Lavorazioni Un nuovo modo di dentare gli ingranaggi...68 Gianfranco Bianco Ingranaggi & Lavorazioni News...73 a cura di Marco Broglia PER Ingranaggi gennaio 2013 - Organi di trasmissione 67
Lavorazioni per ingranaggi Un nuovo modo di dentare gli ingranaggi Per molti tipi di ingranaggi le lavorazioni tipiche di dentatura sono state superate da nuove tecnologie che permettono di ottenere migliori risultati dal punto di vista della qualità abbattendo contemporaneamente costi e tempi di consegna. Gianfranco Bianco Se si considerano ingranaggi prodotti in grande quantità, non c è dubbio che i metodi tradizionali di esecuzione, cioè la dentatura con creatori o con coltelli stozzatori e finitura con rasatori o rettifica, sono i più convenienti. Se però si devono produrre ingranaggi di una certa dimensione ed in piccoli lotti, la tecnologia tradizionale perde gran parte della sua competitività, specie ora che il connubio tra una meccanica raffinata, un elettronica estremamente evoluta e software d avanguardia, permette di realizzare macchine con nuove potenzialità. In questo articolo si vuole, appunto, dare qualche informazione, non certo esaustiva, di questa tecnica relativamente nuova per eseguire le dentature di ingranaggi sia cilindrici che conici, a denti dritti o elicoidali. Si tratta di operare con macchine che normalmente hanno 5 assi CN e che usano utensili standard reperibili pronti in magazzino, cioè frese a codolo con testa cilindrica, sferica o di altre forme. Già questo è un vantaggio estremamente importante che permette di ridurre in modo drastico i costi dell utensileria e, ancora di più, di abbassare i tempi di approvvigionamento. Dal punto di vista concettuale questo metodo è molto semplice ed intuitivo. Si tratta in sostanza di far percorrere dai taglienti di un utensile una serie di traiettorie che coprano la superficie del dente, superficie che è ben individuata nello spazio in base alle caratteristiche geometriche Fig. 1 - Ottimizzazione delle condizioni di contatto tra pignone e corona. della dentatura. Il problema non sta, evidentemente, nel far seguire dall utensile una qualsivoglia traiettoria, ma è nell individuare esattamente la topologia della superficie in termini matematici. In definitiva si devono avere soluzioni software adeguate. In questo settore, già da molti anni, è presente in una posizione di avanguardia l azienda veneta Breton (Castello di Godego, Treviso), che ha messo a punto centri di lavoro multifunzionali ad alte prestazioni e a grande flessibilità, adatti a soddisfare le più impegnative richieste dei principali settori industriali quali quello aerospaziale, energetico, automobilistico, degli stampi ecc. Tra questi centri ad alta tecnologia ci sono, appunto, anche macchine a 5 assi adatte all esecuzione di ogni tipo di ingranaggio, nella gamma che va da modulo 4 mm a modulo 60 mm, con diametri fino a 2.500 mm (in pezzo unico). Della vasta gamma di macchine prodotte da Breton, che interessano i più svariati settori dell industria, ed in particolare quello aerospaziale, qui accenneremo solamente ai tre modelli più indicati per la lavorazione di ingranaggi. Le macchine in questione non sono dentatrici in senso stretto ma, come si è detto, dei centri di lavoro che, integrati con opportuni software, possono eseguire Fig. 2 - Le traiettorie degli utensili vengono calcolate automaticamente per le operazioni di sgrossatura, di semifinitura e di finitura con la sostituzione automatica degli utensili. 68 Organi di trasmissione - gennaio 2013
