capitolo 10 doc

194
RICERCA
SIMULAZIONE,
E
SVILUPPO
PROVE E PROTOTIPAZIONE
Con la sua esperienza ultradecennale nel settore dei
fissaggi, il Gruppo Agrati è in grado di offrire un servizio,
un prodotto e un'assistenza altamente qualificati e
affidabili. Da sempre questi risultati vengono ottenuti
attraverso un’organizzazione articolata e completa, che
spazia dalla ricerca alla progettazione, dall'analisi del
mercato all'acquisizione di sofisticati macchinari
produttivi, dal collaudo sul campo in condizioni reali
d’impiego a una rete commerciale che soddisfa anche il
cliente più esigente.
COLLABORAZIONE
problemi che si vengono a creare e indicarvi la
soluzione ottimale, attingendo al principio innovatore
delle tecnologie, ai più precisi e accurati processi di
produzione e alla gamma di prodotti già disponibili.
I tecnici che parteciperanno con voi al progetto non solo
sono persone esperte, ma hanno anche alle spalle e a
loro sostegno un'azienda che svolge un'intensa attività di
ricerca e sviluppo, che si avvale di Uffici Tecnici
qualificati e di apparecchiature di controllo molto
sofisticate e che si porranno quali risolutori dei problemi
legati ai nuovi standard qualitativi.
Le aziende del Gruppo – ciascuna secondo le proprie
specializzazioni – possono intervenire affiancando
l’ufficio tecnico del cliente, nella prima fase della
creazione di un prodotto, quale elemento propositore di
nuove soluzioni integrate per quanto concerne
l'assemblaggio meccanico.
I vantaggi di questa metodologia appaiono subito
evidenti. Non solo si possono evitare sprechi di tempo,
ma si può soprattutto avere la valida e fattiva
collaborazione di un esperto che saprà rispondere subito
ai vostri interrogativi, anticipare e risolvere gli eventuali
SIMULAZIONE
Il comparto Ricerca e Sviluppo può contare su potenti e
raffinati software di simulazione con metodo degli
elementi finiti. L’impatto di questi strumenti è duplice:
• indagine del comportamento di viti – o più in generale
di giunzioni bullonate – per verificare quantitativamente
le risposte del prodotto alle sollecitazioni meccaniche
dell’impiego a cui è destinato. Questo tipo di analisi
viene utilizzato sempre più spesso in collaborazione
con gli uffici tecnici dei clienti, contribuendo
sostanzialmente allo sviluppo del progetto.
STUDIO
Analisi dello snodo di sospensione di un
rimorchio per camion.
10
NUMERICA
• simulazione del processo tecnologico di deformazione
plastica del materiale. In questo modo è possibile
verificare la fattibilità di un prodotto (analizzando il
comportamento del materiale durante il riempimento
degli stampi), scegliere il ciclo di stampaggio più
conveniente o indagare le sollecitazioni nelle
attrezzature per ottimizzarne il disegno.
DI GIUNZIONI BULLONATE
Analisi dello snodo di sospensione di un
rimorchio per camion.
AGRATI
GROUP
Comportamento del gambo filettato di
una vite a testa svasata piana oltre il
limite di snervamento.
ED. 2001-A
195
SIMULAZIONE,
PROVE E PROTOTIPAZIONE
STAMPAGGIO
Simulazione del processo di
stampaggio di una vite
flangiata esagonale.
PROVE
Tra gli obiettivi più importanti che l’azienda si prefigge si
evidenzia la volontà di offire alla clientela un servizio
che vada costantemente migliorandosi. Per questo
motivo tra i punti di forza spicca la disponibilità a
condurre test e prove per analizzare il comportamento
del prodotto.
Il Laboratorio Agrati è accreditato A2LA, (American
Association For Laboratory Accreditation) in conformità
ai requisiti della Norma ISO/IEC Guide 25 e del
Fastener Qualitry Act (USA Public Law 1201-592) per
le seguenti prove:
PROVA
METODO DI PROVA
Durezza Rockwell
Brinell
Vickers
Microdurezza
Rugosità (Taylor Hobson Talyrond 100)
Prova di trazione e carico di prova
Difetti superficiali
Decarburazione
Resilienza
Nebbia salina
Spessore del rivestimento
Profondità di cementazione
Coppia - Tensione (Erichsen AP 541)
Analisi Metallografia (Preparazione, Grandezza dei grani,
Banding/Orientamento delle Microstrutture, Inclusioni)
Analisi Spettrografica degli Acciai
Dimensionale
AGRATI
ASTM E18, IS0 6508, UNI 562
DIN50531, ISO 6506, UNI 560
ASTM E92, DIN 50133, ISO 6507/1, UNI 1955,
ASTM E384, ISO 6507/2
DIN 4768, UNI ISO 468, 4287, 4288
ASTM F606, F696M, DIN 50145, ISO 6892, SAE J429, J995,
UNI EN 10002,
ASTM: E165, E709, F788, ISO 6157/1/2/3, , MIL-STD 1949,
ASTM E1077, SAE J419
ASTM: A370, A540, DIN 505115, UNI EN 10045,
ASTM B117, DIN 50021, ISO 3769, UNI ISO 9227
ASTM: B487, B499, DIN: 50981, 50987, ISO: 2178,3497,
3882, UNI 4195
SAE J 423
DIN 946, SAE J 174
ASTM: E3, E112, E1268, E1077, SAE J422, UNI: 3244, 3245
ASTM E415
ISO 4759, DIN 13 Teil 13, ISO 695.2, UNI 5541
GROUP
ED. 2001-A
10
196
SIMULAZIONE,
PROVE E PROTOTIPAZIONE
PROTOTIPAZIONI
produzione di prototipi di qualsiasi tipo, sia utilizzando
attrezzature e impianti “definitivi” – standard per lo
stampaggio - sia impiegando metodi e tecnologie
alternativi (per avere pochi pezzi in poco tempo).
