ITUB20154694A1 - Utensile creatore rotante e procedimento per la generazione di ruote dentate con dentatura asimmetrica. - Google Patents

Description

UTENSILE CREATORE ROTANTE E PROCEDIMENTO PER LA GENERAZIONE DI RUOTE DENTATE CON DENTATURA ASIMMETRICA

Per particolari applicazioni risulta vantaggioso utilizzare ruote dentate con dentatura fortemente asimmetrica, tipicamente per il loro impiego in pompe idrauliche ad ingranaggi.

In questo tipo di ruota ogni dente ha un fianco “attivo" convesso a cui è affidato normalmente l'appoggio con il dente di una ruota ingranante e un fianco “secondario", per la rotazione sincrona di ruote reciprocamente ingrananti.

Il fianco attivo del dente di una ruota coopera con il fianco attivo di una controruota con modalità che sono sostanzialmente quelle di ingranamento di tradizionali dentature simmetriche, mediante contatto di superfici coniugate.

Questo ingranamento con contatto dei fianchi attivi avviene per determinato senso di rotazione delle ruote, da considerarsi “normale" in quanto adottato in condizioni operative del dispositivo in cui la ruota dentata è utilizzata. Nell'utilizzo delle ruote in pompe idrauliche questo senso di rotazione corrisponde a quello richiesto durante il pompaggio di liquido in pressione.

In una tipica forma di attuazione di queste dentature asimmetriche, che ha dimostrato caratteristiche funzionalmente vantaggiose in modo sorprendente, ciascun dente assume una configurazione convessa in corrispondenza del suo fianco attivo e una configurazione concava in corrispondenza del suo fianco secondario.

Ingranaggi di questo tipo sono mostrati ad esempio della domanda di brevetto WO2014/199202A1.

Dentature di questo tipo non risultano formabili con l'utilizzo di macchine dentatrici tradizionali, in particolare utilizzanti utensili creatori rotanti come sono stati noti fino ad oggi, fra cui sono comunemente note le dentatrici adottanti la formazione del dente con la tecnologia "sistema Pfauter".

D'altra parte, dentatrici operanti con tale sistema risultano vantaggiose in termini di produttività e semplicità di realizzazione, in questo senso più soddisfacenti di altre metodologie alternative note. Tuttavia, il tecnico esperto vede difficoltà nella utilizzazione della nota metodologia a utensile creatore rotante, se deve essere formata una dentatura asimmetrica in cui un fianco secondario del dente è concavo. In questi casi si viene a determinare una sorta di sottosquadro nel vano formato fra denti consecutivi, specialmente se a questa caratteristica si combina un'altezza dell'utensile particolarmente elevata {talvolta anche superiore a 4 volte il modulo normale), tale da comportare da parte di una sezione del creatore l'asportazione del dente generato da altra parte del creatore stesso,

E' stato sorprendentemente trovato che è possibile ottenere mediante una macchina dentatrice utilizzante un utensile creatore rotante una dentatura asimmetrica in cui ciascun dente, come sopra indicato, ha una configurazione asimmetrica che prevede un primo fianco attivo convesso con profilo sostanzialmente coniugato al profilo del dente di uguale configurazione di una ruota ingranante e un fianco secondario a profilo concavo per almeno una sua parte.

Scopo dell'invenzione è quello di trovare soluzione alla generazione di una dentatura su una ruota come sopra individuata mediante un utensile rotante per adottare un procedimento di generazione di elevata produttività e insieme individuare una configurazione di utensile rotante che sia ottenibile con tecniche di produzione di limitate complessità e costi, con l'utilizzo di macchine utensili di normale produzione. Secondo l'invenzione, il problema trova soluzione utilizzando l'utensile creatore rotante come definito nella rivendicazione 1.

L'invenzione concerne inoltre il procedimento di generazione di ruota dentata con denti a profilo asimmetrico utilizzante l'utensile creatore di cui alla rivendicazione 1.

