Fondamenti di fresatura CNC: Percorsi utensile e velocità

Cos’è un router?

Prima di discutere o usare un router CNC è utile sapere come usare un router manuale. Il tuo tipico router ha un motore (possibilmente un motore a velocità variabile), una regolazione dell’altezza (fissa o a tuffo) e una pinza, che è una molla affusolata che quando viene compressa crea l’attrito necessario per tenere l’utensile da taglio in posizione.

Quando usi un router non computerizzato vedi, senti e senti come l’utensile può tagliare con un feedback aptico immediato. Se hai accesso a una di queste, vai a giocarci prima di tentare di creare percorsi al computer. Fate un rapido schizzo su un pezzo di compensato di scarto da 12 “x12” e usate una punta da ¼ di pollice per tagliarlo. Se stai lavorando con una base fissa (non un router a tuffo) assicurati di fare un foro da 3/8 di pollice per permetterti di avviare in sicurezza il router nel materiale. Imposta la punta in modo che tagli non più di 1/8 di pollice di profondità per passata, e assicurati di fissare il compensato al tavolo. Tieni presente che l’uso di una fresa con una punta/profondità non specificata potrebbe essere potenzialmente pericoloso. Usa una punta più piccola di 3/8 di pollice e usa un passo inferiore al raggio della punta.

Inizia il taglio al centro della tua forma e lavora fuori in un modello a spirale, questo fornirà supporto per il tuo router se la tua forma è più grande della sua base. Mentre lavorate verso le linee abbozzate, provate a fare movimenti sia in senso orario che antiorario e notate che una direzione fornisce molto più controllo e precisione.

Cosa sono i percorsi degli utensili?

Un percorso degli utensili è il percorso codificato definito dall’utente che un utensile da taglio segue per lavorare una parte. Sono rappresentati sullo schermo da linee e curve che rappresentano il percorso del centro inferiore dell’utensile da taglio. I percorsi a tasca incidono la superficie del materiale, mentre i percorsi a profilo tagliano tutto il percorso.

Pocket

Il processo descritto nell’esempio del palmare sopra è chiamato un percorso a tasca. Nel vostro primo passaggio rimuoverete tutto all’interno delle vostre linee fino ad una profondità costante di 1/8 di pollice sotto la superficie. Se vuoi rimuovere più di 1/8 di pollice semplicemente fermati dopo la prima passata, abbassa la punta, e rimuovi una seconda passata 1/8 di pollice più in basso e così via.

Percorsi utensile a tasca in RhinoCAM

Le linee rosse sono linee di viaggio “pen up”, dove il router solleva la fresa e viaggia sopra la superficie del materiale per arrivare al punto di taglio successivo. L’area blu ombreggiata indica dove il materiale verrà rimosso.

Percorsi utensile a penna in RhinoCAM

Profilo

Se si volesse tagliare la forma invece di rimuovere il materiale all’interno delle linee, il percorso utensile da usare sarebbe chiamato profilo (o contorno).

Percorsi di profilo in RhinoCAM

Percorsi di profilo in fase di taglio.

La maggior parte dei software CAM fornisce quello che sembra essere un numero folle di controlli e opzioni nel dialogo del percorso utensile. Non lasciatevi sopraffare e prendetevi il vostro tempo per muovervi lentamente attraverso ogni scheda in successione, assicurandovi di aver compreso tutte le opzioni. I concetti più importanti da portare via dall’esperimento del router portatile di cui sopra sono: velocità del mandrino, velocità di avanzamento, step-down e step-over. Li tratteremo in modo più dettagliato qui sotto.

Climb vs. movimento di taglio convenzionale

Una punta di router standard gira in senso orario. Se questo seguisse il lato sinistro della linea sarebbe un taglio a scalare, se seguisse il lato destro della linea sarebbe un movimento di taglio convenzionale.

Climb vs Conventional Cuts

La differenza principale tra il taglio a scalare e quello convenzionale è come la fresa morde il materiale. Un taglio convenzionale devia la punta verso il taglio, mentre un taglio a scalare spinge la punta lontano. Il taglio a scalare è spesso preferito quando si usa un router CNC, in quanto causa meno strappi alla grana o “tearout”. Tuttavia, il taglio a scalare può essere pericoloso su un router non controllato da computer, in quanto il pezzo può essere difficile da controllare a mano e può “andare via”.”

Nell’esempio a mano di cui sopra, un modello a spirale in senso orario dall’interno verso l’esterno sarebbe anche un taglio convenzionale e fornirà più controllo perché abbiamo una forza limitata quando si usano strumenti a mano. Infatti, molti libri di falegnameria si riferiscono a questo metodo come l’unica direzione sicura per usare una punta di router.