Qui di seguito si riporta l’esempio dell’evoluzione di una
vite con rondella sferica – prima piena e poi cava - per il
fissaggio ruota.
Sempre più spesso la moderna pratica industriale
richiede la costruzione fisica di uno o più prototipi del
prodotto. Chiaramente la simulazione numerica e
l’analisi tecnologica danno un contributo fondamentale
nel progetto del particolare, permettendo di definire con
maggiore precisione le caratteristiche necessarie al
prodotto per soddisfare i requisiti di progetto.
Il Gruppo dispone di risorse qualificate e mezzi per la
21
16
6
18
35
28
ø 33
Assieme di montaggio: geometria iniziale
ø26.5-27
ø25 min.
ø15-16
14.75-15.0
0.5 min.
0.25
2.9-3
R13.9-14
ø14-14.2
ø15.5 max
10
0.05 NICHT KONVEX
3.3-3.5
ø13.5-13.65
AGRATI
Definizione della geometria alleggerita
GROUP
ED. 2001-A
197
SIMULAZIONE,
PROVE E PROTOTIPAZIONE
Simulazione numerica
del comportamento del particolare sotto carico.
Realizzazione del prototipo
AGRATI
GROUP
ED. 2001-A
10
198
RICERCA
VITI
E
SVILUPPO
AUTOFORMANTI PER IMPIEGHI IN MATERIALI
NON FERROSI (LEGHE DI ALLUMINIO)
La vite autoformante si avvita in fori lisci, non
precedentemente filettati.
Le caratteristiche della vite autoformante le permettono,
durante l'avvitamento, di modellare il proprio
controfiletto per deformazione plastica. La continuità
dell'andamento delle fibre del materiale in prossimità
della filettatura formata rendono una giunzione così
realizzata adatta a garantire la tenuta del serraggio ed
una ottimale resistenza a strappamento, grazie anche
all'effetto di "rullatura" del materiale in cui si impegna,
che ne determina un aumento di resistenza per
incrudimento.
Vantaggio fondamentale dell'utilizzo di questo tipo di
vite in giunzioni bullonate è la riduzione delle fasi di
lavorazione della matrice metallica in cui si impegna la
vite autoformante. In particolare è possibile evitare le
operazioni di alesatura e di maschiatura del foro .
Obiettivo del progetto è stato:
- valutare le capacità di formare filettature ISO 6H e di
permettere il successivo avvitamento di viti standard ISO
6h in leghe di alluminio adatte alla fusione di stampi;
- verificare il rispetto delle caratteristiche meccaniche
della vite secondo la norma ISO 898-1;
- determinare la tenuta al serraggio di giunzioni
realizzate con viti autoformanti.
Sono stati studiati i comportamenti di viti autoformanti
con profili a 3 o 5 lobi, con diverse altezze dei lobi
(vedere figura).
Si sono definiti, per una lega di alluminio adatta alla
fusione di stampi, diversi spessori di avvitamento e, per
ciascuno spessore, sono state analizzate le proprietà
autoformanti al variare dei diametri dei fori.
Principali strumenti di valutazione sono state le seguenti
prove:
- avvitamento con formatura della filettatura;
- trazione della giunzione vite autoformante - piastra in
lega di alluminio;
- serraggio della giunzione vite autoformante - piastra
in lega di alluminio.
Tra le prove eseguite, si riportano di seguito alcuni
risultati ottenuti per viti M8 (finitura: zincatura più
sigillante) con gambo a sezione trilobata o pentalobata.
Profilo a 3 lobi
10
Profilo a 5 lobi
AGRATI
GROUP
ED. 2001-A
199
VITI AUTOFORMANTI PER IMPIEGHI
IN MATERIALI NON FERROSI (LEGHE DI ALLUMINIO)
Coppia di formatura
COPPIA MASSIMA (MEDIA VALORI RILEVATI) FORMATURA FILETTO IN LEGA DI ALLUMINIO
30
25
Coppia [Nm]
20
15
10
5
Diametro medio filetto
dado M8 6H:
7.188 - 7.348 mm
0
7
7,1
7,2
7,3
7,4
7,5
7,6
7,7
Diametro foro [mm]
S=1D trilobata
S=1D pentalobata
S=2D trilobata
In figura sono riportati i valori medi della coppia massima di
formatura della filettatura nella piastra d'alluminio, al
S=2D pentalobata
S=3D trilobata
S=3D pentalobata
variare del diametro del foro, per viti trilobate e pentalobate.
Parametro dell'analisi è lo spessore della piastra (S).
