Le basi del Vibration Stress Relief

Con la definizione di Vibration Stress Relief (VSR) si indicano tutti quei trattamenti meccanici che mirano alla riduzione degli stati tensionali di un materiale mediante l’applicazione ripetuta di cicli di sollecitazione meccanica. In questo articolo, di carattere soprattutto introduttivo, andremo ad illustrare quali sono i fondamenti fisici dell’efficacia dei trattamenti VSR, ed in che modo tali fondamenti debbano essere tenuti in considerazione nella messa a punto operativa del processo

di Francesco Chichi

Sviluppati come soluzione alternativa ai tradizionali trattamenti termici, la apparente semplicità dei trattamenti VSR li ha spesso portati ad essere applicati in modo improvvisato e senza la necessaria pianificazione, e gli insoddisfacenti risultati che ne sono conseguiti hanno finito per ridurre la percezione dei trattamenti VSR da soluzione alternativa ad alternativa povera dei trattamenti termici, con il conseguente instaurarsi di un circolo vizioso che li ha relegati sempre più a margine dei processi industriali.

In realtà i trattamenti VSR possono essere veramente una soluzione alternativa e in piena efficacia ai trattamenti termici tradizionali, ma perché la loro esecuzione sia efficace si impone una accurata messa a punto di tutti i parametri di processo: intensità della sollecitazione, frequenza di applicazione della stessa, modalità di vincolo del componente in funzione delle zone in cui si desidera ottenere il massimo effetto. Entro queste condizioni i trattamenti VSR sono in grado di ottenere risultati analoghi a quelli ottenibili mediante i tradizionali trattamenti termici, con in più il vantaggio di evitare alcuni dei deleteri effetti collaterali che spesso accompagnano i trattamenti termici di rilassamento (decadimento delle caratteristiche meccaniche, ingrossamento del grano, ecc).

Un po’ di storia

Fin dagli anni ’40 del secolo scorso era sperimentalmente noto come sottoporre preventivamente a forti vibrazioni componenti di grandi dimensioni contribuisse fortemente a diminuire le loro deformazioni durante le successive lavorazioni meccaniche, con le prime applicazioni industriali di questo effetto documentate nel decennio successivo.

Ma è solo a partire dagli anni ’70 che il fenomeno inizia ad essere analizzato ed approfondito, alla ricerca di una soluzione veramente alternativa ai trattamenti termici di distensione: in un contesto ancora sotto shock per la crisi petrolifera del 1974, la possibilità di ottenere il rilassamento delle tensioni residue in un componente senza dover bruciare tonnellate di combustibili nei forni da trattamento termico era una prospettiva indubbiamente allettante. E questo anche a fronte degli innumerevoli “vantaggi collaterali” che trattamenti VSR possono offrono rispetti ai tradizionali trattamenti termici: non viene richiesto il trasporto del componente ai forni (in quanto le ridotte dimensioni delle attrezzature permettono trattamenti “on site”), il tempo di esecuzione non supera il paio di ore, le superfici del componente non sono contaminate da depositi, le caratteristiche metallurgiche del materiale non vengono alterate, l’effetto del trattamento può essere concentrato nelle zone desiderate, e cosi via.

Ecco quindi che è proprio all’inizio degli anni ’80 che si concretizzano diverse ricerche che a tutt’oggi costituiscono le più esaustive basi per la comprensione dei trattamenti VSR, con le pubblicazioni di Dawson, Moffat, Weiss, Bush e Munsi.

Ma come anticipato nell’introduzione l’apparente semplicità esecutiva del trattamento ha portato troppo spesso ad esecuzioni approssimate prive di una reale efficacia (se non addirittura deleterie per la resistenza dei componenti, inutilmente sottoposti a cicli di sollecitazione in grado di diminuirne la vita utile a fatica), con il risultato che nel mondo occidentale si è progressivamente perso interesse per i trattamenti VSR, ridotti ad un “meglio di niente” quando considerazioni tecniche od economiche rendevano improponibili i tradizionali trattamenti tecnici.

