ITPD20130237A1

ITPD20130237A1 - Metodo per la realizzazione di utensili per macchine atte alla formatura di filettature su corpi cilindrici mediante deformazione plastica

Info

Publication number: ITPD20130237A1
Application number: IT000237A
Authority: IT
Inventors: Pietro Farina
Original assignee: Mico Group S R L
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2015-03-01
Also published as: EP2842677B1; EP2842677A1

Description

METODO PER LA REALIZZAZIONE DI UTENSILI PER MACCHINE ATTE

ALLA FORMATURA DI FILETTATURE SU CORPI CILINDRICI MEDIANTE

DEFORMAZIONE PLASTICA

Campo di applicazione

5 La presente invenzione concerne un metodo per la realizzazione di utensili per macchine atte alla formatura di filettature su corpi cilindrici mediante deformazione plastica secondo il preambolo della rivendicazione indipendente numero 1.

Il metodo di cui trattasi è vantaggiosamente impiegato nel settore industriale della lavorazione dei metalli per deformazione plastica e, più precisamente per la 10 realizzazione di un utensile atto alla formatura mediante rullatura di filettature di corpi cilindrici quali alberi aste etc.

Stato della tecnica

Attualmente nel campo della produzione di articoli metallici, è noto l’impiego di macchine rullatrici automatiche, ad esempio descritte nel brevetto JP 2010082634, 15 comprendenti due o più mandrini portautensili motorizzati su cui sono montabili dei corrispondenti utensili a forma cilindrica di rullo, provvisti ciascuno di nervature in rilievo. Tali utensili sono azionati a ruotare parallelamente tra loro in compressione contro un corpo cilindrico da formare quale ad esempio un albero che avanza attraverso di essi, per realizzare sulla sua superficie esterna periferica la filettatura della forma 20 voluta mediante deformazione plastica.

Come è noto la formatura mediante deformazione plastica a freddo consente di ottenere corpi filettati meccanicamente particolarmente resistenti in quanto le fibre metalliche del corpo sottoposto a lavorazione non vengono tagliate come in un normale processo di fresatura.

25 La notevole pressione a cui sono sottoposti i corpi da formare e conseguentemente i notevoli sforzi di reazione a cui sono sollecitati gli utensili a rulli per imprimere le filettature comportano una rapida usura degli stessi utensili che devono pertanto essere frequentemente sostituiti con altri di nuovi.

Attualmente, come è noto, gli utensili per le macchine atte a formare le filettature su 5 corpi cilindrici per deformazione plastica è realizzata a partire da corpi metallici pieni, i quali vengono sottoposti ad azioni di tempra ad azioni di fresatura per realizzare il foro centrale per il montaggio dell’utensile sull’asse del mandrino portautensile e quindi per realizzare la nervatura a spirale in rilevo destinata a produrre le deformazioni sul corpo da formare a forma di filettatura. Tale metodo di produzione dell’utensile si è rivelato 10 nella pratica non scevro di inconvenienti.

Un primo inconveniente dei metodi noti per la realizzazione di utensili per macchine atte alla formatura di filettature, risiede nel fatto che la nervatura in rilievo degli utensili non è dotata di caratteristiche di resistenza meccanica elevate essendo ottenuta per fresatura tagliando la continuità delle fibre del metallo ovvero solitamente dell’acciaio 15 di cui è fatto il corpo dell’utensile. Conseguentemente gli utensili sono soggetti a rapida usura con la necessità di sostituirli con altri di nuovi con evidenti costi elevati di produzione.

Un secondo inconveniente dei metodi noti discende dal fatto che non sono disponibili in commercio corpi cilindrici cavi di materiale, forma e spessore richiesto dalle macchine 20 rullatrici e da cui partire per la realizzazione degli utensili ed è quindi necessario partire da corpi metallici pieni con conseguenti maggiori costi di produzione.

Durante il processo di rullatura la filettatura riceve proprietà di forgiatura che contribuiscono ad aumentare notevolmente la resistenza a fatica del materiale e il carico statico alla base del filetto. La resistenza meccanica della filettatura realizzata per 25 deformazione con una macchina rullatrice è dell’ordine del 30% superiore a quella ottenibile con un normale processo di taglio.