Ricoprimento tra i filetti
VALORI DI RICOPRIMENTO TRA LE FILETTATURE
100
95
Ricoprimento %
90
85
Valore di ricoprimento con diametro
di nocciolo del dado M8 al massimo
della tolleranza 6H (6.912 mm)
80
75
70
65
60
Diametro medio filetto
dado M8 6H:
7.188 - 7.348 mm
55
50
7
7,1
7,2
7,3
7,4
7,5
7,6
7,7
Diametro foro [mm]
S=1D trilobata
S=1D pentalobata
S=2D trilobata
Per la valutazione di questa caratteristica è stato definito il
"fattore di ricoprimento" R%. Esso dà un'indicazione di
quanto il filetto formato si avvicina alla sua massima
dimensione teorica. In figura sono riportati i valori di
AGRATI
S=2D pentalobata
S=3D trilobata
S=3D pentalobata
ricoprimento per viti trilobate e pentalobate avvitate in una
piastra d'alluminio, al variare del diametro del foro.
Parametro dell'analisi è lo spessore della piastra.
GROUP
ED. 2001-A
10
200
VITI
AUTOFORMANTI PER IMPIEGHI
IN MATERIALI NON FERROSI (LEGHE DI ALLUMINIO)
Trazione della giunzione vite-piastra
ANDAMENTO GENERALE DEL CARICO UNITARIO DI ROTTURA A TRAZIONE DEL COLLEGAMENTO
PIASTRA - VITE M8 AUTOFORMANTE (CLASSE 10.9). SPESSORE DELLA PIASTRA IN ALLUMINIO: 2D
1200
1094,6
1092,6
1079,1
1088,08
1090,5
969,2
400
Rottura vite
Controfiletto strappato
600
Rottura vite
100% Rottura vite
Controfiletto strappato
800
100% Rottura vite
1000
200
0
TRILOBATA
PENTALOBATA
Foro Diam 7,3 mm
Foro Diam 7,5 mm
L'esempio mostra il valore del diametro del foro oltre il
quale iniziano le rotture a trazione per strappamento del
filetto formato in una piastra di lega d'alluminio con
spessore 2D e la media dei carichi unitari a cui ciò avviene.
Serraggio completo
60
VITI M8 AUTOFORMANTI - RIVESTIMENTO FINIGARD 105
COPPIA MASSIMA FORMATURA FILETTO IN ALLUMINIO GD-AI Si 8,5 Fe 3 Cu - SPESSORE 16 MM
50
40
Coppia di serraggio indicativa: 38Nm (Classe 10.9)
30
Coppia di serraggio indicativa: 29 Nm (Classe 8.8)
20
9720
9360
9000
8640
8280
7920
7560
7200
6840
6480
6120
5760
5400
5040
4680
4320
3960
3600
3240
2880
2520
2160
1800
1440
720
1080
0
0
360
10
Angolo di rotazione
VITE TRILOBATA; DIAMETRO FORO 7,3 mm
La curva di serraggio completo coppia/angolo permette di
valutare i valori di coppia massima di formazione della
10
AGRATI
filettatura nella piastra d'alluminio ed i valori di coppia
durante il serraggio della giunzione.
GROUP
ED. 2001-A
201
VITI AUTOFORMANTI PER IMPIEGHI
IN MATERIALI NON FERROSI (LEGHE DI ALLUMINIO)
Incrudimento rilevato sulla filettatura formata
VITI M8 AUTOFORMANTI. RIVESTIMENTO FINIGARD 105
INCRUDIMENTO MEDIO % RILEVATO SULLA FILETTATURA FORMATA.
(DUREZZA MEDIA LEGA ALLUMINIO: 106 HV0,1 = 100%)
160
S = 1D
S = 2D
S = 3D
Incrudimento medio percentuale [%]
140
120
100
80
60
40
20
0
diam. foro = 7.2mm diam. foro = 7.4mm diam. foro = 7.3mm diam. foro = 7.5mm diam. foro = 7.4mm diam. foro = 7.6mm
TRILOBATE
PENTALOBATE
La figura fornisce un'indicazione dell'effetto di
incrudimento determinato nella piastra d'alluminio in
prossimità della filettatura formata per rullatura durante
l'avvitamento della vite autoformante. L'incrudimento
AGRATI
medio percentuale è stato ottenuto calcolando la media
dei valori di microdurezza rilevati in prossimità del fondo
filetto, a metà altezza dente ( in superficie ed al centro del
dente) e sul vertice del filetto.
GROUP
ED. 2001-A
10
202
RICERCA
E
SVILUPPO
CARATTERIZZAZIONE DEL
COEFFICIENTE D’ATTRITO IN GIUNTI BULLONATI
Nel periodo Luglio - Settembre 1999 la bulloneria
A.Agrati di Veduggio, in collaborazione con il
Politecnico di Milano, ha dato inizio ad una serie di
sperimentazioni per la caratterizzazione del coefficiente
d’attrito in giunti bullonati.
La ricerca ha previsto
l’esecuzione di prove
coppia/tensione (secondo la norma DIN 946), al variare
della forma geometrica del sottotesta (piano, concavo e
convesso), del rivestimento superficiale e della
lubrificazione di viti M8 flangiate di classe 8.8.
Nello specifico si è studiato l’intervallo dei valori assunto da:
- coefficiente totale µges,
- coefficiente sottotesta µk,
- coefficiente nel filetto µG
per 19 diversi tipi di rivestimento/lubrificazione.
La preparazione alle prove è stata scandita da tre fasi
fondamentali, condotte in modo omogeneo alle
prescrizioni della DIN 946:
- scelta, produzione e controllo delle viti,
- scelta, produzione e controllo dei dadi,
- scelta e controllo delle rondelle.
Lo strumento utilizzato per le prove è un banco
Coppia/Tensione della Erichsen con cui è stata
effettuata l’intera serie di prove (50 per tipo di vite, per
un totale di 3000).
