La trasmissione dei movimenti rotatori senza ingranaggi è impensabile. Sia nell’ingegneria meccanica che nella tecnologia automobilistica e dei trasporti, nel settore ferroviario, nella cantieristica navale, nonché nella produzione di energia, nulla si potrebbe muovere senza ruote dentate. Le trasmissioni devono essere anche efficienti così come la produzione degli ingranaggi. L’ultimo innovativo creatore di Sandvik Coromant, con inserti di metallo duro a profilo completo, guadagna punti in efficienza e la sua nuova concezione riduce i tempi e i costi per la lavorazione degli ingranaggi.di Guenter Wermeister
Aumentare le velocità in tutti i settori, con tempi di funzionamento più lunghi e livelli di rumorosità più bassi, impone richieste sempre maggiori sulla precisione delle ruote dentate. La concorrenza internazionale e le pressioni derivanti sui costi aggiungono la necessità di una costante ricerca di nuovi potenziali di risparmio e di ottimizzazione della produzione. Questo, naturalmente, è il motivo per il quale vengono sviluppati nuovi processi, e anche i vecchi metodi, già testati e collaudati, vengono esaminati per essere aggiornati rispetto ai più recenti standard tecnici.
Uno dei processi più economici e accurati per la produzione di denti degli ingranaggi è la lavorazione con creatore. Con questo utensile, che si comporta come una vite senza fine, il pezzo e l’utensile sono continuamente “ingranati” sulla macchina dentatrice. In tal modo, il creatore genera gli spazi tra i denti e i denti nel pezzo fino a ottenere la forma che è necessaria per l’accoppiamento delle ruote dentate nella scatola del cambio finito. Le fonti latenti di errore presenti nella classica produzione di pezzi, ovvero deviazioni dal profilo e errori di passo, qui non si verificano, perché la dentatura nel processo a creatore è prodotta attraverso l’inviluppo dei tagli durante la generazione continua di due corpi tra loro.
UTENSILE DA TAGLIO Il creatore ha la forma di un utensile cilindrico singolo o multiplo con taglienti distribuiti attorno alla circonferenza, combinati con scanalature per l’evacuazione dei trucioli. I materiali da taglio sono stati finora principalmente acciai super rapidi legati (HSS). Oltre agli utensili di HSS, prodotti attraverso la metallurgia delle polveri, per la creazione di profili sono state usate anche frese integrali di metallo duro e barre con riporto di metallo duro. In effetti, i classici utensili di HSS hanno ancora una quota di mercato superiore al 50%. La ragione di ciò sta nel fatto che sia le frese integrali di metallo duro che gli utensili dotati di taglienti di metallo duro fissi non sono in grado di soddisfare tutte le esigenze. Queste includono soprattutto pesanti perdite di durata dopo la riaffilatura, o singole rotture dei taglienti che rendono necessaria la sostituzione dell’intera fresa. Per riaffilare gli utensili è spesso necessario rimuovere preventivamente il rivestimento, il che impoverisce il tagliente di metallo duro dell’agente legante, il cobalto. Questo porta a una riduzione della vita del tagliente a causa della sua fragilità, rendendo la sua durata meno prevedibile.
Nell corso degli ultimi anni, gli utensili con inserti di metallo duro montati tangenzialmente sono diventati sempre più popolari per la lavorazione di moduli di grandi dimensioni. Questa soluzione offre evidenti vantaggi: il metallo duro può essere usato anche come materiale da taglio per creatori di grande diametro, inoltre i corpi fresa hanno una durata più lunga e possono essere equipaggiati con diverse qualità d’inserto, che sono state adattate al rispettivo materiale da lavorare e alla geometria del dente. Quindi, lo stesso corpo utensile può essere utilizzato per compiti diversi, il che riduce il numero di utensili necessari e di conseguenza le esigenze di stoccaggio. Questo concetto permette anche di ottenere non solo la necessaria precisione di profilo, ma anche di ridurre significativamente i tempi di produzione e i costi di ricondizionamento previsti nella riaffilatura e nel rivestimento degli utensili.
