In Figura 35 è schematizzata l’evoluzione che ha contraddistinto la produzione industriale degli ingranaggi di impiego automobilistico verso una eliminazione dell’uso di oli lubrificanti, raggiungendo nel 2005 l’attuale stato dell’arte con eliminazione degli oli da tutti i processi eccetto quello di finitura.
Figura 35: Evoluzione della filiera di produzione di ingranaggi verso l’eliminazione
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La possibilità di eliminare completamente l’utilizzo di lubrificanti dalla filiera di produzione di ingranaggi sviluppando un processo di rettifica a secco rappresenta un’importante passo in avanti verso una reale sostenibilità della catena di produzione degli autoveicoli. Che riveste un’importanza ancora maggiore viste le previsioni di crescita riguardanti la produzione di ingranaggi nei prossimi anni, Figura 36.
Figura 36: Previsioni di mercato per la produzione di ingranaggi di impiego
automobilistico [7].
L’utilizzo dell’olio nella rettifica crea una serie di problemi relativi al suo approvvigionamento, alle inevitabili perdite e dispersioni e alla necessità di sistemi ausiliari. La quantità totale di olio richiesta per una singol a rettificatrice di ingranaggi varia tipicamente tre 2000-4000 litri, dei quali 100-200 vengono persi ogni mese e devono essere reintegrati. Le perdite di olio sono dovute alla sua dispersione nell’ambiente per nebulizzazione che avviene durante il process o di rettifica ed alle inevitabili perdite diretta di fluido dalla macchina e dai residui che rimangono sul componente prodotto e vengono persi nel trasporto e nel lavaggio. Le perdite descritte hanno numerose conseguenze negative sulla salute degli operatori e sull’ambiente. A queste problematiche si aggiunge la necessità di separare ciò che compone lo scarto della lavorazione (olio, trucioli metallici, particelle abrasive e di legante) prima dello smaltimento utilizzando trattamenti molto onerosi. L’utilizzo dell’olio richiede l’adozione di sistemi ausiliari che costituiscono una parte rilevante del costo di acquisto e dello spazio necessario per l’istallazione di una macchina da rettifica, tali sistemi comprendono vasche di stoccaggio, sistemi di filtraggio, pompe ad alta pressione, separatori di particelle nebulizzate, sistemi di raffreddamento, tubazioni per la circolazione dell’olio ed
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71 un sistema di lavaggio dei componenti realizzati. Il 7 4% dell’energia consumata durante il processo di rettifica degli ingranaggi è dovuta all’utilizzo dell’olio, come mostrato dai grafici in Figura 37 [101]. Da quanto esposto si evince chiaramente come un processo ed una macchina di rettifica a secco di ingranaggi abbia un potenziale enorme per la riduzione dei costi e dell’impatto ambientale del processo.
Figura 37: Consumo energetico suddiviso per utenze in una tradizionale macchina per
rettifica di ingranaggi con processo di generazione con mola a vite [101].
Avendo visto nel capitolo precedente quali siano le funzioni svolte dall’olio lubrificante nei processi di rettifica e quali siano le problematiche legate alla sua rimozione dal processo, appare evidente la complessità della sfida proposta da una nuova tecnologia a secco, resa ancor più di fficile date le richieste di qualità e produttività che devono essere rispettate per poter competere con gli attuali processi lubrificati [102, 43, 67].
Nei processi di rettifica il volume di materiale asportato nell’unità di tempo è determinato dalla combinazione dei parametri di processo: velocità di rotazione della mola, velocità di avanzamento del componente in lavorazione e profondità di taglio. Dalla teoria applicata ai processi di rettifica convenzionali si evince che una diminuzione del calore generato durante il taglio può essere ottenuta, a parità di volume di materiale asportato, combinando una riduzione della profondità di taglio con l’aumento della velocità di avanzamento [43]; questo fa sì che si possa ipotizzare un processo di rettifica a secco di ingranaggi in ambito industriale riducendo il più possibile la profondità di taglio ed aumentando l’avanzamento in modo da mantenere invariato il rateo di asportazione rispetto ad un processo che utilizzi lubrificante. Al giorno d’oggi gli ingranaggi utilizzati nelle trasmissioni automobilistiche di alta gamma vengono rettificati tramite un processo a due fasi: durante la prima fase di sgrossatura viene rimosso l’80% del sovrametallo, recuperando gli errori geometrici prodotti durante la dentatura con creatore [103]; la successiva finitura garantisce l’ottenimento della rugosità superficiale e della forma di fianco ed elica richieste. Un nuovo approccio è stato recentemente presentato da Samputensili che ha progettato un novo processo ed una nuova macchina in grado di finire gli ingranaggi senza uso di lubrificante; il processo si
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compone di una fase di sgrossatura tramite “skive-hobbing”, processo di taglio a secco su materiale trattato termicamente effettuato con creatore, seguito da una rettifica di finitura a secco [104]. L’azienda ha sviluppato e prodotto la rettificatrice SG 160 SKYGRIND (Figura 38-39) attorno al nuovo processo ibrido skiving-rettifica eliminando totalmente l’utilizzo di lubrificante.
Figura 38: Samputensili SG 160. Dall’alto: vista esterna della macchina; vista della
zona di lavoro lato tavole porta-pezzo; vista della zona di lavoro lato mandrini skiving e rettifica.