Gli allegati disegni mostrano un esempio di attuazione dell'invenzione ed in essi:

- la fig.l mostra una vista generale schematica di un utensile creatore accoppiato a una ruota dentata in cui la dentatura è stata generata dall'utensile creatore; - la fig. 2 è una vista parziale in sezione dell'utensile creatore in accoppiamento con la dentatura da esso in generazione;

- la fig. 3 mostra schematicamente una sezione parziale del creatore;

- la fig. 4 rappresenta in sei viste schematiche, analoghe alla vista di fig. 3 e contrassegnate da a) a f) che illustrano sequenzialmente come operi l'utensile nella generazione di un dente della ruota dentata in formazione;

- la fig. 5 rappresenta la situazione in cui il dente di un normale creatore, realizzato secondo la tecnica nota per generare dentature simmetriche, può venire a trovarsi compenetrato nel vano fra due denti della ruota e a contatto con i fianchi di due denti consecutivi

- la fig. 6 mostra, in rappresentazione schematica una situazione analoga a quella della figura 5, come un creatore secondo la tecnica nota adatto a generare dentatura simmetrica interferisca con i denti di una ruota a denti asimmetrici quale 1'invenzione si propone di realizzare, asportandone il materiale.

Come mostrato nelle figure 1 e 2, la dentatura asimmetrica può essere intagliata da un creatore secondo la invenzione, indicato genericamente con 10, dotato di dentatura di taglio che si sviluppa elicoidalmente secondo un principio tradizionale nella tecnologia di esecuzione di dentature in ingranaggi mediante macchine dentatrici a creatore rotante. Per chiarezza di disegno, la dentatura elicoidale genericamente indicata con 11 è mostrata come continua, mentre nella pratica essa sarà interrotta da incavi che formano i taglienti che eseguono la asportazione del materiale dalla periferia della ruota 20 per formare in essi denti di ingranamento. Pertanto, il profilo della dentatura elicoidale del creatore mostrata nei disegni si deve intendere più precisamente come il profilo che costituisce inviluppo dei taglienti della dentatura. Ciascun dente 21 della ruota dentata 20 formato dal creatore 10 ha un fianco attivo A, il quale opera nel senso di trasmettere normalmente la spinta nei confronti di un dente di uguale configurazione di una uguale ruota non mostrata, ingranante con la ruota stessa, quando la ruota è operante nel dispositivo in cui è utilizzata, ad esempio lavorando come organo di trasferimento del fluido in una pompa ad ingranaggi. L'altro fianco del dente 21 è qui definito come fianco secondario e indicato con S, ed esso ha andamento complessivamente concavo, salvo che nel suo tratto terminale in prossimità della sua punta, ove assume per breve tratto andamento convesso per costituire raccordo del fianco concavo con il fianco attivo, definendo una punta del dente con spessore determinato.

Le caratteristiche di una ruota dentata che qui si considera in modo esemplificativo come destinata ad essere ottenuta secondo l'invenzione sono più dettagliatamente illustrate nel documento WO2014/199202A1, la cui descrizione si deve considerare facente parte della presente descrizione.

Questa particolare forma del dente 21 impedisce di usare un creatore di configurazione tradizionale, destinato a tagliare denti con fianchi simmetrici, o prossimi alla simmetria, di ingranaggi di uso corrente, ove entrambi i fianchi hanno un andamento a profilo coniugato essenzialmente convesso ed è adottata una altezza dente dell'ordine di 2-3 volte il modulo normale.

In questi creatori noti per la formazione di denti simmetrici di ingranaggi, il dente del creatore può venire a trovarsi compenetrato nel vano fra due denti della ruota e a contatto con i fianchi di due denti consecutivi della ruota quando si trova in corrispondenza di un vano che è portato in posizione definita dal raggio della ruota che interseca perpendicolarmente l'asse dell'utensile creatore, si veda a titolo di esempio la Fig, 5.

