Carichi pesanti sotto controllo – Viti trapezoidali per impianti di sollevamento sottoposti a carichi elevati
La progettazione di viti trapezoidali per carichi elevati è fondamentale per garantire il funzionamento sicuro e regolare degli impianti di sollevamento e pone requisiti elevati ai progettisti.
L’azienda Bornemann Gewindetechnik, nota negli ambienti specializzati, produce da oltre 25 anni viti e dadi filettati per numerosi settori industriali. Uno dei punti di forza della produzione è la realizzazione di trasmissioni a vite trapezoidale pronte per il montaggio, composte da viti e set di dadi, per impianti di sollevamento per carichi pesanti. Per citare alcuni esempi: impianti di sollevamento per veicoli ferroviari, impianti teatrali, ovvero per la costruzione di palcoscenici e nella costruzione di macchine speciali. La progettazione e la costruzione di questi ingranaggi sono il presupposto per un funzionamento sicuro e senza intoppi degli impianti e pongono requisiti elevati ai progettisti.
Ma a cosa occorre prestare attenzione nei mandrini filettati per carichi pesanti? Per gli attuatori a vite che sotto carico raggiungono una pressione superficiale > 20 N/mm2 e funzionano inoltre a velocità periferiche molto basse, è assolutamente necessario un lubrificazione costante dei fianchi portanti dei profili filettati. Una lubrificazione insufficiente può infatti causare un aumento dell’usura, un eccessivo sviluppo di calore e anche il famigerato effetto stick-slip.
Dipende dal lubrificante
L’effetto stick-slip, noto anche come effetto di scorrimento adesivo, descrive lo scorrimento a scatti di corpi solidi che si muovono l’uno contro l’altro. L’effetto può verificarsi ogni volta che l’attrito statico è maggiore dell’attrito dinamico. A seconda del sistema tribologico, ciò porta all’eccitazione di vibrazioni che vengono emesse come rumore da una superficie in grado di risuonare (mandrini che stridono e cigolano).
L’effetto scompare solitamente non appena i partner di attrito vengono separati da un lubrificante o da un materiale intermedio. L’effetto stick-slip è spesso indesiderato nelle applicazioni tecniche. Gli effetti negativi dello stick-slip possono essere osservati, tra l’altro, nei cuscinetti, nelle guide della tecnologia lineare o nelle viti filettate nella tecnologia di sollevamento. Rumori come lo scricchiolio di una porta, il cigolio dei treni in curva e il rumore dei tergicristalli sui finestrini delle auto sono le conseguenze più note di questo effetto.
Quando si verifica questo effetto, la causa potrebbe essere la scelta del lubrificante (grasso). Ralph Wuertele, Manager Application Engineering presso Klüber Lubrication, spiega: “Soprattutto negli impianti di sollevamento pesante, lubrificanti non idonei possono facilmente causare condizioni di lubrificazione insufficiente, che provocano un aumento dell’usura e quindi un guasto prematuro dell’impianto”.
Spesso questo fenomeno è dovuto anche alla struttura dei mandrini. La mancanza di tasche di lubrificazione sul fianco portante del profilo filettato impedisce al lubrificante applicato di rimanere in posizione quando i profili dei dadi scivolano sul mandrino con un elevato carico superficiale. Il lubrificante viene quindi spinto via dal fianco o spostato davanti al dado. In entrambi i casi si verifica una rottura del film lubrificante che inizialmente provoca un aumento della temperatura e uno stick-slip con rumori in parte assordanti e successivamente porta alla distruzione della vite.
A velocità periferiche di pochi cm/s, la presenza di lubrificante o di sacche di lubrificante sulle viti filettate è assolutamente necessaria per evitare questo effetto stick-slip. Le tasche di lubrificazione impediscono che il lubrificante venga semplicemente spinto via da una pressione laterale eccessiva e da una pressione superficiale specifica generalmente elevata. Il lubrificante dovrebbe essere idealmente un grasso con consistenza 0 o 00 e deve essere praticamente aspirato nella fessura di lubrificazione.