In seguito alla raccolta dei valori si è verificata e
confermata la gaussianità delle distribuzioni prima di
condurre l’analisi statistica delle misurazioni fatte.
I risultati ottenuti sono stati esposti ed analizzati
mediante grafici (qui riportati solo in parte) suddivisi in
sezioni nel modo seguente:
1. Analisi in funzione del rivestimento
_ istogrammi relativi ai valori medi dei tre coefficienti
d’attrito presi in considerazione (coefficiente d’attrito
sottotesta, nel filetto e globale) al variare della
configurazione del sottotesta;
_ diagrammi indicanti l'andamento delle dispersioni
attorno al valor medio dei tre coefficienti d’attrito,
separando l’analisi per i tre tipi di sottotesta studiati;
_ grafici indicanti le curve coppia-tensione massime e
minime, nelle tre configurazioni.
Si riportano a titolo di esempio i valori rilevati per il
riversimento Deltatone.
DELTATONE
0,500
0,450
0,400
0,350
0,300
0,250
0,200
0,150
0,100
0,050
0,000
µges
µk
µG
s.t. concavo
0,191
0,172
0,226
s.t. piano
0,192
0,174
0,221
s.t. convesso
0,179
0,146
0,226
DISPERSIONE DEL COEFFICIENTE D’ATTRITO TOTALE
0,500
SOTTOTESTA: CONCAVO
20
0,450
0,400
15
0,350
0,300
µges
Fv 10
(kN)
0,250
0,200
0,150
5
0,100
0,050
0,000
10
concavo
x+3s
x-3s
Avg
piano
convesso
0
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
MA (Nm)
AGRATI
GROUP
ED. 2001-A
203
CARATTERIZZAZIONE DEL
COEFFICIENTE D’ATTRITO IN GIUNTI BULLONATI
2. Analisi globale dei dati
Sono stati tabulati in modo crescente i valori dei vari
coefficienti d’attrito relativi ad ogni tipo di rivestimento e
geometria del sottotesta, espressi sia come valori medi
che come ampiezze degli intervalli di dispersione. I
valori dei coefficienti µges per sottotesta piano sono
mostrati nella figura seguente.
ANDAMENTO DEL COEFFICIENTE D’ATTRITO
0,400
0,350
0,300
0,250
µges
0,200
0,150
0,100
0,050
IO
N
E+
BR
LU
i+
SF
AT
Z
/N
FO
Zn
RO
M
IC
D
AC
R
LU
BR
D
.
FO
AL
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AZ
L
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E
ZI
LT
E
N
-T
A
CA
L
O
M
N
TU
E+
n
RA
LU
G
BR
IA
.3
LL
0%
A+
LU
BR
.3
D
AC
0%
RO
M
ET
50
FI
FO
N
0
IG
SF
A
AT
RD
AZ
10
IO
5
N
E
AL
LO
Zn
BR
U
N
IT
U
RA
D
EL
TA
-T
O
D
AC
N
ZI
E
N
RO
CA
M
TU
ET
RA
32
0
AZ
Z
ZI
U
RR
N
CA
IN
TU
A
RA
G
IA
LL
A
0%
.3
.3
BR
LU
/F
e+
Zn
O
M
ET
32
0+
LU
BR
.3
0%
0%
0,000
3. Analisi dell’effetto dei lubrificanti
E' stato eseguito un confronto dei dati relativi ai
rivestimenti utilizzati con o senza lubrificante
(eventualmente con lubrificazione interna), nelle tre
configurazioni di sottotesta analizzate. Un esempio
viene riportato di seguito.
DELTA-TONE
0,500
0,450
0,400
µges
0,350
0,300
0,250
s.t. concavo
s.t. piano
s.t. convesso
non lubr.
0,191
0,192
0,179
5%
0,176
0,176
0,164
30%
0,127
0,137
0,117
lubr.int
0,109
0,105
0,103
AGRATI
GROUP
ED. 2001-A
10
204
CARATTERIZZAZIONE DEL
COEFFICIENTE D’ATTRITO IN GIUNTI BULLONATI
4. Analisi dei valori di µG: i valori del coefficiente
d’attrito nel filetto, µG, sono relativamente costanti
al variare della geometria del sottotesta, mentre
sono rilevabili differenze di valori nelle diverse
configurazioni per le zincature (dove si è verificata
tendenza al grippaggio delle superfici).
5. Analisi dei valori di µk e di µges: esistono differenze
sensibili tra i coefficienti d’attrito nelle tre geometrie.
In particolare i valori del coefficiente risultano sempre
più bassi nella geometria convessa e massimi nelle
viti con sottotesta concavo mentre le viti con
sottotesta piano assumono valori intermedi.
Il coefficiente d’attrito totale µges ha valori compresi tra
quelli degli altri due coefficienti d’attrito. Questo è
spiegabile col fatto che tale coefficiente risulta
un’approssimazione di µk e µG.
Dai valori rilevati si può concludere che:
1. Il coefficiente d’attrito (totale, sottotesta e nel filetto)
assume i valori più bassi nei rivestimenti chimici
organici, chimici fosfatici (in particolare i migliori sono
i primi) e nei rivestimenti elettrolitici di Zinco-Ferro e
Zinco-Nichel. Questo comportamento è spiegabile con
il fatto che tali rivestimenti sono caratterizzati da una
superficie più adatta all’assorbimento dei lubrificanti.