È altresì nota una tecnica per il rivestimento di superfici di prodotti generalmente in metallo solitamente nota con il termine inglese di “laser cladding” e ad esempio descritta nel brevetto US 7139633, la quale prevede l’impiego di un generatore laser a 5 diodi ad alta potenza che convoglia un raggio attraverso un conduttore in fibra ottica ad una testa di emissione su cui è montato un gruppo ottico con lenti e/o specchi per la focalizzazione del raggio medesimo sulla superficie da rivestire. Alla testa di emissione, del tipo ad esempio descritta nei brevetti US 5321228 e EP 741626, è associata una alimentazione con polveri metalliche che intercettano il raggio in corrispondenza della 10 superficie andandosi a fissare su di essa definendo uno strato di rivestimento continuo.

L’alimentazione con la polvere potrà avvenire con una miscela di polveri di differenti caratteristiche tra cui ad esempio almeno una suscettibile di fondere intercettando il raggio laser ed almeno una suscettibile di conferire al rivestimento particolari caratteristiche meccaniche o chimiche quali di resistenza meccanica all’usura, di 15 resistenza alla fatica, di resistenza alla corrosione, etc.

È vantaggiosamente solitamente prevista anche una alimentazione di un gas inerte quali argon o azoto in corrispondenza dell’ugello di emissione della testa per evitare l’ossidazione delle polveri durante la loro rapida solidificazione che produrrebbe scorie indesiderate. L’alimentazione delle polveri e del gas potrà avvenire mediante condotti 20 distinti ovvero mediante un comune condotto ed in quest’ultimo caso, il gas inerte fungerà da vettore di trasporto delle polveri.

Il rivestimento mediante la tecnica del laser cladding determina la formazione di uno strato superficiale di composizione diversa rispetto al materiale di base su cui il rivestimento è realizzato e diversamente da altri trattamenti come la tempra che 25 comportano solo una modifica delle proprietà dello strato superficiale.

L’apporto di calore di questa tecnica è molto contenuto cosicché praticamente non si ha alcuna distorsione del pezzo da rivestire.

La limitazione di questa tecnologia, che ne ostacola la diffusione, è l’elevato costo e la scarsa produttività a fronte di notevoli investimenti.

5 Presentazione dell’invenzione

In questa situazione il problema alla base della presente invenzione è pertanto quello di ovviare agli inconvenienti manifestati dalle soluzioni di tipo noto sopra citate mettendo a disposizione un metodo per la realizzazione di utensili per macchine atte alla formatura di filettature su corpi cilindrici mediante deformazione plastica, il quale 10 consenta di ottenere utensili con elevate caratteristiche meccaniche ed in particolare suscettibili di ridotta usura e quindi di lunga durata nella formatura delle filettature. Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un metodo per la realizzazione di utensili per macchine atte alla formatura di filettature su corpi cilindrici mediante deformazione plastica, il quale sia economico da realizzare 15 consentendo di utilizzare pezzi di partenza agevolmente disponibili sul mercato.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione un metodo per la realizzazione di utensili per macchine atte alla formatura di filettature su corpi cilindrici mediante deformazione plastica, il quale sia semplice e sicuro.

Breve descrizione dei disegni

20 Le caratteristiche tecniche della presente invenzione, secondo i suddetti scopi, sono riscontrabili dal contenuto delle rivendicazioni sotto riportate ed i vantaggi della stessa risulteranno maggiormente evidenti nella descrizione dettagliata che segue, fatta con riferimento ai disegni allegati, che ne rappresentano alcune forme di realizzazione puramente esemplificative e non limitative in cui:

25 � la figura 1 mostra una macchina rullatrice per la formatura di filettature su corpi cilindrici mediante deformazione plastica portante montato un utensile realizzato con il metodo oggetto della presente invenzione;

� le figg. 2A - 2G illustrano una sequenza di fasi del metodo oggetto della presente invenzione per la formatura di un utensile per macchine atte alla formatura di 5 filettature su corpi cilindrici mediante deformazione plastica;

� la figura 3 mostra un utensile per macchine rullatrici atte alla formatura di filettature su corpi cilindrici mediante deformazione plastica, realizzato con il metodo oggetto della presente invenzione;

� la figura 4 mostra una apparecchiatura per la deposizione di cordoni di rivestimento 10 mediante raggio laser e flusso di polveri intercettanti il raggio laser.

