Descrizione lavorazione, caso esemplificativo: pignone

Per la ricerca di un caso pilota sul quale focalizzare la nostra attenzione, si è scelto di analizzare la linea di produzione della trasmissione dell’elicottero pesante da trasporto CH-47 “Chinook” prodotto negli stabilimenti AgustaWestland su licenza dell’americana Boeing. Questa aerodina è caratterizzata principalmente dalla particolare configurazione a 2 rotori: uno sopra la cabina di pilotaggio, il secondo nella sezione di coda e non nella consueta soluzione rotore principale e rotore anti- coppia. Il CH-47 si caratterizza anche per una grande fusoliera (15 m di lunghezza) con portellone cargo di coda; ha due turbine Honeywell (Lycoming) T55-L-712E montate nella sezione di coda in due gondole esterne sotto al rotore posteriore.

Figura 2.16: CH-47, configurazione ed esploso trasmissione.

La scelta è ricaduta su questa linea poiché le sue componenti sono realizzate con un particolare acciaio resistente alle alte temperature denominato VASCO X-2. Nel tempo quest’acciaio ha creato non pochi

problemi durante le varie lavorazioni, in particolare durante le fasi di tornitura dopo il secondo trattamento termico di cementazione.

Per questo motivo lo studio è incentrato su un pezzo assialsimmetrico costruito con questo materiale le cui lavorazioni principali sono svolte con torni a controllo numerico; tale componente è il pignone primario, che fa parte dell’albero primario che collega il rotore di testa al rotore di coda. In particolare si tratta dell’ultimo pignone dell’asse primario, pignone che s’innesta sulla corona porta satelliti che trasferisce il moto all’albero “mast” del rotore di coda.

Figura 2.17: Pignone primario.

Il ciclo operativo è approvato da Boeing e rilasciato su apposita licenza. Tutte le operazioni sono approvate dalla casa madre ed eventuali modifiche devono essere prima validate dalla stessa. La particolare composizione dell’acciaio e l’elevata importanza di questo componente per la trasmissione dell’aeromobile rendono critiche la maggior parte delle operazioni eseguite.

Nello stabilimento di Cascina Costa il pignone arriva allo stato di grezzo di fusione. I controlli che subisce fin da subito sono molto severi. Dopo la realizzazione di un foro da centro per la contropunta, si procede con le operazioni di sgrossatura. Le prime operazioni di sgrossatura sono eseguite sul tornio Cazeneuve.

Figura 2.18: Fasi iniziali di sgrossatura.

Con l’ausilio di una lunetta e di una contropunta il pignone è intestato e sono lavorate le sedi dei cuscinetti e la parete esterna dell’anello gleason. Dopo ogni lavorazione o trattamento termico, il pezzo è pulito mediante sabbiatura a pallini di vetro e subisce un’ispezione visiva accurata. Si procede quindi con la bonifica di lavorabilità e il successivo controllo di durezza.

Le fasi di semi-finitura si articolano in diversi step, intervallati dalle cementazioni e dalla dentatura. Il procedimento di cementazione è reso difficoltoso dalle specifiche di progetto e sarà trattato in seguito in un apposito paragrafo. Nella prima fase di semi-finitura si lavora esclusivamente la parte esterna del pignone.

Figura 2.19: Prima fase di semi-finitura.

Dopo la prima semi-finitura, eseguita sul tornio Okuma LC40, il pezzo è marcato temporaneamente secondo specifica BAC 5307 e inviato al reparto dentatura per la realizzazione del gleason sull’anello esterno.

Figura 2.20: Taglio dentatura gleason.

Seguono la spazzolatura dei denti, la verifica dimensionale, i ritocchi al cadmio e la sabbiatura. Dopo questa sabbiatura, il pezzo è pre-ossidato, pallinato, cementato e poi ricotto. Questa prima cementazione è un trattamento termico totale e va a lambire tutte le zone e le cavità del pignone.

Dopo la seconda semi-finitura è rimosso lo strato superficiale cementato dalle zone in cui non è richiesto tale trattamento secondo le specifiche progettuali ed è eseguita la prima barenatura interna. La superficie interna del pignone è preparata per la realizzazione dell’innesto primario.

Figura 2.21: Taglio dell’innesto primario.

Eseguito l’innesto, si procede nuovamente alla pre-ossidazione del pezzo, alla pallinatura, alla cemementazione e alla ricottura. La seconda cementazione è quella che conferisce al particolare una durezza superficiale compresa tra i 31 e i 33 HRC; per quel che concerne i trattamenti termici, dopo questa cementazione al pignone rimane unicamente la tempra finale.

