VERIFICA SPERIMENTALE DEGLI STATI TENSIONALI CON METODO HOLE DRILLING SU DI UN COMPONENTE FUSO

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1 XXXI Congresso Nazionale Fonderie Vicenza ottobre 2012 VERIFICA SPERIMENTALE DEGLI STATI TENSIONALI CON METODO HOLE DRILLING SU DI UN COMPONENTE FUSO G. Caironi* A. Caironi ^- B. Manzetti G. Silva* E. Tecchiati* (*) Politecnico di Milano (^) F.I.A.S. Srl ( ) Pentair Valves & Controls Srl

2 Materiale 2 Otturatore valvola di tipo gate ottenuto per fusione. Particolare con geometria non complessa e spessore uniforme che mostra se lavorato allo stato as cast variazioni dimensionali durante la lavorazione alle macchine utensili e criccature in fase di riporti superficiali di stellite. Materiale: acciaio al carbonio ASTM A216 WCB Dimensioni approssimative: 230 x 300 mm Spessore min 90mm Spessore max 130 mm

3 Posizioni di Indagine 3 L insorgenza di deformazione durante rimozione di materiale alle MU o criccatura a seguito di riporti suggerisce la presenza di rilevante stato tensionale residuo nel getto. Si è quindi deciso di indagare il valore delle tensioni del campione nella condizione as cast. Sono state individuate 3 posizioni caratteristiche interessanti da indagare, in corrispondenza di zone critiche nella lavorazione.

4 Sforzi residui 4 Sforzi residui: tensioni interno del pezzo senza che questo sia sottoposto a forze esterne. In generate possono essere indotte da: deformazioni plastiche (pallinatura, imbutitura, trafilatura,..); gradienti termici / trasformazioni di fase (trattamenti termici, solidificazione dopo fusione, saldatura, riporti superficiali, ecc.). Le tensioni residue si sommano agli sforzi a cui il materiale è soggetto in esercizio, influenzando quindi: resistenza a fatica; resistenza strutturale; stabilità dimensionale.

5 Metodologie di rilevazione 5 Le principali metodologie per la rilevazione delle tensioni residue sono: difrattrometria dei raggi X; hole drilling. si rilevano deformazioni; valori locali; poco invasiva, facilmente ripristinabile; apparecchiatura portatile e compatta. legge di Bragg analisi molto locale; in superficie; non distruttiva; sono disponibili apparecchiature portatili solo dagli ultimi anni.

6 Hole Drilling 6 Il metodo hole drilling prevede la realizzazione un piccolo foro nel materiale con il rilevievo, mediante una rosetta estensimetrica a 3 griglie, delle deformazioni che derivano dal riassesto delle tensioni interne. Φ 1.8 mm 2 mm Le tre griglie dell estensimetro permettono di orientare gli sforzi residui nel piano.

7 Hole Drilling 7 Il foro viene realizzato mediante una turbina ad aria compressa dotata di alta velocità, rpm; velocità di avanzamento molto bassa, 0.2 mm/min; frese a cono rovesciato in carburo di tungsteno rivestite o frese diamantate; il foro viene eseguito mediante una serie di steps; al termine di ogni step di affondamento, la fresa gira a vuoto per eliminare i debries e raffreddare; la rilevazione delle deformazioni avviene a fresa ferma. Non vengono indotti stati tensionali aggiuntivi. Stabilità della temperatura durante la misura. Si rilevano solo le deformazioni effettivamente rilasciate in seguito alla asportazione.

8 Metodologia di prova 8 La procedura di prova del metodo hole drill si compone di: preparazione della superficie ed incollaggio della griglia estensimetrica opportunamente allineata; allineamento dell asse di foratura con il centro dell estensimetro; azzeramento della fresa sulla superficie; foratura del primo step; rilevazione della deformazione rilasciata; ripetizione fino al raggiungimento della profondità di indagine; misura del diametro finale del foro e della relativa eccentricità; a partire dai valori di deformazione, si calcolano i valori di sforzo residuo.

