Progettare e costruire gli ingranaggi del futuro
I recenti convegni internazionali, riguardanti gli ingranaggi in generale e le trasmissioni per applicazioni automotive in particolare, hanno evidenziato che le ruote dentate non hanno ancora raggiunto l’apice del proprio sviluppo: pur trattandosi indubbiamente di un prodotto maturo, vi sono ancora significativi margini di miglioramento e sfide da raccogliere per progettare gli ingranaggi del futuro.
Per discutere di questo tema, in occasione di MECSPE 2018, tenutasi lo scorso marzo presso Fiere di Parma, Organi di Trasmissione ha organizzato un incontro rivolto agli addetti ai lavori. Il workshop, moderato dal Prof. Carlo Gorla del Politecnico di Milano e direttore tecnico di Organi di Trasmissione, è stato aperto dal Professor Karsten Stahl, dell’istituto FZG dell’Università di Monaco di Baviera, con una presentazione dedicata alle tendenze in atto negli ingranaggi, per i veicoli elettrici e ibridi. Sono intervenuti, inoltre, relatori di aziende del settore delle macchine utensili per ingranaggi: Aljaž Pogačnik, di KISSsoft AG; Massimo Fratar e Daniele Bologna, di Hermle Italia; Alexander Kellner di DMG Mori; Matteo Tonelli e Giovanni A. Sala di Comur Srl.
Densità di potenza, efficienza e NVH
Il dibattito è stato introdotto dal prof. Karsten Stahl, secondo il quale gli ingranaggi non hanno ancora raggiunto l’apice del loro sviluppo e, sebbene le prestazioni siano già molto elevate, ci sono ancora significativi e ragionevoli margini da sfruttare in termini di densità di potenza, efficienza e NVH (Noise Vibration and Harshness), come dimostrano i numerosi progetti di ricerca in corso.
Le operazioni di dentatura e finitura su macchine dedicate continuano a rappresentare lo stato dell’arte, grazie all’elevata efficienza dell’intero ciclo e alla qualità ottenibile, ma anche le tecnologie alternative presentano potenzialità che ancora non vengono sfruttate appieno.
L’utilizzo delle modalità di produzione alternative richiede approcci che non si possono ridurre alla semplice sostituzione del processo ma che devono prevedere un’azione progettuale e un‘ottimizzazione specifica, finalizzate allo sfruttamento delle peculiarità del singolo processo.
Non sono soltanto le prestazioni il termine di paragone, ma il comportamento complessivo in esercizio, che comprende ad esempio le proprietà NVH.
L’utilizzo delle macchine CNC, flessibile ed efficiente, è sempre più d’attualità ma richiede lo sviluppo di software specificamente dedicati agli ingranaggi per essere applicato in modo ottimale.
Progettazione di ingranaggi asimmetrici: vantaggi e limiti
Aljaž Pogačnik, di KISSsoft AG, ha presentato potenzialità e limiti della progettazione di ingranaggi asimmetrici.
L’angolo di pressione nella normale sezione di un ingranaggio asimmetrico è differente per il fianco sinistro e destro. Ciò può essere sfruttato come un vantaggio rispetto agli ingranaggi simmetrici. Un angolo di pressione maggiore aumenta la capacità di pitting. Pertanto, per ingranaggi che ruotano in una direzione per la maggior parte del tempo, il fianco caricato del dente può essere progettato con un elevato angolo di pressione e il fianco non caricato (o caricato raramente) con un basso angolo di pressione. Poiché è dato il passo di un ingranaggio, utilizzare un basso angolo di pressione su un fianco permette che il fianco caricato possa avere un angolo di pressione più elevato rispetto ad un ingranaggio simmetrico.
Il vantaggio principale degli ingranaggi asimmetrici rispetto a ingranaggi simmetrici è la maggiore capacità di carico e, con una progettazione specifica, anche minor rumore e vibrazioni. Lo svantaggio principale è il processo di produzione più complesso (per ingranaggi in acciaio) ed i costi relativi. Attualmente, non c’è un metodo standardizzato disponibile per il calcolo della resistenza degli ingranaggi asimmetrici. Per il calcolo della resistenza al piede, si può utilizzare un metodo proposto da Langheinrich [1], che è una combinazione di approccio analitico e FEM. Per il calcolo della resistenza del fianco, la norma ISO 6336 può essere applicata anche per ingranaggi asimmetrici.
La sua relazione si è infine focalizzata sul processo di fabbricazione degli ingranaggi asimmetrici. Frese asimmetriche sono necessarie per la fresatura. La rettifica di generazione con viti senza fine di necessita di un ravvivatore asimmetrico. Il processo di rettifica diventa impegnativo se entrambi i fianchi sono rettificati contemporaneamente (il che oggi è comune per una produttività efficiente). I relativi utensili speciali di produzione e le procedure daranno origine ad un prezzo più elevato degli ingranaggi.
Lavorazioni con centri di lavoro a cinque assi
Per la lavorazione con macchine a cinque assi diventa fondamentale avere un software e un sistema di controllo che controlli e gestisca tutti i movimenti. Su questo tema sono intervenuti Massimo Fratar e Daniele Bologna, di Hermle Italia.
I vantaggi dell’impiego di questo tipo di centri di lavoro, che impiegano utensili standard, per la produzione delle ruote dentate, sono particolarmente importanti nella produzione di lotti numericamente ridotti e geometrie particolari. Un primo vantaggio è quello di poter avere operazioni di tornitura e fresatura combinate nella stessa macchina.