ogni tipo di dentatura. Condizione necessaria per l ottenimento di grandi precisioni e di ottime superfici è l assenza di vibrazioni indotte dagli utensili e dagli spostamenti ad alta velocità degli assi. A questo scopo Breton adotta strutture composite molto rigide in metalquartz; si tratta di uno scheletro di acciaio con centinature annegate in una massa di materiale composito di quarzo a matrice polimerica, che assicura una rigidità doppia rispetto ad una struttura in metallo, con un assorbimento delle vibrazioni dieci volte superiore. L utilizzo di centri di lavoro di alta precisione a 5 assi, che usano utensili standard permette di ridurre drasticamente i tempi di fornitura di ruote dentate, specie quelle di una certa dimensione. Per esempio, se utilizzando un metodo standard per produrre una corona conica, poniamo con un diametro di 800 1.000 mm, sono necessari almeno 3 4 mesi dall ordine, includendo lo studio e l ordinazione dell utensile speciale (lame Gleason, per esempio) e il trattamento termico, con un centro di lavoro è possibile realizzare la corona conica finita dopo il trattamento termico in circa 3 settimane. Ciò è possibile grazie alla potenza dei software utilizzati che permettono, con il solo inserimento dei dati geometrici della dentatura, di passare automaticamente alla fase attuativa della programmazione delle traiettorie, dei cicli di lavorazione ed alla scelta degli utensili. Non solo, sono anche possibili simulazioni di ingranamento tra corona e pignone in modo da ricercare, con semplici modifiche dei parametri inseriti, le condizioni di migliore contatto tra le superfici dei denti. La figura 1 mostra questa funzione che è molto utile nella fase di prototipazione di nuove coppie coniche ai fini della ricerca delle migliori condizioni di ingranamento. Tab. 1 - Punti critici nella dentatura con metodi convenzionali I processi convenzionali richiedono macchine dedicate La produzione di piccoli lotti non è conveniente con i metodi tradizionali Ingranaggi di grande diametro (> 600 mm) richiedono macchine molto costose Gli utensili sono complicati e costosi, specie se gli ingranaggi sono complessi I tempi di progettazione e di consegna sono lunghi Geometrie non standard sono difficili o impossibili da eseguire I metodo di esecuzione e lo studio degli utensili è strettamente legato alle macchine disponibili Pochi costruttori sono in grado di gestire le soluzioni ottimali Fig. 3 - Esempio di esecuzione di una dentatura conica elicoidale con una macchina Breton mod. Xceeder 1200 RT. La partnership Breton-KISSsoft Breton ha siglato una partnership con KISSsoft, che realizza software dedicati agli ingranaggi e alle trasmissioni di ogni tipo e che vanta applicazioni in molti settori, da quello delle macchine movimento terra alla Formula 1. Grazie a questa stretta collaborazione e al potenziamento del settore Ricerca e Sviluppo interno all azienda, sono stati realizzati programmi, forniti in esclusiva da Breton, che consentono lavorazioni non possibili con i metodi tradizionali. Per fare qualche esempio si può accennare alla possibilità di eseguire, nelle dentature coniche elicoidali, lo scarico al piede dei denti analogamente a quello che nelle dentature cilindriche viene eseguito con creatori con la protuberanza. Questa possibilità migliora il profilo in prossimità del diametro interno evitando la generazione di gradini in fase di finitura. C è anche la possibilità di calibrare le traiettorie degli utensili di sgrossatura e di finitura in modo da avere profili uniformemente raccordati a fondo dente. Sempre restando sugli ingranaggi conici è anche possibile eseguire una smussatura completa dei denti, cioè gli smussi semitopping sulla sommità dei denti e gli smussi sugli spigoli laterali. Con i metodi convenzionali, queste due operazioni dovevano essere eseguite su macchine diverse ed in fasi successive. Per quanto riguarda gli ingranaggi cilindrici, con questa tecnologia è possibile dentare gli ingranaggi a spina di pesce (herringbone gears) con utensili assolutamente standard scegliendo la forma che più si preferisce nel raccordo tra i settori con elica opposta ed eliminando la gola di separazione tra le due diverse dentature. Si possono per esempio dentare senza difficoltà i face gears senza aver bisogno di utensili speciali, oppure alberi scanalati con dentature ad evolvente e non. Naturalmente si possono applicare sugli ingranaggi cilindrici tutte le correzioni di profilo e di elica (es. bombatura), ma anche modifiche topologiche di una certa complessità, impossibili da attuarsi con le rettificatrici oggi in uso. È noto che in fase di proget- gennaio 2013 - Organi di trasmissione 69
