Il volano è un componente fondamentale per la trasmissione e l'accumulo di energia dei frantoi a mascelle, tipicamente montato su entrambe le estremità dell'albero eccentrico. Funziona in combinazione con la puleggia del motore per azionare l'attrezzatura. La sua funzione principale è quella di accumulare energia sfruttando la sua elevata inerzia rotazionale, bilanciare le fluttuazioni periodiche del carico generate dall'albero eccentrico durante la rotazione, ridurre l'impatto sul carico del motore e garantire un funzionamento stabile del frantoio (in particolare, smorzando l'energia tra la corsa di lavoro (") quando la ganascia mobile frantuma i materiali e la corsa di ritorno (") durante la fase di ritorno). Inoltre, il volano trasmette potenza, trasferendo la coppia del motore all'albero eccentrico tramite trasmissione a cinghia per consentire il movimento alternato di frantumazione della ganascia mobile.
I volani sono generalmente a forma di disco, con scanalature per la puleggia sul bordo esterno (alcuni modelli integrano volano e puleggia). Il centro presenta un foro per l'albero corrispondente all'albero eccentrico e possono essere aggiunti fori di alleggerimento o nervature di rinforzo su entrambi i lati (per bilanciare leggerezza e rigidità). Il loro peso varia a seconda delle dimensioni del frantoio: 50-200 kg per le macchine di piccole dimensioni e 500-2000 kg per quelle di grandi dimensioni. Il materiale deve offrire elevata resistenza e tenacità per resistere a frequenti sollecitazioni di coppia e forze centrifughe.
I volani dei frantoi a mascelle sono realizzati principalmente tramite fusione, utilizzando ghisa grigia (HT250, HT300) o ghisa sferoidale (QT450-10, QT500-7). La ghisa grigia, grazie al suo basso costo, al buon assorbimento degli urti e alla facilità di lavorazione, è adatta per volani di piccole e medie dimensioni. La ghisa sferoidale, con maggiore resistenza (resistenza alla trazione ≥450 MPa) ed eccellente tenacità, viene utilizzata per volani di grandi dimensioni o ad alto carico. Il processo di fusione specifico è il seguente:
Preparazione dello stampo
Si adotta la fusione in sabbia (sabbia di resina o sabbia di silicato di sodio). I modelli in legno o metallo (inclusi dettagli come fori per alberi, scanalature per pulegge e fori per la riduzione del peso) vengono realizzati sulla base dei disegni del volano, con una tolleranza di lavorazione di 3-5 mm (considerando il tasso di ritiro di circa l'1% della ghisa grigia).
Lo stampo in sabbia viene compattato a una densità ≥85% per garantire una superficie liscia della cavità, evitando la formazione di fori di sabbia sul getto. Sulla superficie di separazione vengono aggiunte scanalature di sfiato per evitare l'intrappolamento di gas e la porosità durante la colata.
Fusione e colata
Fusione della ghisa grigia: la ghisa, i rottami d'acciaio e i rottami di recupero vengono dosati e fusi in un cubilotto o in un forno a media frequenza a 1400–1450 °C. La composizione chimica è controllata (C: 3,2–3,6%, Si: 1,8–2,2%, Mn: 0,6–0,9%, S ≤0,12%, P ≤0,15%) per bilanciare fluidità e resistenza.
La ghisa duttile richiede l'aggiunta di agenti sferoidizzanti (ad esempio, leghe di magnesio, leghe di cerio) e inoculanti (ferrosilicio) prima della colata. La colata viene effettuata rapidamente dopo la sferoidizzazione (per evitare il decadimento da sferoidizzazione) a 1380–1420 °C.
Un sistema di colata dal basso garantisce un flusso costante di metallo, prevenendo il trascinamento delle scorie. I montanti vengono utilizzati per i volani di grandi dimensioni per alimentare sezioni spesse (ad esempio, cerchioni), evitando cavità da ritiro e porosità.
Shakeout e pulizia
Dopo il raffreddamento a meno di 200 °C, il getto viene sottoposto a sformatura. I montanti vengono rimossi (mediante taglio a fiamma per i volani grandi, mediante battitura manuale per quelli piccoli) e i segni di iniezione vengono levigati.
La sabbia superficiale e le sbavature vengono pulite. L'ispezione visiva verifica la presenza di crepe o rotture a freddo. I fori di riduzione del peso e i fori dell'albero vengono puliti in via preliminare.
Trattamento termico
Volani in ghisa grigia: la ricottura di distensione (riscaldamento a 550–600 °C, mantenimento per 2–4 ore, raffreddamento in forno a 200 °C) elimina le sollecitazioni di fusione, prevenendo la deformazione durante la lavorazione.
Volani in ghisa duttile: la normalizzazione (850–900°C per 1–2 ore, raffreddata ad aria) raffina i grani, garantendo un contenuto di perlite ≥80% e una durezza di 180–230 HBW.
