Studio della sbavatura su fori obliqui su alberi motore mediante pallinatura con microsfere di vetro

A cura dell'ing. Cico - Laboratorio Ricerche ed Esperienze SILCO s.r.l. Rivalta (TO)

Il problema ci è stato posto dall’Ufficio Tecnologie Metodi ed Impianti di un costruttore di motori per automobili.
Ci siamo proposti, con questo studio, di definire non solamente un impianto adattabile a questo caso specifico, ma di individuare una linea di ricerca suscettibile di ulteriori sviluppi e di più ampia applicazione.
La ricerca è iniziata dallo studio dello “stato dell’arte” sull’argomento, esaminando quanto era stato fatto finora in Italia ed anche all’Estero.
Grazie alla pluriennale esperienza acquisita nel campo del trattamento delle superfici abbiamo eseguito varie prove, tra le quali vi citiamo:
- sbavatura con buratti rotanti;
- sbavatura con vibratori;
- sbavatura con vibratori centrifughi;
- sbavatura con sistemi elettrolitici;
- sbavatura con granigliatrici a turbina, usando graniglia metallica di ghisa e di acciaio.

Da queste prove è emerso che il metodo più semplice ed affidabile per eliminare le bave di lavorazione sui pezzi meccanici era l’uso dei vibratori con materiali abrasivi (ceramici o plastici) ed adatti prodotti chimici in soluzione acquosa.
Questo metodo, indubbiamente efficace in molti casi, presenta tuttavia per questo argomento dei lati negativi, sia riguardo alle modalità di esecuzione che al risultato, tali da renderne problematica una reale applicazione.
Le cause sono le seguenti: •Impossibilità del pezzo di essere trattato in mucchio, causa le dimensioni o la fragilità.
- Necessità di sbavare zone ben delimitate, senza influire sulle altre.
- Necessità di trattare i pezzi uno alla volta con cadenze precise e continue, determinate dal lay-out della linea.
- Eventuali danni al materiale dovuti all’acqua ed ai prodotti chimici.

Questi ed altri motivi hanno fatto sì che spesso si sia ricorsi alla sbavatura puramente meccanica; eseguita in pratica con una piccola fresa, posizionata a mano oppure da un robot.
Questo sistema, pur eliminando gli inconvenienti suddetti, ne presenta altri, talvolta più gravi.
La fresa deve essere guidata con estrema precisione, in quanto sui disegni sono richiesti smussi di pochi decimi di millimetro; l’attrezzo esegue correttamente smussi solo sui fori circolari; sui fori ovali è molto difficile ottenere uno smusso corretto e di raggio costante su tutto il bordo.
Alla luce di tutte queste considerazioni, abbiamo eseguito alcune ulteriori prove per studiare la possibilità di ottenere lo smusso richiesto per mezzo di una pallinatrice ad aria compressa, utilizzando microsfere di vetro.
Benché si potessero adoperare altri materiali più abrasivi, come ad esempio il corindone, abbiamo preferito usare microsfere di vetro per i seguenti motivi:
- economicità;
- non nocività per l’operatore, causa l’assenza di SiO2 libera;
- azione dolce e dosabile a piacimento.

Riportiamo qui di seguito i risultati ottenuti.
Le fotografie sono state realizzate con un sistema per macrofotografia PENTAX ed illuminazione artificiale con proiettore a lampada alogena.

CREMAGLIERA
Approcci al problema trattamento sulle cremagliere

CAMPIONE N° 1
Come approccio iniziale al problema, abbiamo preso in esame una cremagliera sterzo in acciaio da bonifica, sulla quale era richiesta una sbavatura; queste prove sono state eseguite per avere una prima idea sul trattamento da riservare successivamente ai fori dell’albero motore.
La cremagliera presentava bave di fresatura sul profilo dei denti e nella parte piatta.
Lo scopo del trattamento era di eliminare le bave suddette con un procedimento semplice ed affidabile.
Operazione eseguita: pallinatura con microsfere di vetro da 100-200 micron, pressione 5 bar, tempo 10 s.

Sulla seguente serie di fotografie l’ingrandimento è di 15 X

Caso di sabbiatura

Foto A1

Pezzo non temprato, confronto tra spigolo pallinato, a destra nella foto, e spigolo non pallinato, a sinistra, ottenuto mascherando la parte da non trattare.
La parte trattata, di aspetto più rugoso, in realtà presenta delle asperità molto meno pronunciate dell’altra, grazie all’azione delle microsfere.

