Come funziona: rullatura di precisione del filo

Presso Horst Engineering & Manufacturing Co., i centri di tornitura multiasse Citizen Swiss di un anno di vita e i torni multiasse Eurotech producono componenti completi lavorati ad alta precisione. Girano, forano, fresano e addirittura filettano. Eppure, nella stessa piccola fabbrica di East Hartford, nel Connecticut, la società sorella di Horst Engineering, Thread Rolling Inc., utilizza filiere a rullo Waterbury, Hartford e Reed vecchie di cinquant'anni per formare filettature esterne con un processo secondario specializzato, ma elegantemente semplice..Non tutte le loro macchine sono d'antiquariato. Gran parte dell'attrezzatura è stata rinnovata e le macchine più nuove sono mescolate con quelle vecchie. È quindi giusto che si stabiliscano nella parte più storica della vecchia fabbrica, dove un pavimento in blocchi di legno vecchio di cinquantacinque anni simboleggia l'attività di famiglia di sessant'anni.

La rullatura è un processo che esiste da più di cento anni e ci sono macchine in servizio che fanno sembrare giovani quelle di cinquant'anni al confronto. I rullini filettati sono disponibili in vari tipi e dimensioni, ma tutti utilizzano un meccanismo in cui le matrici in acciaio temprato sono abbinate e impostate per penetrare con forza per rimodellare la superficie del materiale di diametro rotondo in una forma filettata. Un pezzo cilindrico o uno sbozzato viene inserito nella macchina (manualmente o automaticamente) e le matrici ruotano (matrici cilindriche) o si muovono alternativamente (matrici piatte) per produrre filettature in un processo di formatura “senza trucioli”. Ogni forma, forma e dimensione della filettatura ha un set unico di filiere che sono generalmente rettificate da acciaio per utensili trattato termicamente (tipicamente Rockwell C 58-62) e acquistate, anziché realizzate internamente.

La rullatura dei filetti è principalmente un processo di formatura a freddo eseguito a temperatura ambiente, ma esiste una nicchia per la laminazione a caldo quando i materiali sono maggiori di Rockwell C 45, poiché la durata dello stampo sarebbe seriamente compromessa. Come la rettifica senza centri, il processo gemello, il processo di rullatura del filetto può essere in alimentazione o in passata. La rullatura della filettatura è il metodo di scelta per le applicazioni di filettatura con produzione ad alto volume. Le filiere planetarie a rulli sono in grado di formare filettature su decine di migliaia di pezzi all'ora. Anche le macchine alternative a matrice piatta verticale o inclinata ad alta velocità possono generare ritmi di produzione elevati, mentre le macchine a due matrici cilindriche orizzontali possono produrre rapidamente migliaia di piedi di barra filettata.

Molte delle cose che trovi nel negozio di ferramenta locale, come viti per legno, tirafondi e viti per macchine, sono state prodotte in serie con l'aiuto di rullatrici. Filettature acme, contrafforte, a vite senza fine, quadrate e per tubi sono solo alcune delle forme uniche che possono essere prodotte mediante rullatura della filettatura; tuttavia, le filettature delle viti a macchina sono le più familiari agli operatori del settore della lavorazione meccanica di precisione.

Da un lato, la rullatura automatizzata di filetti in grandi volumi è interessante per la velocità e la stabilità dimensionale del processo, ma la produzione di elementi di fissaggio e parti di livello commerciale è una pratica relativamente ordinaria. All’estremità opposta dello spettro, c’è la nicchia molto specializzata della rullatura di filetti ad alta precisione, principalmente su piccoli lotti di pezzi. Alcuni settori ad alta tecnologia, tra cui quello aerospaziale e quello degli sport motoristici, richiedono filettature con tolleranze estremamente strette con finiture superficiali eccellenti e la resistenza extra insita nelle parti realizzate con il processo di formatura. Thread Rolling Inc. utilizza una combinazione di macchine cilindriche verticali a tre stampi, macchine alternative a stampo piatto orizzontale e macchine cilindriche orizzontali a due stampi per produrre filettature di precisione.

