A new approach to repair industrial gears damaged by surface degradation

Industrial gears in their majority are expensive by two reasons: they are usually large and they are manufactured in batches of small quantities or even individually. However, a great quantity of industrial gears is prematurely discarded by surface degradation, a set of failure modes that could be removed if a proper approach gives solutions to repair them. Great effort is spent on the development of new materials, heat treating, manufacturing processes and surfaces finishing to improve the gear performance and production. However there is a lack of research in the field of repairing used gears to bring them longer life and durability, despite the fact it is an active practice provided by the maintenance servicing companies and by the aftersales department of gear manufacturers. Gears made with involute profile teeth have the property that a mating gear can be manufactured to work with, even if their profiles are shifted by a correction, keeping the desired backlash. For a long time, the repair of a gear was restrict to the modification of the profile shift coefficient, and the modification of the pressure angle was impracticable due to the kinematics limitations of the conventional gear machinery and the cost of fabrication of the gear cutters. The following points enable the application of new types of modification for the refurbishment of gears with great accuracy, in a timely manner and saving costs: • The coming of CNC machine centers with multi axes and CNC Gear Grinding machines; • The development of new cutting tool materials which are able to machine parts with surfaces hardness more than 60 HRC; • The advancements in reverse engineering; • The improvement of speed processors of the computers. Therefore, this research has intended to provide a new and pragmatic approach to repair industrial gears, creating a criterion of acceptance between gears that are no longer useful and gears that can be reused. The approach eliminates gears that present deep damages and the successive stages focus on superficial failure modes that might be removed by the modification of the gear tooth profile geometry. Differently from the repairing procedures of the past, which deals only with the modification of the profile shift coefficient, this new approach includes the pressure angle modification. A program is developed to give two repair alternatives - remove the damage with less stock removal during the machining/grinding process or remove the damage and increase gear tooth strength. The gear tooth geometry, the gear failure modes, the gear tooth modifications, as well as the gear manufacturing processes are thoroughly studied to achieve the more convenient method to overhaul and repair the gear.

Gli ingranaggi industriali sono in molti casi assai costosi per due motivi: per le grosse dimensioni e per il processo di fabbricazione in piccoli lotti se non addirittura, in alcuni casi, in esemplari singoli. Per quanto riguarda il ciclo di vita, emerge che una grande quantità di ingranaggi industriali vengono dismessi prematuramente per avarie di danneggiamento superficiale, cioè per un insieme di modalità di cedimento che, in una parte significativa dei casi, potrebbero essere rimosse qualora si identifichi un opportuno approccio a soluzioni di riparazione. Grande attenzione e risorse sono state dedicate allo sviluppo di nuovi materiali, ai trattamenti termici, ai processi di lavorazione e finitura superficiale, al fine di migliorare le prestazioni del prodotto mentre invece poche ricerche si sono concentrate sulle possibilità di ripristino degli ingranaggi con la finalità di estenderne il ciclo di vita e la durabilità, nonostante questa sia una pratica abitualmente utilizzata dalle officine specializzate nella manutenzione di riduttori e dai costruttori dotati di dipartimenti “aftersales”. Gli ingranaggi con profilo ad evolvente hanno la proprietà di poter realizzare una nuova coppia di ruote anche in seguito alla modifica del profilo di una delle due ruote, mantenendo lo stesso gioco di progetto, a patto di sostituire la ruota coniugata con una appositamente progettata. Per molto tempo, tale pratica si è limitata al recupero di ingranaggi basato sul solo intervento di modifica per spostamento dei profili e la modifica dell’angolo di pressione era invece impraticabile per motivi di limitazione cinematica delle macchine utensili convenzionali e per l’elevata incidenza del costo di produzione dei creatori, che sarebbero stati da realizzare appositamente per i singoli interventi. Tuttavia, in tempi recenti, si sono affacciate sulla scena soluzioni tecnologiche che permettono l’applicazione di nuovi approcci alle modifiche per il ripristino degli ingranaggi, con possibilità di ottenimento di tolleranze accettabili, in tempi ragionevoli e con notevole risparmio sui costi. In particolare si evidenziano i seguenti punti: • Lo sviluppo di processi di lavorazione degli ingranaggi su centri di lavoro a 4 o 5 assi a controllo CNC e le rettifiche di ingranaggi a CNC; • Lo sviluppo di nuovi utensili per impieghi universali, cioè non dedicati unicamente al taglio di dentature, che sono in grado di lavorare superfici con durezza oltre 60HRC; • L’evoluzione dei metodi di Reverse Engineering; • La disponibilità di Software e Hardware sempre più performanti da utilizzare per il calcolo della soluzione più adatta. Alla luce delle precedenti considerazioni, la ricerca condotta ha avuto lo scopo di proporre un nuovo approccio pragmatico al recupero di ingranaggi industriali, basato sulla definizione di un criterio di accettabilità, per discriminare tra gli ingranaggi non più riutilizzabili e quelli che invece possono essere recuperati. Sulla base del criterio si eliminano le ruote dentate che presentano danneggiamenti superficiali troppo profondi per poter essere recuperati, differenziandoli da quelli che invece permettono di realizzare una nuova dentatura accettabile, applicando una modifica del profilo, ottenuta rimuovendo materiale dalla superficie danneggiata. Diversamente dai processi di recupero adottati nel passato, che prevedevano unicamente lo spostamento del profilo, questo nuovo approccio include anche la modifica dell’angolo di pressione tra gli interventi utilizzabili. E’ stato sviluppato un programma di calcolo che permette di esplorare diverse soluzioni e, in particolare, di proporre al cliente l’alternativa tra la semplice rimozione del danneggiamento con il minore asporto di materiale possibile durante il processo di lavorazione e rettifica e la rimozione del danneggiamento con miglioramento della resistenza del dente. L’individuazione dei criteri di intervento e di accettabilità si è basata su un attento studio che ha coinvolto la geometria del profilo de dente dell’ingranaggio, le modalità di cedimento degli ingranaggi, le modifiche del dente, così come i processi di lavorazione, con l’obbiettivo di definire un metodo economicamente vantaggioso per l'ispezione e il recupero degli ingranaggi.