Lavorazione Flexspline per ingranaggi a onde
Le Flexspline, note anche come ruote ad albero flessibile, Flextopf o manicotti a collare, costituiscono il cuore dei riduttori ad albero. Questi componenti di alta precisione consentono rapporti di riduzione molto elevati in un unico stadio di trasmissione – un vantaggio decisivo rispetto ai riduttori epicicloidali convenzionali, che per ottenere rapporti di riduzione comparabili richiedono più stadi e quindi uno spazio di installazione notevolmente maggiore.
Lavorazione ad alta precisione mediante fresatura a rulli di Flexsplines per trasmissioni ad albero nella robotica
Sfide tecniche di produzione relative alle Flexsplines
La produzione di Flexsplines pone requisiti estremamente elevati alle macchine utensili, alla gestione dei processi e alla garanzia della qualità. La combinazione di geometria a pareti sottili, materiali ad alta resistenza e requisiti di precisione estremi rende le Flexsplines una delle operazioni di dentatura più impegnative nella moderna tecnologia di produzione.
Le Flexsplines presentano tipicamente spessori di parete inferiori a un millimetro. Questo spessore ridotto è necessario dal punto di vista funzionale, ma comporta notevoli sfide per quanto riguarda il serraggio del pezzo. Anche forze di serraggio minime possono causare deformazioni elastiche che si riflettono immediatamente in errori di dentatura. Le dimensioni tipiche del modulo sono comprese tra 0,15 e 1,5 mm, con un numero di denti compreso tra 100 e 400. Come materiale vengono utilizzati acciai ad alta resistenza come l'SNCM 439 (40CrNiMo), che dopo il trattamento termico raggiungono valori di durezza compresi tra 38 e 42 HRC.
Requisiti di precisione
La qualità della dentatura delle Flexsplines deve soddisfare i requisiti della norma DIN 3960/62 o ISO 1328 classe 4. Questa classe di precisione implica tolleranze di passo nell'ordine di pochi micrometri. La concentricità della Flexspline deve rientrare in un intervallo di 5 micrometri. Il corretto rispetto di queste tolleranze è determinante per la precisione di posizionamento e il comportamento in esercizio dell'intero sistema di trasmissione.
Catena di processo per la produzione di Flexspline
La produzione delle Flexspline avviene in una catena di processo a più fasi che comprende sia la lavorazione a freddo che la lavorazione dura. Ogni fase del processo deve essere coordinata in modo preciso per ottenere le qualità finali richieste.
1. Tornitura a freddo: sgrossatura della geometria del pezzo grezzo, finitura dei contorni prima del trattamento termico
2. Trattamento termico: tempra e rinvenimento ad alta temperatura, trattamento criogenico con azoto liquido e successivo rinvenimento a bassa temperatura
3. Tornitura a freddo: lavorazione di precisione dopo il trattamento termico, finitura delle superfici funzionali
4. Rilassamento in bagno d'olio: stabilizzazione termica e riduzione delle tensioni
Processo di fresatura a creatore per Flexspline
Il processo di fresatura a creatore costituisce la fase centrale nella produzione di Flexspline. Per questa applicazione, EMAG ha sviluppato strategie di processo e configurazioni macchina specifiche che consentono una produzione riproducibile di altissima qualità.
Requisiti dei componenti prima della fresatura a creatore
La qualità del processo di produzione lungo l'intera catena di lavorazione è determinante per il risultato finale. A tal fine, il foro interno viene solitamente sottoposto a ondulazione per garantire la finitura superficiale e la rotondità necessarie per il serraggio tramite mandrino di espansione. Lo spessore della parete dovrebbe essere costante su tutta la circonferenza: le variazioni portano inevitabilmente a difetti di dentatura, poiché influenzano il comportamento di espansione del vuoto. Il pezzo deve essere completamente pulito prima della lavorazione; trucioli o impurità nel foro interno compromettono la precisione di serraggio e possono causare danni.
La geometria a pareti sottili delle Flexsplines richiede particolari sistemi di serraggio. Le pinze di serraggio meccaniche con applicazione puntuale della forza causerebbero deformazioni non consentite. EMAG utilizza quindi mandrini di serraggio a espansione idraulica che garantiscono una distribuzione uniforme della forza su tutta la superficie interna del mantello. Questi mandrini di serraggio idraulici devono presentare la massima precisione: la concentricità deve essere compresa tra un massimo di 3 e 5 micrometri. È assolutamente necessario un posizionamento assiale univoco dei pezzi nella posizione di tensionamento, affinché le modifiche delle linee di flanco possano essere apportate correttamente.
