Ingranaggi a doppia elica. Novità in produzione da Kapp Niles

La crescente domanda di ingranaggi a doppia elica nei riduttori epicicloidali per i motori dell’aviazione civile ha reso necessario lo sviluppo di una serie di nuove capacità e tecnologie.

Gli ingranaggi a doppia elica (ingranaggi a spina di pesce) sono caratterizzati da una disposizione simmetrica di due dentature identiche con angoli dell’elica esattamente opposti. Il risultato di questa simmetria è che le forze assiali nel cambio si annullano a vicenda. Per molti anni, tali ingranaggi a doppia elica, ad esempio per i componenti con interferenza geometrica, hanno rappresentato una speciale sfida nella finitura dei denti. Mentre in passato le applicazioni militari di piccoli lotti era l’obiettivo principale, ora si assiste ad un incremento nella domanda di ingranaggi a doppia elica nei riduttori epicicloidali per motori dell’aviazione civile. I crescenti requisiti per la riduzione del peso e il risparmio di carburante richiedono la progettazione dei componenti con dimensioni sempre minori. I tipici ingranaggi solari o planetari di tali trasmissioni hanno approssimativamente i seguenti parametri principali (dimensioni di un pezzo proposto per essere esposto a IMTS 2018, non un pezzo del cliente).

Supponendo che la gola di scarico tra i due ingranaggi contrapposti possa essere ridotta di soli 10 mm, la larghezza totale e, di conseguenza, il peso del pezzo diminuirà di circa il 7,7%, una riduzione apprezzabile nell’industria aerospaziale direttamente collegata al risparmio di carburante dell’aeromobile. In effetti, Kapp Niles ha dimostrato che grazie alla combinazione ottimale di macchina, mandrino di rettifica e mola abrasiva, i clienti possono raggiungere o addirittura superare tale obiettivo. La finitura dei fianchi dei denti degli ingranaggi dopo il trattamento termico può essere eseguita solo mediante rettifica dei profili. Tale processo richiede che lo spazio tra i denti dei due settori contrapposti dell’ingranaggio sia sufficiente affinché l’utensile possa finire la sua corsa.

Gli utensili tradizionali sono mole in CBN ravvivabili o non ravvivabili montate con viti su uno o due mandrini di rettifica. Il diametro minimo delle mole è spesso limitato a circa 80-100 mm a causa delle dimensioni dei mandrini, dall’interferenza del mandrino di rettifica e, in caso di utensili ravvivabili, chiaramente dalla gamma di diametri aggiuntivi richiesta per la ravvivatura. Tuttavia, tali soluzioni di rettifica tradizionali non soddisfano più le crescenti richieste di riduzione dello spazio tra le due dentature contrapposte e quindi della riduzione del peso e della migliore qualità geometrica e della finitura superficiale, ma anche le richieste di produzione giornaliera per ottimizzare i costi nel competitivo mercato aerospaziale civile globale.

Nella rettifica di ingranaggi a doppia elica, gli utensili Kapp Niles CBN offrono il vantaggio decisivo perché sono disponibili con il diametro ottimale in relazione alla larghezza disponibile della gola tra i due ingranaggi, garantendo al contempo una qualità costante per l’intera durata dell’utensile. La rettifica è possibile solo con un’interazione ideale tra macchina e utensile. Come in ogni settore, è importante mantenere l’equilibrio tra costi e produttività senza compromettere la precisione.

Per soddisfare le richieste dei clienti, Kapp Niles ha sviluppato strumenti 3D unici per i progetti degli ingranaggi, spesso con più iterazioni insieme ai clienti. I parametri che possono essere ottimizzati includono:

  • diametro utensile: questo parametro è il più direttamente correlato al mandrino di rettifica avanzato di Kapp Niles e alla produzione di utensili CBN;
  • angolo di rotazione utensile: spesso sottovalutato, ma è un mezzo molto efficace per ridurre la linea di contatto tra mola e pezzo, ma talvolta ha, come effetto negativo, la perdita dell’equilibrio delle forze di rettifica tra i due fianchi e ciò richiede una maggiore rigidità del mandrino di rettifica;
  • posizione del punto DHC: a volte uno spostamento di profilo può fornire spazio aggiuntivo con una possibilità inaspettata di riduzione dello spazio disponibile tra le due dentature.

Inoltre, altre caratteristiche come smusso o arrotondamento del bordo possono fornire possibilità di miglioramento inaspettate.

