S O M M A R I O
Tavole di conversione ........................................................................... 2-3
Introduzione............................................................................................. 5
C A P I TO LO I :
L A TEORIA
La pallinatura controllata ......................................................................... 6
Tensioni residue ....................................................................................... 7
Somma delle sollecitazioni applicate e residue ....................................... 8
Studio di una applicazione pratica:
Studio della NASA sulla propagazione delle cricche .............................. 8
Profondità delle tensioni residue ............................................................. 9
I Media ..................................................................................................... 9
La durezza dei media ............................................................................... 9
C A P I TO LO I I :
L A R I S P O S TA D E I M E TA LL I
Acciai ad alta resistenza ......................................................................... 10
Acciai da cementazione .......................................................................... 11
Studio di una applicazione pratica:
Alberi a gomito con alte prestazioni ..................................................... 11
Decarburazione....................................................................................... 11
Studio di una applicazione pratica:
Riduzione dell’austenite residua nell’acciaio 5120 cementato ....... 12
Ghise sferoidali austemperate................................................................ 12
La ghisa.................................................................................................. 12
Leghe di alluminio .................................................................................. 13
Studio di una applicazione pratica:
Alluminio ad alta resistenza Al 7050-T7651.......................................... 13
Titanio .................................................................................................... 14
Magnesio................................................................................................ 14
La metallurgia delle polveri .................................................................... 15
Studio di una applicazione pratica:
Ingranaggi sinterizzati ad alta densità ................................................. 15
C A P I TO LO I I I :
LE L AVORA ZIONI
Effetti sulla resistenza a fatica................................................................ 16
La saldatura ........................................................................................... 16
Studio di una applicazione pratica:
Rotture a fatica in strutture offshore in acciaio..................................... 17
Studio di una applicazione pratica:
Rotori di compressori HP di motori a turbina ....................................... 17
La molatura ............................................................................................ 18
Riporti metallici ...................................................................................... 18
L’anodizzazione...................................................................................... 19
Studio di una applicazione pratica:
Corone in alluminio anodizzato ............................................................ 19
Plasma Spray.......................................................................................... 19
L’elettrorosione (EDM) ........................................................................... 19
Le lavorazioni elettrochimiche ............................................................... 20
Studio di una applicazione pratica:
Accoppiamento a diaframma .............................................................. 20
C A P I TO LO I V:
L A FAT I C A A F L E S S I O N E
Fatica a flessione.................................................................................... 21
Ingranaggi .............................................................................................. 21
Bielle...................................................................................................... 22
Alberi a gomiti ....................................................................................... 23
Studio di una applicazione pratica:
Albero a gomiti di motori diesel........................................................... 23
Studio di una applicazione pratica:
Dischi di motori a turbina .................................................................... 23
C A P I TO LO V:
L A FAT I C A A TO R S I O N E
Fatica a torsione .................................................................................... 24
Molle a compressione............................................................................ 24
Alberi di trasmissione ............................................................................ 25
Barre di torsione .................................................................................... 25
Studio di una applicazione pratica:
Barre di torsione nelle automobili........................................................ 25
C A P I TO LO V I :
L A FAT I C A A S S I A L E
Fatica assiale ......................................................................................... 26
Studio di una applicazione pratica:
Spina del freno di emergenza di treni .................................................. 26
Studio di una applicazione pratica:
Collettori di scarico di una APU (Auxiliary Power Unit)........................... 2
C A P I TO LO V I I :
L E R OT T U R E P E R C O N TAT TO
Rottura per fretting ................................................................................ 27
Studio di una applicazione pratica:
Palette di turbine ................................................................................. 27
Pitting .....................................................................................................27
Galling ................................................................................................... 28
C A P I TO LO V I I I :
L E R OT T U R E P E R C O R R O S I O N E
Rotture per corrosione........................................................................... 29
Rotture per corrosione sotto sforzo ....................................................... 29
Studio di una applicazione pratica:
Fabbricazione di impianti per l’industria chimica ................................... 30
Rotture a fatica in ambiente aggressivo................................................. 30
Studio di una applicazione pratica:
Rotture per sollecitazioni da solfuri ..................................................... 30
Studio di una applicazione pratica:
Protesi medicali.................................................................................... 31
Corrosione intergranulare....................................................................... 31
C A P I TO LO I X :
LA FATICA TERMICA E GLI EFFETTI DEL CALORE
Effetti del calore..................................................................................... 32
Fatica termica ........................................................................................ 33
Studio di una applicazione pratica:
Riscaldatori delle acque di alimentazione............................................ 33
C A P I TO LO X :
A LT R E A P P L I C A Z I O N I
Peen Forming ......................................................................................... 34
Correzione di forme ............................................................................... 35
Incrudimento ......................................................................................... 35
Peentexsm ............................................................................................... 36
Superfici ingegnerizzate ........................................................................ 36
Studio di una applicazione pratica:
Tubi pneumatici di trasporto................................................................ 37
Studio di una applicazione pratica:
Industria alimentare............................................................................. 37
Corrosione per sfogliatura ..................................................................... 38
Sigillatura delle porosità........................................................................ 38
C A P I TO LO X I :
A LT R I P RO C E S S I E S E RV I Z I
Superfici interne e fori ........................................................................... 39
Dual Peening.......................................................................................... 39
Il processo C.A.S.E.sm .............................................................................. 40
Pallinatura in sito ................................................................................... 41
Pallinatura con sollecitazione esterna applicata al pezzo....................... 41
Peenstresssm - Modellazione della sollecitazione residua ....................... 42
Lasershotsm - Pallinatura con impulsi laser............................................. 43
Produzione di valvole a lamelle ............................................................. 43
Articoli tecnici / ristampe....................................................................... 44
Trattamenti termici................................................................................. 44
C A P I TO LO X I I :
I L C O N T R O LLO D E L P R O C E S S O
Il controllo del processo ........................................................................ 45
Il controllo dei media ............................................................................. 45
Il controllo dell’intensità ........................................................................ 46
Il controllo della copertura..................................................................... 47
Macchine automatiche per la pallinatura controllata............................. 48
Studio di una applicazione pratica:
Riduzione delle revisioni grazie alle macchine a controllo numerico ..... 49
La pallinatura controllata nella progettazione ....................................... 50
Ristampe tecniche ............................................................................ 51-55
Elenco degli stabilimenti MIC nel mondo ............................ IV di copertina
1
I N T R O D U Z I O N E
Metal Improvement Company (MIC) è una società del gruppo Curtiss-Wright.
Fondata nel 1946, MIC è specializzata nel fornire servizi di Pallinatura Controllata a diversi settori
industriali come mezzo per prevenire cedimenti nel metallo. Siamo presenti con stabilimenti in tutto il
Nord America e in Europa, con brevetti per i nostri processi che coprono il mondo intero.
Inoltre, abbiamo una serie di impianti per trattamenti termici e per produzione di valvole a lamelle.
Sulla copertina posteriore vi è un elenco completo di tutti gli stabilimenti.
Ogni nostro stabilimento è in grado di processare parti di diverse dimensioni, forme e materiali, sempre
in condizioni strettamente controllate. Abbiamo sviluppato processi e macchinari che rappresentano lo
stato dell’arte per la pallinatura controllata, basandoci sull’esperienza acquisita in più di 50 anni di
attività nel settore.
MIC è lieta di mettere a disposizione le sue conoscenze ad ogni controparte interessata in tutto il
mondo. I nostri responsabili tecnici sono sempre a disposizione per aiutare a trovare soluzioni a quei
problemi che possono essere risolti con la pallinatura controllata
Copyright © 2001
By
Metal Improvement Company
5
TAVOLE
DI
CONVERSIONE
cco
onnvveerrss iioonnii aapppprrooss ssiim
maattiivvee ddaa dduurreezz zzaa aa ccaarrii ccoo aa rroottttuurraa nnee ggllii aacccciiaaii
2
Du
D
ur
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ck
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Du
D
ur
re
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V ii cc kk ee rr ss
V
Ca
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tt
tu
ur
ra
a
Ca
C
a rr ii cc o
o
a r
a
ro
ot
tt
tu
ur
ra
a
HRC
62
61
60
59
58
57
56
55
54
53
52
51
50
49
48
47
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
BHN
688
668
649
631
613
595
577
559
542
525
509
494
480
467
455
444
433
422
411
401
391
381
371
361
352
343
334
325
317
309
301
293
286
279
272
265
259
253
247
241
235
229
223
HV
746
720
697
674
653
633
613
595
577
560
544
528
513
498
484
471
458
446
434
423
412
402
392
382
372
363
354
345
336
327
318
310
302
294
286
279
272
266
260
254
248
243
238
ksi
361
349
337
326
315
305
295
286
277
269
261
253
245
238
231
224
217
211
206
201
196
191
186
181
176
171
166
162
158
154
150
146
142
138
134
130
127
124
121
118
116
113
111
MPa
2489
2406
2324
2248
2172
2103
2034
1972
1910
1855
1800
1744
1689
1641
1593
1544
1496
1455
1420
1386
1351
1317
1282
1248
1214
1179
1145
1117
1089
1062
1034
1007
979
952
924
896
876
855
834
814
800
779
765
TAVOLE
DI
CONVERSIONE
cco
o nnvveerrssiio
o nnii ddii ggrraannddeezzzzee aasssso
o cciiaatt ee cco
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meennttee aallllaa ppaa lllliinnaatt uurraa
d aa ll SS ii ss tt ee m
d
maa M
M ee tt rr ii cc oo (( SS II )) aa ll SS ii ss tt ee m
maa II nn gg ll ee ss ee
LL u
u nn gg hh ee zz zz aa
A rr ee aa
A
Ma
M
ass ss aa
FF oo rr zz aa
S oo ll ll ee cc ii tt aa zzii oo nn ee
S
1 mm = 0,0394 in
1 m = 3,281 ft = 39,37 in
1 mm2 =1,550 x 10–3 in2
1 m2 = 10,76 ft2
1 kg = 2,205 lbm
1 kN = 224,8 lbf
1 MPa =0,145 ksi = 145 lbf/in2
d aa ll SS ii ss tt ee m
d
maa II nn gg ll ee ss ee aa ll M
M ee tt rr ii cc oo
1 in =
1 ft =
1 in2 =
1 ft2 =
1 lbm =
1 lbf =
1 ksi =
25,4 mm
0,3048 m = 304,8 mm
645,2 mm2
92,90 x 10–3 m2
0,454 kg
4,448 N
6,895 MPa
cco
osstt aannttii ee ggrr aannddeezzzzee vv aarriiee
lbm = lb (massa)
k = kilo = 103
G = giga = 109
1 Pa = 1 N/m2
ksi = 1000 psi
lbf = lb (forza)
M = mega = 106
µ = micro = 10–6
lbf/in2 = psi
µm = micron = 1/1000 mm
Modulo di Young (E) per l’acciaio = 29 x 106 lbf/in2 = 200 GPa
Accelerazione di gravità = 32,17 ft/s2 = 9,81 m/s2
Densità dell’acciaio = 0,283 lbm/in3 = 7,832 x 10–6 kg/mm3
3
A P P U N T I
4
LA TEORIA
C A P I T O L O
I
LL A
A P
P AA LL LL II N
N AA TT U
U RR AA
CO
C
ON
N TT RR O
O LL LL AA TT AA
La pallinatura controllata, in inglese shot peening,
è un processo di lavorazione a freddo in cui la
superficie di un pezzo è bombardata con microsfere
(shot). L’insieme di tali microsfere, con dimensioni
e materiali che possono variare a seconda
dell’applicazione, viene chiamato "media".
Ogni microsfera, colpendo il pezzo, agisce come un
minuscolo martello, lasciando sulla superficie del
materiale una piccola impronta. Perché si crei
l’impronta, la superficie deve subire uno
snervamento a tensione ((FFii g
gu
ur
ra
a1
1 ..1
1)) . Sotto la
superficie, il materiale tenta di recuperare la sua
forma originale, creando così, sotto l’impronta, un
emisfero di materiale lavorato a freddo fortemente
sollecitato a compressione ((FFii g
gu
ur
ra
a1
1..2
2 )).
Le impronte, sovrapponendosi tra loro, formano
una zona uniforme con una sollecitazione residua a
compressione.
FFiig
gu
ur
ra
a 1
1.
.1
1
Snervamento meccanico nel punto
d’impatto
È risaputo che le cricche non hanno inizio né si
propagano in aree sollecitate a compressione.
Poiché praticamente tutte le rotture a fatica e a
tensocorrosione (corrosione sotto sforzo) hanno
origine sulla superficie del pezzo o nelle sue
FFii g
gu
ur
ra
a 1
1.
.2
2
La sollecitazione a compressione
immediate vicinanze, la sollecitazione a
si oppone alla rottura a fatica
compressione indotta dalla pallinatura controllata
incrementa in modo significativo la vita di un
particolare meccanico. La sollecitazione residua a compressione ottenuta con la pallinatura controllata
è come minimo la metà del carico di snervamento caratteristico di quel particolare materiale.
In molte modalità di rottura a lungo termine, il
comune denominatore è la sollecitazione a
tensione. Tali sollecitazioni possono o essere
causate da carichi esterni applicati o essere
sollecitazioni residue provocate da lavorazioni
meccaniche, saldature, rettifiche. Sollecitazioni a
tensione tentano di stirare, tendere la superficie di
un pezzo e possono anche portare all’inizio di
gu
ur
ra
a1
1.. 3
3)) . Sollecitazioni residue a
cricche ((FF iig
Inizio e propagazione di una cricca
FF iig
gu
ur
ra
a 1
1.
.3
3
compressione comprimono insieme la superficie dei
con sollecitazione a tensione
contorni dei grani e ritardano in modo significativo
l’inizio di cedimenti a fatica. Poiché la propagazione
della cricca è rallentata significativamente in uno strato compresso, aumentare la profondità di tale
strato aumenterà anche la resistenza all’insorgere e alla propagazione delle cricche.
La pallinatura controllata è il metodo più facile ed economico per indurre uno stato di compressione
superficiale residua.
6
C A P I T O L O
••
Un carico a fatica si
compone di decine di
migliaia sino a
milioni di cicli di
carico e scarico che
si ripetono in
continuazione. Il
carico genera una
sollecitazione a
trazione che cerca di
tirare la superficie
del materiale.
••
Una diminuzione
lineare della
sollecitazione a
trazione genera un
aumento
esponenziale della
FFiig
gu
ur
ra
a 1
1.
.4
4
Curva S-N, Sollecitazione / Numero di cicli
vita del particolare
(numero di cicli di
carico e scarico). Il
grafico mostra come una riduzione della sollecitazione di 262 MPa (32%) dia
un aumento nella vita del pezzo di 150.000 cicli (300%).
LA TEORIA
La pallinatura controllata è usata in primo luogo per contrastare le rotture per fatica nei particolari
gu
ur
ra
a 1
1.
.4
4 è riportata una tipica curva S-N, Sollecitazione / Numero di cicli.
metallici. In FF iig
I
T EE N
T
N SS II O
ON
N II
RR EE SS II DD UU EE
La pallinatura controllata genera
tensioni residue a compressione
che annullano o riducono sforzi a
trazione applicati. In definitiva,
minor sollecitazione a trazione
significa maggior vita per il pezzo
gu
ur
ra
a1
1.. 5
5è
considerato. In FFii g
riportato l’andamento tipico delle
tensioni residue indotte dalla
pallinatura controllata.
SSffoorr zzoo m
maass ssii m
moo aa cc oom
m pprreess ssii oonnee –
Questo è il valore massimo della
sollecitazione a compressione
FFiig
gu
ur
ra
a 1
1.
.5
5
Andamento tipico delle tensioni residue
indotta. Normalmente è appena
dopo la pallinatura
sotto la superficie del pezzo. Con
l’aumentare dello sforzo massimo
a compressione, aumenta anche la resistenza del pezzo alla rottura per fatica.
PPrroo ffoo nnddii ttàà dd eellll oo ss ttrraatt oo dd ii ccoom
m pprreess ssii oonnee – Questa è la profondità dello strato sollecitato a
compressione che si oppone alla crescita delle cricche. La profondità dello strato può essere aumentata
incrementando l’energia dell’impatto delle microsfere.
SSffoorr zzoo ssuull llaa ssuu ppeerrffii cciiee – Questa sollecitazione è normalmente minore dello sforzo massimo a
compressione.
7
LA TEORIA
C A P I T O L O
I
SO
S
OM
MM
M AA D
D EE LL LL EE
SS O
O LL LL E
EC
C II T
T AA ZZ II O
ON
N II
AP
A
PP
P LL II C
CA
AT
TE
E E
E R
RE
ES
S II D
DU
U EE
Quando un componente pallinato è soggetto ad
un carico applicato, la sua superficie è sottoposta
alla sollecitazione netta risultante dal carico
stesso e dallo sforzo residuo indotto dalla
pallinatura. In FFii g
gu
ur
ra
a1
1 ..6
6 è rappresentata una
trave con carichi in tre punti tali da generare una
sollecitazione a flessione sulla sua superficie.
La linea diagonale tratteggiata è la sollecitazione
causata dal carico a flessione. La curva
Sforzo risultante in una trave pallinata
FFiig
gu
ur
ra
a 1
1.
.6
6
tratteggiata è la sollecitazione residua indotta
con un carico esterno applicato
dalla pallinatura controllata. La curva continua è
la somma delle due precedenti e mostra una
notevole riduzione della sollecitazione a trazione sulla superficie della trave.
La pallinatura controllata dà notevoli vantaggi nelle seguenti condizioni:
••
In presenza di alimentatori di tensione
•• Materiali ad alta resistenza
Originatori di tensioni possono essere intagli, fori passanti, cave, etc. La pallinatura controllata induce
una notevole sollecitazione a compressione localizzata, che compensa la concentrazione di sforzo
causata da queste variazioni geometriche.
La pallinatura controllata è ideale per materiali ad alta resistenza. La sollecitazione a compressione
inducibile è direttamente collegata alla resistenza a trazione di un materiale: al crescere della seconda,
cresce anche la prima. Materiali con carico di rottura a trazione maggiore hanno una struttura cristallina
più rigida: il reticolo cristallino può sopportare maggiori deformazioni e quindi maggiori sollecitazioni
residue.
