La scelta delle dimensioni di un creatore usato per la dentatura degli ingranaggi cilindrici deve tener conto di molteplici fattori, spesso in antitesi tra loro. Alcune considerazioni relative a questo problema.
Cosa si intende per ottimizzazione della operazione di dentatura e del rendimento del creatore? In alcune realtà d’officina si preferisce ridurre al massimo il tempo di dentatura; in altre si preferisce ridurre il più possibile il costo dell’utensile per pezzo prodotto e in altre ancora si predilige la qualità della produzione.
È innanzitutto fondamentale una descrizione delle caratteristiche dimensionali del creatore, che incidono maggiormente sul tempo di dentatura e un’analisi loro effetti sul costo dell’utensile e sulla qualità dell’ingranaggio dentato.
Il tempo di dentatura, in generale, è determinato in modo prevalente dalla velocità di taglio possibile e dall’avanzamento al minuto.
Poiché qui si esamina l’influenza delle dimensioni geometriche del creatore, si tralascia per il momento di parlare del materiale con cui è costruito l’utensile, che evidentemente incide profondamente sulla velocità di taglio possibile.
Le formule fondamentali necessarie per analizzare la situazione sono le seguenti:
Bisogna ricordare che l’avanzamento per giro pezzo è fa e l’avanzamento al minuto sono legati dalla seguente espressione:
A’ = Ng · fa
in cui il numero di giri al minuto del pezzo è:
Ng = N · Z0 / Z2
quindi si ottiene:
A’ = N · Z0 · fa / Z2
Il tempo di taglio quindi sarà:
t = La / A’ = (La · Z0) / N · Z0 · fa
Se si ricorda che la velocità di taglio è data da:
Vt = N · d1 · π / 1000
si ricava:
N = Vt · 1000 / d1 · π
e quindi:
t = (La · Z · d1 · π ) / (1000 · Vt · Z0 · fa )
Nelle formule precedenti i simboli usati sono i seguenti:
- fa avanzamento per giro pezzo
- A’ avanzamento al minuto
- Ng numero di giri del pezzo al minuto
- N numero di giri del creatore al minuto
- Z0 numero di principi del creatore
- Z2 numero di denti dell’ingranaggio
- La lunghezza della corsa del creatore
- Vt velocità di taglio del creatore
- d1 diametro del creatore
Questa espressione si presta a interessanti considerazioni. Intanto, risulta immediatamente evidente che per ridurre il tempo di dentatura si può agire su tre elementi:
- Ridurre il diametro del creatore d1
- Aumentare l’avanzamento per giro fa
- Aumentare la velocità di taglio Vt
- Aumentare il numero di principi Z0
La velocità di taglio
La velocità di taglio è una caratteristica che, come si è visto, dipende da molti fattori, ma essenzialmente dal tipo del materiale costituente l’utensile e dal tipo di materiale lavorato.
Gli attuali limiti, almeno per quanto riguarda i creatori impiegati in sgrossatura, per gli acciai superlegati e ricoperti sono compresi tra 150 e 200 m/min.
Oltre questo limite le usure diventano troppo rapide e un po’ imprevedibili, per cui si perde il controllo dell’operazione. Assunto questo come dato acquisito, resta da giocare sugli altri due elementi: il diametro del creatore e l’avanzamento per giro. Si vede subito però che le variazioni che si dovrebbero fare sono in contrasto l’una con l’altra.
Infatti, se si riduce il diametro d1 del creatore, a parità di altre condizioni si dovrebbe ridurre il numero di taglienti e quindi, per avere uno stesso spessore del truciolo, si dovrebbe ridurre l’avanzamento.
Se si decidesse invece di aumentare l’avanzamento per giro pezzo, si avrebbe bisogno di più taglienti e quindi di un diametro maggiore. Però questo è vero solo se si vuole avere una uguale utilizzazione del creatore. Se invece si rinuncia ad un elevato rendimento meccanico del creatore, cioè ci si accontenta di un minor numero di pezzi eseguibili in totale, il discorso cambia.
In sostanza si arriva all’idea di ridurre al minimo il diametro e di aumentare al massimo il numero dei taglienti. Portando al limite questo concetto, si giunge appunto al “creatore usa e getta”, cioè a un creatore di un diametro intorno ai 50 mm (e anche meno), con un numero di taglienti tale che si possa impiegarlo una volta sola, senza possibilità di affilature.
Il diametro esterno intorno ai 50 mm richiede l’abolizione del foro di centraggio; quindi il creatore sarà del tipo a gambo integrale. Esso non potrà essere impiegato su tutte le dentatrici, ma solo su quelle che prevedono questo tipo di attacco. Il numero di taglienti, in pratica, potrà essere di 20 – 22 permettendo un dente di 3,5 – 4 mm, sufficiente per resistere alle sollecitazioni di taglio.
