MMC Magazine

Utensili di grandi dimensioni che supportano l'industria automobilistica

Gli ingranaggi epicicloidali sono un componente fondamentale delle trasmissioni automatiche (AT). Il passaggio dalla trasmissione manuale a quella automatica ha richiesto miglioramenti nella produzione di questi ingranaggi, e la broccia elicoidale di grande diametro è stata sviluppata per rispondere a tale necessità. Questa tipologia di broccia garantisce la lavorazione costante richiesta per l'intero processo, dalla sgrossatura alla finitura. Abbiamo intervistato lo staff del reparto Gear Cutting Tools Manufacturing riguardo alla storia dello sviluppo della broccia e dei prodotti innovativi realizzati anticipando la competizione globale. 

IN PRIMO PIANO

Cos'è la brocciatura?

La brocciatura è un metodo di lavorazione concepito per consentire la creazione di forme speciali sulla superficie interna del foro cilindrico, quali scanalature di vario genere. L'estremità della broccia è simile al foro rotondo sul materiale. I denti si formano gradualmente man mano che essa si muove verso il centro. Infine, raggiungono la geometria definitiva nel momento in cui la broccia viene estratta completamente. Pertanto, l'intero processo di formazione dell'ingranaggio, dalla sgrossatura alla finitura, è sviluppato in un'unica operazione.

Creando le migliori condizioni di taglio per eseguire in un'unica soluzione i singoli processi 
- sgrossatura, semi-finitura e finitura - necessari per tagliare gli ingranaggi di alta precisione utilizzati nelle trasmissioni automatiche, si accresce in maniera notevole la produttività. 

Vantaggi della brocciatura nella
creazione di dentature interne di precisione

Le brocce con molteplici denti le cui forme cambiano gradualmente profilo dalla sgrossatura alla finitura presentano le seguenti caratteristiche:

• La semplicità della procedura di estrazione completa della broccia dal pezzo da lavorare riduce i tempi di lavorazione. 
• L'affilatura della broccia e la precisione del tagliente incidono direttamente sul pezzo da lavorare. Maggiori sono le prestazioni della broccia, superiori sono la qualità superficiale e la precisione dimensionale del prodotto finito.
• È possibile lavorare complessi ingranaggi assiali come quelli con angoli d'elica.
• Poiché la quantità di materiale da tagliare per ogni singolo dente e la quantità totale di materiale da tagliare possono essere definite in anticipo in fase di progettazione della broccia, agli operatori non vengono richieste competenze speciali per estrarre interamente la broccia dal pezzo da lavorare.
• Visto che la pressione generata durante le operazioni di taglio comporta il bloccaggio del pezzo da lavorare, non è necessario adoperare dime particolari. 

1　1962～

L'impianto di Akashi entra in attività

Dopo il 1955 la rapida crescita dell'industria manifatturiera giappo-nese stimolò la richiesta di utensili da taglio. Per soddisfare la domanda, nel 1962 Mitsubishi Materials aprì l'impianto di Akashi, dotato di una vasta tipologia di attrezzature all'avanguardia per processi specifici come la levigatura o la tempra, oltre ad infrastrutture di ispezione a supporto della produzione di diversi utensili da taglio, quali punte, frese integrali, alesatori e brocce. In particolare, le brocce erano considerate in grado di offrire ai clienti vantaggi significativi, poiché permettevano di lavorare gli ingranaggi con precisione ed efficienza. Pertanto, Mitsubishi Materials iniziò a occuparsi presto del loro sviluppo.

2　1990～

La rapida diffusione
delle trasmissioni automatiche aumentò la richiesta di brocce

Con l'accelerazione dell'implementazione delle trasmissioni automatiche negli anni '90, occorreva migliorare l'efficienza produttiva degli ingranaggi epicicloidali con diametri relativamente grandi. Prima dello sviluppo delle brocce, gli ingranaggi venivano tagliati con appositi utensili. Il taglio degli ingranaggi prevedeva tre processi (sgrossatura, semi-finitura e finitura), che richiedevano da due a tre minuti circa per ingranaggio. La brocciatura richiedeva 30 secondi o anche meno per ogni ingranaggio, comportando quindi un incremento da quattro a sei volte nella produttività. Inoltre, con la brocciatura si ottiene una precisione molto maggiore rispetto agli utensili da taglio per ingranaggi, e occorre un'unica semplice operazione, ossia l'estrazione della broccia attraverso un pezzo da lavorare su una brocciatrice.