S t
S
t u
u d
d i
i o
o
d i
d
i
u n
u
n a
a
a p
a
p p
p l
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i o
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p r
p
r a
a t
t i
i c
c a
a
STUDIO DELLA NASA LANGLEY SULLA PROPAGAZIONE DELLE CRICCHE
I tecnici della NASA hanno condotto uno studio sulla velocità di propagazione delle cricche nell’alluminio
2024-T3 con e senza pallinatura controllata. I campioni sono stati preparati con un difetto (intaglio) iniziale
di 1,27 mm (0,050") e sottoposti a cicli di carico sino a rottura. È importante ricordare che l’aeronautica
militare americana prevede una tolleranza per cricche sino a 1,27 mm.
La propagazione delle cricche è stata ritardata significativamente nei campioni con la pallinatura controllata.
Come dimostrano i risultati sotto riportati, con una sollecitazione netta di 104 MPa (15 ksi), il numero di cicli
effettuati dai particolari pallinati ha subito un incremento del 237%; con 138 MPa (20 ksi) un incremento
dell’81%.
Le condizioni del test sono state più severe di quelle reali, in quanto nel mondo reale normalmente non vi sono
difetti iniziali così macroscopici e quindi, con queste sollecitazioni, si dovrebbero ottenere miglioramenti maggiori
nella resistenza a fatica.
CAMPIONI NON PALLINATI
Sollecitazione Numero Numero di
Netta
di prove cicli medio
CAMPIONI PALLINATI
Sollecitazione Numero Numero di Incremento
Netta
di prove cicli medio percentuale
104 MPa
2
75.017
104 MPa
2
253.142
237%
138 MPa
3
26.029
138 MPa
3
47.177
81%
Nota sulla preparazione dei campioni: per fare un intaglio sulla superficie dei pezzi è stata usata la
elettrorosione. I pezzi sono stati successivamente caricati a fatica sino a far raggiungere all’intaglio stesso la
dimensione desiderata (1,27 mm). Per i pezzi con la pallinatura, questa è stata eseguita successivamente
all’ottenimento dell’intaglio di 1,27 mm. [Rif 1.1]
8
C A P I T O L O I
La profondità dello strato sollecitato a
compressione è influenzata dalla variazione di
diversi parametri della pallinatura e dalla durezza
gu
ur
ra
a1
1.. 7
7 mostra la
del materiale [Rif. 1.2]. La FF iig
relazione tra la profondità dello stato compresso e
l’intensità della pallinatura controllata per 5
materiali diversi: acciai con durezza di 31, 52 e 60
HRC, alluminio 2024 e titanio 6Al-4V. La profondità
raggiunta per materiali con durezza differente può
essere ricavata tramite interpolazione.
LA TEORIA
PR
P
RO
O FF O
ON
ND
D II TT ÀÀ D
D EE LL LL EE
TT EE N
N SS II O
ON
N II RR EE SS II D
DU
U EE
II M
M EE D
D II A
A
Con il termine inglese "media" si vuole indicare
genericamente il mezzo usato per pallinare.
FFii g
gu
ur
ra
a 1
1.
.7
7
Profondità dello strato compresso
Possono essere usati come media i seguenti
su intensità di pallinatura (altezza
materiali: piccole sfere di acciaio fuso, sfere in
dell’arco Almen)
materiale ceramico o di vetro, fili in acciaio al
carbonio o inossidabile tagliati e smussati ("cut wired" in inglese). Nella maggior parte dei casi sono
usati media in acciaio fuso o lavorato. L’acciaio inossidabile viene utilizzato per applicazioni dove non vi
deve essere contaminazione della superficie delle parti pallinate.
Fili tagliati e smussati quasi a forma rotonda in
acciaio al carbonio sono usati sempre più di
frequente per l’uniformità dei risultati e la loro
lunga durata. Sono disponibili con vari gradi di
durezza e in un numero maggiore di intervalli di
dimensione che non le microsfere in acciaio fuso.
I media in vetro sono generalmente più piccoli e più
leggeri di tutti gli altri e vengono usati per pallinare
filettature con angoli difficili e parti delicate che
richiedono una intensità molto bassa. Inoltre il vetro
viene usato, come l’acciaio inossidabile, quando si
vuole evitare contaminazioni di particelle di ferro.
LL A
A D
DU
UR
R EE ZZ ZZ AA D
D EE II M
M EE D
D II A
A
La durezza dei media usati influenza l’ampiezza
della sollecitazione a compressione indotta ((FF iig
gu
ur
ra
a
1.. 8
1
8)). I media dovrebbero avere almeno la stessa
FFiig
gu
ur
ra
a 1
1.
.8
8
Pallinatura di acciaio 1045 [Rif 1.3]
durezza del materiale pallinato a meno che la
finitura superficiale non sia un fattore critico.
Per un gran numero di materiali, sia ferrosi che non ferrosi, questo criterio viene soddisfatto usando
pallini in acciaio di durezza standard (45 – 52 HRC).
L’uso sempre maggiore di acciai ad alta resistenza e con durezza elevata ha portato all’uso di media
speciali con durezza tra i 55 e i 62 HRC.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI:
1.1
Dubberly, Everett, Matthews, Prabhakaran, Newman; The Effects of Shot and Laser Peening on Crack Growth and Fatigue Life in 2024
Aluminum Alloy and 4340 Steel, US Air Force Structural Integrity Conference, 2000
1.2 Fuchs; Shot Peening Stress Profiles
1.3 Lauchner, WESTEC Presentation March 1974, Northrup Corporation; Hawthorne, California
9
L A RISPOSTA DEI METALLI
C A P I T O L O
II
A CC CC II AA II AA D
A
D AA LL TT AA R
R EE SS II SS TT EE N
N ZZ A
A
La sollecitazione residua a compressione indotta dalla pallinatura controllata è una percentuale del
carico di rottura. Tale percentuale aumenta all’aumentare del carico stesso di rottura o della durezza del
materiale. Metalli con maggiori carichi di rottura / durezza tendono ad essere fragili e maggiormente
sensibili ad intagli.
Questi limiti possono
essere superati con la
pallinatura controllata,
consentendo l’uso di
metalli ad alta
resistenza in
applicazioni a fatica.
I carrelli degli aeromobili
sono spesso progettati
con carichi di rottura a
2068 MPa (300 ksi)
prevedendo la
pallinatura controllata.
Senza la pallinatura
controllata, proprietà a
fatica ottimali per
FF iig
gu
ur
ra
a 2
2.
.1
1
Resistenza a fatica in rapporto al carico di rottura
componenti in acciaio
lavorati a macchina si
ottengono a circa 30 HRC (700 MPa). Con carichi o durezze maggiori, i materiali perdono in resistenza a
fatica a causa della maggiore fragilità e sensibilità agli intagli. Con l’introduzione di una sollecitazione a
compressione indotta dalla pallinatura, la resistenza a fatica aumenta in modo proporzionale
all’aumentare del carico di rottura o della durezza. Per esempio, a 52 HRC (1240 MPa), la resistenza a
fatica delle provette pallinate è 993 MPa (144 ksi), più del doppio della resistenza a fatica delle
gu
ur
ra
a2
2.. 1
1 - si è preso in considerazione un numero di cicli pari a 2
provette lucidate ma non pallinate (FF iig
milioni). [Rif 2.1]
Chiavi pneumatiche e utensili a percussione sono applicazioni tipiche in cui la pallinatura controllata
consente di avere eccellenti proprietà a fatica in combinazione con carico a rottura e durezza elevati.
Inoltre, la resistenza a fatica di parti pallinate non è diminuita da graffi o rigature poco profonde che
potrebbero invece essere dannosi per acciai ad alta resistenza non pallinati. [Rif 2.2]
10
C A P I T O L O
La cementazione e la carbonitrurazione sono trattamenti termici che consentono di ottenere superfici
particolarmente dure (comunemente tra i 55 e i 62 HRC). I vantaggi che si possono ottenere con la
pallinatura controllata degli acciai cementati sono di seguito riportati:
••
Benefici per le resistenza a fatica grazie a sollecitazioni a compressione di 200 ksi
(1379 MPa) o maggiori.
••
Riduzione dei carburi precipitati in modo anomalo a causa della ossidazione
Se si desidera ottenere le massime proprietà a fatica per parti cementate a cuore e carbonitrurate, la
durezza ottimale dei media per la pallinatura è di 55-62 HRC.
S t
S
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p
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i c
c a
a
ALBERI A GOMITO CON ALTE PRESTAZIONI
Alberi a gomito per motori
a 4 cilindri ad alte
prestazioni, cedevano
prematuramente dopo
poche ore di test a carichi
di picco del motore.
Le prove hanno dimostrato
che cementando a gas e
pallinando l’estremità
della manovella si
ottenevano i migliori
gu
ur
ra
a
risultati a fatica ((FFii g
2.. 2
2
2)). Nitrurazione e
pallinatura dettero anche
risultati migliori rispetto
all’alternativa di
aumentare il diametro
dell’estremità della
manovella [Rif 2.3].
FF iig
gu
ur
ra
a 2
2.
.2
2
Comparazione tra effetti di pallinatura,
cementazione a gas e nitrurazione su crank pin
L A RISPOSTA DEI METALLI
A CC CC II A
A
A II D
D AA CC EE M
M EE N
N TT AA ZZ II O
ON
N EE
II
D EE CC A
D
AR
RB
BU
U RR AA ZZ II O
ON
N EE
La decarburazione è la riduzione del contenuto di carbonio sulla superficie di una lega ferrosa durante
trattamenti termici. È stato dimostrato che la decarburazione può ridurre la resistenza a fatica negli
acciai ad alta resistenza (1650 MPa, 240 ksi e oltre) di circa il 70–80% e negli altri acciai (965 - 1030
MPa) di circa il 45-55% [Rif 2.4,2.5,2.6].
La decarburazione è un fenomeno superficiale non particolarmente collegato alla profondità. Una
profondità di decarburazione di 0,076 mm (0,003 inch) può essere altrettanto dannosa per la resistenza
a fatica di una profondità di 0,76 mm (0,030 inch).
11
L A RISPOSTA DEI METALLI
C A P I T O L O
II
La pallinatura controllata si è dimostrata efficace nel ripristinare la maggior parte della resistenza a
fatica persa a causa di decarburazione [Rif 2.7]. Poiché in molte parti lo strato di decarburazione non è
facilmente identificabile, la pallinatura può assicurare la loro integrità se si sospetta la possibilità di
decarburazione. Se un ingranaggio costruito per avere durezza superficiale maggiore di 58 HRC mostra
impronte inusuali dopo la pallinatura, è probabile che abbia subito una decarburazione.
La decarburazione è spesso accompagnata da formazione di austenite residua. Lavorando a freddo la
superficie, la pallinatura riduce la percentuale di austenite residua.
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a
RIDUZIONE DELL’AUSTENITE RESIDUA NELL’ACCIAIO 5120
CEMENTATO, PALLINATO CON INTENSITÀ 0,014"A
P rroo ff oo nn ddii tt àà (( pp oo ll ll ii ccii ))
P
0,0000
0,0004
0,0008
0,0012
0,0016
0,0020
0,0024
0,0028
0,0039
0,0055
P rr ooff oonn dd ii tt àà (( m
P
mm
m ))
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,10
0,14
Auu ss ttee nnii tt ee RR ee ssii dd uu aa
A
(( VV ooll uu m
m ee %
% ))
N oo nn PP aa ll ll ii nnaa ttoo
N
PP aa ll ll ii nnaa ttoo
5
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14
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15
15
15
12
3
4
5
6
7
7
8
9
10
10
[Rif 2.8]
G HH II SS EE SS FF EE RR O
G
O II DD AA LL II AA UU SS TT EE M
M PP EE RR AA TT EE
Miglioramenti ottenuti con ghise sferoidali austemperate (austempered ductile iron, ADI) hanno
permesso di sostituire getti e forgiati in acciaio in alcune applicazioni. L’ADI ha un alto rapporto
resistenza su peso e una ottima resistenza all’usura. L’ADI ha anche sostituito l’alluminio in alcune
applicazioni ad alta resistenza in quanto è almeno 3 volte più resistente e solo 2,5 volte più denso. Con
la pallinatura controllata, la resistenza alla fatica a flessione può essere aumentata del 75%: ciò rende
alcuni tipi di ADI pallinati paragonabili ad acciai cementati per applicazioni negli ingranaggi [Rif 2.9].
LL A
A GG HH II SS AA
Negli ultimi anni vi è stato una aumento della domanda di componenti in ghisa nodulare capaci di
sopportare carichi a fatica relativamente alti. Componenti in ghisa sono spesso usati senza essere
lavorati a macchina in applicazioni dove la superficie del pezzo è sottoposta a sollecitazioni dovute a
carichi. La presenza sulla superficie del getto di imperfezioni, quali punte di spillo, scorie, grafite in
scaglie, può ridurre considerevolmente le proprietà a fatica della ghisa perlitica nodulare. Il limite a
fatica di parti non intagliate può infatti essere ridotto del 40% in funzione della gravità delle
imperfezioni sulla superficie del getto.
12
C A P I T O L O
LL E
EG
GH
H EE D
D II AA LL LL U
UM
M II N
N II O
O
Le tradizionali leghe di alluminio ad alta resistenza (le serie 2000 e 7000) sono state usate per decenni
nell’industria aeronautica per l’alto rapporto resistenza su peso. Le seguenti leghe di alluminio sono
sempre più usate per applicazioni critiche in campo aeronautico e aerospaziale e rispondono
ugualmente bene alla pallinatura controllata:
•• Leghe Alluminio - Litio (Al-Li)
••
Compositi a matrice metallica isotropica (MMC, Metal Matrix Composites)
••
Alluminio in getti (Al-Si)
S t
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a
ALLUMINIO AD ALTA RESISTENZA Al 7050–T7651
Sono stati preparati provini
in Al 7050-T7651, pallinati
sui 4 lati. Sono state
condotte prove a fatica con
momento flettente applicato
a 4 punti (R=-1).
gu
ur
ra
a2
2..3
3 riporta le
La FFii g
curve S-N delle leghe
pallinate e non pallinate.
La pallinatura controllata ha
aumentato il limite di durata
a fatica di circa il 33%.
Anche quando la
sollecitazione è superiore al
carico di snervamento, la
resistenza a fatica dei
provini pallinati aumenta di
un fattore compreso tra 2 e
quasi 4 [Rif 2.11].
FFii g
gu
ur
ra
a 2
2.
.3
3
L A RISPOSTA DEI METALLI
La pallinatura controllata può migliorare significativamente la situazione quando sono presenti
imperfezioni piccole. Un’applicazione tipica sono le camicie dei cilindri dei motori diesel. Con l’intensità
di pallinatura più alta usata nelle prove, il limite a fatica ha raggiunto valori del 6% inferiori a quelli
ottenuti con campioni completamente lavorati a macchina (contro valori normali per campioni non
pallinati, che sono inferiori del 20%). Da un punto di vista visivo, la pallinatura ha un effetto simile alla
levigatura sulla superficie dei getti, diminuendone la rugosità [Rif 2.10].
II
Curve S – N per lega di alluminio
7050-T7651 pallinata
13
L A RISPOSTA DEI METALLI
C A P I T O L O
II
T II TT A
T
AN
N II O
O
FFaattii ccaa aadd aall ttoo nnuum
m eerroo ddii ccii ccll ii ((HHCC FF)) - La
Fii g
F
gu
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a 2
2.
.4
4 mostra il comportamento di
bielle in lega di titanio (sottoposte a
lavorazioni diverse) usate da una nota
casa costruttrice di macchine sportive
Europea per automobili da
competizione. Con la pallinatura
controllata, il limite a fatica rispetto a
bielle in acciaio è stato aumentato di
circa il 20%, mentre il peso è stato
ridotto del 40% qualunque sia il
processo di produzione utilizzato [Rif
2.12].
FFaattii ccaa aa bbaass ssoo nnuum
m eerroo ddii cc iiccll ii ((LL CCFF)) Come per altri materiali, la vita a fatica
di componenti pallinati aumenta nei
casi di fatica a maggior numero di cicli.
Fatica ad alto numero di cicli è da
associare a sollecitazioni minori, mentre
fatica a basso numero di cicli, a livelli
di sollecitazione più alti. Ciò è visibile
gu
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a1
1.. 4
4e2
2.. 5
5 con le
graficamente in FF iig
curve S-N.
gu
ur
ra
a 2
2.
.5
5 mostra i risultati ottenuti
La FFii g
pallinando scanalature a coda di
rondine in titanio in un componente
rotante di un motore [Rif 2.13]. Ci sono
2 curve base per le scanalature non
pallinate e 2 curve per le stesse
scanalature pallinate. Quando viene
applicata la pallinatura, la curva base,
che inizialmente sopportava un
numero di cicli maggiore prima di
cedere a fatica, risponde in modo
significativamente migliore. È da
notare che gli incrementi nella vita a
fatica sono su base esponenziale.
FFii g
gu
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a 2
2.
.4
4
Resistenza a fatica per il titanio Ti6A14V
lavorato a macchina, lucidato e pallinato
FF iig
gu
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a 2
2.
.5
5
LCF Benefici della pallinatura su provini
intagliati in Ti8-1-1
L’applicazione più comune di fatica a basso numero di cicli per il titanio è per componenti rotanti delle
turbine dei motori (dischi, rotori e alberi) con l’eccezione delle palette. Queste parti sono pallinate per
aumentarne la vita; ogni atterraggio e decollo è considerato come un ciclo di carico.
MA
M
AG
GN
N EE SS II O
O
Le leghe di magnesio non sono di solito usate in applicazioni a fatica. Comunque, quando usate per
ridurre i pesi, si può ricorrere a processi speciali di pallinatura controllata per aumentare la resistenza a
fatica di circa il 25 - 35%.
14
C A P I T O L O
Con parametri di pallinatura ottimizzati è possibile aumentare il limite di fatica di leghe di acciaio
sinterizzato del 22% e la vita a fatica di un fattore 10 [Rif 2.14]. Leghe sinterizzate e pallinate possono
essere usate per componenti automobilistici quali bielle e ingranaggi. In particolare la pallinatura è più
efficace con particolari sinterizzati ad alta densità, quali per esempio componenti forgiati in metallo
sinterizzato.
La pallinatura controllata, provocando un aumento della densità superficiale, aumenta
significativamente la resistenza a fatica, soprattutto nel caso di flessione. Inoltre diminuisce la porosità
superficiale nei componenti per sigillatura ed altre applicazioni ingegneristiche.
