Il coltello stozzatore: un utensile intramontabile

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il coltello stozzatore

Il coltello stozzatore è uno dei primi utensili utilizzati per l’esecuzione delle dentature di ingranaggi cilindrici, sia esterni sia interni. Ancora oggi, questo utensile, che sembra quasi superato dalle moderne tecniche di produzione, è largamente usato in ogni tipo di officina per la produzione di ingranaggi. I buoni risultati però possono essere ottenuti solo seguendo determinate condizioni.

Perché è preferibile il coltello stozzatore?

Esiste un grande numero di ingranaggi che devono essere necessariamente dentati con il coltello stozzatore perché non è possibile usare un creatore o una broccia o un altro sistema, essenzialmente per ragioni di ingombro.

Ma ci sono anche molti casi in cui, pur essendo possibile dentare con creatore, si preferisce usare il coltello stozzatore come, per esempio, per eseguire piccole o piccolissime serie, per indisponibilità di dentatrici a creatore o, più semplicemente perché si dispone di un coltello adatto allo scopo e non del corrispondente creatore. Questo succede con una certa frequenza, per esempio, quando si devono allestire dei prototipi.

È noto che, dove si può, la dentatura con il creatore è preferibile perché è più economica (ha tempi di esecuzione più brevi) e perché è più precisa.

Infatti, quando si esegue una dentatura con il creatore, ogni singolo dente dell’ingranaggio viene finito da un certo numero di denti dell’utensile, mentre con il coltello stozzatore ogni dente dell’ingranaggio è finito da un singolo dente del coltello e quindi ogni errore presente sull’utensile viene riprodotto inevitabilmente sul pezzo.

Queste considerazioni generali sono sempre valide anche se oggi le cose sono un po’ cambiate rispetto qualche anno fa.

Le dentatrici a coltello negli ultimi anni hanno raggiunto un elevato livello tecnologico e, con l’introduzione del controllo numerico che gestisce con assoluta precisione la maggior parte dei movimenti della macchina, l’entità degli errori imputabili alla catena cinematica sono enormemente ridotti. Tanto per dirne una, la guida elicoidale meccanica è stata sostituita praticamente in tutte macchine da due assi gestiti dal CN, con vantaggio per la precisione e con un aumento enorme della flessibilità, ma la precisione ha tratto anche giovamento dalla gestione elettronica degli avanzamenti che ora possono essere adattati alle specifiche esigenze in ogni momento del ciclo di lavorazione.

Figura 1. Dentatura di un ingranaggio sotto battuta con coltello stozzatore

Anche sugli utensili si sono avuti incredibili progressi, sia per quanto concerne il loro rendimento (migliori acciai e migliori ricoprimenti), sia per quanto riguarda la precisione ottenibile sul coltello stesso grazie all’impiego di rettifiche a controllo numerico e di abrasivi molto più efficaci.

Le moderne rettificatrici del profilo dei denti del coltello hanno un divisore a CN che permette precisioni sul passo intorno al micrometro e anche i diamantatori sono gestiti elettronicamente abbinando un’alta velocità di esecuzione ad una elevatissima precisione.

Per queste ragioni al giorno d’oggi i coltelli stozzatori non sono più fortemente penalizzati rispetto agli altri sistemi di esecuzione delle dentature.

I buoni risultati sia in termini di durata del coltello sia per quanto riguarda la precisione dell’ingranaggio prodotto non sono automatici: essi saranno raggiunti solo se il coltello è progettato ed usato correttamente. Se si esclude la non corretta scelta delle condizioni di taglio, sono almeno tre i punti su cui focalizzare l’attenzione per evitare scarsi rendimenti e imprecisioni sul pezzo lavorato:

  1. progettazione
  2. montaggio
  3. affilatura

Il coltello stozzatore: progettazione

Coltelli per esterni

La progettazione dei coltelli per esterni presenta problematiche diverse rispetto a quella per interni. La difficoltà di progettazione riguarda soprattutto la zona del profilo del coltello che esegue lo smusso sulla sommità del dente del pezzo, cioè il cosiddetto semitopping.

Il problema è il mantenimento della dimensione dello smusso e del diametro interno sull’ingranaggio (figura 2).

Figura 2. Schema standard di una dentatura ad evolvente

Il motivo per cui non è possibile mantenere costanti questi due parametri è costituito dal fatto che è impossibile accordare la riduzione dello spessore del dente del coltello a seguito delle affilature (che provoca una riduzione dell’interasse tra coltello e pezzo), con la spoglia di testa del coltello e con l’inclinazione del semitopping.

La riduzione dell’interasse I (figura 3) segue una legge complessa; nella sua rappresentazione matematica appaiono funzioni trigonometriche che rendono la variazione non lineare in rapporto all’altezza H del coltello.