L'obiettivo è produrre una varietà di filettature per viti a macchina ad alta precisione, concentrandosi sulle forme di filettatura metriche e unificate standard a 60° più comuni nell'industria aerospaziale. I fili più comuni laminati qui sono di Classe 2A e Classe 3A nei moduli UNF, UNC, UNJF e UNJC. Le filettature a forma di "J" hanno un raggio della radice controllato più ampio per una maggiore resistenza nell'area ad alto stress di una filettatura e sono comuni nel settore aerospaziale. L'ispezione dimensionale delle filettature di alta qualità è diversa dalla varietà commerciale. Le specifiche variano, ma gli standard aerospaziali e militari richiedono l'utilizzo di un calibro di filettatura indicante per controllare il diametro primitivo e le dimensioni associate.

L'ispezione dei diametri primitivi viene eseguita sia con la forma completa che con i calibri di indicazione del tipo a elemento singolo impostati con i maestri della filettatura. I misuratori ad anello passa/non passa vengono utilizzati solo come riferimento. I micrometri standard per diametro esterno vengono utilizzati per ispezionare i diametri maggiori, mentre i comparatori ottici vengono utilizzati per controllare i diametri minori e i raggi delle radici. Con tutti questi calibri disponibili in officina, un operatore di rullatura può monitorare il processo e apportare rapidamente modifiche. L'usura dello stampo e altre variabili possono influenzare il processo di laminazione, ma una volta impostata la macchina, il processo è coerente e ripetibile.

Le filettature formate sono preferite per applicazioni critiche e ad alta resistenza come quelle presenti nell'industria aerospaziale. I fili laminati, soprattutto su parti trattate termicamente, hanno una maggiore resistenza alla tensione, al taglio e alla fatica. Nessun materiale viene rimosso durante il processo di laminazione, eliminando uno dei punti deboli intrinseci delle filettature tagliate o rettificate. Le proprietà della formatura a freddo includono una maggiore densità di grani o molecole del materiale, soprattutto dove sono stati compattati lungo il fianco inferiore di ciascun passo della filettatura e nella radice della filettatura.

I metalli aerospaziali possono essere difficili da lavorare e formare, quindi i comuni attacchi per filettatura utilizzati su macchine a vite e torni per lavori di volume più elevato faticano a soddisfare i requisiti di qualità delle filettature di precisione. La forza richiesta per formare filettature su acciaio legato trattato termicamente o su parti in leghe esotiche realizzate in Inconel® o titanio non può essere ottenuta in modo efficace senza l'utilizzo di apparecchiature dedicate. Thread Rolling Inc. si concentra su filettature con diametro inferiore a 1.500 pollici, ma le filettature laminate vengono prodotte su elementi di fissaggio fino a 5,00 pollici e anche più grandi. È necessaria una forza notevole, fino a trenta o quaranta tonnellate di pressione di rotolamento generata da macchine molto grandi, per spostare così tanto materiale. Alcune filettature sono ritenute così critiche che è necessario un processo di campionamento con test distruttivo per esaminare al microscopio ogni passo di una filettatura a 500X.

Le filettature formate correttamente richiedono che gli stampi siano esattamente allineati o "accoppiati". Sia che il processo utilizzi due o tre fustelle, queste devono essere tracciate correttamente per evitare difetti interni, come sovrapposizioni, crepe, pieghe, cuciture e crateri. Il metodo di ispezione distruttiva della filettatura viene utilizzato per identificare i difetti interni e per verificare che sia stato raggiunto il corretto flusso dei grani del materiale. I campioni rappresentativi vengono testati all'inizio di ogni nuova configurazione e periodicamente nel corso di un ciclo di produzione.

