Il lavoro svolto da un perno di posizionamento all'interno di uno stampo o di un dispositivo
Un perno di posizionamento, chiamato anche perno di centraggio o perno di allineamento, esiste per garantire che due componenti accoppiati ritornino esattamente nella stessa posizione ogni volta che vengono riuniti. In uno stampo a iniezione, ciò significa che le metà del nucleo e della cavità si chiudono perfettamente, ciclo dopo ciclo; in una matrice per stampaggio, significa che la piastra del punzone e la matrice rimangono allineate colpo dopo colpo; in un dispositivo di saldatura o in una maschera di assemblaggio, significa che ogni pezzo lasciato cadere sull'utensile atterra nello stesso orientamento dell'ultimo. Il perno in sé di solito ha un aspetto insignificante: un cilindro corto di acciaio temprato, a volte con un gradino o una piccola flangia a un'estremità, in genere da 4 a 25 mm di diametro e raramente più lungo di 150 mm. Ciò che lo rende fondamentale è che garantisce da solo la precisione di posizionamento dell'intero strumento. Se il diametro, la rettilineità o la finitura superficiale del perno si discosta anche di pochi micron dalle specifiche, l'errore non rimane contenuto: si manifesta come bava su una parte stampata, uno spostamento dimensionale su una staffa stampata o un dispositivo che smette lentamente di ripetersi da uno spostamento a quello successivo. Ecco perché un perno di posizionamento ottiene il tipo di attenzione individuale e pratica - calibro in una mano, micrometro nell'altra - che spesso un componente di uno strumento molto più grande e costoso non riceve.
La scelta dei materiali e il trattamento termico stabiliscono il limite massimo delle prestazioni
L'acciaio da cui viene tagliato un perno di posizionamento e il modo in cui viene successivamente trattato termicamente determina quanto tempo sopravvive nella produzione prima di dover essere sostituito. Per i lavori ad alto ciclo (stampi che eseguono centinaia di migliaia di colpi) le officine in genere utilizzano un acciaio per cuscinetti come 52100 (GCr15), indurito fino a circa 60–62 HRC in modo che l'intera sezione trasversale resista all'usura anziché solo un guscio sottile. Laddove il perno sopporta anche un carico laterale, non solo la forza di inserimento rettilineo, un acciaio per utensili al cromo come SKD11 o Cr12MoV è un sostituto comune perché resiste meglio alle sollecitazioni laterali, anche se in genere costa di più per chilogrammo rispetto all'acciaio per cuscinetti. Per applicazioni a ciclo inferiore o sensibili ai costi, un acciaio a medio carbonio cementato come il 1045 (S45C) fa il lavoro: la superficie è indurita fino a una profondità di circa 0,5-0,8 mm mentre il nucleo rimane abbastanza resistente da resistere alla rottura sotto carichi d'urto, un acciaio per cuscinetti di compromesso non offre la stessa pulizia. Niente di tutto ciò avviene senza conseguenze sulle dimensioni: la tempra in genere deforma un perno di 0,01–0,03 mm, motivo per cui la rettifica deve avvenire dopo il trattamento termico, non prima. Strato di trattamenti superficiali sopra la durezza di base: cromatura dura di circa 5-8 micron di spessore dove è importante la resistenza alla corrosione, ossido nero per uno strato cosmetico e leggero anticorrosivo a basso costo o nitrurazione quando è necessaria una maggiore durezza superficiale senza distorcere ulteriormente il nucleo.
Dalla barra al perno finito: la sequenza di lavorazione
Sgrossatura al tornio
La produzione inizia con la barra tornita a un diametro e una lunghezza intenzionalmente lasciati sovradimensionati di 1–2 mm, lasciando abbastanza materiale da ripulire dopo l'indurimento. Anche eventuali fori trasversali, scanalature per grasso o parti piatte vengono tagliati in questa fase, mentre l'acciaio è ancora morbido: lavorare queste caratteristiche dopo l'indurimento significherebbe rettificarle successivamente, il che è più lento e notevolmente più costoso per pezzo.
Indurimento, molatura e lucidatura
Dopo che il trattamento termico ha portato l'acciaio alla durezza desiderata, il perno passa alla rettifica senza centri o cilindrica, che rimuove 0,1–0,2 mm di materiale rimasto per questo scopo e porta il diametro in una fascia di tolleranza ristretta, in genere da IT5 a IT6, o circa da ±0,003 a ±0,005 mm su un perno di 10 mm di diametro. Successivamente, la lappatura o la lucidatura riducono la finitura superficiale a Ra 0,2–0,4 micrometri, riducendo l'attrito in modo che il perno non rovini il foro in cui scorre migliaia di volte. L'operazione finale è un piccolo smusso o raggio di ingresso all'estremità di inserimento - spesso circa 0,5 mm a 15 gradi - in modo che il perno si autocentri mentre entra invece di prendere un bordo e segnare il foro al primo tentativo.