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LAVORARE GLI ING RANAGGI Sandvik Coromant è relativamente nuova nel campo degli utensili per il taglio degli ingranaggi. Essendo leader globale con un’offerta completa di attrezzamento, sviluppare sistemi di utensili convincenti per il taglio di ingranaggi e collaborare strettamente con partner qualificati in qualità di costruttori di macchine e clienti è stato l’obiettivo naturale. Fino ad oggi, i due prodotti che hanno segnato un ingresso positivo nella fabbricazione degli utensili per il taglio degli ingranaggi sono stati: la fresa a disco CoroMill170 nella gamma di moduli 12-22 e i creatori di grandi dimensioni con inserti montati tangenzialmente. Entrambi gli utensili hanno fornito prestazioni notevolmente migliorate. Il processo uP-Gear per la produzione completa di ingranaggi conici elicoidali, in due soli piazzamenti su centri di lavorazione a 5 assi, è stato un altro vantaggioso passo avanti che ha consentito a Sandvik Coromant di diventare un fornitore di servizi completi per la produzione di scatole cambio. Sandvik Coromant ha sviluppato questa tecnologia insieme con Voith Turbo e Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH.
Come conseguenza logica dei precedenti successi, Sandvik Coromant è ora al lavoro per il passo successivo: la produzione di creatori con inserti a profilo completo intercambiabili. Rispetto agli inserti multitaglienti, montati tangenzialmente, dove di solito non più di due taglienti entrano in presa, una fresa con inserti a profilo completo fa sì che il singolo inserto lavori su tutto il suo profilo. Questo significa che il tagliente sulla circonferenza di taglio deve essere accessibile da tre lati per l’evacuazione del materiale. Ciò si traduce in richieste specifiche d’interfaccia tra inserto e corpo fresa o, se utilizzata, tra cartuccia e inserto. Inoltre, il posizionamento e il bloccaggio dell’inserto deve avvenire con la massima precisione, per poter rispettare le tolleranze strette della norma DIN 3968.
Un nuovo tipo di sede inserto è stato sviluppato per garantire anche un posizionamento e bloccaggio efficace dell’inserto durante le normali routine di produzione. Poiché gli inserti, a seconda delle dimensioni del modulo e degli usi previsti, possono essere unilaterali o bilaterali, generalmente non si tratta di inserti multi taglienti; sebbene i taglienti siano situati su tre lati della circonferenza, da una più stretta osservazione, notiamo che sono inserti a uno o due taglienti, che naturalmente poi possono essere anche chiamati “inserti indicizzabili”.
Per la produzione di creatori a inserti, Sandvik Coromant si basa sulle conoscenze ed esperienze di partner ben noti: insieme a Höfler Maschinenbau GmbH, Carl Zeiss GmbH è stato invitato a unirsi anche alla squadra in qualità di esperto in metrologia industriale, per misurare con precisione gli utensili finiti e i profili degli ingranaggi. La collaborazione consisteva anche nel lavorare con alcuni ben noti produttori di scatole cambio e numerose rinomate università, per esempio Lunds of Technology e il gruppo WZL, Laboratory for Machine Tools, RWTH di Aachen, specializzato nella lavorazione degli ingranaggi.
RISULTATI INIZIALI Dopo che le prove iniziali sul campo con il nuovo creatore sono state completate e analizzate, è stato dimostrato che un creatore equipaggiato con inserti di metallo duro non soddisfa, ovviamente, i requisiti di precisione, come, invece, è in grado di soddisfare un creatore integrale realizzato in HSS o metallo duro. Tuttavia, è possibile garantire la conformità con la classe B della norma DIN 3968, il che significa che possono essere realizzate le classi di qualità delle ruote dentate da 9 a 11, secondo la norma DIN 3962. Se si deve ottenere una classe di qualità più elevata, è necessario un processo di follow-up con un creatore integrale o un’operazione di rettifica. La qualità della dentatura non è determinata solo dalla classe del creatore. È influente anche un sistema di bloccaggio sicuro del pezzo, la precisione della macchina dentatrice, nonché la concentricità e run-out del creatore con il pezzo.
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Nel complesso, i risultati delle prove sul campo hanno dimostrato, sulla base di tre importanti criteri, i vantaggi reali dei nuovi creatori: diminuzione dei tempi di lavorazione e dei costi di dentatura per componente e aumento della durata dell’utensile.
BREVI TEMPI DI LAVORO Il tempo reale di processo durante la dentatura è determinato, tra l’altro, dalla velocità di taglio e dall’avanzamento assiale. L’abbinamento del tipo di acciaio e materiale da taglio, nonché la stabilità e le prestazioni delle macchine utensili utilizzate sono fattori decisivi. Prove eseguite in condizioni di produzione reale hanno dimostrato che la velocità di taglio, pur mantenendo la velocità di avanzamento di ogni rotazione dell’utensile, può essere di solito più che raddoppiata. In questo modo, il tempo di lavorazione di 200 min è stata ridotto a 90 min per ruota dentata, in un caso.