9 Normativa di riferimento 9 Normativa di rifermento: ASTM E Standard Test Method for Determining Residual Stresses by the Hole- Drilling Strain-Gage Method La normativa definisce: geometria e dimensione delle rosette estensimetriche; dimensione e profondità del foro; numero di steps di foratura; metodologia per determinare i valori di sforzo a partire dalle deformazioni rilevate. In funzione dello spessore del campione da analizzare le prove si dividono in: CAMPIONI SOTTILI: spessore < 0.4 D GAGE (2 mm*) UNIFORM STRESSES CAMPIONI INTERMEDI: 0.4 D GAGE < spessore < 1.2 D GAGE CAMPIONI SPESSI: spessore > 1.2 D GAGE (6.1 mm*) * estensimetro utilizzato aveva diametro 5.1 mm UNIFORM STRESSES NOT UNIFORM STRESSES

10 ASTM E UNIFORM STRESSES 10 profondità foro: 2 mm. 8 steps di foratura di 0.05 D GAGE (standard 0.25 mm). analisi valida fino a 2 mm. UNIFORMITY TEST Le deformazioni rilevate devono rispecchiare le curve in figura a meno del ±3% se verificata UNIFORM STRESS Gli sforzi sono considerati uniformi nella profondità di indagine

11 ASTM E NOT UNIFORM STRESSES 11 se uniformity test non è verificato NOT UNIFORM STRESSES profondità foro: 2 mm. analisi valida fino ad 1 mm. steps di foratura di D GAGE (0.05 mm, 40 steps). NOT UNIFORM STRESSES Gli sforzi variano nella profondità di indagine

12 stress [MPa] angle [ ] Posizione 1 12 Estensimetro a metà spessore del getto: in zona soggetta a lavorazione per fresatura per realizzare una cava anulare. Si riscontrano variazioni dimensionali durante la lavorazione. Orientamento rosetta estensimetrica Sforzi residui rilevati ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0, β σ MAX σmax 1 σmin 1 angolo ripetto long depth [mm]

13 stress [MPa] angle [ ] Posizione 2 13 Estensimetro in zona prossima alla variazione dimensionale. 100 Sforzi residui rilevati. 180 β σ MAX 20 Orientamento rosetta estensimetrica ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 2 σmax 2 σmin 2 angolo ripetto tang depth [mm]

14 stress [MPa] angle [ ] Posizione 3 14 Estensimetro posto sulla corona, in prossimità della variazione dimensionale e vicino allo spigolo. σ MAX β angolo 0 Sforzi residui rilevati. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0, Orientamento rosetta estensimetrica σmin 3 angolo ripetto tang 90 3 σmax depth [mm]

15 stress [MPa] Confronto 15 Al fine di confrontare in maniera semplice gli stati tensionali rilevati nelle 3 posizioni sono stati calcolati gli sforzi equivalenti di Von Mises ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 depth [mm] 1 σvonmises 2 σvonmises 3 σvonmises

16 Conclusioni 16 La rilevazione dello stato tensionale residuo ha messo in luce: in posizione 1: stato tensionale principalmente di compressione; ciò è coerente con le macro deformazioni rilevate in fase di lavorazione alle MU. in posizione 2: tensioni di trazione crescenti nello spessore; posizione 3: uno sforzo residuo molto elevato fino a 0,3 mm (vicinanza allo spigolo); permane poi uno stato di compressione fino ad 1mm di profondità. La metodologia del hole drill test ha permesso di rilevare lo stato tensionale residuo fino alla profondità di 1 mm dalla superficie. Si è trovata giustificazione alle distorsioni riscontrate nella lavorazione alle M.U. e alle criccature insorte nell otturatore a seguito del riporto di stellite; questi fatti hanno reso necessario e giustificato un preliminare trattamento di normalizzazione del pezzo. Le tensioni rilevate non mostrano intensità elevata, ma il loro orientamento è coerente con le anomalie rilevate durante la lavorazione. La metodologia di valutazione mediante hole drilling è risultata applicabile anche a componenti fusi in condizione as cast, risentendo in maniera inferiore rispetto alla difrattometria della struttura dendritica e delle difettosità microstrutturali.