Un router CNC tuttavia fornirà tipicamente un taglio migliore quando si usa un taglio a scalare soprattutto nel legno massiccio perché eliminerà la possibilità di strappi lungo il vettore di taglio. Per cominciare, non preoccupatevi troppo di questo. Generalmente dovresti scegliere l’opzione che include entrambi, come ‘mixed’, e il software sceglierà cosa usare.

Tooling

Ci sono 4 tipi principali di modelli di flauto per le frese, più molti tipi di punte speciali.

• Flauto dritto – grande tutto intorno alla punta, decente rimozione dei trucioli
• Spirale in alto – grande rimozione dei trucioli, può strappare la parte superiore dell’impiallacciatura sottile come il compensato di finitura
• Spirale in basso – scarsa rimozione dei trucioli, nessuno strappo, avanzamento più lento
• Compressione – combinazione di spirale in alto e in basso, grande tutto intorno alla punta, grande per compensato o fogli laminati.

Ognuno di questi modelli di flauto ha i suoi difetti. Se il denaro non è un problema e si sta principalmente tagliando il compensato di qualità finale, mi piace molto il Freud 77-202 o 77-204. Anche i flauti diritti sono fantastici, poco costosi e sottovalutati.

Limiti di contenimento in 3D

Incoraggio gli studenti a passare del tempo con i tagli 2D prima di usare i percorsi utensile 3D completi. Ci sono diverse ragioni per questo, ma la più importante è che prendersi il tempo per capire la lavorazione 2D permette una comprensione molto migliore dei parametri 3D. Sarei felice di trattare il 3D in modo più approfondito in una data successiva, ma per ora voglio discutere dei confini di contenimento.

Invece di usare la geometria wireframe o curve e linee come fonte primaria di input, un percorso utensile 3D usa superfici chiamate ‘superfici di guida’. Per ottenere il risultato desiderato è spesso necessario utilizzare un confine di contenimento. Questa è una curva che definisce i limiti del movimento in x e y sulla superficie di guida. La chiave per usare i confini di contenimento è che devono essere al di sopra della tua geometria.

Tipicamente sposto il modello sotto al piano di costruzione prima di iniziare e metto il contenimento sul CPlane.

Feeds and Speeds

La maggior parte dei mandrini (il termine per il router collegato al tuo router cnc) andrà da circa 7,000rpm a 18,000rpm. Questa velocità è chiamata “velocità del mandrino” ed è direttamente collegata alla velocità di avanzamento o velocità di superficie, che la maggior parte delle macchine sono in grado di fare fino a circa 200ipm. Le altre due variabili, step-down e step-over dovrebbero essere mantenute in modo che l’area trasversale impegnata con il materiale non sia più del raggio per il diametro della punta. Questa è una regola empirica, ma è un buon punto di partenza per i calcoli di avanzamento e velocità.

Per ricapitolare:

• Velocità del mandrino – velocità di rotazione dell’utensile da taglio in giri al min
• Velocità di avanzamento – velocità della superficie al centro dell’utensile rotante
• Step down – la distanza in direzione z per ogni passata che un utensile da taglio è immerso nel materiale
• Step over – la distanza massima nella direzione x/y che un utensile da taglio si impegna con materiale non tagliato

Calcolo di avanzamenti e velocità

Di seguito una formula per calcolare l’avanzamento:

ChipLoad x CutterDiameter x NumberOfFlutes x SpindleSpeed = FeedRate

dove il chipload è la quantità di materiale tagliato per dente (avanzamento per dente). L’avanzamento è la velocità di superficie dell’utensile da taglio in pollici al minuto, la velocità del mandrino è la velocità di rotazione dell’utensile da taglio in giri al minuto, il numero di scanalature e il diametro della fresa sono determinati dal vostro utensile. In questo caso sono ¼ di pollice e 2 scanalature. A seconda della dimensione della vostra punta, il carico di trucioli per il compensato è tra 0,005 pollici e 0,01 pollici per dente. Per i piccoli bit sotto 1/8 di pollice iniziare con 0,005 e aumentare da lì. Per le punte da 1/4 di pollice e più grandi probabilmente non si romperà nulla partendo da 0,01.

La dimensione del carico di trucioli o dell’avanzamento per dente è un fattore molto importante nella lavorazione, i trucioli più grandi sono in grado di tirare via più calore. I trucioli più piccoli sono più facili per la macchina e gli utensili ma possono causare troppo calore. Volete fare dei trucioli che quando cadono cadono a terra piuttosto che diventare polvere che rimane nell’aria.

Quando cercate di affinare i vostri avanzamenti e velocità con una nuova punta, indovinate meglio che potete usando la formula degli avanzamenti e delle velocità e toccate la punta appena smette di girare dopo aver fatto alcuni tagli (ricordate: la sicurezza prima di tutto), dovrebbe essere calda, forse un po’ calda al tocco, ma non dovrebbe bruciarvi. Se è troppo caldo, aumentare l’avanzamento o abbassare la velocità del mandrino. Guarda la qualità del bordo dopo che il taglio è stato completato. Se è ondulato, è una vibrazione dell’utensile e dovresti diminuire l’avanzamento o aumentare la velocità del mandrino.