Le frese a rullare per la lavorazione Flexspline sono soggette ai più elevati requisiti di qualità. Vengono utilizzate frese a rullare in metallo duro. Per determinati moduli sono necessarie realizzazioni speciali con tolleranze di passo specificate: in questo caso è indispensabile una stretta collaborazione con il produttore degli utensili. Inoltre, le frese a rullare per Flexspline presentano profili speciali.
Concetto di macchina e tecnologia di controllo
La produzione di Flexspline pone requisiti estremamente elevati in termini di cinematica della macchina, stabilità termica e regolazione degli azionamenti diretti degli assi della macchina rilevanti per il processo. Per questa applicazione, EMAG ha sviluppato un pacchetto completo ad alta precisione che tiene conto di tutti i fattori rilevanti.
Le macchine per la dentatura a creatore della serie K di EMAG dispongono di un letto a macchina in fusione minerale (calcestruzzo polimerico). Questo materiale si contraddistingue per eccellenti proprietà di smorzamento e una dilatazione termica molto ridotta. La stabilità termica è determinante per la sicurezza del processo e la qualità della dentatura.
Sia il mandrino utensile (asse B) che il mandrino pezzo (asse C) sono realizzati come azionamenti diretti raffreddati ad acqua. Questa struttura elimina gli elementi di trasmissione meccanici come cinghie o ingranaggi, che potrebbero causare errori di posizionamento. Il raffreddamento ad acqua garantisce una temperatura costante delle unità di azionamento e impedisce scostamenti di posizione dovuti al calore.
Strategie di controllo per ridurre al minimo gli errori di sincronizzazione
Nella lavorazione con fresatura a creatore, il mandrino del pezzo (asse C) deve ruotare in sincronia con il mandrino utensile (asse B). Tuttavia, anche i servoazionamenti di alta qualità presentano irregolarità intrinseche al sistema – i cosiddetti momenti di arresto o effetti di cogging, che derivano dall’interazione tra magneti permanenti e avvolgimenti dello statore. EMAG ha sviluppato una strategia di compensazione specifica per l’editing Flexspline.
Il controllo EMAG offre ampie possibilità di modifica della dentatura. Oltre alle modifiche standard come le bombature di larghezza e le conicità nella linea di fianco, è possibile programmare direttamente tramite parametri di dialogo anche modifiche della linea di fianco specifiche per Flexspline. Le modifiche del profilo vengono solitamente applicate tramite il profilo della fresa a rulli. Queste modifiche ottimizzano il profilo di contatto e la durata dell'interblocco durante il funzionamento.
Gamma di macchine EMAG per la lavorazione Flexspline
Con la serie K, EMAG offre due piattaforme di macchine ottimizzate specificamente per la lavorazione di componenti di trasmissioni a onde. Entrambe le macchine dispongono del pacchetto di alta precisione descritto e si differenziano principalmente per l'area di lavoro.
K 300 – Soluzione ad alta rigidità per pezzi di grandi dimensioni
La K 300 dispone di un telaio chiuso che garantisce la massima rigidità anche in presenza di forze di lavorazione elevate. Questa struttura è particolarmente adatta per Flexspline di grandi dimensioni con diametro esterno fino a 140 mm. La costruzione a telaio chiuso, in cui una traversa collega il lato del mandrino principale e quello della contropunta, impedisce la deformazione della macchina anche in presenza di forze di serraggio elevate.
Qualità di dentatura ottenibile
Con il concetto di produzione descritto, EMAG raggiunge comprovatamente qualità di dentatura conformi alla norma DIN 3960/62 o ISO 1328 classe 4 o superiore. Questa precisione è stata convalidata e documentata in progetti di serie presso i principali produttori di trasmissioni ad albero.
Le misurazioni comprendono tutti i parametri di dentatura rilevanti: deviazione della linea di flanco, deviazione del profilo, passo, concentricità e spessore del dente. In particolare, i parametri relativi alla deviazione del passo sono determinanti per l'uniformità della trasmissione.
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