La produzione di ingranaggi è sempre alla ricerca di nuove tecnologie per ridurre i costi e per aumentare la precisione. A fronte di queste richieste, il metodo di dentatura Power Skiving presenta indubbi vantaggi rispetto ai tradizionali metodi di taglio.
Il primo brevetto di questo metodo di dentatura degli ingranaggi risale ad oltre un secolo fa, infatti è stato presentato il 1° marzo del 1910 in Germania da Wilhem von Pittler (brevetto N°243514), ma non è stato possibile introdurre questo sistema nell’industria per la mancanza di macchine operatrici adeguate.
Dopo circa 50 anni, cioè verso il 1960, sono state commercializzate alcune macchine che usavano questa tecnologia per finire gli ingranaggi esterni con coltelli in metallo duro, ma anche in questo caso non si è avuta una grande diffusione del metodo.
Oggi le cose sono cambiate in modo radicale. Il motivo, come si vedrà in seguito, è dovuto alla disponibilità di macchine gestite da controlli numerici potenti, in grado di sincronizzare perfettamente la rotazione del pezzo con quella del coltello, anche con un’elevata velocità di rotazione.
Il metodo di dentatura Power Skiving
Poiché per lavorare con Power Skiving è sufficiente una buona macchina a controllo numerico con almeno 5 assi controllati, molte aziende si sono concentrate sulla produzione di utensili che, pur presentando qualche difficoltà nella progettazione, sono facilmente costruibili con le stesse macchine che producono i normali coltelli stozzatori.
Una di queste aziende è Horn (Tübingen, Germania), rappresentata in Italia da Febametal. Horn ha immesso sul mercato interessanti soluzioni che val la pena illustrare.
Prima però è opportuno dare qualche informazione sul metodo di taglio Power Skiving. La lavorazione avviene con un utensile molto simile a un coltello stozzatore, ma il cinematismo è sostanzialmente diverso. Infatti, mentre nella stozzatura la velocità di taglio corrisponde alla velocità della corsa assiale del coltello e la rotazione della coppia è molto lenta, nel processo Power Skiving la velocità di rotazione dell’ingranaggio e del coltello è molto veloce e la velocità di taglio effettiva è generata dall’incrocio degli assi, che non sono più paralleli ma divergono di un angolo Σ.
L’avanzamento assiale è relativamente lento e viene misurato in mm (o frazione di mm) per giro del pezzo. In pratica, la generazione della velocità di taglio con l’incrocio degli assi e analoga a quella che si attua nel processo di rasatura.
La differenza è che nella rasatura l’angolo di incrocio è intorno a 10°–12° mentre nel Power Skiving può andare da circa 15° a circa 45°.
Indicando con Vw la velocità periferica dell’ingranaggio e con Vt la velocità periferica del coltello, si deve osservare in primo luogo che il valore di questi due parametri sono uguali, varia solo la direzione dei vettori che li rappresenta.
La velocità effettiva di taglio è rappresentata dal vettore Vc che risulta essere la differenza vettoriale tra i due vettori precedenti.
Nel caso di dentatura di ingranaggi a denti dritti si ha:
Vc = Vt ·sin Σ
Mentre nel caso di dentatura di ingranaggi elicoidali si ha
Vc2= Vt 2 + Vw 2 – 2 · Vt · Vw · cos Σ
Bisogna osservare subito che se l’angolo di incrocio Σ è nullo, cioè se gli assi sono paralleli, in tutti e due i casi si ha Vc = 0.
Per la precisione, le reali velocità di taglio non sono esattamente queste, perché bisogna sommare anche il vettore della velocità di strisciamento in senso radiale che è generato dalla differenza di lunghezza dell’evolvente tra il pezzo e il coltello. Questa velocità è nulla in corrispondenza del diametro primitivo e cresce a mano a mano che si procede verso l’esterno o verso l’interno. La somma vettoriale è quindi un vettore che varia in valore e in direzione. Inoltre, è necessario considerare anche la velocità di avanzamento assiale del coltello che incrementa ulteriormente la velocità effettiva. Le formule di cui sopra sono perciò approssimative.
Il metodo di dentatura Power Skiving ha avuto successo – come si è detto – perchĂ© oggi sono disponibili macchine a controllo numerico che possono sincronizzare perfettamente la rotazione del pezzo e del coltello, anche in presenza dell’elevato numero di giri che è necessario per generare una adeguata velocitĂ di taglio.
Evidentemente una maggiore velocità di taglio corrisponde a un minore tempo ciclo ed è questo a cui tendono i vari perfezionamenti che vengono apportati al sistema.
Qui entra in gioco Horn con i suoi innovativi utensili che offrono ottime prestazioni.
