In una macchina offset a foglio il cilindro lastra, il cilindro caucciù e il cilindro di pressione trasportano l'immagine, trasferiscono l'inchiostro e premono il foglio contro il caucciù. Il modo in cui questi cilindri sono supportati alle due estremità determina se la pressione di stampa resta uniforme da un lato all'altro del foglio e stabilisce anche il limite massimo di velocità. Per gran parte del Novecento la soluzione standard era un cuscinetto a strisciamento. Quasi tutte le macchine nuove oggi in vendita usano invece un cuscinetto a rotolamento. Il cambiamento è derivato dall'evoluzione tecnica complessiva, non da un singolo componente geniale.
Cosa facevano bene i cuscinetti a strisciamento
A velocità basse e medie, i perni dei cilindri ruotavano in cuscinetti a strisciamento. Il progetto ha un elevato rapporto lunghezza-diametro e lavora con contatto tra corpi a bassa coppia, così il velo d'olio assorbe gli urti e la trasmissione gira fluida. La lunga linea di contatto irrigidisce il cilindro, la flessione sotto la pressione di stampa diminuisce e la pressione resta costante lungo l'asse. Un cuscinetto a strisciamento è anche facile da lavorare, da montare e da mantenere. Alle velocità delle macchine di allora soddisfaceva ogni requisito di processo, ed è per questo che era così diffuso.
Il limite di velocità
Dagli anni Ottanta i costruttori di macchine iniziarono ad aumentare la produzione, e la velocità fu la prima leva su cui intervennero. Il cuscinetto a strisciamento oppose resistenza. Il coefficiente di attrito è elevato, l'area di contatto del perno è ampia, il gioco nella coppia di attrito è ridotto e il calore si smaltisce male, per cui un modesto aumento di velocità comporta il rischio di grippaggio dell'albero nella bronzina. Aumentando il gioco per evitare il grippaggio, il telaio perde rigidità, la precisione di trasmissione cala e compaiono strisce di inchiostro sul foglio. A quel punto il cuscinetto a strisciamento era il collo di bottiglia, e l'attenzione si spostò sui corpi volventi. Una migliore progettazione delle macchine e una migliore produzione avevano nel frattempo rimosso gli ostacoli. Un cuscinetto a rotolamento ha un ridotto rapporto lunghezza-diametro e trasforma il contatto tra corpi a bassa coppia in contatto tra corpi ad alta coppia, il che ripristina la rigidità che il corpo del cilindro perde sotto il carico di pressione.
Perché i costruttori esitavano, e cosa è cambiato
La vecchia obiezione era la flessione. Sotto una forte pressione di stampa un cilindro si flette, la sua curva di inflessione si abbassa, la parte centrale del cilindro mantiene meno pressione delle estremità, i punti e i caratteri stampano deboli al centro e il foglio non supera lo standard. L'analisi agli elementi finiti ha cambiato il calcolo. I progettisti ora ottimizzano la struttura del cilindro e la sua cavità interna, distribuendo nervature e piastre di collegamento per numero, forma e dimensione della sezione, così la rigidità complessiva aumenta e la flessione sotto carico resta entro l'intervallo consentito.
La produzione dei cilindri è migliorata nello stesso periodo. Materiale e durezza sono ora controllati attraverso fusione, colata e trattamento termico. Un cilindro di macchina deve anche mantenere la precisione dinamica, e la precisione dopo fatica e scorrimento viscoso, non solo la precisione statica e la rigidità. La precisione dinamica dipende da come è distribuita la massa e dalla struttura metallurgica e dalla composizione chimica del metallo. L'eccentricità si misura con il cilindro quasi fermo, ma alla velocità di esercizio l'errore è diverso perché la distribuzione della massa e la struttura dei grani non sono mai perfettamente uniformi.
Anche l'approvvigionamento dei cuscinetti è maturato. Selezione, montaggio, assemblaggio e ispezione sono ormai routine, e i cuscinetti di alta precisione sono disponibili da fonti nazionali ed estere senza barriere tecniche. Anche i componenti adiacenti sono stati migliorati di conseguenza. La precisione degli ingranaggi dei cilindri raggiunge il grado quattro o superiore sia nel gruppo cinematico sia nel gruppo di scorrevolezza, la stessa classe impiegata negli ingranaggi aeronautici. Le sedi e le facce frontali del telaio vengono lavorate in un unico serraggio su una fresatrice-alesatrice a CNC, così dimensioni, tolleranze di forma e rugosità superficiale soddisfano la struttura iperstatica del telaio. Con questi componenti migliorati, le macchine girano più stabili, le fonti di vibrazione diminuiscono e il sistema dei cilindri richiede meno smorzamento. Heidelberg, Mitsubishi, Komori e KBA montano di serie supporti con cuscinetti a rotolamento, e l'esperienza raccolta all'estero offre ai costruttori nazionali un riferimento chiaro.
Tipi di cuscinetti attualmente in uso
La prima decisione riguarda quale struttura di cuscinetto montare, e i costruttori rispondono in modo diverso.
- Heidelberg preferisce i cuscinetti a rullini, con gioco di funzionamento impostato in fase di assemblaggio misurando i rullini e montandoli in gruppi accoppiati.
- Roland si basa su cuscinetti a rulli cilindrici pieni corti a più file combinati con cuscinetti reggispinta, con carichi radiali e assiali regolati separatamente. Il produttore dei cuscinetti garantisce il gioco di funzionamento, e il requisito di precisione è elevato.
- Mitsubishi utilizza cuscinetti a rulli conici, che sopportano insieme carico radiale e assiale in una disposizione più semplice, con gioco impostato durante l'assemblaggio e una maggiore richiesta di abilità nel montaggio.
- Alcuni costruttori nazionali montano cuscinetti a rulli cilindrici cavi realizzati secondo un brevetto statunitense, fatti funzionare con precarico elevato e leggero interferenza.
Tutte queste soluzioni servono una macchina offset. Ognuna ha il proprio carattere e, in teoria, ciascuna può supportare un cilindro. La scelta segue la capacità progettuale e il livello di processo del costruttore, la comprensione dei vari tipi di cuscinetto da parte del team tecnico e le condizioni dello stabilimento, così che limiti oggettivi e valutazione ingegneristica convergano nello stesso punto. In ogni opzione, il controllo del gioco è la preoccupazione comune.
Precarico e gioco di funzionamento
Il secondo problema tecnico è il precarico. Il gioco tra la coppia di cuscinetti deve essere regolato per aumentare la rigidità del sistema, e il gioco residuo dopo il precarico in installazione decide sia la qualità finale di stampa sia la vita della macchina. Per aumentare la rigidità e ridurre il rumore, un cuscinetto a rotolamento dovrebbe funzionare con gioco di funzionamento negativo.
Teoria ed esperienza di officina concordano sull'obiettivo. La vita a fatica è massima quando il gioco di funzionamento si attesta intorno a -10 μm. Spingendo oltre il valore negativo, la vita a fatica cala bruscamente. Quando la temperatura del cuscinetto sale molto, la dilatazione termica rende il gioco effettivo più negativo del valore impostato al banco, perciò l'assemblaggio deve lasciare un margine per questa variazione.