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Finitura Isotropica cos’è, quando farla e perché?

Finitura Isotropica cos’è, quando farla e perché?

Parente stretta della burattatura, la finitura isotropica (o super finitura) se ne differenzia in termini sia di costi, sia di risultati. Le superfici ottenute con questo processo dimostrano eccellente capacità di ridurre la temperatura in esercizio, diminuire attrito, usura, rumore e fatica dinamica da contatto.

di Piercarlo Bossetto

Maggio 2017

Nei due numeri precedenti si è parlato di burattatura. In questo parleremo invece di finitura isotropica o super finitura. Il significato di processo isotropico rimanda a caratteristiche uguali in tutte le direzioni in cui le si valuta. In termini sintetici, significa assenza di segni di lavorazione meccanica (superficie non orientata), assenza di stress o tensioni superficiali.
Pur essendo stretta parente della burattatura, la finitura isotropica se ne differenzia sia in termini di costi (notevolmente superiori alla burattatura), sia in termini di risultati: rugosità = Ra 0,02 o Ra 0,2 sono, infatti, facilmente raggiungibili. Inoltre, rispetto alla finitura superficiale ottenibile con le tecniche tradizionali, le superfici di questo tipo sono ineguagliabili nella loro eccezionale capacità di ridurre la temperatura in esercizio, ridurre l’attrito, l’usura, il rumore e, infine, la fatica dinamica da contatto.
Superfici con bassissima rugosità e finitura speculare, come si può osservare nelle immagini 2a e 2b (a sx pre-rettifica, a dx post-trattamento) sono risultati che, per gli organi in movimento, significano riduzione dell’attrito, riduzione della potenza assorbita, riduzione della rumorosità e riduzione della temperatura di esercizio.
Il raggiungimento di questi livelli di finitura superficiale chiaramente dipendono non solo dal tempo di permanenza nell’impianto, ma anche dallo stato superficiale e della rugosità di partenza.
Se nel caso della burattatura/tumbling era stato affermato che non è così importante avere una superficie di partenza particolarmente curata per raggiungere valori, dopo burattatura, intorno ai Ra 0,8, ma sarebbe stato sufficiente partire da una rugosità Ra 1,2, ciò non vale per la super finitura isotropica. Infatti, per raggiungere valori bassissimi di rugosità (Ra 0,02), occorre comunque partire da una rugosità già ottenuta mediante rettifica o hard turning. Inoltre, contrariamente alla burattatura, con la finitura isotropica si va ad agire sulle valli della rugosità, cioè asportando del materiale (si tratta comunque di valori prossimi a pochi millesimi di mm), mentre nella burattatura tradizionale si agisce principalmente sui picchi, rimuovendoli con l’azione combinata tra i prodotti chimici e i media utilizzati. L’asportazione, in questo caso, si aggira intorno ai centesimi di mm. Il motivo di questa importante differenza è frutto del tipo di prodotto utilizzato che viene definito “chimicamente accelerato”, cioè che continua nella sua opera di rimozione dei materiale fin tanto che non viene neutralizzato dal passivante. Ne consegue che più si lascia il pezzo a contatto con il prodotto, più migliorerà la rugosità e che quanto più alta è la rugosità, tanto maggiore sarà il tempo richiesto per il raggiungimento dell’obiettivo.  

Si possono verificare piccole variazioni in termini di forma e dimensione
Va considerato che in alcuni casi, durante il processo, si possono verificare e rilevare cambiamenti in termini sia di dimensioni che di forma; parliamo, per esempio, della forma del fianco dei denti degli ingranaggi.
Nel caso di ingranaggi che possono essere lavorati con un buratto tradizionale, questo fenomeno sarà meno evidente o inesistente. Se, al contrario, si utilizza un impianto lineare dove i pezzi vengono montati su una attrezzatura (mandrino) che verrà fatto ruotare “annegato” nei media, se non si avrà l’accortezza di variare, a intervalli prestabiliti, il senso di rotazione, su uno dei due fianchi del dente questo fenomeno potrebbe evidenziarsi. Analogamente si potrebbero evidenziare errori sul profilo del dente se non vengono usati media dalle dimensioni e forme corrette. Questi, non lavorando sull’intero profilo del dente, andrebbero ad agire troppo su una data zona del dente, dove poi potrebbe essere facile rilevare un incremento indesiderato di screstatura del dente o un’alterazione del valore di bombatura sia sul profilo che sull’elica (vedi figura 3).
Nonostante si tratti di micron, su componenti di altissima qualità, queste variazioni non possono essere trascurate. Questo effetto può essere rilevato anche nel caso in cui il tempo di permanenza nell’impianto, per il raggiungimento del risultato richiesto, sia troppo lungo. Pertanto, dopo aver stabilito i parametri di ciclo, occorrerà analizzare con molta attenzione le variazioni tra il prima e il dopo trattamento ed eventualmente agire sulle operazioni macchina precedenti al trattamento di super finitura. Per quanto riguarda altre dimensioni quali i diametri della sede piantaggio cuscinetti, la sede rotolamento rullini e così via, valgono le stesse considerazioni. Quindi, all’avvio di un processo di super finitura, è consigliabile condurre prove che permettano di qualificare il processo prima di preparare l’intero lotto.

