SIMULAZIONE, PROVE E PROTOTIPAZIONE

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1 194 RICERCA E SVILUPPO SIMULAZIONE, 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 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 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. SIMULAZIONE NUMERICA 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. 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. STUDIO DI GIUNZIONI BULLONATE Analisi dello snodo di sospensione di un rimorchio per camion. Analisi dello snodo di sospensione di un rimorchio per camion. Comportamento del gambo filettato di una vite a testa svasata piana oltre il limite di snervamento.

2 195 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 ) per le seguenti prove: PROVA Durezza Rockwell Brinell Vickers Microdurezza Rugosità (Taylor Hobson Talyrond 0) 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 METODO DI PROVA 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 002, ASTM: E165, E709, F788, ISO 6157/1/2/3,, MIL-STD 1949, ASTM E77, SAE J419 ASTM: A370, A540, DIN , UNI EN 045, 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, E77, SAE J422, UNI: 3244, 3245 ASTM E415 ISO 4759, DIN 13 Teil 13, ISO 695.2, UNI 5541

3 196 SIMULAZIONE, PROVE E PROTOTIPAZIONE PROTOTIPAZIONI 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 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. ø 33 ø ø25 min. ø15-16 ø min NICHT KONVEX Assieme di montaggio: geometria iniziale ø R ø15.5 max Definizione della geometria alleggerita

4 197 SIMULAZIONE, PROVE E PROTOTIPAZIONE Simulazione numerica del comportamento del particolare sotto carico. Realizzazione del prototipo

5 198 RICERCA E SVILUPPO VITI 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 Profilo a 5 lobi

6 199 VITI AUTOFORMANTI PER IMPIEGHI IN MATERIALI NON FERROSI (LEGHE DI ALLUMINIO) Coppia di formatura 30 COPPIA MASSIMA (MEDIA VALORI RILEVATI) FORMATURA FILETTO IN LEGA DI ALLUMINIO Coppia [Nm] 15 5 Diametro medio filetto dado M8 6H: 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 S=2D pentalobata S=3D trilobata S=3D pentalobata In figura sono riportati i valori medi della coppia massima di formatura della filettatura nella piastra d'alluminio, al variare del diametro del foro, per viti trilobate e pentalobate. Parametro dell'analisi è lo spessore della piastra (S). Ricoprimento tra i filetti 0 VALORI DI RICOPRIMENTO TRA LE FILETTATURE Ricoprimento % Valore di ricoprimento con diametro di nocciolo del dado M8 al massimo della tolleranza 6H (6.912 mm) Diametro medio filetto dado M8 6H: mm 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 S=2D pentalobata S=3D trilobata S=3D pentalobata 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 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.

7 200 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.9). SPESSORE DELLA PIASTRA IN ALLUMINIO: 2D 94,6 79,1 92,6 88,08 90,5 969, % Rottura vite Controfiletto strappato Rottura vite 0% Rottura vite Controfiletto strappato Rottura vite TRILOBATA PENTALOBATA Foro Diam 7,3 mm L'esempio mostra il valore del diametro del foro oltre il quale iniziano le rotture a trazione per strappamento del Foro Diam 7,5 mm 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 5 COPPIA MASSIMA FORMATURA FILETTO IN ALLUMINIO GD-AI Si 8,5 Fe 3 Cu - SPESSORE 16 MM Coppia di serraggio indicativa: 38Nm (Classe.9) 30 Coppia di serraggio indicativa: 29 Nm (Classe 8.8) 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 filettatura nella piastra d'alluminio ed i valori di coppia durante il serraggio della giunzione.

8 201 VITI AUTOFORMANTI PER IMPIEGHI IN MATERIALI NON FERROSI (LEGHE DI ALLUMINIO) Incrudimento rilevato sulla filettatura formata VITI M8 AUTOFORMANTI. RIVESTIMENTO FINIGARD 5 INCRUDIMENTO MEDIO % RILEVATO SULLA FILETTATURA FORMATA. (DUREZZA MEDIA LEGA ALLUMINIO: 6 HV0,1 = 0%) 160 S = 1D S = 2D S = 3D 140 Incrudimento medio percentuale [%] 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 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.

9 202 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 0,0 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 0,500 0,450 0,400 0,350 0,300 0,250 0,200 0,150 0,0 0,050 0,000 DISPERSIONE DEL COEFFICIENTE D ATTRITO TOTALE µ ges F v (kn) concavo piano convesso x+3s x-3s Avg SOTTOTESTA: CONCAVO M A (Nm)

10 203 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. 0,400 ANDAMENTO DEL COEFFICIENTE D ATTRITO 0,350 0,300 0,250 µ ges 0,200 0,150 0,0 0,050 0,000 DACROMET 320+LUBR.30% Zn/Fe+LUBR.30% Zn/Ni+LUBR.30% MICROFOSFATZIONE+LUBR. DALTA-SEAL FOSFATAZIONE AL Mn DELT-TONE+LUBR.30% ZINCATURA GIALLA+LUBR.30% DACROMET 500 FINIGARD 5 FOSFATAZIONE ALLO Zn BRUNITURA DELTA-TONE DACROMET 320 ZINCATURA AZZURRINA ZINCATURA GIALLA 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. 0,500 DELTA-TONE 0,450 µ ges 0,400 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 0,9 0,5 0,3

