Il bloccaggio delle parti cilindriche

Il bloccaggio delle parti cilindriche – Gli accoppiamenti cilindrici rappresentano configurazioni di montaggio molto diffuse nella pratica costruttiva. Questi assiemi sono spesso realizzati con l’ausilio di adesivi che contribuiscono a migliorarne la resistenza.

Introduzione
Gli adesivi rappresentano un valido aiuto nella realizzazione degli accoppiamenti cilindrici. Anzi molto spesso questa tecnologia di montaggio sostituisce completamente il montaggio per forzamento. I vantaggi che si ottengono utilizzando gli adesivi sono molteplici e tra i principali ricordiamo la possibilità di eliminare il materiale in eccesso richiesto per ottenere l’accoppiamento forzato, la riduzione dei costi di lavorazione

e la produzione di assiemi più solidi e precisi. Non bisogna poi dimenticare che l’adesivo, interposto tra le superfici, funge da conduttore di calore e quindi aiuta a dissipare l’energia termica dell’assieme. L’adesivo permette inoltre una perfetta sigillatura dell’accoppiamento assicurando la tenuta nei confronti dei fluidi. Le applicazioni più diffuse degli accoppiamenti cilindrici sono il montaggio di cuscinetti nelle sedi e sugli alberi, il montaggio dei rotori, degli ingranaggi, delle ruote dentate e delle pulegge.

Altri esempi sono rappresentati dalle chiavette e dalle viti di fermo nonchè il fissaggio di tubi in pezzi fusi. In ultimo non bisogna trascurare la possibilità offerta sempre dagli adesivi di poter recuperare eventuali stati di usura in particolari, di macchine utensili, datati e consumati. Generalizzando maggiormente il discorso possiamo classificare quattro tipi di assiemi cilindrici: quelli che vengono accoppiati per contatto di forma (come, ad esempio, nelle chiavette), le unioni per attrito (montaggi con forzamento), i corpi uniti con processi di saldatura e brasatura e quelli montati con l’uso di adesivi.

Bloccaggi cilindrici per contatto di forma

Sono assiemi facili da montare e smontare e possono trasmettere coppie elevate; sono però soggetti all’effetto di intaglio dovuto alla presenza di spigoli vivi. Inoltre quando tali giunti devono sostenere frequenti cicli di carico e scarico subiscono un effetto di usura delle superfici e di conseguenza aumenta la corrosione da sfregamento.

Bloccaggi cilindrici per attrito
Si tratta di accoppiamenti fatti alla pressa ed in generale forzati a caldo; in realtà appartengono a questo genere di giunti anche gli accoppiamenti di corpi cilindrici e conici. L’attrito che nasce dalle pressioni locali di contatto rappresenta l’unico elemento che garantisce la trasmissione della coppia; ciò implica quindi una forte dipendenza dal tipo di materiale, dalle geometrie e dal tipo di superfici che vengono a contatto.

Per tali accoppiamenti inoltre sono richieste tolleranze molto strette utili ad ottenere specifici livelli di attrito; ciò causa un incremento notevole dei costi di produzione. Il loro smontaggio non è semplice e a volte risulta del tutto impossibile a causa della corrosione da contatto e sfregamento

Saldatura e brasatura
I vantaggi offerti da queste due tecniche sono indiscutibili ma è bene tener presente che non sono molti i materiali adatti per questi metodi. Inoltre le parti che vengono unite assieme possono subire distorsioni a seguito delle elevate temperature richieste.

Utilizzo degli adesivi
Possiamo distinguere due tipi principali di accoppiamenti: quelli liberi e quelli ad interferenza. Nel primo caso è solo l’adesivo polimerizzato a trasmettere il carico e la coppia mentre nel secondo contribuisce anche l’attrito. Come avviene per il caso della saldatura e della brasatura gli accoppiamenti con adesivo generano una connessione interfacciale ideale grazie al passaggio di stato da liquido a solido che permette di riempire il giunto. Gli adesivi richiedono poi, come già annunciato in precedenza, tolleranze di lavorazione meno esasperate e la loro capacità sigillante, isolante e strutturale scongiura la possibilità che nascano cricche per sfregamento all’interno del giunto.

L’applicazione degli adesivi
Per quanto riguarda le modalità di applicazione degli adesivi vanno tenute presenti due regole sostanziali: bisogna evitare di asportare l’adesivo applicato durante l’assemblaggio delle parti in quanto eventuali correzioni effettuate durante il processo di polimerizzazione porteranno alla distruzione di catene polimeriche che si sono già formate. Inoltre quando si montano le parti cilindriche è possibile che i bordi spingano fuori l’adesivo. Questo si evita utilizzando smussi di invito compresi tra i 15° e i 35° ottenendo così una buona capacità di bagnatura.

