I gruppi a vite senza fine sono insoliti tra gli azionamenti a ingranaggi perché la vite e la ruota funzionano quasi sempre con materiali diversi. Una coppia di ingranaggi cilindrici o elicoidali può essere realizzata nello stesso acciaio, trattata termicamente alla stessa durezza, e durare decenni. Una coppia a vite senza fine non può. Se si fa funzionare una vite di acciaio contro una ruota di acciaio a una velocità di scorrimento significativa, i denti si salderanno, gripperanno e lacereranno in pochi minuti, anche con il miglior lubrificante che si possa comprare. La ragione risiede nella geometria del contatto: in un azionamento a vite senza fine, la filettatura della vite scivola sul dente della ruota anziché rotolare attraverso di esso, e il contatto avviene lungo una linea sotto altissima pressione. Per sopravvivere a questo, la ruota deve essere realizzata in un materiale più morbido e conformabile che possa incorporare particelle abrasive e tollerare la lubrificazione limite, mentre la vite rimane dura e liscia. Questa coppia di materiali dissimili è la singola decisione progettuale più importante in un riduttore a vite senza fine, e determina direttamente quanto dura l'azionamento, quanto è efficiente, quanto è silenzioso e quanto costa mantenerlo durante la sua vita di servizio. Se la coppia è corretta, il riduttore funzionerà in silenzio per un decennio; se è errata, lo si ricostruirà in meno di un anno.
La coppia industriale standard è una vite in acciaio cementato a 58–62 HRC che funziona contro una ruota in bronzo allo stagno, tipicamente bronzo fosforoso PB-2 (CuSn10). La vite in acciaio duro fornisce la filettatura resistente all'usura, e la ruota in bronzo morbido fornisce la superficie di contatto anti-grippaggio. Questa combinazione sopporta velocità di scorrimento fino a circa 8–12 m/s e densità di coppia che nessun'altra coppia di materiali può eguagliare. Una seconda opzione più economica è una ruota in ghisa grigia contro una vite in acciaio. La ghisa ha scaglie di grafite naturale che agiscono come lubrificante solido, ed è molto più economica del bronzo, ma la sua capacità di carico è inferiore ed è limitata a velocità di scorrimento sotto i 2–3 m/s. È comune nei riduttori leggeri, nei piccoli azionamenti per nastri trasportatori e nei riduttori a basso costo dove il prezzo di acquisto conta più dell'efficienza o della vita. Una terza opzione è il bronzo all'alluminio, che si colloca tra i due: è più resistente del bronzo allo stagno e più resistente al grippaggio della ghisa, ed è usata in applicazioni speciali pesanti o ad alta temperatura dove il bronzo allo stagno si deformerebbe plasticamente sotto carico continuo. Il bronzo all'alluminio è notevolmente più costoso del bronzo allo stagno, quindi è riservato ai casi in cui la resistenza meccanica aggiuntiva è genuinamente necessaria. La peggiore opzione — e quella che causa la maggior quantità di guasti evitabili sul campo — è far funzionare due pezzi di acciaio uno contro l'altro, o una vite indurita contro una ruota indurita. Le due superfici condividono la stessa struttura cristallina, si saldano sotto l'alta pressione di contatto, e il grippaggio inizia in poche ore. Anche una ruota in bronzo troppo dura, o una vite non lucidata a una finitura fine, abbrevierà drammaticamente la vita.
La regola empirica è che più la vite è dura e maggiore è la velocità di scorrimento, più si ha bisogno di una ruota in bronzo morbido e conformabile. Sopra le velocità di scorrimento di 5 m/s, la zona di contatto si scalda, il film d'olio si assottiglia, e la lubrificazione limite domina — questa è esattamente la condizione in cui il bronzo eccelle, perché la sua lega rame-stagno ha un'affinità naturale per l'olio e una bassa tendenza a saldarsi con l'acciaio. Sotto le velocità di scorrimento di 2 m/s, il contatto rimane più idrodinamico, il film d'olio rimane intatto, e una ruota in ghisa può sopportare il carico perché la grafite nella ghisa fornisce lubrificazione solida. Il prodotto della pressione di contatto e della velocità di scorrimento, noto come valore PV, è il parametro progettuale che guida questa scelta: PV alto significa bronzo, PV basso significa ghisa. La durezza della vite conta altrettanto — una vite rettificata e lucidata a 58 HRC funzionerà contro una ruota in bronzo per 20.000 ore o più, mentre una vite semplicemente tornita a 30 HRC consumerà il bronzo in una frazione di quel tempo. La finitura superficiale della filettatura della vite è altrettanto importante: una vite lucidata a specchio tratterrà il film d'olio, estendendo la vita, mentre una superficie tornita rada raschierà via l'olio e accelererà l'usura. Come obiettivo pratico, la differenza di durezza tra la vite e la ruota deve essere di almeno 30 HRC per un funzionamento affidabile e di lunga durata. Un errore comune di specifica è indurire la vite a soli 45 HRC e poi chiedersi perché la ruota in bronzo si usura in mesi; la profondità aggiuntiva dello strato di cementazione e la durezza superficiale di una vite correttamente cementata sono ciò che fa durare il bronzo.
