Lavorazione di ingranaggi a doppia elica

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Stato dell’arte della tecnologia e ultimi sviluppi per la lavorazione di ingranaggi a “lisca di pesce” e a doppia elica utilizzando diversi processi e riportando alcuni esempi applicativi

L’obiettivo principale di questo articolo è mostrare lo stato della tecnologia e gli ultimi sviluppi per la lavorazione di ingranaggi a “lisca di pesce” e a doppia elica utilizzando diversi processi e riportando alcune applicazioni. La parte principale dell’articolo è suddivisa in lavorazione degli ingranaggi a “lisca di pesce” mediante rettifica sul “duro” con fresatura a 4 assi e lavorazione sul “verde” di ingranaggi a doppia elica. Un ulteriore capitolo riguarda lo sviluppo di una nuova tecnologia per la finitura “dura” degli ingranaggi a doppia elica mediante il principio della rettifica a generazione continua.

Ingranaggi a lisca di pesce e a doppia elica

Determinazione e applicazione

Gli ingranaggi cilindrici a denti dritti ed elicoidali sono quelli utilizzati più frequentemente nei riduttori ad assi paralleli. La scelta di quale dei due tipi di ingranaggio utilizzare è legata ai vantaggi (vedasi figura 2) specifici delle due configurazioni. Ad esempio, gli ingranaggi cilindrici (a denti dritti) sono ancora utilizzati per la trasmissione di coppie molto elevate e garantiscono una elevata efficienza. Se è invece richiesto un funzionamento regolare e un fattore di ricoprimento più elevato, si preferiscono gli ingranaggi elicoidali. Se nella scelta del tipo di ingranaggio da utilizzare in una trasmissione vengono solitamente tenuti in considerazione i vantaggi offerti degli ingranaggi cilindrici a denti dritti e da quelli elicoidali; non è invece consueto pensare all’utilizzo di soluzioni a “lisca di pesce” e a doppia elica.

Figura 2. Vantaggi degli ingranaggi cilindrici ed elicoidali

Negli ingranaggi a “lisca di pesce” o doppia elica, la larghezza di fascia è suddivisa in due parti, una con spirale destrorsa e una con spirale a sinistrorsa. Grazie a questa disposizione, la componente assiale della forza che si genera su una metà dell’ingranaggio viene compensata dalla componente avente direzione opposta che si avrà sulla seconda metà. Ciò permette di ridurre le dimensioni richieste al supporto assiale (ndr. cuscinetto) permettendo di risparmiare spazio e ridurre gli ingombri del sistema. Pertanto, gli ingranaggi a “lisca di pesce” e quelli a doppia elica sono spesso utilizzati sia nei riduttori di grandi dimensioni, dove un cuscinetto assiale è difficile da integrare o addirittura non disponibile in commercio, sia in quelli particolarmente piccoli in cui lo spazio per il cuscinetto assiale risulta molto limitato.

I settori tipici in cui queste soluzioni vengono utilizzate, sono quello aerospaziale (ad esempio, il riduttore planetario dei turbofan, si veda figura 1, le trasmissioni degli elicotteri), i turbocompressori, il settore navale, l’industria mineraria, del cemento e delle materie prime, le pompe, la tecnologia delle presse e della forgiatura.

Informazioni specifiche sulla produzione di ingranaggi a doppia elica

Nel caso di un ingranaggio a “lisca di pesce”, il fianco elicoidale passa senza soluzione di continuità oltre la mezzeria della ruota (figura 1, immagine in alto a destra). Nel caso di un ingranaggio a doppia elica, è invece presente uno spazio (assiale) tra i fianchi destro e sinistro (figura 1, immagine in basso a destra). Questo spazio consente le operazioni di taglio dell’ingranaggio stesso, quali, ad esempio, la fresatura o la generazione mediante utensile creatore. I singoli processi di produzione degli ingranaggi sono illustrati in dettaglio nel seguito.

