Shot Peening

Cos’è lo SHOT PEENING

 

Studi condotti da strutture competenti come NASA, Ford Motor Company, Centro Ricerche Fiat, innumerevoli centri universitari italiani e mondiali dimostrano che la pallinatura controllata è un trattamento estremamente efficace per incrementare la resistenza a fatica e per prolungare la durata in esercizio di moltissimi particolari meccanici. La pallinatura controllata può essere impiegata su tutti i componenti meccanici nella stragrande maggioranza dei fenomeni di fatica, in particolare, su ruote dentate, molle, bielle, alberi, assali, e anche in organi meccanici in cui siano presenti saldature. Considerazioni teoriche ed esperienza sul campo dimostrano che sono molti i fattori che influenzano il buon esito della pallinatura controllata. Ogni caso deve essere trattato e risolto in maniera specifica. La pallinatura controllata è un processo raffinato che deve essere eseguito nelle condizioni più rigorose e controllate possibili.

 

Il processo

 

La pallinatura controllata è un processo di lavorazione meccanica a freddo che consiste nel “bombardare” la superficie di un particolare metallico con un getto opportunamente controllato di microsfere proiettate ad alta velocità. Per i trattamenti più convenzionali le velocità di proiezione dei pallini sono in genere comprese tra 20 m/s e 100 m/s. L’impatto dei pallini, provoca la deformazione plastica delle fibre superficiali del componente. In genere gli effetti si estendono fino ad alcuni decimi di millimetro di profondità. Le fibre esterne, plasticizzate, tendono ad allungarsi mentre quelle interne tendono a riportarle nella posizione iniziale. Dall’equilibrio che ne risulta, si produce una compressione residua dello strato superficiale che incrementa la resistenza a fatica del particolare trattato.

 

La fatica

 

La fatica è il fenomeno responsabile della stragrande maggioranza dei cedimenti in esercizio di organi di macchine. Si calcola che oltre il 90% delle rotture di componenti meccanici sia attribuibile a fenomeni di fatica ed è spesso causa dei grandi incidenti che coinvolgono veicoli, treni, aerei, ecc.

La fatica è un meccanismo di accumulo e propagazione del danno di un componente meccanico soggetto a sforzi variabili nel tempo, siano essi variabili in maniera ciclica e regolare oppure del tutto casuale. Nonostante i carichi applicati possano essere sensibilmente inferiori a quello di rottura o di snervamento statico del materiale stesso, sulla superficie del componente, in corrispondenza dei punti di maggiore sforzo, si generano delle micro-cricche che, sotto lo stimolo delle sollecitazioni di fatica, procedono fino al cedimento totale del componente. Si tratta di un fenomeno estremamente complesso che, ad oggi, non è possibile descrivere in un’unica formulazione e non è sempre di facile valutazione in fase di progettazione. La fatica si manifesta con una rottura di schianto, improvvisa, e quindi particolarmente insidiosa.

 

I benefici

Come regola di massima si può affermare che la pallinatura incrementa la resistenza da un minino del 15-20% fino al 70-80% ed oltre, con opportuni trattamenti ottimizzati attraverso specifici piani sperimentali. Attraverso opportune tensioni residue di compressione, la pallinatura controllata può essere impiegata per incrementare la resistenza in tutti i casi di fatica per flessione, torsione o trazione-compressione di parti anche con forti coefficienti di concentrazione di tensioni. Può essere impiegata con successo anche nei casi di fatica da contatto come il pitting, il fretting e il TIFF: tooth internal fatigue fracture. Le tensioni residue di compressione e opportuni livelli di distorsione reticolare inoltre sono efficaci anche per incrementare la resistenza allo stress corrosion cracking. La micro-rugosità superficiale generata da opportuni trattamenti inoltre può risolvere problemi di lubrificazione e rumorosità nelle ruote dentate.

 

Il principio e gli effetti

 

Quando il pallino impatta la superficie del componente si produce una micro-impronta, una fossetta con un piccolo bordo circostante. L’impronta è il risultato di due eventi che accadono simultaneamente. Durante l’urto il pallino (sfera) esercita una pressione Hertziana sugli strati sub-superficiali del componente. Come ben noto, secondo la teoria di Hertz, il massimo delle tensioni esercitate durante il contatto avviene ad una profondità che dipende dalle geometrie in gioco, principalmente dal diametro del pallino, e dal carico applicato cioè dalla velocità di impatto del pallino stesso. Le tensioni residue derivanti dall’effetto Hertziano, analogamente, producono un contributo con il massimo ad una profondità che dipende dal diametro del pallino e dalla velocità di impatto dello stesso. Durante l’urto, inoltre, avviene anche uno scorrimento plastico, responsabile della generazione del bordo dell’impronta, che produce un allungamento virtuale delle fibre superficiali. Le tensioni residue derivanti dall’allungamento degli strati superficiali producono un contributo con il massimo sulla superficie del componente. La sovrapposizione dei due contributi produce un profilo di tensioni residue con un elevato valore di compressione superficiale ed un eventuale picco sub-superficiale che dipendono dalle condizioni di trattamento. Le tensioni residue di compressione generate dalla pallinatura sono le principali responsabili dell’incremento di resistenza a fatica delle parti pallinate.

 

La tecnologia

 

La storia tecnologica della pallinatura controllata è relativamente recente e tuttora in evoluzione.

Il processo è caratterizzato da una grande quantità di parametri operativi che, attraverso un consistente lavoro di standardizzazione, sono stati concentrati e riassunti in parametri fondamentali indipendenti dagli impianti operativi.

