Camme per torni plurimandrini: profilo, materiali e criteri di riprogettazione

Come la legge di moto, il materiale e il trattamento termico di una camma determinano il tempo ciclo, la vita utensile e la qualità del pezzo su un plurimandrino meccanico.

Il moltiplicatore nascosto del tempo ciclo

Su un tornio plurimandrino a camme — Gildemeister, Schütte, Mori-Say, Wickman, Index — il tempo ciclo è dettato dalla stazione più lenta. Se quella stazione impiega 0,3 secondi in più del necessario per un raccordo camma mal progettato, su un lotto da 500.000 pezzi si perdono oltre 40 ore di produzione. Non è il mandrino che rallenta: è il profilo.

Eppure la camma è spesso l’ultimo componente a cui si dedica attenzione progettuale. Si ordina “come la precedente”, si replica un profilo vecchio di vent’anni, e i problemi — vibrazioni, usura, fuori tolleranza — vengono attribuiti ad altro. Questo articolo mette ordine: leggi di moto, materiali, trattamenti termici e criteri per decidere quando riprogettare.

Leggi di moto: cosa cambia davvero sul profilo

La legge di moto definisce come si muove il cedente (la slitta portautensile) durante la rotazione dell’albero a camme. Non tutte le leggi sono equivalenti: ciascuna ha un diverso compromesso tra velocità di picco, accelerazione massima e jerk (la derivata dell’accelerazione). Il jerk è il parametro critico: un jerk infinito genera un impulso di forza istantaneo che eccita le vibrazioni nel treno cinematico [1].

La legge fondamentale della progettazione camme stabilisce che posizione, velocità e accelerazione del cedente devono essere continue, e il jerk deve essere finito. Se questa condizione non è rispettata, il meccanismo produce urti, vibrazioni, rumore e usura accelerata [1][2].

La tabella seguente confronta le leggi di moto più utilizzate. I coefficienti Cv, Ca e Cj sono adimensionali e permettono il confronto diretto a parità di corsa e angolo di lavoro [2][3].

Tab. 1 — Valori caratteristici delle principali leggi di moto per camme (dwell-to-dwell). Cv, Ca, Cj sono coefficienti adimensionali normalizzati [2][3].

In pratica: la cicloidale è la scelta più sicura per torni ad alta velocità, perché il jerk è continuo e le vibrazioni residue nella fase di sosta sono minime. La trapezoidale modificata ha l’accelerazione di picco più bassa — utile quando la massa del treno cedente è elevata — ma il jerk discontinuo può generare vibrazioni [2]. La sinusoidale modificata (Neklutin) offre la velocità di picco più bassa ma il jerk più elevato: è comune negli intermittori ma rischiosa ad alta velocità [3].

Angolo di pressione: il limite geometrico da non superare

L’angolo di pressione φ è l’angolo tra la direzione del moto del cedente e la normale al profilo della camma nel punto di contatto. Rappresenta l’efficienza con cui la camma trasmette il moto: quando φ = 0° tutta la forza va nel moto utile; quando φ = 90° il cedente non si muove [1][4].

Per cedenti traslanti (slitte), il limite pratico è φ ≤ 30°. Per cedenti oscillanti su braccio, si accettano fino a 35°. Oltre questi valori, l’attrito aumenta fino a rischiare il grippaggio della guida [4]. Se l’angolo di pressione calcolato supera il limite, le opzioni sono due: aumentare il raggio del cerchio base (camma più grande) oppure distribuire la corsa su un arco di rotazione maggiore [4].

Questo è un punto chiave per chi replica camme “come la precedente”: se il profilo originale era al limite e nel frattempo le guide si sono consumate, l’angolo di pressione effettivo può essere già oltre la soglia critica.

Materiali e trattamenti termici: scegliere in base al carico

La camma lavora in condizioni di contatto ciclico sotto carico: il meccanismo di cedimento è la fatica da contatto (pitting), innescata da microcricche superficiali quando lo stress hertziano supera il limite del materiale [5][6]. La scelta del materiale e del trattamento termico determina la vita della camma.

Tab. 2 — Materiali e trattamenti termici per camme di torni plurimandrini. Valori di durezza da specifiche di trattamento standard [6][7][8].