S t
S
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c a
a
INGRANAGGI SINTERIZZATI AD ALTA DENSITÀ
Le leghe metalliche sinterizzate sono state studiate per applicazioni per ingranaggi nell’ambito di un
progetto di ricerca sovvenzionato dal Ministero Federale Tedesco per l’Educazione e la Ricerca. Un
ingranaggio in metallo sinterizzato MSP4.0Mo-0.1Nb è stato confrontato con uno lavorato a macchina
in acciaio cementato, 20MnCr5. Prove sulla capacità di carico del piede del dente hanno dato i seguenti
risultati per resistenza a fatica (2 milioni di cicli; resistenza a fatica del 20MnCr5 definita come 100).
••
20MnCr5 non pallinato:
100%
••
••
MSP4.0Mo-0.1Nb non pallinato:
82%
MSP4.0Mo-0.1Nb pallinato:
109%
Le prove hanno perciò dimostrato che con il metallo sinterizzato e non pallinato la resistenza a fatica è
minore del 18% rispetto a quella dell’ingranaggio in acciaio cementato lavorato a macchina;
ma rispetto a questo, la resistenza a fatica del metallo sinterizzato e pallinato è maggiore del 9% [Rif
2.15].
La richiesta di materiali in polveri ferrose sinterizzate e pressate sta crescendo grazie al fatto che la
metallurgia delle polveri viene applicata sempre di più in componenti sottoposti a sollecitazioni elevate.
Ancorsteel 1000B con 2% di rame e 0,9% di graffite, ha un limite a fatica di 240MP; con la pallinatura
raggiunge i 280 MPa, aumentando del 16% il limite di fatica [Rif 2.16].
L A RISPOSTA DEI METALLI
LL A
A M
M EE TT A
A LL LL U
U RR G
G II AA D
D EE LL LL EE P
PO
O LL V
V EE R
R II
II
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI:
2.1 Horger; Mechanical and Metallurgical Advantages of Shot Peening – Iron Age Reprint 1945
2.2 Hatano and Namitki; Application of Hard Shot Peening to Automotive Transmission Gears, Special Steel Research Laboratory, Daido Steel
Company, Ltd., Japan.
2.3 Challenger; Comparison of Fatigue Performance Between Engine Crank Pins of Different Steel Types and Surface Treatments, Lucas Research
Center, Solihull, England, July 1986
2.4 Properties and Selection, Metals Handbook, Eighth Edition, Vol. 1, pp. 223-224.
2.5 Jackson and Pochapsky; The Effect of Composition on the Fatigue Strength of Decarburized Steel, Translations of the ASM, Vol. 39, pp. 45-60.
2.6 Bush; Fatigue Test to Evaluate Effects of Shot Peening on High Heat Treat Steel - Lockheed Report No. 9761.
2.7 Gassner; Decarburization and Its Evaluation by Chord Method, Metal Progress, March 1978, pp. 59-63.
2.8 Internal Metal Improvement Co. Memo
2.9 Keough, Brandenburg, Hayrynen; Austempered Gears and Shafts: Tough Solutions, Gear Technology March/April 2001, pp. 43-44.
2.10 Palmer; The Effects of Shot Peening on the Fatigue Properties of Unmachined Pearlitic Nodular Graphite Iron Specimens Containing Small
Cast Surface Imperfections, BCIRA Report #1658, The Casting Development Centre, Alvechurch, Birmingham, UK.
2.11 Oshida and Daly; Fatigue Damage Evaluation of Shot Peened High Strength Aluminum Alloy, Dept. of Mechanical and Aerospace Engineering,
Syracuse University, Syracuse, NY
2.12 Technical Review, Progress in the Application of Shot-Peening Technology for Automotive Engine Components, Yamaha Motor Co., Ltd., 1998.
2.13 McGann and Smith; Notch Low Cycle Fatigue Benefits from Shot Peening of Turbine Disk Slots.
2.14 Sonsino, Schlieper, Muppman; How to Improve the Fatigue Properties of Sintered Steels by Combined Mechanical and Thermal Surface
Treatments, Modern Developments in Powder Metallurgy, Volume 15 - 17, 1985.
2.15 Link, Kotthoff; Suitability of High Density Powder Metal Gears for Gear Applications; Gear Technology, January/February 2001.
2.16 O’Brian; Impact and Fatigue Characterization of Selected Ferrous P/M Materials, Annual Powder Metallurgy Conference, Dallas, TX. May 1987.
15
LE LAVORAZIONI
C A P I T O L O
III
E FF FF EE TT TT II SS U
E
U LL LL AA RR EE SS II SS TT EE N
N ZZ A
A A
A FF A
A TT II CC A
A
Le lavorazioni hanno effetti importanti sulle proprietà a fatica dei componenti metallici, sia positivi che
negativi. La saldatura, la rettifica, la molatura, le lavorazioni meccaniche improprie, lo stampaggio sono
per esempio dannosi per la resistenza a fatica in quanto lasciano la superficie del pezzo in uno stato di
tensione residua. La somma delle sollecitazioni a trazione residue e dei carichi applicati accelera la
rottura a fatica, come è mostrato in FF iig
gu
ur
ra
a1
1.. 6
6.
La tempra superficiale è tra i processi che portano risultati positivi poiché provoca un leggero stato di
compressione residua sulla superficie del pezzo. La levigatura, la lucidatura e la brunitura sono
trattamenti di miglioramento della superficie che eliminano i difetti e la generazione di tensioni dovuti
alla lavorazione. La rullatura induce sollecitazione a compressione ma è un’operazione principalmente
usata per forme cilindriche. La pallinatura controllata non è limitata dalla geometria del pezzo e
consente di ottenere risultati nel modo più economico possibile.
L’esempio successivo evidenzia gli effetti delle sollecitazioni residue sulla vita a fatica di un pezzo.
Le prove di un costruttore di strutture aeronautiche su un assemblato di un’ala evidenziarono lo
svilupparsi di cricche già al 60% della vita prevista. I difetti furono eliminati e le aree interessate furono
sottoposte a pallinatura controllata. Le prove a fatica furono ripetute e il pezzo superò il 300% della
vita prevista senza ulteriori problemi nonostante la riduzione in sezione a causa dell’aggiustaggio [Rif
3.1].
LL A
A SS AA LL D
D AA TT U
U RR AA
Il processo di saldatura induce tensioni residue a trazione perché il materiale di apporto è allo stato
liquido quando applicato, cioè nella condizione in cui è maggiormente espanso e caldo, e si deve legare
al materiale di base, molto più freddo. Il materiale di apporto si raffredda velocemente e la sua naturale
contrazione viene impedita dal materiale base a cui è già legato. Come risultato si ottiene una saldatura
che è "tirata" dal materiale di base.
Normalmente la zona termicamente
alterata è quella con maggiori tensioni
residue e quindi dove di solito si
sviluppano le rotture. La geometria e la
consistenza della saldatura, le porosità,
i fattori chimici, sono causa di
incremento delle tensioni per gli sforzi
a trazione residui e applicati, principali
responsabili della rottura a fatica.
gu
ur
ra
a 3
3.. 1
1, la
Come mostrato in FF iig
pallinatura è estremamente efficace
nel contrastare nella zona
termicamente alterata le sollecitazioni
a trazione residue provocate dalla
saldatura, inducendo addirittura uno
stato di compressione. Si notino i
differenti risultati che apportano i
singoli processi.
FF iig
gu
ur
ra
a 3
3.
.1
1
Tensioni residue dopo la saldatura
Quando la saldatura è sottoposta a distensione a 620 °C per un’ora, la sollecitazione a trazione è
ridotta praticamente a zer0, migliorando così le proprietà a fatica.
16
C A P I T O L O
S t
S
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a
ROTTURE A FATICA IN STRUTTURE OFFSHORE IN ACCIAIO
Un programma di ricerca
R ee ss ii ss tt ee nn zz aa aa ff aatt ii ccaa
R
norvegese ha raggiunto la
C oo nn dd ii zzii oo nn ii dd ee ll ll ’’ aa cc cc ii aaii oo
C
a uu nn m
a
m ii ll ii oo nn ee dd ii cc ii cc ll ii
conclusione che la combinazione
Materiale Base
340 MPa
di saldatura, molatura e
Saldato, molato e pallinato
300 MPa
pallinatura da i migliori risultati
per la vita della struttura; a un
Saldato e molato
180 MPa
milione di cicli si riesce ad
Unicamente saldato
140 MPa
ottenere un incremento del 100%
rispetto alla resistenza della
struttura solo saldata [Rif 3.3]. Altre ricerche mostrano che la pallinatura migliora la resistenza a
fatica di una saldatura in un modo proporzionale al carico di snervamento del metallo originale.
LE LAVORAZIONI
Se la saldatura è sottoposta a pallinatura si passa da una sollecitazione a trazione ad una a
compressione già significativa; tuttavia i risultati migliori, soprattutto in profondità, si ottengono
gu
ur
ra
a3
3.. 1
1)).
applicando prima una distensione e poi la pallinatura ((FF iig
III
Il manuale della società americana della saldatura (American Welding Society, AWS) richiama i lettori a
porre attenzione alle saldature se la struttura è stopposa a carichi a fatica; in particolare la seguente
frase è sufficientemente esplicativa: "Sollecitazioni localizzate in una struttura possono essere
interamente causate da carichi esterni o possono essere una combinazione di carichi applicati e residui.
Sollecitazioni residue non sono cicliche ma possono aumentare o diminuire in funzione dei rispettivi
segni le sollecitazioni applicate. Per questa ragione può essere vantaggioso indurre una sollecitazione
residua a compressione nelle aree critiche delle saldature dove si pensa siano applicati carichi ciclici".
L’utilizzo della pallinatura controllata per migliorare la resistenza a fatica e a rottura sotto sforzo in
ambiente corrosivo nei componenti saldati è stata riconosciuto da organizzazioni quali:
•• American Society of Mechanical Engineers [Rif 3.4]
••
American Bureau of Shipping [Rif 3.5]
••
••
American Petroleum Institute [Rif 3.6]
National Association of Corrosion Engineers [Rif 3.7]
S t
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ROTORI DI COMPRESSORI HP DI MOTORI A TURBINA
Due aziende leader nella produzione di turbine di motori a reazione producono insieme rotori per
compressori ad alta pressione. Particolari in titanio forgiato (Ti 4Al-6V) sono lavorati a macchina e
poi saldati insieme. I test effettuati hanno dato i seguenti risultati:
Solo saldati
Saldati e lucidati
Saldati e pallinati
4.000 cicli*
6.000 cicli
16.000 cicli
* Nella terminologia in uso per motori
aeronautici, un ciclo equivale
all’accelerazione necessaria per il decollo
dell’aeromobile per cui il motore è
configurato.
Inizialmente la pallinatura era usata come "assicurazione addizionale" per prevenire le rotture;
dopo molti anni di servizi senza rotture e grazie anche alle innovazioni nel controllo della
pallinatura, la pallinatura stessa è stata inserita a tutti gli effetti come un processo di lavorazione
nella revisione dei motori [Rif 3.8].
17
LE LAVORAZIONI
C A P I T O L O
III
LL A
A M
MO
O LL AA TT U
U RR AA
La molatura induce tipicamente uno stato di
sollecitazione residuo a tensione come
risultato delle temperature localizzate
raggiunte a causa del processo. Il metallo a
contatto con il mezzo abrasivo si riscalda e
tenta di espandersi; il materiale riscaldato è
più debole di quello circostante e si snerva a
compressione; quando poi si raffredda,
tende a contrarsi. A tale contrazione si
oppone il materiale circostante, provocando
una sollecitazione residua a tensione che,
qualunque sia la sua grandezza, avrà effetti
negativi sulla vita a fatica e sulla resistenza
a rottura sotto sforzo in ambienti corrosivi.
FFii g
gu
ur
ra
a 3
3.
.2
2
Tensioni residue dopo la molatura
gu
ur
ra
a 3
3.
.2
2 mostra i risultati ottenuti
La FFii g
molando e saldando in modo più o meno aggressivo l’acciaio al carbonio (1020, 150-180 BHN). La
molatura più aggressiva causa uno stato di tensione con profondità maggiore, con effetti peggiori per la
resistenza dei componenti.
La pallinatura controllata applicata dopo la molatura consente di riportare la sollecitazione residua a
uno stato di compressione, con benefici simili a quelli che si ottengono pallinando saldature.
R II P
R
PO
OR
R TT II M
M EE TT A
A LL LL II CC II
Molti particolari sono pallinati prima di essere cromati o
nichelati, per contrastarne gli effetti potenzialmente
negativi sulla vita a fatica. La placcatura infatti può ridurre
la vita a fatica a causa delle micro cricche sulla superficie
fragile, a causa dell’infragilimento da idrogeno o per
sollecitazioni a tensione residue.
FFii g
gu
ur
ra
a 3
3.
.3
3
Micro cricche di una placcatura
gu
ur
ra
a 3
3.
.3
3 (ingrandimento 1200x con microscopio
La FFii g
elettronico a scansione) mostra l’insieme di minuscole
cricche tipiche della cromatura [Rif 3.10]. Sotto carichi a
fatica, le micro cricche si possono propagare nel metallo
base portando a rotture.
Quando il metallo base è sottoposto a pallinatura
controllata, viene fortemente ridotto il pericolo di
propagazione al suo interno di cricche nate dal materiale
di placcatura. La FF iig
gu
ur
ra
a3
3.. 4
4 spiega graficamente questo
FFii g
gu
ur
ra
a 3
3.
.4
4 Sforzi a compressione impediscono
concetto: supponendo un carico applicato in modo
la crescita delle micro cricche
dinamico sul componente, a sinistra le cricche si
propagano nel materiale base, mentre a destra, lo stato di compressione ne impedisce l’avanzamento.
Effettuare la pallinatura controllata prima della placcatura è fortemente raccomandato per migliorare la
vita a fatica di componenti caricati ciclicamente. Per parti che richiedono vita infinita sotto carichi
dinamici, le specifiche federali americane QQ-C-320 e MIL-C-26074 richiedono la pallinatura prima della
cromatura e della nichelatura per riduzione. Altri processi, quali per esempio la nichelatura elettrolitica,
possono anch’essi ridurre la resistenza a fatica.
18
C A P I T O L O
L’anodizzazione è un’altra applicazione dove la pallinatura controllata migliora la resistenza a fatica dei
materiali rivestiti. La pallinatura fatta sul metallo base prima dell’anodizzazione dà benefici simili a
quelli ottenuti con la placcatura.
S t
S
t u
u d
d i
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o
d i
d
i
u n
u
n a
a
a p
a
p p
p l
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z i
i o
o n
n e
e
p r
p
r a
a t
t i
i c
c a
a
CORONE IN ALLUMINIO ANODIZZATO
Corone in Alluminio (AlZnMgCu 0,5) con denti esterni sono state testate per valutare gli effetti della
pallinatura controllata e dell’anodizzazione. Le corone avevano un diametro esterno di circa 612 mm
e carico di rottura di circa 490 MPa; lo strato anodizzato aveva uno spessore di circa 0,02 mm.
Sono state fatte prove di
rottura a flessione per
trovare il carico che
causasse una probabilità
di rottura del 10%, dopo
un milione di cicli. La
tabella mostra i risultati
[Rif 3.11].
P aall ll ii nn aa tt oo
P
A nn oo dd ii zz zz aa ttoo
A
C aa rr ii cc oo (( 11 00 %
C
% dd ii rr oo tt tt uu rree ))
No
Sì
No
Sì
No
No
Sì
Sì
30 KN
41 KN
20 KN
48 KN
LE LAVORAZIONI
LL ’’ A
AN
NO
OD
D II ZZ ZZ AA ZZ II O
ON
N EE
III
P LL A
P
A SS M
MA
A SS P
P RR AA YY
Rivestimenti plasma spray sono usati principalmente per applicazioni che richiedono ottima resistenza
all’usura. La pallinatura controllata si è dimostrata di beneficio sia come preparazione del materiale di
base prima del rivestimento, sia usata a rivestimento applicato per migliorare la finitura superficiale e
chiudere le porosità.
LL ’’ E
E LL EE TT TT R
RO
O RR O
O SS II O
ON
N EE (( EE D
DM
M ))
Il calore generato per fondere ed eliminare il
metallo provoca sul materiale base uno
strato di metallo fusosi e poi solidificatosi.
Tale materiale può essere fragile ed avere
sollecitazioni a tensione simili a quelle che
si verificano con la saldatura: la pallinatura è
ottimale nel ripristinare efficacemente le
caratteristiche a fatica, compromesse dal
gu
ur
ra
a3
3 ..5
5 , da consultare in
processo. La FFii g
senso orario, evidenzia gli effetti della
pallinatura su particolari lavorati con
processi elettrochimici (ECM), elettrorosione
(EDM) ed elettrolucidatura (ELP).
Le resistenze a fatica di ECM, EDM, ed ELP
sono confrontate con e senza pallinatura.
FFii g
gu
ur
ra
a 3
3.
.5
5
Comportamento a fatica ad alto
numero di cicli dell’Inconel 718
19
LE LAVORAZIONI
C A P I T O L O
III
LL E
E LL AA V
VO
O RR AA ZZ II O
ON
N II EE LL EE TT TT R
RO
O CC H
H II M
M II CC H
H EE
Si dicono lavorazioni elettrochimiche le asportazioni controllate di materiale tramite il contatto con forti
reagenti chimici in presenza di correnti elettriche. La riduzione delle proprietà a fatica è da attribuirsi
all’addolcimento superficiale (effetto rilegante Rebinder) e ad imperfezioni superficiali causate
dall’attacco preferenziale sui bordi dei grani. La pallinatura controllata effettuata dopo queste
lavorazioni non solo ripristina ma migliora addirittura le proprietà a fatica, come mostrato in FFii g
gu
ur
ra
a3
3 ..5
5
[Rif 3.12].
S t
S
t u
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o
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a
a p
a
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a t
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c a
a
ACCOPPIAMENTO A DIAFRAMMA
Accoppiamenti metallici a diaframma sono spesso usati in applicazioni con turbomacchine. Essi
risolvono problemi causati da allineamenti non perfetti, tramite parti flessibili. Tali parti, sottoposte a
carichi ciclici, sono soggette a rotture a fatica. Tramite i processi ECM si possono produrre parti con
geometrie praticamente perfette, ma che, dopo analisi con microscopi elettronici, hanno rivelato avere
in alcuni casi minuscole cavità superficiali che possono generare concentrazioni di sollecitazioni che
portano a rotture premature. La pallinatura controllata applicata dopo le lavorazioni elettrochimiche
ha fatto superare queste difficoltà, facendo aumentare notevolmente il limite di durata degli
accoppiamenti a diaframma [Rif 3.13 e 3.14].
