Academic literature on the topic 'Prove di fatica a flessione rotante'

L'affaticamento è un meccanismo meccanico di cedimento causato dall'applicazione ripetuta di carichi variabili e caratterizzato dall'avvio e dalla crescita di una fessura che potrebbe portare alla rottura di un componente strutturale. I guasti a fatica sono localizzati, progressivi e cumulativi e si verificano a tensioni anche nettamente inferiori rispetto a quella di snervamento. Per questo si utilizzano le macchine per prove a fatica che permettono di effettuare prove per determinare la resistenza dei materiali sotto l'applicazione di carichi ciclici. L’obbiettivo di questo elaborato è illustrare il processo che ha portato alla progettazione di una macchina per prove a flessione rotante a 4 punti, partendo da un’analisi delle componenti della macchina e un’analisi di mercato, mostrando e analizzando le principali macchine costruite da enti esterni all'Università. La macchina progettata ha il compito di sostituire o affiancare quella attualmente presente nell'officina del reparto di metallurgia della sede di Bologna.

Dalla metà degli anni Ottanta si è assistito all'introduzione dell'Additive Manufacturing (AM), tecnologia completamente innovativa che permette la produzione di componenti a partire da un modello 3D realizzato tramite specifici software. La definizione di AM raggruppa svariati processi, tra cui il DMLS (Direct Metal Laser Sintering), che prevede di formare il pezzo a partire da polvere metallica, successivamente fusa da un raggio laser e lasciata solidificare, così da ottenere la geometria definitiva. In questo elaborato è stato analizzato come alcuni parametri di processo, in particolare la rugosità e il trattamento termico, influenzino la vita a fatica del componente, ossia il numero di cicli che esso può compiere sopportando un carico al di sotto di quello di snervamento senza giungere a rottura. Per effettuare lo studio sono state svolte prove di fatica a flessione rotante, attenendosi alla procedura descritta in specifiche normative ISO. Esse prevedono di vincolare dei provini cilindrici di diametro fissato, dei quali sono state rilevate preventivamente le caratteristiche geometriche e superficiali, su un apposito macchinario in grado di metterli in rotazione, ed attendere l'esito della prova, che può essere una sopravvivenza, se il pezzo supera un numero prestabilito di cicli di vita, o una rottura, nel qual caso è stata osservata la superficie di frattura. Il risultato finale dello studio, conseguito tramite successiva elaborazione statistica dei dati ottenuti dalle prove, è la curva di fatica del materiale, che correla la tensione a cui esso è sottoposto ai cicli di vita che può compiere senza rompersi. Nell'ambito di questa specifica indagine, sono state confrontate le curve di fatica relative a provini realizzati tramite DMLS e in seguito sottoposti a differenti trattamenti meccanici (pallinatura, lavorazione alle macchine utensili) e che hanno subito o meno trattamento termico, così da valutare l'effettivo beneficio dei diversi processi produttivi.

L’avvento dell’Additive Manufacturing e la sua sempre maggiore flessibilità, resa possibile dallo sviluppo tecnologico, sta suscitando l’interesse dei progettisti i quali sempre più spesso ne considerano l’impiego per la realizzazione di componenti particolarmente complessi e/o difficilmente ottenibili tramite tecnologie tradizionali di asportazione di truciolo. Oltre ai componenti sottoposti a carichi statici, il cui comportamento è valutabile tramite FEM (Finite Element Method), è ricorsivo l’impiego di membri meccanici in regimi di tensione alterna che ne comportano un carico a fatica; la valutabilità di tutti i fattori in gioco risulta dunque fondamentale per la realizzazione di componenti opportunamente dimensionati e capaci di lavorare in condizioni più specifiche e gravose. In particolare, l’interesse dell’elaborato è rivolto verso l’impatto di rugosità superficiale e trattamento termico sul comportamento a fatica del materiale, considerando provini cilindrici a sezione variabile realizzati in acciaio inossidabile PH1 e sottoposti a flessione rotante. L’analisi di ciascun provino ne comprende la rilevazione di caratteristiche geometriche e costruttive, nonché l’osservazione dei provini giunti a rottura per comprendere cause ed effetti di quest’ultima. Per ultima si esegue l’elaborazione dei dati ottenuti in seguito alla prova di fatica ed ottenimento delle relative curve di fatica a seguito di opportune valutazioni statistiche.

Sono state eseguite prove di fatica a flessione rotante su un acciaio inox ottenuto per DMLS (Direct Metal Laser Sintering) studiando l'effetto sulla vita a fatica risultante dalla lavorazione a macchina utensile. I provini avevano forma cilindrica a clessidra; essi sono stati micro-pallinati e non hanno subito trattamenti termici. Sono state analizzate due configurazioni: un lotto di provini è stato lavorato alle macchine utensili, il secondo no. Le norme utilizzate per realizzare lo studio sono la ISO 12107 e la ISO 1143.

In questo elaborato viene studiata e progettata una macchina di prova a fatica a flessione rotante con schema di carico a quattro punti. Viene eseguita un'analisi dettagliata delle macchine disponibili sul mercato, prendendo in considerazione le varie soluzioni tecniche impiegate. Il lavoro di progettazione viene poi diviso in tre parti e la trattazione eseguita in questo elaborato è quella relativa al sistema di carico. Il sistema di carico si occupa della trasmissione della forza ai due supporti simmetrici sui quali il provino è bloccato. Il sistema di carico comprende inoltre il sistema di generazione della forza, che sfrutta delle masse di prova.