Usa anche le tue orecchie, l’utensile dovrebbe suonare bene quando taglia… fidati del tuo istinto.

Alcuni esempi

Se inseriamo le nostre variabili note otteniamo:

0.01 x 0.25 x 2 x 18000 = FeedRate = 90ipm

Tenendo presente che non vogliamo spingere la punta più velocemente di circa 200ipm, se volessimo usare una punta a 4 scanalature da 1/2 pollice, potremmo risolvere per la velocità del mandrino piuttosto che l’avanzamento.

• 0.01 x 0.5 x 4 x SpindleSpeed = 200ipm
• SpindleSpeed = 10.000rpm

È utile fare un grafico in modo da poter trovare rapidamente i numeri che stai cercando. Sei il benvenuto ad usare la mia tabella degli avanzamenti e delle velocità.

Consigli di lavorazione e trucchi

Step-Down e diametro della punta

Tutti questi numeri sono basati su uno step-down del raggio e step-over del diametro della punta. Con il carico di trucioli impostato a 0,01 è possibile scendere e superare il diametro della punta, ma questo è il massimo assoluto e dovrebbe essere solo brevi momenti nel taglio. E’ possibile danneggiare il vostro mandrino spingendolo troppo forte, ricordatevi di riscaldare sempre il mandrino per almeno 10 minuti prima di fare qualsiasi taglio. Ci sono alcuni cuscinetti costosi lì dentro che saranno distrutti se saltate questo passo.

Pelle a cipolla sui tagli di profilo

Quando taglio di profilo il compensato impiallacciato mi piace usare una punta di compressione con una tecnica chiamata pelle di cipolla. Ci sono molti modi diversi per programmare qualsiasi lavoro, ma questo metodo è un modo per ottenere piccole parti e un buon bordo finito senza strappi su un tavolo a vuoto con uno spoilboard. L’idea è di scendere prima per livello, quindi tagliate tutte le vostre parti fino al primo gradino, poi al secondo e così via, lasciando un sottile strato di impiallacciatura nella parte inferiore di ogni taglio. Poi, in un ultimo passaggio, tagliate la sottile ‘pelle di cipolla’ di impiallacciatura che è rimasta. Poiché la quantità lasciata è così sottile, offre poca resistenza alla punta e abbassa la possibilità che il pezzo si muova.

Se stessi tagliando 3/4 di compensato, che in realtà misurerebbe da qualche parte intorno a 0,72 pollici, scenderei due volte, 0,34 per passaggio lasciando 0,04 pollici più 0,02 di sfondamento per l’ultimo percorso utensile da rimuovere. Poiché sto scendendo quasi 3/8 di pollice mentre taglio l’intera larghezza di 1/4 di pollice della punta in ogni passata, dovrei abbassare la velocità di avanzamento.

Con una punta da 1/4 di pollice dovrei scendere di 1/8 di pollice (il raggio) quando faccio il taglio di contorno usando un carico di trucioli di 0,01 pollici. Ma voglio usare una punta di compressione per evitare qualsiasi strappo sulla parte superiore del mio foglio e quella punta non ha una spirale verso il basso fino a circa 5/16 di pollice sul bordo di taglio. Quindi devo scendere di 3/8 di pollice. Poiché sto aumentando l’area della sezione trasversale della punta impegnata con il materiale, dovrei diminuire il carico di trucioli dello stesso importo così il nuovo carico di trucioli sarebbe 0.00333 e restituire una nuova velocità di avanzamento di 30ipm. Dopo un po’ di esperimenti, ho trovato che un carico di trucioli di 0,005 pollici a 18000 giri/min. con conseguente avanzamento di 45 ipm è ottimale per le mie esigenze.

Sperimenta con sicurezza

Non farti trasportare troppo dai numeri, usa il tuo buon senso e fidati del tuo istinto. Ogni pezzo è un po’ diverso e c’è una vasta gamma di densità nel legno massiccio e nelle diverse lamiere. Inoltre, indossate sempre gli occhiali di sicurezza. Sembra una misura eccessivamente cauta molte volte, ma considerate il probabile scenario di una piccola punta di carburo da 1/8 di pollice che si frantuma. Non è probabile che la polvere di legno vi mandi in ospedale, ma una piccola scheggia di acciaio nell’occhio è qualcosa con cui fare i conti.

Scaricate i file di esempio di Rhino 3D

Se siete interessati è possibile scaricare una prova gratuita di Rhino per 90 giorni. Potete anche scaricare RhinoCAM da MecSoft. Non vi permetterà di salvare i vostri file, ma potrete sperimentare e imparare gratuitamente.