Le operazioni di semi-finitura successive alla seconda cementazione sono le più critiche per l’intero processo e sono quelle sulle quali si è focalizzato il nostro studio.

Figura 2.22: Terza e ultima fase di semi-finitura.

Il pignone è lavorato sia all’interno sia all’esterno. Sono scavate tutte le camere interne necessarie all’accumulo dell’olio in pressione e sono finite le zone di contorno degli innesti dei denti gleason.

Dopo questa fase di semi-finitura il componente è sabbiato e spazzolato, temprato (superficie 63 HRC) e poi inviato alle macchine rettificatrici dove sono eseguite le rettifiche esterne ed interne, le rettifiche dei filetti e le rettifiche alla dentatura. Le eventuali bave rimaste sono rimosse con macchine rotoburattatrici.

Un’ulteriore sabbiatura precede il controllo con i liquidi penetranti e l’ispezione magnetica; superati anche questi controlli, il pignone si può dichiarare finito (“ready to flight”- idoneo al volo).

Entrando nel dettaglio dell’operazione di semi-finitura di nostro interesse, vediamo come le zone soggette ad asportazione di truciolo siano in totale sette. In ogni zona è richiamato un differente utensile (bareno standard, bareno con testina speciale, stelo porta-inserto…) con caratteristiche proprie e con inserti dedicati al tipo di lavorazione e alla geometria da realizzare: inserti romboidali di tipo C per asportazione pesante, inserti romboidali di tipo D per asportazione più leggera ma maggiore accessibilità a livello di geometrie, inserti scanalatori.

Figura 2.23: Dettaglio lavorazione semi-finitura.

Onde evitare problemi di tallonamento degli utensili e per evitare problemi durante la lavorazione, la zona due e la zona cinque sono a loro volta suddivise in settori di taglio.

Il tornio dov’è svolta la lavorazione è un Mazak Integrex e-650 la cui potenza massima è pari a 45 KW con 1600 rpm di punta raggiunginbili. Sia la tornitura esterna che quella interna sono svolte con il lubrorefrigerante in bassa pressione poiché il circuito dell’alta pressione non è funzionante. La scelta degli utensili e dei parametri di taglio (velocità e avanzamento) è frutto della collaborazione tra programmatori e utensilieri. Generalmente i valori adottati sono quelli del catalogo: si consulta la letteratura dei fornitori e in base alla combinazione tra la loro esperienza e quella interna s’imposta un set point adeguato. Eventuali modifiche ai parametri di taglio sono eseguite direttamente in macchina quando si procede con la prima prova del nastro per valutare che non vi siano incongruenze nella lavorazione.

Zona 1. In questa zona è ripresa l’intestazione del pignone. L’utensile

richiamato dal part program è composto dai seguenti elementi:

 Cono ISO50 a 90°, portautensile sinistro;

 Porta inserto CNM 1204 sinistro PCLNL;

 Inserto CNMG 120408 IC907 (attualmente Iscar, da sostituire con

Figura 2.24: Dettaglio lavorazione prima zona.

La velocità di taglio è fissata a 90 m/min, l’avanzamento a 0,15 mm/giro e la profondità di passata a 1,43 mm e le passate compiute sono due.

Zona 2. Barenatura interna: si rimuove un primo strato di materiale

prima di scavare le cave di accumulo. L’utensile richiamato dal part program è composto dai seguenti elementi:

 Cono ISO50 “big plus” CAPTO C6;

 Barra portatesta diametro 32mm;

 Testa modulare diametro 32mm;

Figura 2.25: Dettaglio lavorazione seconda zona.

La velocità di taglio è fissata a 90 m/min, l’avanzamento a 0,2 mm/giro e la profondità di passata a 1,6 mm e le passate compiute sono quattro.

Zona 3. Asportazione di materiale dalla cava relativa al secondo innesto:

si eseguono le prime passate con una classica tornitura cilindrica interna e poi si esegue un’interpolazione per definire la geometria. L’utensile scanalatore richiamato dal part program è composto dai seguenti elementi:

 Cono ISO50 – CAPTO C6;

 Portautensile modulare 90°;

 Scanalatore frontale DX W6 100-180;

Figura 2.26: Dettaglio lavorazione terza zona.

La velocità di taglio è fissata a 80 m/min, l’avanzamento a 0,08 mm/giro e la profondità di passata a 0,65 mm e le passate compiute sono otto.

Zona 4. Procedimento di lavorazione analogo alla terza zona, con

parametri e utensili uguali.