Punto apicale e posizione angolare dei denti dell’ingranaggio

Il punto di apice è l’intersezione delle teste dei due fianchi (destro e sinistro). La posizione del punto apicale riflette il posizionamento del doppio ingranaggio elicoidale durante il funzionamento. Idealmente, ad eccezione di modifiche e correzioni speciali del profilo, questa posizione si trova esattamente al centro della larghezza totale di fascia. In molti disegni tecnici, il punto apicale è indicato con una tolleranza (da rispettarsi durante la produzione). Una deviazione fhβ dell’angolo secondo la definizione ISO 1328-1:2013-09 [2], ha una influenza sulla posizione del punto apicale. La figura 3 mostra questa influenza in modo schematico.

Se la deviazione dell’angolo d’elica è la stessa su entrambi gli ingranaggi, cioè fhβ1 = fhβ2, il relativo punto apicale si trova direttamente sulla linea di simmetria tra le due metà. Diversamente, se l’angolo d’elica devia solamente sui fianchi di una metà ingranaggio, il punto apicale risulta spostato (la direzione dipende della variazione di fhβ (figura 3).

Figura 3. Influenza della deviazione dell’angolo d’elica sulla precisione del punto apicale

Per la produzione di un ingranaggio a doppia elica di buona qualità, è quindi importante rispettare l’angolo d’elica nel modo più preciso possibile, poiché questo ha una influenza diretta sulla posizione del punto apicale. Inoltre, anche il bloccaggio del pezzo durante la lavorazione ed il controllo qualità svolgono un ruolo importante. L’errore di run-out sul passo porta a un’oscillazione della posizione del fianco (variazione fhβ) che, a sua volta, porta ad uno spostamento del punto apicale – come descritto in precedenza – lungo la circonferenza dell’ingranaggio; tale problematica è nota come errore di run-out dell’apice.

Un altro importante parametro che definisce la qualità degli ingranaggi a doppia elica è la posizione angolare relativa tra i fianchi dei due ingranaggi elicoidali. Il posizionamento può essere determinato in funzione di uno dei due fianchi del dente o valutato a partire dal centro del vano tra due denti. Un’indicizzazione dei due ingranaggi è preferibile quando l’attenzione è rivolta al funzionamento omogeneo e al comportamento sotto carico. La precisione dell’indicizzazione influisce anch’essa sulla posizione (assiale) del punto apicale. Se entrambi gli ingranaggi hanno la stessa deviazione dell’angolo d’elica e gli spazi tra i denti sono sfalsati l’uno rispetto all’altro, allora, come mostrato in figura 4, il punto apicale risulta anch’esso spostato.

Figura 4. Posizione angolare degli ingranaggi

Lo sfasamento radiale si verifica durante la fabbricazione del doppio ingranaggio elicoidale, poiché, di solito, un ingranaggio viene lavorato prima dell’altro e, di conseguenza, le posizioni iniziali dei vani tra i denti non vengono mantenute esattamente in fase a causa del nuovo montaggio del pezzo, o a seguito di un cambio utensile. Di conseguenza, l’errore risulta costante lungo la circonferenza dell’ingranaggio ed il punto apicale sarà sistematicamente spostato dalla mezzeria. Quando si producono ingranaggi a doppia elica, il pezzo deve essere lavorato possibilmente in un unico afferraggio. Un posizionamento preciso degli ingranaggi può essere garantito con l’aiuto di una sonda di misura. Gli utensili da taglio per ingranaggi, quali, ad esempio, i creatori o le frese da taglio, devono poter essere sincronizzati mediante un dente di riferimento.

Il punto apicale e la posizione angolare possono essere misurati su qualsiasi centro di misura per ingranaggi in un unico setup assieme alla misura di tutti gli altri parametri di qualità (profilo, run-out, ecc.) e non si rende dunque necessaria una successiva ulteriore misura dedicata dalla posizione del punto apicale con l’impiego di un’altra macchina di misura a coordinate.

Conclusioni provvisorie dal punto di vista della produzione

Dal punto di vista della produzione, la misura della posizione angolare è sempre consigliabile poiché consente di effettuare una correzione molto semplice e precisa agendo direttamente sul macchinario per il taglio degli ingranaggi. Un altro vantaggio è rappresentato dal collegamento diretto che si ha con la cinematica di generazione (durante il taglio l’ingranaggio è bloccato e questo riferimento può essere utilizzato anche per la valutazione e correzione della posizione angolare dell’ingranaggio). L’influenza della deviazione fhβ dell’angolo, in particolare dell’errore di oscillazione, è significativamente inferiore rispetto a quella della posizione del punto apicale sul buon funzionamento dell’ingranaggio. Inoltre, non è necessaria una conversione del punto apicale nella corrispondente posizione angolare per arrivare ad una correzione della rotazione richiesta/applicata dalla macchina. La correzione può quindi essere eseguita insieme ad una correzione dello spessore del dente. In questo modo si riduce notevolmente lo sforzo per la messa a punto di un ingranaggio a doppia elica.

