Caratteristiche geometriche del coltello stozzatore

Controllo del profilo di un coltello elicoidale.

Il coltello stozzatore per ingranaggi è un utensile complesso che pone problemi sia nella progettazione sia nella costruzione. La sua particolare geometria non permette, nel corso della sua vita, la costanza delle quote dell’ingranaggio.

Negli anni passati si è assistito alla drastica riduzione del numero dei coltelli stozzatori prodotti, dovuta principalmente alla introduzione dei ricoprimenti e all’utilizzo di acciai super-rapidi sempre più performanti. Tutto ciò si è accompagnato alla tendenza di ridurre il più possibile, nelle trasmissioni, il numero degli ingranaggi che necessariamente devono essere dentati con la stozzatura. È noto infatti che i tempi di lavorazione e la precisione sono migliori utilizzando il creatore. Tuttavia anche oggi il coltello stozzatore è un utensile largamente usato nell’industria meccanica anzi, i costruttori di questo utensile hanno potuto aumentare la produzione grazie alla sempre maggiore diffusione del metodo di taglio Power Skiving che utilizza utensile molto simili al coltello stozzatore tradizionale.

La differenza tra i due tipi di utensile consiste sostanzialmente solo per le spoglie frontali e laterali e quindi possono essere costruiti con le stesse macchine. Una delle caratteristiche negative del coltello stozzatore, e quindi anche del coltello Power Skiving, è che nelle successive affilature varia il suo diametro e conseguentemente variano le condizioni di ingranamento con variazioni delle dimensioni dell’ingranaggio prodotto. Esaminiamo nel dettaglio questo aspetto del problema.

Progettazione

In primo luogo parliamo dei coltelli per esterni che presentano problematiche diverse rispetto a quelli per interni.

La difficoltà di progettazione riguarda soprattutto la zona del profilo del coltello che esegue lo smusso sulla sommità del dente del pezzo, cioè il cosiddetto semitopping. Il problema è il mantenimento della dimensione dello smusso e del diametro interno sull’ingranaggio (Figura 2).

Il motivo per cui non è possibile mantenere costanti questi due parametri è costituito dal fatto che è impossibile accordare la riduzione dello spessore del dente del coltello a seguito delle affilature (che provoca una riduzione dell’interasse tra coltello e pezzo), con la spoglia di testa del coltello e con l’inclinazione del semitopping.

La riduzione dell’interasse I (Figura 3) segue una legge complessa; nella sua rappresentazione matematica appaiono funzioni trigonometriche che rendono la variazione non lineare in rapporto all’altezza H del coltello.

Al contrario, la spoglia di testa del coltello St e l’inclinazione della parte destinata a eseguire gli smussi (che come si è detto è comunemente chiamata semitopping), sono rettilinee e quindi variano linearmente in funzione della riduzione dell’altezza del coltello.

La variazione del diametro interno Di e dello smusso Sm sono abbastanza rilevanti e a volte coprono tutta la tolleranza assegnata a queste due quote.

A inizio e a fine vita del coltello lo smusso risulterà più grande rispetto a quello che si ottiene a metà utilizzazione del coltello. Per quanto riguarda lo smusso di testa ci sono poi altri motivi di variazione, ad esempio la tolleranza sullo spessore cordale Sc. A seguito di questa tolleranza l’interasse tra coltello e pezzo può variare e allora varia sia il diametro interno sia l’ampiezza dello smusso.

I coltelli prerasatori lasciano un soprametallo che dipende essenzialmente dal modulo, ma questo soprametallo può variare da un massimo ad un minimo, come si può vedere nel diagramma di Figura 4. Tra l’altro gli operatori d’officina generalmente hanno la tendenza a lasciare un soprametallo superiore a quello stabilito per essere più che sicuri che dopo la rasatura non restino tracce del coltello stozzatore.

La tolleranza sul soprametallo in un’operazione di prerettifica e ancora maggiore, come si può vedere dal diagramma della stessa Figura 4, e quindi il problema è aggravato.
Infine, lo smusso può variare anche per effetto della tolleranza sul diametro esterno dell’ingranaggio.

Il problema dell’incostanza dello smusso diventa particolarmente grave quando lo spessore del dente sul diametro esterno Se è piccolo. In questi casi, se si vuole avere uno smusso significativo a metà vita del coltello, a volte si ha l’incrocio dei due smussi in corrispondenza del diametro esterno (Se=0) quando il coltello è nuovo o è quasi a fine vita. Questa situazione è sempre ad evitare perché rende l’ingranaggio particolarmente vulnerabile alle ammaccature.

Nella progettazione del coltello bisogna tener conto di questi problemi ed è quindi necessario eseguire un’analisi dettagliata della situazione, anche in considerazione di come sarà utilizzato l’ingranaggio.

Per esempio, ci sono degli ingranaggi in cui l’inizio del profilo attivo è molto vicino al diametro interno, quasi in corrispondenza del raccordo di fondo dente. In questi casi una piccola variazione del diametro interno può rendere difficoltosa la successiva operazione di rasatura o, al limite rendere pericoloso l’accoppiamento con la controruota.

Per avere un’idea di quanto siano importanti queste variazioni degli smussi e del diametro interno, si possono osservare rispettivamente i diagrammi di Figura 5 e 6, che si riferiscono a un esempio di un ingranaggio e di un coltello con le seguenti caratteristiche:
• Modulo = 2,5 mm
• Angolo di pressione = 20°
• Numero di denti dell’ingranaggio = 30
• Numero di denti del coltello = 40
• Angolo di spoglia laterale = 2° 10’
• Altezza di utilizzazione del coltello 20 mm

Si può facilmente osservare che all’inizio vita del coltello lo smusso è maggiore e il diametro interno è minore; la situazione opposta si verifica a circa metà vita del coltello per poi ritornare nelle condizioni iniziali a fine vita del coltello.

In alcuni casi limite non sono tollerabili variazioni dello smusso e del diametro interno di queste entità, allora o si costruiscono coltelli con una utilizzazione molto minore, oppure dopo un certo numero di affilature si ripassa con la rettifica il profilo dei denti.

 

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