Per sfruttare appieno tali vantaggi, Mitsubishi Materials ha iniziato a sviluppare una broccia elicoidale di grande diametro, modello avanzato dell'esistente broccia con denti scanalati. Il primo prototipo fu un gruppo dell'ingranaggio di sgrossatura (corpo principale), contenente una lama da taglio per la periferia esterna, e un ingranaggio di finitura (albero) costituito da una lama da taglio a denti spessi. A causa delle grandi dimensioni non era allora disponibile uno strumento di misurazione di precisione sufficientemente grande; fu quindi necessario separare il prototipo in corpo principale e albero. La forma dell'estremità della broccia viene trasferita direttamente al pezzo da lavorare. Era però difficile ottenere la precisione necessaria con una broccia assemblata in questo modo. Numerosi prototipi vennero forniti ai produttori di trasmissioni automatiche; tuttavia, la maggior parte di essi fu restituita per via della scarsa precisione. Nella tipologia assemblata, le prestazioni della lama dell'albero inficiano la precisione dei denti degli ingranaggi. Di conseguenza, occorreva effettuare aggiustamenti a livello di micron alla forma della lama nell'albero. Mitsubishi svolse una serie di tentativi per migliorare la lama, fino a ottenere un livello di precisione stabile nel 1995.

3 : 2000~

Lo sviluppo di un innovativo sistema di misurazione contribuì alla creazione della prima broccia monoblocco al mondo

Mitsubishi Materials avviò la produzione di massa delle brocce assemblate negli anni '90, diede inoltre inizio allo sviluppo di un nuovo tipo di brocce. Questo processo cominciò con lo sviluppo di un modello monoblocco composto dal corpo principale e dall'albero. A causa della mancanza di un dispositivo idoneo a misurare la precisione dei denti nelle brocce monoblocco, era impossibile rettificare i denti con una precisione elevata. La broccia elicoidale di grande diametro, utilizzata per la produzione di ingranaggi epicicloidali per trasmissioni automatiche, disponeva di un diametro esterno compreso tra 100 e 180 mm e di una lunghezza totale di 1.500 - 2.000 mm. Ciò richiedeva l'adozione di una broccia assemblata in cui l'albero - i cui denti dovevano essere molto precisi - fosse separato, ma che, grazie alle dimensioni più ridotte, rendesse possibile la misurazione di precisione tramite un dispositivo di misurazione degli ingranaggi. Tuttavia, la misurazione accurata di una grande broccia monoblocco imponeva lo sviluppo di un nuovo dispositivo di misura. Un ingegnere di Mitsubishi Materials riuscì a creare un innovativo dispositivo per la forma dei denti. Si trattava del primo tentativo al mondo, per il quale Mitsubishi Materials fu insignita del premio giapponese Japan Society of Mechanical Engineer Encouragement Prize. L'ingegnere conseguì il dottorato presso la Osaka University Graduate School of Engineering. Di seguito l'abstract dello studio da lui svolto: "La rettifica di precisione della forma dei denti utilizzata per ingranaggi a denti dritti ed elicoidali richiede la misurazione degli errori di rettifica causati dalla mola e dalla formazione del dente, l'analisi dei dati, la creazione di un programma di correzione automatica degli errori e il feedback immediato alla macchina rettificatrice. Mettendo insieme questi sistemi è possibile garantire la precisione richiesta nella rettifica degli ingranaggi".

