Pianificazione del processo di lavorazione dell'albero motore: principi e scelta dei punti di riferimento

Principi di pianificazione del processo di lavorazione dell'albero motore e scelta dei punti di riferimento

Principi di progettazione dei processi e dei percorsi

1. Per prima cosa, definire i sistemi di riferimento: Nella pianificazione del processo, la prima o la seconda operazione dovrebbero, ove possibile, lavorare i punti di riferimento di precisione dell'albero a gomiti. Le operazioni successive potranno quindi utilizzare tali punti di riferimento per posizionare il pezzo, rendendo più facile garantire la precisione delle altre superfici.
2. Superfici della macchina prima della foratura: Quando è necessario praticare fori nei perni dell'albero motore o nelle facce delle flange, lavorare prima i perni e le facce delle flange, quindi praticare i fori su tali superfici. In questo modo è più facile garantire la precisione dei fori.
3. Lavorare le superfici principali prima di quelle secondarie: La pianificazione del processo dovrebbe concentrarsi sulle superfici importanti dei perni principali e dei perni di manovella. Le superfici secondarie possono essere lavorate tra una fase e l’altra.
4. Sgrossatura prima della finitura, con operazioni di sgrossatura e finitura separate: Gli scopi della separazione tra lavorazione grezza e lavorazione di finitura sono i seguenti.
   1. Garantire la qualità della lavorazione: Durante la sgrossatura, l’ampio margine di asportazione genera elevate forze di taglio e calore di taglio. Il sistema di lavorazione subisce quindi deformazioni elastiche, deformazioni termiche ed elevate tensioni residue nel pezzo. La sgrossatura non consente di ottenere un’elevata precisione né una bassa rugosità superficiale. Le operazioni successive devono ridurre gradualmente i parametri di taglio e gli errori di lavorazione per soddisfare i requisiti di qualità del pezzo. Nel caso di pezzi grezzi con tensioni residue interne, la sgrossatura può ridistribuire tali tensioni e causare deformazioni nel tempo. Separare la sgrossatura dalla finitura evita che le deformazioni dovute alle tensioni influenzino la lavorazione di finitura; le deformazioni residue possono inoltre essere eliminate nelle successive fasi di finitura.
   2. Individuare tempestivamente i difetti dovuti a spazi vuoti: La sgrossatura asporta un ampio margine di materiale e consente di individuare tempestivamente eventuali difetti del pezzo grezzo, permettendo così di scartarlo o ripararlo per tempo ed evitando sprechi derivanti dal proseguimento della lavorazione.
   3. Utilizzare le macchine utensili in modo corretto: La sgrossatura può essere eseguita con macchine dotate di elevata potenza e rigidità, ma di precisione moderata, mentre la finitura richiede macchine ad alta precisione. Ciò consente di sfruttare appieno le potenzialità di ciascuna macchina. La separazione tra sgrossatura e finitura si applica sia alla lavorazione di una singola superficie sia all’intero processo di lavorazione del pezzo. Poiché la precisione dei pezzi fusi e forgiati per i moderni semilavorati automobilistici continua a migliorare e il margine di asportazione complessivo diminuisce, la distinzione tra le fasi di sgrossatura e finitura sta diventando meno marcata.
5. Organizzare in modo razionale le operazioni di trattamento termico e i processi di rafforzamento superficiale.
6. Gli alberi a gomiti sono componenti slanciati, pertanto è necessario ridurre al minimo le deformazioni dovute alla lavorazione. La pianificazione del processo di lavorazione degli alberi a gomiti segue generalmente questi principi: sgrossatura prima della finitura; punto di riferimento prima delle altre caratteristiche; superfici prima dei fori; superfici principali prima di quelle secondarie; e perni principali prima dei perni di manovella.

Nello sviluppo di un piano di processo, occorre tenere conto di ulteriori principi: la compatibilità con il programma di produzione, il miglior risultato economico e l’adozione attiva di nuovi processi e tecnologie adeguati al programma di produzione.

Un piano di processo viene valutato principalmente in base a tre criteri: qualità, costo e tempi di consegna.

Sviluppo complessivo del processo e del percorso

Per un albero motore integrale, i principali materiali di partenza sono l’acciaio forgiato e la ghisa sferoidale. I processi di lavorazione più comuni sono i seguenti:

• Albero motore in acciaio forgiato: preparazione del pezzo grezzo, forgiatura, normalizzazione, sgrossatura, tempra e rinvenimento superficiale e finitura.
• Albero motore in ghisa nodulare: fusione, normalizzazione, tempra, sgrossatura, tempra e rinvenimento superficiale e finitura.

Sviluppo del processo di sgrossatura

I metodi più comuni di sgrossatura dell'albero motore includono la tornitura, la fresatura interna, la tornitura-brocciatura e la tornitura-tornitura-brocciatura. Attualmente vengono utilizzati tutti e quattro i metodi. La scelta del metodo dipende dal prodotto, dal volume di produzione, dal tempo di ciclo, dai requisiti di processo e dall'investimento.

