Fresatrice

Una fresatrice taglia il metallo con un utensile rotante a molti denti, la fresa, mentre il pezzo, fissato su una tavola, le passa davanti su slitte guidate. Ricava facce piane, cave, scanalature e denti di ingranaggi. Janello Torriani, orologiaio di Carlo V, costruì una macchina con una lima rotante per tagliare i denti delle ruote d'orologio, che il cronista Ambrosio de Morales descrisse nel 1575. Fresatrici per lavori generici erano già in uso nelle fabbriche d'armi americane nel 1818, e la fresatrice universale di Brown & Sharpe aggiunse nel 1862 la mensola che ancora oggi porta la tavola di molte macchine.

Che cos’è

Una fresatrice asporta metallo con una fresa che gira su un asse fisso, mentre il pezzo si muove davanti a essa. È il contrario del tornio, dove il pezzo gira e l’utensile resta fermo. Poiché il pezzo può avanzare in linea retta in tre direzioni, la fresatrice ricava facce piane, gradini, cave, sedi per linguette e i denti degli ingranaggi, e può tagliare le gole a spirale di una punta da trapano.

Un tipo diffuso nelle officine dalla fine dell’Ottocento è la fresatrice orizzontale a mensola e montante. La fresa è montata su un albero orizzontale, l’albero portafrese, mosso dal mandrino alloggiato in cima a un pesante montante. Il pezzo è fissato su una tavola che poggia su una slitta trasversale, e questa su una mensola che sale e scende lungo la faccia anteriore del montante. In una fresatrice verticale il mandrino punta verso il basso e porta una fresa a candela, con denti in testa e sui fianchi.

Come funziona

Ogni dente della fresa asporta un piccolo truciolo attraversando il pezzo, poi esce dal taglio e ha il tempo di raffreddarsi prima di tornare. Con molti denti la fresa asporta in fretta e lascia una faccia abbastanza liscia. La tavola porta lentamente il pezzo sotto la fresa; quanto avanza a ogni giro della fresa decide la grandezza dei trucioli e la finitura della superficie.

Una fresa cilindrica, una fresa a disco a tre tagli e una fresa a candela.

La forma della fresa decide la forma del taglio. Una fresa cilindrica a denti elicoidali spiana una superficie; una fresa a disco con denti sul bordo e sulle due facce taglia cave e gradini; una fresa i cui denti hanno il profilo del vano di un ingranaggio taglia un vano alla volta. Sulla macchina orizzontale l’albero portafrese è tenuto alle due estremità, nel mandrino e in un supporto appeso al braccio superiore, perché non si fletta sotto lo sforzo.

Tre slitte portano il pezzo contro la fresa. La tavola si muove in lungo, la slitta trasversale di traverso e la mensola in alto e in basso, ciascuna sulla propria vite mossa da un volantino con tamburo graduato; sulle macchine grandi una trasmissione a ingranaggi fa avanzare la tavola da sola. Per tagliare denti distribuiti con esattezza intorno a una ruota, il pezzo si monta su un divisore, che lo fa ruotare di una frazione di giro stabilita tra un taglio e l’altro. Sulla fresatrice universale di Brown & Sharpe del 1862 il divisore poteva anche essere collegato alla tavola con ingranaggi: il pezzo girava mentre avanzava e la fresa lasciava una scanalatura a spirale.

Per la macchina il taglio è duro. La fresa afferra il pezzo e, su una macchina orizzontale, può trascinare la tavola quando il pezzo avanza nello stesso verso in cui si muovono i denti. Il pezzo si stringe in una morsa o si imbullona alla tavola, e le slitte che non devono muoversi vengono bloccate.

Come si fa

Questa dimostrazione mostra a mano il principio della fresatura, nella cera di candela. L’utensile gira su un asse fisso e il pezzo gli passa davanti su una tavola guidata. Servono due persone. Occorrono un trapano a mano a ingranaggi, una morsa da banco, una punta da legno da 8 mm o una piccola raspa rotativa, un blocco di cera di candela o paraffina spesso circa 3 cm, una tavoletta liscia di circa 30 cm, un listello diritto, due morsetti e un pezzo di legno per spingere.

