Lavorazione degli alberi: materiale, trattamento termico, soluzione

L'albero è un componente fondamentale dei macchinari. È collegato al telaio tramite cuscinetti e i componenti montati su di esso compiono un movimento rotatorio attorno al suo asse centrale. Insieme, questi elementi formano un gruppo albero.

Panoramica degli alberi

Un albero è un componente rotante di qualsiasi macchina, caratterizzato da una sezione trasversale circolare, utilizzato per trasmettere potenza da una parte all'altra o da una fonte di energia a un utilizzatore. Per facilitare questa trasmissione di potenza, un'estremità dell'albero è collegata al motore mentre l'altra è connessa alla macchina. Gli alberi possono essere pieni o cavi a seconda dell'applicazione; gli alberi cavi sono vantaggiosi per la riduzione del peso. Essendo un elemento meccanico fondamentale, gli alberi supportano componenti rotanti come pulegge e ingranaggi. Sono tipicamente supportati da cuscinetti all'interno di un alloggiamento rigido, consentendo a ingranaggi e pulegge di trasmettere il movimento in modo efficace.

Molti altri elementi rotanti sono montati sull'albero tramite chiavette. Di conseguenza, gli alberi sono soggetti sia a momenti flettenti che a coppie torcenti dovute alle forze di reazione dei componenti supportati e alla coppia generata durante la trasmissione di potenza.

In base al tipo di carico, gli alberi vengono classificati nelle seguenti tre tipologie:

• Albero mandrino: un albero che sopporta solo momenti flettenti senza generare coppia. Gli alberi mandrino possono essere ulteriormente suddivisi in alberi mandrino rotanti e alberi mandrino fissi.
• Albero di trasmissione: un albero che trasmette solo coppia senza subire momenti flettenti significativi, oppure in cui i momenti flettenti sono trascurabili. Ad esempio, l'albero che collega il cambio all'asse posteriore di un'automobile.
• Albero di trasmissione: un albero che sopporta sia momenti flettenti che coppie torcenti, come ad esempio gli alberi dei riduttori. Un esempio è l'albero di trasmissione che collega il cambio di un'automobile all'asse posteriore.

In base alla forma, gli alberi possono essere classificati in diverse tipologie. La tabella seguente mostra le diverse tipologie di alberi in base alla loro forma e al loro design.

Precisione di lavorazione degli alberi

Le superfici dei componenti dell'albero sono generalmente suddivise in perni di supporto e perni di accoppiamento.

• Perni di supporto: questi si inseriscono nell'anello interno di un cuscinetto per posizionare e supportare l'albero. Richiedono un'elevata tolleranza dimensionale, tipicamente IT5–IT7.
• Perni di accoppiamento: questi si interfacciano con vari componenti della trasmissione. I loro requisiti di tolleranza sono generalmente inferiori, tipicamente IT6–IT9.

Precisione geometricaSi riferisce principalmente alla rotondità e alla cilindricità di superfici critiche come le superfici dei perni, le conicità esterne e i fori conici. Gli errori dovrebbero generalmente essere limitati alla zona di tolleranza dimensionale. Per gli alberi di precisione, le tolleranze geometriche devono essere definite in modo specifico nei disegni tecnici.

Precisione di posizionamento: include la coassialità delle superfici interne ed esterne, l'eccentricità radiale, la perpendicolarità delle facce terminali critiche rispetto all'asse e il parallelismo tra le facce terminali.

Ruvidezza della superficieTutte le superfici lavorate hanno requisiti di rugosità specifici, determinati dalla fattibilità del processo e dal rapporto costi-benefici. I perni di supporto richiedono in genere una rugosità Ra compresa tra 0.2 e 1.6 μm, mentre i perni di accoppiamento per i componenti di trasmissione richiedono una rugosità Ra compresa tra 0.4 e 3.2 μm.