Come è possibile affrontare questo problema? Già nelle richieste dei progettisti relative alla realizzazione della filettatura vengono poste le basi per eliminare i problemi di lubrificazione e quindi i problemi conseguenti. Le viti filettate possono essere prodotte con diversi processi di fabbricazione: la filettatura e la fresatura delle filettature sono processi che, per motivi economici, non vengono quasi più utilizzati per le viti filettate sopra menzionate. Nella rullatura (o laminazione) dei filetti, i mandrini filettati vengono prodotti mediante deformazione a freddo senza asportazione di trucioli. Questo processo di produzione è decisamente economico, ma a causa dei costi molto elevati degli utensili e dell’attrezzatura è applicabile solo nella produzione in serie.
Taglio morbido con superficie liscia
Inoltre, i filetti laminati favoriscono la rottura del film lubrificante grazie alla superficie assolutamente liscia dei fianchi del filetto. Il filetto trapezoidale laminato presenta, a causa del processo di deformazione nella lucidatura a pressione/lucidatura a stampo, una qualità superficiale dei fianchi troppo elevata, in cui mancano le sacche di lubrificazione. Di conseguenza, può verificarsi il temuto stick-slip o la rottura del film lubrificante tra la vite e il dado. Il lubrificante viene espulso dai filetti a causa dell’eccessiva pressione sui bordi e della pressione superficiale specifica generalmente elevata.
Questa espulsione è possibile quando i materiali della coppia di cuscinetti a strisciamento non presentano sacche di lubrificazione in cui è possibile immagazzinare il lubrificante. Il risultato sono gravi danni conseguenti agli impianti interessati, sotto forma di mandrini stridenti e dadi grippati, fino alla saldatura termica completa di interi sistemi di sollevamento.
L’argomento spesso citato della maggiore durata dei mandrini filettati laminati non può essere confermato senza eccezioni. L’azienda Wirths-Werres è riuscita a dimostrarlo in un test di resistenza alla fatica. “I mandrini filettati laminati hanno mostrato solo minimi segni di usura anche dopo molte ore di funzionamento”, sottolinea il progettista Christian Zahn. Secondo Zahn, anche le tensioni nel materiale causate dal processo di rullatura spesso comportano costose rilavorazioni. In un confronto diretto, Wirths-Werres ha optato per viti di alta qualità in versione tornita, poiché la differenza di prezzo tra viti rullate e tornite è ormai trascurabile per molti diametri.
Bornemann Gewindetechnik produce viti filettate con il processo di filettatura a vortice. L’utensile di filettatura a vortice per la produzione di filettature per viti è costituito da un anello di filettatura motorizzato con una serie di utensili profilati e funziona con il cosiddetto taglio avvolgente, poiché il pezzo da lavorare ruota all’interno di questo anello durante la lavorazione. Poiché il taglio avvolgente inizia sul diametro esterno con uno spessore del truciolo (e una profondità del truciolo) pari a 0 e aumenta continuamente fino allo spessore del truciolo calcolato (e alla profondità del truciolo o alla profondità della filettatura), per poi uscire nuovamente dal pezzo con uno spessore pari a 0, si ottiene un taglio molto morbido con una superficie molto liscia.
Poiché un set di utensili è composto da più lame singole che lavorano in sequenza con tagli intermittenti, tra i singoli tagli si creano microscopiche interruzioni nella superficie del pezzo in lavorazione che generano sfaccettature concave poligonali nell’ordine dei μ (tasche di lubrificazione). Queste sacche di lubrificazione sono il segreto delle buone proprietà del film lubrificante dei mandrini filettati torniti.
Il confronto tra i diversi processi di produzione delle filettature porta alla seguente conclusione: la rullatura e la rettifica dei profili filettati sono processi di produzione moderni e consigliabili per molti casi di applicazione, ma per l’uso di viti trapezoidali per sistemi a vite di sollevamento è preferibile il processo di filettatura a vortice praticato da Bornemann Gewindetechnik.