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73 Figura 39: Schema degli assi controllati della rettificatrice a secco SG 160
SKYGRIND di Samputensili.
Nella SG 160 SKYGRIND, il processo è diviso in due fasi ben distinte: quella di sgrossatura e quella di finitura. Sono previste una, o più, passate di sgrossatura, eseguita tramite lavorazione Skiving con creatore, ed una, o più, passate di rettifica finale eseguite tramite mola a vite profilabile. Con questo processo ibrido si rimuove circa il 90% del sovrametallo durante la fase di sgrossatura utilizzando un utensile a creatore che ha il vantaggio di non riscaldare eccessivamente il pezzo. Successivamente, nella seconda fase di finitura, la mola rimuove il sovrametallo residuo ottenendo le caratteristiche geometriche e di finitura superficiale desiderate sull’ingranaggio lavorato. La struttura della macchina (Figura 38 e 39) con due mandrini azionati da motori lineari e l’utilizzo simultaneo di più canali di controllo e gestione della cinematica garantisce un tempo di truciolo-truciolo inferiore a 2 secondi. La configurazione della macchina prevede una separazione dell’asse X delle macchine tradizionali in due carri lineari (X1, X2), ognuno dei quali trasporta una tavola porta-pezzo. In questo modo, la posizione di entrambi gli assi tavola è indipendente e continuamente sotto controllo, ed essendo azionati da motori lineari molto rapidi da 30 m/s, il cambio della lavorazione da una tavola all’altra si riduce a un tempo inferiore ai 2 secondi, incluso il riposizionamento simultaneo dei pezzi con gli assi Y-Z-A.
I tempi ciclo per la finitura degli ingranaggi sono perfettamente in linea con il settore automotive, e ad un costo inferiore rispetto alle soluzioni tradizionali grazie all’eliminazione dei costi di approvvigionamento e gestione dell’olio e ad una ridotta usura della mola utilizzata solo per la finitura. Gli aspetti economici saranno affrontati con maggior dettaglio nel capitolo riguardante le prove sperimentali e l’applicazione industriale del processo. La SG 160 SKYGRIND è una macchina da elevata produttività, caratterizzata da ingombro molto ridotto e minori costi di investimento per le attrezzature accessorie usualmente dedicate alla gestione del lubrificante nelle rettificatrici tradizionali.
I risultati conseguibili adottando questo nuovo processo a secco ed utilizzando la rettificatrice descritta possono essere riassunti come segue:
Riduzione del costo dei materiali di consumo; Riduzione dell’investimento totale;
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Miglioramento della salute nell’ambiente di lavoro; Miglioramento dell’impatto ambientale del processo; Tempi di lavorazione truciolo-truciolo inferiori a 2 secondi; Architettura di macchina innovativa (brevettata);
Doppi mandrini porta utensile dedicati a lavorazione skiving con creatore e rettifica con mola a vite;
Configurazione di un asse tangenziale virtuale per garantire elevata rigidezza dinamica;
Elevata stabilità termica e meccanica;
Fasatura di utensile e pezzo (ingranamento) automatico per entrambe le lavorazioni;
Sensore induttivo di allineamento posto su mandrino porta pezzo. Di seguito, in Tabella 3 sono riportati i dati tecnici della macchina.
Tabella 3: Dati tecnici rettificatrice a secco Samputensili.
Modello SG 160 SKYGRIND
Diametro pezzo, max. 160 mm
Modulo 1,0 – 3,0 mm
Lunghezza pezzo, max. 300 mm
Larghezza pezzo, max. 180 mm
Angolo elica +45° 7 -45°
Diametro mola 250 mm max / 210 mm min
Larghezza mola 100 mm
Velocità di taglio, max. 80 m/s
Diametro rullo profilatore 123 mm
Dimensioni macchina, L x W x H 3275 x 2200 x 2285 mm
Capitolo 3
Obiettivi e motivazioni del progetto
Obiettivi e motivazioni del progetto
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In questo breve capitolo si descrivono gli obiettivi del progetto di dottorato e le motivazioni che hanno determinato le scelte intraprese per raggiungerli.
Il dottorato è stato sviluppato su due percorsi convergenti ma caratterizzati ognuno da un approccio molto differente applicato sia all’impostazione teorica che alla parte di modellazione e di analisi sperimentale. Questo ha permesso di superare difficoltà che fino ad oggi avevano impedito il conseguimento dei risultati qui ottenuti. Il problema di modellare il processo di rettifica di generazione degli ingranaggi dal punto di vista termico, superando le approssimazioni fino ad ora adottate dalla teoria e dalla pratica di riferimento, è stato scomposto in due tematiche differenti definendo una filosofia di modellazione gerarchica. La prima tematica ha riguardato lo studio approfondito dei fenomeni che riguardano il contatto tra il singolo grano abrasivo ed il materiale soggetto al taglio i cui risultati sono stati poi utilizzati per sviluppare un modello termico della lavorazione sull’intero ingranaggio.
Alle attività sperimentali di modellazione si è affiancata una attività di ottimizzazione del processo industriale di rettifica a secco svolta in azienda impiegando tecniche classiche di analisi statistica dei risultati e di ottimizzazione sperimentale di processo.