Alesature Quadre Brocciate: Perché gli Alberi Quadrati si Bloccano?

Un'alesatura quadrata brocciata sembra la caratteristica più semplice su un mozzo di trasmissione, fino al momento in cui l'albero non entra. Il lavoro 260616007 è arrivato nel novembre 2023 da un produttore di componenti per azionamento valvole il cui fornitore precedente aveva spedito mozzi anodizzati neri che venivano assemblati a mano con un martello su un turno e lasciati cadere per gravità sul turno successivo: il quadrato misurava correttamente all'imbocco dell'alesatura e in modo errato all'estremità, e su una parte delle parti le facce erano ruotate, quindi un albero quadrato che si adattava perfettamente si allineava in modo errato rispetto al modello dei fori della flangia e l'assemblaggio si posizionava nella posizione sbagliata.

I mozzi nelle fotografie sono i pezzi di produzione dell'ordine successivo: un mozzo a doppia flangia in AL6061-T6, tornito e finito in una singola impostazione di tornitura-fresatura, con un'alesatura quadrata brocciata attraverso il corpo, sei fori in ogni flangia, una scanalatura di ritenzione sull'estremità, un foro trasversale radiale, una finitura anodizzata nera e un marchio laser sul corpo tra le flange. Un'alesatura quadrata brocciata è la caratteristica che decide se il pezzo funziona, ed è l'unica caratteristica che non può essere corretta dopo essere stata tagliata.

Cosa deve fare questo mozzo?

Quattro lavori, e l'alesatura quadrata è quella che porta la trasmissione.

L'alesatura quadrata accoglie l'albero e trasmette la coppia. Un'alesatura rotonda con una chiavetta farebbe lo stesso lavoro, ma un quadrato permette all'albero di essere indicizzato al mozzo in quattro posizioni e non necessita di chiavetta, sede per chiavetta o elemento di bloccaggio separato.

Le due flange posizionano l'assemblaggio. Entrambi i modelli di flangia sono indicizzati a intervalli uguali, e i sei fori su ogni flangia devono allinearsi con il modello di bullonatura di accoppiamento, il che significa che entrambi i modelli devono essere forati da un unico datum piuttosto che da due impostazioni separate.

La scanalatura di ritenzione e il foro trasversale radiale tengono insieme l'assemblaggio. La scanalatura accoglie l'anello di ritenzione che impedisce al mozzo di scivolare lungo l'albero, e il foro trasversale accoglie il perno che blocca l'albero assialmente.

Il film anodizzato e il marchio laser sono la finitura e l'identità del pezzo. Entrambi vengono applicati per ultimi, il che significa che entrambi devono lavorare attorno alle tolleranze che le operazioni precedenti hanno già impostato.

Perché un'alesatura quadrata è più difficile di un'alesatura rotonda?

Un'alesatura rotonda viene giudicata in un punto, un'alesatura quadrata deve essere giudicata lungo la sua profondità.

Un'alesatura rotonda viene misurata con un calibro a perno o un calibro per alesature a una profondità, e se è della misura corretta lì, è quasi sempre della misura corretta per il resto dell'alesatura, perché un alesatore o una barra di alesatura tagliano un cilindro consistente.

Un'alesatura quadrata viene tagliata da una broccia: una lunga barra di denti di taglio sfalsati che viene spinta o tirata una volta attraverso un foro pilota, ogni dente compie un piccolo passo più profondo del precedente. La larghezza tra le facce è quindi decisa progressivamente, dente per dente, lungo tutta la profondità dell'alesatura. Se il carico di taglio cambia lungo la corsa, o se l'utensile si usura durante la corsa, l'alesatura risulta leggermente diversa alla faccia di ingresso rispetto alla faccia di uscita. Il pezzo supera un controllo all'imbocco e fallisce all'estremità, che è esattamente il sintomo che ha reso difficile preventivare questo lavoro.