Il 16MnCr5 cementato (EN 10084, W.Nr. 1.7131) è il riferimento per camme ad alto carico e grandi serie. La cementazione a 880–930 °C seguita da tempra in olio produce uno strato superficiale martensitico a 58–62 HRC, con un nucleo tenace a 30–35 HRC che assorbe gli urti [7]. Lo spessore dello strato cementato è tipicamente 0,5–1,2 mm [7].

Il 42CrMo4 nitrurato è l’alternativa quando la distorsione post-trattamento è inaccettabile: la nitrurazione avviene a temperature più basse (500–580 °C) e produce meno deformazione, ma lo strato duro è più sottile (0,3–0,5 mm) [8].

Un aspetto spesso trascurato: il cedente (rullo o piattello) deve essere almeno 2 HRC più duro della camma. Se la durezza relativa è corretta, il rullo tende a lucidare la superficie della camma, estendendone la vita [5][6].

Diagnostica: quando la camma è il problema

I problemi legati alle camme si manifestano spesso come difetti sul pezzo o come usura utensile anomala, e vengono attribuiti ad altre cause. La tabella diagnostica seguente aiuta a risalire alla camma come origine del problema.

Tab. 3 — Tabella diagnostica sintomo → causa → azione per problemi legati a camme su plurimandrini [1][5][6].

Criteri per decidere quando riprogettare

Sostituire una camma usurata con una copia identica è la scelta più rapida. Ma non è sempre la più efficace. La riprogettazione ha senso in situazioni specifiche.

Tab. 4 — Criteri decisionali per la riprogettazione di camme su torni plurimandrini.

La riprogettazione parte sempre da un rilievo del profilo esistente (comparatore o macchina di misura) e da un’analisi del diagramma corsa-angolo. Confrontare il profilo reale con quello teorico permette di quantificare l’usura e decidere se la semplice sostituzione è sufficiente o se serve intervenire sulla legge di moto, sul materiale o su entrambi.

Conclusioni

Tre cose da portare in officina lunedì mattina. Primo: se avete vibrazioni ricorrenti su una stazione, controllate la legge di moto della camma prima di sostituire l’utensile — un profilo con jerk infinito (armonica semplice) è spesso il colpevole nascosto. Secondo: una camma in C45 temprata a induzione con durezza inferiore a 55 HRC su un ciclo da centinaia di migliaia di pezzi è sottodimensionata — valutate il passaggio a 16MnCr5 cementato. Terzo: quando il tempo ciclo della stazione critica non scende più, la camma è il primo posto dove cercare margine, non l’ultimo.

MadTools progetta e produce camme standard e a disegno per torni plurimandrini Gildemeister, Schütte, Mori-Say, Wickman e Index. Il reparto di 5 progettisti analizza il ciclo di lavoro, definisce la legge di moto ottimale e seleziona materiale e trattamento in funzione del carico e della durata richiesta.

Fonti e riferimenti

[1] R.L. Norton, Cam Design and Manufacturing Handbook, Industrial Press, 2009. Cap. 8–10: leggi di moto, dinamica e vibrazioni.

[2] Nolte NC-Kurventechnik, “Motion Laws for Cam Gears and Servo Drives” — tabella valori caratteristici Cv, Ca, Cj per leggi di moto normalizzate. nolte-nc-kurventechnik.de

[3] H. Qiu et al., “Design and analysis of high-speed cam mechanism using Fourier series”, Mechanism and Machine Theory, Vol. 104, 2016, pp. 118–129. ScienceDirect.

[4] R.L. Norton, Design of Machinery, McGraw-Hill, 2020. Cap. 7: angolo di pressione e dimensionamento del cerchio base.

[5] P. Folęga et al., “Impact of the cam and follower cooperation and of lubrication on wear”, Archives of Materials Science and Engineering, Vol. 58(2), 2012, pp. 211–218.

[6] ISO 6336 Part 5 — Limite di resistenza al contatto per acciai con diversi trattamenti termici. Tabella stress di contatto ammissibili per cementazione, nitrurazione e tempra.

[7] EN 10084:2008 — Acciai da cementazione: 16MnCr5 (1.7131). Durezza superficiale dopo cementazione e tempra: 58–62 HRC; profondità strato: 0,5–1,2 mm.

[8] M. Yang, H. You, R.D. Sisson, “Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing of Quenched and Tempered Steels”, Proc. HT2021, ASM International, 2021.