Analisi di un caso concreto

Come caso specifico, illustriamo il processo di ottimizzazione con un noto produttore europeo di motori aerospaziali civili e militari:
1. Il progetto iniziale del cliente prevedeva una distanza tra le due dentature di 30 mm e una dimensione della mola convenzionale e montata su un mandrino di rettifica disponibile sulla loro macchina Kapp Niles esistente (anno di produzione 1993 e ancora utilizzata 24 ore su 24, 7 giorni su 7 per la produzione aerospaziale).
2. La prima fase di ottimizzazione è stata la riduzione al minimo del diametro della mola a 60 mm mediante il mandrino speciale con contro-supporto ma con mandrino e mole CBN separate.
3. La seconda fase è consistita nel ruotare entrambi gli ingranaggi l’uno rispetto l’altro (e spostare il punto DHC fuori centro) in modo che la ruota possa utilizzare il vano del dente op- posto come spazio aggiuntivo. A seguito di queste modifiche si è ottenuta la riduzione dell’ampiezza della gola di scarico a 18 mm con il diametro della mola di 50 mm.
4. La sfida finale è stata la richiesta del cliente proponendo una larghezza della gola di scarico di 15 mm, ovvero meno della metà del progetto iniziale con una riduzione del peso di circa il 10%. La richiesta è stata soddisfatta con:
• disegno integrato della mola in CBN e dell’albero della mola anche con doppia granulometria CBN per sgrossatura e finitura
• diametro mola CBN di 30 mm
• angolo di inclinazione utensile ottimizzato
Con in più la raccomandazione di un piccolo smusso per arrivare al risultato finale.
5. Il progetto finale del cliente è tornato però a una dimensione della gola leggermente maggiore, e a una separazione delle mole CBN dall’albero per un ottenere un loro costo ottimale, ma anche perché apparentemente non è stato possibile ridurre di conseguenza l’intero progetto del cambio, inclusi i cuscinetti.

Durante tutte le fasi di ottimizzazione, i prototipi sono stati rettificati presso Kapp Niles con piena soddisfazione del cliente finale che ha affermato di non aver mai visto un processo così avanzato su nessuna rettificatrice per ingranaggi presente sul mercato.

L’acquisto di una nuova rettificatrice per ingranaggi e di mole CBN è stato solo il logico passo finale per il cliente in modo da essere preparato per la futura produzione di questo motore aeronautico avanzato. Ma anche la scelta finale della rettificatrice per ingranaggi più adatta è stata un processo accurato, poiché Kapp Niles fornisce la più ampia gamma di soluzioni per la rettifica di ingranaggi a doppia elica di varie dimensioni. Sia con asse orizzontale (serie VX) che con asse pezzo verticale (serie ZE e ZP).

Tutte le macchine possono essere equipaggiate con soluzioni innovative per quanto riguarda hardware e software per la rettifica di ingranaggi a doppia elica.

Ma qual è la migliore rettificatrice senza utensili e software ottimizzati? Nella maggior parte dei casi, un processo a due fasi con sgrossatura e utensile di finitura CBN è necessario per ottenere i massimi tassi di rimozione del materiale e la qualità della superficie. A tale scopo è stato sviluppato un mandrino di rettifica potenziato con contro-cuscinetto che consente una precisione e una produttività uniche anche con i diametri di mola minimi.

Un’interfaccia HSK integrata riduce al minimo i tempi di configurazione degli utensili. Il profilo del mandrino è stato progettato per evitare interferenze con angoli di elica elevati, il numero di giri del mandrino è idoneo per piccoli diametri della mola e, cosa più importante, il contro-cuscinetto aumenta la rigidità in modo significativo per ottenere la massima precisione di rettifica anche con pezzi di grande modulo e forze di rettifica irregolari.

Ultimo, ma non meno importante, uno dei problemi più impegnativi è la serie di azioni per l’allineamento della mola sul grezzo, rettifica, misurazione e documentazione della rimozione del materiale ottimizzando la posizione del punto DHC. Con la sonda di misura integrata e i pacchetti software associati, queste attività possono essere eseguite in modo particolarmente intuitivo sulle nostre macchine. Ma anche se il sistema di misurazione degli ingranaggi integrato di altissima precisione nella macchina mostra una sorprendente correlazione con le CMM esterne, è comunque necessaria un’ispezione finale esterna. A tal fine, Kapp Niles Metrology ha sviluppato anche soluzioni speciali per l’industria aerospaziale.

Macchine di misura universali ad alta precisione con design a ponte con teste di misura disposte verticalmente per pezzi complessi vengono utilizzate con successo nell’industria aerospaziale.

La macchina di misura per ingranaggi di nuova concezione KNM 2X con orientamento orizzontale della testa di misura per misurazioni estremamente precise di ingranaggi, da piccole dimensioni fino a 300 mm di diametro, è perfettamente adatta per la misurazione di ingranaggi a doppia elica.

Oltre all’ispezione standard di profilo, elica, passo ed eccentricità secondo DIN 3960/62 o AGMA 2000 (o altri standard), l’esatta misurazione e determinazione del punto APEX degli ingranaggi a spina di pesce, con un pacchetto software di valutazione completo, garantisce una certificazione finale di qualità.

traduzione a cura di Gianfranco Bianco

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