11 204 CARATTERIZZAZIONE DEL COEFFICIENTE D ATTRITO IN GIUNTI BULLONATI 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. 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. 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) Fv[KN] M A [Nm] DACROMET 320+LUBR.30% 'DELTA-SEAL 'ZINCO/FERRO DACROMET 320+LUBR.5% ZINCO/NICHEL FOSFATAZIONE AL Mn DELTA-TONE+LUBR.30% MICROFOSFATAZIONE 'DACROMET 500 FOSFATAZIONE ALLO Zn 'ZINCATURA GIALLA+LUBR.30% DELTA-TONE+LUBR.5% BRUNITURA FINIGARD 5 DELTA-TONE 'DACROMET 320 ZINCATURA AZZURRINA ZINCATURA GIALLA+LUBR.5% ZINCATURA GIALLA

12 205 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 M A FISSATO (20Nm) F v ,05 2 0,2 0 0,35 0,05 0,15 0,25 0,35 µk 0,45 0,55 0,5 µg

13 206 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 M 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: 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.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 Mx1,25 bonificate e poi rullate; Viti Mx1,5 bonificate e poi rullate; Viti Mx1,5 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.

14 207 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 %. 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: Mx1,5 Bonificato e poi Rullato Mx1,5 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. 6 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 I risultati ottenuti portano alla definizione dei seguenti limiti di fatica per le tre classi in esame: A. Viti Mx1,25bonificate e poi rullate: σfaf = 500 [MPa] B. Viti Mx1,5 bonificate e poi rullate: σfaf = 506 [MPa] C. Viti Mx1,5 rullate e poi bonificate: σfaf = 164 [MPa]

15 208 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 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. MODALITÀ DI ROTTURA Mx1,5 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". Mx1,5 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. 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.

16 209 COMPORTAMENTO A FATICA DI BULLONERIA AD ALTA RESISTENZA Superficie di rottura della filettatura Mx1,5 bonificata e poi rullata Superficie di rottura della filettatura Mx1,5 rullata e poi bonificata

17 2 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 "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 263, le cui analisi sono riportate nella tabella seguente. ANALISI CHIMICA DEI PRODOTTI, % IN MASSA C Si Mn P S Cr Mo Cu B 30 Mn B 4 30 Mo B 1 31 Cr Mo B Cr 4 37 Cr Mo 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, 4 C e 425 C, che sono rispettivamente la temperatura prescritta dall attuale EN ISO 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 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].

18 211 INDAGINE SUL COMPORTAMENTO DEGLI ACCIAI DA BULLONERIA PER ALTI LIVELLI DI RESISTENZA 1580 CARICO UNITARIO DI ROTTURA Rm [MPa] C 30 Mn B 4 30 Mo B 1 31 Cr Mo B Cr 4 37 Cr Mo 4 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 4 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 rinvenimento 380 C o 4 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.

19 212 INDAGINE SUL COMPORTAMENTO DEGLI ACCIAI DA BULLONERIA PER ALTI LIVELLI DI RESISTENZA 1,00 CARICO UNITARIO DI SCOSTAMENTO DALLA PROPORZIONALITÀ / CARICO UNITARIO DI ROTTURA 0,99 0,98 0,97 0,96 R p0,2 / R m 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0, C 30 Mn B 4 30 Mo B 1 31 Cr Mo B Cr 4 37 Cr Mo 4 Carico unitario di scostamento dalla proporzionalità Questa caratteristica, rapportata al valore del carico unitario di rottura, evidenzia un livello di limite elastico maggiore negli acciai al boro che non in quelli legati.

20 213 INDAGINE SUL COMPORTAMENTO DEGLI ACCIAI DA BULLONERIA PER ALTI LIVELLI DI RESISTENZA 15 ALLUNGAMENTO DOPO ROTTURA A% C 30 Mn B 4 30 Mo B 1 31 Cr Mo B Cr 4 37 Cr Mo 4 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 temperature utilizzate per il rinvenimento di ogni singolo acciaio al livello della classe 12.9.

21 214 INDAGINE SUL COMPORTAMENTO DEGLI ACCIAI DA BULLONERIA PER ALTI LIVELLI DI RESISTENZA 66 STRIZIONE DOPO ROTTURA Z% C 30 Mn B 4 30 Mo B 1 31 Cr Mo B Cr 4 37 Cr Mo 4 Strizione dopo rottura Per quanto riguarda questa caratteristica si nota un netto divario tra gli acciai al boro (comportamento più duttile) e quelli legati.

22 215 INDAGINE SUL COMPORTAMENTO DEGLI ACCIAI DA BULLONERIA PER ALTI LIVELLI DI RESISTENZA 66 RESILIENZA KU [J] C 30 Mn B 4 30 Mo B 1 31 Cr Mo B Cr 4 37 Cr Mo 4 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 noto che lo stesso comportamento si ha a temperature inferiori allo zero.

23 216 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) Tipo di acciaio Temperatura di rinvenimento [ C] Rm [MPa] Rp0,2 [MPa] Rp0,2/Rm A% Z% KU [J] 30 Mn B 4 30 Mo B 1 31 Cr Mo B Cr 4 37 Cr Mo