Descrizione dettagliata di alcuni esempi di realizzazione preferiti Con riferimento alle figure allegate è stata indicata nel suo complesso con 1 una macchina rullatrice per la formatura di filettature su corpi cilindrici mediante deformazione plastica. La suddetta macchina 1 porta a tale scopo montato un utensile 15 realizzato secondo il metodo oggetto della presente invenzione e a sua volta indicato complessivamente con il riferimento 2.

Il metodo oggetto della presente invenzione è atto alla realizzazione di utensili 2 dotati di una nervatura a spirale 2A a forma di filettatura su un corpo di supporto tubolare 2B. Tali utensili sono come detto destinati ad essere impiegati su macchine rullatrici 1 per la 20 formatura di filettature su corpi cilindrici di componenti meccanici 3 per le più svariate applicazioni. La suddetta filettatura è quindi ottenuta, in modo di per sé tradizionale, per deformazione plastica del corpo cilindrico a partire dalla sua superficie periferica.

Le filettature che si ottengono sui corpi cilindrici in lavorazione, ad esempio per la produzione di alberi, aste, collari etc. per le diverse applicazioni degli organi meccanici 25 che incorporano tali corpi cilindrici, risultano quindi contro-sagomate rispetto alla nervatura 2A a spirale dell’utensile 2.

Il metodo per la realizzazione di utensili 2 secondo la presente invenzione, prevede inizialmente una fase di predisposizione di un corpo di supporto tubolare cavo 2B in materiale metallico, ad esempio ad elevata durezza quale l’acciaio D2, avente uno 5 sviluppo longitudinale Y. Tale corpo viene posizionato in corrispondenza di una apparecchiatura 4 per la formatura laser di un cordone di rivestimento 5 di larghezza L e spessore H a partire da polveri metalliche.

Il corpo di supporto tubolare cavo 2B è più precisamente disposto con la propria superficie periferica cilindrica 2C in posizione contraffacciata ad una testa di lavoro 7 10 della apparecchiatura 4. Più in dettaglio, tale testa di lavoro 7 è dotata di almeno un emettitore di raggio laser 8 alimentato da una sorgente laser 9, ad esempio a diodi di potenza, attraverso un cavo a fibre ottiche 10. L’emettitore 8 focalizza mediante dispositivi ottici a lenti e/o specchi, di tipo di per sé noti al tecnico del settore, ed impiegati nelle apparecchiature di rivestimento di superfici denominate laser cladding, il 15 fascio 11 di raggi laser sulla superficie periferica 2C del corpo di supporto tubolare 2B dell’utensile 2 su cui si desidera realizzare la nervatura a spirale 2A.

La stessa testa di lavoro 7 è inoltre dotata di un ugello 12 di emissione di un flusso di polveri metalliche 13, il quale intercetta il fascio di raggi laser 11 sostanzialmente in corrispondenza della superficie periferica 2C del corpo di supporto tubolare 2B 20 dell’utensile 2.

Vantaggiosamente, alla testa 7 è associata anche una alimentazione di gas inerte 14, quale ad esempio argon o azoto, il quale è emesso in corrispondenza della superficie periferica 2C del corpo di supporto tubolare 2B dell’utensile 2 per evitare l’ossidazione delle polveri durante la loro rapida solidificazione sulla stessa superficie periferica 2C 25 che produrrebbe scorie indesiderate. L’alimentazione della testa 7 con le polveri metalliche 13 e con il gas inerte 14 potrà avvenire mediante condotti distinti ovvero mediante un comune condotto 140, come nell’esempio delle allegate figure. In quest’ultimo caso il gas inerte 14 fungerà anche da vettore per il trasporto delle polveri metalliche 13.

5 Queste ultime potranno diversamente essere trasportate anche separatamente ed anche con sistemi meccanici come ad esempio mediante una coclea flessibile inserita in un condotto di alimentazione.

Con il termine metalliche dovranno intendersi polveri di un solo componente metallico (sia esso un elemento o una lega) suscettibile di fondere intercettando il raggio laser 10 ovvero polveri di miscele comprendenti almeno un componente metallico suscettibile di fondere, nonché altri componenti in polvere siano essi metallici in grado o meno di fondere, o anche polveri non metalliche come ad esempio di materiali ceramici.

