LAVORAZIONI PER INGRANAGGI

Dentatura, stozzatura o power skiving?

Pro e contro dei diversi processi
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Fig. 1 - Smussatura e sbavatura integrate (orientamento orizzontale del pezzo).

di Claus Kobialka, Gleason-Pfauter

A seconda dei volumi annuali di produzione, delle dimensioni dei lotti e della geometria dei pezzi, per la produzione industriale degli ingranaggi si usano diverse tecnologie di lavorazione. Quella più adottata è il processo di dentatura con creatore, seguita dai processi di brocciatura, stozzatura, sinterizzazione e rullatura. Processi di lavorazione delle ruote dentate pieni di promesse sono il power skiving, la fucinatura, la tranciatura di precisione e lo stampaggio a freddo [1]. Grazie ai miglioramenti della tecnologia dell’azionamento diretto a controllo numerico, il processo power skiving è diventato un processo di lavorazione delle ruote dentate competitivo rispetto a stozzatura, tranciatura e brocciatura. Il potenziale del reinventato processo power skiving sarà descritto nell’articolo con un’analisi dei volumi di produzione, della qualità ottenibile sulle ruote dentate e delle modifiche alla geometria dei denti. Si illustrerà anche l’aspetto economico e favorevole all’ambiente del processo power skiving.

 Per le aumentate richieste di flessibilità dell’attuale produzione di serie, le dimensioni dei lotti sono in diminuzione [2], mentre la complessità e la qualità richieste dei pezzi sono in crescita. Per soddisfare entrambe queste esigenze si deve analizzare il ciclo di lavorazione per abbreviare i tempi di preparazione (set up) della macchina e i tempi di lavorazione del pezzo. Nella dentatura con creatore una possibilità è stata l’integrazione in questo processo delle operazioni di smussatura e sbavatura. Questi processi sono stati realizzati per orientamenti orizzontali e verticali del pezzo, come quelli illustrati nelle figure 1 e 2.

Fig. 1 – Smussatura e sbavatura integrate (orientamento orizzontale del pezzo).
Fig. 2 – Smussatura e sbavatura integrate (dentatura con creatore pre-honing).

I vantaggi dell’integrazione dei processi di smussatura nella dentatura con creatore sono dati dalla riduzione dei costi degli utensili di smussatura e dalla maggiore precisione del profilo longitudinale dei denti ottenuta con il creatore.

Questa è la base per la riduzione delle velocità di asportazione del materiale nei processi di finitura a materiale indurito, quali l’honing e la rettifica con mola filettata.

Una seconda possibilità per la fabbricazione universale degli ingranaggi è la generazione di ingranaggi interni o esterni mediante il power skiving. In questa tecnologia di produzione [3] [4], un utensile viene piazzato con un angolo di incrocio degli assi rispetto al pezzo. Simile al processo di sbarbatura, la formazione del truciolo viene determinata dalla velocità relativa tra utensile e pezzo (fig. 3).

Fig. 3 – Che cos’è il power skiving?

Rispetto al processo di dentatura con creatore, la durata dell’utensile risulta ridotta e la velocità di asportazione dei trucioli rimane allo stesso livello; viene tuttavia generata una quantità maggiore di trucioli. In generale tutte le applicazioni di dentatura con creatore possono essere realizzate mediante il power skiving, ma si incorre in un costo utensile più elevato.

Rispetto al processo di stozzatura, con il processo power skiving si ottiene una fortissima riduzione del tempo di lavorazione (vedere tab. 1, tab. 2 e fig. 4) con un conseguente aumento della produttività; ma non tutte le applicazioni di stozzatura sono sostituibili con questa tecnologia di lavorazione.

Fig. 4 – Utensili per power skiving.

Per il power skiving si possono usare utensili in acciaio rapido e in carburo di tungsteno. Per quanto riguarda i costi del substrato e i costi di rettifica, per il materiale del substrato la soluzione preferita è l’acciaio rapido sinterizzato. Solo nel caso di applicazioni a piccolo modulo (m < 1) e di materiali del pezzo molto abrasivi (per esempio, ghisa) il carburo di tungsteno sarà vantaggioso rispetto alla soluzione dell’acciaio rapido. Per gli utensili è stata adottata la forma conica, perché si aumenta la flessibilità e si riducono gli assi della macchina. Invece l’uso di utensili cilindrici rende più complicata la fase di preparazione della macchina e bisogna prevedere un asse CN supplementare per l’offset laterale.