Il coefficiente più basso si ottiene con RIVESTIMENTO
CHIMICO + LUBRIFICANTE CONCENTRATO
2. I coefficienti d’attrito si riducono sensibilmente, come
ipotizzabile a priori, all’aumentare della lubrificazione
superficiale.
3. L’andamento degli scostamenti dei valori dalla media
indica ancora una volta che i rivestimenti peggiori
risultano quelli elettrolitici senza lubrificazione.
CONCLUSIONI
I valori dei coefficienti d’attrito rilevati costituiscono
parametri fondamentali per il dimensionamento dei
giunti bullonati.
Le viti e le forze per il loro serraggio devono, infatti,
essere commisurate in modo che l’assemblaggio così
ottenuto sia in grado di adempiere alle sue funzioni e
resistere agli sforzi d’esercizio.
I dati raccolti consentono:
• il calcolo del momento di serraggio MA a tiro imposto,
• il calcolo del tiro Fv a coppia di serraggio imposta
• la valutazione di quale sia il rivestimento più
conveniente per l’assemblaggio (costruendo un
grafico Coppia/Tensione in cui siano riportati gli
andamenti in funzione dei coefficienti d’attrito totale
ricavati dalle prove).
16
14
12
10
Fv[KN]
8
6
4
2
0
0
5
10
15
20
MA[Nm]
DACROMET 320+LUBR.30%
'DELTA-SEAL
'ZINCO/FERRO
DACROMET 320+LUBR.5%
ZINCO/NICHEL
FOSFATAZIONE AL Mn
DELTA-TONE+LUBR.30%
10
MICROFOSFATAZIONE
'DACROMET 500
FOSFATAZIONE ALLO Zn
'ZINCATURA GIALLA+LUBR.30%
DELTA-TONE+LUBR.5%
BRUNITURA
AGRATI
GROUP
FINIGARD 105
DELTA-TONE
'DACROMET 320
ZINCATURA AZZURRINA
ZINCATURA GIALLA+LUBR.5%
ZINCATURA GIALLA
ED. 2001-A
205
CARATTERIZZAZIONE DEL
COEFFICIENTE D’ATTRITO IN GIUNTI BULLONATI
Avendo a disposizione anche i valori dei coefficienti
sottotesta e nel filetto è possibile visualizzare il campo di
variazione del tiro in funzione dei coefficienti µk e µG,
tramite il seguente grafico tridimensionale.
L’analisi svolta si è basata su una norma tedesca, la
DIN 946 (del 1991) che fornisce prescrizioni riguardo
una prova di laboratorio e restituisce dei valori utilizzati
come interfaccia tra cliente e produttore .
Le prove condotte possono, quindi, essere una fonte di
dati utili per la stesura, attualmente in corso, di una
norma internazionale.
ANDAMENTO DI FV IN FUNZIONE DEI COEFFICIENTI D’ATTRITO
MOMENTO MA FISSATO (20Nm)
28
26
24
22
20
18
Fv
16
14
12
10
8
6
0,05
4
2
0,2
0
AGRATI
µG
0,55
µk
0,5
0,45
0,35
0,25
0,15
0,05
0,35
GROUP
ED. 2001-A
10
206
RICERCA
E
SVILUPPO
COMPORTAMENTO
A FATICA DI BULLONERIA
AD ALTA RESISTENZA
La ditta Agrati ha promosso una collaborazione con il
Politecnico di Milano per l'approfondimento di
tematiche meccanico – metallurgiche. Uno degli
argomenti sviluppati riguarda il comportamento a fatica
di bulloneria ad alta resistenza.
Più precisamente l’obiettivo principale consiste nella
determinazione dell’influenza di un insieme finito di
parametri, ritenuti fondamentali, sul comportamento a
fatica di elementi filettati.
Si prevede di studiare l’incidenza sulla resistenza a fatica
delle seguenti variabili:
Geometriche
• passo (grosso e fine);
• raggio di fondo filetto (standard ed al massimo della
tolleranza ammessa);
Tecnologiche
• rullatura prima e dopo la bonifica;
Meccanico - metallurgiche
• classe di resistenza dell’acciaio;
• analisi chimica del materiale.
E’ stato deciso di condurre prove di fatica flessionale
rotante su elementi filettati M10 utilizzando le
macchine di prova "veloci" 2TM831 della Italsigma S.r.l
Forlì, presenti presso il Dipartimento di Meccanica del
Politecnico di Milano.
Lo studio è stato condotto considerando, oltre alle variabili
già specificate, ulteriori parametri altrettanto importanti
che, se non tenuti in considerazione, possono incidere
significativamente sulla resistenza a fatica del prodotto
finito e portare dunque a risultati certamente non veritieri.
Queste variabili studiate mediante preventivi controlli di
laboratorio sono:
10
AGRATI
•
•
•
•
decarburazione o ricarburazione dell’acciaio;
difetti superficiali sulla vergella di partenza;
difetti sul filetto;
livello di incrudimento dovuto alla rullatura per
l’ottenimento del filetto;
• andamento delle fibre nel materiale.
La determinazione della geometria ottimale dei provini è
stata ottenuta conducendo verifiche preliminari sulle
possibili soluzioni realizzative. Il risultato di questa fase di
sperimentazione ha portato alla definizione di un provino
costituito da una barra interamente filettata e due boccole
incollate alle estremità per consentire l’afferraggio del
pezzo sulla macchina e per evitare fenomeni di svitamento.
