Ghisa o acciaio saldato per un basamento macchina

La domanda si pone a ogni nuovo programma di macchine e di solito viene discussa sull’asse sbagliato. Si discute su quale materiale sia migliore. La domanda utile è quale sia migliore per il Suo volume di produzione, per la Sua classe di precisione, nei Suoi tempi, perché la risposta si ribalta davvero a seconda di questi tre fattori.

In cosa è davvero valido ciascun materiale

La ghisa grigia si guadagna il suo posto nelle macchine utensili grazie allo smorzamento. Le lamelle di grafite nella matrice dissipano l’energia delle vibrazioni come attrito interno, e l’effetto è grande: la ghisa grigia smorza circa un ordine di grandezza meglio di una sezione d’acciaio comparabile. In una struttura in cui il limite alla finitura superficiale sono le vibrazioni autoeccitate (chatter) e non la deformazione, questo conta più di qualsiasi altro dato della scheda tecnica.

L’acciaio vince sulla rigidezza specifica. Il modulo di Young dell’acciaio strutturale è di circa 200 GPa contro circa 100–130 GPa della ghisa grigia, quindi, a parità di chilogrammi di materiale nel posto giusto, l’acciaio è all’incirca due volte più rigido. Una struttura saldata correttamente scatolata e nervata può essere più leggera del getto in ghisa che sostituisce e flettere comunque di meno sotto lo stesso carico.

Quindi la sintesi onesta è: la ghisa smorza, l’acciaio è rigido. Ogni decisione reale riguarda quale dei due Le manca.

Dove lo smorzamento smette di essere decisivo

L’argomento dello smorzamento è più forte per le macchine il cui limite sono le vibrazioni in tagli interrotti o pesanti: torni, alesatrici, fresatrici di vecchia generazione con lunghe campate non supportate. Si indebolisce notevolmente per:

• Macchine con frequenze proprie elevate. Una struttura saldata rigida e ben scatolata porta il suo primo modo al di sopra delle frequenze di eccitazione che il processo produce davvero. Lo smorzamento conta soprattutto quando un modo si trova dove agiscono le forze di taglio; se si sposta il modo, il problema si sposta con esso. L’argomento è trattato più a fondo in frequenza propria e vibrazioni nelle strutture delle macchine.
• Macchine in cui lo smorzamento viene dai giunti. In una struttura saldata lo smorzamento si concentra nelle saldature e nelle interfacce imbullonate. Una struttura con giunti ben progettati e un’interfaccia imbullonata precaricata può avvicinarsi in pratica alla ghisa, anche se il materiale di base non lo fa.
• Strutture saldate riempite. Un riempimento di sabbia, calcestruzzo o inerte con resina epossidica all’interno delle sezioni scatolate aggiunge smorzamento a una struttura in acciaio a basso costo. È comune su traverse a portale e basi di montanti e colma buona parte del divario. Il confronto completo con una struttura in polimero colata appositamente è in granito sintetico o acciaio saldato.

L’argomento del volume, che di solito decide

La ghisa richiede un modello. Per un basamento macchina significa un modello in legno o in resina, casse d’anima e una fonderia disposta a produrlo: in genere diverse migliaia di dollari e da sei a dieci settimane prima che esista il primo getto. Dopo di che, ogni getto aggiuntivo è economico e identico.

Una struttura saldata non ha costi di attrezzatura. Taglio, assemblaggio e saldatura iniziano nella settimana in cui il disegno viene rilasciato. Ogni unità aggiuntiva costa all’incirca quanto la prima, perché la manodopera non si ammortizza come un modello.

Il punto di pareggio è reale e ragionevolmente prevedibile:

Volume annuo	Risposta abituale
1–5	Struttura saldata, quasi sempre
5–25	Struttura saldata, a meno che lo smorzamento non sia il vincolo decisivo
25–100	Davvero incerto; chieda entrambe le offerte
100+	Getto, a meno che il pezzo non sia troppo grande per essere fuso in modo economico

Le dimensioni spostano il punto di pareggio verso l’alto. Oltre circa 3 metri nella dimensione maggiore, le fonderie in grado di eseguire la colata si riducono rapidamente, il trasporto di un singolo getto pesante diventa costoso, e la struttura saldata resta competitiva a volumi in cui un pezzo più piccolo sarebbe passato alla ghisa già da tempo.