I taglienti di metallo duro possono sopportare un carico truciolo molto più elevato rispetto ai taglienti di HSS. Questo rende possibile raggiungere valori di avanzamento per dente significativamente più elevati. Inoltre, la riduzione del numero dei taglienti effettivi è più che compensata con l’applicazione di questo metodo. Nel determinare la velocità di avanzamento, l’avanzamento al dente e lo spessore truciolo massimo teorico che si genera quando si asporta truciolo sul fondo del dente dell’ingranaggio, dovrebbero essere sempre registrati e utilizzati per il calcolo della velocità di avanzamento. Se tutti i fattori decisivi per le prestazioni delle macchine utensili e se il materiale del pezzo lo permette, è possibile lavorare con avanzamenti al dente fino a 0,35 mm/dente e raggiungere velocità di taglio fino a 350 m/min con il nuovo utensile scelto in base al modulo in questione.
LUNGHEZZE ELEVATE E DURATA In condizioni ottimali, cioè con il miglior rivestimento possibile e la migliore preparazione dei taglienti, le lunghezze in metri lavorati con creatore a inserti, prima di sostituire gli inserti, sono state ottenute da prove sul campo, dimostrando di essere almeno tre volte superiori rispetto a quelle degli utensili rivestiti di HSS. Anche l’aumento dell’avanzamento per dente ha contribuito a questo risultato. Un avanzamento per dente troppo basso produce l’effetto di favorire l’usura, accorciando la vita degli utensili e causando un’eccessiva generazione di calore sul pezzo.
Ciò che è raramente considerato è lo spreco causato dal set-up durante la produzione in serie: la riaffilatura di creatori “usurati” comporta diametri diversi e richiede sempre una regolazione delle impostazioni della macchina. Anche in questo caso il rischio è ridotto del 66% con il nuovo utensile. C’è anche una riduzione del tempo necessario per il ricondizionamento dei creatori di HSS “usurati”, che devono essere inviati a un centro apposito per la riaffilatura e il rivestimento. Con i nuovi utensili Sandvik Coromant, è consigliato lavorare con strategia “shifting” ottimizzata per garantire la migliore durata del tagliente. Inoltre, gli inserti multitaglienti che mostrano l’usura solo su un tagliente dopo l’uso, possono essere sostituiti singolarmente ove necessario da sinistra a destra.
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COSTI RIDOTTI L’obiettivo principale degli ulteriori sviluppi dei creatori a inserti è quello di abbassare i costi di produzione diretti e indiretti. Allo stesso tempo, la qualità dei pezzi da lavorare deve essere mantenuta o addirittura migliorata. Inoltre, l’affidabilità della produzione deve essere garantita. Il nuovo creatore a profilo completo di Sandvik Coromant soddisfa completamente i requisiti relativi all’utensile, anche la prima volta che è stato utilizzato: i costi proporzionali degli utensili potrebbero essere notevolmente ridotti attraverso una spesa minima sull’investimento, stoccaggio, costi di movimentazione e di ricondizionamento. Al di là di questo, un impegno di capitale più basso è stato ottenuto attraverso un numero significativamente inferiore di creatori in circolazione. Un altro vantaggio: la produzione giornaliera potrebbe essere sensibilmente migliorata attraverso un aumento della velocità di taglio, riducendo in tal modo anche il tempo effettivo di taglio (un risparmio del 50% è stato superato più volte). Il tempo recuperato per utilizzare la macchina, attraverso la riduzione del tempo di taglio e di set-up, può essere utilizzato per aumentare ulteriormente la produzione. In alcuni casi, non è più necessario usare olio da taglio o lubrificanti, e questo aumenta la durata degli utensili e riduce anche le emissioni sotto forma di vapore o nebulizzazione di olio.
La dentatura cilindrica con creatore è utilizzata per la fabbricazione di profili scanalati e dentature esterne con denti diritti ed elicoidali. Le dentatrici a creatore tagliano per inviluppo, tramite un moto di generation analogo a quello che si ha tra due elementi che ingranano, in cui uno è rappresentato l’utensile denominato “creatore”. La dentatura cilindrica con stozzatore è utilizzata per la fabbricazione di profili scanalati e dentature, sia esterne che interne, con denti diritti ed elicoidali. Queste macchine tagliano per inviluppo tramite un moto di generazione analogo a quello che si ha tra due elementi che ingranano, in cui uno è rappresentato dall’utensile denominato stozzatore. Le velocità di rotazione e/o traslazione degli elementi coinvolti devono essere opportunamente impostate in modo da ottenere il corretto rapporto di trasmissione tra l’utensile e la ruota che si vuole tagliare.