 

 

Tab. 1 – Ciclo di lavorazione della dentatura – ingranaggio esterno

 

Power skiving

Dentatura con creatore

Utensile

Utensile per skiving (60 denti)

Creatore con 500 denti

Rapporto di condotta

2 denti a contatto

4 denti a contatto

Uso del tagliente dell’utensile

Intera lunghezza del tagliente

Dipendente dalla posizione di generazione, contatto parziale

Velocità utensile, giri/min

2.000

2.000

Numero di trucioli al minuto

120.000

48.000

NOTA:

A parità di tempi di ciclo, il power skiving comporterà costi utensile/pezzo più elevati rispetto al taglio con creatore.

 

Tab. 2 – Ciclo di lavorazione della dentatura – ingranaggio esterno

 

Power skiving

Stozzatura

Utensile

Utensile per skiving (60 denti)

Pignone utensile (60 denti)

Rapporto di condotta

2 denti a contatto

2 denti a contatto

Uso del tagliente dell’utensile

Intera lunghezza del tagliente

Come il power skiving

Produttività

Come il taglio con creatore

Fattore 3 in meno del processo di dentatura con creatore

Numero di trucioli al minuto

120.000

2.000

NOTA: I costi utensile/pezzo del power skiving sono del 70% più elevati rispetto alla stozzatura. Comunque, il power skiving è più produttivo di almeno 3 volte rispetto alla stozzatura.

La forma dell’utensile per una certa applicazione deve assicurare carico costante e buoni valori dell’angolo di spoglia inferiore. Per la maggior parte delle applicazioni di ingranaggi interni, il numero di denti sarà differente rispetto alla configurazione dell’utensile usato per l’applicazione di stozzatura (figg. 5 e 6).

Fig. 5 – Contatto dell’utensile per l’applicazione di un pezzo specifico.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 6 – Impostazione dei parametri del processo nel power skiving.

I trucioli prodotti dalle differenti passate allo stesso livello di carico dell’utensile, presentano una struttura diversa (fig. 7). Il contatto del truciolo sull’angolo di spoglia dell’utensile è molto vicino al tagliente.  A causa dell’impatto termico, gli utensili in acciaio rapido più usati sono quelli che presentano elevate proprietà abrasive. Non è stato rilevata formazione di crateri.

Fig. 7 – I trucioli prodotti dalle diverse passate.

A causa della deformazione dei trucioli durante il processo power skiving, i trucioli di forma a U illustrati in figura 7 presentano un alto livello di collisione tra se stessi. Questo effetto aumenta il valore delle forze di taglio e la zona di scorrimento dei trucioli risulta molto vicina al tagliente. Generando solamente trucioli di forma a L o a I, si riduce l’interferenza nello scorrimento dei trucioli.

La zona di scorrimento dei trucioli sulla faccia di spoglia è più lontana dal tagliente e per questo effetto le forze di taglio sono più basse. Un secondo effetto è il miglioramento della durata dell’utensile.

Per ottimizzare la durata dell’utensile è possibile modificare la strategia dell’avanzamento in profondità (figg. 8 e 9). Con un movimento oscillatorio tra il fianco di entrata e il fianco di uscita per taglio, si può influire in modo ben bilanciato sull’usura dell’utensile. È anche possibile l’ap­pli­cazione del power skiving a pezzi di grandi dimensioni, per i quali la durata dell’utensile power skiving è limitata a un basso numero di pezzi.

Fig. 8 – Strategia dell’avanzamento in profondità nel power skiving.
Fig. 9 – Strategia alternativa dell’avanzamento in profondità nel power skiving.
Fig. 10 – Qualità del profilo trasversale dell’ingranaggio.

La qualità ottenibile sul profilo trasversale dei denti dipende dalla disposizione pezzo/utensile in combinazione con la qualità del profilo dell’utensile (fig. 10). Con un utensile classe AA, si possono ottenere nel profilo trasversale qualità DIN classe 7. Ulteriori miglioramenti nella qualità dell’utensile possono aumentare la qualità del profilo trasversale dei denti del pezzo.