Implementazione delle modifiche al fianco del dente

Il tipo di applicazione e le condizioni di carico, nonché le temperature di esercizio che ne derivano, richiedono modifiche diverse del fianco del dente degli ingranaggi a “lisca di pesce” o a doppia elica [3]. Le modifiche semplici, come la modifica dell’angolo d’elica, la bombatura e le modifiche convenzionali del profilo, ampiamente utilizzate gli ingranaggi elicoidali tradizionali, possono essere implementate anche sugli ingranaggi a doppia elica utilizzando qualsiasi processo di taglio.

La combinazione di diverse modifiche (figura 5) [4] può essere realizzata con precisioni micrometriche sfruttando vari processi, tra cui la rettifica del profilo.

Figura 5. Deflessioni, distorsioni termiche e la conseguente modifica del profilo [4]

Modifiche più complesse che riguardano l’intera topologia del fianco del dente (cfr. Figura 6) possono essere teoricamente realizzate utilizzando la rettifica generatrice topologica (DFT) [5].

La sfida nell’implementazione pratica della rettifica generatrice risiede nell’uso di una vite senza fine con un diametro esterno molto piccolo, che è determinato dalla larghezza della fessura presente sull’ingranaggio a doppia elica.

La fresatura a 4 o 5 assi offre molte più opzioni di produzione e gradi di libertà nella progettazione della topografia del fianco del dente.

Figura 6. GER in combinazione con la corona di piombo e l’assenza di torsione [5]

Lavorazione di ingranaggi a “lisca di pesce”

Per la produzione di ingranaggi a “lisca di pesce” si possono utilizzare solo la stozzatura, la profilatura degli ingranaggi e la fresatura a 4 o 5 assi. La stozzatura degli ingranaggi viene sostituita sempre più spesso dalla profilatura su macchine con guida elicoidale elettronica e dalla fresatura a 4 o 5 assi, poiché le corrispondenti stozzatrici, ad esempio quelle della ditta Maag [6], non vengono più prodotte da decenni.

Lavorazione “verde” mediante sagomatura di ingranaggi

In passato, gli ingranaggi a “lisca di pesce” venivano per lo più sagomati su speciali macchine per la profilatura di ingranaggi a “lisca di pesce”.  Spesso venivano eseguite in una struttura orizzontale in cui il pezzo veniva bloccato orizzontalmente per la lavorazione (figura 7, immagine a sinistra), il che significa che anche l’asse di rotazione dell’ingranaggio risultava essere orizzontale.

Per la direzione di avanzamento (a destra e a sinistra), venivano utilizzate complesse guide meccaniche elicoidali, che hanno consentito la profilatura (spinta e trazione) sull’ingresso radiale. In questo modo, le metà destra e sinistra dell’ingranaggio a “lisca di pesce” venivano generate più o meno simultaneamente (figura 7, immagine a destra).

Figura 7. Macchina speciale per la profilatura di ingranaggi a “lisca di pesce” del 1960 [7]

Le moderne macchine per la profilatura di ingranaggi sono generalmente costruite con struttura verticale e un solo mandrino. Ciò comporta i seguenti scenari di lavorazione per gli ingranaggi a “lisca di pesce” (che valgono anche per gli ingranaggi a doppia elica):

– profilatura del primo ingranaggio, tornitura, profilatura del secondo ingranaggio.

– profilatura del primo ingranaggio e profilatura del secondo ingranaggio

A seconda della larghezza di fascia, le due frese necessarie per la profilatura possono essere fissate su un unico portautensili (figura 8). Se la larghezza di fascia è troppo grande, risulta necessario cambiare la fresa.