Il trapano resta fermo e la cera passa davanti alla punta che gira, guidata dal listello.

Stringete con delicatezza la morsa sul telaio del trapano, in modo che stia coricato in orizzontale, con la punta rivolta di lato sopra il banco e la manovella libera di girare. Fissate il listello al banco, perpendicolare alla punta, come guida. Incollate il blocco di cera vicino al bordo anteriore della tavoletta con qualche goccia di cera fusa. Appoggiate la tavoletta al listello e infilatevi sotto sottili cartoncini finché la punta arriva a metà altezza della cera.

Una persona gira la manovella con regolarità. L’altra tiene la tavoletta contro il listello e la spinge piano con il pezzo di legno, in modo che il fianco della cera incontri la punta che gira e le scorra davanti. La punta taglia una scanalatura lungo il blocco. Spingendo piano la scanalatura viene pulita; spingendo in fretta la punta strappa pezzi di cera. Aggiungete un cartoncino sotto la tavoletta per tagliare una seconda scanalatura più in basso, come la mensola solleva il pezzo su una macchina vera.

Storia ed evoluzione

Gli orologiai avevano bisogno di molte ruote con denti distribuiti con regolarità, e tagliarli uno per uno con la lima era lento. La risposta fu la macchina per tagliare le ruote, in cui una piccola fresa rotante apriva i vani dei denti di un disco di ottone mentre un piatto posto sotto il disco divideva il giro in passi uguali.

Una piccola fresa rotante tagliava i vani dei denti di una ruota uno dopo l’altro, dove prima si usava la lima.

La più antica macchina nota di questo tipo fu costruita da Janello Torriani, orologiaio di Carlo V e di Filippo II; il cronista Ambrosio de Morales la descrisse nel 1575, e lo storico Cristiano Zanetti identifica il suo utensile come una lima rotante. Lo Science Museum di Londra ne conserva un esemplare inglese più tardo, attribuito a Humphrey Marsh di Highworth per una firma sotto la piastra. Il disco sta su un albero sostenuto da una piastra, e la fresa gira in un telaio montato su cuscinetti, mossa da una manovella tramite ingranaggi, così da poterla inclinare verso il disco man mano che il taglio si approfondisce. Queste macchine si diffusero nel Settecento: il Winterthur Museum ne conserva una costruita negli anni Settanta del secolo da Nathaniel Dominy IV, a manovella, per tagliare ruote d’orologio in ottone; il museo sottolinea che divideva i denti con esattezza e risparmiava all’orologiaio di tagliarli uno per uno con la lima.

Le fresatrici per lavori generici nacquero nelle fabbriche d’armi americane, dove il governo voleva parti di fucile montabili su qualunque arma dello stesso modello. Nel 1813 Simeon North, di Middletown nel Connecticut, firmò un contratto per 20.000 pistole con parti intercambiabili, e l’American Precision Museum gli attribuisce la prima fresatrice nota, in uso nel 1818. Modellava parti che fino ad allora si limavano a mano. Una macchina a lungo attribuita a Eli Whitney e datata intorno al 1818 fu in realtà costruita dopo la sua morte, nel 1825, secondo lo storico Edwin Battison. In Inghilterra Richard Roberts presentò nel 1834 un trapano per cave che fresava le scanalature dei cuscinetti delle locomotive, una delle prime fresatrici verticali.

Nel 1862 Joseph R. Brown, della Brown & Sharpe di Providence, consegnò la sua fresatrice universale alla Providence Tool Company, dove Frederick Howe doveva tagliare le gole a spirale delle punte elicoidali, fino ad allora fatte con la lima. La sua tavola poggiava su una mensola e poteva essere orientata di sbieco, e aveva un divisore a ingranaggi. Nel 1952 il Servomechanisms Laboratory del Massachusetts Institute of Technology dotò una fresatrice Cincinnati Hydrotel di motori sulle sue tre slitte, comandati da istruzioni perforate su un nastro di carta: fu la prima macchina utensile a controllo numerico, antenata dei centri di lavoro comandati da computer di oggi.