Così non è stato nel caso delle economie ancora in fase di sviluppo, e negli anni ’90 e 2000 sono quindi state Cina, Iran e India a diventare i nuovi poli di sviluppo per i trattamenti VSR , fino ad arrivare al decennio appena concluso, nel quale il ricorso alle simulazioni FEM ha aperto nuove prospettive ai trattamenti VSR, permettendo di intervenire su quella che è la vera criticità dei trattamenti VSR, ossia l’ottimizzazione a priori del lay out di prova in funzione delle deformazioni che si vogliono indurre sul componente in trattamento, un elemento che sarà meglio apprezzato nel paragrafo seguente.

I principi dei trattamenti VSR

Come abbiamo detto, con il termine Vibration Stress Relief si intendono tutti quei trattamenti finalizzati ad una attenuazione delle tensioni residue presenti in un materiale mediante l’applicazione ripetuta di cicli di sollecitazione dinamica.

Perlomeno a livello industriale, questo viene ottenuto applicando sul componente da trattare una massa eccentrica motorizzata, in modo tale che lo sbilanciamento da questa generato instauri un regime oscillatorio sul componente, regime oscillatorio che risulta essere funzione:

a) Dalle caratteristiche geometriche del componente da trattare

b) Del posizionamento della massa di eccitazione

c) Della frequenza di oscillazione

d) Dell’energia cinetica fornita alla massa di eccitazione

e) Ai vincoli imposti al componente.

Il fine del regime oscillatorio che viene imposto deve essere quello di indurre deformazioni tali che, combinate con lo stato di tensione residua pre-esistente, portino il materiale a superare il proprio limite di deformazione plastica, instaurando una nuova condizione di equilibrio privo di tensioni.

Da questa breve disamina, è facile capire in che modo le simulazioni FEM abbiano contribuito ad facilitare l’ottimizzazione dei trattamenti VSR, permettendo di determinare preliminarmente (a meno delle inevitabili incertezze sperimentali) i modi di vibrazione e le relative frequenze in funzione dei vincoli, o cambiando il punto di vista, permettendo di predeterminare posizione della sorgente di eccitazione e dei vincoli affinchè la deformazione indotta dalla vibrazione si localizzasse proprio là dove è necessaria.

Figura 1 Modi di deformazione per trave a sbalzo incastrata all’estremità sinistra: la scala cromatica delle figure elaborate mediante software JASP indica l’entità dello spostamento

Perché questo è un altro elemento distintivo dei trattamenti VSR: cosi come i trattamenti termici possono agire in maniera (relativamente) omogenea ed isotropa su tutta la superficie del materiale e in modo isotropo, nel caso dei trattamenti VSR l’effetto risulta fortemente anisotropo e altrettanto fortemente differenziato nelle varie zone del componente. Consideriamo ad esempio il caso più semplice, ossia quello di una trave circolare di sezione piena: in figura 1 sono riportati i primi tre modi di deformazione propria nel caso in cui la trave in oggetto sia incastrata ad una estremità e libera all’altra: in questo caso la concentrazione delle sollecitazioni (o equivalentemente delle deformazioni superficiali) è come da figura 2.

Figura 2 Localizzazione dei picchi di sollecitazione in corrispondenza dei 3 modi di vibrazione considerati

Cambiando la condizione di vincolo e supponendo di vincolare la trave anche all’altra estremità, il quadro cambia completamente: i primi 3 modi di vibrazione diventano quelli riportati in figura 3, a cui corrisponde una localizzazione delle massime sollecitazioni come da figura 4. Anche da questo esempio “scolastico” è quindi evidente come al cambiare della frequenza di oscillazione della sollecitazione forzante e dei vincoli imposti al componente (vincoli che possono anche tradursi semplicemente in una sella di appoggio) la distribuzione delle deformazioni indotte sul componente cambia drasticamente: ovvio quindi che su componenti dalle geometrie più complesse rispetto ad una semplice trave piena circolare il contributo di una preliminare analisi FEM diventa fondamentale non soltanto per la determinazione delle frequenze di risonanza (eventualmente identificabili mediante sensori accelero metrici posizionati sul componente), ma soprattutto per l’identificazione dei sistemi di vincolo e di applicazione della sollecitazione in grado di concentrare la deformazione là dove viene richiesta.

