Capitolo 4. Superfici, tribologia, caratteristiche dimensionali e controllo qualità Pearson Paravia Bruno Mondadori S.p.A.
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1 Capitolo 4 Superfici, tribologia, caratteristiche dimensionali e controllo qualità 1
2 Proprietà superficiali dei metalli Figura 4.1 Schema di una sezione della superficie di un metallo. Lo spessore di ciascuno strato dipende dal processo di lavorazione e dall ambiente. Fonte: E. Rabinowicz e B. Bhushan. Aspetto meccanico, aspetto fisico, tribolgico, chimico ed economico 2
3 Figura 4.4 (a) Misura della rugosità mediante un rugosimetro con pattino di appoggio. Il pattino che scorre sulla superficie fa da riferimento orizzontale, mediando gli errori di forma, mentre la punta tastatrice rileva il profilo di rugosità. (b) Profilo rilevato dalla punta tastatrice (linea tratteggiata) e profilo reale della superficie (linea continua). Si noti che il profilo rilevato risulta filtrato dalla geometria della punta. Profili tipici ottenuti da processi di lappatura (c), rettifica fine (d), rettifica grossolana (e) e tornitura (f). Si noti la differenza tra le scale verticali e orizzontali. 3
4 Ra: rappresenta lo scostamento medio aritmetico del profilo ed è calcolato con la funzione Ra: rappresenta lo scostamento medio aritmetico del profilo ed è calcolato con la funzione: R a 1 L L 0 Z( x) dx Ra risulta essere dunque l altezza equivalente del rettangolo avente per area quella sottesa alla funzione Z(x) e per base la lunghezza L del profilo. sull asse z. Rz : definito come l altezza massima del profilo ovvero la distanza che esiste fra il picco più alto e la valle più profonda rispetto alla linea media misurato su una lunghezza di base. 4
5 RSm : rappresenta la larghezza media degli elementi del profilo, dove ogni elemento è calcolato a partire dall intersezione del fianco del profilo con la linea media dello stesso, secondo la formula RSm 1 m RDq : è un parametro ibrido, indica la pendenza quadratica media del profilo mediata su una lunghezza di base. Xsi. Rsk : detto anche skewness. Misura la simmetria di un profilo rispetto alla sua linea media, dipende perciò dalla distribuzione dei picchi e delle valli su tutto l arco di misura. Analiticamente è definito come Rsk Rq L 1 1 Z x 3 Rq L ( ) L 0 Z( x) 2 0 dx 3 dx dove Rq è la rugosità quadratica media espressa dalla relazione 5
6 Figura 4.2 (a) Terminologia e simboli normati per l indicazione dello stato della superficie. (b) Simbologia per l indicazione dell andamento preferenziale dei solchi nelle superfici lavorate. Fonte: UNI EN ISO 1302:
7 Tribologia: dal modello di coulomb al modello adesivo All aumentare del carico si crea un legame adesivo Figura 4.5 (a) Illustrazione schematica dell interfaccia tra due superfici a contatto, in cui sono visibili le asperità che danno luogo all area reale di contatto. b) Rappresentazione della proporzione tra area nominale e area reale di contatto. Il rapporto tra le due aree può arrivare a quattro o cinque ordini di grandezza. Le forze di legame dipenderanno da fenomeni diffusivi, interazione atomiche e solubilità reciproca 7
8 Per avere uno spostamento relativo occorre rompere queste microsaldature; occorre applicare una forza detta forza d attrito. F N Ar A r taglio durezza Possiamo diminuire il coef. attrito utilizzando dei lubrificazione o aumentando la durezza dei materiali a contatto La rottura del materiale avviene al di sotto della zona adesa 8
9 Con Ar=A All aumentare di N e F diminuisce. Figura 4.6 Illustrazione schematica della relazione tra forza d attrito F e forza normale N. Si noti che quando l area reale di contatto, A r, si avvicina all area nominale, A, la forza d attrito raggiunge un valore massimo e si stabilizza. Per valori bassi del carico normale, la forza d attrito è proporzionale alla forza normale; la maggior parte dei componenti delle macchine opera in queste condizioni. Invece nei processi di lavorazione dei metalli la forza d attrito non è proporzionale alla forza normale perché le pressioni di contatto sono molto elevate. m i K m=fattore attrito K=tensione di snervamento 9
10 10
11 Misura dell attrito Figura 4.7 (a) Effetto della lubrificazione sulla deformazione (barreling) nella prova di compressione dell anello. Con buona lubrificazione, sia il diametro interno sia quello esterno aumentano, mentre se la lubrificazione è scarsa o assente, l attrito risulta elevato e il diametro interno decresce. La direzione del barreling dipende dal moto relativo delle superfici cilindriche rispetto alle piastre. (b) Risultati del test: (1) provino originale e (2-4) provini sottoposti ad attrito crescente. Fonte: A. T. Male e M. G. Cockcroft. 11
12 Figura 4.8 Diagrammi per la caratterizzazione dell attrito in base alla prova di compressione dell anello: (a) coefficiente d attrito,, e (b) fattore d attrito, m. 12
13 Usura: perdita o rimozione progressiva del materiale superficiale Figura 4.9 Confronto tra profili originali e usurati di due superfici con grado di finitura diverso: (a) sgrossata con spazzola metallica e (b) rettificata. Fonte: E. Wild e K. J. Mack. 13
14 Meccanismo dell usura adesiva Figura 4.10 Schematizzazione del fenomeno di trasferimento: (a) asperità in contatto, (b) adesione tra due asperità e (c) formazione di un frammento di usura trasferito. Legge di Archard V k LW 3p K=coef. di usura p=durezza Usura severa e moderata W=carico normale applicato Eccesivi carichi possono originare grippaggio o saldature per innalzamento della temperatura all interfaccia 14
15 Materiali simili presentano maggiore attrito infatti il valore di K cresce; perché? 15
16 Meccanismo dell usura abrasiva Usura a due o a tre corpi Ambiente chiuso o filtraggio Figura 4.11 Illustrazione schematica dell usura abrasiva per strisciamento. In genere la presenza di graffi longitudinali su una superficie è indice di usura abrasiva. 16
17 Lubrificazione Figura 4.13 Regimi di lubrificazione tipici delle lavorazioni dei metalli. Fonte: W. R. D. Wilson. 17
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