Lavorazioni per ingranaggi Fig. 4 - Centro di lavoro Breton mod. Ultrix1000 RT. tazione di ingranaggi sia cilindrici sia conici, non è possibile stabilire esattamente i profili e le eliche ottimali. Ogni correzione in genere è determinata con prove pratiche verificando la rumorosità della coppia o le aree di contatto. Utilizzando i metodi e gli utensili tradizionali questo si traduce in un enorme dispendio di tempo legato in prevalenza alla modifica degli utensili. Si può capire facilmente il grande vantaggio offerto dal metodo di lavorazione proposto da BRETON che in base alla simulazione delle condizioni di accoppiamento di ruota e controruota, o di pignone e corona, non solo fornisce i dati richiesti, ma suggerisce anche le modifiche da attuare per ottimizzare i contatti. E questo sempre utilizzando utensili standard. Il passaggio delle superfici generate dal software KISSsoft alla macchina viene governato da un applicazione CAM, anch essa di nuova generazione, sviluppata su piattaforma Rhino con l impiego delle librerie CAM di RhinoNC. Questa soluzione elabora le migliori strategie di asportazione consen- Il trattamento dei pezzi di un certo diametro provoca delle deformazioni e distorsioni importanti; dopo la rettifica dei piani e del foro di centraggio, i denti normalmente sono in una posizione spaziale diversa da quella ottenuta in sgrossatura. Le macchine di cui si parla sono in grado di eseguire un analisi della struttura e della posizione dei denti e di riorientare gli assi macchina in funzione delle condizioni del pezzo. Il tastatore rileva su alcuni denti (o su tutti se si ritiene necessario) una griglia di punti e la confronta con la griglia teorica derivata dai dati dell ingranaggio. In base agli scostamenti rilevati interviene sull impostazione degli assi anche per minimizzare le asportazioni di materiale. Per le precisioni ottenibili bisogna fare una breve precisazione. A differenza di quello che succede nelle lavorazioni tradizionali, nelle lavorazioni con macchine a 5 assi, più aumenta il diametro degli ingranaggi e più migliora la classe precisione individuata con le tabelle DIN 3962. Infatti lavorando con 5 assi CN si ha uno stesso valore assoluto detendo allo stesso tempo la scelta degli utensili adeguati per realizzare il fondo dente e finire, dopo tempra, il pezzo. In questo modo viene portata a compimento con la dovuta precisione e flessibilità la geometria calcolata da KISSsoft. In particolare è stato sviluppato un innovativo algoritmo denominato T.A.O.( Teeth Accuracy Optimizer) che elabora la migliore sequenza di lavorazione dei denti al fine di ottimizzare il consumo dell utensile e ottenere elevate qualità di dentatura, inarrivabili altrimenti. Precisioni ottenibili Si è già accennato al fatto che sulla macchina sono predisposti tastatori per il controllo dimensionale; questi fanno riferimento alla griglia punti sulle superfici dei denti, con la quale si rappresenta la topologia completa del dente. Questi mezzi di controllo sono utilizzati anche per una funzione denominata Best Fitting, utile dopo il trattamento termico, che merita qualche spiegazione. 70 Organi di trasmissione - gennaio 2013
Fig. 5 - Break even tra metodo a creatore e lavorazione a 5 assi. Tab. 2 - modello macchina ultrix Xceeder maxima Assi CN interpolati N 5 5 6 Diametro tavola di tornitura mm 1.000 1.100 1.600 Diametro lavorabile in tornitura mm 1.000 1.100 2.000 Corsa asse X mm 1.150 1.200 2.500 Corsa asse Y mm 1.000 1.000 3.000 Corsa asse Z (tavola standard) mm 700 700 1.300 Potenza installata kw 105 120 140 Peso macchina standard kg 22.500 23.500 80.000 Tempi di esecuzione L utilizzo della fresatura con macchine a 5 assi è conveniente solo per la produzione di piccole serie o di prototipi. Queste macchine non sono indicate per produzioni di grandi serie. Il vantaggio sostanziale si ha nell utilizzo di macchine multifunzionali e non di macchine dedicate e, altrettanto importante, è l impiego di utensili immediatamente disponibili sul mercato. Se si devono eseguire due o tre coppie coniche o qualche ingranaggio cilindrico di modulo superiore a 4 5 mm, bisogna