L'uso di questo nuovo dispositivo di misura integrato per la forma dei denti sulla rettificatrice CNC rese possibile la rettifica ad alta precisione della forma dei denti tramite una broccia monoblocco. Ciò consentì lo sviluppo della prima broccia elicoidale di grande diametro al mondo. La broccia elicoidale monoblocco consente di ridurre significativamente i costi di produzione, grazie alla realizzazione di corpo e albero con un solo passaggio, oltre che di ottenere una lavorazione ad alta precisione degli ingranaggi. Inoltre, il carico di taglio su ogni lama può essere ottimizzato riducendo l'abrasione sull'intera broccia e allungando la durata della vita utile dell'utensile, di fatto estendendo così l'intervallo che intercorre tra una rettifica e l'altra. Le brocce monoblocco eliminano altresì le operazioni di smontaggio, riassemblaggio e regolazione della fase dell'albero previste per la rettifica con le brocce assemblate, riducendo così anche i costi. Tali vantaggi hanno soddisfatto i nostri clienti, e la riduzione delle operazioni di nuova rettifica viene particolarmente apprezzata dai produttori di trasmissioni automatiche oltreoceano. 

4　2010～

Definizione di nuovi obiettivi

Oltre a promuovere lo sviluppo della broccia monoblocco, Mitsubishi Materials si è anche impegnata nel migliorare la broccia assemblata. Le scanalature possibili sono ad anello (perpendicolare all'asse) e a elica (non perpendicolare). La scanalatura ad anello determina un cambiamento notevole nel carico di taglio rispetto al tipo a elica, causando una minore durata della vita utile dell'utensile. La tipologia ad elica porta invece ad un minore cambiamento nel carico di taglio, migliorando sia la precisione della forma del dente sia la durata della vita utile dell'utensile. Tuttavia, richiede attrezzature speciali per la rettifica.

Esistono tre tipi di brocce assemblate. Il primo è una combinazione del corpo principale e dell'albero perpendicolar-mente all'asse. Il secondo è composto dal corpo principale perpendicolare all'asse e dall'albero non perpendicolare. La terza è una combinazione di corpo principale e albero entrambi di tipo non perpendicolare. Anche la quantità delle scanalature varia. Ad esempio, i denti sul corpo principale sono stati ridotti da sei a quattro, mentre quelli sull'albero sono stati aumentati da otto a dieci, accrescendo così l'affilatura. Anche la broccia monoblocco presenta gli stessi tre tipi di denti, mentre è in fase di sviluppo un modello con denti diversi sul corpo principale e sull'albero. 

La produzione di brocce ad alta precisione richiede il rigido controllo della temperatura durante la rettifica. Poiché questo processo richiede un notevole quantitativo di tempo, la temperatura deve essere mantenuta all'interno di un intervallo ristretto, per evitare l'espansione e la contrazione della rettificatrice, che potrebbe causare variazioni che si ripercuoterebbero sull'accuratezza del passo nel prodotto finale. Mitsubishi Materials continua la sua ricerca di modalità per produrre brocce che garantiscano qualità e precisione sempre maggiori, riducendo al contempo anche le minime variazioni di temperatura. 

Ripercorriamo la storia delle brocce elicoidali

Nishikawa: Il reparto Gear Cutting Tools Manufacturing che produce le brocce opera a stretto contatto con i nostri clienti. Poiché gli utensili da taglio sono realizzati per essere utilizzati da loro, il feedback dopo l'uso e i problemi che questi riscontrano sono molto importanti per noi. Talvolta i clienti sollevano lamentele, che affrontiamo con grande serietà, ma, oltre ad occuparci di qualsiasi problema essi possano riscontrare, a noi importa sviluppare utensili che siano per loro ancora più utili. La ripetizione di questo ciclo è, di fatto, il fondamento della nostra crescita. 

Kohno: La produzione di utensili di precisione non rispetta sempre le aspettative teoriche. Probabilmente questo è l'aspetto più piacevole nella produzione delle brocce. Abbiamo sviluppato brocce elicoidali di grande diametro, alcune delle quali superavano i due metri di lunghezza. Persino una differenza minima nelle lame influisce in maniera considerevole sulla precisione dei denti e sul prodotto finale. Per esempio, la leggerissima onatura manuale dei taglienti talvolta consente di accrescere la precisione. Si tratta di un fenomeno che non può essere spiegato in maniera teorica, e non può essere realizzato da chiunque. Per questo è importante che tali utensili di precisione possano essere regolati in modo analogo.