Figura 8. Profilatura verso il basso e verso l’alto in un unico afferraggio

Per la profilatura di ingranaggi a “lisca di pesce” che non presentano un’eccedenza dell’utensile (e quindi non necessitano della fessura tra le due metà), è necessario utilizzare una fresa con un’affilatura speciale nel piano trasversale, (figura 9). La fresa ha una scanalatura su un lato della superficie di taglio, che garantisce, per risparmiare spazio, l’arrotolamento del truciolo. Sul lato opposto della fresa è presente uno smusso che guida la fresa in modo stabile lungo il dente (step necessario per compensare le elevate forze che si incontrano durante la lavorazione).

Figura 9. Affilatura speciale sul piano trasversale di una fresa da taglio [7]

La fresatura multi-asse consente una lavorazione “verde” e sul pezzo indurito

Gli ingranaggi a “lisca di pesce” possono essere prodotti su centri universali di tornitura-fresatura o su macchine a 4 o 5 assi [8]. Gli ingranaggi vengono creati con frese universali. I percorsi di taglio necessari vengono calcolati con un sistema CAD/CAM. Con questo metodo è possibile realizzare facilmente modifiche del profilo. Per questo motivo, la fresatura multi-asse risulta ideale per la produzione di pezzi singoli e piccoli lotti. È possibile anche la lavorazione sul “duro”. La qualità della superficie e degli ingranaggi che si è possibile ottenere con un processo ottimizzato è riportata in figura 10.

Figura 10. Lavorazione “dura” di un ingranaggio a “lisca di pesce”

Lavorazione “verde” di ingranaggi a doppia elica

Fresatura di forma e dentatura anche in combinazione con fresatura a 4 assi

Molto spesso, gli ingranaggi a doppia elica hanno una fessura molto piccola o, nel caso di un ingranaggio a “lisca di pesce”, i fianchi sono contigui. Tuttavia, nei casi in cui la fessura risultasse essere sufficientemente grande, diviene possibile realizzare i profili mediante utensile creatore o, addirittura, mediante fresatura di forma (a volte chiamata “gashing”) [9]. Di solito, dopo l’operazione di dentatura, si esegue un processo di finitura, per cui si possono usare mole da rettifica di dimensione pari al diametro del creatore. In generale, la dentatura a creatore è preferita rispetto alla fresatura in luce di un tempo ciclo più contenuto ed una maggiore durata dell’utensile. Tuttavia, soprattutto negli ingranaggi con modulo grande, la fresatura di forma per la sgrossatura dei due ingranaggi può essere vantaggiosa, anche considerando che, solitamente, la (maggiore) durata dell’utensile del creatore non è comunque sufficiente per tagliare entrambi gli ingranaggi senza doverlo riaffilare. Poiché entrambi i processi – dentatura e fresatura di forma – sono molto più veloci della fresatura a 4 o 5 assi, quando possibile sono da preferirsi (figura 11).

Figura 11. Dentatura di ingranaggi a doppia elica

È anche possibile sfruttare la dentatura a creatore o la fresatura di forma per il taglio di ingranaggi elicoidali doppi con dimensioni della fessura molto piccola, ma in questo caso spesso si hanno problemi a causa dell’ingombro dell’utensile. Il processo viene quini usato principalmente per la sgrossatura, in modo da ridurre l’usura degli utensili della fresatura a 4 o 5 assi (processo tipico della sgrossatura). In teoria, questa pre-lavorazione dovrebbe anche ridurre il tempo di taglio necessario per il successivo processo di fresatura a 4 assi. Va però anche sottolineato come renda la programmazione e la lavorazione molto più complesse, motivo per cui non risulta molto in voga.

Sebbene la fresatura a 4 assi degli ingranaggi sia un’alternativa particolarmente interessante per la produzione di soluzioni a “lisca di pesce” o a doppia elica, può essere applicata anche ad ingranaggi cilindrici “standard”, ad esempio per la produzione di prototipi o micro-lotti. Naturalmente, la fresatura a 4 assi comporta tempi ciclo molto più lunghi rispetto alla dentatura a creatore o alla fresatura di forma, ma è comunque molto efficiente. Il vantaggio principale sta nel fatto che, di solito, richiede utensili standard. In questo modo, la produzione dei pezzi può iniziare quasi immediatamente senza ritardi legati al cambiamento del setup / ricarica magazzino utensili, riducendo notevolmente il lead time (figura 12).