Il processo di test richiede che le filettature vengano tagliate dal resto della parte, divise in due longitudinalmente, montate in una resina epossidica, rettificate e lappate fino a una finitura di tre micron, incise per rivelare la microstruttura e ispezionate al microscopio. L'intero processo dura poco più di un'ora, ma richiede una preparazione metallografica specializzata e attrezzature di ispezione. Poiché la produzione viene sospesa per i test, è necessaria una serie di macchine, quindi gli operatori lavorano su più lavori contemporaneamente, alternando processi di rettifica, filettatura e test.

Molte volte, le parti vengono ricevute per l'assistenza in imballaggi sfusi, ma quando vengono restituite con fili lucidi di precisione, vengono imballate singolarmente con protezioni per evitare danni durante la spedizione. Un giorno recente, un impiegato stava imballando un unico contenitore blu rivestito di schiuma imbottita.

L'inserto in schiuma è stato fustellato per un singolo albero prototipo. Questa parte da diciotto pollici era arrotolata su entrambe le estremità. La parte era stata progettata e progettata per accogliere filettature arrotolate. Ciò significava che i diametri della filettatura pre-rullo erano adeguatamente smussati e rettificati al diametro primitivo corretto, un diametro ipotetico compreso tra il diametro maggiore e quello minore, utilizzato per determinare la dimensione della filettatura. Questo particolare lavoro non ha richiesto test distruttivi, ma sono stati prodotti pezzi di montaggio con materiali simili per mettere a punto le macchine. Con un lotto di un unico pezzo, non c'è spazio per errori e gli operatori altamente qualificati lo sapevano.

I fili laminati della massima qualità sono prodotti dai grezzi della migliore qualità. Per questo motivo, la maggior parte dei pezzi inviati a Thread Rolling Inc. vengono lasciati sovradimensionati in modo che il processo di dimensionamento finale possa essere controllato mediante rettifica senza centri. Una volta rettificata la dimensione corretta, in genere da un associato di filettatura e un associato di rettifica che lavorano insieme, le parti vengono rettificate alla loro dimensione finale entro 0,0004 pollici mantenendo la rotondità entro 0,000050. Prima della rullatura della filettatura, la finitura superficiale del diametro è sempre migliore di 32 micropollici. Grazie all'azione di lucidatura delle matrici, la finitura dopo la laminazione, soprattutto sui fianchi, può arrivare fino a 4 micropollici, a seconda del materiale e della durezza. La finitura è un altro motivo per scegliere il roll-out rispetto ad altri processi di filettatura.

La mancanza di controlli CNC sulla maggior parte delle apparecchiature significa che il processo non è così facile da usare come la lavorazione delle viti, la tornitura o la fresatura. È difficile spiegare ai clienti che il diametro maggiore in realtà aumenta di dimensioni quando viene laminato. Alcuni non vogliono credere di poter trasformare i loro pezzi grezzi al di sotto del diametro maggiore e che i loro pezzi non saranno rottami. Ad esempio, una filettatura.250-28 UNF-3A ha un diametro primitivo di.2268-.2243 e un diametro maggiore di.2500-.2435. La dimensione del grezzo prima della filettatura del rullo sarà vicina al diametro primitivo massimo e il materiale spostato dalle matrici si formerà fino a rientrare nella tolleranza del diametro maggiore.

I ragazzi di Thread Rolling Inc. sentono spesso che i clienti hanno evitato i lavori che richiedono la rullatura del filo perché il processo sembra difficile, misterioso o fuori dal loro controllo. Il processo è unico, ma nel settore della formatura di precisione ci sono molti specialisti nel settore. Il processo non può essere eseguito così facilmente come ci si potrebbe aspettare nell’ambiente odierno in cui le macchine multiasse “fai tutto” eseguono automaticamente il loro lavoro. Per essere un operatore di rullatura di successo è necessaria molta “sensazione”. La rullatura di filetti ad alta precisione è un processo pratico di nicchia destinato a durare.