Il controllo della distorsione durante il processo di cementazione è di fondamentale importanza nella produzione di ingranaggi. Se la distorsione è controllata in modo tale da garantire la classe ISO 8 dopo la cementazione, l’operazione di rettifica diventa superflua e le parti possono essere semplicemente levigate (honing). Questo studio fornisce indicazioni su come raggiungere la classe ISO 8 dopo la cementazione, combinando un processo avanzato di trattamento termico con una tecnologia innovativa per l’ispezione degli ingranaggi.
La distorsione data dal trattamento termico ha un forte impatto sui costi, poiché i componenti distorti devono essere lavorati a valle del trattamento. Un migliore controllo della distorsione significa:
– minor tempi ciclo nelle lavorazioni sul duro;
– minore capacità di lavorazione necessaria;
– minori costi di attrezzaggio.
Per alcune applicazioni la lavorazione sul duro può essere completamente eliminata grazie al controllo della distorsione. Con l’avvento della mobilità elettrica, l’adeguato controllo della distorsione è diventato ancora più importante rispetto al passato. I componenti distorti (ingranaggi) sono infatti fonte di rumore nelle trasmissioni. Soprattutto nei veicoli elettrici a batteria (BEV), ma in generale in tutti i veicoli elettrificati (compresi gli ibridi), vengono richieste trasmissioni a bassa emissione acustica aventi quindi componenti ad elevata precisione. I componenti dei sistemi e-drive richiedono solitamente la rettifica ed una successiva operazione di levigatura per ottenere la corretta finitura superficiale e correggere la distorsione data dal trattamento termico. Un buon controllo della distorsione potrebbe anche eliminare la necessità della rettifica.
I componenti valutati in questo studio sono solitamente montati su autovetture con motori a combustione interna. Il livello di controllo della distorsione consente di eliminare tutte le operazioni di lavorazione sul duro in modo da mettere gli ingranaggi in esercizio subito dopo il trattamento termico.
Meccanismi di distorsione e tempra a gas ad alta pressione (HPGQ)
I meccanismi rilevanti che causano la distorsione dei componenti durante il trattamento termico sono stati ampiamente descritti in letteratura [Hee17]. Walton [Wal92] ha pubblicato i numerosi dati che identificano i potenziali fattori di influenza sulla distorsione (Figura 1).
Applicando la tecnologia della cementazione a bassa pressione (LPC) e della tempra a gas ad alta pressione (HPGQ), la distorsione data dal trattamento termico può essere significativamente ridotta. La LPC è un processo di tempra che viene eseguito ad una pressione di pochi millibar in un ambiente ricco di acetilene che agisce come fonte di carbonio per la cementazione. Durante la HPGQ, per il raffreddamento viene utilizzato un flusso di gas inerte anziché un liquido. Di solito si usano azoto o elio [Loe05, Heu15].
La HPGQ offre un enorme potenziale per ridurre la distorsione data dal trattamento termico. Le tecnologie di tempra convenzionali come la tempra ad olio presentano condizioni di raffreddamento disomogenee. Durante la tempra liquida convenzionale si verificano tre diversi meccanismi: film-boiling, bubble-boiling e convezione. A seguito di questi tre meccanismi, i coefficienti di trasferimento di calore sulla superficie sono localmente molto disomogenei. Queste condizioni di raffreddamento non uniformi causano enormi sollecitazioni termiche che si traducono in distorsioni del componente. Durante la HPGQ avviene invece solamente la convezione, promuovendo quindi condizioni di raffreddamento molto più omogenee [Heu10]. Questo è stato confermato da diversi studi tra cui [Alt05]. Un altro vantaggio della HPGQ è la possibilità di regolare l’intensità del raffreddamento. Le pressioni di tempra tipicamente utilizzate variano da 2 bar a 20 bar. La velocità del gas è controllata da un convertitore di frequenza. Le velocità tipiche del gas variano da 2 m/s a 20 m/s a seconda della geometria del pezzo e tipo di acciaio del componente. Se la camera HPGQ è dotata di un sistema di inversione dei flussi, la direzione della vena gassosa può essere alternata durante la tempra. Questa alternanza nella direzione del flusso si traduce in curve di raffreddamento più uniformi. In questo modo è possibile ottenere un’ulteriore riduzione della distorsione. La Figura 2 mostra un tipico sistema industriale per il processo HPGQ.
Un confronto tra la rotondità degli alberi dopo il trattamento termico tradizionale con cementazione in atmosfera e tempra in olio rispetto ad un approccio LPC + HPGQ è mostrato in Figura 3. Il passaggio a LPC + HPGQ ha portato ad una significativa riduzione della distorsione. Di conseguenza, il tasso distorsione è stato ridotto dallo 0,124% allo 0,004%.