Figura 12. Fresatura a 4 assi di ingranaggi a doppia elica

Un esempio di utensili standard utilizzati per la fresatura a 4 assi è mostrato nella figura 13. Oltre alle frese a candela di diversi diametri (per la sgrossatura), sono mostrate le frese per la lavorazione del piede e le frese a candela per la finitura.

Figura 13. Utensili standard per la produzione di ingranaggi

A causa dei tempi di ciclo piuttosto lunghi, i requisiti di qualità degli ingranaggi rappresentano una sfida per i costruttori di macchine utensili soprattutto per quanto riguarda la precisione e la stabilità termica delle macchine stesse. I sistemi per la dentatura a creatore e la fresatura di ingranaggi sono costruite per garantire produttività e qualità massime, ma mostrano molti limiti per quanto riguarda un loro impiego per la produzione di ingranaggi a “lisca di pesce” o a doppia elica con fessure di dimensioni ridotte. Per superare questa limitazione, le dentatrici convenzionali possono essere equipaggiate con una testa di fresatura a 4 assi aggiuntiva (figura 14).

Figura 14. Testa di fresatura per ingranaggi esterni e interni

La caratteristica principale di questa testa di fresatura è un asse Y (che muove il mandrino e l’utensile tangenzialmente al pezzo) molto lungo. Quando si utilizzano frese cilindriche, un asse Y lungo offre la possibilità di posizionare la fresa sempre tangenzialmente al profilo ad evolvente, mantenendo dunque l’asse della fresa parallelo all’interasse. Poiché questa strategia di taglio sfrutta il principio della base-tangente, qualsiasi variazione dell’interasse, ad esempio dovuta alla espansione termica, non ha alcun impatto sull’accuratezza del profilo generato. Ovviamente, questo è particolarmente importante se i tempi di taglio sono molto lunghi, come avviene, ad esempio, nella fresatura a 4 assi di ingranaggi di grandi dimensioni. In questo modo, mentre i centri di lavoro convenzionali utilizzano un asse aggiuntivo per ruotare l’utensile e realizzare una vera e propria lavorazione a 5 assi, la testa di fresatura di cui sopra utilizza solo 4 assi sfruttando al massimo le speciali proprietà matematiche dell’evolvente. Quindi, in effetti, la macchina è “solo” una fresatrice a 4 assi, il che – in questo caso – non è uno svantaggio, ma una prova di profonda comprensione tecnologica e matematica dei vantaggi che si hanno nell’impiego della forma ad evolvente per i denti degli ingranaggi. La seconda caratteristica della testa di fresatura è la presenza di un dispositivo di fresatura (interno) aggiuntivo (visibile sul lato destro della testa di fresatura) che può gestire frese a candela o utensili di forma per tagliare cave per chiavette o scanalature interne. In questo modo, l’ingranaggio esterno può essere tagliato nella stessa configurazione del contorno interno per trasferire la coppia all’albero. Come esempio di applicazione, la figura 15 mostra la lavorazione di un pignone doppio-elicoidale a modulo grande – 25,4 mm (DP 1). Ciò sottolinea la capacità della testa di fresatura e della relativa macchina di gestire non solo i grandi diametri, ma anche i moduli più elevati. Il tempo di taglio di circa 24 ore può sembrare molto lungo, ma rispetto al tradizionale processo di sagomatura, che richiede diversi giorni, può essere considerato “molto veloce”.

Figura 15. Esempio di applicazione di un doppio ingranaggio elicoidale (m25,4 DP1)

Per sottolineare l’accuratezza della macchina, è interessante riportare come la qualità raggiunta sia di grado AGMA 13-15. Il requisito tipico secondo AGMA 10 viene dunque facilmente superato. Se si considerano i tempi di lavorazione lunghi, l’eccellente livello di qualità raggiunto dimostra la funzionalità della strategia di taglio applicata per assicurare la stabilità termica. Inoltre, i denti degli ingranaggi possono essere sbavati e smussati utilizzando frese nella stessa configurazione. Ciò è molto utile poiché la smussatura di tali ingranaggi viene solitamente eseguita manualmente, il che risulta impegnativo e richiede molto tempo, soprattutto per gli ingranaggi con numero elevato di denti (anche centinaia). Maggiori dettagli su questa macchina e ulteriori esempi di applicazione sono disponibili in [10].