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI:
3.1 Internal Metal Improvement Co. Memo
3.2 Molzen, Hornbach; Evaluation of Welding Residual Stress Levels Through Shot Peening and Heat Treating, AWS Basic Cracking
Conference; Milwaukee, WI; July 2000.
3.3 Haagensen; Prediction of the Improvement in Fatigue Life of Welded Joints Due to Grinding, TIG Dressing, Weld Shape Control and Shot
peening. The Norwegian Institute of Technology, Trondheim, Norway.
3.4 McCulloch; American Society of Mechanical Engineers, Letter to H. Kolin, May 1975.
3.5 Stern; American Bureau of Shipping, Letter to G. Nachman, July 1983.
3.6 Ubben; American Petroleum Institute, Letter to G. Nachman, February 1967.
3.7 N.A.C.E Standard MR-01-75, Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic Material for Oilfield Equipment, National Association of Corrosion Engineers.
3.8 Internal Metal Improvement Co. Memo.
3.9 Molzen, Hornbach; Evaluation of Welding Residual Stress Levels Through Shot Peening and Heat Treating, AWS Basic Cracking Conference;
Milwaukee, WI; July 2000.
3.10 Metallurgical Associates, Inc; "Minutes" Vol.5 No.1, Winter 1999; Milwaukee, WI.
3.11 Internal Metal Improvement Co. Memo.
3.12 Koster, W.P., Observation on Surface Residual Stress vs. Fatigue Strength, Metcut Research Associates, Inc., Cincinnati, Ohio.
Bulletin 677-1, June 1977.
3.13 Calistrat; Metal Diaphragm Coupling Performance, Hydrocarbon Processing, March 1977.
3.14 Calistrat; Metal Diaphragm Coupling Performance, 5th Turbomachinery Symposium, Texas A&M University, October 1976.
20
C A P I T O L O
La fatica a flessione è il tipo di
rottura a fatica più comune. Esso
risponde bene alla pallinatura
controllata in quanto le più alte
sollecitazioni a tensione sono in
superficie. La FF ii g
gu
ur
ra
a4
4.. 1
1 mostra
una trave a mensola con un carico
a flessione applicato. La flessione
della trave provoca un
allungamento della sua parte
superiore, con un conseguente
stato di tensione. Qualsiasi
FFii g
gu
ur
ra
a 4
4.
.1
1
interruzione nella normale
geometria della superficie si
comporterà come un localizzatore e alimentatore di stress.
Sollecitazioni sulla superficie
Il tipo più distruttivo di carico a fatica è quello che provoca flessioni cicliche inverse, con cicli di carico a
tensione e compressione. Cricche a fatica iniziano e si propagano dalla fase di tensione del ciclo di
carico.
II N
NG
G RR A
AN
NA
AG
GG
G II
L A FATIC A A FLESSIONE
FF A
A TT II CC A
A AA
FF LL EE SS SS II O
ON
N EE
IV
La pallinatura controllata è un’applicazione molto comune su
ingranaggi di qualsiasi forma e dimensione, soprattutto per
migliorare le proprietà di fatica a flessione del piede del profilo del
dente. L’accoppiamento dei denti di un ingranaggio è simile
all’esempio della trave a mensola. Il carico creato dal contatto dei
denti provoca una sollecitazione a flessione nel piede del dente,
sotto il punto di contatto (( FFii g
gu
ur
ra
a4
4.. 3
3)) .
Gli ingranaggi sono frequentemente pallinati dopo tempra a cuore o
superficiale.
Gruppo corona
FFii g
gu
ur
ra
a 4
4.
.2
2
Un aumento
pignone
di durezza
superficiale provoca un proporzionale aumento
di sollecitazione a compressione, la quale, in
acciai cementati e pallinati, può variare tra 1170
e 1600 MPa in funzione dei parametri di
gu
ur
ra
a4
4.. 4
4)) .
pallinatura e cementazione ((FF iig
Per ingranaggi cementati normalmente sono
utilizzati pallini "duri" (55-62 HRC); solo
quando è richiesta maggiore attenzione per la
superficie del fianco del dente sono usati pallini
normali (45-52 HRC). In questi casi però, si
Fii g
F
gu
ur
ra
a4
4 ..3
3 Vista polarizzata delle sollecitazioni
otterrà circa il 50% di sollecitazione a
applicate a un ingranaggio
compressione in meno rispetto a quella con
pallini duri.
21
L A FATIC A A FLESSIONE
C A P I T O L O
IV
Il modo migliore per aumentare la
resistenza a pitting vicino alla linea
primitiva dei denti dell’ingranaggio, è
quello di indurre uno stato di
compressione e poi usare lappatura o
finitura isotropica ponendo
attenzione a non rimuovere più del
10% dello strato pallinato. Processi
che riducano le asperità delle
impronte create dalla pallinatura
consentono una migliore
distribuzione del carico su un’area
maggiore, riducendo così le
sollecitazioni specifiche.
Fii g
F
gu
ur
ra
a4
4 ..4
4 Tipico andamento delle tensione residue in un
Metal Improvement Company ha
ingranaggio cementato
sviluppato un processo di pallinatura
e superfinitura chiamato C.A.S.E.sm che è in grado di aumentare la resistenza a fatica per pitting negli
ingranaggi del 500%. [vedere capitolo XI]
Aumenti della resistenza a fatica del 30% o più, a un milione di cicli, sono comuni in diverse
applicazioni per ingranaggi. Le seguenti organizzazioni/specifiche consentono un incremento nel carico
sui denti, quando viene implementata la pallinatura controllata:
••
Lloyds Register of Shipping: Aumento del 20% [Rif 4.2]
••
••
Det Norske Veritas: Aumento del 20% [Rif 4.3]
ANSI/AGMA 6032-A94 Marine Gearing Specification: Aumento del 15% [Rif 4.4]
B II EE LL LL EE
B
La biella è un ottimo esempio di
componente metallico soggetto a carichi
a fatica, dal momento che ogni giro del
motore risulta essere un ciclo di carico e
scarico. Le aree critiche per la rottura,
nella maggior parte delle bielle, sono i
raggi adiacenti alla testa della stessa,
sia da una parte che dall’altra del collo.
gu
ur
ra
a4
4.. 5
5 mostra l’analisi ad
La FFii g
elementi finiti di una biella i cui punti di
maggior sollecitazione sono indicati in
rosso.
FF iig
gu
ur
ra
a 4
4.
.5
5
Rappresentazione agli elementi finiti delle
tensioni in una biella
Il modo più economico è eseguire la
pallinatura controllata della biella, che sia ottenuta da forgiatura o da getto o da metalli pressati, prima
di qualsiasi altra lavorazione meccanica, in modo da evitare operazioni di mascheratura che
aumenterebbero i costi. La maggior parte di superfici pallinate non necessita di lavorazioni di
preparazione precedenti o successive poiché superfici grezze sollecitate a compressione hanno
proprietà a fatica migliori di superfici levigate ma sollecitate a tensione (o senza sollecitazioni residue).
22
C A P I T O L O
Nella maggior parte dei casi tutti i raggi in un albero a gomiti
sono sottoposti a pallinatura, inclusi i supporti portanti e i
raggi dei bottoni della manovella come mostrato in FFii g
gu
ur
ra
a
4..6
4
6 . L’area maggiormente sollecitata in un albero a gomiti è il
raccordo del supporto del bottone della manovella, in
particolare la sua parte inferiore che subisce la massima
sollecitazione quando la sua posizione è al punto morto
superiore e il motore spara. Le cricche a fatica si propagano
normalmente attraverso il braccio dell’albero a gomiti verso i
raccordi principali adiacenti causando la rottura
dell’insieme.
FFii g
gu
ur
ra
a 4
4.
.6
6
Schematizzazione di un
albero a gomito
L’esperienza ha mostrato che la pallinatura è utile con acciai forgiati, acciai in getti, acciaio a grafite
nodulare, ferro dolce a tempra bainitica isotermica. Aumenti della resistenza a fatica dal 10% al 30%
sono consentiti dal Det Norske Veritas Norvegese qualora i raccordi siano pallinati in condizioni
controllate [Rif 4.5].
S t
S
t u
u d
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o
d i
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a
a p
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p
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a t
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i c
c a
a
ALBERO A GOMITI DI MOTORI DIESEL
Sono state fatte prove a fatica su quattro punti di alberi a gomiti di motori diesel. Il materiale degli
alberi era acciaio inossidabile Armco 17-10 Ph e la loro vita in esercizio doveva superare i 100 milioni
di cicli. A un miliardo di cicli la resistenza a fatica per il materiale non pallinato è stato di circa 293
MPa e di 386 MPa per il materiale pallinato, con un aumento del 30% circa [Rif 4.6].
S t
S
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d i
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a
L A FATIC A A FLESSIONE
A LL B
A
B EE R
R II A
A G
GO
OM
M II TT II
IV
DISCHI DI MOTORI A TURBINA
Nel 1991 la Federal Aviation Authority emanò una
direttiva che richiedeva l’ispezione del disco dello
stadio di bassa pressione, per verifica di cricche.
Più di 5.000 motori erano installati su business jet in
USA e in Europa.
La FAA richiese che i motori con piede della pala a coda
di rondine non sottoposta a pallinatura dopo la
lavorazione a macchina, fossero ispezionati. A questi
motori che non avevano subito la pallinatura, fu chiesto
di ridurre la vita in servizio da 10.000 a 4.100 cicli
(atterraggi e decolli). Dischi riprocessati con la
FFii g
gu
ur
ra
a 4
4.
.7
7
Pallinatura di un Fan disk
tramite lancia
pallinatura (Computer Monitored Shot Peening) prima
di raggiungere i 4100 cicli, secondo la norma AMS 2432,
gu
ur
ra
a 4
4.
.7
7 mostra una tipica operazione di
ebbero una proroga di vita per altri 3000 cicli [Rif 4.7]. La FFii g
pallinatura su un disco [Vedere anche il capitolo XI, Superfici interne e fori].
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI:
4.1 Figura 4.2, Unigraphics Solutions, Inc. website (www.ugsolutions / www.solid-edge.com), June 2000
4.2 Letter to W.C. Classon, Lloyds Register of Shipping, May 1990
4.3 Sandberg; Letter to Metal improvement Company, Det Norske Veritas, September 1983
4.4 Figura 4.5, Unigraphics Solutions, Inc. website (www.ugsolutions / www.solid-edge.com), June 2000
4.5 Sandberg; Letter to Metal improvement Company, Det Norske Veritas, September 1983
4.6 Internal Metal Improvement Co. Memo
4.7 FAA Issues AD on TFE73, Aviation week & Space Technology; April 22, 1991
23
L A FATIC A A TOR SIONE
C A P I T O L O
V
FF A
A TT II CC AA AA
TT O
OR
RS
S II O
ON
N EE
La fatica a torsione è un tipo di
rottura che risponde bene al
trattamento con la pallinatura perché
le sollecitazioni a tensione maggiori
sono sulla superficie del pezzo.
Carichi a torsione creano
sollecitazioni in senso longitudinale e
perpendicolare, in modo tale che la
Carico a torsione
FFii g
gu
ur
ra
a 5
5.
.1
1
massima sollecitazione a tensione sia
a 45° rispetto all’asse longitudinale
del componente. In FFii g
gu
ur
ra
a5
5 ..1
1 è riportata una barra caricata a torsione con una cricca tipica della
torsione alternata.
Materiali con resistenza bassa tendono a subire rotture a fatica per torsione nel piano di taglio
perpendicolare all’asse longitudinale, ciò perché sono più deboli al taglio che non alla trazione.
Al contrario, materiali con resistenza più alta, tendono a subire rotture a 45° rispetto all’asse
longitudinale perché sono più deboli a trazione che non al taglio
MO
M
O LL LL EE A
A CC O
OM
MP
PR
R EE SS SS II O
ON
N EE
Le molle a compressione sono soggette a cicli a fatica particolarmente
elevati e sono una delle più comuni applicazioni della pallinatura
controllata. Il filo delle molle si torce permettendo alle molle stesse di
comprimersi creando una sollecitazione a torsione. Inoltre, il processo
di avvolgimento provoca uno stato di tensione nel diametro interno
della molla. La FFii g
gu
ur
ra
a5
5.. 3
3 riporta le sollecitazioni residue dopo
l’avvolgimento e la pallinatura.
FF iig
gu
ur
ra
a 5
5.
.2
2
Assieme di
una molla a
compressione
La molla analizzata era di materiale
al Cromo-Silicio, con diametro del
filo di 6,35 mm e un carico a rottura
1793 MPa. La sollecitazione a
tensione residua nel diametro
interno dopo l’avvolgimento, era di
circa 483 MPa, ragione principale
della rottura dopo 80.000 cicli di
carico [Rif 5.2].
La pallinatura controllata ha
provocato l’inversione dello stato di
sollecitazione, raggiungendo circa
135 MPa a compressione, cioè
intorno al 60% del carico di rottura.
Sono stati superati 500.000 cicli di
carico senza rotture.
24
FF iig
gu
ur
ra
a 5
5.
.3
3
Tensioni residue in corrispondenza del diametro
interno di una molla con e senza pallinatura
C A P I T O L O
Altre tipologie di molle possono trarre ugualmente benefici dalla pallinatura. La rottura per fatica
avviene dove è presente la massima combinazione tra sollecitazione residua e sollecitazione a tensione
applicata. Le molle a torsione si rompono normalmente in corrispondenza del diametro esterno vicino
alla parte superiore. Le molle ad estensione si rompono all’interno del gancio. Inoltre la pallinatura può
essere efficace per balestre, molle a flessione, molle laminari, etc.
AA LL B
B EE R
R II D
D II
TT R
RA
A SS M
M II SS SS II O
ON
N EE
Gli alberi di trasmissione sono usati per
trasmettere il moto da un punto ad un altro
attraverso la rotazione. Ciò crea un
momento torcente sulle parti che ruotano.
Poiché la maggior parte degli alberi di
trasmissione è soggetta a notevoli carichi,
FFii g
gu
urr aa 55.. 44 Rappresentazione schematica di
la pallinatura trova diverse applicazioni.
un albero di trasmissione
gu
ur
ra
a5
5.. 4
4, le zone
Come mostrato in FF iig
tipiche di rottura sono i raccordi, le gole per chiavette, i sottosquadri e le scanalature.
BA
B
AR
RR
R EE D
D II TT O
O RR SS II O
ON
N EE
L A FATIC A A TOR SIONE
È abbastanza comune dopo la pallinatura ricorrere a un rinvenimento. Questa operazione è usata come
processo di stabilizzazione nella produzione di molle, per eliminare problemi di stabilità che potrebbero
sorgere in alcuni tipi di molle pallinate. Il rinvenimento è effettuato approssimativamente intorno ai
205° C per 30 minuti per le molle in acciaio al carbonio, temperatura che è al di sotto della temperatura
di distensione del filo. Le temperature al di sopra di 230° C comincerebbero a ridurre gli effetti benefici
derivanti dalla pallinatura.
Le barre di torsione e le barre antiflessione sono parti strutturali usate spesso in sospensioni ed altri
sistemi correlati. Sono usate per mantenere la stabilità resistendo a moti di torsione. Quando sono
montate in sistemi soggetti a carichi ripetitivi come ad esempio le sospensioni dei veicoli, la pallinatura
controllata offre vantaggi per limitare il peso ed estendere la vita utile.
A pp pp ll ii cc aa tt ii o
A
on
n CC aa ss ee SS tt u
u dd yy
BARRE DI TORSIONE NELLE AUTOMOBILI
L’industria automotive ha utilizzato barre torsionali cave per ridurre il peso dei mezzi. La
pallinatura controllata è stata usata sul diametro esterno dove vi sono le sollecitazioni maggiori.
Particolarmente in applicazioni difficili, quali per esempio fuoristrada a 4 ruote motrici, pick up e
SUV, cedimenti possono avvenire anche sul diametro interno, anch’esso sottoposto a carichi
torsionali.
MIC è in grado di eseguire la pallinatura sul diametro interno con le proprie macchine a lancia,
inducendo così la sollecitazione a compressione su tutta la lunghezza delle barre a torsione e
anti-flessione.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI:
5.1 Figura 5.2, Unigraphics Solutions, Inc. website (www.ugsolutions / www.solid-edge.com), June 2000
5.2 Lanke, Hornbach, Breuer; Optimization of Spring Performance Through Understanding and Application of Residual Stress; Wisconsin Coil Spring
Inc., Lambda Research, Inc., Metal Improvement Co. Inc.; 1999 Spring Manufacturer’s Institute Technical Symposium; Chicago, IL May 1999
25
V
L A FATIC A A SSIALE
C A P I T O L O
VI
FF A
A TT II CC AA AA SS SS II AA LL EE
Le rotture a fatica assiale sono meno comuni rispetto ad altri meccanismi di rottura. Una provetta
levigata con carico assiale ha sollecitazioni uniformi su tutta la sua sezione trasversale, facendo sì che
la pallinatura non aumenti in modo significativo le proprietà a fatica.
Nella maggior parte dei casi, i carichi puramente assiali sono rari perchè sono normalmente
accompagnati da carichi a flessione. In ogni caso, la pallinatura si rende utile in presenza di carichi
assiali quando ci sono delle irregolarità geometriche che agiscono come concentratori di sollecitazione.
Tipici esempi possono essere solchi, raccordi, gole, fori passanti.
S t
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a
SPINA DEL FRENO DI EMERGENZA DI TRENI
gu
ur
ra
a 6
6.
.1
1 è rappresentata una parte di
In FF iig
un freno idraulico usato in sistemi di
trasporto di massa. Il sottosquadro vicino
all’estremità smussata è stato progettato
per rompersi in caso di sovraccarico
assiale. Durante l’analisi di rotture
FFii g
gu
ur
ra
a 6
6.
.1
1
Rappresentazione schematica
premature, si scoprì che il pezzo era
della spina di un freno
sollecitato anche da carichi a flessione.
Test simularono carichi assiali e a flessione
combinati, con conseguenti rotture tra i 150.000 e 2.600.000 cicli. Si ricorse alla pallinatura controllata
e tutte le successive prove superarono i 6.000.000 di cicli senza ulteriori rotture [Rif 6.1].