Tempi di consegna e libertà di progetto

Una struttura saldata può essere riprogettata tra un’unità e l’altra. Se la prima macchina rivela che il montante ha bisogno di altri 20 mm di parete o di una nervatura in una posizione diversa, la modifica costa una revisione del disegno e una settimana. La stessa modifica su un getto costa una modifica del modello e un altro ciclo di fonderia.

Per una macchina che sta ancora trovando la sua forma definitiva (un prototipo, un lotto pilota, un progetto nei suoi primi due anni) questa flessibilità vale di solito più della differenza di smorzamento. Diversi costruttori usano telai saldati per le prime 20 o 50 macchine e passano alla ghisa solo quando la geometria smette di cambiare. È una sequenza sensata, non un compromesso.

Dove la strada della struttura saldata può andare storta

Due modalità di guasto spiegano la maggior parte delle delusioni con i basamenti macchina saldati, ed entrambe sono problemi di processo, non di materiale.

Tensioni residue lasciate nella struttura. La saldatura blocca tensioni nel pezzo. Se si lavora una faccia senza distenderla, la struttura si assesta nei mesi successivi. La geometria che ha collaudato e accettato se ne va in silenzio. È il motivo più comune per cui un basamento saldato rende meno di uno in ghisa in servizio, ed è del tutto evitabile: veda distensione dei basamenti macchina saldati.

Distorsione durante la fabbricazione. Una saldatura con una sequenza sbagliata su un telaio lungo può portarlo fuori piano di diversi millimetri, e il sovrametallo di lavorazione lasciato non basterà a coprirlo. Lo decidono sequenza, attrezzature e vincoli; il controllo della distorsione nelle grandi strutture saldate illustra le leve disponibili.

Un’officina che gestisce entrambi gli aspetti con competenza produce basamenti saldati che mantengono la geometria per decenni. Un’officina che li salta produce basamenti che superano il collaudo del primo articolo e cedono al secondo anno. La differenza non si vede nell’offerta.

Una sequenza decisionale che funziona

1. Individui il vincolo decisivo. La macchina è limitata dalle vibrazioni, dalla deformazione statica, dalla dilatazione termica o dal costo? Solo il primo caso favorisce nettamente la ghisa.
2. Conti le unità dei prossimi tre anni, onestamente, comprese quelle che il marketing sta promettendo.
3. Confronti le dimensioni con la mappa delle fonderie. Se il pezzo supera circa 3 m o 5 t, l’elenco delle fonderie in grado di colarlo, e di spedirlo, si accorcia rapidamente.
4. Si chieda se il progetto è congelato. Se non lo è, la struttura saldata Le compra il diritto di cambiare idea.
5. Se la ghisa resta in vantaggio sullo smorzamento ma perde sul volume, chieda il prezzo di una struttura saldata riempita prima di arrendersi. Il riempimento costa poco e sposta molto il valore di smorzamento.

La maggior parte dei costruttori di macchine che lavorano nella fascia da 1 a 50 unità approda a una struttura saldata, distesa e lavorata di finitura, e ci arriva per ragioni di calendario e di costi di attrezzatura più che perché lo richieda la metallurgia. È una risposta ingegneristica del tutto valida, a condizione che la struttura saldata sia specificata e lavorata correttamente.

Se ha un progetto di basamento che potrebbe andare in entrambe le direzioni e vuole un prezzo corretto per la soluzione saldata prima di impegnarsi con un modello, ci invii il disegno: la revisione torna entro 24 ore lavorative e indica anche se la geometria si presta davvero alla saldatura. I limiti di capacità completi indicano le dimensioni che la rete gestisce.