disegnata per essere installata a filo pavimento: questo significa che un buon pavimento industriale evita l’esecuzione di costose fondazioni, realizzare scavi per i convogliatori di trucioli e per i liquidi, ecc. Questo approccio riduce il tempo di installazione e i relativi costi per il cliente.
Il cambio utensile è del tipo a catena a 60 posti ed è posizionato a fianco della colonna. Ospita utensili con cono HSK –A-125 (sufficientemente robusto per trasmettere la coppia necessaria per lavorare il titanio), fino a 250 mm di diametro e 400 mm di lunghezza, per un peso massimo di 30 kg.
A scelta del cliente, possono essere installati i controlli numerici Siemens (840D solution line) o Heidenhain (TNC 640).
Disponibile in opzione anche il tastatore laser per la misura degli utensili e il controllo rottura.
Prove e test
Come si comporta in definitiva TRT 1000 sul titanio?
In Jobs hanno eseguito alcuni test seguendo le precise indicazioni degli utensilieri, che hanno sviluppato utensili molto performanti che richiedono macchine dedicate, verificando limiti e possibilità nell’asportazione di truciolo su titanio.
Con la prima prova sono stati utilizzati solo i 3 assi lineari (con quelli rotativi bloccati idraulicamente). Una fresa a riccio con diametro 80 mm ha eseguito una cava dal pieno con profondità 50 mm e avanzamento 130 mm/min (per un totale di 525 cm3/min di materiale asportato). Oltre all’eccellente quantità di truciolo, sul pezzo non risultano segni dati dalle vibrazioni (verificato anche dai dati rilevati dai sensori presenti nella testa della macchina).
Per il test a 5 assi interpolati è stata realizzata una cava dal pieno con fresa da 80 mm, profondità 30 mm e un volume di truciolo asportato di 315 cm3/min.
Con l’ultimo test è stata utilizzata una fresa a spianare da 160 mm di diametro per asportare quella che in gergo viene chiamata crosta del titanio. Rappresenta un grosso problema per molte officine perché nelle billette la parte esterna (circa 7-10 mm) è costituita da uno strato molto duro o che presenta impurità. L’ideale è asportare in una sola passata questo strato per arrivare al materiale utile, altrimenti si rischia di consumare in modo anomalo i taglienti (molto costosi). Le condizioni tecnologiche sono più critiche per la macchina, perché si abbassa ulteriormente la frequenza di lavoro (la fresa ruota a 90 giri/min) e la macchina deve essere in grado di gestirle per evitare di rompere gli utensili. Il risultato della prova è stato ottimale: l’intera spianatura è stata eseguita senza necessità di sostituire gli inserti. Se anziché una singola passata da 10 mm di profondità fossero state eseguite due distinte passate da 5 mm, sarebbe stato necessario sostituire le placchette tra la prima e la seconda passata.
L’assenza di vibrazioni ha anche un benefico effetto sulla durata degli utensili, che in base ai test eseguiti si stima possano raggiungere il 20-30% in più.
Presso il centro tecnologico e MUSP, partner di Jobs nei progetti di ricerca, sono in corso anche test con refrigerante criogenico.
Rispetto ad altre macchine del gruppo, la capacità di asportazione sul titanio è raddoppiata. Ma non si tratta solo di una questione di trucioli: i benefici si notano in particolare sfruttando al meglio utensili “difficili” (come quelli più lunghi) o quando si effettuano lavorazioni tangenziali e a bassi regimi.