Vantaggiosamente la miscela di polveri può contenere polveri fondibili dal raggio laser unitamente a polveri non fondibili, preferibilmente con più elevate proprietà 15 meccaniche e suscettibili di impiegare le polveri fondibili per formare un cordone 5 fissato alla superficie 2C del corpo di supporto tubolare 2B dell’utensile 2.

Tra le polveri impiegabili possono essere ricomprese ad esempio polveri di leghe di acciaio, polveri di tungsteno, di ossidi di titanio, etc.

Il metodo prevede che mediante una unità di controllo logico sia effettuato 20 l’avanzamento controllato della testa di lavoro 7 lungo lo sviluppo longitudinale Y del corpo di supporto tubolare 2B dell’utensile 2 per una pluralità di corse longitudinali vantaggiosamente di andata e di ritorno.

Secondo il metodo oggetto dell’invenzione la stessa unità di controllo logico controlla inoltre la rotazione del corpo di supporto tubolare 2B rispetto alla testa di lavoro 7 per 25 una pluralità di rotazioni.

Ha quindi luogo la deposizione controllata mediante tale unità di controllo logico di almeno un cordone di rivestimento 5 sulla superficie periferica 2C del corpo di supporto tubolare 2B dell’utensile 2. Nel seguito verrà meglio specificato che il controllo della deposizione è effettuato al fine di formare mediante cordoni adiacenti 5, la filettatura 2C 5 della forma voluta. Ulteriormente il controllo nella deposizione consente vantaggiosamente anche preferibilmente di definire la quantità di polvere da rilasciare sulla superficie nonché la potenza del raggio laser.

Secondo l’idea alla base della presente invenzione il metodo prevede la formatura di una filettatura in eccedenza di materiale 2A’ rispetto al profilo della filettatura da 10 realizzare, mediante la suddetta deposizione controllata di una pluralità di cordoni adiacenti 5 durante la combinazione del suddetto avanzamento controllato della testa di lavoro 7 per la suddetta pluralità di corse longitudinali e della rotazione controllata del corpo di supporto tubolare 2B per la suddetta pluralità di rotazioni.

Ha quindi successivamente luogo una fase di rettifica dell’utensile 2, durante la quale 15 viene asportata dalla filettatura in eccedenza di materiale 2A’ la quantità di materiale che è al di fuori del profilo programmato della filettatura 2A desiderata. Mediante la rettifica viene asportato, vantaggiosamente con una fresa circolare, il materiale in eccesso ovvero sovrabbondante rispetto al profilo della filettatura 2A che si intende realizzare.

20 Preferibilmente la larghezza di ciascun cordone 5 è compresa nell’intervallo tra 2 e 10 mm mentre la sua altezza è compresa tra 1 e 5 mm.

La sagoma della filettatura in eccedenza 2C’ approssima per eccesso il profilo desiderato della filettatura 2A ed ha preferibilmente una forma rastremata ottenuta mediante la sovrapposizione di più strati 15 di cordoni adiacenti 5, di cui almeno uno 25 strato di base 15’ allargato, fissato alla superficie periferica 2C del corpo di supporto tubolare 2B, ed almeno uno strato finale 15’’, più stretto di quello di base 15’, radialmente più esterno rispetto a quest’ultimo, e suscettibile di deformare frontalmente un corpo cilindrico da formare nella macchina rullatrice 1.

Ciascuno strato della filettatura in eccedenza 2C’, ottenuta mediante la fase di 5 formatura, è composto da più cordoni affiancati.

Preferibilmente, il metodo prevede una fase di riscaldamento del corpo di supporto tubolare 2B per favorirne la fusione del suo strato superficiale 2C con il raggio laser senza demandare a quest’ultimo la funzione di apportare da solo tutta la quantità di calore necessaria a tale scopo. Tale fase di riscaldamento è ad esempio ottenuta 10 mediante un induttore 16, preferibilmente montato coassialmente all’emettitore 8 del raggio laser.

La deposizione controllata è preferibilmente ottenuta controllando mediante l’unità di controllo logico l’alimentazione del flusso di polveri con diverse polveri o miscele di polveri al variare dello strato 15 che va a formare la filettatura in eccedenza 2C’.

15 Vantaggiosamente, la fase di formatura potrà ad esempio prevedere la formazione di più strati 15 di cordoni 5, con lo strato finale 15’’ formato da polveri in materiale a minore attrito del materiale delle polveri che forma almeno un sottostante strato 15 per limitare l’usura dell’utensile 2 durante il suo impiego nella macchina rullatrice 1.