S t
S
t u
u d
d i
i o
o
d i
d
i
u n
u
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a
a p
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p r
p
r a
a t
t i
i c
c a
a
COLLETTORI DI SCARICO DI UNA APU (AUXILIARY POWER UNIT)
Questo tipo di unità ausiliaria è usato per dare potenza agli aerei quando sono al suolo e con i
motori principali spenti. I collettori di scarico sono in alluminio 8009 per alte temperature con
saldature testa a testa.
Test di resistenza a fatica a tensione hanno misurato una resistenza a fatica di 156 MPa a 3000 cicli.
Dopo la pallinatura delle saldature con sfere di vetro, la resistenza a fatica aumenta di circa il 13%
raggiungendo i 180 MPa. [Rif 6.2]
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI:
6.1 RATP, Cetim; Saint Etienne, France, 1996
6.2 Internal Metal Improvement Co. Memo
26
C A P I T O L O
Il fretting ha luogo quando le superfici di 2 componenti
fortemente caricati sono in contatto tra loro e si ha sia attrito
che slittamento. Movimenti relativi di piccolissima ampiezza
provocano scoloramenti della superficie, vaiolature ed
eventualmente cedimenti a fatica. Ossidi abrasivi molto fini
contribuiscono poi ad intaccare la superficie di contatto. Altri
meccanismi di rottura, quali corrosione da attrito e da usura
normalmente accompagnano la rottura per fretting.
La pallinatura controllata è usata per prevenire il fretting ed
Assieme di un
FF iig
gu
ur
ra
a 7
7.
.1
1
eventuali rotture dovute ad esso, dando alla superficie un tipo di
motore a turbina
finitura non direzionale. Si ottiene un indurimento superficiale
(con alcuni materiali) e uno strato sollecitato a compressione.
Questo strato compresso previene la nascita e la crescita di cricche a fatica che si sviluppano a partire
dai difetti superficiali dovuti al fretting.
Rotture per fretting possono avere luogo anche quando un componente rotante è fissato a pressione in
un albero: vibrazioni e/o microspostamenti dell’albero possono far sì che le asperità nella zona di
contatto prima si saldino e successivamente si distacchino. Le superfici esposte si ossideranno e
assumeranno un aspetto a polvere di ruggine tipico dell’acciaio corroso.
S t
S
t u
u d
d i
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c a
a
PALETTE DI TURBINE
Tipici casi di fretting si hanno nel piede delle palette di
turbomacchine, dove la pallinatura è comunemente usata
gu
ur
ra
a7
7.. 2
2, i piedi
per prevenire rotture. Come mostrato in FF iig
delle palette hanno la caratteristica forma ad abete.
L’accoppiamento stretto, insieme a condizioni di carico
significative impongono proprio l’uso della pallinatura per
prevenire rotture associate al fretting.
Molte palette di turbine e di compressori sono pallinate
una prima volta al momento della loro produzione e una
seconda quando sono sottoposte a revisione, per
ripristinare le proprietà iniziali deteriorate a causa del
fretting.
FF iig
gu
ur
ra
a 7
7.
.2
2
LE ROT TURE PER CONTAT TO
RO
R
O TT TT U
UR
RA
A P
P EE RR FF RR EE TT TT II N
NG
G
VII
Assieme di disco e
palette di una turbina
I dischi che supportano le palette dovrebbero essere
anch’essi pallinati.
P II TT TT II N
P
NG
G
La resistenza a fatica a pitting è di importanza rilevante per i progettisti di ingranaggi e di tutti i
componenti che subiscono contatti per rotolamento e scivolamento. Molti ingranaggi sono proprio
progettati in modo tale che le rotture per contatto siano il fattore limitante nel progetto stesso
dell’ingranaggio. Normalmente le rotture per pitting avvengono in modo più graduale e con
conseguenze meno gravi che non le rotture a flessione del piede del dente.
27
LE ROT TURE PER CONTAT TO
C A P I T O L O
VII
Rotture per pitting hanno inizio a causa di sollecitazioni herziane e per contatto con scorrimento vicino
alla linea primitiva. Quando le asperità di superfici accoppiate sono in contatto, il carico è una
combinazione complessa di sollecitazioni herziane e di tensione. Una microcricca può formarsi e
crescere sino a quando l’asperità si
separa dalla superficie, lasciando un
piccolo cratere, in inglese "pit".
Condizioni di lubrificazione mista sono
molto suscettibili a rotture per pitting,
in particolare quando il film lubrificante
non è sufficiente a separare le superfici
e le loro asperità vengono in contatto.
gu
ur
ra
a7
7.. 3
3 mostra il fianco di un
La FFii g
ingranaggio e il meccanismo che causa
il pitting [Rif 7.2].
La pallinatura controllata si è
dimostrata particolarmente efficace nel
contrastare il pitting quando era seguita da un
FFii g
gu
ur
ra
a 7
7.
.3
3
Rappresentazione schematica di
processo per migliorare la finitura superficiale.
una rottura per pitting
Infatti, rimuovendo le asperità lasciate dalla
pallinatura, l’area di contatto è distribuita su una superficie maggiore. È importante che, migliorando la
finitura, non sia rimosso più del 10% dello strato sollecitato a compressione. Consultare il capitolo XI
per microfotografie di superfici pallinate e quindi trattate con finitura isotropica, usando il processo
C.A.S.E.SM
GA
G
A LL LL II N
NG
G
Il galling è una forma avanzata di usura per attrito che avviene tra materiali che scorrono uno sull’altro
con nessuna lubrificazione o solo con lubrificazione marginale. Le forze adesive in gioco causano
deformazione plastica e saldatura a freddo delle opposte asperità. Di solito avviene il distacco di
particelle metalliche e il trasferimento di frammenti tra le superfici. In condizioni limite, può avvenire
anche il grippaggio.
La pallinatura controllata può essere di aiuto soprattutto se i materiali sono incrudibili. Questa lascia
sulla superficie incrudita impronte che fungono da serbatoi per il lubrificante. I seguenti materiali
hanno dimostrato reazioni positive contro il galling quando trattati con la pallinatura: Inconel 718 e 750
Monel K-500, leghe di acciaio inossidabile, titanio e alluminio.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI:
7.1 Figura 7.1, Unigraphics Solutions, Inc. website (www.ugsolutions / www.solid-edge.com), June 2000
7.2 Hahlbeck; Milwaukee Gear; Milwaukee, WI / Powertrain Engineers; Pewaukee, WI
28
C A P I T O L O
Rotture per corrosione sotto sollecitazione possono avere luogo a causa di carichi a tensione sia statici
che ciclici. In entrambi i casi l’ambiente circostante contribuisce alla rottura. Ambienti quali acqua
salata e pozzi di gas acido rappresentano delle sfide metallurgiche; nella maggior parte dei casi tali
ambienti diventano più aggressivi all’aumentare della temperatura.
RO
R
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TU
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E P
PE
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R C
CO
OR
RR
RO
OS
SI
IO
ON
NE
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SO
OT
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TO
O S
SF
FO
OR
RZ
ZO
O
La rottura per corrosione sotto sforzo o
tensocorrosione (in inglese SCC, Stress Corrosion
Cracking) è di solito associata a sollecitazioni a
tensioni statiche. Queste possono essere causate
da fattori applicati (ad esempio flangie
imbullonate) o essere sollecitazioni residue di
processi lavorativi (come la saldatura). Affinché
abbia luogo la corrosione sotto sforzo devono
essere presenti tre fattori:
••
••
Sollecitazioni a tensione
••
Ambiente aggressivo
FFii g
gu
ur
ra
a 8
8.
.1
1
Triangolo della corrosione sotto sforzo
Suscettibilità dei materiali
La FFii g
gu
ur
ra
a 8
8.
.1
1 riporta il triangolo della tensocorrosione nel quale ogni lato deve essere presente perché
il fenomeno avvenga.
Lo strato sollecitato a compressione indotto dalla
pallinatura, elimina il lato della sollecitazione a
tensione, senza il quale si riesce a prevenire o
ritardare significativamente la rottura per SCC.
I seguenti materiali sono tra quelli normalmente
sensibili alla corrosione sotto sforzo:
••
••
Acciaio inossidabile austenitico
••
Alcune leghe di nickel
••
••
Alcuni acciai ad alta resistenza
LE ROTTURE PER CORROSIONE
RO
R
OT
TT
TU
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E P
PE
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R C
CO
OR
RR
RO
OS
SI
IO
ON
NE
E
VIII
Alcune leghe di alluminio delle serie
2000 e 7000
Alcuni ottoni
FFii g
gu
ur
ra
a 8
8.
.2
2
Rottura per corrosione sotto sforzo
in un acciaio inossidabile Serie 300
gu
ur
ra
a 8
8.
.2
2 mostra una rottura per SCC.
La FFii g
Nell’acciaio inossidabile austenitico della serie 300, il disegno a diramazione di fiume è unico per la
tensocorrosione ed è spesso usato nell’analisi delle rotture per identificare il materiale stesso.
29
LE ROTTURE PER CORROSIONE
C A P I T O L O
VIII
S t
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i c
c a
a
REALIZZAZIONE DI IMPIANTI PER L’INDUSTRIA CHIMICA
La pallinatura è stata utilizzata per ridurre i costi nella realizzazione di impianti per l’industria
chimica. Quando dovevano essere immagazzinate soluzioni a base di cloruri o di ammoniaca si
scelse un materiale sensibile alla tensocorrosione, successivamente sottoposto a pallinatura,
piuttosto che un materiale più costoso non sensibile, riducendo così i costi di costruzione
nonostante l’aggiunta del processo di shot peening.
La tabella sotto riportata dimostra l’efficacia della pallinatura controllata nell’ostacolare le rotture
per corrosione sotto sforzo, per i seguenti acciai inossidabili. Durante le prove è stata applicata
una sollecitazione equivalente al 70% del carico di snervamento [Rif 8.2].
M aa tt ee rr ii aall ee
M
P aa ll ll ii nn aatt oo
P
(( ss ìì // nn oo ))
O rr ee dd ii SS eerr vv ii zz ii oo
O
(( hh oo uu rr ss ))
316 SS
no
11,3
316 SS
sì
1.000 N.R.
318 SS
no
318 SS
sì
1.000 N.R.
321 SS
no
5,0
321 SS
sì
1.000 N.R.
3,3
N.R. = Nessuna Rottura
RO
R
O TT TT UU RR EE AA FF AA TT II CC AA II NN AA M
M BB II EE NN TT EE AA GG GG RR EE SS SS II VV O
O
Rotture a fatica per corrosione avvengono in componenti esposti ad un ambiente aggressivo e
sottoposti a carichi ciclici. La resistenza a fatica può essere ridotta del 50% o oltre, quando leghe
sensibili sono usate in ambienti corrosivi.
S t
S
t u
u d
d i
i o
o
d i
d
i u
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n a
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p
r a
a t
t i
i c
c a
a
ROTTURE PER SOLLECITAZIONI DA SOLFURI
Il solfuro di idrogeno (H2S) si trova normalmente nei pozzi di gas acidi. Alcune leghe metalliche, se
esposte all’ H2S subiscono una notevole riduzione della resistenza a fatica. La tabella seguente riporta
i risultati di prove fatte esponendo acciaio inossidabile 17-4 indurito per precipitazione, all’azione del
solfuro di idrogeno [Rif 8.3].
% d
%
d ii CC aa rr ii cc oo
d ii SS nn eerr vv aam
d
m eenn tt oo
30
40
50
60
O rr ee d
O
d ii
SS ee rr vv ii zz ii oo
29,8
37,9
15,4
15,2
O rr ee d
O
d ii S
S ee rr vv ii zz ii o
o
PP eezz zz oo ss oo tttt oo pp oo ss ttoo
a PP aall ll ii nn aatt uu rr aa CC oo nn tt rr oo ll ll aa ttaa
a
720 N.R.
561
538
219
N.R. = Nessuna Rottura
Prove eseguite secondo NACE TM-01-77 Test Standard
30
C A P I T O L O
PROTESI MEDICALI
La scienza medica evolve in continuazione nel sostituire le parti del corpo danneggiate e
usurate. I materiali per le protesi devono essere leggeri, resistenti e insensibili all’ambiente
aggressivo creato dai fluidi che il nostro corpo contiene.
La pallinatura è stata usata con successo in leghe di acciaio inossidabile e di titanio per
contrastare sia rotture a fatica che rotture a fatica in ambiente corrosivo.
CO
C
OR
RR
RO
O SS II O
ON
N EE
II N
NT
TE
ER
RG
GR
RA
AN
NU
U LL A
A RR EE
Durante trattamenti di ricottura di
soluzione degli acciai inossidabili
austenitici, i carburi di cromo precipitano
sui bordi dei grani, provocando un
impoverimento di cromo nelle regioni
adiacenti: la resistenza alla corrosione ne
risulta diminuita, in particolare la lega
diventa sensibile alla corrosione
intergranulare.
Quando la pallinatura viene effettuata
prima che la lega sia sensibilizzata, il
contorno dei grani in superficie viene rotto,
creando molti nuovi siti di enucleazione
per la precipitazione di carburi di cromo.
Quest’ultima, essendo casuale, non offre
più un percorso preferenziale continuo da
seguire per la corrosione.
Miglioramenti significativi verso la
corrosione intergranulare sono stati
documentati con la pallinatura eseguita
prima di sottoporre a sensibilizzazione il
materiale, mentre non si riscontra alcun
miglioramento con la pallinatura eseguita
dopo. La FFii g
gu
ur
ra
a8
8 ..3
3a
a è l’immagine a un
microscopio a scansione elettronica (SEM)
di una corrosione intergranulare. La FFii g
gu
ur
ra
a
8..3
8
3b
b mostra la zona principale di rottura
(area scura) e una secondaria che si
propaga lungo i contorni dei grani.
FF iig
gu
ur
ra
a 8
8.
.3
3a
a
Fotografia rilevata al SEM di corrosione
intergranulare
FFii g
gu
ur
ra
a 8
8.
.3
3b
b
Cricca primaria e secondaria per
corrosione intergranulare
LE ROTTURE PER CORROSIONE
S t
S
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u d
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i o
o
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i
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u
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a
a p
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a z
z i
i o
o n
n e
e
p r
p
r a
a t
t i
i c
c a
a
VIII
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI:
8.1 Figura 8.2, http://corrosion.ksc.nasa.gov/html/stresscor.htm, May 2001
8.2 Kritzler; Effect of Shot Peening on Stress Corrosion Cracking of Austenitic Stainless Steels, 7th International Conference on Shot Peening;
Institute of Precision Mechanics; Warsaw, Poland, 1999
8.3 Gillespie; Controlled Shot Peening Can Help Prevent Stress Corrosion, Third Conference on Shot Peening; Garmisch-Partenkirchen, Germany, 1987
8.4 Figure 8.3A e 8.3B, http://corrosion.ksc.nasa.gov/html/stresscor.htm, May 2001
31
L A FAT I C A TE R M I C A E G L I E F F E T T I D E L C A LO R E
C A P I T O L O
32
IX
E FF FF EE TT TT II D
E
D EE LL CC AA LL O
OR
R EE
Quando le parti sono sottoposte ad elevate
temperature dopo la pallinatura, devono
essere prese delle precauzioni. L’entità della
sollecitazione a compressione rilasciata è
funzione della temperatura, del tempo e del
materiale. La FFii g
gu
ur
ra
a9
9 ..1
1 evidenzia per
l’Inconel 718 pallinato il diminuire della
magnitudine della sollecitazione a
compressione con l’aumento della
temperatura [Rif 9.1]. L’Inconel 718 è usato
comunemente in applicazioni ad alta
temperatura per motori a reazione.
La temperatura per la quale si modifica lo
stato tensionale interno è una proprietà fisica
gu
ur
ra
a9
9.. 2
2 riporta la
dei materiali. La FFii g
temperatura alla quale le tensioni nei vari
materiali incominciano a ridursi. Molte
applicazioni a fatica di parti pallinate lavorano
al disopra di questi limiti di temperatura,
poiché vi sono ancora dei benefici, purché non
si operi a temperature vicine a quelle di
distensione.
FF iig
gu
ur
ra
a 9
9.
.1
1
Andamento delle tensioni residue in
Inconel 718 dopo 100 ore di esposizione a
temperature elevate
Di seguito sono riportati esempi in cui normalmente la pallinatura è seguita da trattamenti termici:
••
Molle - È comune eseguire
un’operazione di cottura
per migliorare le
prestazioni della molla
(vedere Capitolo V Rotture a fatica a
torsione).
••
Parti laminate - La
pallinatura è spesso
eseguita prima della
laminatura, per i benefici
apportati alla resistenza a
fatica e all’infragilimento
da idrogeno (vedere
capitolo III - Lavorazioni).
Normalmente la laminatura
prevede un’operazione di cottura
in atmosfera di idrogeno a
175-205 °C per diverse ore.
FFii g
gu
ur
ra
a 9
9.
.2
2
Temperatura approssimativa in cui la
sollecitazione a compressione
incomincia a essere rilasciata
C A P I T O L O
La fatica termica fa riferimento a rotture di metalli causate da riscaldamenti e raffreddamenti non
uniformi durante carichi termici ciclici. Riscaldamenti e raffreddamenti rapidi del metallo possono
indurre un alto gradiente termico attraverso la sezione trasversale, provocando espansioni e contrazioni
non uniformi. Quando l’espansione di una parte è contrastata da una sezione più spessa e più fredda,
può essere generata una sollecitazione sufficiente a snervare il materiale.
La fatica termica è differente dalla fatica ad alta temperatura, che è causata da sollecitazioni
meccaniche cicliche ad alta temperatura. Sovente esse entrano in gioco simultaneamente in quanto
molte parti subiscono sia escursioni termiche che carichi ciclici.
S t
S
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a
RISCALDATORI DELLE ACQUE DI ALIMENTAZIONE
Sono state scoperte grosse cricche per fatica termica in 8 riscaldatori di acqua di alimentazione ad
alta pressione usati per la generazione del vapore. Queste 8 unità operano sia ad alta temperatura
che in un ambiente suscettibile a fatica termica. La condizione costante di lavoro è tra i 250 e
i 350°C.
Le cricche erano rotonde nella zona termicamente alterata della saldatura tra il serbatoio e la
lamiera del tubo; tali rotture sono state attribuite agli anni di servizio e ai 747 avvii e spegnimenti
dell’unità.