Calcolo della resistenza dei giunti cilindrici incollati (esempio sviluppato con LOCTITE 661)
LOCTITE ha messo a punto una metodologia di calcolo in grado di predire, in prima approssimazione, la resistenza del giunto. La forza statica trasmissibile è calcolabile come:mentre la coppia, sempre statica, è data da:

essendo F la forza di spinta in [kN], M la coppia in [Nm], d il diametro del giunto in [mm], l la lunghezza dell’incollaggio in [mm], ?_B2 la resistenza statica al taglio del materiale in [N/mm²], f il prodotto di una serie di fattori di correzione, P la pressione di contatto radiale [N/mm²] e ? il coefficiente di attrito. Il fattore f è calcolabile a sua volta come: Questi coefficienti rappresentano rispettivamente l’influenza, nell’accoppiamento, del tipo di materiale, del tipo di montaggio, delle tolleranze, della geometria del giunto, della temperatura di funzionamento, dell’invecchiamento a causa del calore e dell’ambiente di funzionamento.

Fattore correttivo f₁
Come già detto prende in considerazione i materiali che vengono a contatto nel giunto; i valori che può assumere sono:
acciaio = 1
ghisa = 0.8
acciaio legato = 0.9
acciaio inox = 0.8
alluminio = 0.5
rame e sue leghe = 0.4
superfici di metallo placcate = 0.2.
Qualora si abbia a che fare con due materiali diversi si deve assumere il valore più basso.

Fattore correttivo f₂
Serve per considerare il tipo di montaggio. Il coefficiente vale 1 per l’accoppiamento libero, 0.5 per il montaggio alla pressa e 1.2 per l’accoppiamento forzato a caldo.

Fattore correttivo f₃
Per la determinazione di questo coefficiente, che tiene conto del tipo di accoppiamento, si utilizza il diagramma seguente:

Fattore correttivo f₄
Con questo quarto coefficiente si prende in considerazione l’area di incollaggio. La sua determinazione avviene mediante il grafico seguente:

Fattore correttivo f₅
Anche la temperatura influisce in modo determinante sulla resistenza dell’accoppiamento. Il coefficiente è definito come il rapporto tra la resistenza dell’adesivo, in valore percentuale rispetto a quella a temperatura ambiente, ed un valore di riferimento preso pari a 100. Per la determinazione di questo coefficiente, comunque, LOCTITE fornisce adeguati grafici di facile utilizzazione. In questo caso avendo sviluppato più avanti un esempio numerico con il prodotto LOCTITE 661, il grafico da utilizzare è quello indicato in figura seguente:

Fattore correttivo f₆
La permanenza a temperature superiori a quella ambiente provoca una diminuzione di resistenza dell’adesivo; questa caratteristica viene definita “invecchiamento”. Il coefficiente è definito come f5 ossia da un rapporto percentuale. Per la sua determinazione si utilizzano gli appositi diagrammi forniti da LOCTITE (in questo caso quello di figura seguente) e si calcola il rapporto:

Fattore correttivo f₇
Si tiene infine conto dell’ambiente in cui il giunto si trova ad operare. Anche in questo caso si definisce il rapporto:

Rugosità superficiale
Il problema della rugosità superficiale si ricollega al discorso sviluppato in merito alle minori tolleranze di lavorazione. Per il montaggio con forzamento, infatti, è richiesta una rugosità di circa 4  mentre per i giunti incollati è sufficiente una rugosità di 15÷40  ?m.

Resistenza alla fatica
Anche in questo caso LOCTITE ha messo a punto una veloce e semplice metodologia di calcolo che cerca di prevedere la resistenza a fatica in funzione dei carichi statici. E’ possibile allora effettuare tale verifica calcolando la forza e la coppia da confrontare con le sollecitazioni in esercizio. In particolare per la forza e per il momento abbiamo:con K_da=0.12, K_dt=0.30 per accoppiamenti liberi e K_dt=0.35 per montaggi con interferenza con adesivo.

Esempio di calcolo di un giunto
Si vuole calcolare il momento trasmissibile da una ruota dentata in acciaio montata su un albero in acciaio inossidabile da 16mm di diametro.

La coppia massima richiesta è di 8 Nm operando in una ambiente di olio caldo ad una temperatura massima di 100 °C. L’accoppiamento proposto ha un gioco massimo di 0.045 mm ed una lunghezza di incollaggio di 12 mm. Si faccia uso del prodotto LOCTITE 661.

Sviluppo del calcolo
Si stabiliscono i fattori di correzione da utilizzare; per f₁ si sceglie 0.8 essendo 1 il valore per l’acciaio. L’accoppiamento è con gioco e pertanto il fattore f₂ risulta pari a 1. Utilizzando quindi il grafico sopra si può stabilire f₃=1 essendo il gioco pari a 0.045 mm. Si prosegue quindi analizzando il problema relativo alla temperatura di funzionamento, (100 °C in questo caso) e si assume f₅=0.85 ipotizzando di avere una resistenza ridotta del 15% rispetto ai 20 °C. Procedendo nella determinazione degli altri coefficienti come indicato ai paragrafi precedenti si ottiene: f₆=f₇=1. Il risultato  che quindi si ottiene è:

mentre per quanto riguarda la verifica finale a fatica si ha:

da cui deriva un coefficiente di sicurezza di:

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