disegnare e ordinare gli utensili ed è noto, agli addetti ai lavori, che ciò significa aspettare almeno 4-6 settimane e in certi casi anche qualche mese. Questo se si hanno i disegni del pezzo da eseguire, ma spesse volte i costruttori ricevono un ingranaggio deteriorato con l ordine di farne uno uguale. Bisogna rilevare i dati, ricostruire il disegno e poi studiare l utensile con la speranza che i risultati siano buoni. Passaggi questi che non sono molto facili. Con le macchine Breton e con i sofgli scostamenti dal teorico sia per diametri piccoli che per diametri grandi e quindi essi, in questo ultimo caso rientreranno in classi di precisioni migliori. Si può dire che: su diametri 250 300 mm si possono ottenere ingranaggi di classe DIN 5; su diametri 300 1.000 mm si possono ottenere ingranaggi di classe DIN 4; su diametri oltre1.000 mm si possono ottenere ingranaggi di classe DIN 3. La rugosità superficiale ottenibile con frese in metallo duro è di Ra = 0,6 0,8 micrometri. In pratica questi risultati sono tranquillamente paragonabili a quelli ottenuti con operazioni di rettifica. Si ricorda ancora che tutte le correzioni di profili, di eliche e della localizzazione e estensione delle aree di contatto possono essere gestite attraverso il software senza interessare minimamente la forma degli utensili impiegati. Questo è un grande vantaggio rispetto ai metodi tradizionale di dentatura. tware KISSsoft tutto avviene in modo automatico, dal rilevamento dei dati dell ingranaggio alla definizione del ciclo e degli utensili e ciò costituisce una drastica riduzione dei tempi di consegna. Senza contare poi che sulla stessa macchina si possono eseguire anche le operazioni di tornitura preparando il pezzo alla fase di dentatura. A titolo di esempio ci si può basare sul grafico di figura 5 che si riferisce alla costruzione di una corona conica elicoidale Gleason di diametro 500 mm. È quasi inutile precisare che nel caso di lavorazioni con i metodi tradizionali il maggior tempo di set up verrà suddiviso su più pezzi rendendo conveniente questo sistema se si devono fare lotti numerosi. Tre modelli di macchina I modelli a cui si fa rifermento nella gamma Breton sono: la serie Ultrix, la serie Xceeder Micron e la serie Maxima. 1. Le macchine Ultrix 800 RT e Ultrix 1000 RT sono in grado di eseguire operazioni di fresatura, foratura, maschiatura, tornitura e rettifica. Sono dotate di 5 assi CN interpolabili e hanno un architettura a portale a trave mobile di tipo gantry, che conferisce alla macchina la massima rigidità ottimizzando l area di lavoro a parità di ingombri. La qualità e la precisione delle lavorazioni sono ottenute grazie alla termosimmetria della struttura e ad un sistema di stabilizzazione termica delle chiocciole, dei cuscinetti e degli azionamenti degli assi che durante il funzionamento della macchina mantengono la temperatura di questi componenti allineata alla temperatura della struttura della macchina stessa. Questo sistema di stabilizzazione rende la macchina insensibile alle variazioni della temperatura che hanno luogo lavorando ad alte velocità. L innovativa tavola rototiltante Direct Drive è stata studiata e realizzata appositamente per poter eseguire, oltre alle tradizionali operazioni di fresatura, anche lavorazioni di tornitura sia in verticale che in orizzontale. L asse C ha una velocità di 100 giri/min in fresatura, mentre l asse A arriva fino a 50 giri/min e ciò permette una rapidità eccezionale nelle lavorazioni con 5 assi interpolati. gennaio 2013 - Organi di trasmissione 71