Per superare le preoccupazioni sulla vita rimanente delle parti, le zone delle cricche furono lavorate
a macchina e poi pallinate. Ispezioni successive indicarono che nessuna cricca si sviluppò nei 5 anni
successivi con 150 avvii e spegnimenti [Rif. 9.2].
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI:
9.1 Surface Integrity, Tech Report, Manufacturing Engineering; July 1989
9.2 Gauchet; EDF Feedback on French Feedwater Plants Repaired by Shot Peening and Thermal Stresses Relaxation Follow-Up,
Welding and Repair Technology for Fossil Power Plants; EPRI, Palo Alto, CA; March 1994
L A FAT I C A TE R M I C A E G L I E F F E T T I D E L C A LO R E
FF A
A TT II CC A
A TT EE RR M
M II CC AA
IX
33
A LT R E A P P L I C A Z I O N I
C A P I T O L O
X
PE
P
EE
EN
N F
FO
OR
RM
MI
IN
NG
G
Il peen forming è il metodo più comune per dare la forma
aerodinamica voluta alla superficie delle ali degli aeromobili.
È un processo di formatura senza stampo condotto a
temperatura ambiente. È ideale per dare la forma alle ali e ai
pannelli della coda anche degli aerei più grandi, in particolare
dove le curvature da ottenere sono tali da avere il raggio
all’interno del limite elastico del metallo (raggi di curvatura
ampi).
La sollecitazione residua a compressione agisce stirando
gu
ur
ra
a
elasticamente la parte pallinata come mostrato in FFii g
10
1
0..1
1 . La superficie si piega o si "inarca" verso il lato pallinato.
La curvatura risultante fa si che la superficie inferiore sia in
uno stato di compressione. Normalmente i pannelli delle ali
degli aeroplani hanno una notevole superficie e una sezione
longitudinale di basso spessore. La prima consente di
generare, attraverso la pallinatura, delle forze significative; la
seconda consente una sua facile manipolazione per ottenere
le forme volute quando il peen forming è sviluppato ed
eseguito correttamente.
FFii g
gu
ur
ra
a 1
10
0.
.1
1
Sezione trasversale sottile
prima e dopo la pallinatura
controllata
Un processo di peen forming ben studiato si applica a
pannelli con curvature e spessori variabili, in presenza di fori,
gu
ur
ra
a1
10
0 ..2
2 riporta un
rinforzi e distorsioni preesistenti. La FFii g
pannello alare con livelli multipli lungo la sua lunghezza ed è
posizionato su una maschera di controllo per verificarne la
correttezza.
Il peen forming è di solito processato da macchine a ponte,
con tavola passante ((FFii g
gu
ur
ra
a 1
10
0.
.3
3)
).
FFii g
gu
ur
ra
a 1
10
0.
.2
2
Il peen forming ha i seguenti vantaggi:
••
••
••
FFii g
gu
ur
ra
a 1
10
0.
.3
3
34
Macchina per “formare”
i pannelli alari
Maschera di controllo per
verifica del peen forming
su un pannello alare
Non è richiesto alcuno stampo di
formatura.
Il processo è effettuato a temperatura
ambiente.
Il cambio del disegno di un pannello
alare può essere facilmente seguito
modificando le procedure del peen
forming. Non è necessario modificare
costose attrezzature, ma solo le
dimensioni per il controllo finale.
••
Tutte le operazioni di formatura sono
effettuate inducendo sollecitazioni
residue a compressione, migliorando
la resistenza a fatica a flessione e la
resistenza alla corrosione sotto
sforzo.
••
I pannelli sottoposti a peen forming
hanno sia la superficie inferiore che
quella superiore, sollecitate a
compressione.
C A P I T O L O
Metal Improvement Company ha sviluppato un software di
modellazione, che consente studi di fattibilità di progetti
particolari. Il programma gestisce dati su tre dimensioni e,
basandosi sui profili da ottenere, calcola e mostra il grado
di peen forming richiesto, definendo anche i parametri
della pallinatura necessari per ottenere la curvatura
desiderata. In questo modo MIC può assistere i progettisti
di ali di aeroplani sin dall’inizio del loro lavoro,
assicurando che le curvature aerodinamiche richieste si
sposino con i benefici di un processo produttivo economico.
FFii g
gu
ur
ra
a 1
10
0.
.4
4
Modellazione al computer
di un’operazione di peen
forming
CO
C
O RR RR EE ZZ II O
O NNEE DD II FF O
O RR M
M EE
La pallinatura controllata può essere utilizzata per correggere geometrie non desiderate. Utilizzando le
tecniche del peen forming, si pallinano solo alcune zone predefinite e si riesce, inducendo sollecitazioni
a compressione, a riportare il componente nelle condizioni indicate dal disegno. Alcuni esempi sono:
••
••
Raddrizzatura di alberi di trazione o a gomito
••
Registrazione dei rinforzi delle ali degli aerei
••
Correzione delle distorsioni provocate da saldature
Arrotondamento di particolari con geometria ad anello
A LT R E A P P L I C A Z I O N I
La maggior parte degli aeromobili in produzione usa il
processo di peen forming per i pannelli in alluminio delle
ali.
Il processo di peen forming evita le tensioni residue pericolose provocate da altri metodi di
raddrizzatura, inducendo anzi una sollecitazione a compressione residua benefica.
II N
N CC RR UU DD II M
M EE NN TT O
O
Un buon numero di materiali e leghe hanno la possibilità di essere incruditi se lavorati a freddo.
La pallinatura controllata può indurire la superficie di alcune leghe dei seguenti materiali:
•• Acciaio Inossidabile
••
Alluminio
••
Acciaio Inossidabile al
Manganese
••
Inconel
••
••
Stellite
Leghe Hastelloy
Ciò può essere particolarmente
utile per parti che non possono
subire trattamenti termici ma
richiedono resistenza all’usura
sulla superficie. La tabella
seguente riporta esempi di
aumento della durezza superficiale
grazie alla pallinatura controllata.
M aa ttee rr ii aa ll ee
M
PP rr ii m
m aa dd ee ll ll aa
PP aa ll ll ii nn aa tt uurr aa
DD oo pp oo ll aa AA uum
m ee nn tt oo ii nn
P aa ll ll ii nnaa ttuu rr aa PPee rr ccee nn tt uuaa ll ee
P
Ottone per bossoli
50 HRB
175 HRB
250
Acciaio Inossidabile 304
243 HV
423 HV
74
Acciaio Inossidabile 316L
283 HV
398 HV
41
Acciaio Inossidabile al Mn
23 HRC
55 HRC
139
Inconel 625
300 HV
500 HV
67
Stellite
42 HRC
54 HRC
29
Hastalloy C (lavorato)
18 HRC
40 HRC
122
Hastalloy C (fuso in getti)
25 HRC
45 HRC
80
35
X
A LT R E A P P L I C A Z I O N I
C A P I T O L O
X
P EE EE N
P
N TT EE XX SS MM
La pallinatura controllata può essere usata per ottenere diversi
tipi di finiture estetiche. Metal Improvement ha a sua
disposizione un notevole numero di diversi media, da piccole
palline in vetro a biglie in acciaio e acciaio inossidabile, e,
controllando i parametri del processo, è in grado di fornire una
finitura architettonica ripetibile nel tempo e resistente a danni
meccanici attraverso l’incrudimento.
Finiture pallinate sono state adoperate per statue, corrimani,
ingressi, facciate di palazzi, lavori decorativi di ferro e numerose
altre applicazioni che richiedessero un certo appeal visivo.
Quando si vuole selezionare una finitura, MIC raccomanda di
analizzare diverse opzioni su campioni, per una comparazione
gu
ur
ra
a1
10
0 ..5
5 vi è un corrimano con la parte sinistra
visiva. In FFii g
sottoposta a pallinatura per ridurne la lucidità, e la parte destra
allo stato naturale.
FFii g
gu
ur
ra
a 1
10
0.
.5
5
Prima (destra) e dopo
(sinistra) l’uso del
Peentexsm
Una superficie testurizzata può nascondere graffi e difetti che
altrimenti sarebbero altamente visibili. È anche comune
testurizzare gli stampi per parti in plastica, al fine di nascondere
eventuali difetti superficiali. La superficie della parte stampata sarà l’immagine a specchio di quella
dello stampo.
SU
S
UP
P EE RR FF II CC II II N
NG
G EE G
GN
N EE R
R II ZZ ZZ A
A TT EE
Si dice superficie ingegnerizzata una superficie testurizzata per incrementarne le prestazioni. Le
seguenti sono delle potenziali applicazioni superficiali ottenute con la pallinatura controllata:
36
••
Nella maggior parte dei casi una superficie testurizzata ha un coefficiente di
attrito radente più basso di una superficie non testurizzata perché la
superficie delle aree di contatto è ridotta ai soli picchi delle impronte della
pallinatura.
••
In alcune applicazione le valli delle impronte agiscono come serbatoi di
lubrificante, assenti nelle superfici lisce.
••
In alcuni casi si desidera una superficie testurizzata in modo non direzionale,
piuttosto che una superficie lavorata in modo unidirezionale. Ciò si è reso
evidente in alcune applicazioni di sigillatura.
••
In alcune applicazioni di stampaggio, una superficie testurizzata crea meno
effetti di vuoto, migliorando le proprietà e agevolando le operazioni di
espulsione.
C A P I T O L O
TUBI PNEUMATICI DI TRASPORTO
Le tubazioni di trasporto pneumatiche possono
avere un diametro di 254 mm (10 pollici) e sono
in genere di leghe di alluminio o di acciaio
inossidabile. Sono usate per trasportare pellet
agli impianti di stampaggio o verso magazzini di
distribuzione. I pellet durante il trasporto si
degradano a contatto con la superficie interna
del tubo e, a seconda della loro velocità, si ha
produzione di attrito, calore e perdita di
produzione.
Usando una variante del Peentexsm che consente
FFii g
gu
ur
ra
a 1
10
0.
.6
6
Impianto di produzione con
tubazioni testurizzate in modo
di ottenere impronte disposte secondo una
direzionale
direzione, MIC offre una superficie testurizzata
in modo direzionale che riduce significativamente la formazione di lunghi filamenti, i cosiddetti capelli
d’angelo, che possono causare la perdita o la contaminazione di milioni di chilogrammi di materiale per
anno. La pallinatura effettuata in modo direzionale si è dimostrata più efficace rispetto ad altri
trattamenti interni dei tubi, spesso più economica e
CC aa pp ee ll ll ii dd ’’ aann gg ee ll oo
può essere fatta direttamente in sito. Inoltre ha il
T rr aatt tt aa m
T
m ee nn tt oo
(( g
g rr aa m
mm
m ii // 11 00 00.. 0000 00
ll ii b
b bb rr ee tt rraa sspp oo rr ttaa ttee )) vantaggio di incrudire la superficie (per tubazioni in
alluminio e acciaio inossidabile) allungando la vita
Pallinatura Direzionale
1.629
del trattamento superficiale.
Finitura Liscia a Fresa
4.886
Rigatura a Spirale
Sabbiatura
Rivestimento Poliuretanico
Scanalatura Media
A LT R E A P P L I C A Z I O N I
S t
S
t u
u d
d i
i o
o
d i
d
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c a
a z
z i
i o
o n
n e
e
p r
p
r a
a t
t i
i c
c a
a
6.518
7.145
7.215
13.887
La tabella a lato riporta prove su sei diversi
trattamenti interni per condotti. Risultato ottimale è
il numero più basso possibile di filamenti per
100.000 libbre (circa 50.000 kg) di materiale
trasportato. La pallinatura direzionale ha un terzo
del numero della quantità di filamenti del trattamento ad essa più prossimo [Rif 10.1].
S t
S
t u
u d
d i
i o
o
d i
d
i
u n
u
n a
a
a p
a
p p
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i o
o n
n e
e
p r
p
r a
a t
t i
i c
c a
a
INDUSTRIA ALIMENTARE
L’industria lattiero-casearia ha scoperto l’effetto benefico che le impronte
uniformi lasciate dalla pallinatura hanno sulla superficie, cosa che ha
permesso allo shot peening di sostituirsi ad altri trattamenti superficiali.
Infatti una superficie testurizzata ha spesso un basso coefficiente di attrito
radente, minore di quello richiesto affinchè il formaggio rilasci le sue
proprietà su alcune superfici di contatto alimentari. Le impronte agiscono
come serbatoi per grasso o altre sostanze, permettendo al formaggio di
scorrere più facilmente attraverso gli stampi sui picchi delle impronte.
FF iig
gu
ur
ra
a 1
10
0.. 7
7
Test hanno dimostrato che le superfici pallinate incontrano o superano le
Forma a cavità singola
caratteristiche di pulibilità richieste in termini di conteggi microbiologici.
per formaggio
Ciò è dovuto alle impronte di forma arrotondata che non consentono ai
batteri di raggrupparsi e riprodursi. I segni lasciati da sabbiatura, granigliatura o da media rotti
facilitano la concentrazione di batteri e si sono dimostrati meno facilmente pulibili [Rif 10.2]. Per queste
applicazioni, per evitare contaminazioni, sono stati usati con successo media di vetro e di acciaio
inossidabile.
gu
ur
ra
a 1
10
0.. 7
7 è rappresentata una forma a singola cavità per formaggio. MIC ha testurizzato con
In FFii g
successo forme/stampi per formaggi di diverse geometrie e dimensioni.
37
X
A LT R E A P P L I C A Z I O N I
C A P I T O L O
X
CO
C
OR
R RR O
O SS II O
ON
N EE P
P EE R
R SS FF O
OG
G LL II A
A TT U
UR
RA
A
Un buon numero di aeromobili ha un’età superiore ai 20 anni e la sicurezza degli aerei più vecchi
dipende dalla qualità della loro manutenzione. Un vecchio Boeing 737 si depressurizzò in modo
esplosivo a 24000 piedi (7300 metri) quando un pezzo di 6 metri di rivestimento della fusoliera fu
strappato via. Le cause della rottura furono individuate nella corrosione e nella fatica del metallo [Rif
10.3].
MIC ha sviluppato un processo, il "Search Peeningsm", per localizzare la corrosione superficiale e
lievemente subsuperficiale. La corrosione per sfogliatura è una forma di corrosione intergranulare che
ha luogo lungo i contorni dei grani di alluminio. È caratterizzata dalla delaminazione di sottili strati di
alluminio con prodotti della corrosione tra gli strati. Ha luogo comunemente vicino a dispositivi di
fissaggio, favorita dall’azione galvanica tra due metalli
dissimili.
gu
ur
ra
a 1
10
0.
.8
8 riporta un esempio di bolle
La FFii g
superficiali; in casi gravi la corrosione è sotto la
superficie.
Quando la corrosione ha avuto luogo, i tecnici
possono rimuoverla manualmente sabbiando il
particolare o usando altri metodi. La pallinatura viene
quindi applicata per compensare le proprietà a fatica
perse come conseguenza della rimozione del metallo.
Una corrosione addizionale sotto la superficie
apparirà sotto forma di bolle messe alla luce dal
processo di pallinatura. In questo caso, le parti
corrose saranno rimosse e il Search Peeningsm verrà
ripetuto, sino a quando non compariranno altre bolle.
FFii g
gu
ur
ra
a 1
10
0.
.8
8
Corrosione per sfogliatura
MIC è in grado di eseguire il Search Peeningsm direttamente in sito, tipicamente all’interno degli hangar
in cui viene fatta la manutenzione degli aerei. Le parti critiche di questi ultimi sono mascherate dai
tecnici prima di eseguire la pallinatura, per evitare danneggiamenti.
S II G
S
G II LL LL AA TT U
U RR AA D
D EE LL LL EE P
PO
OR
RO
O SS II TT À
À
La porosità superficiale è stata lungamente un problema dell’industria delle polveri di metallo e della
fonderia. L’irregolarità della consistenza del materiale in superficie, può essere ridotta tramite la
pallinatura. Con intensità elevate, la pallinatura può anche essere usata per identificare larghi vuoti e
delaminazioni vicino alla superficie.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI:
10.1 Paulson; Effective Means for Reducing Formation of Fines and Streamers in Air Conveying Systems, Regional Technical
Conference of the Society of Plastics Engineering; 1978, Flo-Tronics Division of Allied Industries; Houston, TX
10.2 Steiner, Maragos, Bradley; Cleanability of Stainless Steel Surfaces With Various Finishes; Dairy, Food, and Environmental Sanitation, April 2000
10.3 Eckersley; The Aging Aircraft Fleet, IMPACT; Metal Improvement Co.
38
C A P I T O L O
Quando la profondità di un foro interno è maggiore del suo diametro, non si può ricorrere alla
pallinatura con metodi tradizionali, ma bisogna adoperare una lancia per pallinatura interna o un
gu
ur
ra
a1
11
1 ..1
1)
).
deflettore interno (ISD, internal shot deflector) in condizioni estremamente controllate (( FFii g
Fori con diametro di 2,4 mm, in dischi
di motori a reazione, sono stati
pallinati in modo continuativo con il
metodo ISD. Seguono alcune
potenziali applicazioni per la
pallinatura di superfici interne:
••
••
Fori di fissaggio
••
Longheroni di elicotteri
••
••
Tubi per trivellazione
••
Alberi con fori di
lubrificazione
••
Cave di palette di dischi
di turbine e compressori
FFii g
gu
ur
ra
a 1
11
1.
.2
2
Cilindri idraulici
Palette di propulsori
FFii g
gu
ur
ra
a 1
11
1.
.1
1
Pallinatura controllata tramite lancia e tramite
deflettore interno
Superficie interna pallinata con deflettore e superficie
esterna pallinata in modo tradizionale
MIC ha sviluppato una
tecnica per verificare
l’intensità della pallinatura
gu
ur
ra
a
per piccoli fori. La FFii g
11
1
1..2
2 mostra i risultati di uno
studio su un disco di un
motore a reazione,
comparando le sollecitazioni
residue sulla superficie
esterna pallinata in modo
convenzionale a quelle della
superficie interna di un
piccolo foro pallinato con
deflettore interno. Usando
intensità e dimensione di
palline uguali, i profili delle
due sollecitazioni residue dei
due processi controllati erano
praticamente uguali [Rif 11.1].