Lo scopo della prototipazione rapida è la realizzazione di prototipi destinati alle osservazioni al fine di migliorare il progetto in via di sviluppo. Tuttavia, negli ultimi anni si sta cercando di ottenere prototipi che siano già di per sé funzionali e quindi oggetti pronti all'uso. Soprattutto per i materiali metallici, si stanno sviluppando tecniche di prototipazione che tendono a diventare veri e propri processi tecnologici di produzione: una di queste è il processo DMLS (Direct Metal Laser Sintering). La tecnologia di Sinterizzazione Laser Selettiva dei Metalli (DMLS) si realizza attraverso un processo per addizione stratificata, in cui l’utilizzo di un laser ad alta densità di energia permette di fondere metalli in polvere, creando il modello o il prototipo tridimensionale. La tecnologia DMLS risulta estremamente innovativa ed offre la possibilità di sviluppare componenti con un grado di precisione elevato e un livello di dettaglio accurato. I vantaggi di questa tecnologia sono diversi, ma il più importante è l'estrema flessibilità di progetto in quanto si eliminano i vincoli di fabbricazione dettati dalle tecniche di produzione convenzionali basate sull'asportazione di truciolo, dando così piena libertà di design al progettista. Un esempio di applicazione di questa tecnologia è la costruzione di stampi per lo stampaggio ad iniezione: per poter migliorare il ciclo di produzione (in termini di tempo e quindi di denaro) è possibile creare canali di raffreddamento interni ottimizzati con forme e traiettorie diverse dalle tradizionali rettilinee ottenute per foratura. Dunque, associando questa tecnologia con i diversi materiali disponibili in commercio, è possibile costruire manufatti altamente customizzati e performanti a seconda delle varie esigenze. L’obiettivo di questo lavoro è stato quello di stimare e confrontare il limite di fatica per vita infinita di tre serie di provini, ottenuti mediante il processo innovativo DMLS, accresciuti secondo la direzione verticale, orizzontale ed inclinata a 45°; in particolare si è voluto osservare il comportamento dei provini in quest’ultimo caso, non essendoci informazioni precise in letteratura. La polvere di metallo utilizzata per la fabbricazione dei provini è il Maraging Steel, un acciaio dalle caratteristiche meccaniche eccezionali utilizzato soprattutto nel campo aereonautico.

Il presente elaborato di tesi tratta la progettazione di una nuova tipologia di attrezzatura per prove di fatica a flessione rotante, in relazione allo studio del fenomeno del fretting, per quanto concerne gli accoppiamenti shaft hub. La nuova attrezzatura consentirà di ottenere un maggior controllo sulla pressione d'accoppiamento albero mozzo ed una maggiore rapidità nell'acquisizione dei dati derivanti dalle prove di fatica.

Le prove di fatica a flessione rotante su componenti in scala reale sono molto dispendiosi. Il metodo più veloce ed economico per ottenere gli stessi risultati è quello di operare su un provino in scala. Dal momento che non esiste nessun campione standardizzato è stato creato un provino ad-hoc e sono state eseguite le prove. Inoltre è stato creato un modello tridimensionale in grado di valutare le sollecitazioni. I due risultati sono stati comparati e i provini utilizzati per le prove sono stati attentamente analizzati.

Si tratta di una tesi svolta su diverse tipologie di provini ottenuti per Direct Metal Laser Sintering. Questi campioni sono stati provati a fatica, precisamente a flessione rotante. Per determinarne il limite di fatica è stato utilizzato il metodo Dixon. Una volta stimato questo valore sono stati svolti degli attacchi chimici per verificare la presenza di cricche e porosità. Infine, per controllare le caratteristiche descritte inizialmente dalla letteratura del materiale, sono stati sottoposti ad una prova di durezza Rockwell.

L’obiettivo principale di questo studio è caratterizzare dei provini, prodotti mediante additive manufacturing, con il metodo DMLS (direct metal laser sintering), a fatica mediante prove di flessione rotante. I provini sono realizzati in Maraging steel, le cui caratteristiche meccaniche e composizione sono di seguito enunciate. I dati sperimentali ottenuti dalle prove vengono poi elaborati tramite la normativa ISO 12107-2012, per trovare la curva di fatica S-N, sia usando un’interpolazione lineare, che una quadratica, per confrontarle in modo da identificare quale metodologia approssima meglio i dati. E' inoltre utilizzata la normativa Dixon tramite uno stair-caise per trovare la tensione limite di fatica. Un altro aspetto rilevante di questo elaborato è quello di analizzare il processo produttivo dei provini per capire quali sono i principali parametri che influenzano l’additive manufacturing e che conseguenze hanno sulla vita a fatica dei componenti realizzati. Per questo studio sono stati utilizzati tre set di provini (ogni set ha numerosità pari a 12) numerati dal 20 al 22. I set vengono trattati termicamente, lavorati alle macchine utensili, pallinati e sono analizzati nel dettaglio i processi appena citati. Legato a questi studi c’è il tentativo di trovare una correlazione tra la posizione di realizzazione dei provini in camera e la vita a fatica. Infine si esegue un’analisi frattografica per capire meglio i meccanismi di innesco e propagazione delle cricche per fatica.