La guida tecnica BDG P771 [1] / FVA 771 [2], pubblicata nel 2017, ha definito uno standard per quanto riguarda le leghe di bronzo da utilizzare per le viti senza fine. La guida evidenzia le proprietà caratteristiche necessarie a garantire la qualità del materiale e definisce le prove necessarie per ottenerle. Queste indicazioni sono state applicate alla caratterizzazione di due famiglie di bronzi con cui si è mostrato come molti parametri non considerati nelle normative passate, abbiano un forte legame con la capacità di carico del materiale. Dall’analisi è emerso come le normative DIN 3996 [3] e TR/ISO 14521 [4] abbiano delle lacune. All’interno della revisione (già programmata) di tali normative, andrebbero quindi incluse anche le indicazioni relative alla qualità del materiale.
Ingranaggi a vite: una guida tecnica per determinare la qualità del bronzo
di Björn Sievers, Jörg Hermes, Sew-Eurodrive GmbH e Marius Berger, Ed. Fitscher GmbH
Quando il moto viene trasmesso con ingranaggi a vite, gli elevati sforzi di contatto combinati con un significativo strisciamento impongono la selezione di una coppia di materiali particolarmente resistenti all’usura. Nelle moderne applicazioni industriali tipicamente viene utilizzato l’accoppiamento bronzo-acciaio. La vite senza fine viene realizzata in bronzo mentre la ruota in acciaio cementato. Questo garantisce buona resistenza all’usura. Solo in poche applicazioni le condizioni tribologiche sono tali da consentire l’utilizzo di un accoppiamento acciaio-acciaio o acciaio-ghisa. Una vite in acciaio limita in modo significativo la coppia che l’ingranaggio è in grado di trasmettere, soprattutto a basse velocità. Le seguenti tipologie di danneggiamento sono le cause principali che limitano il campo di utilizzo degli ingranaggi a vite: usura abrasiva, pitting, deformazione plastica della vite fino a rottura del dente. Risulta chiaro come la vita dell’ingranaggio sia quindi fortemente legata alle proprietà del bronzo utilizzato.
Considerazioni sul materiale della vite in accordo a DIN 3996 e TR/ISO14521
Il calcolo della capacità di carico degli ingranaggi a vite avviene secondo la normativa tedesca DIN 3996 o lo standard internazionale TR/ISO 14521 che, sebbene differiscano nella forma, sono analoghe nei contenuti. Le normative descrivono il metodo per il calcolo dei coefficienti di sicurezza a usura, pitting e rottura a piede dente. In termini di materiali utilizzati, le normative fanno distinzione tra sei classi principali. Oltre alle tre famiglie di bronzi CuSn12-C-GZ, CuSn12Ni2-C-GZ e CuSn12Ni2-C-GC, la normativa fornisce le caratteristiche per altre due leghe rame alluminio e due ghise. Sulla base di EN 1982 [5], le tre famiglie di bronzi possono essere classificate in funzione della tecnologia fusoria (GC colata continua e GZ colata centrifuga) e in base al contenuto di nichel. Per le classi CuSn12-C (CC483K) e CuSn12Ni2-C (CC484K), nella normativa EN 1982 [5] vengono speficicate le massime frazioni massiche dei vari elementi della lega e, in funzione del processo produttivo, il minimo valore di resistenza Rm ed Rp0.2, l’allungamento percentuale A e la durezza Brinell HBW. [3] indica anche come la microstruttura (per materiali colati in modo centrifugo) nell’area di ingranamento debba essere omogenea e priva di porosità oltre 150 µm. Per quanto concerne il materiale della vite, [3] fornisce il modulo di Young ed il coefficiente di Poisson per il bronzo in accordo a Niemann-Winter [6] che può essere utilizzato per calcolare il modulo di Young equivalente Ered. Gli stessi valori di modulo di elasticità e coefficiente di Poisson sono assegnati sia a CuSn12Ni2-C-GZ che CuSn12Ni2-C-GC, mentre un valore leggermente inferiore viene riportato per CuSn12-C-GZ. Il modulo di elasticità equivalente Ered entra nel calcolo dello sforzo medio di contatto σHm nello spessore minimo del lubrificante hmin m e nel percorso di usura SWm. Altri parametri caratteristici del materiale sono utilizzati nei vari step di calcolo per la determinazione della resistenza a usura, a pitting e a rottura a piede dente in accordo al metodo C (procedura semplificata).