A LT R I P R O C E S S I E S E R V I Z I
SU
S
UP
P EE R
R FF II CC II II N
N TT EE RR N
N EE EE FF O
OR
R II
XI
DU
D
UA
A LL P
P EE EE N
N II N
NG
G
Il dual peening (o Dura Peensm) è usato per migliorare ulteriormente le caratteristiche a fatica di un
materiale, rispetto ai risultati ottenuti con la semplice pallinatura. Quest’ultima tipicamente riesce a
incrementare la vita a fatica di un particolare del 300%, 500% o più; con il dual peening questi risultati
possono ancora essere raddoppiati o triplicati.
39
A LT R I P R O C E S S I E S E R V I Z I
C A P I T O L O
XI
L’obiettivo è di migliorare lo stato di
compressione residua (la
sollecitazione a compressione) nello
strato più vicino alla superficie per
aumentarne la resistenza; qui infatti è
dove di solito hanno inizio la cricche a
fatica.
FFii g
gu
ur
ra
a 1
11
1.
.3
3
Pallinatura normale e dual peening a confronto
Fii g
F
gu
ur
ra
a1
11
1 ..4
4
Fotografia al SEM di finitura
superficiale dopo pallinatura singola
gu
ur
ra
a1
11
1 ..3
3 evidenzia una sollecitazione a compressione
La FFii g
addizionale in superficie di circa 200 MPa quando si effettua una
doppia pallinatura su un filo di una molla al cromo silicio.
Normalmente il dual peening viene eseguito pallinando la stessa
superficie una seconda volta, con media più piccoli e ad intensità
minore rispetto alla prima. In questo modo vengono "martellate" le
FFii g
gu
ur
ra
a 1
11
1.
.5
5
Fotografia al SEM di finitura
asperità lasciate dalla prima pallinatura migliorando la finitura
superficiale dopo dual peening
superficiale e incrementando la sollecitazione a compressione
superficiale grazie proprio al lavoro di ribattitura delle asperità stesse.
gu
ur
ree 1
11
1.. 4
4e1
11
1.. 5
5 mostrano la finitura superficiale della pallinatura normale e del dual peening,
Le FF iig
gu
ur
ra
a1
11
1 ..3
3 (Ingrandimento 30x) [Rif. 11.2].
come dal grafico in FFii g
II LL P
P RR O
O CC EE SS SS O
O CC .. A
A .. SS .. EE ..SS MM
Il processo C.A.S.E.sm consiste in una pallinatura controllata seguita da una finitura isotropica. La
finitura isotropica rimuove le asperità lasciate dalla pallinatura attraverso tecniche di lucidatura tramite
vibrazioni, mantenendo però integro lo strato a compressione residua. Il C.A.S.E.sm si effettua in una
soluzione chimica speciale per ridurre il tempo di processo, in modo che sia utilizzabile su scala
industriale.
Il processo C.A.S.E.sm è stato studiato e sviluppato per superfici che richiedono sia eccellenti proprietà a
fatica, che una buona finitura superficiale a causa di carichi a contatto. In particolare si è dimostrato
efficace nell’incrementare la resistenza al pitting e al micro pitting negli ingranaggi, per i quali in molti
casi questi ultimi rappresentano un fattore critico per quanto riguarda problematiche legate al carico
applicato.
La pallinatura è eseguita sia sul fianco che sul piede dei denti degli ingranaggi, mentre la finitura
isotropica è concentrata sui fianchi. Il miglioramento della finitura superficiale consente che il carico
durante il contatto sia distribuito su una superficie maggiore riducendo così lo stress per contatto,
aumentando la vita a fatica a pitting.
Ingranaggi per trasmissione utilizzati in campo aerospaziale, automotive e per veicoli fuori strada, sono
applicazioni ideali in cui il processo C.A.S.E.sm si è dimostrato efficace. Infatti le componenti di cui sopra
devono durare per anni sopportando carichi elevati sia a flessione sul piede che a contatto sul fianco
del dente.
40
C A P I T O L O
Con ingranaggi cementati sono ottenibili finiture superficiali di 10
gu
ur
ra
a 1
11
1.
.7
7 mostra un tipico
micro-inches (Ra) o anche migliori. La ffii g
profilo di
rugosità di un
ingranaggio cementato, dopo la pallinatura e alla
fine del processo C.A.S.E.sm. La misura "piccovalle" dopo la pallinatura è di circa 2,9 micron,
mentre dopo il C.A.S.E.sm raggiunge circa 0,6
micron. La rugosità Rsk, che misura l’asimmetria
di un profilo di rugosità tenendo in conto il suo
valore medio, è allora negativa e si può
avvicinare a -1,1 dato che il procedimento elimina
FFii g
gu
ur
ra
a 1
11
1.
.7
7
Rugosità superficiale dopo pallinatura
tutti i picchi per conservare unicamente gli
e dopo processo C.A.S.E.sm
avvallamenti dati dallo shot peening.
F iig
F
gu
ur
ra
a 1
11
1.
.6
6
Fotografia al SEM di finitura
superficiale dopo il C.A.S.E.sm
PA
P
A LL LL II N
NA
A TT U
U RR AA II N
N SS II TT O
O
Componenti di grosse dimensioni già installati o comunque non trasportabili possono essere pallinati
da tecnici specializzati e certificati, grazie a macchine portatili. Tali tecnici sono in grado di eseguire la
pallinatura in tutto il mondo con gli stessi standard di qualità usati all’interno degli stabilimenti MIC.
Strisce Almen, la corretta copertura, media certificati sono tutti impiegati come descritto nel capitolo
XII, Controllo della Qualità.
Seguono esempi di lavori portati a termine con successo in sito:
••
Componenti saldati (recipienti a pressione, serbatoi per componenti chimici,
ponti, scafi navali)
••
Riparazioni e revisioni in campo aeronautico, rimozione della corrosione
(sezioni alari, carrelli e altri componenti caricati dinamicamente)
••
Componenti di centrali elettriche (tubi di scambiatori di calore, camicie di
turbine, componenti rotanti, grossi ventilatori)
••
Sistemi di trasporto pneumatici di pellet, pallinati in modo direzionale
••
Impianti vari (acciaierie, cartiere, impianti minerari)
A LT R I P R O C E S S I E S E R V I Z I
gu
ur
ra
a1
11
1.
.6
6 mostra l’aspetto di un particolare trattato con il
La FF iig
processo C.A.S.E.sm (ingrandimento 30x). Come riferimento per
gu
ur
ra
a
l’aspetto del particolare solo pallinato si può prendere la FFiig
11
1
1.. 4
4 . Il processo è stato sviluppato per lasciare alcune delle "valli"
provocate dalla pallinatura per migliorare la lubrificazione del
pezzo.
XI
PA
P
A LL LL II N
NA
A TT U
U RR AA CC O
ON
N SS O
O LL LL EE CC II TT A
A ZZ II O
ON
N EE EE SS TT EE R
RN
NA
A
AA P
PP
P LL II CC AA TT AA AA LL P
P EE ZZ ZZ O
O
La pallinatura sotto carico (strain peening) permette di sviluppare un’ulteriore sollecitazione residua a
compressione consentendo maggiore resistenza a rotture a fatica. A differenza della doppia pallinatura
che aumenta la compressione solo vicino alla superficie, la pallinatura in presenza di sollecitazione
agisce lungo tutta la profondità dello strato compresso.
Per eseguire la pallinatura sotto sollecitazione, il componente deve essere fisicamente caricato nella
stessa direzione in cui è sollecitato durante il servizio. Una molla a compressione deve essere
compressa, una molla a tensione deve essere tesa e un albero di trasmissione deve essere caricato a
torsione. In questo modo si creerà una massima sollecitazione a compressione residua che si oppone
alla direzione di applicazione della sollecitazione a tensione applicata durante il ciclo di carico.
41
A LT R I P R O C E S S I E S E R V I Z I
C A P I T O L O
XI
La sollecitazione addizionale a
compressione è generata precaricando il
componente entro i suoi limiti elastici
prima di essere pallinato. La tensione
residua a compressione supplementare si
ottiene quando la superficie del metallo
tenta di ritornare allo stato originale una
volta eliminato il precarico.
gu
ur
ra
a 1
11
1.
.8
8 mostra la
Il grafico in FF iig
sollecitazione a compressione addizionale
ottenuta con la pallinatura sotto carico di
un acciaio 50CrV4 [Rif. 11.4]: maggiore è il
precarico, maggiore è la sollecitazione
residua. Ovviamente i costi della doppia
pallinatura sono più elevati a causa delle
attrezzature necessarie a creare il precarico
sul componente.
FFii g
gu
ur
ra
a 1
11
1.
.8
8
Tensioni residue indotte da pallinatura sotto
sforzo esterno
PE
P
E EE N
N SS TT RR EE SS SS SS MM -- M
MO
OD
D EE LL LL II ZZ ZZ A
A ZZ II O
ON
N EE D
D EE LL LL A
A
SS O
O LL LL EE CC II TT AA ZZ II O
ON
N EE R
R EE SS II D
DU
UA
A
Quando bisogna definire i parametri per la pallinatura di un nuovo particolare, MIC prende in
considerazione vari fattori. Una delle considerazioni più importanti è riuscire a prevedere il profilo della
sollecitazione a compressione residua dopo la pallinatura, profilo influenzato dai seguenti fattori:
••
•
Materiale, tipo di trattamento termico e durezza
••
•
••
•
Geometria
••
•
Pallinatura normale, doppia o sotto sollecitazione
Tipologia del media da usare (Dimensione, materiale, durezza e intensità)
Oltre ai 50 anni di esperienza nella pallinatura e nel selezionare i parametri più corretti, MIC ha
sviluppato un software, Peenstresssm, utilizzato per ottimizzare i risultati della pallinatura stessa.
Peenstresssm ha al suo interno un vasto database di
condizioni e di materiali, raccolti dai tecnici di MIC.
Definito il materiale e le sue condizioni (ad es. il trattamento
termico), l’utente può scegliere i parametri della pallinatura:
FFii g
gu
ur
ra
a 1
11
1.
.9
9
42
Tipico andamento delle
tensioni residue calcolato
con il Peenstresssm
••
•
Dimensione dei media
••
•
Materiale e durezza
••
•
Intensità
gu
ur
ra
a1
11
1 ..9
9 , Peenstresssm traccia
Come mostrato in FFii g
graficamente la curva teorica a seconda degli input inseriti
dall’utente. Cambiando i parametri di pallinatura, è possibile
ottimizzare il processo per ottenere i risultati desiderati.
Peenstresssm contiene anche un database di risultati di
diffrazioni a raggi X che possono essere richiamati per
verificare le curve teoriche.
Questo software è particolarmente utile quando si devono
pallinare sezioni trasversali di basso spessore per
determinare in anticipo la profondità della compressione e
minimizzare le possibilità di distorsioni.
C A P I T O L O
La pallinatura con impulsi laser utilizza onde d’urto per indurre sollecitazione residua a compressione;
il processo messo a punto da MIC si chiama Lasershotsm. Il primo beneficio che se ne ricava è uno strato
a compressione molto profondo con un minimo incrudimento del materiale: sono state raggiunte
profondità di 1 mm con acciai cementati e 2,5 mm con leghe di alluminio. La pallinatura convenzionale
può raggiungere solo il 35% circa di queste profondità. Il secondo vantaggio ottenibile è che il
rilassamento termico della sollecitazione indotta dal laser è significativamente minore di quello
ottenuto dalla pallinatura tradizionale su super leghe quali titanio, Inconel, etc. [Rif 11.5].
Metal Improvement Company iniziò a
sviluppare questo processo nel quadro di
una collaborazione con il Lawrence
Livermore National Laboratory,
inserendosi nel CRADA (Cooperative
Research and Development Agreement). Il
processo si serve di laser a Nd:vetro, ad
alta potenza e ad alta ripetizione, montati
su un manipolatore robotizzato a 5 assi,
cosicché possa essere processata una
vasta gamma di componenti.
FF iig
gu
ur
ra
a 1
11
1.
.1
10
0
Pallinatura laser di Al 6061-T6
gu
ur
ra
a1
11
1.. 1
10
0 sono mostrati i vantaggi
In FF iig
dell’ottenere uno strato a compressione di
altissima profondità. Le curve S-N mostrano i risultati di prove a fatica su alluminio 6061 T6, con
campioni non pallinati ed altri pallinati con la pallinatura tradizionale e con il Lasershotsm [Rif 11.6].
PR
P
RO
OD
DU
U ZZ II O
ON
N EE D
D II V
V AA LL V
VO
O LL EE A
A LL A
AM
M EE LL LL EE
Metal Improvement Company produce valvole a lamelle per compressori, pompe e motori a
combustione. Sono particolari stampati che operano in condizioni severe e che richiedono tolleranze
strette per ottenere una buona planarità. Tali valvole sono progettate per resistere alla fatica a flessione
e a grossi carichi applicati.
A LT R I P R O C E S S I E S E R V I Z I
LL A
A SS EE R
R SS H
HO
O TT SS MM -- P
P AA LL LL II N
NA
A TT U
UR
RA
A CC O
ON
N II M
MP
PU
U LL SS II
LL A
AS
SE
ER
R
XI
MIC utilizza una tecnica di finitura
superficiale chiamata Stress-Litesm studiata
per ottenere la specifica finitura richiesta e
l’arrotondamento dei bordi, necessari per
una buona resistenza in termini di vita
operativa. Per applicazioni davvero esigenti
Stress-Litesm può essere abbinato alla
pallinatura. Seguono dei dati ottenuti
comparando le prestazioni delle valvole,
sottoposte a Stress-Litesm, con e senza
pallinatura:
••
Valvola come da stampaggio:
47.000 cicli
••
Con Stress-Litesm:
62.000 cicli
••
Con Stress-Litesm e pallinatura:
194.000 cicli
FF iig
gu
ur
ra
a 1
11
1.
.1
11
1
Valvole a lamelle
gu
ur
ra
a 1
11
1.. 1
11
1 vi sono alcune delle moltissime forme complesse di valvole a lamelle che MIC è in
In FFii g
grado di produrre.
43
A LT R I P R O C E S S I E S E R V I Z I
C A P I T O L O
44
XI
AR
A
R TT II CC O
O LL II TT EE CC N
N II CC II // R
R II SS TT A
AM
MP
P EE
Metal Improvement Company ha raccolto negli anni un vasto archivio di pubblicazioni tecniche
riguardanti la fatica nei metalli, la corrosione e la pallinatura controllata. Le ristampe che sono
disponibili sono elencate alla fine di questo manuale. Per favore, contattate il nostro centro servizi più
vicino o il nostro sito internet se desiderate maggiori informazioni sulla pallinatura controllata.
TR
T
RA
A TT TT AA M
M EE N
N TT II TT EE R
RM
M II CC II
Metal Improvement Company ha una rete di impianti per i trattamenti termici listata sulla copertina
posteriore. Per offrire il miglior servizio possibile, MIC è in grado di sviluppare e gestire processi
speciali per accontentare clienti che abbiano esigenze particolari relativi a trattamenti termici e
pallinatura controllata.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI:
11.1 Happ; Shot Peening Bolt Holes in Aircraft Engine Hardware; 2nd International Conference on Shot Peening; Chicago, IL May 1984
11.2 Lanke, Hornbach, Breuer; Optimization of Spring Performance Through Understanding and Application of Residual Stress; Wisconsin Coil
Spring Inc., Lambda Research, Inc., Metal Improvement Co. Inc.; 1999 Spring Manufacturer’s Institute Technical Symposium; Chicago, IL May 1999
11.3 Metallurgical Associates, Inc; Waukesha, WI 1999
11.4 Muhr; Influence of Compressive Stress on Springs Made of Steel Under Cyclic Loads; Steel and Iron, December 1968
11.5 Prevey, Hombach, and Mason; Thermal Residual Stress Relaxation and Distortion in Surface Enhanced Gas Turbine
Engine Components, Proceedings of ASM/TMS Materials Week, September 1997, Indianapolis, IN
11.6 Thakkar; Tower Automotive fatigue study 1999
11.7 Ferrelli, Eckersley; Using Shot Peening to Multiply the Life of Compressor Components; 1992 International
Compressor Engineering Conference, Purdue University
C A P I T O L O
La pallinatura controllata differisce dalla maggioranza dei processi produttivi nel fatto che non esiste
alcun metodo di controllo non distruttivo che confermi che sia stata effettuata secondo le specifiche
richieste. Tecniche quali la Diffrazione a Raggi X richiedono che almeno un pezzo sia sacrificato per
ottenere l’analisi di un profilo completo della sollecitazione a compressione ottenuta. Per assicurare
che le specifiche di pallinatura siano rispettate per un lotto di produzione, bisogna controllare durante
il processo i seguenti parametri:
••
Media
••
Intensità
••
••
Copertura
Macchinari ed attrezzature
Oggi MIC soddisfa o supera i più rigorosi standard per la qualità e i processi di produzione stabiliti dalle
industrie aerospaziali e automobilistiche. MIC è certificata ISO 9002 e QS 9000.
II LL C
CO
ON
N TT R
RO
O LL LL O
O D
D EE II M
M EE D
D II A
A
La FFii g
gu
ur
ra
a 1
12
2.
.1
1
mostra quali
sono le forme
dei media
accettabili e
quali non
accettabili. I
media per la
pallinatura
FFii g
gu
ur
ra
a 1
12
2.
.1
1
Forme dei Media
controllata
fondamentalmente devono essere rotondi e quando, per
l’uso, alcune palline si rompono, queste devono essere
rimosse per prevenire danni alla superficie trattata.
Le ff iig
gu
ur
re
e 1
12
2.
.2
2a
a e 1
12
2.
.2
2b
b sono degli ingrandimenti (di 100x)
rispettivamente dell’aspetto di una superficie danneggiata
dall’uso di media rotti e di una pallinata in modo appropriato.
I media per la pallinatura controllata devono inoltre avere un
diametro uniforme. L’energia dell’impatto dei media è in
funzione della loro massa e velocità. Media più grandi hanno
massa maggiore, energia di impatto maggiore e quindi
inducono maggiore sollecitazione a compressione. Qualora
fossero usati media di diametri diversi, la sollecitazione a
compressione ottenuta non sarebbe uniforme e le caratteristiche a fatica del componente ne risulterebbero danneggiate.
gu
ur
ra
a1
12
2 --3
3a
a mostra media dalle caratteristiche
La FFii g
gu
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a1
12
2-- 3
3b
b
dimensionali e di forma corrette, mentre la FFii g
indica media non accettabili.
FF ii g
gu
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ra
a 1
12
2.