Trasformazione: offre la massima versatilità. Fresatura interna: è adatto alla lavorazione dei perni di biella e dei lati delle ali della biella, in particolare quando il pezzo grezzo presenta un ampio margine di asportazione. Broccatura a rotazione: richiede caratteristiche molto elevate del semilavorato e si adatta male ai cambiamenti di prodotto, pertanto è adatto alla produzione in grandi volumi di un unico prodotto. Broccatura a giri alternati: combina la tornitura e la brocciatura in tornio; la sua precisione raggiunge il livello della brocciatura in tornio, la sua efficienza è inferiore rispetto alla fresatura interna, mentre la sua flessibilità è superiore sia alla brocciatura in tornio che alla fresatura interna.

L'albero motore 4H prevede una combinazione di tornitura e fresatura interna per la sgrossatura.

Sviluppo del processo di rettifica

Sequenza di rettifica e qualità di lavorazione: Non esiste una risposta definitiva alla domanda se sia meglio rettificare prima i perni principali o quelli dell’albero a gomiti.

1. Rettifica dei perni principali seguita dalla rettifica dei perni di manovella: La liberazione di tensione causata dalla rettifica dei perni di manovella può far sì che l'eccentricità del perno principale superi la tolleranza ed è difficile da controllare.
2. Rettifica dei perni di manovella seguita dalla rettifica dei perni principali: La conversione del sistema di riferimento può far sì che l'errore del raggio di manovella superi la tolleranza; inoltre, è difficile da controllare e richiede attrezzature aggiuntive.

Con l'evoluzione delle tecnologie di sgrossatura e tempra dei perni dell'albero motore, il margine di rettifica è stato notevolmente ridotto. La deformazione e le sollecitazioni da rettifica sono inferiori e la rettifica di precisione dei perni può essere completata in un unico passaggio, eliminando la rettifica semifinita e semplificando il processo.

Le crepe e le bruciature da rettifica, in particolare sulle ampie superfici di spinta, l’eccentricità dei perni principali e la precisione di posizionamento dei perni di manovella rispetto ai perni principali, compresi l’eccentricità radiale, il raggio della manovella e il parallelismo, sono fattori fondamentali da considerare nella progettazione del processo di rettifica.

Dal punto di vista del processo produttivo, se l’effetto della forza di rettifica dei perni di manovella sulla deformazione dell’albero motore può essere controllato entro i limiti di eccentricità ammissibili dei perni principali, la rettifica dei perni principali prima di quella dei perni di manovella rappresenta un processo ottimizzato, caratterizzato da un percorso semplice e da un investimento contenuto. Le operazioni utilizzate esclusivamente per stabilire la posizione di lavorazione sono attività che non aggiungono valore e dovrebbero essere ridotte o eliminate.

Posizionamento dell'albero motore - Scelta del punto di riferimento

Prendendo come esempio l’albero motore di un motore 4H, l’albero presenta quattro perni di manovella e cinque perni principali. Per la scelta del piano di riferimento radiale su un albero motore in linea, è possibile utilizzare come piani di riferimento radiali i fori centrali alle due estremità o i perni principali, come ad esempio la linea che unisce i centri del primo e del quinto perno principale oppure la linea che unisce i due fori centrali.

Sono disponibili diversi punti di riferimento assiali. Per limitare il movimento assiale e impedire la deriva assiale causata dalle forze assiali, come punti di riferimento assiali vengono utilizzati il risalto, o superficie di spinta, del quarto perno principale e la superficie frontale del perno della flangia.

Poiché l'albero motore è un componente complesso, presenta anche diversi punti di riferimento angolari, quali la sporgenza angolare sul contrappeso del primo perno principale, il primo perno di manovella e i fori di riferimento nella flangia.

1. Scelta del punto di riferimento grezzo dell'albero motore 4H: I grezzi dell’albero motore sono generalmente curvi. Per garantire che i fori centrali alle due estremità siano praticati nei centri geometrici delle facce terminali, il punto di riferimento di sgrossatura in direzione radiale viene selezionato dai diametri esterni dei perni in prossimità di entrambe le estremità. Il punto di riferimento di posizionamento assiale è costituito dalle spalle su entrambi i lati del terzo perno principale. Poiché le ali di bilanciamento su entrambi i lati del terzo perno principale si trovano al centro dell’albero motore, utilizzarle come punto di riferimento approssimativo riduce l’errore di posizionamento nelle altre ali di bilanciamento. La sporgenza angolare sul contrappeso del primo perno principale viene selezionata come punto di riferimento angolare approssimativo.
2. Scelta del punto di riferimento di precisione dell'albero motore 4H: Poiché la superficie dell’albero motore è complessa, presenta diversi punti di riferimento di precisione. Due di essi vengono utilizzati durante l’intero processo di lavorazione: il più importante è costituito dai fori centrali su entrambe le estremità, mentre l’altro è rappresentato dal primo e dal quinto perno principale. Sono disponibili anche diversi punti di riferimento assiali di precisione, tra cui i fori centrali, la faccia frontale del perno con flangia e la spalla, o faccia di spinta, del quarto perno principale. La maggior parte dei riferimenti di precisione angolari utilizza i fori di lavorazione presenti nella flangia per limitare la libertà di rotazione durante la rettifica dei perni principali e dei perni di manovella. Anche il primo perno di manovella viene occasionalmente utilizzato come riferimento di posizionamento angolare.