Maggiore precisione nella dentatura grazie alla misurazione della posizione degli ingranaggi

Quando si modellano ingranaggi a doppia elica, l’esatto posizionamento relativo dei due ingranaggi comporta spesso un grande sforzo. Per allineare esattamente due ingranaggi prima della seconda fase di lavorazione, la loro posizione angolare e la loro posizione assiale devono essere determinate con precisione in uno step di misurazione intermedia, in modo che il cosiddetto punto apicale sia prodotto entro la tolleranza richiesta. Con la tecnologia di misura convenzionale, per lo più manuale, questa operazione risulta complessa e richiede molta esperienza da parte dell’operatore. Ciò può comportare imprecisioni dovute a errori di allineamento o di manipolazione. Una parte essenziale del concetto coordinato di macchina – utensile – tecnologia è la sonda di misura per la correzione direttamente integrata nella macchina, in modo da garantire precisione e affidabilità del processo.

Figura 16. Sonda di misura per la determinazione della posizione e le relative fasi del processo

La sonda si trova direttamente sul mandrino dell’utensile (figura 16) e utilizza quindi lo stesso sistema di coordinate della fresa stessa. Ciò riduce le imprecisioni che possono derivare da un cambio utensile o dalla rotazione del pezzo, e porta a un significativo aumento della qualità e dell’affidabilità del processo. In combinazione con gli assi a controllo numerico, si ottiene una precisione di misura al micrometro. Allo stesso tempo, si riduce il tempo necessario per la manipolazione e l’allineamento dei due ingranaggi. Un software di facile utilizzo guida l’operatore in tutte le fasi del processo.

Rettifica generica di ingranaggi elicoidali a doppia elica

Oltre alla fresatura multi-asse sul pezzo indurito e alla rettifica dei profili, la rettifica di generazione può essere utilizzata come metodo di finitura sul “duro” per gli ingranaggi a doppia elica. Lo sviluppo di materiali da taglio ad alte prestazioni consente di utilizzare in modo economico mole da rettifica con un diametro esterno iniziale di 55 mm. Come materiali da taglio si utilizzano abrasivi sinterizzati al corindone di forma triangolare o a bastoncino. Si utilizza anche CBN in legante galvanico e vetrificato [11]. Ciò rende la rettifica generatrice continua (per la gamma di moduli fino a 5 mm) una valida alternativa alla tradizionale rettifica di profili. La rettifica per generazione presenta i seguenti vantaggi rispetto alla rettifica di profili:

– Tempi di rettifica significativamente più contenuti

– Maggiore resistenza alle deviazioni del materiale ed alle distorsioni da trattamento termico

– Rischio minore per la macchina

– Produzione economica di modifiche topologiche, come il rilievo generato (GER), la rettifica senza torsione (TF), ecc.

– Maggiore precisione di apice e indicizzazione

– Ottima qualità del passo singolo e cumulativo

– Potenziale di rettifica e lucidatura fine per migliorare la rugosità della superficie.

Dimensionamento e progettazione delle mole

Il dimensionamento e la progettazione delle mole svolgono un ruolo importante nella rettifica per generazione degli ingranaggi a doppia elica. L’obiettivo è massimizzare il diametro esterno e la lunghezza dell’utensile in modo da ottenere un processo il più economico possibile. L’attenzione però non è rivolta solo alla massima durata delle mole. Soprattutto quando si utilizzano mole con diametri esterni ridotti, il numero di pezzi che possono essere rettificati in un intervallo tra due ravvivature ha un impatto importante sul tempo necessario alla ri-affilatura e, quindi, anche sul tempo di ciclo totale.

A causa dei limiti geometrici e relative interferenze, come la larghezza della fessura, ma anche il diametro di testa dell’ingranaggio, dopo una semplice indagine statica sulla collisione degli utensili si effettua un’analisi 3D dello spazio di lavoro della macchina mediante CAD. Quest’ultima fornisce una prima indicazione del diametro esterno massimo possibile per la mola in funzione del numero di taglienti e della larghezza della fessura. Questo viene poi determinato con precisione nel sistema CAD in base alle varie posizioni di taglio.