Fig. 11 – Qualità del profilo longitudinale dell’ingranaggio.

La qualità del profilo longitudinale della superficie è fine a non regolare (fig. 11). La struttura diagonale dei segni di avanzamento assicura una riduzione del rumore nel comportamento al contatto del rotismo. Sugli ingranaggi sia interni che esterni sono possibili modificazioni del profilo longitudinale. Questa è un’innovazione che comporta la possibilità di una bombatura flessibile sugli ingranaggi interni.

Fig. 12 – Errore di passo nel power skiving.

La qualità sull’errore di passo corrisponde al livello di qualità DIN classe 5 (fig. 12). La prevista ottimizzazione del comando diretto dei mandrini portapezzo e degli utensili ridurrà l’ondulazione nell’errore di passo. Gli errori di passo singolo sono al livello di un’applicazione di stozzatura.

Per richieste di lavorazioni di finitura sono indispensabili migliorie con filtri CN modificati e un aumento dell’i­ner­zia dell’utensile e del mandrino portapezzo.

Conclusioni

Le principali tecnologie di lavorazione per la dentatura di materiale tenero sono il taglio con creatore, la stozzatura, la brocciatura, la smussatura e la sbavatura. Nella produzione di serie e di massa di ingranaggi, è stato dell’arte l’impiego di processi singoli direttamente collegati.

Analogamente, l’ottimizzazione di ogni processo può essere ottenuta con l’integrazione di processi differenti. Ciò ha un alto potenziale di riduzione dei termini di consegna e anche di aumento del livello della qualità del pezzo. L’introduzione di controlli numerici ad alte prestazioni consente la dentatura di ingranaggi sia interni che esterni mediante power skiving. Il power skiving diventerà la tecnologia di lavorazione preferita per la produzione in lotti piccoli e medi.

A causa dello spessore del truciolo e dell’attrito nel meccanismo di formazione del truciolo della tecnologia power skiving, il processo di taglio preferito è il taglio a umido. I futuri sviluppi nei materiali per i substrati degli utensili e le modificate tecnologie dei rivestimenti porteranno alla capacità di effettuare processi a secco.

Rispetto alla dentatura con creatore, il processo power skiving comporta costi utensili più elevati. Rispetto al processo di stozzatura, la riduzione dei tempi di lavorazione e il miglioramento delle proprietà strutturali della superficie consentiranno di sostituire le applicazioni di stozzatura fino a un modulo di 8 mm circa.

Il consumo di energia del processo power skiving è meno efficiente del processo di dentatura con creatore a causa dell’aumentato numero di trucioli per taglio a parità di attrito. Attualmente, la lavorazione a secco e la variazione della temperatura dei pezzi durante la lavorazione possono diventare un importante fattore di influenza sulla qualità.

 

Bibliografia

[1] Statistisches Bundesamt/VDMA

[2] Klaiber, M., Maschinen– und Anlagenbau – Quo Vadis? Lehrgang Praxis der Zahnradfertigung,

Technische Akademie Esslingen, 2009

[3] Osterried, Kühlewein — “Möglichkeiten der Schneidkantenpräparation bei Wälzschälrädern”, 2009

[4] Bechle, A., “Beitrag zur prozeßsicherenBearbeitung beim HochleistungsverfahrenWälzschälen”, Univ.

Karlsruhe, 2006

[5] Denkena, B., “Einfluss der Schneidkantengeometrie auf die Zerspankräfte und auf das Verschleißverhalten”, ZWF, 2005

Articolo tratto da una relazione presentata all’AGMA FTM 2011 e stampato con l’autorizzazione dell’American Gear Manufacturers Association, proprietaria dei diritti d’autore.

American Gear Manufacturers Association, 1001 N. Fairfax Street, 5th Floor, Alexandria, Virginia 22314.

Le dichiarazioni e le opinioni espresse in questo testo sono quelle degli autori e non sono da considerarsi ufficiali dell’ American Gear Manufacturers Association.

Si ringrazia l’AGMA per la gentile autorizzazione alla pubblicazione (NdR).

 

 

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