Shot Peening

Lo shot peening è un trattamento estremamente efficace per incrementare la resistenza a fatica e per prolungare la durata dei componenti meccanici.

L’efficacia del trattamento è ampiamente dimostrata da studi condotti da strutture come NASA, Ford Motor Company, Centro Ricerche Fiat ed innumerevoli centri universitari in italia e nel mondo.

Lo shot peening è un processo tecnologico e raffinato che deve essere eseguito in condizioni rigorose e controllate. Considerazioni teoriche ed esperienza sul campo dimostrano che sono molti i fattori che influenzano il risultato dello shot peening. Ogni caso deve essere trattato e risolto in maniera specifica.

Come Funziona lo Shot Peening

Il Processo

Lo shot peening, altrimenti noto come “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. L’impatto dei pallini, provoca la deformazione plastica delle fibre superficiali del componente le quali tendono ad allungarsi mentre quelle interne tendono a riportarle nella posizione iniziale. Dall’equilibrio che ne risulta, si produce una tensione residua di compressione dello strato superficiale che incrementa la resistenza a fatica del particolare trattato.

La Fatica

28 Aprile 1988, atterraggio miracoloso, salvi 90 passeggeri e 4 membri dell’equipaggio. Unica vittima un’assistente di volo. L’atterraggio di un velivolo con una perdita di integrità strutturale tanto rilevante è stato e rimane un evento senza precedenti. Il bollettino ufficiale della United States National Transportation Safety Board ha concluso che l’incidente è stato causato da sollecitazioni di fatica meccanica dovuta alle ripetute compressioni e decompressioni della cabina. Si calcola che oltre il 90% delle rotture di componenti meccanici sia attribuibile a fenomeni di fatica con incidenti spesso catastrofici. La fatica è un meccanismo di accumulo e propagazione del danno di un componente meccanico soggetto a sforzi variabili nel tempo. Si tratta di un fenomeno estremamente complesso e non sempre di facile valutazione in fase di progettazione.

I benefici

Come regola di massima si può affermare che lo shot peening incrementa la resistenza a fatica da un minino del 10-15% fino a raggiungere, con opportuni trattamenti ottimizzati attraverso piani sperimentali, incrementi sorprendenti di oltre il 50% del limite di fatica. Le tensioni residue di compressione, unite ad opportuni livelli di distorsione reticolare, permettono di incrementare la resistenza a fatica meccanica dei componenti soggetti a carichi monoassiali o multiassiali anche nei casi di forti concentrazione di tensioni. Può essere impiegata con successo anche nella fatica da contatto come il pitting e il fretting. La micro-rugosità superficiale generata da opportuni trattamenti inoltre può aiutare a risolvere problemi legati a rumorosità o insufficiente lubrificazione.

Gli impianti

Gli impianti di shot peening devono essere totalmente automatici e sono una parte fondamentale del processo. Lo shot peening rientra nella categoria dei “processi speciali”. Di conseguenza l’unico modo di controllare 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. Gli impianti più moderni ed evoluti che garantiscono la migliore ripetibilità sono completamente robotizzati. Il sistema di proiezione della graniglia è controllato da computer che elaborano i segnali di feedback dei vari sensori per garantire le condizioni di sparo più accurate possibili.

Il principio e gli effetti

Quando il pallino impatta la superficie del componente si produce una micro-impronta con un piccolo bordo circostante. L’impronta, e il relativo bordo, sono il risultato di due eventi che accadono simultaneamente. Durante l’urto, il pallino plasticizza gli strati superficiali del materiale allungandoli virtualmente e comprime quelli sub-superficiali secondo la ben nota teoria di Hertz. 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 dallo shot peening sono le principali responsabili dell’incremento di resistenza a fatica delle parti pallinate.

La tecnologia

La storia tecnologica dello shot peening è relativamente recente e tuttora in evoluzione. Il processo è descritto da tre parametri fondamentali: Pallino, Intensità e 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 possono essere generatori di inneschi di rottura. L’intensità è una parametro che si misura attraverso la “curva di saturazione” ed è correlato all’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. Per ottenere le migliori prestazioni occorre quindi lavorare su due fronti, una vera e propria “progettazione” dello shot peening e un rigoroso controllo del processo.

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. La progettazione delle attrezzature è 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 shot peening. E’ un approccio multidisciplinare che coinvolge competenze metallurgiche, competenze di design per le condizioni di carico e ovviamente competenze specifiche del processo. 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 shot peening ottimizzato. 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.