Nella ruota dentata a denti asimmetrici che deve essere realizzata secondo l'invenzione, invece, il fianco secondario del dente è concavo e conseguentemente il vano fra denti consecutivi forma un sottoquadro rispetto ad un raggio della ruota, cosicché non potrebbe essere estratto radialmente da questo vano il dente di un utensile creatore rotante con configurazione tradizionale, poiché la sua estrazione determinerebbe una asportazione di materiale utile del dente; questo effetto è schematicamente rappresentato in figura 6.

Inoltre, il dente del creatore tradizionale a configurazione costante dei suoi denti di taglio, penetrando nel vano fra denti consecutivi della ruota, asporterebbe in modo inaccettabile materiale del fianco attivo del dente della ruota, qualora avesse costantemente la altezza richiesta per il taglio del fianco secondario.

Il problema di intagliare sulla periferia di una ruota avente denti asimmetrici con fianco secondario concavo è risolto, in contrasto con una apparente impossibilità secondo le normali conoscenze di un tecnico, realizzando un utensile creatore configurato come mostrato nelle figure da 1 a 4,

Il creatore 10 opera sulla ruota per il taglio del dente in corrispondenza di una zona della ruota che si estende fra archi che si sviluppano ad entrambi i lati del raggio della ruota che è perpendicolare all'asse longitudinale del creatore, qui convenzionalmente indicato con Rp. In questa descrizione si indicherà come “sezione mediana" M-M del creatore la sezione trasversale di questo, su cui giace il raggio Rp restando inteso che tale sezione è disposta in posizione intermedia fra le estremità della dentatura elicoidale, ma non necessariamente a uguale distanza da tali estremità.

Il creatore opera pertanto lungo un arco di ingresso compreso fra i raggi Ri e Rp e un arco di uscita compreso fra i raggi Rp e Ru, indicati in figura 3.

In questa descrizione si definisce convenzionalmente come “ingresso" del percorso in cui il creatore opera il taglio del dente della ruota la zona in cui il materiale inizia ad essere asportato e con "uscita" la zona in cui il dente completamente generato abbandona il contatto con il creatore, quando il creatore e la ruota in lavorazione hanno sensi di rotazione come indicati nella figura

Il creatore è caratterizzato da un andamento conico in almeno una zona nel suo tratto che opera nell'arco di ruota che precede la intersezione con Rp, compresa fra Ri e Rp. Esso ha invece un tratto sostanzialmente cilindrico che opera sull'arco di ruota che è seguente alla intersezione con Rp, compreso fra Rp e Ru.

La dimensione radiale del creatore è intesa come la dimensione in corrispondenza della superficie che inviluppa la estremità dei denti del creatore stesso, indicata nel disegno con la linea spezzata I-I.

La porzione conica dell'utensile creatore non necessariamente deve interessare completamente ed esclusivamente la zona della dentatura elicoidale a partire dalla sua sezione mediana M-M verso la estremità, potendo il punto della linea I-I ove convergono i due segmenti fra loro convergenti con angolo a non coincidere esattamente con l'intersezione della linea spezzata I-I con il raggio Rp.

La dentatura del creatore ha un fianco CA destinato a asportare materiale della ruota 20 per formare il fianco attivo del dente 21 e un fianco CS destinato a asportare il materiale per formare il fianco secondario S del dente 21 della ruota.

La configurazione dei fianchi CA e CS dei denti è realizzata secondo leggi diverse.

Nella figura 3 sono mostrate cinque sezioni consecutive della dentatura dell'utensile creatore 10 giacenti sulla corrispondente sezione radiale dell'utensile creatore, numerate da 1 a 5, restando inteso che la dentatura del creatore è formata elicoidalmente, interrotta da intagli radiali che realizzano gli spigoli di taglio, come noto in questa tipologia di creatori rotanti. Si precisa inoltre che il numero di sezioni della dentatura elicoidale del creatore rappresentate in Figura 3 non deve essere considerato un parametro da considerarsi fisso per il creatore secondo l'invenzione e qui descritto a titolo esemplificativo: il numero di denti in ogni settore di taglio può essere inferiore o superiore a quanto rappresentato in Figura 3, in funzione del tipo e delle dimensioni dell'ingranaggio da realizzare, ma anche sulla base di considerazioni legate all'ottimizzazione del processo di dentatura.