Materiali per alberi

Gli alberi sono realizzati principalmente in acciaio al carbonio e acciaio legato. L'acciaio al carbonio 1045 è la scelta più comune e solitamente richiede normalizzazione o tempra e rinvenimento (Q&T) per migliorarne le proprietà meccaniche. Gli acciai legati offrono proprietà meccaniche e prestazioni di trattamento termico superiori rispetto all'acciaio al carbonio, ma sono più sensibili alle concentrazioni di stress e hanno un costo maggiore. Pertanto, sono riservati ad applicazioni ad alta velocità, per impieghi gravosi o in condizioni speciali (ad esempio, resistenza all'usura, ambienti ad alta/bassa temperatura). Si noti che, poiché il modulo elastico dell'acciaio legato e dell'acciaio al carbonio è quasi identico a temperatura ambiente, la sostituzione dell'acciaio al carbonio con acciaio legato non aumenterà significativamente la rigidità dell'albero.

Per alberi soggetti a carichi pesanti o che richiedono elevata resistenza, design compatto o migliore resistenza all'usura, si utilizzano acciai legati come il 5140, il 5120 o il 9255. Poiché l'acciaio legato è altamente sensibile alle concentrazioni di sollecitazione, la progettazione strutturale deve minimizzare tali effetti. Un adeguato trattamento termico è indispensabile per sfruttare appieno le proprietà del materiale.

I semilavorati per alberi vengono prodotti a partire da barre tonde laminate a caldo o da pezzi forgiati. Per forme complesse come alberi a gomiti e alberi a camme, si possono utilizzare acciaio fuso o ghisa sferoidale; quest'ultima offre un'eccellente capacità di smorzamento delle vibrazioni, una bassa sensibilità alla concentrazione delle sollecitazioni e un buon rapporto costo-efficacia.

Trattamento termico dell'albero

Gli acciai a medio tenore di carbonio e le loro leghe (ad esempio 1035, 1040, 1045, 1050, 5140, 3140 o 1541) sono le scelte standard. Questi vengono generalmente sottoposti a normalizzazione o tempra e rinvenimento. Se è richiesta un'elevata resistenza all'usura a livello del perno, è possibile applicare un trattamento di indurimento superficiale.

La scelta del materiale dipende dal tipo di carico, dalle dimensioni del componente e dalla temprabilità. Per alberi soggetti a flessione e torsione, dove la sollecitazione diminuisce dalla superficie verso il centro, un'elevata temprabilità non è strettamente necessaria. Tuttavia, per alberi soggetti a trazione o compressione, dove la sollecitazione è uniforme lungo la sezione trasversale, è indispensabile un acciaio ad alta temprabilità.

Per carichi d'impatto elevati o per esigenze estreme di tenacità e resistenza all'usura, si utilizzano acciai legati da cementazione come il 5120 o il 4320, seguiti da cementazione, tempra e rinvenimento a bassa temperatura. Per alberi di minore importanza con carichi minimi si possono utilizzare acciai al carbonio per uso generale come il 1015 e il 1025.

La figura illustra il trattamento termico nella lavorazione degli alberi.

1. Normalizzazione o ricotturaPredisposto prima della lavorazione per affinare la grana, eliminare le tensioni di forgiatura e migliorare la lavorabilità.
2. Tempra e rinvenimento (Q&T): solitamente eseguiti dopo la tornitura di sgrossatura ma prima della tornitura di semifinitura per ottenere proprietà meccaniche complessive ottimali.
3. Indurimento superficiale: effettuato prima della finitura finale per consentire la correzione di eventuali deformazioni indotte dalla tempra.
4. Invecchiamento a bassa temperatura: necessario per alberi di alta precisione dopo tempra localizzata o rettifica grossolana.

Selezione dei riferimenti di posizionamento

Il riferimento di posizionamento comune per i componenti dell'albero è rappresentato dai due fori centrali. Poiché la coassialità e la perpendicolarità sono i requisiti di precisione primari, il riferimento di progetto è solitamente l'asse dell'albero.

Tuttavia, i fori centrali non possono essere utilizzati se:

• La lavorazione di sgrossatura richiede una maggiore rigidità, nel qual caso si utilizza la superficie del diametro esterno.
• L'albero è cavo con un foro passante.

Metodi per alberi cavi:

1. Fori piccoli: smussare un cono interno di 60° (larghezza ≤ 2 mm) all'apertura del foro.
2. Fori cilindrici: utilizzare un tappo conico (conicità 1:500).
3. Fori conici di grandi dimensioni: utilizzare un mandrino con un tappo conico.