Nell'ambito di tutte le variabili proposte, l'attenzione si è
concentrata sull'impiego dell'acciaio al boro 30 MnB 4
(relativo alla classe di resistenza 10.9) e sulla valutazione
del parametro più importante rappresentato dall'effetto
della rullatura realizzata prima o dopo il trattamento
termico nel ciclo di lavorazione. Infatti le tre classi di
provini studiate sono le seguenti:
• Viti M10x1,25 bonificate e poi rullate;
• Viti M10x1,5
bonificate e poi rullate;
• Viti M10x1,5
rullate e poi bonificate.
I controlli eseguiti sulle barre filettate sono stati i seguenti:
• Controllo geometrico: sono stati misurati i diametri
esterno, medio, di nocciolo verificando il rispetto delle
tolleranze imposte dalla norma DIN 13-20:1999.
Le quote rilevate si sono dimostrate rispettose dei
valori indicati dalla normativa.
• Rilievo del profilo delle filettature: è stato rilevato il
profilo del filetto delle tre classi di viti utilizzando il
profilometro a contatto e confrontando le quote
principali ricavate con i valori indicati da standard
interni alla ditta. Anche in questo caso l’esito del
controllo è stato conforme alle specifiche previste.
Prove meccaniche: sono state condotte ulteriori prove di
trazione e durezza per evidenziare possibili variazioni
delle caratteristiche meccaniche a seguito della
rullatura. I valori ottenuti mostrano che, relativamente al
comportamento a trazione, non c'è stata una
significativa incidenza della rullatura e della posizione
di questa nel ciclo produttivo.
GROUP
ED. 2001-A
207
COMPORTAMENTO A FATICA
DI BULLONERIA AD ALTA RESISTENZA
• Analisi dei difetti superficiali:
è stata verificata visivamente l’assenza di cricche di
tempra, rigature, danneggiamenti e ripiegature in
conformità alla norma UNI EN 26157/3.
• Analisi metallografica:
- Controllo del livello di decarburazione secondo il
metodo delle microdurezze indicato dalla norma
ISO 898-1:1999: esito conforme alle specifiche previste
- Controllo del livello di incrudimento causato dalla
rullatura eseguendo radialmente 20 prove di
microdurezza a partire dal fondo del filetto e distanti
tra loro 0,05 [mm].
I risultati evidenziano che le classi di viti bonificate
prima di essere rullate presentano uno stato di
incrudimento superficiale più accentuato rispetto alla
classe che subisce il trattamento termico dopo la
lavorazione.
Un altro dato registrato è una variazione di durezza
fra superficie e cuore quantificabile intorno al 10%.
Infine si osserva che l'effetto di incrudimento si
manifesta in uno strato superficiale avente spessore di
0,2 [mm] oltre il quale la durezza non cambia più
significativamente.
- Indagine strutturale sul grano cristallino e
sull'andamento delle fibre utilizzando il microscopio
ottico. Questa analisi ha permesso di apprezzare le
differenze strutturali tra le varie classi di viti in virtù
del diverso processo realizzativo
Alcune immagini sono qui riportate:
M10x1,5 Bonificato e poi Rullato
M10x1,5 Rullato e poi Bonificato
Dalle immagini si può notare come il trattamento
termico eseguito dopo la rullatura abbia un effetto
distensivo sulla struttura in quanto si perde il marcato
orientamento delle fibre dovuto alla deformazione
plastica.
Le prove di fatica flessionale rotante sono state condotte,
presso il laboratorio del Dipartimento di Meccanica del
Politecnico di Milano, con lo scopo di determinare il
limite di fatica, cioè il valore di carico al quale
corrisponde una durata teoricamente indefinita, ma che
per le prove è stata fissata a 3.106 cicli in virtù dei
risultati ottenuti con i prototipi nella sperimentazione
preliminare.
La valutazione dei risultati è stata eseguita applicando il
metodo statistico Stair - Case contemplato nella norma
ISO 3800 - 93.
AGRATI
I risultati ottenuti portano alla definizione dei seguenti
limiti di fatica per le tre classi in esame:
A. Viti M10x1,25bonificate e poi rullate: σFaf = 500 [MPa]
B. Viti M10x1,5 bonificate e poi rullate: σFaf = 506 [MPa]
C. Viti M10x1,5 rullate e poi bonificate: σFaf = 164 [MPa]
GROUP
ED. 2001-A
10
208
COMPORTAMENTO A FATICA
DI BULLONERIA AD ALTA RESISTENZA
CONSIDERAZIONI
• Si registra un leggera differenza tra viti a passo grosso e
fine delle categorie A e B; questo minimo scostamento in
favore del passo 1,5 [mm] è attribuibile al fatto che la vite
con passo grosso risulta maggiormente incisa dalla
lavorazione per deformazione plastica in virtù di
dimensioni della filettatura maggiori rispetto al passo fine;
di conseguenza questo stato di maggior plasticizzazione
(comunque molto contenuta) contribuisce ad un lieve
innalzamento del limite di fatica.
Quantificando questa differenza, che si calcola essere
pari all'1% circa, si può concludere che il passo della
filettatura, sebbene provochi questo leggerissimo divario,
non è un parametro statisticamente significativo circa il
MODALITÀ
M10x1,5 Bonificato e poi Rullato
Nella figura è ben visibile la corona circolare esterna
rappresentativa dello strato superficiale incrudito; non si
riscontrano difettosità particolari od effetti di intaglio
anomali, si conclude quindi che la rottura ha avuto inizio
all'interno della sezione o, come si dice in gergo,
“sottopelle".
comportamento a fatica flessionale rotante.
