La rullatura degli alberi scanalati è stata oggetto di importanti miglioramenti che hanno permesso in alcuni casi di ridurre drasticamente i tempi. In questo articolo si illustrano le caratteristiche fondamentali di questa operazione e si commentano le modifiche tecniche che hanno portato una maggiore efficienza degli utensili.
Nell’industria meccanica ci sono innumerevoli applicazioni di alberi scanalati con diversi gradi di complessità.
Il caso tipico è l’accoppiamento fisso tra due parti, quali possono essere per esempio un albero con un ingranaggio oppure un albero con un giunto, ma è frequente anche il caso di accoppiamenti con scorrimento.
Ci sono casi, abbastanza frequenti nel cambio di un’automobile, in cui su un albero ci sono 5 o 6 diverse scanalature su cui vengono fissati altrettanti ingranaggi o mozzi.
Il profilo più usato sugli alberi scanalati è il profilo definito dalle norme americane ASA (Involute Spline), con le sue varianti, ma esistono altre normalizzazioni per le dentature di alberi scanalati. Si possono citare per esempio le norme tedesche DIN 5481 e DIN 5482, le norme francesi BNA (PR E 22-151).
Nella Figura 1 sono riportati due profili ASA classici, il primo riguarda un accoppiamento con contatto sui fianchi ed il secondo si riferisce ad un accoppiamento sul diametro esterno.
La dentatura viene definita da una coppia di numeri, che sono i diametral pitch relativi al passo e all’altezza del dente.
Per esempio una dentatura ASA 24/48 avrà il passo con un dimensionamento del diametral pitch di 24 (modulo = 1,05833 mm) e un’altezza dente con un dimensionamento del Diametral Pitch 48 (modulo = 0,52917 mm). Più esattamente, il primo numero è detto diametral pitch (P), mentre il secondo è detto stub pitch (Ps). Questo significa che le altezze dei denti sono la metà di quelle di un dimensionamento normale. Gli angoli di pressione più usati sono di 30° o di 45°.
Il tipo di dentatura con il contatto sul diametro esterno è usato quando si deve garantire la coassialità tra l’albero scanalato e il mozzo che viene accoppiato.
Il metodo più veloce per ottenere le scanalature di questo tipo, che sono delle dentature ad evolvente ribassate, è appunto la rullatura.
Lo stesso tipo di lavoro può essere eseguito con un’operazione ad asportazione di truciolo con creatore o con coltello stozzatore. Ma questi due ultimi sistemi per ricavare le scanalature ad evolvente su un albero vengono adottati quando le produzioni previste non sono abbastanza grandi da giustificare l’acquisto di una rullatrice. Nell’industria automobilistica invece la rullatura è quasi universalmente usata.
Nella Figura 2 è rappresentata una coppia di cremagliere.
La rullatura è un metodo di lavorazione senza asportazione di truciolo, eseguita a freddo, che ha lo scopo di formare sulla superficie di un pezzo cilindrico o conico una serie di denti o solchi.
Il pezzo viene compresso tra gli utensili ed è forzato a rotolare tra essi in modo che il profilo dei denti, ricavato sugli utensili stessi, si imprima progressivamente sulla superficie del pezzo.
Gli utensili per rullatura possono essere circolari, ed in questo caso sono detti rulli, oppure possono essere rettilinei e vengono allora chiamati cremagliere.
Una serie di rulli in genere è formata da due rulli contrapposti, ma non è raro il caso di serie formate da 3 o 4 rulli. Un numero di rulli maggiore di due ha lo scopo di ridurre le deformazioni nel caso di lavorazioni di pezzi cavi. Per quanto riguarda le cremagliere piane, sono sempre costituite da due pezzi.
Vantaggi della rullatura
L’esecuzione di profili scanalati con il processo di rullatura presenta notevoli vantaggi rispetto alle analoghe operazioni con asportazione di trucioli, i più importanti sono i seguenti:
1) Tempo ciclo. Il tempo necessario per eseguire una scanalatura ad evolvente è di pochi secondi e si può considerare che sia dalle 2 alle 4 volte inferiore rispetto alla dentatura con creatore. Inoltre, con uno stesso ciclo possono essere eseguite due o perfino tre diverse scanalature su uno stesso pezzo, disponendo le cremagliere in serie, con un’enorme economia di tempo. Con riferimento alla Figura 3 si può vedere, per esempio, che la coppia di cremagliere 1a – 1b esegue la scanalatura 1 e, quando questa è completata, entrano in contatto con il pezzo le cremagliere 2a – 2b che eseguono la dentatura 2. Condizione necessaria per questo tipo di operazione è che la somma delle corse necessarie per ogni singola dentatura sia inferiore alla capacità della macchina.
2) Maggiore resistenza della dentatura. Il processo di deformazione plastica che caratterizza la rullatura non taglia le fibre del materiale, per cui le fibre seguono il profilo della dentatura conferendo ai denti una maggiore resistenza. La resistenza alla sollecitazione per compressione aumenta mediamente del 6–12%. Inoltre, si ha il fenomeno dell’incrudimento che è dovuto alla forte compressione cui il materiale è soggetto. Si tratta di un aumento della durezza, maggiore in superficie e progressivamente minore a mano a mano che ci si allontana dalla superficie. L’incrudimento è un fenomeno che è positivo fino ad un certo limite, mentre può diventare pericoloso ed essere causa di rottura sia del pezzo che degli utensili se lo sforzo di compressione eccede questo limite.
Si può entrare in questa zona di pericolo quando, per esempio, il diametro di prerullatura è troppo grande oppure se il materiale ha già subito delle operazioni di trafilatura o ricalcatura prima di subire l’operazione di rullatura di cui si parla.
3) Migliore finitura della superficie. La superficie dei denti risulta lucida e perfettamente finita. Non sono presenti le rigature tipiche delle lavorazioni con asportazione di truciolo. Queste rigature a volte possono essere tali da innescare delle rotture, ma in ogni caso diminuiscono in qualche misura la resistenza del dente. Si deve notare inoltre che una superficie lucidata con la rullatura è più resistente alla corrosione.
4) Migliore precisione della dentatura. Con la rullatura si ottiene una migliore qualità in generale (profilo, elica e divisione). Soprattutto però si ottiene una grandissima costanza delle dimensioni del pezzo, a patto che i pezzi prima della rullatura abbiano diametri entro ben definite tolleranze. Con una coppia di cremagliere si possono eseguire anche 100-200 mila pezzi tutti perfettamente uguali. Per ottenere la stessa precisione con i creatori si dovrebbero aumentare in modo notevole i tempi di lavorazione.
5) Risparmio di materiale. Anche se di secondaria importanza, questo aspetto non è del tutto trascurabile, specie per grandi produzioni. Il diametro di prerullatura è minore del diametro esterno del pezzo finito. Quindi, almeno in teoria, si ha un risparmio sul costo del materiale. Inoltre, poiché non vengono prodotti trucioli si evita il costo del loro smaltimento.