Per ottenere ottimi risultati con questo tipo di lavorazioni sono necessarie alcune caratteristiche: struttura rigida, termostabile, in grado di smorzare efficacemente le vibrazioni; software performante per controllare operazioni complesse, come ad esempio rotazione dell’asse mandrino e rotazione tavola; utensili di alto livello. Hermle si è specializzata in questo tipo di macchine, con un elevato grado di produzione interna, quindi una competenza molto elevata. Per fare un esempio, l’azienda produce al suo interno anche i basamenti in granito composito.
Le gamma delle dimensioni lavorabili è molto ampia. Si parte da 450 mm di diametro fino a 1200 mm. Per quanto riguarda le automazioni, sono disponibili sistemi cambio pallet, sistemi di handling e celle robotizzabili integrabili su tutta la gamma prodotto. La struttura della macchina è un monoblocco con tutti i servomotori rivolti all’esterno per disperdere il calore.
Vi sono sistemi di misura diretti anche negli assi rotativi, e questo è il presupposto per mantenere la massima precisione e la massima accuratezza nel posizionamento del pezzo in lavorazione.
Daniele Bologna ha spiegato: «Grazie alla grande versatilità della macchina è impiegabile nei settori in cui sono richieste specifiche di alto livello, come automotive, aerospaziale, meccanica di precisione, lavorazione utensili e stampi».
Anche la presentazione di Alexander Kellner, Sales America & Europe / PSM gearMILL di DECKEL MAHO Pfronten, ha sottolineato l’importanza dell’elevata qualità degli ingranaggi, raggiunta mediante fresatura universale a 5 assi.
I temi su cui si è focalizzato il suo intervento sono stati:
- i vantaggi della lavorazione d’ingranaggi su fresatrici universali a 5 assi;
- la presentazione del software DMG MORI gearMILL, disponibile per la realizzazione delle principali tipologie d’ingranaggio.
- la presentazione della catena di processo: calcolo delle ruote dentate, programmazione CAM, simulazione, lavorazione su macchine universale a 5 assi, controllo qualità.
Massima versatilità per le trasmissioni dei veicoli elettrici
Introducendo l’ultima presentazione, il prof. Carlo Gorla ha dedicato una riflessione sul settore dei veicoli elettrici. A fronte di architetture standard, e oramai in numero limitato, impiegate nei veicoli a combustione interna, nei veicoli elettrici qualcuno ha già contato 46 diversi tipi di trasmissione! Una prospettiva interessante per l’industria italiana, in quanto sono richiesti piccoli volumi e una grande capacità di flessibilità.
Dentatrici a creatore e a coltello “su misura”
Massima flessibilità e versatilità è anche l’approccio che ha scelto Comur Srl. Giovanni Sala, Responsabile Commerciale Italia dell’azienda bolognese, ha sottolineato che «Comur è in grado di valutare le esigenze dei clienti e che lavora con loro, per offrire un prodotto finale “su misura”, che possa rispondere al meglio alle sue esigenze di qualità e produttività». Oggi Comur fornisce macchine di ultima generazione, perfettamente in linea con i principi di Industry 4.0.
Comur è specializzata nella produzione di dentatrici a creatore o a coltello, verticali o orizzontali. Tutte le macchine Comur, a sei o sette assi, sono gestite da CNC Siemens e sono predisposte per un’eventuale dialogo con robot o apparati di caricamento automatico. L’azienda di Bologna realizza, inoltre, altri impianti come rasatrici, smussatrici, affilatrici, che si possono definire “impianti complementari” rispetto al settore primario delle dentatrici.
Riduzione del peso, nuovi materiali e prestazioni
Come emerso dagli interventi, i requisiti sempre più stringenti in termini di lightweight, densità di potenza, NVH ed efficienza, stimolano i progettisti ad esplorare nuove soluzioni e materiali o ad applicare agli ingranaggi di tutti i giorni ciò che fino ad oggi era riservato ai settori di punta e alle applicazioni speciali, come quelle aerospaziali.
Gli ingranaggi del futuro, però, vanno anche costruiti: quello che i progettisti concepiscono deve essere realizzabile e l’integrazione tra progetto e tecnologia è sempre più evidente. Anche l’evoluzione dei più rinomati centri di ricerca internazionali lo conferma: gli specialisti storici del progetto si sono attrezzati per le lavorazioni e i tecnologi si occupano sempre più anche di requisiti funzionali e di verifiche di resistenza.
Anche l’efficienza economica dell’intero processo produttivo gioca un ruolo determinante: le lavorazioni tradizionali possono contare su macchine dedicate sempre più evolute, ma anche l’applicazione agli ingranaggi di macchine universali si sta facendo sempre più spazio, mentre le tecniche per formatura si propongono come alternativa attraente per i volumi di produzione elevati.
Progettare e costruire gli ingranaggi del futuro: le 5 relazioni presentate
- Do gears have a future in electrified vehicles?
Prof. Dr. Karsten Stahl, Institute of Machine Elements – Gear Research Centre (FZG) – Technische Universität München – Garching
2. Progettazione di ingranaggi asimmetrici/Design of asymmetric gears – potential and limits
Dr. Aljaž Pogačnik, KISSsoft AG
3. Lavorazione di ingranaggi su centri di lavoro a 5 assi Hermle
Massimo Fratar e Daniele Bologna, Hermle Italia Srl
4. Fresatura universale a 5 assi di ingranaggi di elevata qualità/Universal 5-axis milling of high quality gears
Ing. Alexander Kellner, Sales America & Europe / PSM gearMILL di DECKEL MAHO Pfronten
5. Macchine utensili per ingranaggi Comur: soluzioni personalizzate
Matteo Tonelli, Referente Commerciale Italia/Estero e Direzione Comur Srl
Giovanni A. Sala, Responsabile Commerciale Italia di Comur Srl