Quando eseguire la pallinatura (o shot peening) su una dentatura
Qualora il disegno richieda l’esecuzione della pallinatura, o shot peening, questa dovrà essere sempre eseguita prima della superfinitura. Il motivo è semplice: se venisse fatta successivamente, i benefici di una finitura superficiale molto spinta verrebbero vanificati.
E veniamo ai vantaggi che interessano i cuscinetti. Nel caso di sede piantaggio cuscinetto, questi non sono rilevanti, ad accezione del ridotto carico di piantaggio.
Diverso è il discorso per quanto riguarda la sede dei rullini. Poiché con la super finitura si migliora decisamente la finitura superficiale, rimuovendo le creste e riducendo la profondità delle valli si ottiene l’ottimizzazione del film del lubrificante; ne consegue che la vita dei rullini viene notevolmente incrementata. Infatti i rullini non dovranno più agire sullo schiacciamento delle creste, il che di fatto ne riduceva la vita. In entrambi i casi (sedi piantaggio e sedi rullini), essendo le tolleranze molto severe, vale quanto detto per le dentature: è meglio condurre prove preliminari prima di lavorare il lotto di produzione.
Infine, nel caso si renda necessario proteggere, ad esempio, un foro di centraggio, occorrerebbe prevedere mascherature meccaniche a tenuta stagna.

I vantaggi ottenibili con la super finitura isotropica
Tra gli altri vantaggi ottenibili con la super finitura isotropica, menzioniamo innanzitutto la ridotta possibilità della formazione di pitting sulle superfici.
I fenomeni di pitting e fatica sono fattori critici nella progettazione di ingranaggi sottoposti a carichi elevati. Il processo ha dimostrato di migliorare la resistenza a macro e micro pitting degli ingranaggi, grazie a una migliore finitura superficiale che consente una distribuzione dei carichi di contatto su una superficie maggiore, riducendo le tensioni superficiali e prolungando la vita di esercizio.
Un altro vantaggio è rappresentato dalle migliori proprietà di lubrificazione. Il miglioramento della finitura superficiale, infatti, permette al film di lubrificazione di essere più costante e resistente; ciò porta a una riduzione dell’attrito e della temperatura del lubrificante, una minor perdita di potenza e un miglioramento delle prestazioni e della vita degli organi di trasmissione.
Inoltre, così come per la barilatura tradizionale, anche la super finitura contribuisce ad arrotondare gli spigoli o a eliminazione gli spigoli taglienti.
La riduzione delle vibrazioni e della rumorosità è un altro aspetto sicuramente molto importante e fondamentale di questo processo. Raggiungendo una finitura superficiale molto spinta, non è possibile riscontrare, e qui vale soprattutto per le dentature, tracce di lavorazione dovute agli utensili, comprese le mole, in qualsiasi senso vengano controllate. Com’è risaputo, queste tracce in esercizio sono una delle cause e fonte di rumore in una trasmissione. Normalmente per ridurre, non diciamo eliminare, queste tracce, occorre agire sulle modalità di finitura delle dentature, il che non è sempre raggiungibile. Con la super finitura ciò è garantito.

I prodotti chimici utilizzati per la super finitura  
Per la super finitura vengono utilizzati sia prodotti liquidi che paste. La scelta dipende soprattutto dalle richieste dei clienti. Chi sceglie i liquidi, ritiene generalmente che l’uso delle paste potrebbe portare alla contaminazione del pezzo, che la rimozione non sempre è facile o che dovrà comunque essere garantito il lavaggio con impianti a ultrasuoni. Chi è favorevole alle paste, pur essendo d’accordo sul discorso lavaggio a ultrasuoni, motiva la scelta con il timore che i prodotti liquidi utilizzati, comunque a base acida, possano permettere, se non ben passivati, la formazione di ossidi. Ciò vale soprattutto nel caso in cui il pezzo da trattare presenta delle zone non facilmente verificabili (sottosquadri). In ogni caso entrambi i processi sono validi.

Il costo… una nota negativa e non trascurabile
A livello di costi, il processo non è paragonabile alla, più semplice, burattatura. In termini di tempo impiegato, se nella burattatura parliamo di minuti al pezzo, per la superfinitura parliamo in termini di ore. Quindi non è un processo da utilizzare con leggerezza.
Per quanto riguarda il campo di applicazione, la super finitura isotropica oggi trova sempre maggior successo nel campo degli ingranaggi: cambi delle vetture da corsa (racing); settore motociclistico; settore aerospaziale; settore medicale... e molti altri ancora. Prodotti di alta gamma quindi, dove non è tanto importante il costo, ma le prestazioni.

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