A seconda dell’ampiezza della fessura, entrambi gli ingranaggi (della ruota a doppia elica) possono essere rettificati con una sola mola. Va notato come l’accoppiamento utensile/ingranaggio con direzione di avanzamento opposta richieda una maggiore corsa dell’utensile a causa di un angolo di rotazione più ampio (figura 17).

Figura 17. Vantaggi e svantaggi di direzione di avanzamento concorde e discorde

Se questo risulta troppo grande per la larghezza della fessura data, le due metà dell’ingranaggio devono essere rettificate con mole differenti. Ciò significa che l’ingranaggio sinistrorso sarà rettificato con una mola sinistrorsa e quello destrorso con una mola destrorsa.

Nel caso di due mole, la distanza necessaria tra loro e la loro rispettiva distanza dai cuscinetti del mandrino (principale e contro-mandrino) viene determinata mediante CAD (figura 18). Si ottiene così la possibile lunghezza totale massima delle mole.

Figura 18. Indagine CAD per la determinazione esatta della mola

Requisiti di una rettificatrice per ingranaggi

Oltre alla disponibilità di un’ottima macchina, altri due requisiti risultano molto importanti per il successo della rettifica di ingranaggi a doppia elica. In primo luogo, una testa di rettifica potente e dinamicamente rigida. In secondo luogo, un software che, oltre all’inserimento dei dati e ai calcoli matematici necessari per un ingranaggio a doppia elica, offra anche la possibilità di correggere i due ingranaggi in modo indipendente, nonché la posizione angolare relativa tra loro. Tutti questi punti possono essere raggiunti con la testa di rettifica GH 240 CB di nuova concezione (figura 19). La velocità massima del mandrino di 12.000 giri/min. come standard e di 17.000 giri/min. come opzione aggiuntiva consentono una velocità di taglio economica anche con diametri ridotti della mola. Queste velocità elevate rendono necessario un bilanciamento molto preciso anche per mole con diametri piccoli. Ciò è garantito da un sistema di bilanciamento a due piani, completamente integrato nel mandrino principale e nel contro-mandrino.

Figura 19. Testa di rettifica GH 240 CB: dati tecnici e caratteristiche

Nello sviluppo del software si è prestata attenzione a un metodo di input e ad opzioni di correzione semplici e facilmente comprensibili. Insieme alla testa di rettifica, che può montare due mole con diverse direzioni di avanzamento, è stato sviluppato un processo per centrare in modo preciso le mole sui rispettivi ingranaggi. Quando si impostano gli ingranaggi elicoidali doppi, è possibile rettificare prima entrambi gli ingranaggi con una tolleranza e allinearli l’uno all’altro. È importante che la misurazione e il riferimento dei piani specificati sui disegni tecnici vengano visualizzati anche nel controllo (figura 20) e compensati con le correzioni necessarie. La funzione di riaffilatura consente di produrre già il primo pezzo come un pezzo buono.

Figura 20. Schermata del software di nuova concezione – Inserimento dati delle altezze di misura

Esempio di lavorazione di un doppio ingranaggio elicoidale con modulo 2,5 mm

Il seguente esempio di lavorazione di un doppio ingranaggio elicoidale con modulo di 2,5 mm mostra il potenziale della rettifica di generazione. I due ingranaggi elicoidali sono stati rettificati con mole di rettifica identiche. Insieme a una vite senza fine a 3 principi, garantisce un diametro esterno massimo utilizzabile di 60 mm per una larghezza della fessura del doppio ingranaggio elicoidale di 26 mm. Il tempo di lavorazione totale, compresi i tempi di ravvivatura e i tempi morti, è di circa 14 minuti. Il carico e lo scarico avvengono manualmente. In confronto, il doppio ingranaggio elicoidale della produzione precedente veniva rettificato mediamente in 90 minuti ma, a seconda della distorsione, a volte il processo poteva durare anche maggiormente.

Figura 21. Tecnologia per la rettifica di un doppio ingranaggio elicoidale

Sul doppio ingranaggio elicoidale è stata raggiunta la qualità 5 richiesta dalla norma ISO 1328

(figura 22). Il passo individuale e quello cumulativo rientrano nella qualità 2.

