QUANDO LA DURATA NASCE DALLA SCELTA DEL MATERIALE

Gli organi di trasmissione, come ingranaggi, alberi, giunti, camme, viti, cuscinetti e sistemi di rinvio, non sono evidenti come un pannello di controllo o di un robot antropomorfo, ma sono loro a trasformare energia in movimento utile.

Gli organi di trasmissione

Gli organi di trasmissione, come ingranaggi, alberi, giunti, camme, viti, cuscinetti e sistemi di rinvio, non sono evidenti come un pannello di controllo o di un robot antropomorfo, ma sono loro a trasformare energia in movimento utile. Sono componenti che concentrano una quantità sorprendente di problemi ingegneristici: devono trasmettere coppia, mantenere precisione geometrica, resistere a milioni di cicli, limitare vibrazioni e rumorosità, lavorare in presenza di lubrificanti o in loro assenza, sopportare variazioni termiche, ambienti aggressivi, lavaggi frequenti e, in alcuni settori, soddisfare severi requisiti igienici. In questo scenario, la scelta del materiale non può essere una decisione presa alla fine del progetto, quando le geometrie sono ormai definite ma, al contrario, è una delle decisioni che più profondamente condizionano le prime fasi della progettazione stessa, influenzando la forma del componente, il tipo di lubrificazione, la manutenzione prevista e le dimensioni finali della macchina.

Scegliere un materiale per un componente impiegato in un’applicazione meccanica di precisione implica inoltre un’attenzione ulteriore al comportamento futuro nelle sue condizioni d’uso: calcolare come si consumerà, dove nasceranno le tensioni più pericolose, quale ambiente lo circonderà, quali errori di montaggio potrà tollerare e fino a che punto riuscirà a garantire le prestazioni richieste nel caso in cui la macchina dovesse lavorare fuori dalle condizioni di progetto. Nella meccanica di precisione un organo di trasmissione può essere ancora integro dal punto di vista strutturale, ma non più accettabile dal punto di vista funzionale se l’usura altera il profilo dei denti, se il gioco aumenta, se la corrosione compromette la pulizia o se una deformazione minima introduce vibrazioni. Spesso la durata non coincide solo con la sopravvivenza del pezzo, ma con la conservazione delle sue prestazioni.

Il materiale come compromesso intelligente

Nel linguaggio comune, quando si parla di materiali “ad alte prestazioni”, si tende a pensare subito a qualcosa di estremo: superleghe, ceramiche avanzate, compositi aerospaziali, acciai speciali. In realtà, per un progettista, un materiale ad alte prestazioni è prima di tutto un materiale adatto. La prestazione non è una proprietà assoluta, ma una relazione tra materiale, geometria, processo produttivo e condizioni operative.

Un acciaio cementato può essere eccellente in un riduttore sottoposto ad alte pressioni di contatto, perché abbina una superficie molto dura a un cuore tenace. Un acciaio inox ad alto contenuto di cromo (come l’AISI 304 e l’AISI 430) può essere preferibile in una macchina alimentare non perché abbia sempre la migliore resistenza a fatica, ma perché offre un’ottima resistenza alla corrosione e compatibilità con frequenti pulizie e sanificazioni. Un polimero tecnico può essere la scelta più razionale in una trasmissione leggera quando si vogliono ridurre il rumore, il peso e la necessità di lubrificazione. Il bronzo può essere la scelta perfetta in accoppiamenti con strisciamento, dove la compatibilità tribologica (l’attitudine di due superfici a contatto in moto relativo a funzionare in modo ottimale, minimizzando l’attrito e l’usura) è il requisito più importante.

Il punto centrale è che nessuna proprietà va letta da sola. La durezza, ad esempio, è preziosa contro usura e pitting, ma può diventare un problema se porta fragilità o riduce la capacità di assorbire urti. La resistenza a trazione offre un’indicazione utile, ma non basta per prevedere la vita a fatica. La resistenza alla corrosione è fondamentale in ambienti umidi o chimicamente aggressivi, ma deve essere compatibile con rugosità, saldature, passivazione e pulizia. La leggerezza riduce inerzie e consumo energetico, ma può accompagnarsi a minore rigidità o maggiore sensibilità alla temperatura. Non esiste quindi un unico materiale perfetto per tutte le applicazioni e non basta scegliere il materiale più resistente.

La direzione più promettente è quella della progettazione integrata: materiale, geometria, processo, superficie e manutenzione pensati insieme. In questa prospettiva, l’ingegnere non è più soltanto colui che dimensiona un componente contro la rottura, ma colui che orchestra proprietà diverse e talvolta opposte. Deve sapere quando serve durezza e quando serve tenacità, quando conviene ridurre attrito e quando aumentare smorzamento, quando privilegiare resistenza meccanica e quando pulizia, quando accettare un costo iniziale maggiore per comprare affidabilità nel tempo.