Per quanto concerne il fattore di sicurezza a pitting, il limite di fatica da contatto σHG viene calcolato a partire dalla resistenza a pitting in accordo a σHlimT [6]. Il valore della resistenza in funzione del materiale della vite può essere determinata sulla base di valori tabulati. Questo valore di resistenza viene utilizzato anche per la stima (si veda appendice H) della vita di ingranaggi soggetti a pitting tenendo in considerazione l’usura abrasiva. La stessa resistenza a pitting viene indicata sia per la lega CuSn12Ni2-C-GZ che per la lega CuSn12Ni2-C-GC mentre un dato leggermente inferiore viene riportato per CuSn12-C-GZ.
In accordo al metodo C per il calcolo della resistenza a flessione, si usa un approccio basato sullo sforzo nominale. Il massimo valore di sforzo di taglio risulta ƮFlim [8]. Lo sforzo massimo in funzione della durata e del materiale può essere determinato da tabelle. In fase di applicazione della normativa è possibile scegliere se considerare il materiale come perfettamente elastico o ammettere plasticizzazione.
La stessa durata viene riportata sia per CuSn12Ni2-C-GZ che per CuSn12Ni2-C-GC mentre il valore risulta leggermente inferiore per CuSn12-C-GZ.
Definizione del problema
A causa degli avanzamenti tecnologici dell’industria fusoria degli ultimi anni, le capacità di carico dei materiali come il bronzo possono essere definite indipendentemente dalla tecnologia adottata. Il metodo che fa distinzione tra bronzi in funzione del processo fusorio, come riportato in [3] e [5], non è pertanto più attuale. Inoltre, distinguere solamente tra CuSn12-C (CC483K) e CuSn12Ni2-C (CC484K) come indicato in [5] non è sufficientemente preciso soprattutto se i materiali non hanno lo stesso contenuto di nichel come specificato nella normativa. L’aumento delle performance con l’aumentare del contenuto di nichel orami assodato da studi su ingranaggi a vite elicoidali, non viene tenuto in nessuna considerazione. In altre parole, non vi sono normative adeguate per la determinazione delle proprietà del materiale. Di conseguenza, vi sono tantissime evidenze di accordi bilaterali tra fonderie e produttore di ingranaggi. E le differenze da accordo ad accordo non permettono di avere una panoramica generale della qualità di uno specifico materiale.
Capacità di carico per materiali colati in continuo
Si mostrano i risultati condotti su due materiali del gruppo CuSn12Ni2-C (CC484K) che, in accordo a [3], dovrebbero avere la stessa capacità di carico. Il CuSn12Ni2-C (CC484K) è un esempio di materiale convenzionale, le cui caratteristiche medie sono indicate in [3]. Il secondo materiale, CuSn12Ni2—GCB, trattato, è un materiale colato in continuo prodotto da Fitscher GmbH & Co. KG. Tale materiale è specificatamente ottimizzato per elevati carichi. Come si mostra nei seguenti paragrafi, la resistenza ad usura e pitting risulta molto differente rispetto a quella del materiale convenzionale. Studi analoghi riguardanti la resistenza a flessione di questi materiali non sono noti.
Usura abrasiva
La figura 1 mostra i valori del tasso di usura determinati empiricamente [7, 9] per viti in CuSn12Ni2-C-GC e CuSn12Ni2-C-GCB. Gli ingranaggi a vite sono stati testati in condizioni di carico nominale e bassissime velocità cosicché la il fenomeno di cedimento preponderante fosse l’usura abrasiva. Entrambi gli studi hanno mostrato un comportamento significativamente migliore per il materiale trattato. Weisel [10] ha confermato i risultati su ingranaggi con interasse ridotto (40 mm) e differenti condizioni di lubrificazione. Uno studio di Sigmund [11] ha mostrato un migliore comportamento a usura per il CuSn12Ni2-C-GCB.
Guida tecnica BDG P771 / FVA 771
Scritta inizialmente dal comitato tecnico tedesco “Schneckenverzahnungen” NA 060-34-14 AA, la guida BDG P771 [1] / FVA 771 [2] è stata pubblicata per poter confrontare la qualità di differenti materiali. I documenti BDG e FVA sono sostanzialmente identici nei contenuti. La guida è intesa come una base per la fornitura di viti in CuSn12Ni2-C (CC484K) in accordo alla normativa [5] e tutte le modifiche a questo standard regolate da accordi bilaterali. Sotto la supervisione di Sew-Eurodrive GmbH & Co., la guida è stata sviluppata assieme ad un gruppo di lavoro comprensivo di associazioni industriali, tre dipartimenti universitari, produttori di ingranaggi e utilizzatori finali.
Per maggiori informazioni: sew-eurodrive.it
Questo articolo è stato presentato all’International VDI Conference on Gears 2017, Garching/Monaco (VDI – Berichte 2294, 2017, VDI Verlag GmbH) ed è qui ripubblicato dietro autorizzazione di VDI.