Un punto a sfavore di questo tipo di creatore è la necessità di ridurre la sua lunghezza utile. Non si può, per un diametro di 50 mm arrivare oltre i 200 mm di lunghezza. I creatori tradizionali, di diametro 90 – 100 mm possono arrivare invece fino a 250 mm di lunghezza.
Il costo dei creatori usa e getta non è molto inferiore a quelli finora usati anche se nel processo di costruzione ci siano i seguenti vantaggi:
- minore quantità di acciaio impiegato;
- il percorso dell’utensile spogliatore e della mola è molto più breve ed i tempi di queste operazioni sono molto corti;
- si costruiscono più pezzi per ogni commessa in quanto la produttività è inferiore essendo eliminata l’affilatura.
Questo è dovuto alla bassa incidenza di questi tempi sul tempo totale ed anche al maggior tempo necessario ad eseguire il maggior numero di solchi di affilatura e nel maggior tempo dell’affilatura stessa.
Tra gli altri vantaggi si potrebbe citare anche che questo tipo di creatore, essendo di peso inferiore è più facilmente maneggiabile.
Ciò facilita il montaggio e lo smontaggio in macchina, cosa che avviene, lo si è già detto, con maggiore precisione e in un tempo inferiore.
Un’ultima considerazione: in caso di incidente dovuto a guasto macchina o ad un ingranaggio da lavorare difettoso, il danno economico che provoca la rottura di un creatore usa e getta è minore che nel caso di un creatore tradizionale.
Questo tipo di creatore non ha avuto molta fortuna, anche perché se si riduce il diametro e si aumenta l’avanzamento si aumenta di molto l’errore di elica dovuto alla solcatura. Inoltre con piccole modifiche si può aumentare la larghezza del dente in modo da rendere possibile qualche affilatura.
Resta comunque valido il concetto fondamentale che si debbano adottare diametri del creatore il più piccoli possibile ed aumentare il più possibile il numero di taglienti.
Questo infatti, è stato il cambiamento effettivo avvenuto nella progettazione dei creatori negli ultimi anni.
La riduzione del diametro, a parità di avanzamento per giro pezzo riduce il tempo di dentatura ma aumenta la profondità delle tacche di avanzamento, con il peggioramento della qualità dell’elica della dentatura.
Questo peggioramento però può essere tollerato, fino ad un certo punto, se la successiva operazione di finitura avviene con una operazione di rettifica che, in genere, fino a moduli di 3 – 4 mm asporta circa 0,1 mm di soprametallo per fianco.
L’ aumento dell’avanzamento per giro pezzo, naturalmente, incide direttamente sul tempo di taglio perché aumenta la velocità di alimentazione al primo A’.
I limiti qui si possono riepilogare nella resistenza meccanica dei denti che sono più sollecitati e nella qualità che si riesce a tollerare.
Anche in questo caso l’aumento dell’avanzamento per giro pezzo aumenta la profondità delle tacche di avanzamento e quindi peggiora l’elica della dentatura.
Il valore dell’avanzamento dipende poi dal numero di principi Z0, di cui si accennerà in seguito.
Come si vede, la riduzione del tempo di taglio genera una serie di limitazioni che aumentano il costo del creatore per pezzo.
Numero di principi e solchi di affilatura
Un’altra caratteristica fondamentale dei creatori è il numero di principi. Come si può capire dalle formule per calcolare il tempo di taglio, maggiore è il numero di principi, a parità degli altri elementi, minore risulta il tempo di taglio.
Le cose però sono un po’ più complicate perché aumentando il numero di principi aumenta il carico su ogni dente del creatore e quindi è necessario ridurre l’avanzamento per giro pezzo.
Però comunque un vantaggio c’è ma poiché il numero dei taglienti coinvolti nella generazione di un dente dell’ingranaggio si riduce in proporzione inversa al numero di principi, risulta che la qualità del profilo peggiora. Si tratta di decidere quanto ciò è tollerabile.
Un’altra complicazione all’aumento del numero di principi è, che specie per creatori di piccolo diametro, aumenta l’angolo dell’elica dei solchi di affilatura, rendendo un po’ più complicata la manutenzione del creatore.
Sono necessarie affilatrici a controllo numerico per cui talvolta e necessario, e conveniente, appoggiarsi a Centri di Servizio specializzati che, tra l’altro, possono eseguire dopo l’affilatura il trattamento dio ricopertura con TiN o altri tipi li layer.