Come si riconosce nelle figure, l'andamento del fianco CA della dentatura 11 del creatore 10 resta costante nelle varie sezioni 1-5 della dentatura, pur tenendo conto della altezza variabile della dentatura. Infatti, il fianco CA è destinato ad asportare materiale per generare il fianco attivo A del dente della ruota, che ha un profilo coniugato tipico anche di una dentatura a profilo simmetrico, ed è destinato ad operare in appoggio sul corrispondente fianco di una ruota uguale, secondo la legge cinematica propria dei profili coniugati dei denti di ingranaggi.

In particolare, risulta costante il passo fra i fianchi CA nella dentatura elicoidale del creatore ed esso è indicato con PI in figura 3.

Inoltre, il passo P2 fra i fianchi CS della dentatura non è invece costante lungo tutta la dentatura elicoidale del creatore. Il passo P2 fra i fianchi CS nel filetto della dentatura 11 deve essere maggiore del passo PI fra i fianchi CA. Questa differenza di ampiezza dei passi PI e P2 determina evidentemente un progressivo aumento dello spessore della dentatura elicoidale.

Tale passo con riferimento alle varie sezioni 1-5 è indicato nella figura 3 come P2.1, P2.2, P2.3, P2.4. Il passo P2.1 deve essere minore di P2.2 e i passi P2.3, P2.4 non devono essere maggiori di P2.2.

Il fianco CS della dentatura 11 deve essere ribassato rispetto alla configurazione che assume in corrispondenza della sezione finale 1 della dentatura elicoidale 11, nelle sezioni che precedono tale sezione finale, in particolare nella zona della dentatura del creatore corrispondente alle sezioni 3, 4 e 5 che operano nell'arco della ruota compresa fra i raggi Ri e Rp.

Inoltre, è sostanzialmente costante l'altezza della dentatura in corrispondenza delle sezioni di dentatura 1 e 2, quindi nella zona della dentatura 11 che opera sull'arco di ruota in lavorazione che ha superato la posizione individuata del raggio Rp, mentre è marcatamente variabile la altezza delle sezioni della dentatura indicate con 3, 4 e 5.

L'angolo a fra il segmento della linea I-I che è tangente alla punta della dentatura del creatore nel suo tratto conico (interessante le sezioni della dentatura indicate con 3, 4 e 5 in figura 3) è scelto in modo tale che la dentatura del creatore all'ingresso (sezioni 4 e 5 in particolare) non conduca ad una configurazione di questi denti che comporti una loro zona di punta troppo sottile.

Questa minor altezza del dente nella zona che si è convenzionalmente definita di ingresso e dei successivi denti del creatore, che impone la configurazione conica di una porzione longitudinale dell'utensile creatore è dovuta al fatto che i denti della ruota dentata hanno fra loro un passo che è inferiore al passo che competerebbe ai denti di una ruota avente denti simmetrici con profilo coniugato A, come illustrato nella citata domanda WO2014/199202A1 a nome della stessa richiedente. Il ridotto passo fra i denti riduce l'ampiezza del vano fra denti consecutivi, e questo effetto viene esaltato dalla configurazione concava del profilo secondario S, determinando la necessità di ridurre l'altezza della sezione della dentatura 11 ove essa inizia l'asportazione del materiale dalla ruota 20 in lavorazione, e definita di ingresso in considerazione del senso presupposto di rotazione dell'utensile creatore e della ruota nella descrizione della forma di realizzazione qui descritta.

