Come ridurre le vibrazioni nella stozzatura degli ingranaggi

Tra gli inconvenienti della stozzatura degli ingranaggi, vanno segnalate le forti vibrazioni che, oltre a risultare fastidiose per gli operatori, riducono la durata degli utensili, non permettono velocità elevate e pongono limiti alle precisioni. Questi problemi sono stati ora superati grazie a nuove e interessanti soluzioni.

Nel taglio degli ingranaggi, e in particolare nella produzione tramite creatore, la tendenza è verso l’utilizzo di sistemi ad alta velocità ed elevata produttività. Una di queste tecniche è sicuramente l’adozione della dentatura a secco che però non può essere applicata se non con macchine specifiche e con utensili dedicati. Questo è tanto più vero se si tratta di operazioni di stozzatura dove la catena cinematica, che va dal motore all’utensile, è più complessa rispetto a quella attuata nella dentatura con creatore.

Negli ultimi anni, per ridurre le dimensioni e i costi, i produttori di scatole cambio per automobili e per motocicli (i due principali utilizzatori di macchine da taglio) hanno iniziato a integrare due o più ingranaggi dentati in un’unica forma complessa. Un chiaro esempio di tali particolari sono gli ingranaggi vicini a uno spallamento e gli ingranaggi interni, entrambi particolari complessi che non possono essere tagliati con dentatrice a creatore, ma possono invece venire prodotti utilizzando una macchina stozzatrice.

Nel caso si debba lavorare un ingranaggio che si possa dentare con creatore e un altro che necessariamente si debba dentare solo con un coltello stozzatore, come per esempio quello indicato in Figura 1, si presenta l’esigenza di avere una produttività uguale nei due sistemi per non penalizzare la cadenza di tutta la linea.

La multinazionale Nidec Machine Tool Corporation, che nell’agosto del 2021 ha acquisito il business e l’esperienza delle macchine utensili Mitsubishi, ha sviluppato la stozzatrice SE15A, una macchina compatta con prestazioni eccellenti nel taglio ad alta velocità per piccoli ingranaggi, come ad esempio quelli montati nelle scatole cambio utilizzati nel settore automobilistico e motociclistico.

I piccoli ingranaggi hanno spesso un piccolo diametro e una limitata larghezza della fascia dentata, pertanto, al fine di raggiungere l’elevata velocità di taglio di 130 m/min necessaria per il taglio a secco, il numero di battute possibili del mandrino stozzatore deve essere elevato. Poiché le macchine a stozzare utilizzano il movimento alternato della corsa verticale del mandrino per tagliare il pezzo, le vibrazioni sono inevitabili.

Per sopprimere queste vibrazioni, la SE15A impiega un albero di nuova concezione chiamato “Silent Shaft” integrato nella cinematica di azionamento del comando delle corse di lavoro.

La soluzione al problema

In una macchina a stozzare, il movimento rotatorio del motore principale. viene convertito, tramite un meccanismo a biella-manovella, nel movimento lineare del mandrino.

Per ridurre la forza d’inerzia generata dal movimento verticale del mandrino, un contrappeso (1) viene di solito fissato all’estremità opposta della manovella. Tuttavia, il contrappeso ha anche un moto rotatorio e, quindi, oltre a ridurre la forza d’inerzia nella direzione verticale, si genera anche una forza d’inerzia indesiderata nella direzione dell’asse orizzontale (asse X).

Questo metodo risulta quindi relativamente inefficace per la riduzione delle vibrazioni, ed inoltre, dato che è meccanicamente difficile posizionare il perno e il contrappeso (C) sullo stesso piano a causa del diverso spessore di queste parti, si genera inevitabilmente una forza momento indesiderata.

Poiché queste forze d’inerzia (che producono vibrazioni) peggiorano all’aumentare del numero di corse al minuto del mandrino, durante la lavorazione degli ingranaggi ad alte velocità si può chiaramente avvertire il vibrare del corpo macchina, che può arrecare guasti alle apparecchiature ausiliarie, peggiora la precisione di lavorazione e diminuisce sensibilmente la durata utensile soprattutto nel caso di utilizzo di utensili in metallo duro.

Una testa a stozzare “silenziosa”

Come soluzione a questo problema è stata progettata una rivoluzionaria testa a stozzare denominata “Silent Shaft”. La Figura 2 illustra la struttura meccanica della nuova testa porta-coltello montata sulla stozzatrice degli ingranaggi SE15A, completa del gruppo “Silent Shaft”. Con la disposizione dei contrappesi, come indicato nella Figura 2, vengono soppresse le vibrazioni.

Nel gruppo di comando delle battute, sono stati inseriti due alberi di equilibratura, ciascuno con un contrappeso (2) per ridurre la forza d’inerzia generata dal contrappeso (1) nella direzione orizzontale (asse X).

I contrappesi (2) sono fissati ai due alberi che ruotano in direzioni opposte per controbilanciare reciprocamente le forze d’inerzia verticali da loro stessi generate. Questa soluzione consente quindi l’uso del contrappeso (1) per controbilanciare la maggior parte della forza d’inerzia causata dal movimento della corsa verticale del mandrino, senza indurre le vibrazioni. Inoltre, un altro contrappeso (3) è stato posizionato in modo che le forze d’inerzia generate dal mandrino, e da tutti gli altri contrappesi, siano compensate anche nella direzione trasversale rispetto all’utensile (asse Y). Come si può osservare nella Figura 3 la composizione delle forze e dei momenti è piuttosto complessa e non è il caso di analizzarla in questa sede. Si tratta quindi di prendere atto dei risultati che, come illustrato nella Figura 4, sono molto interessanti.

Secondo il grafico, l’ampiezza delle vibrazioni nelle direzioni X, Y e Z sono rimaste ad un livello basso per l’intera gamma di velocità del mandrino, praticamente, sono state ridotte a circa 1/6 dell’ampiezza delle vibrazioni riscontrabili sulle macchine convenzionali.

Nell’esempio di lavorazione, riportato nella Tabella 1, si può chiaramente vedere che le prestazioni della nuova macchina Nidec SE15A sono nettamente superiori di una macchina convenzionale.

Bisogna osservare che avendo la possibilità di lavorare con velocità di taglio più elevate, oltre a passare al taglio a secco, si possono utilizzare per il coltello acciai più legati e ricoperture adatte al taglio a secco, come per esempio quelle con layer alluminio-cromo, cioè utensili più performanti.

Il diagramma di Figura 5 evidenzia la costanza delle misure sullo spessore cordale nella sequenza dei pezzi prodotti con valori che rimangono abbondantemente dentro la tolleranza fissata, il che dimostra la grande stabilità della macchina.

La macchina può essere personalizzata in funzione del metodo di carico e scarico che si sceglie. Per esempio il carico e scarico può essere effettuato sul fronte della macchina, sia manualmente che utilizzando caricatori automatici, oppure si può optare per il carico/scarico utilizzando il lato destro della macchina.

In ogni caso, l’unità è predisposta per il taglio a secco, in particolare è stata curata l’evacuazione veloce dei trucioli in modo da limitare al massimo le deformazioni termiche della struttura dovute al calore.

Le principali caratteristiche tecniche della stozzatrice Nidec SE15A sono riportate nella Tabella 2.