 

 

 

 

Il processo è rappresentato da tre parametri fondamentali:

  • Pallino
  • Intensità
  • Copertura
  •  

    Il pallino è “l’utensile” attraverso il quale si introducono le tensioni residue di compressione. La sua forma deve essere rigorosamente rotonda. Pallini dalle forme angolose sono estremamente pericolosi, possono generare micro-intagli superficiali con effetti negativi sulle prestazioni di fatica del componente. L’intensità è una parametro che si misura attraverso la “curva di saturazione” e rappresenta l’energia cinetica media del fascio di pallini.

    La copertura è espressa come rapporto percentuale tra la somma delle aree delle impronte dei pallini e l’area della superficie da trattare. I tre parametri fondamentali sono sia parametri di controllo sia parametri di progetto. Il controllo dei parametri fondamentali garantisce la perfetta riproducibilità e ripetibilità del processo. La corretta scelta dei valori dei parametri garantisce l’ottenimento delle prestazioni ottimali dei componenti. Per ottenere le migliori prestazioni occorre quindi lavorare su due fronti, una vera e propria “progettazione” della pallinatura controllata e un rigoroso controllo del processo.

     

Gli impianti

 

Gli impianti di pallinatura sono totalmente automatici e sono una parte fondamentale del processo. La pallinatura rientra nella categoria dei “processi speciali” non verificabili a posteriori. Di conseguenza l’unico modo di tenere sotto controllo il processo è assicurarsi che i parametri operativi di set-up vengano tenuti costantemente entro strette tolleranze durante l’intera durata del trattamento. Gli impianti con tecnologia ad aria compressa sono universalmente ritenuti della migliore qualità possibile. Per quanto possano essere strutturati in modi diversi, devono essere caratterizzati da elementi tecnologici fondamentali

  • cabina
  • movimentatore
  • elevatore – collettore
  • ciclone separatore
  • gruppo classificatore
  • sistema di proiezione
  • controller

 

La cabina è costituita essenzialmente da una carpenteria metallica di varie dimensioni in relazione all’ impiego della macchina. All’ interno sono alloggiati i gruppi di movimentazione del pezzo o delle lance porta-pistole. Il movimentatore, in relazione alle diverse tipologie delle parti da lavorare può essere costituito da uno o più elementi e deve assicurare il moto reciproco tra parte in lavorazione e ugelli o lancie. Negli impianti più evoluti si possono avere robot di movimentazione degli ugelli e tavole posizionatrici dei componenti. L’ elevatore e il collettore permettono il trasporto dei pallini e delle polveri di lavorazione al ciclone separatore che separa la polvere dai pallini in modo centrifugo in relazione ai diversi pesi specifici. I gruppo classificatore è costituito da un opportuno pacco di setacci vibranti che assicurano che i pallini in circolo siano mantenuti entro i range dimensionali e di forma desiderati. Il sistema di proiezione della graniglia è costituito da serbatoi pressurizzati in grado di alimentare fino a quattro lance porta-ugelli. Deve essere dotato di valvole di regolazione della pressione dell’aria e della portata dei pallini. Il controller può essere un PLC o un vero e proprio computer. In ogni caso deve garantire la corretta gestione di tutti i parametri operativi e li deve mantenere entro i range previsti durante tutta la durata della lavorazione.

 

Know – how e mascherature

 

Per trarre i maggiori benefici dal trattamento, occorre porre la massima attenzione in tutte le fasi del processo ed è necessario definire con molta attenzione le zone del componente che devono essere trattate. Molto spesso le superfici degli organi meccanici hanno finiture superficiali molto spinte. E’ quindi molto importante tenere in considerazione le variazioni di rugosità che il trattamento può generare; quindi valutare approfonditamente i parametri di processo, eventualmente adeguarli secondo le specifiche esigenze, ed infine identificare le aree in cui eseguire il trattamento e quelle che, per necessità funzionali, devono essere protette. Nonostante l’apparente semplicità, le attrezzature di presa e di protezione dei componenti sono di fondamentale importanza per la corretta riuscita del trattamento. Devono permettere l’accesso alle zone da trattare, assicurare la corretta protezione durante il trattamento e, soprattutto, non devono rovinare le superfici protette nel momento della loro rimozione dalla parte. Per realizzare le attrezzature si utilizzano materiali particolari e occorrono competenze e capacità specifiche, un vero e proprio “mestiere nel mestiere”.

 

 

La progettazione

 

La conoscenza del processo e l’esperienza dei casi affrontati sono i requisiti fondamentali per una progettazione ottimale del trattamento di pallinatura. La progettazione è un processo multidisciplinare che coinvolge competenze metallurgiche relative al materiale da trattare, competenze di design per la definizione delle condizioni di fatica e dei relativi volumi critici ed infine ovviamente le competenze specifiche relative alla tecnologia del trattamento. Ad oggi non esistono ancora metodi analitici in grado di prevedere con precisione la prestazione di un componente, noti i parametri di trattamento. Dalle dimensioni, dalla geometria, dal materiale, dai carichi esterni a cui il componente è soggetto, attraverso una opportuna analisi dei vincoli progettuali e tecnologici si definiscono le caratteristiche principali di un trattamento di pallinatura ottimizzato allo specifico caso. Nonostante le simulazioni numeriche siano sempre più raffinate, la ricerca sperimentale, la misura delle tensioni residue e la capacità di analisi rimangono a tutt’oggi elementi fondamentali di una progettazione di alto livello.