• Come previsto, la variabile maggiormente influente è
rappresentata dalla posizione della rullatura rispetto al
trattamento termico nel ciclo di lavorazione. Tra le
categorie B e C si registra una variazione del limite di
fatica pari al 300% circa giustificabile dal fatto che:
1. Nel caso B la deformazione plastica avviene sul
materiale già indurito dalla bonifica amplificando così lo
stato tensionale della struttura
2. Nel caso C il trattamento termico ha un effetto di
distensione delle fibre deformate precedentemente dalla
rullatura.
DI ROTTURA
M10x1,5 Rullato e poi Bonificato
Si possono notare grosse differenze strutturali e
comportamentali rispetto al caso precedente, a conferma
dell’importanza del parametro rullatura rispetto alla
bonifica. Non è più visibile lo strato esterno di materiale
deformato plasticamente, di conseguenza tali provini
risultano più vulnerabili nei confronti di intagli esterni;
questa considerazione giustifica il fatto che tutte le
cricche osservate hanno avuto origine superficialmente e
non sottopelle.
CONCLUSIONI
• I pezzi bonificati e poi rullati presentano un innesco di
cricca sottopelle che tutela maggiormente dalla presenza
di lievi difetti superficiali nonché dalla presenza di
debole decarburazione.
• I pezzi rullati e poi bonificati presentano una forte
sensibilità all’intaglio esterno; una minima difettosità
può divenire punto di innesco per la rottura a fatica. Si
giustifica così l’abbattimento del limite di fatica per
questa classe di prodotti.
10
AGRATI
• Il risultato ottenuto con questo studio sembrerebbe
spingere la produzione posizionando la rullatura alla
fine del ciclo, dopo la bonifica. Tale pratica pone però
problemi di natura tecnologica, infatti si ridurrebbe
drasticamente la vita dell'utensile che genera la filettatura
(pettine o rullo); si passerebbe infatti dalle centinaia di
migliaia di pezzi alle decine di migliaia. L’effettiva
convenienza, anche economica, di tale soluzione è da
valutare caso per caso.
GROUP
ED. 2001-A
209
COMPORTAMENTO A FATICA
DI BULLONERIA AD ALTA RESISTENZA
Superficie di rottura della filettatura M10x1,5
bonificata e poi rullata
Superficie di rottura della filettatura M10x1,5
rullata e poi bonificata
AGRATI
GROUP
ED. 2001-A
10
210
RICERCA
E
SVILUPPO
INDAGINE
SUL COMPORTAMENTO DEGLI ACCIAI DA
BULLONERIA PER ALTI LIVELLI DI RESISTENZA
La ricerca è stata eseguita, nell'ambito della revisione
della norma ISO 898-1 "Caratteristiche meccaniche della
bulloneria", per fornire ai delegati del gruppo di lavoro
ISO/TC2/SC1/WG9 i dati sulle caratteristiche meccaniche
a temperatura ambiente degli acciai al boro e legati di
uso più corrente, dopo bonifica con rinvenimento a
diversi livelli di temperatura.
L'oggetto delle considerazioni sarebbe stata la
ridefinizione della classe di resistenza 12.9, sia per
quanto riguarda l'analisi chimica che la temperatura di
rinvenimento.
MODALITÀ
Sono stati presi in esame tre acciai al boro e due
acciai legati corrispondenti a quelli della norma
EN 10263, le cui analisi sono riportate nella tabella
seguente.
ANALISI CHIMICA DEI PRODOTTI, % IN MASSA
C
30 Mn B 4
30 Mo B 1
31 Cr Mo B 2-1
37 Cr 4
37 Cr Mo 4
0.29
0.29
0.32
0.35
0.36
Si
0.08
0.11
0.13
0.19
0.08
Mn
0.84
0.88
0.98
0.79
0.75
P
0.014
0.009
0.01
0.008
0.009
S
0.006
0.006
0.015
0.009
0.008
Cr
0.16
0.18
0.40
0.96
1.02
Mo
0.04
0.09
0.12
0.02
0.22
Cu
0.12
0.14
0.13
0.12
0.08
B
0.003
0.002
0.002
0.0003
0.0002
Con detti acciai sono state prodotte viti a testa esagonale
parzialmente filettate secondo ISO 4014 M16x120 per
consentire, con tale diametro, l'esecuzione delle prove di
resilienza. Le viti sono state bonificate e controllate per la
percentuale di martensite (superiore al 90%) e quindi
rinvenute.
Le temperature di rinvenimento richieste dal gruppo di
lavoro per questa prova sono state 380 °C, 410 °C e 425
°C, che sono rispettivamente la temperatura prescritta
dall’attuale EN ISO 898-1 e due delle nuove temperature
proposte. A queste tre temperature abbiamo aggiunto, per
ogni tipo di acciaio, una quarta temperatura, adatta ad
ottenere le caratteristiche di resistenza del 12.9.
10
AGRATI
Le misure effettuate su provetta per ciascun tipo di
acciaio e per ciascun livello di temperatura sono state le
seguenti:
- carico unitario di rottura Rm [MPa];
- carico unitario di scostamento dalla proporzionalità
Rp0,2 [MPa];
- allungamento dopo rottura A %;
- strizione dopo rottura Z %;
- resilienza KU [J].