I coltelli in metallo duro
Horn è una azienda specializzata nella produzione di utensili in metallo duro (Carbide) e l’adozione dei coltelli costruiti con questo materiale permettono un notevole aumento delle velocità di taglio, come succede d’altra parte in tutte le altre lavorazioni ad asportazione di truciolo.
I coltelli in metallo duro integrali sono convenienti fino a un modulo 2,5–3 mm. Per moduli superiori Horn ha scelto coltelli con inserti fissati meccanicamente su un corpo di acciaio.
Questa tecnologia permette di ampliare la gamma di moduli eseguibili; si va da un minimo modulo di 0,5 mm a un massimo di 5 mm.
La caratteristica essenziale dei coltelli illustrati in Figura 3 è che per diametri superiori a 20 mm la testa è intercambiabile in quanto montata su un portautensili che non è necessario smontare dalla macchina. Questo portautensili inoltre è costruito a sua volta in metallo duro per renderlo più rigido e limitare così le vibrazioni.
Per i moduli medio-grandi Horn presenta dei coltelli costituiti da un corpo porta-inserti e dagli inserti che vengono fissati su una sede di precisione con una vite.
Gli inserti sono dotati, se necessario, di rompitrucioli e hanno il profilo rettificato in accordo con le caratteristiche del pezzo da eseguire e dal set up della macchina.
Evidentemente non esistono utensili standard e ogni coltello, con i relativi inserti, è progettato e costruito per ogni specifica lavorazione. Horn progetta e costruisce i coltelli anche del tipo semitopping.
Un’importante caratteristica di questi portainserti è che possono essere progettati anche per la refrigerazione interna di ogni singolo tagliente. Questo ovviamente consente una piĂą razionale refrigerazione dei taglienti e quindi una maggiore efficienza degli stessi. In questo tipo di lavorazione è fortemente consigliato l’uso di refrigerante che può essere un olio intero o un olio emulsionato.
Il metodo Power Skiving è nato inizialmente per sostituire la brocciatura di grandi corone dentate interne.
Le brocce di grandi diametri sono estremamente costose e per essere convenienti devono essere impiegate per produrre un elevato numero di pezzi, cosa che non è molto comune per grandi corone dentate.
Il metodo Power Skiving si è dimostrato subito una eccellente alternativa e poi è stato esteso con successo anche a dentature esterne e a quelle interne di relativamente piccolo diametro.
L’unico limite che questo metodo ha è quello costituito dalle possibili interferenze tra il portautensile e il pezzo da dentare, oppure tra il coltello e alcune zone dell’ingranaggio. Infatti il forte angolo di incrocio può impedire il libero passaggio del mandrino porta coltello o non consentire la completa corsa del coltello in presenza di dentature con spallamenti vicini, come indicato in Figura 5.
Grazie alla possibilitĂ di lavorare ad alte velocitĂ di taglio con utensili in metallo duro, i tempi ciclo possono essere ridotti di un fattore da 4 a 8.
La precisione ottenibile dipende da molti fattori, tra cui lo stato della dentatrice, la precisione dell’utensile, le condizioni di lavoro, il sistema di bloccaggio del pezzo, la presenza o meno di vibrazioni, la stabilitĂ termica della macchina…
Secondo i tecnici Horn, con utensili integrali in metallo duro si possono ottenere ingranaggi in classe DIN 5–6 e, in casi del tutto particolari, anche di classe DIN 4.Â
Evidentemente con coltelli a inserti le precisioni sono leggermente minori. L’ingranaggio viene finito con un certo numero di passate. A ogni passata il coltello penetra radialmente di una certa entità . Diciamo che ciò è il corrispondente della profondità di passata. Inoltre, il coltello ha un certo avanzamento assiale per percorrere tutta la fascia dentata. Questi due parametri sono in primo luogo dipendenti dal modulo dell’ingranaggio, ma anche dalla precisione e dalla qualità della superficie che si vuole ottenere. Sarà quindi logico forzare le condizioni di lavoro nelle fasi di sgrossatura e di ridurre la profondità di passata e l’avanzamento nelle ultime passate di finitura. Nelle macchine a controllo numerico si può perfettamente gestire un ciclo di questo tipo.
Un esempio di dentatura con coltello in metallo duro Horn
Ingranaggio:
• Modulo: 2 mm
• Numero denti: 26
• Fascia dentata: 40 mm
• Dentatura: interna
Coltello:
• Numero denti: 18
• Profondità di passata: 0,3 mm per corsa
• Refrigerazione: con olio intero
• Tempo ciclo: 77 secondi
di Gianfranco Bianco