Il progettista di creatori deve quindi trovare un compromesso tra i tempi di dentatura, costo dell’utensile per pezzo prodotto e qualità e questo compromesso deve tener conto del tipo di produzione (grandi o piccoli lotti) e delle caratteristiche delle linee di produzione.
Per esempio, in una linea di produzione è preferibile che le varie macchine abbiano tempi ciclo quasi uguali ed è quindi inutile avere un tempo di dentatura molto basso quando il tempo delle macchine successive è maggiore.
In altre parole. il tempo di dentatura è preferibile che sia in accordo con la cadenza dell’intera linea di produzione.
Lunghezza del creatore
Per quanto riguarda la lunghezza, la scelta è fatta tenendo presente in primo luogo i limiti e le possibilità delle dentatrici. Per produzioni di serie è più conveniente usare creatori della massima lunghezza consentita tenendo però presente che il rapporto tra lunghezza e diametro non dovrebbe mai superare
3 – 4. Oggi si usano comunemente creatori di diametro 70 – 80 mm con lunghezza 220 – 250 mm.
Ma non sempre è conveniente usare un creatore lungo, infatti nel caso di esecuzione di dentature in piccole serie o di un limitato numero di pezzi nell’arco dell’anno, scegliere un creatore lungo è un’inutile spesa.
Se si utilizzasse un creatore molto lungo e si dovesse smontarlo dalla macchina dopo pochi pezzi, si dovrebbe essere certi che, nel suo successivo rimontaggio, la posizione longitudinale sia la stessa di quando ha finito il primo lotto, ciò non è molto agevole nella pratica d’officina e quindi esiste il fortissimo rischio di una cattiva utilizzazione dell’utensile a causa della usura malamente distribuita lungo il creatore stesso.
C’è un altro caso in cui il creatore è meglio che sia più corto, cioè quando esso è montato in coppia sullo stesso mandrino con un creatore sgrossatore.
È opportuno che il creatore sgrossatore sia più lungo di quello finitore in quanto si usura molto più velocemente: bisogna fare il possibile di smontare i creatori nello stesso momento, pronti entrambi per essere affilati.
Infine, in tutte le grandi officine ben organizzate si tende a uniformare le lunghezze dei creatori in modo da unificare il più possibile le attrezzature delle dentatrici e delle affilatrici ed è per questo motivo che a volte ci si accontenta di un creatore un po’ più corto di quello che sarebbe teoricamente possibile.
Nella scelta del numero di principi e del numero dei taglienti, come si è già accennato, entrano considerazioni che riguardano lo stato della superficie dei denti.
L’andamento dell’elica di un dente tagliato con il creatore è simile a un’ondulazione il cui passo e l’ampiezza dipende essenzialmente dal diametro del creatore e dall’avanzamento per giro del pezzo (tacche di avanzamento).
Il profilo invece è una linea spezzata in cui ogni segmento è una tangente del profilo teorico. La spezzata approssima sempre meglio il profilo teorico a mano a mano che cresce il numero di taglienti coinvolto nella generazione del profilo.
E quindi di fondamentale importanza il rapporto io/Z0, dove io indica il numero dei solchi di affilatura.
Specialmente nei creatori finitori bisogna fare in modo che le tracce di lavorazione siano il più possibile “irregolari”.
Esaminiamo per esempio la figura 4, in cui la larghezza Sa delle tracce assiali, generate da un creatore ad un principio (sopra), sono larghe il doppio di quelle generate da un creatore a due principi che tagli l’ingranaggio nello stesso tempo (sotto), mentre le tracce radiali d’inviluppo nel caso dei due principi sono più estese.
Nella distribuzione delle tracce di lavorazione però è importante anche il numero dei taglienti. Nel caso di un creatore ad un principio tutte le solcature sono allineate come in figura 4, e nel caso di creatori a più principi, questo allineamento si verifica solo quando il numero di principi divide esattamente il numero di taglienti.
Se il numero di principi e il numero di taglienti sono primi tra loro o comunque non hanno un divisore comune la distribuzione delle tracce è sfalsata, un giro rispetto l’altro, e si presentano come in figura 5.
Come si può capire da quanto finora esposto, il progettista deve fare delle scelte considerando anche le esigenze di precisione che deve avere l’ingranaggio dentato.
Negli ultimi anni è venuta a cadere una condizione che complicava ulteriormente la vita al progettista ed è quella che il numero di principi non doveva dividere esattamente in numero di denti dell’ingranaggio pena un forte errore di divisione.
Oggi, con lo straordinario progresso che hanno avuto le rettifiche del profilo dei creatori, l’errore di divisione tra i vari principi è dell’ordine del micrometro e quindi la condizione della non divisibilità è venuta meno.
Per maggiori informazioni: www.gianfrancobianco.com