Zona 5. Questa zona è la più problematica della lavorazione ed è

suddivisa in quattro settori differenti; i parametri di taglio adottati in questi quattro settori non sono gli stessi. L’asportazione del materiale più vicino all’asse del pignone è una tornitura interna cilindrica classica e consente velocità di rotazione del mandrino più elevate. L’interpolazione con la quale si definisce la geometria della cava necessita velocità di rotazione più basse onde evitare l’insorgere di vibrazioni. L’utensile richiamato è composto dai seguenti componenti:

 Cono ISO50 a 90°, portautensile 25x25 sinistro;

 Barra porta testina diametro 32mm, lunghezza 218mm;

 Testina F=49.5mm;

 Inserto DCMT 11 T3 08 IC907 (attualmente Iscar, da sostituire con

Sandvik DCMT 11 T3 08 qualità 4325).

Figura 2.28: Dettaglio lavorazione quinta zona, settore due.

La velocità di taglio per il primo settore è fissata a 115 m/min, l’avanzamento a 0,15 mm/giro, la profondità di passata a 0,8 mm e le

passate compiute sono undici. Nel secondo settore la velocità di taglio è fissata a 115 m/min, l’avanzamento a 0,08 mm/giro, la profondità di passata a 1,7 mm e le passate compiute sono otto. Nel terzo settore la velocità di taglio è fissata a 115 m/min, l’avanzamento a 0,08 mm/giro, la profondità di passata a 1,5 mm e le passate compiute sono undici. Nel secondo settore la velocità di taglio è fissata a 80 m/min, l’avanzamento a 0,08 mm/giro, la profondità di passata a 1,5 mm e le passate compiute sono nove.

Zona 6. Tornitura del contorno inferiore del gleason. Utensili richiamati:

 Cono ISO50 – CAPTO C6;

 Portautensile modulare 90°;

 Scanalatore frontale SX W6 100-400;

 Inserto Iscar HFPL 6030 W6 R3.

La velocità di taglio è fissata a 115 m/min, l’avanzamento a 0,08 mm/giro, la profondità di passata a 1 mm e le passate compiute sono cinque.

Zona 7. Tornitura del contorno superiore del gleason. Utensili richiamati:

 Cono ISO50, attacco cilindrico diametro 32mm;

 Barra Devibrator diametro 31.75mm;

 Testa porta inserto KNUX 1504;

 Inserto KNUX 150405 sinistro, raggio 0.5 KC 850.

Figura 2.30: Dettaglio lavorazione settima zona.

La velocità di taglio è fissata a 115 m/min, l’avanzamento a 0,08 mm/giro, la profondità di passata a 0,42 mm e il numero di passate compiute è pari a due.

Con questa configurazione e con questo set point di parametri di taglio, il tempo totale impiegato per compiere la lavorazione è di 2h 5min 14s.

Nella tempificazione del ciclo le voci che compaiono sono rapido (spostamenti veloci del carro porta steli per raggiungere le coordinate richiamate dal part program), interpolazione circolare (tempo di contatto dell’utensile con torninura ad interpolazione circolare), interpolazione lineare (tempo di contatto dell’utensile con torninura ad interpolazione lineare – tornitura cilindrica classica) e miscellanea (voce di tempo che tiene conto delle eventuali micro fermate non programmate). Suddividendo le diverse voci per gli utensili utilizzati nella lavorazione in questione, avremo: Utensile Rapido [min] Interp Circolare [min] Interp Lineare [min] Miscell [min] TOT [min] T5.01 0,45 0 0,73 0,3 1,47 T71.01 1,98 0,01 8,23 0,3 10,52 T88.01 4,24 0,13 37,21 0,3 41,88 T45.01 0,57 1,3 9,75 0,3 11,93 T49.01 0,42 0 3,87 0,3 4,59 T89.01 0,54 0,27 3,18 0,3 4,29 T86.02 0,74 0,23 7,44 0,3 8,7 T74.01 0,49 0 1,59 0,3 2,38 T49.01 0,42 0 3,85 0,3 4,57 T11.04 0,77 0,57 3,03 0,3 4,67 T48.01 5,65 12,45 65,81 0,3 29,98

Tabella 2.6: Tempi di lavorazione pignone.

Gli utensili nei quali è richiamato l’inserto DCMT 11 T3 08 oggetto del nostro studio sono il 71,01 e il 48,01; il tempo totale di contatto di questo inserto risulta quindi essere pari a:

Tempo TOTALE di contatto Lunghezza lavorata

T071.01 8 min 34 s 821 mm

T048.01 78,26 min 8 s 1924 mm