Tuttavia, il tecnico comprende che la generazione può avvenire come sopra illustrato o, in alternativa, con inversione dei sensi di rotazione dell'utensile creatore e della ruota. Corrispondentemente si invertiranno le zone che si sono definite come “ingresso" e “uscita" dell'arco in cui il creatore opera per generare la dentatura della ruota. In entrambi i casi, la configurazione conica della dentatura elicoidale del creatore ove opera sulla ruota nella zona fra i raggi Rp e Ri impedisce che il dente della ruota venga distrutto durante la generazione. Con tutta evidenza, la corretta generazione può avvenire esclusivamente per un determinato posizionamento della sezione mediana della dentatura del creatore rispetto al raggio Rp della ruota dentata. Da quanto sopra illustrato risulta che il creatore secondo l'invenzione è dotato di una dentatura con andamento elicoidale a fianchi asimmetrici e a sagoma variabile lungo l'asse, in cui:

la dentatura ha sezione massima in corrispondenza della estremità in uscita dal taglio, al contrario di quanto avviene nella tecnica nota secondo la quale è presente almeno un dente completo nella posizione centrale allineata al centro ruota, ovvero in corrispondenza del raggio RP;

sono presenti sezioni della dentatura, almeno in un numero limitato di filetti, a spessore via via crescente, la caratteristica essendo ottenuta aumentando il passo P2 del fianco secondario CS rispetto al passo primario PI {P2 > PI);

la dentatura elicoidale 11 del creatore ha inviluppo sostanzialmente cilindrico per una sua porzione longitudinale e inviluppo conico per altra porzione longitudinale.

La geometria della dentatura dell'utensile secondo l'invenzione e la sua profonda differenza rispetto alla geometria della dentatura degli utensili tradizionali per il taglio di dentature possono essere ulteriormente identificate considerando in essa il passo base.

Come noto, il passo base è la distanza fra profili omologhi di denti consecutivi, misurata lungo la retta di azione.

Nelle dentature simmetriche tradizionali, il passo base Pb ha valore Pb = P σοεβ, indicando con β l'angolo di inclinazione della retta di azione rispetto alla tangente alla circonferenza primitiva. Pertanto il passo base Pb è generalmente minore del passo trasversale P .

Nella dentatura dell'utensile secondo l'invenzione, come rappresentato in fig. 3, il passo base Pb fra i fianchi OS destinati a tagliare i fianchi secondari della ruota non risulta minore del rispettivo passo trasversale .

In particolare, il passo trasversale P2,1 fra i fianchi CS dei denti 1 e 2 è sostanzialmente minore del rispettivo passo base Pb2,l. Dalle sperimentazioni condotte dalla richiedente, è emerso conveniente che il rapporto fra il passo trasversale e il passo base è convenientemente scelto come maggiore di 1, in particolare compreso fra 1,02 e 1,05.

In generale, il passo base fra i fianchi CS dei denti dell'utensile è preferibilmente maggiore a riguardo di tutti i denti, sempre misurato in corrispondenza della linea di riferimento della dentatura dell'utensile, che si può considerare passante in prossimità della posizione centrale rispetto all'altezza del dente.

Il modo in cui opera il creatore illustrato nelle figure 2 e 3 è meglio illustrato nella fig. 4 che mostra sei fasi successive del procedimento di taglio che può essere condotto con l'utensile creatore rotante sopra descritto. Tali fasi sono contrassegnate con a, b, c, d, e f, sempre considerando i sensi di rotazione di ruota e utensile creatore come sopra descritti a titolo esemplificativo ma non limitativo.

Appare chiaro dalla figura come il fianco attivo o principale dei denti della ruota sia effettivamente generato per inviluppo, ovvero coniugato alla dentatura generata, mentre buona parte del profilo secondario è ottenuto tramite lo sfruttamento di varie interferenze di taglio, che progressivamente asportano quanto viene generato per inviluppo, fenomeno usualmente evitato nel progetto dei creatori. Da ciò deriva che il fianco secondario del creatore non può essere definito come coniugato e quindi non si può dire che il fianco secondario del creatore sia coniugato al fianco secondario della dentatura nel senso rigoroso del termine.

Si nota così più chiaramente come l'aumento progressivo dello spessore del dente del creatore, considerato che resta costante il passo fra i fianchi CA, riduce progressivamente il passo fra i fianchi Cs. Questo aumento dello spessore del dente permette ai denti del creatore di asportare il materiale del dente della ruota in corrispondenza del lato che deve assumere la configurazione del fianco concavo S quando il dente 21 della ruota supera la posizione allineata con il raggio Rp e il dente della ruota inizia ad estuarsi dal vano fra i denti del creatore, permettendone la estrazione senza interferenza che possano alterare il previsto andamento dei fianchi A e S.