GROUP
ED. 2001-A
211
INDAGINE
SUL COMPORTAMENTO DEGLI ACCIAI
DA BULLONERIA PER ALTI LIVELLI DI RESISTENZA
CARICO UNITARIO DI ROTTURA
1580
1540
1500
1460
1420
1340
Rm
[MPa]
1380
1300
1260
1220
1180
1140
1100
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
°C
30 Mn B 4
30 Mo B 1
31 Cr Mo B 2-1
Carico unitario di rottura
Dal diagramma si evidenzia che le temperature di
rinvenimento idonee per la classe di resistenza 12.9 (Rm
min=1220 MPa) vanno da circa 410 °C per l'acciaio al boro
con meno leganti a circa 480 °C per l'acciaio più legato.
Pertanto, se si prescrivesse come temperatura minima di
AGRATI
37 Cr 4
37 Cr Mo 4
rinvenimento 380 °C o 410 °C tutti e cinque gli acciai
sarebbero utilizzabili, mentre, con 425 °C minimo,
sarebbero utilizzabili solo i due acciai legati ed un
acciaio al boro.
GROUP
ED. 2001-A
10
212
INDAGINE
SUL COMPORTAMENTO DEGLI ACCIAI
DA BULLONERIA PER ALTI LIVELLI DI RESISTENZA
CARICO UNITARIO DI SCOSTAMENTO DALLA PROPORZIONALITÀ / CARICO UNITARIO DI ROTTURA
1,00
0,99
0,98
0,97
Rp0,2/ Rm
0,96
0,95
0,94
0,93
0,92
0,91
0,90
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
°C
30 Mn B 4
30 Mo B 1
Carico unitario di scostamento dalla proporzionalità
Questa caratteristica, rapportata al valore del carico
unitario di rottura, evidenzia un livello di limite
10
AGRATI
31 Cr Mo B 2-1
37 Cr 4
37 Cr Mo 4
elastico maggiore negli acciai al boro che non in
quelli legati.
GROUP
ED. 2001-A
213
INDAGINE
SUL COMPORTAMENTO DEGLI ACCIAI
DA BULLONERIA PER ALTI LIVELLI DI RESISTENZA
ALLUNGAMENTO DOPO ROTTURA
15
14
A%
13
12
11
10
9
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
°C
30 Mn B 4
30 Mo B 1
31 Cr Mo B 2-1
Allungamento dopo rottura
Mentre a parità di temperatura i valori di allungamento
appaiono migliori per gli acciai al boro che per gli acciai
legati, gli stessi diventano simili tra di loro alle
AGRATI
37 Cr 4
37 Cr Mo 4
temperature utilizzate per il rinvenimento di ogni singolo
acciaio al livello della classe 12.9.
GROUP
ED. 2001-A
10
214
INDAGINE
SUL COMPORTAMENTO DEGLI ACCIAI
DA BULLONERIA PER ALTI LIVELLI DI RESISTENZA
STRIZIONE DOPO ROTTURA
66
65
64
63
62
61
60
59
Z%
58
57
56
55
54
53
52
51
50
49
48
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
°C
30 Mn B 4
30 Mo B 1
Strizione dopo rottura
Per quanto riguarda questa caratteristica si nota
u n n e t t o d iva r i o t ra g l i a c c i a i a l b o r o
10
AGRATI
31 Cr Mo B 2-1
37 Cr 4
37 Cr Mo 4
(comportamento più duttile) e quelli legati.
GROUP
ED. 2001-A
215
INDAGINE
SUL COMPORTAMENTO DEGLI ACCIAI
DA BULLONERIA PER ALTI LIVELLI DI RESISTENZA
RESILIENZA
66
65
64
62
61
60
KU [J]
58
57
56
55
53
52
51
50
49
360
370
380
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
°C
30 Mn B 4
30 Mo B 1
31 Cr Mo B 2-1
Resilienza
La resilienza a temperatura ambiente degli acciai al
boro è notevolmente superiore a quella degli acciai
legati. Nonostante non faccia parte di questa ricerca, è
AGRATI
37 Cr 4
37 Cr Mo 4
noto che lo stesso comportamento si ha a temperature
inferiori allo zero.
GROUP
ED. 2001-A
10
216
INDAGINE
SUL COMPORTAMENTO DEGLI ACCIAI
DA BULLONERIA PER ALTI LIVELLI DI RESISTENZA
CONCLUSIONE
Nell'ambito delle temperature proposte per l'analisi
vengono confermate le ottime prestazioni degli acciai al
boro rispetto a quelli legati per quanto riguarda le
caratteristiche prese in esame. Una valutazione più
immediata si può avere dalla tabella saguente, ove sono
riportate le caratteristiche di ogni tipo di acciaio per uno
stesso livello di carico unitario di rottura ( circa 1300
MPa, valore medio per la classe 12.9), desunte dai
diagrammi precedenti.
COMPORTAMENTO ACCIAI: STESSO LIVELLO DI RESISTENZA A ROTTURA (1300 MPa)
10
Tipo di acciaio
30 Mn B 4
30 Mo B 1
31 Cr Mo B 2-1
37 Cr 4
37 Cr Mo 4
Temperatura di
rinvenimento
[°C]
380
380
410
450
480
Rm [MPa]
1330
1342
1336
1303
1280
Rp0,2 [MPa]
1279
1285
1277
1214
1218
Rp0,2/Rm
0.96
0.96
0.96
0.93
0.95
A%
13
12
13
12
13
Z%
62
60
58
55
57
KU [J]
48
50
41
30
33
AGRATI
GROUP
ED. 2001-A