Figura 3. Schema di dentatura con coltello stozzatore di un ingranaggio sotto battuta

Al contrario, la spoglia di testa del coltello St e l’inclinazione della parte destinata ad eseguire gli smussi (che come si è detto è comunemente chiamata semitopping), sono rettilinee e quindi variano linearmente in funzione della riduzione dell’altezza del coltello.

La variazione del diametro interno Di e dello smusso Sm sono abbastanza rilevanti e a volte coprono tutta la tolleranza assegnata a queste due quote.

A inizio e a fine vita del coltello lo smusso risulterà più grande rispetto a quello che si ottiene a metà utilizzazione del coltello. Per quanto riguarda poi lo smusso di testa ci sono poi altri motivi di variazione, ad esempio la tolleranza sullo spessore cordale Sc.

A seguito di questa tolleranza l’interasse tra coltello e pezzo può variare ed allora varia sia il diametro interno che l’ampiezza dello smusso.

I coltelli pre-rasatori lasciano un soprametallo che dipende essenzialmente dal modulo, ma questo soprametallo può variare da un massimo ad un minimo, come si può vedere nel diagramma di figura 4a.  Tra l’altro gli operatori d’officina generalmente hanno la tendenza a lasciare un soprametallo superiore a quello stabilito per essere più che sicuri che dopo la rasatura non restino tracce del coltello stozzatore.

La tolleranza sul soprametallo in un’operazione di pre-rettifica e ancora maggiore, come si vede dal diagramma di figura 4b, e quindi il problema è aggravato. Infine, lo smusso può variare anche per effetto della tolleranza sul diametro esterno dell’ingranaggio.

Figura 4. Diagrammi del soprametallo per rasatura (a) e per rettifica (b)

Il problema dell’incostanza dello smusso diventa particolarmente grave quando lo spessore del dente sul diametro esterno, se è piccolo.

In questi casi, se si vuole avere uno smusso significativo a metà vita del coltello, a volte si ha l’incrocio dei due smussi in corrispondenza del diametro esterno (Se=0) quando il coltello è nuovo o è quasi a fine vita.  Questa situazione è sempre ad evitare perché rende l’ingranaggio particolarmente vulnerabile alle ammaccature.

Nella progettazione del coltello bisogna tener conto di questi problemi ed è quindi necessario eseguire un’analisi dettagliata della situazione, anche in considerazione di come sarà utilizzato l’ingranaggio.

Per esempio, ci sono degli ingranaggi in cui l’inizio del profilo attivo è molto vicino al diametro interno, quasi in corrispondenza del raccordo di fondo dente.

In questi casi una piccola variazione del diametro interno può rendere difficoltosa la successiva operazione di rasatura o, al limite rendere pericoloso l’accoppiamento con la controruota.

In alcuni casi limite non sono tollerabili variazioni dello smusso e del diametro interno di forti entità, allora o si costruiscono coltelli con una utilizzazione molto minore, oppure dopo un certo numero di affilature si ripassa con la rettifica il profilo dei denti.

Coltelli per interni

Un problema del tutto diverso si presenta con i coltelli per interni: l’interferenza.

Infatti, se il diametro del coltello è troppo grande rispetto l’ingranaggio da dentare, l’ingranamento non avviene regolarmente.

Si distinguono due tipi di interferenza: quella attiva e quella passiva.

Per interferenze attive si intendono gli inconvenienti derivanti dal non corretto ingranamento in certe fasi della rotazione della coppia coltello-pezzo. In particolare, il fianco del dente del coltello interferisce con il dente del pezzo in corrispondenza degli spigoli sul diametro esterno.

Queste interferenze si traducono in una maggiore asportazione di materiale con alterazione del profilo dei denti che si stanno eseguendo.

Le interferenze passive si verificano invece quando il coltello si distacca dal pezzo per poter effettuare la corsa di ritorno. In questi casi si ha lo sfregamento dei fianchi dei denti contro la superficie appena lavorata che determina un’usura per attrito, a volte rilevante.

I fenomeni di interferenza dipendono essenzialmente dal rapporto tra il numero di denti del pezzo ed il numero di denti del coltello, ma è altresì molto importante l’angolo di pressione di funzionamento.

Il pericolo di tallonamento durante la corsa di ritorno, cioè l’interferenza passiva, diminuisce al crescere dell’angolo di pressione e quindi il numero di denti massimo del coltello può aumentare se aumenta l’angolo di pressione di funzionamento.

Figura 5. Diagramma per la determinazione del limite di interferenza tra ingranaggio interno e coltello

Anche con l’aumento del numero di denti Z2 della dentatura interna la situazione migliora, nel senso che può diminuire il rapporto ammissibile, cioè il numero di denti del coltello Z0 può essere relativamente maggiore.

Il diagramma di figura 5 mette in relazione il numero di denti dell’ingranaggio (ordinata) con il numero di denti massimo del coltello (ascissa), nel caso di un angolo di pressione di funzionamento di 15° e di 20°con dimensionamento normale e Stub.