Foto B1

Pezzo temprato, confronto tra spigolo pallinato, a sinistra nella foto, e spigolo non pallinato, ottenuto mascherando la parte da non trattare.
Anche in questo caso si osserva molto chiaramente l’effetto di finitura sulla superficie e di arrotondamento dello spigolo.

Foto B2

Pezzo temprato, confronto tra zona non pallinata (vedi foto B2), e zona pallinata (vedi foto B3).

Foto B3

Pezzo temprato, confronto tra zona non pallinata (vedi foto B2), e zona pallinata (vedi foto B3). Si può notare, nonostante la difficoltà di messa a fuoco in macrofotografie così spinte, la scomparsa delle bave sulla costa del dente. In tutti i casi, oltre alla sbavatura richiesta, si ottiene un notevole miglioramento della finitura superficiale.

Fori albero motore

Albero motore per auto, in ghisa sferoidale, temprata ad induzione.
Ci è stato richiesto di arrotondare lo spigolo del foro.
Questa esigenza, nasce dalle sempre maggiori sollecitazioni a cui sono sottoposti i moderni motori, specialmente Diesel, e dalla conseguente necessità di eliminare al massimo ogni possibile abrasione superficiale che possa essere la causa di futuri inneschi di fratture con conseguenze molto gravi.
D’altra parte, dato il problema sempre presente di diminuire i costi di fabbricazione, è necessario provvedere ad un impianto semplice ma, nello stesso tempo affidabile, che dia sicurezza e costanza di risultati nella produzione di grande serie.
La pressione ed il tipo di microsfere variano a seconda del foro sbavato.
Per questi campioni pallinati sono stati eseguiti dal costruttore del motore dei rilievi dimensionali del profilo, prima e dopo la levigatura, per mezzo di un rilevatore micrometrico.
La levigatura è un’operazione di rettifica molto fine, che asporta pochi micron di materiale allo scopo di ottenere una superficie con rugosità molto bassa, per diminuire al massimo l’attrito tra le superfici striscianti.
Questi rilevi, alcuni dei quali sono allegati alla presente relazione, evidenziano chiaramente che, in tutti i casi, l’effetto della successiva levigatura non ha pregiudicato i risultati ottenuti, lasciando sul foro uno smusso accettabile.
Su queste due fotografie l’ingrandimento è di 15 X.

Caso di sabbiatura

Foto C1

Tipico aspetto di un foro obliquo non pallinato.

Caso di sabbiatura

Foto C51

Foro N° 51, pallinato con microsfere di vetro da 300-400 micron a 7 bar, per 10 s. Come si nota, si è ottenuto un raccordo molto regolare tra superficie esterna del pezzo e superficie interna del foro.

Foto C41

Foro N° 41, pallinato con microsfere di vetro da 200-300 micron a 7 bar. Il risultato è praticamente identico a quello del foro N° 51, a causa della piccola differenza del diametro delle microsfere. Abbiamo anche pallinato con microsfere di vetro da 40-70 micron a 5 bar, per 10 s; come ci aspettavamo, abbiamo ottenuto un insufficiente arrotondamento, a causa della grana troppo fine. Questa prova potrebbe dare dati utili, in fase di gestione operativa, per stabilire fino a quale punto le microsfere usate possano essere riciclate senza pregiudicare il risultato voluto.

Naturalmente, come abbiamo già accennato, si potrebbe ottenere un’azione di sbavatura più rapida ed aggressiva usando altri mezzi abrasivi; tuttavia il lieve vantaggio ottenuto verrebbe vanificato dalla finitura superficiale grossolana, che esigerebbe una levigatura più profonda.
In questo caso, però, la suddetta levigatura, asportando uno strato superficiale più spesso, renderebbe di nuovo acuto lo spigolo del foro.
Riservandoci, naturalmente, di eseguire tutte le ulteriori prove che si rivelassero necessarie, riteniamo che il procedimento possa costituire una valida soluzione al problema prospettato, tenendo presente che l’unica precauzione da osservare nell’esecuzione del trattamento è di avere i pezzi asciutti ed esenti da residui oleosi.