.2
2a
a
Superficie danneggiata
da media rotti
Superficie tipica ottenuta
FFii g
gu
ur
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a 1
12
2.
.2
2b
b
con media appropriati
FFii g
gu
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a 1
12
2.
.3
3a
a
IL CONTROLLO DEL PROCESSO
II LL C
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D EE LL P
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XII
Media di buona qualità
FFiig
gu
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a 1
12
2.
.3
3b
b
Media di scarsa qualità
45
IL CONTROLLO DEL PROCESSO
C A P I T O L O
XII
Per rimuovere sia i media piccoli che grossi, MIC utilizza sistemi a
vagliatura, mentre per rimuovere i media rotti viene usato un
separatore a spirale. Questo sistema si basa sulla diversa velocità
di rotolamento dei media rotti da quelli di forma sferica, con la loro
separazione rispettivamente in un flusso interno ed uno esterno.
Tutti i media arrivano nel cono visibile nella parte superiore della
figura12.4 e incominciano a rotolare nella parte interna della
spirale. I media sferici riescono ad acquistare la velocità necessaria
per passare nella parte esterna, mentre quelli rotti continuano a
scivolare lungo la parte interna della spirale e sono quindi eliminati
dal processo.
CO
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L’intensità della pallinatura controllata è la misura dell’energia del
Separatore a spirale
FFii g
gu
ur
ra
a 1
12
2.
.4
4
per la classificazione
flusso dei media ed è uno dei parametri essenziali per assicurare la
dei media
ripetibilità del processo. L’intensità e quindi l’energia del flusso
sono direttamente legate alla sollecitazione a compressione indotta
in un componente. Può essere incrementata aumentando la massa o la velocità delle microsfere. Altre
variabili sono l’angolo d’impatto e il tipo di media.
L’intensità è misurata con le piastrine Almen. Una piastrina Almen è una placchetta di acciaio per molle
SAE1070, che viene pallinata da un solo lato. A causa dello sforzo a compressione residuo indotto, essa
si flette a forma di arco, con la parte convessa che è il lato pallinato. L’altezza di tale arco è funzione
dell’energia del flusso di microsfere ed è una grandezza perfettamente ripetibile.
Le piastrine Almen possono essere di 3 tipi in funzione dell’applicazione della pallinatura. Più è alta
l’intensità, più aumenta lo spessore della piastrina da impiegare:
••
••
Piastrina Almen N: Spessore = 0,79 mm (0,031")
••
Piastrina Almen C: Spessore = 2,39 mm (0,094")
Piastrina Almen A: Spessore = 1,29 mm (0,051")
L’intensità Almen è data
dall’altezza dell’arco misurata
dal calibro Almen seguita da
una lettera indicante il tipo di
piastrina Almen usata. Quindi
se viene impiegata una
piastrina Almen A e la misura
dell’arco della piastrina è di
0,30 mm, l’intensità Almen
della pallinatura sarà di
0,30A (0,012A nel caso si
usino i pollici). I valori
dell’arco devono essere
compresi tra 0,10 e 0,61 mm
FFii g
gu
ur
re
e 1
12
2-5
5
Almen Strip System
(0,004" e 0,024"), altrimenti
bisogna utilizzare piastrine
più sottili o più spesse. In particolare si dovrebbe passare alla piastrina più spessa qualora l’arco sia
maggiore di 0,51 mm (0,020")
Il valore di intensità raggiunto con una piastrina N è circa 1/3 del valore ottenibile con una piastrina A; il
valore ottenibile con una piastrina C è circa 3 volte quello possibile con una piastrina di tipo A.
46
C A P I T O L O
FFii g
gu
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ra
a 1
12
2.
.6
6
Esempio di una attrezzatura
per fissaggio delle piastrine
Almen
Sa
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(v
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in
nt
te
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ns
si
it
tà
à)
) : In fase di sviluppo di
un processo di pallinatura per un nuovo componente è
necessario definire la curva di saturazione. La saturazione
viene definita come il primo punto sulla curva "Tempo di
pallinatura - Altezza dell’arco" dove raddoppiando il
tempo di pallinatura, l’altezza dell’arco della piastrina
aumenta meno del 10%. La curva di saturazione viene
disegnata pallinando una serie di piastrine Almen con
parametri bloccati, variando solo il tempo di esposizione
alla pallinatura.
F iig
F
gu
ur
ra
a1
12
2.. 7
7 Curva di saturazione
gu
ur
ra
a 1
12
2.
.7
7 mostra una curva di saturazione. Al tempo
La FFii g
T corrisponde il punto di saturazione, in quanto
raddoppiando il tempo di esposizione (2T) della piastrina alla pallinaura, l’altezza dell’arco aumenta
meno del 10%. La saturazione stabilisce l’intensità attuale del flusso di palline in un punto definito per
un definito settaggio della macchina.
È importante non confondere la saturazione con la copertura, di cui si parlerà nel prossimo paragrafo,
che è la percentuale di area coperta con le impronte della pallinatura. La saturazione viene usata per
verificare il tempo necessario a stabilire l’intensità. Ancora, saturazione e copertura non avvengono
necessariamente nello stesso intervallo di tempo, in quanto la copertura viene determinata non sulla
piastrina ma sul pezzo pallinato, che può essere di materiale molto duro, come molto tenero. La
saturazione viene sempre determinata usando piastrine Almen in acciaio per molle SAE1070 con
durezza tra i 44 e i 50 HRC.
IL CONTROLLO DEL PROCESSO
Le piastrine Almen sono montate su blocchi Almen
(dispositivi per tenere le piastrine ferme nella posizione
voluta) che normalmente sono a loro volta fissati su pezzi
di scarto, in posizioni nelle quali è importatene la verifica
dell’energia dell’impatto ((ffii g
gu
ur
ra
a1
12
2 ..6
6)) . L’intensità viene
misurata prima di processare il primo pezzo per verificare
che la macchina funzioni correttamente e sia settata
secondo il processo prestabilito. L’intensità viene poi
sempre controllata al termine della produzione e, in
funzione della numerosità e criticità dei lotti, a intervalli
prestabiliti durante la produzione stessa.
XII
II LL C
CO
ON
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RO
O LL LL O
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CC O
OP
P EE R
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Come già detto, la copertura è la misura, in percentuale, della
superficie che è stata segnata dalle impronte della pallinatura.
La copertura è un parametro fondamentale per l’esecuzione di
una pallinatura controllata di buon livello. Esso non dovrebbe
mai essere inferiore al 100% in quanto fatica e corrosione
sotto sforzo potrebbero avere luogo in quelle parti che non
hanno una sollecitazione residua a compressione. Le FFii g
gu
ur
r ee
12
1
2.. 8
8a
ae1
12
2.. 8
8b
b mostrano rispettivamente una superficie con
copertura completa ed una con copertura incompleta.
Se la copertura viene specificata come maggiore al 100%, ad
esempio 150%, significa che il tempo di processo necessario
per raggiungere il 100% deve essere moltiplicato per il fattore
corrispondente, nel caso del 150%, per 1,5. Una copertura del
200% necessita di un tempo di pallinatura doppio rispetto a
quello di una copertura 100%.
FFii g
gu
ur
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a 1
12
2.
.8
8a
a
Copertura completa
FFii g
gu
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a 1
12
2.
.8
8a
a Copertura incompleta
47
IL CONTROLLO DEL PROCESSO
C A P I T O L O
XII
PPEEEEN
NSS CCAAN
N ®® ((VV eerrii ffiicc aa ddeell llaa ccoopp eerrttuurr aa)): La determinazione della copertura della pallinatura controllata
può essere facile qualora si stia processando un materiale tenero, su cui sia facile vedere le impronte
lasciate dai pallini. In un caso semplice una lente di ingrandimento di 10x sarebbe più che adeguata, ma
in molte applicazioni, la determinazione della copertura è più difficile. Problemi possono essere causati
da una superficie particolarmente dura o vasta, fori interni o raccordi di difficile accesso.
Metal Improvement Company ha sviluppato il processo di controllo della copertura chiamato
PEENSCAN®.
Sul pezzo su cui bisogna controllare la
copertura viene applicato a pennello, a spruzzo
o per immersione un liquido tracciante
fluorescente, sviluppato appositamente da
MIC, il DYESCAN®. Quando i media impattano
contro la superficie del pezzo, il liquido viene
rimosso in modo proporzionale alla
percentuale di copertura. Una copertura non
completa viene immediatamente rilevata
osservando il pezzo sotto una luce
ultravioletta.
gu
ur
re
e 1
12
2.
.9
9 spiegano il principio di
Le FF iig
funzionamento del PEENSCAN®: la paletta di
una turbina è ricoperta del liquido tracciante,
di colore verde quando visto attraverso luce UV
(il DYESCAN® è praticamente trasparente alla
luce normale); con la pallinatura il liquido è
gradatamente asportato sino a scomparire
completamente indicando così una copertura
completa.
Fiig
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gu
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a 1
12
2.
.9
9a
a
Il DYESCAN® è
applicato
prima della
pallinatura
Fiig
F
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a1
12
2.. 9
9b
b
Parziale
rimozione del
DYESCAN®
dopo una
prima fase di
pallinatura:
copertura non
completa
Fii g
F
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a1
12
2..9
9cc
Completa
rimozione del
DYESCAN®
dopo la
pallinatura:
copertura
completa
Il PEENSCAN® si è dimostrato nettamente superiore rispetto all’uso di una lente di ingrandimento con
fattore 10.
MA
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A
In tutto il mondo gli stabilimenti MIC hanno in dotazione macchinari automatici per la pallinatura
controllata molto simili tra loro. Quando è necessario, questa rete consente un efficiente, economico e
affidabile sistema di trasferimento o duplicazione di processi da un luogo ad un altro.
MIC offre anche pallinatura controllata eseguita con macchine a controllo numerico per applicazioni che
richiedono specifiche aggiuntive rispetto al Certificato standard di pallinatura (ad esempio, le specifiche
AMS-S-13165, MIL-S-13165, AMS 2430, etc.). Parti progettate con l’obiettivo di ricorrere alla pallinatura
per aumentarne le caratteristiche a fatica, dovrebbero seguire i processi controllati al computer della
specifica AMS 2432.
48
C A P I T O L O
••
Pressione dell’aria e flusso delle palline
(energia) per ogni ugello
••
Velocità di ogni turbina e flusso delle
palline (energia) per ogni turbina
••
Rotazione e/o traslazione dei
componenti
••
••
Moto alternativo degli ugelli
Tempo di ciclo
Questi parametri sono continuamente monitorati e
paragonati ai valori limite programmati sul controllo.
In caso di superamento in eccesso o in difetto dei
limiti previsti, la macchina si ferma immediatamente
ed automaticamente e non può essere riavviata sino
alla risoluzione del problema verificatosi.
FF iig
gu
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a 1
12
2.
.1
10
0a
a Macchina a lancia a controllo
numerico per pallinatura di
fori interni
Ogni interruzione del processo è segnalata su
tabulati che registrano tutto il processo e che sono
da complemento alle macchine CMSP. Il processo è
registrato tra i record del sistema qualità ed è
gu
ur
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a1
12
2.. 1
10
0a
a vi è
disponibile per consultazione. In FF iig
una macchina a controllo numerico usata per
gu
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a
pallinare fori in componenti aeronautici; in FFii g
12
1
2.. 1
10
0b
b vi è una macchina a ugelli multipli sempre a
controllo numerico. In entrambe le figure si possono
vedere le unità di controllo di fianco alle macchine.
FF iig
gu
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a 1
12
2.
.1
10
0b
b Macchina a ugelli multipli a
controllo numerico
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a
IL CONTROLLO DEL PROCESSO
MIC ha sviluppato al suo interno macchine che hanno
la possibilità di controllare, monitorare e
documentare i seguenti parametri:
XII
RIDUZIONE DELLE REVISIONI GRAZIE ALLE MACCHINE A
CONTROLLO NUMERICO
Le macchine per il controllo incrementarono notevolmente la loro popolarità quando la FAA
permise un aumento del numero di cicli di un motore a turbina, da 700 a 1.500, tra una revisione e
l’altra. Questo aumento consentì al motore, progettato per uso militare, di entrare sul mercato
commerciale.
Essendo troppo piccolo lo spazio a disposizione per effettuare modifiche di progetto, i costruttori
scelsero di usare la pallinatura controllata per aumentare il limite di vita dei dischi turbina e delle
piattine di raffreddamento. Le macchine a controllo computerizzato assicurarono che i parametri di
pallinatura dei componenti critici fossero documentati e ripetuti con precisione [Rif 12.1].
49
IL CONTROLLO DEL PROCESSO
C A P I T O L O
50
XII
LL A
A P
P AA LL LL II N
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a 1
12
2.
.1
11
1 riporta un albero scanalato
La FFii g
installato con due cuscinetti che supportano
l’albero all’interno di un assieme. Le scanalature
e il raccordo adiacente sono i punti in cui si
potrebbero verificare rotture a fatica a flessione
o a torsione. In questo caso i progettisti
richiederebbero la pallinatura sul disegno come
segue:
••
••
Area "A": Pallinare
••
Area "C": Mascherare
Area "B": Sovraspruzzo permesso
FF ii g
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a 1
12
2.
.1
11
1
Disegno di assieme di un albero
scanalato in cui è necessaria la
pallinatura controllata
I dettagli dovrebbero essere:
••
Pallinare l’area con scanalature e raccordo adiacente
con MI-110H e intensità 0,006"-0,009"A
••
Copertura minima nell’area scanalata 100%
da verificare con PEENSCAN®
••
Sovraspruzzo accettabile sul diametro più largo
adiacente alla sparte scanalata
••
Mascherare le aree di montaggio dei cuscinetti
e l’area centrale dell’albero
••
Pallinatura secondo la norma AMS-S-13165
È importante evidenziare che eventuali controlli non distruttivi devono essere eseguiti prima della
pallinatura, altrimenti questa potrebbe modificare la superficie e chiudere cricche alterando i risultati
dei test.
Metal Improvement Company ha una esperienza di più di 50 anni nel definire come e dove applicare la
pallinatura. In particolare MIC è specializzata nella selezione dei parametri, media e intensità, per
applicazioni relative alla resistenza a fatica e/o corrosione. Gli stabilimenti presenti in tutto il mondo
sono elencati nella retro-copertina di questo manuale.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI:
12.1 Internal Metal Improvement Co. Memo
R I S T A M P E
T E C N I C H E
1.
“Shot Peening of Engine Components”; J. L. Wandell, MIC, Paper Nº 97 ICE-45, ASME 1997.
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“The Application of Microstructural Fracture Mechanics to Various Metal Surface States”; K. J. Miller
and R. Akid, University of Sheffield, UK.
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Beneficial Residual Stress and Detrimental Plastic Strain Due to Shot Peening”; M. K. Tufft, General
Electric Company, International Conference on Shot Peening 6, 1996.
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“The Significance of Almen Intensity for the Generation of Shot Peening Residual Stresses”; R. Hertzog,
W. Zinn, B. Scholtes, Braunschweig University and H. Wohlfahrt, University GH Kassel, Germany.
5.
“Computer Monitored Shot Peening: AMEC Writes New AMS Specification”; Impact: Review of Shot
Peening Technology, Metal Improvement Company, Inc., 1988.
6.
“Three Dimensional Dynamic Finite Element Analysis of Shot-Peening Induced Residual Stresses”;
S. A. Meguid, G. Shagal and J. C. Stranart, University of Toronto, Canada, and J. Daly, Metal
Improvement Company, Inc.
7.
“Instrumented Single Particle Impact Tests Using Production Shot: The Role of Velocity, Incidence
Angle and Shot Size on Impact Response, Induced Plastic Strain and Life Behavior”; M. K. Tufft, GE
Aircraft Engines, Cincinnati, OH., 1996.
8.
“Predicting of the Residual Stress Field Created by Internal Peening of Nickel-Based Alloy Tubes”;
N. Hamdane, G. Inglebert and L. Castex, Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers, France.
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“Three Innovations Advance the Science of Shot Peening”; J. S. Eckersley and T. J. Meister, MIC,
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“Tech Report: Surface Integrity”; Manufacturing Engineering, 1989.
11.
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D. Hornbach, Lambda Research Inc., E. Lanke, Wisconsin Coil Spring Inc., D. Breuer, Metal
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Rios, University of Sheffield, and M. Trooll and A. Levers, British Aerospace Airbus, England.
14.
“Fatigue Crack Initiation and Propagation on Shot-Peened Surfaces in a 316 Stainless Steel”; E. R. del
Rios, A. Walley and M. T. Milan, University of Sheffield, England, and G. Hammersley, Metal
Improvement Company.
15.
“Characterization of the Defect Depth Profile of Shot Peened Steels by Transmission Electron
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Scholtes and K. Kramer, University Gh Kassel, Germany.
16.
“Essais Turbomeca Relatifs au Grenaillage de l’Alliage Base Titane TA6V”; A. Bertoli, Turbomeca, France.
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19.
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I. Chattoraj, National Metallurgical Laboratory, Jamshedspur, India, and B. E. Wilde, The Ohio State
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Watanabe, Toyo Seiko Co. Ltd., Japan.
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“New Studies May Help an Old Problem. Shot Peening: an Answer to Hydrogen Embrittlement?”;
J. L. Wandell, Metal Improvement Company, Inc.
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R I S T A M P E
T E C N I C H E
22. “The Effects of Shot Peening on the Fatigue Behaviour of the Ni-base Single Crystal Superalloy
CMSX-4”; J. Hou and W. Wei, University of Twente, Netherlands.
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Rear Admiral, U. S. Coast Guard, Chairman.
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Drigen, T Slind and J. Orjaseter, SINTEF, Norway.
29. “Increasing Fatigue Strength of Weld Repaired Rotating Elements”; W. Welsch, Metal Improvement
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30. “B 737 Horizontal Stabilizer Modification and Repair”; Alan McGreal, British Airways and Roger
Thompson, Metal Improvement Company, Inc.
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Mechanical Engineering Publications, London, England.
33. “ABB Bogie Shot-Peening Demonstration: Determination of Residual Stresses in a Weld With and
Without Shot-Peening”; P. S. Whitehead, Stresscraft Limited, England.
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Intramedullary Nails Used in the Fixation of Tibia Fractures”; M. D. Schafer, State University of New
York at Buffalo.
35. “Improvement in the Fatigue Life of Titanium Alloys”; L. Wagner and J. K. Gregory, Advanced
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