Per le stesse ragioni, lo stesso strato finale 15’’ potrà inoltre essere composto con 20 polveri in materiale a maggiore durezza del materiale delle polveri di almeno uno strato sottostante.

Il metodo secondo l’invenzione come sopra esposto consente di raggiungere numerosi vantaggi.

Un primo vantaggio risiede nella possibilità di realizzare utensili 2 in grado di avere una 25 durata di vita molto superiore a quella ad oggi prevista dai normali utensili temprati impiegati nella macchine rullatrici.

Un secondo vantaggio risiede nella possibilità di realizzare la filettatura 2A dell’utensile 2 con strati di differenti materiali che tengano conto delle specifiche esigenze dei prodotti che dovranno andare a formare per deformazione plastica nelle macchine 5 rullatici.

Un terzo vantaggio consiste nella possibilità di automatizzare del tutto la sequenza di realizzazione dell’utensile 2.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la realizzazione di utensili per macchine atte alla formatura di filettature su corpi cilindrici mediante deformazione plastica, il quale è caratterizzato dal fatto di comprende le seguenti fasi operative: 5 - predisposizione di un corpo di supporto tubolare cavo in materiale metallico con sviluppo longitudinale Y, in corrispondenza di una apparecchiatura per la formatura laser di un cordone di rivestimento a partire da polveri metalliche e con la propria superficie periferica cilindrica in posizione contraffacciata ad una testa di lavoro di detta apparecchiatura dotata di almeno un emettitore di raggio laser e di almeno un ugello di 10 emissione di un flusso di polveri metalliche ad intercettazione di detto raggio laser; - avanzamento controllato di detta testa lungo lo sviluppo longitudinale Y di detto corpo di supporto mediante una unità di controllo logico per una pluralità di corse longitudinali; - rotazione controllata mediante detta unità di controllo logico di detto corpo di supporto 15 rispetto a detta testa di lavoro per una pluralità di rotazioni; - deposizione controllata mediante detta unità di controllo logico di detto cordone di rivestimento sulla superficie periferica di detto corpo di supporto cilindrico; - formatura di una filettatura in eccedenza di materiale rispetto al profilo della filettatura da realizzare mediante detta deposizione controllata di una pluralità di cordoni adiacenti 20 durante la combinazione di detto avanzamento controllato di detta testa di lavoro per la suddetta pluralità di corse longitudinali e di detta rotazione controllata di detto corpo di supporto tubolare per la suddetta pluralità di rotazioni; -rettifica di detta filettatura in eccedenza ottenuta in detta fase di formatura mediante asporto del materiale al di fuori del profilo programmato di detta filettatura. 25 2. Metodo per la realizzazione di utensili secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta filettatura in eccedenza ottenuta mediante detta fase di formatura è realizzata in forma rastremata mediante la sovrapposizione di più strati di cordoni di cui almeno uno strato di base allargato fissato alla superficie periferica di detto corpo di supporto tubolare ed almeno uno strato finale più stretto radialmente più esterno di 5 quello di base e suscettibile di deformare frontalmente un corpo cilindrico da formare in macchina rullatrice. 3. Metodo per la realizzazione di utensili secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che ciascuno strato di detta filettatura in eccedenza ottenuta mediante detta fase di formatura è composto da più cordoni affiancati. 10 4. Metodo per la realizzazione di utensili secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di riscaldamento di detto corpo di supporto tubolare, in particolare mediante un induttore montato preferibilmente coassialmente a detto emettitore di raggio laser, atta a contribuire alla fusione della superficie periferica di detto corpo di supporto effettuata 15 con detto raggio laser. 5. Metodo per la realizzazione di utensili secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta deposizione controllata è ottenuta controllando mediante detta unità di controllo logico l’alimentazione di detto flusso di polveri con diverse polveri o miscele di polveri al variare dello strato di detta filettatura in eccedenza. 20 6. Metodo per la realizzazione di utensili secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta fase di formatura di più strati di cordoni prevede uno strato finale con polveri in materiale a minore attrito del materiale delle polveri di almeno un altro strato. 7. Metodo per la realizzazione di utensili secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta fase di formatura di più strati di cordoni prevede uno strato finale con 25 polveri in materiale a maggiore durezza del materiale delle polveri di almeno un altro strato.