Il valore medio aritmetico della rugosità Ra è inferiore a 0,4 μm (cfr. figura 19). La posizione angolare raggiunta dai due ingranaggi è di 18 μm o 0,008° rispetto al diametro di 221,9 mm.

Figura 22. Qualità dell’ingranaggio ottenuta con la rettifica di generazione

In sintesi

Gli ingranaggi a “lisca di pesce” e gli ingranaggi a doppia elica rappresentano un’applicazione speciale, ma sono comunque presenti in molti settori industriali. Dalla produzione individuale, come ad esempio un pezzo di ricambio, alla produzione di grandi quantità, tutti questi casi possono essere facilmente trovati nel mercato mondiale.

La tabella 1elenca i moderni processi di taglio degli ingranaggi per la lavorazione sul “verde” e sul “duro” degli ingranaggi a doppia elica, con i relativi vantaggi e le qualità che si possono ottenere. Le informazioni contenute nella tabella forniscono un orientamento di massima. I dettagli e le informazioni più precise, ad esempio la possibile larghezza minima della fessura, devono essere considerati e chiariti per ogni singolo caso.

Criteria4-axis millingForm milling & hobbingGear shapingProfile grindingGenerating grinding
Module1-50 mm1-50 mm1-12 mm1-30 mm1-5 mm
ProductionSingle partMedium to massMediumSingle to mediumMedium to mass
Green machiningYesYesYesLimitedLimited
Hard machiningYesLimitedNoYesYes
Gap size0 mm50 mm(0)-10 mm15 mm25 mm
Gear qualityISO 5ISO 8ISO 8ISO 3ISO 5
Index accuracy+/- 15 μm+/- 80 μm+/- 80 μm+/- 30 μm+/- 20 μm
Surface finishRz 2-10 μmRz 4-16 μmRz 8-16 μmRz 2-4 μmRz 3-6 μm
Tabella 1. Processi di taglio degli ingranaggi per la lavorazione sul “verde” e sul “duro” degli ingranaggi a doppia elica

La fresatura multi-asse è ideale per la produzione di pezzi singoli, soprattutto per ingranaggi a “lisca di pesce” o a doppia elica con dimensioni minime della fessura. Un altro vantaggio di questo processo è la possibilità di eseguire lavorazioni sul “duro”. Soprattutto per i pezzi di diametro maggiore, l’installazione di una testa di fresatura a 4 assi aggiuntiva su una dentatrice convenzionale è ideale per la produzione in un unico pezzo di ingranaggi ad assi paralleli e di ingranaggi a doppia elica. In questo modo si combinano la capacità di ottenere la massima produttività e qualità attraverso la dentatura e la fresatura di forma di ingranaggi usuali con la capacità di produrre in modo flessibile, efficiente e preciso applicazioni speciali come gli ingranaggi a doppia elica. Se necessario, la testa di fresatura convenzionale può essere utilizzata anche per sgrossare il più possibile i vani prima di iniziare la fresatura a 4 assi. Grazie all’impiego di precisi sensori di misura, è possibile migliorare in modo significativo la dipendenza dalla posizione dei due ingranaggi elicoidali sulle dentatrici e ora anche sulle macchine per la formatura degli ingranaggi. In questo modo è possibile mantenere una precisione di posizionamento di +/- 80 μm e superiore durante la lavorazione “verde”.

Figura 23. Qualità della rugosità superficiale ottenuta con la rettifica generica

Se è necessaria una lavorazione di finitura sul “duro” per migliorarne la qualità, come illustrato nella relazione, la rettifica generatrice continua offre, anche con mole di diametro ridotto e per tutto l’intervallo di moduli fino a 5 mm, un’ottima alternativa qualitativa ed economica alla tradizionale rettifica di profilo.

Con la fresatura e la dentatura multi-asse e con la sagomatura degli ingranaggi è possibile sostituire le vecchie macchine specializzate per la sagomatura e la produzione di ingranaggi a “lisca di pesce”. La finitura sul “duro” è stata completata dalla rettifica di generazione. I metodi moderni offrono la possibilità di ottenere una migliore efficienza economica con una maggiore precisione.

(Andreas E. Mehr, Oliver Winkel, Scott L. Yoders Liebherr Gear Technology Inc.)

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