Innovazioni altamente produttive nella rettificatura a vite

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Fig. 1 - Rettificatura a vite di ruota dentata con interferenza, una ruota dentata adiacente.

Il mondo di Industria 4.0 spinge i costruttori di macchine utensili alla ricerca dell’innovazione. Ci si sorprende dell’enorme crescita di produttività e qualità che contraddistingue il settore della lavorazione degli ingranaggi. KAPP NILES presenta gli ultimi risultati raggiunti nella rettificatura a vite per alti volumi di produzione in serie.

Fig. 1 – Rettificatura a vite di ruota dentata con interferenza, una ruota dentata adiacente.

Rettificatrici a vite con obiettivi di alti volumi di produzione in serie, per le quali vi sono sempre maggiori richieste inerenti i costi per energia ed ecologia, fanno reagire le macchine e gli addetti allo sviluppo con soluzioni che arrivano ai limiti della tecnologia possibile. A seguire illustriamo gli sviluppi delle aziende del gruppo KAPP NILES che per i nuovi campi di applicazione trattano e migliorano le tecniche applicative.

Fattibilità – Rettificatura a vite di ruote dentate con spallamenti

Velocità di taglio tra i 63 e 80 m/s si utilizzano per alte produttività. Vengono utilizzate mole a vite con più principii tipicamente con diametri di 300 mm da 5.000 a 7.500 giri/min. Il grosso diametro crea problemi con i piani di interferenza poiché la mola necessita di spazio per le oltre corse in entrata e uscita. Tipico esempio è la sede cuscinetto con una oltre corsa del creatore di prelavorazione oppure una grossa dentatura vicino alla posizione da rettificare (figura 1).

Non volendo utilizzare la lunga rettificatura a profilo si deve miniaturizzare la mola a vite; le stesse, di conseguenza, devono girare molto più velocemente per raggiungere la stessa velocità di taglio di una normale grossa mola. Le attuali rettificatrici per ingranaggi non sono state progettate per essere dinamicamente preposte all’uso dei necessari azionamenti per le mole e per i pezzi. Con i nuovi sviluppi portati avanti da KAPP NILES, con le rettificatrici KX 160 TWIN e KX 260 TWIN, questo è ora fattibile. Ravvivatore, mola e macchina sono uno collegato all’altro.

Il Dr. Sergiy Grinko, responsabile del progetto presso KAPP NILES, descrive in dettaglio: «Grazie all’elevata velocità del mandrino di rettificatura possono essere rettificati a vite, per la prima volta, dentature che richiedono mole a vite con diametro di solo 55 mm. Il ricorso a una mola di larghezza di 180 mm, si possono ora rettificare in grande serie le dentature che sin d’ora non era possibile rettificare a vite, a causa dei piani di interferenza, garantendo anche richieste di qualità e di tempistica e di costi.»

Gli azionamenti delle mole sulle macchine raggiungono i 25.000 giri/min. Anche il pezzo deve girare più velocemente. In questo campo KAPP NILES ha un vantaggio iniziale perché già sulle macchine standard la tavola portapezzo gira a 5.000 giri/min.

Per il pezzo di un cliente, Sergiy Grinko ha calcolato che il tempo di rettificatura con una mola a profilo in CBN non ravvivabile richiede un tempo macchina di 5,4 minuti. Con una mola a vite ravvivabile servono 2,9 minuti, ravvivando ogni 25 pezzi.

Qualità della micro-geometria nella rettificatura

Un processo di finitura come la rettificatura può enormemente migliorare il rendimento di un particolare. Per esempio, riducendo la rugosità dei fianchi del dente si permette l’utilizzo di oli lubrificanti a bassa viscosità. Come conseguenza aumenta il rendimento del cambio senza dover pagare svantaggi di tenuta. L’obiettivo di avere l’80-90% di superfice portante, si raggiunge in rettificatura asportando meccanicamente i picchi di rugosità. Allo stato attuale, alla richiesta di qualità superficiale si risponde per mezzo di processi lunghi, come la lappatura.