La precisione della lavorazione influisce direttamente sull'equilibrio dinamico del volano e sulla stabilità della trasmissione. Diverse fasi di lavorazione garantiscono dimensioni e tolleranze geometriche critiche:
Lavorazione grezza
Utilizzando il cerchio esterno e la superficie terminale del getto come riferimenti, un tornio (o un tornio CNC) esegue la sgrossatura del cerchio esterno del cerchio, del foro interno (corrispondente all'albero eccentrico) e di entrambe le superfici terminali, lasciando un margine di finitura di 2-3 mm.
I fori per la riduzione del peso (se progettati) vengono praticati utilizzando un trapano radiale, con tolleranza del diametro del foro ±0,5 mm e rugosità superficiale Ra ≤12,5 μm.
Semi-finitura
Tornitura di precisione del foro interno: utilizzando il cerchio esterno sgrossato come riferimento, un mandrino a tre griffe trattiene il volano. Il foro interno viene tornito fino a raggiungere dimensioni prossime a quelle di progetto (tolleranza 0,5–1 mm), garantendo una rotondità ≤0,1 mm e un gioco di accoppiamento con l'albero eccentrico secondo la tolleranza H7/js6.
Tornitura delle scanalature delle pulegge: per i progetti integrati volano-puleggia, le scanalature a V vengono lavorate sul cerchio con tolleranza di profondità/larghezza ±0,2 mm, rugosità superficiale Ra ≤6,3 μm e deviazione dell'angolo della scanalatura ≤1°.
Finitura
Lavorazione finale del foro interno: l'alesatura o la rettifica (rettificatrice interna per volani di grandi dimensioni) consente di ottenere una tolleranza H7, una rugosità superficiale Ra ≤1,6 μm e una rettilineità dell'asse ≤0,05 mm/m.
Tornitura di precisione delle superfici frontali: utilizzando il foro interno come riferimento, un comparatore allinea il volano. Entrambe le superfici frontali vengono tornite per garantire una perpendicolarità all'asse del foro interno ≤0,05 mm/100 mm e una planarità ≤0,1 mm/m.
Equilibratura dinamica preliminare: un banco di bilancia verifica l'equilibratura. Le aree più pesanti vengono contrassegnate e l'equilibratura grossolana viene eseguita fresando il lato del cerchio (rimuovendo piccole quantità di metallo), limitando lo squilibrio residuo a ≤50 g·cm.
Trattamento superficiale
Le bave vengono rimosse. La superficie interna del foro viene fosfatata (migliorando la stabilità di accoppiamento con l'albero eccentrico). La superficie esterna viene verniciata (primer + finitura) con un film da 60–80 μm, ottenendo un'adesione di Grado 1 secondo GB/T 9286 (nessuna desquamazione nei test di taglio trasversale).
Trattandosi di un componente rotante ad alta velocità, il controllo di qualità riguarda il materiale, la precisione della lavorazione e l'equilibrio dinamico:
Controllo di qualità delle materie prime e della fusione
Controllo della composizione chimica: uno spettrometro verifica il contenuto di C, Si, Mn. Vengono eseguite prove di trazione (ghisa duttile: resistenza alla trazione ≥450 MPa, allungamento ≥10%) sui campioni.
Rilevamento dei difetti: il test con particelle magnetiche (MT) al 100% sulle aree critiche (bordo, foro interno) verifica la presenza di crepe o porosità. Il test a ultrasuoni (UT) garantisce l'assenza di difetti interni ≥φ3 mm.
Ispezione di precisione della lavorazione
Tolleranza dimensionale: calibri e micrometri controllano il diametro interno del foro, il cerchio esterno del cerchio e le dimensioni della scanalatura della puleggia. Un comparatore a quadrante misura la rotondità/cilindricità del foro interno (errore ≤0,03 mm).
Tolleranza geometrica: una squadra e uno spessimetro verificano la perpendicolarità delle superfici terminali. Un interferometro laser verifica la rettilineità degli assi.
Ispezione dell'equilibrio dinamico
Una macchina equilibratrice con cuscinetti rigidi esegue l'equilibratura di precisione al 50-100% della velocità operativa (300-600 giri/min), richiedendo un grado di equilibratura G6.3 (squilibrio residuo ≤10 g·cm in base al peso).
Dopo l'equilibratura, vengono praticati dei fori (o vengono aggiunti dei pesi di bilanciamento) nei punti più pesanti, con dei segni di bilanciamento per l'allineamento con l'albero eccentrico durante il montaggio.
Ispezione finale prima del montaggio
Ispezione visiva: nessun graffio, vernice uniforme e foro interno pulito (senza olio o detriti). L'allineamento con la puleggia del motore viene verificato tramite un filo di corda, con un errore ≤0,5 mm.
Montaggio di prova: il test di montaggio a freddo con l'albero eccentrico garantisce un'area di contatto ≥80%. Il volano deve ruotare liberamente senza incepparsi.
Questi processi garantiscono che il volano soddisfi i requisiti di stabilità durante il funzionamento ad alta velocità, con una durata utile di 8-10 anni (in linea con quella del frantoio). L'usura o il guasto dell'equilibratura richiedono una sostituzione o un ribilanciamento tempestivo per prevenire vibrazioni eccessive o il surriscaldamento dei cuscinetti.