Nei prossimi capitoli andremo ad analizzare un paio di esempi specifici.

La fatica

Tra i fenomeni che governano la vita degli organi di trasmissione, la fatica merita un posto centrale. Un ingranaggio, un albero scanalato o una camma non sono sollecitati una volta sola ma milioni o miliardi di volte. Ogni ciclo può essere innocuo se osservato singolarmente, ma la ripetizione produce un effetto cumulativo. Una cricca può nascere in corrispondenza di una discontinuità geometrica, di un difetto superficiale, di un’inclusione, di una zona con tensioni residue sfavorevoli o di una lavorazione non ottimale. E da che è microscopica all’inizio, quasi irrilevante, cresce fino a superare la sezione resistente residua, portando il componente al cedimento improvviso, anche se in realtà è stato un processo portato avanti ciclo dopo ciclo nel tempo.

Come fare allora a migliorare la resistenza a fatica agendo sul materiale?

Negli ingranaggi, ad esempio, la fatica si mitiga migliorando la resistenza superficiale dei componenti. Le scelte più comuni sono adottare:

• Acciai cementati: scelti non solo per la loro composizione chimica, ma anche per la possibilità di ottenere una superficie dura e resistente all’usura con un nucleo più tenace.
• Acciai sottoposti a nitrurazione: utile quando si desiderano elevata durezza superficiale, buona stabilità dimensionale e tensioni residue compressive favorevoli.
• Acciai sottoposti a tempra ad induzione: consente di indurire localmente regioni funzionali, mantenendo altrove caratteristiche più duttili.

Questo perché la fatica negli ingranaggi agisce in due modi: per flessione al piede del dente e per contatto sulla superficie dei denti. La zona alla radice del dente è critica perché concentra tensioni ed inoltre eventuali difetti di lavorazione o rugosità possono favorire l’innesco di cricche. Invece, nel punto di contatto tra due profili si sviluppano pressioni elevate, accompagnate da microstrisciamenti, calore e deformazioni elastiche locali che possono portare alla comporsa di fenomeni di pitting e scagliature.

Requisiti industriali e igienici

In molti settori industriali, la trasmissione meccanica non lavora in un ambiente neutro. In una linea alimentare può essere esposta a umidità, detergenti, residui organici e lavaggi frequenti; nell’ambito farmaceutico può dover rispettare requisiti di pulizia e non contaminazione e nel packaging può essere richiesta l’assenza di lubrificanti in zone sensibili.

Gli acciai inox e gli acciai precipitation hardening (come il 17-4 PH e il 15-5 PH), sono spesso preferiti in queste applicazioni in quanto presentano più resistenza alla corrosione, ma questa caratteristica non basta da sola: un acciaio inox mal saldato, non passivato o progettato con interstizi può rivelarsi una vera e propria fonte di batteri. Per questo è utile distinguere tra materiale “compatibile” e componente “igienicamente progettato”.

Nella progettazione igienica, il guasto non è solo dovuto alla rottura ma può essere anche causato dalla contaminazione, con la differenza che ques’ultima non fa rumore. Per questo motivo bisogna introdurre una serie di accorgimenti diversi:

• I componenti non devono avere fessure dove il prodotto possa ristagnare e non devono presentare superfici difficili da lavare.
• Il materiale non deve corrodersi rilasciando particelle o creando cavità e non deve degradarsi a contatto con detergenti, sanificanti o cicli termici.
• Le saldature devono essere realizzate e finite correttamente.
• Le geometrie devono favorire drenaggio e ispezionabilità.

Il ruolo del fornitore di componenti

Un modo per ridurre le vibrazioni e le sollecitazioni gravose a cui sono soggetti i componenti, a monte e a valle degli organi di trasmissione, è l’utilizzo di componenti smorzanti che preservino allo stesso tempo la precisione e concentricità richiesta anche nel settore della meccanica di precisione. In questo modo si possono mitigare le condizioni gravose dell’applicazione e utilizzare un range di materiali più ampio per la progettazione del sistema in esame.

Proprio per questo R+W, con i suoi giunti ad elastomero EK, fornisce soluzioni specifiche per le esigenze di trasmissione e controllo della coppia. La calibrazione dell’inserto in elastomero garantisce una trasmissione senza gioco e la perfetta adesione alle sedi ricavate nei mozzi, garantendo un’elevata concentricità ed un funzionamento preciso. Un altro effetto particolarmente positivo del loro impiego si riscontra nella durata delle apparecchiature adiacenti, soprattutto in caso di vibrazioni, carico d’urto e movimenti dinamici.

Inoltre R+W propone soluzioni specifiche grazie all’estrema possibilità di personalizzazione delle geometrie, dei materiali e delle coppie trasmesse dai suoi giunti.