Ecco perché l'ispezione su questo ordine misura la larghezza tra le facce a tre profondità nell'alesatura piuttosto che solo sulla faccia. Un quadrato che è uniforme alla faccia e diverso di 0,02 mm all'uscita passerà ancora un controllo sulla faccia e bloccherà comunque un albero.

La broccia decide anche il clocking, e il clocking non può essere corretto in seguito.

La posizione angolare delle facce rispetto al modello dei fori della flangia è impostata dalla broccia. Qualunque clocking la broccia inserisca è quello che ha il pezzo finito, perché nessuna operazione successiva può ruotare un'alesatura quadrata all'interno del pezzo.

Su un mozzo come questo la conseguenza è specifica: un albero quadrato può adattarsi perfettamente all'alesatura e presentare comunque le proprie facce con un angolo errato rispetto al modello della flangia, quindi l'assemblaggio si avvita ma si posiziona nella posizione rotazionale sbagliata. Se il disegno non specifica la tolleranza di clocking, l'officina deve indovinare se la broccia è guidata da un foro della flangia o da una faccia lavorata, e l'ipotesi è ciò che produce un lotto dimensionalmente perfetto e funzionalmente errato.

La soluzione è procedurale piuttosto che costosa. Il foro pilota viene forato e la broccia viene inserita dallo stesso datum da cui sono stati forati i modelli delle flange, con una bussola di guida che impedisce alla broccia di ruotare all'avvio. Il clocking viene quindi controllato rispetto a un foro della flangia su un calibro, non stimato a occhio.

Un quadrato brocciato ha sempre un raggio d'angolo.

Nessuna broccia può tagliare un angolo interno matematicamente acuto, perché i denti di taglio hanno un raggio d'angolo finito. Gli angoli di un quadrato brocciato portano quindi un raggio, e l'albero quadrato di accoppiamento deve essere scaricato per adattarsi. Quando non lo è, l'albero contatta sulle facce e poggia sui raggi d'angolo invece di sedersi, il che sembra un'interferenza anche se la larghezza tra le facce è corretta.

Il disegno dovrebbe indicare quale raggio d'angolo è consentito nell'alesatura e quale scarico è fornito sull'albero. Lasciare entrambi all'assunzione è il modo in cui un pezzo che misura in tolleranza viene rifiutato all'assemblaggio.

Come è stato realizzato il mozzo, passo dopo passo?

Passo 1 - Tornire il profilo, gli scalini e la scanalatura di ritenzione in una sola impostazione.

Il profilo esterno, entrambe le facce della flangia, l'albero a gradini e la scanalatura di ritenzione vengono torniti in una sola impostazione con il pezzo tenuto sull'asse principale. Una singola impostazione mantiene le due flange concentriche tra loro e all'asse dell'alesatura, che è ciò su cui si basa la chiamata di concentricità della flangia di 0,02 mm su questo disegno.

Passo 2 - Fresare i modelli dei fori delle flange nella stessa morsa.

I sei fori in ogni flangia vengono fresati nella stessa morsa della tornitura, indicizzati da un unico datum, in modo che entrambi i modelli condividano un asse e un riferimento angolare. Forare le due flange in impostazioni separate è ciò che produce un mozzo i cui fori si allineano con il disegno e non tra loro.

Passo 3 - Forare il foro pilota alla dimensione prevista dalla broccia.

Il foro pilota viene forato al diametro per cui la broccia è progettata per seguirlo. Tagliarlo sovradimensionato fa sì che ogni dente effettui un taglio più leggero del previsto, il che consente alla broccia di spostarsi invece di tagliare, e l'alesatura risultante è più larga all'uscita che all'ingresso. Tagliarlo sottodimensionato sovraccarica i denti e promuove una grossa bava sulla faccia di uscita.

Passo 4 - Brocciare il quadrato, guidato dal datum della flangia.