Tre modalità di guasto dominano la vita degli ingranaggi a vite senza fine. La prima è l'usura abrasiva, dove polvere, particelle di usura del riduttore o olio contaminato agiscono come composto di lappatura tra i denti. Si manifesta come assottigliamento uniforme dei denti della ruota e un aumento graduale del gioco, ed è quasi sempre un segno che le guarnizioni hanno fallito o che l'intervallo di cambio dell'olio è stato ignorato. La seconda è il grippaggio o il rigatura, che si verifica quando il film d'olio si rompe e le due superfici si saldano localmente — appare come chiazze scavate e lacerate sui denti della ruota ed è generalmente fatale per il riduttore. Il grippaggio è il guasto più temuto negli azionamenti a vite senza fine perché avviene improvvisamente, senza preavviso graduale. Il terzo è il vaiolatura, dove la fatica di contatto causa piccole buche sui fianchi dei denti della ruota; è meno comune nelle ruote in bronzo che negli ingranaggi in acciaio, ma appare dopo un servizio molto lungo sotto carico pesante. Obiettivi realistici di vita sono da 20.000 a 30.000 ore per un azionamento a vite senza fine bronzo-su-acciaio dimensionato correttamente funzionante a carico nominale, e da 10.000 a 15.000 ore per un azionamento a ruota in ghisa. La singola maggiore leva sulla vita è la lubrificazione: usare il corretto olio per riduttori a vite senza fine a estrema pressione, cambiarlo in programma e mantenere il riduttore sigillato contro la polvere raddoppierà o triplicherà la vita prevista in modo più affidabile di qualsiasi aggiornamento del materiale.
La decisione di acquisto segue una semplice logica se-allora. Se il riduttore funziona a più di 5 m/s di velocità di scorrimento, o eroga più di qualche centinaio di newton-metri di coppia, o è previsto che funzioni continuamente per anni senza essere aperto — scegliere una ruota in bronzo fosforoso PB-2 su una vite in acciaio cementato e rettificato. Se l'applicazione è leggera, intermittente, a bassa velocità e sensibile al costo — un piccolo nastro trasportatore, una macchina per imballaggio, un attuatore leggero — una ruota in ghisa su una vite in acciaio è la scelta razionale e farà risparmiare dal 30 al 50% sul prezzo di acquisto del riduttore. Se l'applicazione è stazionaria, a basso ciclo e quasi mai in funzione, una ruota in ghisa sferoidale può colmare il divario tra i due. Se l'accesso alla manutenzione è difficile e il riduttore deve funzionare per anni senza ispezione, spendere i soldi extra per il bronzo e per una finitura superficiale della vite di qualità superiore — il costo di un singolo guasto prematuro in un'installazione remota supera di gran lunga il risparmio sul materiale. Se il riduttore funziona in un ambiente ad alta temperatura dove l'olio si assottiglia rapidamente, passare al bronzo all'alluminio o ridurre la coppia nominale. Non optare mai per la costruzione tutto-acciaio "perché è più forte" — in un azionamento a vite senza fine, la resistenza del dente non è il fattore limitante, la resistenza al grippaggio lo è.
Nella nostra fabbrica forniamo gruppi di ingranaggi a vite senza fine su misura in bronzo fosforoso PB-2, bronzo all'alluminio, ghisa grigia e ghisa sferoidale, abbinati a viti in acciaio cementate o indurite per induzione. Per quotare la coppia giusta per la vostra applicazione, inviateci la distanza tra centri o il diametro della vite, il rapporto richiesto, la velocità di ingresso e la coppia, il ciclo di lavoro previsto, e la velocità di scorrimento se già calcolata. Consiglieremo il materiale della ruota, la durezza della vite e la finitura superficiale che soddisfano il vostro obiettivo di vita al costo più basso — e vi diremo onestamente quando una ruota in ghisa più economica farà il lavoro, piuttosto che proporvi il bronzo a ogni ordine.