Stato di tensione residua di rullatura su elementi per prove di fatica da fretting con collegamento forzato albero mozzo

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1 Stato di tensione residua di rullatura su elementi per prove di fatica da fretting con collegamento forzato albero mozzo Autori: Prof. M. Beghini, Ing. B.D. Monelli, Ing. C. Santus Università di Pisa 1/24

2 Progetto MiUR: Prin 2009 Unità coinvolte nel progetto: Univ. di Padova Univ. di Ferrara Obiettivo del progetto (generale): Comportamento statico e a fatica oligociclica di componenti strutturali intagliati interessati da snervamento localizzato e diffuso Univ. di Parma Univ. di Trento Univ. di Pisa Unità di Pisa: Studio sperimentale e modellazione della concentrazione di tensioni all'estremità della zona di contatto nel collegamento forzato alberomozzo sottoposto a sollecitazione flessionale. Esame degli effetti prodotti sulla resistenza a fatica da un campo di tensioni residue di compressione indotto da un trattamento superficiale di rullatura con deformazione plastica profonda. 2/24

3 Connessione forzata albero-mozzo Dado di registro Controdado Estensimetro per forzamento diametrale Tornitura interna, dopo cementazione, con utensile speciale, R = 0.2μm Tornitura, R = 0.2μm a Locale raggio di raccordo r = 2 mm flat and rounded fretting contact Fessura innescata da fretting a Porzione conica dell albero Estensimetro flessione Provino 7075-T6 F Mozzo vincolato (acciaio da cementazione) F R = 1 t Albero: 7075-T6 Mozzo: acciaio da cementazione 3/24

4 Attrezzatura di prova, assemblaggio 4/24

5 Esecuzione della prova Incremento resistenza: tensioni residue di compressione. Rullatura. 5/24

6 Rullatura, utensile: D90-L25-X Rullatura su elementi cilindrici 6/24

7 Rullatura, utensile: D90-L25-X r R = 0.78 α 1.5 7/24

8 Carico di rullatura Condizionatore e visualizzatore forza verticale Cella di carico, max 10 kn Superficie di supporto per macchina utensile Elemento rullatore Guida interna liscia (lubrificata) 8/24

9 Cilindretti campione p Passo di rullatura 20mm 20mm 30mm Parametri di rullatura: - passo di rullatura (feed) - carico di rullatura F V p 9/24

10 Processo di rullatura centro di lavoro CNC 10/24

11 Processo di rullatura 11/24

12 Rilievo superficie rullata dei cilindretti campione 12/24

13 Rilievo superficie rullata dei cilindretti campione Tornitura precedente R = 0.65μm a με Pile up Fronte di rullatura (lato raccordo) με Superficie rullata (a specchio) R = 0.17μm a με με Coda di rullatura (lato cono) με με 13/24

14 Tensioni residue, metodo del foro (feed dir.) x Profondità misura: 1.3 mm y (rolling dir.) Passo di misura: 0.01 mm Passo di calcolo: 0.1 mm (risoluzione distr. tens. residua output) 14/24

15 Dipendenza dai parametri di rullatura Tensioni principali Residual Stress, MPa σ x σ y τ xy (feed dir.) x Depth, mm y (rolling dir.) 15/24

16 Dipendenza dai parametri di rullatura Confronto a parità di passo di avanzamento 100 p = 0.2 mm, different values F V 0 Residual Stress, MPa σ x σ y F V = 50 N F V = 150 N F V = 450 N (feed dir.) x F V = 900 N Depth, mm y (rolling dir.) 16/24

17 Dipendenza dai parametri di rullatura Confronto a parità di carico verticale di rullatura (1) 100 F V = 150 N, p = 0.1 / 0.2 mm Residual Stress, MPa σ x σ y -400 p = 0.2 mm p = 0.1 mm Depth, mm (feed dir.) x y (rolling dir.) 17/24

18 Dipendenza dai parametri di rullatura Confronto a parità di carico verticale di rullatura (2) 100 F V = 450 N, p = 0.1 / 0.2 mm Residual Stress, MPa σ x σ y -400 p = 0.2 mm p = 0.1 mm Depth, mm (feed dir.) x y (rolling dir.) 18/24

19 Modellazione EF (2D) α r R pl ε eq 19/24

20 Modellazione EF Media fra 4'path' equidistanziatiin 1 passo p σ x 20/24

21 Modellazione EF FEM 4μm Scansione profilo 4μm /24

22 Confronto tensione residua EF vs. sperimentale Residual Stress, MPa σ x (Exp.) σ y (Exp.) σ x (FEM) σ y (FEM) F V = 450 N p = 0.2 mm Depth, mm 22/24

23 Confronto tensione residua EF vs. sperimentale Residual Stress, MPa σ x (Exp.) σ y (Exp.) σ x (FEM) σ y (FEM) F V = 450 N p = 0.1 mm Depth, mm 23/24

24 Conclusioni Attrezzatura per prove di fatica da fretting, connessione Albero-Mozzo forzata. Trattamento di rullatura per indurre uno stato di tensione residua di compressione. Parametri di rullatura: Forza verticale (misurata), passo di rullatura. Caratterizzazione su cilindretti campione, misura tensione residua mediante il metodo del foro. Forte dipendenza della profondità di compressione dalla forza verticale. Limitata dipendenza dal passo di rullatura per elevata forza verticale. Massima tensione residua sub-superficiale, elevata forza verticale. Confronto EF, elevato gradiente in superficie. 24/24