Percorsi di processo di lavorazione

La lavorazione si concentra sulle superfici cilindriche esterne dei perni. Il processo è progettato attorno alla sequenza di lavorazione del diametro esterno, con l'inserimento di elementi secondari come filettature, scanalature e sedi per chiavette.

(1) Alberi in acciaio cementato

Preparazione del materiale → Forgiatura → Normalizzazione → Foratura dei fori centrali → Tornitura di sgrossatura → Tornitura di semifinitura/finitura → Carburazione → Tempra e rinvenimento a bassa temperatura → Rettifica di sgrossatura → Lavorazione di elementi secondari → Rettifica di finitura.

(2) Alberi in acciaio Q&T di precisione standard

Preparazione del materiale → Forgiatura → Normalizzazione (Ricottura) → Foratura dei fori centrali → Tornitura di sgrossatura → Controllo qualità e rinvenimento → Tornitura di semifinitura/finitura → Indurimento superficiale e tempra → Rettifica di sgrossatura → Lavorazione di elementi secondari → Rettifica di finitura.

(3) Alberi in acciaio nitrurato

Preparazione del materiale → Forgiatura → Normalizzazione (Ricottura) → Foratura dei fori centrali → Tornitura di sgrossatura → Controllo qualità e collaudo → Tornitura di semifinitura/finitura → Invecchiamento a bassa temperatura → Rettifica di sgrossatura → nitrurazione → Lavorazione di elementi secondari → Rettifica di finitura → Lappatura/Lucidatura.

Esempio di lavorazione: albero a gradini

Questo componente è un albero a gradini costituito da superfici cilindriche, spalle dell'albero, filettature e una sezione a testa quadrata.

(1) Fabbricazione di materiali e semilavorati

L'albero è realizzato in acciaio 45 (equivalente AISI 1045). Sebbene il volume di produzione sia ridotto, il diametro dei perni varia significativamente (da un massimo di ø50 mm a un minimo di ø13 mm). Per ottimizzare l'utilizzo del materiale, si utilizza un pezzo forgiato come grezzo, seguito da un trattamento di normalizzazione.

(2) Requisiti tecnici

Precisione dimensionale: il perno da ø25 mm deve soddisfare una tolleranza di grado IT7. La rugosità superficiale è specificata a Ra 0.8 μm. Utilizzando la spalla da ø50 mm come riferimento, la tolleranza di perpendicolarità dell'asse da ø25 mm è di 0.02 mm e la tolleranza di parallelismo tra le due facce terminali della spalla è di 0.02 mm.

(3) Punti di riferimento di posizionamento

Per garantire la coassialità dei vari perni, i fori centrali alle due estremità vengono utilizzati come riferimento di precisione. Questo riferimento di posizionamento rimane costante durante le fasi di tornitura, fresatura e rettifica, riducendo al minimo gli errori di impostazione.

(4) Metodi di lavorazione

Poiché l'albero è costituito principalmente da superfici di rivoluzione, la tornitura e la rettifica sono i principali processi di formatura. Dato che il perno da ø25 mm e le superfici della spalla da ø50 mm richiedono un'elevata precisione geometrica oltre alla precisione dimensionale, la rettifica viene eseguita dopo la tornitura. La sequenza di lavorazione per le superfici esterne è: Tornitura di sgrossatura → Tornitura di semifinitura → Rettifica

(5) Percorso di lavorazione

Per i componenti che richiedono un'elevata precisione, le fasi di sgrossatura e finitura devono essere separate per garantire la qualità. La lavorazione di questo albero è suddivisa in tre fasi: tornitura di sgrossatura, tornitura di semifinitura e rettifica.

(6) Trattamento termico

La sezione di ø25 mm × 35 mm e le superfici della testa quadrata richiedono un trattamento di tempra. Questo viene programmato dopo la semifinitura e prima della rettifica finale. La normalizzazione viene eseguita dopo la forgiatura del grezzo per alleviare le tensioni interne, affinare la struttura granulare e migliorare la lavorabilità.

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