La broccia viene inserita attraverso una guida che ne mantiene la posizione angolare, con il pezzo orientato in modo che le facce si allineino al modello della flangia come disegnato. Questo è il passo che fissa definitivamente il clocking del pezzo, quindi è il passo in cui l'operatore controlla l'impostazione piuttosto che il pezzo finito.

Passo 5 - Sbavare il bordo di uscita e mantenere il raggio d'angolo.

La brocciatura spinge una bava davanti all'ultimo dente, e la bava si raccoglie sulla faccia di uscita. Il bordo di uscita viene sbavato senza rompere lo smusso richiesto dal disegno, e i raggi d'angolo nell'alesatura vengono controllati rispetto al raggio per cui l'albero di accoppiamento è scaricato.

Passo 6 - Anodizzare in nero per un film uniforme.

Il mozzo viene anodizzato nero. Il film cresce dalla superficie dell'alluminio oltre che al suo interno, quindi l'alesatura e i fori della flangia si stringono leggermente, e la linea di anodizzazione indica quali dimensioni sono importanti per l'accoppiamento e quali sono protette. Un pezzo che si adatta prima dell'anodizzazione e non si adatta dopo è solitamente andato storto qui piuttosto che alla macchina.

Passo 7 - Marcatura laser dallo stesso datum.

Il marchio di identificazione viene applicato sul corpo tra le flange, riferito allo stesso datum che ha impostato il quadrato e i modelli delle flange, in modo che il marchio cada nello stesso posto rispetto alle facce su ogni pezzo. Su una superficie anodizzata nera, il contrasto del marchio lo rende leggibile, quindi il marchio viene verificato sul pezzo finito piuttosto che su un campione prima dell'anodizzazione.

Passo 8 - Ispezionare il quadrato lungo la sua profondità e il clocking rispetto a un foro della flangia.

L'ispezione finale copre la larghezza tra le facce a tre profondità, il clocking delle facce rispetto al modello dei fori della flangia, la concentricità della flangia, la posizione della scanalatura, il film e il marchio. Controllare il quadrato solo sulla faccia è l'unica abitudine di ispezione che permette a un lotto difettoso di lasciare l'officina.

Cosa ha misurato la corsa da 1.600 pezzi?

Sedicicento mozzi spediti in 22 giorni, e il cliente ha segnalato nessun adattamento manuale all'assemblaggio e nessun errore di clocking sulla linea.

Il difetto che abbiamo riscontrato nella nostra prova interna.

La prova di cinquanta pezzi è passata al banco di ispezione ed è fallita sul calibro, e la causa è stato il nostro foro pilota.

Ogni pezzo di prova misurava all'interno della banda di larghezza tra le facce alla faccia di ingresso. Quando abbiamo misurato gli stessi pezzi alla faccia di uscita, la larghezza era di 0,02 mm più larga, con una grossa bava sul bordo di uscita. Avevamo forato il foro pilota 0,04 mm sopra la dimensione che la broccia doveva seguire, con la motivazione che un foro pilota leggermente più grande avrebbe alleggerito il carico di taglio e prolungato la vita della broccia. È successo il contrario: con meno materiale da rimuovere, i denti tagliavano leggermente, la broccia era libera di spostarsi nell'alesatura invece di essere guidata dal taglio, e gli ultimi denti hanno aperto l'alesatura all'estremità di uscita.

Tre modifiche sono entrate in produzione. Il diametro del foro pilota è stato fissato al requisito della broccia e controllato sul primo pezzo di ogni lotto. È stata aggiunta una bussola di guida in modo che la broccia inizi in una posizione angolare fissa. E la larghezza tra le facce è stata misurata a tre profondità ogni 100 pezzi, che è il controllo che avrebbe rilevato la deriva sui pezzi di prova in una singola misurazione.

Tra la prova e la corsa di produzione, la conicità attraverso l'alesatura è scomparsa e la bava di uscita ha smesso di essere un problema di sbavatura.