I pezzi vengono posti in un contenitore vibrante e trattati con piccoli abrasivi in soluzione liquida. Il processo realizza buoni risultati ma, a seconda della tipologia di pezzi, i tempi sono variabili di molte ore. Per confronto: nella produzione di serie si calcola un minuto per ruota dentata. Sergiy Grinko: «I produttori di cambi in serie necessitano di processi automatizzati, idealmente per singolo pezzo. Tale soluzione non è praticabile con tempi di tale differenza».

Fig. 2 – Mola combinata con area di lappatura convenzionale.

Vi è un ulteriore problema: «La lappatura necessita di addittvi, cioè prodotti chimici, che nel processo, nel riciclo e nello scarto costringono a confrontarsi con specifiche e precisi protocolli di sicurezza. Per motivi produttivi sarebbe utile integrare le attuali rettificatrici nella catena di processo.»

Poiché ciò è possibile l’ente Forschungsvereinigung Antriebstechnik (FVA) ha indicato nel Progetto 654 I: “Nella rettificatura convenzionale con rettificatrici per ingranaggi si possono raggiungere qualità di superfici da Rz ≤ 1 μm.” Per tale scopo KAPP NILES utilizza una mola combinata con due campi di applicazione (figura 2).

Con tale soluzione si possono ottenere qualità superficiali da Rz 0,5 – 1 μm con le nuove rettificatrici a vite KAPP NILES (serie KX e serie ZX) (figura 3).

Fig. 3 – Comparazione tra finiture superficiali prima e dopo la lappatura.

Con velocità di taglio di 63 m/s l’ulteriore tempo richiesto, di regola, è minore del 50% del tempo realizzato con le rettificatrici convenzionali.

Il Dr. Sergiy Grinko descrive lo sviluppo presso KAPP NILES: «La rettificatura a vite è molto più produttiva della rettificatura a profilo. Secondo la nostra esperienza, il rapporto ottimale di larghezza dei due campi mola si definisce e si utilizza al meglio via software.»

Qualità nella macrogeometria – Rettificatura topologica a vite

Le dentature non sono facilmente modificabili: la facile esecuzione dell’evolvente esiste solo sui libri di scuola, non nella prassi. I progettisti devono considerare le tolleranze come anche il posizionamento degli assi: il fianco del dente verrà considerato con una bombatura di pochi micron. Non venisse modificato, l’errore seppur minimo influenzerà negativamente la portanza aumentando l’emissione di rumore.

Se l’ingranaggio deve essere rettificato a vite, questa specifica richiesta diventa un compito della macchina. In rettificatura la distanza assi tra pezzo e mola viene continuamente modificata. La linea di contatto e il segmento dell’asse portano conseguentemente a un “errore di immagine”; invece che una convessità simmetrica si avrà una distorsione del fianco. Il Dr. Sergiy Grinko spiega: «Di regola difficilmente si vogliono eliminare le correzioni; si cerca piuttosto di influenzarle. Se il cliente conosce esattamente quale carico è richiesto e come questo deforma il suo ingranaggio potrà al meglio calcolare quale rotolamento è ideale. A volte l’emissione di rumore si migliora applicando una piccola correzione.»

Anche una dentatura complessa può essere rettificata a vite. Durante il processo di rettificatura, alcuni specifici movimenti degli assi devono essere abbinati tra loro in modo che si realizzi un collegamento fisso tra lo shifting e l’avanzamento. Si necessita di una mola modificata che abbia settori con geometrie diverse e che venga così ravvivata per lo scopo. In ravvivatura questi settori modificati si ottengono con un ravvivatore standard. Ovviamente, il calcolo della geometria da dare alla mola e il relativo processo di rettificatura necessitano di un complesso specifico software. Alcuni costruttori fanno questi calcoli “in casa loro” e li spediscono ai lori clienti per l’inserimento in macchina; questo metodo richiede tempo. In particolare, nella lavorazione di prototipi o di prove queste piccole correzioni richiedono lunghi tempi di fermo-macchina.