VLC 200 H: la dentatrice a creatore pick-up verticale per pezzi con diametro fino a 200 mm. Le richieste per i processi di dentatura diventano di anno in anno sempre più esigenti, come accade, ad esempio, per la produzione di componenti per motopropulsori. Trasmissioni con strutture sempre più complesse pongono requisiti estremamente elevati in termini di qualità dei componenti realizzati, il tutto con un numero sempre più alto di pezzi prodotti. Con la nuova macchina modulare della serie VLC, composta dalla dentatrice verticale a creatore VLC 200 H e dalla smussatrice verticale VLC 100 C, EMAG offre la soluzione ideale per rispondere efficacemente a queste nuove esigenze.
di Markus Isgro Marketing & Communication presso EMAG Holding GmbH di Salach, in Germania. Quando si tratta di processi di dentatura, gli esperti dell’azienda Koepfer, con sede a Villingen-Schwenningen, sono il punto di riferimento ideale all’interno del Gruppo EMAG. Da anni azienda innovativa e di successo nel campo della dentatura a creatore, la Koepfer non perde mai di vista ogni sviluppo nel proprio settore. Fornitore di mezzi di produzione per ingranaggi, la Koepfer è anche conosciuta come partner competente per tutto ciò che riguarda le ruote dentate. Non stupisce quindi che Koepfer sappia dare una risposta ai vari cambiamenti delle esigenze produttive.
La VLC 200 H può essere dotata di un sistema di misurazione opzionale, installabile su una delle slitte. Essendo collocato all’esterno della zona di lavoro, il sistema è protetto da trucioli e sporco e può essere estratto all’occorrenza. La macchina, inoltre, può essere equipaggiata con un tastatore per la misurazione dei componenti e con sensori per l’orientamento. Il carico e lo scarico della macchina avvengono tramite il mandrino di lavorazione pick-up. Nella dentatura di pezzi a forma di ruota, questo sistema intelligente rappresenta una marcia in più in termini di produttività.
TECNOLOGIE OTTIMALI PER LA SMUSSATURA In seguito a ogni dentatura, anche nella VLC 200 H si pone il problema di come smussare efficacemente il profilo del dente. La smussatrice VLC 100 C può utilizzare Chamfer-Cut o la smussatura degli spigoli. La tradizionale smussatura degli spigoli è utile quando la geometria del pezzo lo richiede, mentre Chamfer-Cut è ideale per una smussatura precisa a costi contenuti. La combinazione delle macchine VLC 200 H e VLC 100 C con tecnologia Chamfer-Cut apre ai progettisti un ampio ventaglio di possibilità per ottimizzare la produzione di ingranaggi.
La lavorazione degli ingranaggi avviene durante la fase "materiale prima del trattamento di tempra", dove la sfida è spesso quella di ottenere tolleranze dimensionali strette. Il processo di lavorazione degli ingranaggi è destinato a cambiare notevolmente per effetto della mobilità elettrica, del nuovo design delle trasmissioni e della necessità di essere flessibile e produttivo. L’attenzione si sposterà dalle tradizionali macchine utensili per la lavorazione degli ingranaggi alla lavorazione multi-task di ingranaggi e componenti scanalati. Lo standard DIN 3962 classifica attentamente i componenti, e la genesi del profilo dell’utensile resta su misura in base al tipo di ruota dentata.
La potenza del cambiamento è evidente anche nel power skiving, processo di taglio continuo molto più veloce della formatura e più flessibile della brocciatura. Il power skiving può essere utilizzato per ingranaggi e scanalati sia interni che esterni, con i maggiori vantaggi nella lavorazione interna per la produzione in serie.
La dentatura con fresa a disco è un processo in cui viene tagliato un solo vano interdentale alla volta, permettendo di lavorare componenti completi con un unico setup su centri di lavoro o centri di tornitura. La dentatura con creatore è invece un processo di passate multiple con un utensile elicoidale, dove creatore e semilavorato ruotano continuamente fino al taglio di tutti i denti, con ogni dente che asporta truciolo diverso.
| Parametro | Descrizione |
|---|---|
| Standard di riferimento | DIN 3962, DIN 3968 |
| Tipo di utensile | Creatore a profilo completo vs inserti tangenziali |
| Vantaggio chiave | Riduzione tempi, costo e usura utensile |
La dentatura cylinderica con stozzatore, la gamma VLC e le soluzioni modulari EMAG Koepfer forniscono una piattaforma integrata per la produzione di ingranaggi complessi, con pick-up e automazione avanzata per ridurre i tempi di cambio pezzo e migliorare la qualità della dentatura.
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