Ancora una osservazione: bisogna tener presente che l’angolo di pressione di funzionamento diminuisce a mano a mano che il coltello viene affilato e quindi la situazione, sotto il punto di vista del fenomeno dell’interferenza, peggiora leggermente nel corso della vita del coltello.

Montaggio

A quanto appena detto sull’interferenza passiva, si collega un accorgimento di montaggio, se la macchina lo permette, che riduce la gravità di questo fenomeno.

Si tratta di montare il coltello fuori asse dell’entità Y in modo che il distacco avvenga non nella direzione radiale ma con una certa inclinazione rispetto il diametro.

Il senso del disassamento però deve essere scelta in accordo con il senso di rotazione del coltello. La figura 6 indica schematicamente i sensi di rotazione ed i corrispondenti disassamenti.

Figura 6. Direzione del distacco del coltello per evitare l’interferenza passiva

Ma anche quando non esiste il problema dell’interferenza, se si vuole ottenere un ingranaggio privo di grossolani errori, è necessario che il coltello sia montato accuratamente facendo attenzione ai seguenti punti:

  1. Prima del montaggio del coltello in macchina è necessario controllare che il mandrino ruoti senza errori di eccentricità e di planarità della superficie di appoggio.
  2. I piani del coltello montato devono ruotare con un errore di planarità non molto diversa da 0,005 mm.
  3. L’eccentricità del coltello montato deve essere inferiore a 0,005 mm.
  4. L’anello distanziale deve essere dimensionato in modo tale che il coltello venga bloccato sul maggior diametro possibile, ciò per assicurare una maggiore rigidità; è opportuno inoltre usare un solo anello distanziale.

Affilatura

L’affilatura è un’operazione di fondamentale importanza ai fini della qualità degli ingranaggi prodotti e del rendimento del coltello.

Le condizioni dell’affilatrice devono perciò essere tenute sotto costante controllo ed i parametri di lavoro devono essere scelti con cura così come le mole devono avere una specifica la più adatta al tipo di acciaio con cui è costruito il coltello.

Il primo parametro da osservare scrupolosamente è la rugosità della superficie di affilatura che dovrebbe essere intorno a Ra = 0,5 micron, tenendo presente che una rugosità più alta rende lo spigolo tagliente seghettato riducendo quindi sia il rendimento dell’utensile, sia la qualità della superficie lavorata.

Inoltre, una forte rugosità del piano di affilatura rende più difficile lo scorrimento del truciolo e facilità la formazione del tagliente di riporto. 

Questo fenomeno del tagliente di riporto è molto ridotto con l’introduzione del ricoprimento con TiN (o con altri layers) dopo ogni affilatura, ma in determinate circostanze, come per esempio nella lavorazione di acciai molto teneri, magari con velocità di taglio basse e con avanzamenti rilevanti (passate di sgrossatura), esso può ancora verificarsi.

In questo caso il continuo formarsi e distaccarsi del tagliente di riporto genera, in primo luogo, una superficie molto rigata e, in secondo luogo, si ha un decadimento del rendimento del coltello in quanto l’usura per craterizzazione procede molto velocemente.

È evidente che durante l’affilatura si devono evitare, nel modo più assoluto, i surriscaldamenti del tagliente, cosa questa che ridurrebbe drasticamente la vita del coltello, rendendo possibili forti usure localizzate in vari punti del profilo, o nei casi più drammatici delle scheggiature più o meno profonde.

In questi casi è molto probabile che vengano prodotti molti pezzi di scarto a causa di forti errori di profilo.

Oggi praticamente tutti i coltelli vengono nuovamente ricoperti con TiN o con altri tipi di film dopo ogni affilatura. Questo crea tutta una serie di problemi che, pur non essendo di difficile soluzione, devono essere tuttavia presi in considerazione.

La prima cosa da decidere è: chi affila il coltello?

Se il coltello viene affilato e ricoperto da un Centro di Service il risultato è garantito da una procedura standard che mette al riparo da vari inconvenienti anche perché queste procedure prevedono accurati controlli in ogni fase della lavorazione.

Se invece l’affilatura viene eseguita dall’utilizzatore il quale poi provvede ad inviare il coltello alla ricopertura, bisognerà fare molta attenzione che sugli spigoli taglienti non siano presenti delle bavature.

Se si ricoprono dei taglienti che hanno residui di bavatura sugli spigoli questi, durante i primi pezzi tagliati si frastagliano, rompendo il film di ricopertura ed innescando una rapida usura con conseguenze a volte molto gravi sia sul coltello che sui pezzi.

Inoltre, surriscaldamenti localizzati durante l’affilatura possono compromettere la buona aderenza del film di ricopertura. Quindi il consiglio è quello di affidare la manutenzione del coltello ai centri specializzati, i quali, tra l’altro, dispongono in genere di macchine e apparecchi di controllo molto efficienti.

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