Si nota dalla figura 4 a)-f) che, con la proposta configurazione dell'utensile creatore e con lo specifico sviluppo della dentatura rispetto al raggio Rp la zona di contatto e taglio fra il fianco Cs del dente del creatore e il fianco S del dente della ruota ha orientamento assai prossimo al parallelismo con Rp. Questo conduce a ottenere uno sfilamento senza interferenza del dente della ruota, nonostante la configurazione concava del fianco S, raggiungendo in questo modo lo scopo prefissato.

E' inteso che la posizione assiale del creatore è mantenuta fissa e definita rispetto all'asse della ruota in generazione considerando che la forma dei denti del creatore varia con continuità lungo lo svolgimento elicoidale.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1) Utensile creatore rotante per generare una dentatura asimmetrica in una ruota dentata in cui ciascun dente (21) ha un fianco attivo (A) con profilo convesso coniugato con il profilo di un dente di una controruota dentata ingranante con la ruota e un fianco secondario (S) concavo, caratterizzato dal fatto di essere dotato di una dentatura (11) con andamento generalmente elicoidale la quale si estende da un lato e dall'altro rispetto a una sezione mediana (M-M) dell'utensile destinata ad essere intersecata dal raggio Rp della ruota che è ortogonale all'asse di rotazione dell'utensile operante sulla ruota per generare i denti di essa, la dentatura elicoidale presentando un primo fianco (CA) determinante spigolo tagliente destinato a generare detto fianco attivo (A) dei denti della ruota e un secondo fianco (CS) determinante spigolo tagliente destinato a generare il fianco secondario (S), il passo (PI) fra lo spigolo tagliente del primo fianco (CA) della dentatura elicoidale essendo costante e il passo (P2) fra lo spigolo tagliente del secondo fianco della dentatura essendo maggiore del passo (PI) e variabile lungo la direzione assiale dell'utensile.
2. 2) Utensile creatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il passo (P2) è decrescente in una zona dell'utensile compresa fra detta sezione mediana e una prima delle estremità della dentatura così determinando un corrispondente incremento dello spessore della dentatura con andamento non linearmente progressivo.
3. 3) Utensile creatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la sezione della dentatura dalla quale inizia a decrescere il passo fra le parti effettivamente taglienti dei secondi fianchi della dentatura è posizionato tra la sezione mediana {M-M) e detta prima estremità dell'utensile.
4. 4) Utensile secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il passo <P2) della dentatura elicoidale in corrispondenza del secondo fianco (CS) destinato a generare il fianco secondario (S) concavo della ruota è mediamente maggiore del passo (PI) costante della dentatura elicoidale in corrispondenza del primo fianco (CA) destinato a generare il fianco (A) attivo convesso del dente della ruota.
5. 5) Utensile secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'altezza della dentatura elicoidale (11) è decrescente almeno in una porzione della dentatura elicoidale opposta a detta prima estremità.
6. 6) Utensile secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che l'altezza della dentatura elicoidale è decrescente nella parte della zona dell'utensile compresa fra detta sezione mediana e la seconda estremità della dentatura più prossima alla prima estremità.
7. 7) Procedimento di generazione di una dentatura asimmetrica in una ruota dentata, in cui ciascun dente (21) ha un fianco attivo (A) con profilo convesso coniugato con il profilo di un dente di una controruota dentata ingranante con la ruota e un fianco secondario (S) concavo, caratterizzato dal fatto che un utensile generatore secondo una o più delle rivendicazioni 1-6 è fatto ruotare per il taglio della dentatura in impegno di taglio con la ruota, l'utensile essendo mantenuto in posizione assialmente fissa con una sua sezione mediana M-M allineata con il raggio Rp della ruota che interseca ortogonalmente l'asse di rotazione dell 'utensile .