Tre modi per tagliare un quadrato interno, a confronto.

La regola pratica: la brocciatura vince sul costo unitario una volta che la forma si ripete, la fresatura vince quando la geometria è ancora in evoluzione, e l'EDM vince quando il raggio d'angolo o il materiale escludono gli altri due. Su questo pezzo il quadrato si ripete su ogni pezzo, quindi la broccia si è ripagata all'interno del primo ordine.

FAQ

Perché un'alesatura quadrata brocciata è stretta a un'estremità e larga all'altra?

Perché una broccia taglia progressivamente, dente per dente, lungo la profondità dell'alesatura. Se il carico di taglio varia lungo la corsa, o se l'utensile si usura durante la corsa, o se il foro pilota non ha la dimensione per cui la broccia è progettata, le facce risultano diverse di qualche centesimo di millimetro tra la faccia di ingresso e la faccia di uscita. Un controllo all'imbocco dell'alesatura non lo mostrerà, quindi la larghezza tra le facce deve essere misurata a diverse profondità.

Un'alesatura quadrata può essere fresata invece che brocciata?

Sì, e per i prototipi di solito lo è. Una piccola fresa forma gli angoli e una più grande pulisce le facce. Funziona bene quando il quadrato è grande, la quantità è bassa, o la geometria è ancora in evoluzione, ma il raggio d'angolo è limitato dalla fresa più piccola che si può usare, e il costo unitario rimane alto perché ogni pezzo segue l'intero percorso dell'utensile.

Quanto raggio d'angolo ha un quadrato brocciato?

È impostato dal raggio d'angolo dei denti della broccia e non può essere zero, perché un filo di taglio con un angolo interno acuto fallirebbe immediatamente. Il disegno dovrebbe indicare il raggio che l'alesatura può avere, e l'albero quadrato di accoppiamento dovrebbe essere scaricato per adattarsi. Quando l'albero è lasciato affilato, contatta sui raggi d'angolo invece che sulle facce e sembra un accoppiamento a interferenza anche quando la larghezza tra le facce è corretta.

Come si controlla il clocking di un'alesatura quadrata rispetto ai fori della flangia?

Con un calibro che si riferisce a un foro della flangia e legge la posizione angolare delle facce, piuttosto che a occhio o adattando un albero. Deve essere fatto su ogni pezzo, perché il clocking è fissato dall'ingresso della broccia e nessuna operazione successiva può ruotare l'alesatura. Su questo ordine il controllo viene eseguito sul 100% dei pezzi, insieme all'indice della flangia e alla concentricità della flangia.

Cosa mettere sul tuo disegno?

Sei righe risolvono quasi ogni discussione su un'alesatura quadrata brocciata:

1. Dare la larghezza tra le facce con una tolleranza, e dire che si applica lungo tutta la profondità dell'alesatura piuttosto che alla faccia di ingresso.
2. Dare il clocking delle facce a un foro della flangia nominato, con una tolleranza, e nominare il datum da cui è misurato.
3. Indicare il raggio d'angolo che l'alesatura può avere, e indicare lo scarico sull'albero di accoppiamento.
4. Indicare la relazione dell'alesatura con l'asse della flangia come chiamata di concentricità o di runout.
5. Indicare quali superfici sono protette durante l'anodizzazione, e cosa il film può fare all'alesatura e ai fori della flangia.
6. Indicare dove va il marchio laser rispetto alle facce, in modo che il marchio e il quadrato siano impostati dallo stesso datum.

Un mozzo è una pila di caratteristiche che si riferiscono tutte a un asse e a una posizione angolare, e l'alesatura quadrata è la caratteristica che blocca la posizione angolare. Specificare correttamente il quadrato e il resto del pezzo è un normale lavoro di tornitura e fresatura: flange concentriche, fori che si allineano e un marchio che cade nello stesso posto su ogni pezzo.

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