Lavorazioni per ingranaggi In tornitura l asse C arriva fino a 800 giri/ min e ciò consente di lavorare sia acciaio che leghe leggere. Freni idraulici di grande potenza assicurano la stabilita dei posizionamenti degli assi A e C anche in presenza di carichi elevati. Il sistema di refrigerazione dell utensile prevede la possibilità di utilizzare, in funzione del tipo di lavorazione, lubrorefrigeranti con grande portata, fino a 60 l/min esterno rona conica a denti elicoidali. Le macchine della serie Xceeder sono in sostanza le stesse, ma concepite per eseguire solo operazioni di fresatura, come per esempio la sagomatura di stampi, l esecuzione di rotori per turbine e ogni tipo di ingranaggio. Le macchine della serie Xceeder grazie alle possibili configurazioni (Base e RT) soddisfano le più svariate esigenze produttive. La versione base è una macchina a 3 assi Fig. 6 - Esecuzione completa di una corona con dentatura interna su un centro di lavoro Maxima. ed interno al mandrino con pressione fino a 40 bar, oppure olio nebulizzato mediante il sistema spray mist. La macchina è completata da un magazzino a ruota standard che può ospitare fino a 150 utensili, completamente isolato dalla zona di lavoro in modo da non essere raggiunto da trucioli o da liquido refrigerante. La sostituzione degli utensili avviene in modo automatico e molto rapido in base alla sequenza prevista dal ciclo di lavoro impostato. Risulta evidente che con questa macchina si possono eseguire oltre alla preparazione del pezzo con la tornitura, anche le dentature complesse su ingranaggi di ogni tipo senza smontare il pezzo dalla macchina. La figura 3 mostra, appunto, l esecuzione di una co- con tavola fissa adatta fondamentalmente alla lavorazione di stampi, pezzi meccanici di precisione e lavorazioni aeronautiche di pezzi fondamentalmente bidimensionali (ad esempio, centine alari, ecc). La versione RT è la più sofisticata e versatile di questa serie in quanto ha 5 assi con tavola rototiltante particolarmente adatta alle lavorazione di particolari del settore aerospaziale, di stampi complessi e della meccanica di precisione, come per esempio la dentatura di ingranaggi di ogni tipo. Sono previsti elettromandrini anche di grande potenza, fino a 75 kw in uso continuativo. L elevata precisione ottenibile con queste macchine è possibile anche grazie alla installazione a bordo macchina di un si- stema di presetting utensile laser, che permette di eseguire, oltre le normali funzioni di presetting, anche i controlli di integrità, forma e usura utensile. Un sistema di tastatura di misura con trasmissione dati in radiofrequenza consente, oltre all acquisizione origini, di eseguire in-process il controllo dimensionale delle lavorazioni eseguite anche su pezzi geometricamente complessi. 3. I modelli della serie Maxima sono dei grandi centri di lavoro per tornitura e fresatura a sei o sette assi, con la possibilità di aggiunta di un ottavo asse che permette la tornitura orizzontale e la fresatura di alberi. Queste macchine sono realizzate per ottenere la massima qualità anche lavorando pezzi complessi di grandi dimensioni in titanio, acciaio e altre leghe. Sono rivolte all industria aerospaziale, al settore energetico e navale. Si possono lavorare con questa macchina ingranaggi di diametro fino a 4.000 mm, se costruiti in pezzo unico e con diametri anche oltre 10 metri, se costruiti in settori. Questi centri di lavoro sono molto potenti e dinamici grazie alla loro particolare struttura e alla tavola di tornitura/fresatura che permette campi di lavoro che vanno da 2.500x1.600x1.000 mm fino a oltre 10.000x3.500x1300 mm utilizzando coppie che possono arrivare fino a 28.000 Nm. Le velocità degli assi lineari in rapido arrivano fino a 60 m/min mentre la velocità di rotazione della tavola fino a 500 giri/min. Un sistema automatico per il cambio testa e sei assi interpolati contribuisce a rendere questa gamma di macchine estremamente versatile sia utilizzandole in lavorazioni di fresatura e tornitura, di tornitura verticale e in sole lavorazioni di fresatura disponendo del 100% dell area di lavoro. La testa di fresatura a 5 assi, con rotazione asse C in continuo, rotazione asse A fino a 135, e l uso di mandrini che erogano una coppia massima fino a 1.300 Nm, permettono il suo posizionamento senza alcun limite angolare, per mezzo anche di freni idraulici ad alta potenza. Per concludere nella tabella 2 si riportano le caratteristiche tecniche principali di alcune macchine di cui si è parlato, tenendo presente che la Breton è disponibile a studiare allestimenti speciali per particolari esigenze. RIPRODUZIONE RISERVATA 72 Organi di trasmissione - gennaio 2013