Strumenti di ispezione che catturano un perno difettoso prima che raggiunga l'assemblaggio
I perni di posizionamento vengono misurati molto più spesso di quanto suggerirebbero le loro dimensioni, perché un singolo perno sovradimensionato o sottodimensionato può inceppare un dispositivo o rompere una piastra dello stampo. La sequenza di ispezione in genere prevede più strumenti, ciascuno dei quali rileva un diverso tipo di errore:
- Un nonio o un calibro a quadrante, con una precisione di circa ±0,02 mm, per controlli rapidi durante il processo mentre il perno è ancora sul tornio.
- Un micrometro esterno, con una precisione di circa ±0,001 mm, per confermare il diametro finale dopo la rettifica: la fase mostrata quando un operatore controlla un perno finito rispetto alla stampa prima che lasci il banco.
- Un quadrante o comparatore elettronico montato su una piastra di superficie in granito, utilizzato per controllare la rettilineità e la rastremazione su tutta la lunghezza del perno, non solo il diametro in un punto.
- Un manometro o un calibro per alesaggio, utilizzato sul foro di accoppiamento anziché sul perno stesso, per confermare che le due parti produrranno effettivamente l'adattamento richiesto dal disegno.
- Una macchina di misura a coordinate (CMM), riservata a programmi ad alto volume che necessitano di un rapporto dimensionale completo anziché di una manciata di controlli a campione.
Poiché un singolo perno difettoso può mettere fuori servizio uno strumento, la maggior parte delle officine esegue un'ispezione al 100% sulla localizzazione dei perni anziché campionare un lotto: il costo della misurazione di ogni pezzo è piccolo se paragonato al costo di uno stampo inceppato o di un ciclo di produzione scartato.
Perché l'adattamento perno-boccola determina la durata dell'attrezzatura
Un perno di posizionamento non presenta mai una tolleranza isolata: il suo diametro è sempre specificato rispetto alla tolleranza del foro o della boccola con cui si accoppia e la combinazione dei due determina se l'assemblaggio risulta con un accoppiamento con gioco, con transizione o con pressione. Se sbagli l'accoppiamento in entrambe le direzioni, lo strumento ne risentirà: troppo lento e le metà dello stampo possono oscillare di pochi micron ad ogni ciclo; troppo stretto e l'inserimento del perno rovina il foro e lascia detriti metallici all'interno dell'utensile. La tabella seguente mostra come lo stesso diametro nominale, rettificato con diversi gradi di tolleranza, finisce per svolgere lavori molto diversi una volta abbinato a un foro standard.
Cosa va storto quando questi controlli vengono saltati
Saltare uno qualsiasi dei passaggi precedenti tende a produrre un errore prevedibile e la maggior parte di essi viene visualizzata solo dopo che il pin è già stato installato:
- Un perno a pressione rettificato leggermente sovradimensionato riempie il foro durante l'inserimento, lasciando trucioli metallici che contaminano i canali di raffreddamento o le superfici scorrevoli nelle vicinanze.
- Un perno rettificato con gioco leggermente sottodimensionato consente alle metà dello stampo di spostarsi di alcuni micron ad ogni ciclo, il che emerge come bava o variazione dello spessore della parete nella parte stampata.
- Un perno con un errore di rettilineità che non è rimasto intrappolato nel comparatore si incastra parzialmente nel foro; gli operatori spesso rispondono martellandolo fino in fondo, il che deforma il foro e riduce la durata operativa dell'utensile.
- La finitura superficiale superiore a circa Ra 0,8 micrometri aumenta l'attrito ad ogni ciclo e genera calore localizzato, quindi un perno valutato per 500.000 cicli con la finitura corretta può fallire vicino a 100.000 quando la fase di lucidatura è stata affrettata.
- Se si salta il rivestimento resistente alla corrosione su un perno destinato al pavimento di una pianta umida, la vaiolatura della superficie inizia in poche settimane e un perno bucherellato segna il foro di accoppiamento ogni volta che viene reinserito.
Domande che vale la pena porre prima di ordinare perni di posizionamento personalizzati
Alcune domande, poste prima di effettuare un ordine, separano un perno che funziona per l'intero ciclo di vita nominale da uno che deve essere sostituito entro il primo ciclo di produzione:
- Quale grado di tolleranza può effettivamente mantenere il negozio sul diametro (IT5, IT6 o inferiore) anziché solo su quello pubblicizzato sulla pagina del catalogo?
- Di quale durezza e materiale è stato realizzato il lotto, supportato da un certificato di fabbrica anziché da una dichiarazione verbale?
- Ogni perno viene misurato individualmente oppure il rapporto di ispezione si basa su un campione estratto dal lotto?
- Quale finitura superficiale, in Ra, è garantita al diametro di contatto, poiché questo influisce sulla durata dell'usura tanto quanto la durezza?
- Come viene controllata la rettilineità dei perni più lunghi di 100 mm, dove l'arricciatura è il difetto più comune e quello più facile da non notare con il solo calibro?
- Il tempo di consegna indicato include il trattamento termico come fase separata, poiché affrettarsi o saltarlo è il modo in cui gli spilli morbidi e distorti finiscono sul piano di produzione?
Ottenere risposte chiare a queste domande prima che il primo pezzo venga tagliato è molto più economico che scoprire le lacune dopo che uno stampo è già entrato in produzione.