KAPP NILES ha scelto un altro percorso che il Dr. Grinko descrive: «Per la rettificatura topologica a vite noi abbiamo una facile gestione a video; la macchina fa preventivamente da sé i calcoli dei percorsi di ravvivatura a di rettificatura. Il nostro cliente potrà simulare e controllare a video la lavorazione in versione 2D o 3D e influenzare le correzioni al meglio, secondo le proprie scelte.»

Dopo aver inserito i dati, la larghezza mola viene prevista con un massimo numero di settori di shifting (figura 4).

Fig. 4 – Maschera inserimento dati con visualizzazione dei possibili settori di shifting.

Il Dr. Grinko si spiega meglio: «Nella rettificatura topologica a vite si vorrebbero molteplici settori sulla mola, al fine di poterla utilizzare al massimo. I campi devono essere per forza abbastanza larghi per poter generare la geometria desiderata.» Il numero di settori generato viene preso in considerazione dall’operatore e controllato sulla parte di simulazione (figura 5).

Fig. 5 – La simulazione permette di controllare la risultante topologica prima della lavorazione.

L’operatore-macchina si confronterà con l’usura mola e la perdita qualitativa ed avrà la possibilità di ridurre il numero di settori, in modo da garantire la migliore qualità di dentatura.

Velocità – Ravvivatura a più principii

Un significativo vantaggio della rettificatura a vite è il risparmio di tempo. Con l’utilizzo di un maggiore numero di principii sulla mola si può aumentare la velocità dell’avanzamento e ridurre, di conseguenza, il tempo di rettificatura. Come prossimo passo per la riduzione del tempo si deve ridurre il tempo di ravvivatura. Questo si ottiene con la ravvivatura contemporanea di più principii (figura 6).

Fig. 6 – La ravvivatura multi principii risparmia tempo.

KAPP NILES ha ben testato questa soluzione per utilizzare al meglio il potenziale di miglioramento. Tutto inizia con la costruzione del ravvivatore. Così afferma Sergiy Grinko: «Per ravvivare più principii serve un rullo di ravvivature a profilo intero, per il quale non serve un cilindratore separato. Per la costruzione utilizziamo il metodo negativo.» Con questo metodo i grani di diamante non vengono posti direttamente sul corpo base ma su uno stampo negativo incollati con nickel. Dopo questa forma abrasiva viene abbinata ad un corpo base.

Per mantenere basso il tempo di ravvivatura i principii sul rullo ravvivatore e quelli della mola devono essere fasati. Normalmente, sono uguali per permettere una unica corsa di incremento. Per motivi tecnologici questo non è sempre possibile. Con una combinazione di cinque principii sulla mola e tre principii sul rullo si hanno usure diverse; per eliminare l’inconveniente e la conseguente produttività del rullo, le macchine KAPP NILES lavorano con un algoritmo che si occupa di un ideale costante utilizzo.

Conclusione

Gli esempi confermano che anche un’apprezzata tecnica come la rettificatura a vite permette ancora elevate migliorie nella qualità e nella produttività. Per i cambi ad alta velocità, i nuovi concetti di utensili e controlli numerici intelligenti lasciano ancora prevedere migliorie; per esempio, il montaggio automatico delle attrezzature di presa-pezzo oppure l’integrazione con caricamenti automatici presenti nella nuova rettificatrice Pick-Up. Il risultato mostra che sono possibili applicazioni sui tempi di rettificatura e sulla qualità, assolutamente impensabili solo pochi anni fa.

PER MAGGIORI INFORMAZIONI: KAPP GmbH & Co. KG

info@kapp-niles.com, www.kapp-niles.com

Traduzione italiana a cura di Daniele Barbirato, Bitek srl, Agente Italia di KAPP NILES.

 

 

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