Figura 3 I primi 3 modi di vibrazione propria per trave appoggiata ad entrambe le estremità: la scala cromatica delle figure elaborate mediante software JASP indica l’entità dello spostamento

Efficacia dei trattamenti VSR

Dopo questa rapida introduzione ai meccanismi che stanno alla base dei trattamenti VSR, non ci resta che affrontare quella che in definitiva è la vera domanda a cui dobbiamo rispondere: ma il VSR può veramente essere un trattamento efficace?

In questo caso, devo dire che la risposta può risuonare un po’ ambigua: indubbiamente i trattamenti VSR sono in grado di abbattere drasticamente gli stati tensionali residui di un materiale, ma è altrettanto indubbio che la grande maggioranza dei componenti trattati con VSR che mi sono trovato ad analizzare non ne avevano tratto alcun beneficio. Questo perché ogni trattamento VSR che non sia stato accuratamente progettato in termini di posizionamento dei vincoli, della sorgente di eccitazione e delle frequenze da indurre si riduce ad un inutile scuotimento del componente, con la realistica possibilità che l’unico effetto indotto sia quello di un danneggiamento a fatica.

A titolo esemplificativo di quelli che sono i benefici ottenibili mediante VSR si riportano i risultati di una serie di sperimentazioni condotte in collaborazione tra 2Effe Engineering SRL e Metra Spa, finalizzate a verificare l’efficacia del trattamento su estrusi da destinare al settore auto motive.

Figura 4 Localizzazione delle massime sollecitazioni/deformazioni su una trave incastrata ad entrambe le estremità, in corrispondenza dei primi 3 modi di deformazione propria

In figura 5 è rappresentata l’attrezzatura utilizzata con duplice scopo, prima per realizzare il trattamento VSR e successivamente per svolgere il test di vita utile a fatica, ovviamente con applicazione di carichi diversi.

Tale attrezzatura è in grado di effettuare una prova di flessione a 4 punti, con il carrello superiore movimentato mediante un sistema a camme in grado di applicare alla trave in prova uno spostamento variabile, il cui effetto tradotto in termini di deformazione viene rilevato mediante estensimetri (fig. 6), dal cui monitoraggio in tempo reale è sempre stato possibile verificare l’effetto indotto dal trattamento sul componente. Oggetto della prova sono state delle barre estruse in lega di alluminio 6063 T6 con caratteristiche geometriche come da fig. 7 e le caratteristiche meccaniche seguenti:

Limite di rottura Rm=215 MPa

Limite di snervamento = 170 MPa

Modulo di Young = 69.000 MPa

Figura 5 Attrezzatura per esecuzione di prova di vibrazione per flessione a 4 punti : l’azionamento a camma del carrello superiore permette di arrivare fino ad una frequenza di eccitazione di 50 Hz (Per gentile concessione di 2Effe Engineering SRL e Metra SPA)

Precedentemente al trattamento VSR, le tensioni residue presenti sul materiale sono risultate essere comprese tra 50 e 70 MPa in trazione, e si è pertanto proceduto con l’esecuzione di un ciclo VSR della durata di 15 minuti alla frequenza di 25 Hz inducendo una deformazione superficiale pari a 1800, corrispondenti ad un carico di 125 Mpa, e permettendo a tutta l’area critica di raggiungere il limite di snervamento e annullare lo stato tensionale pre-esistente.

Successivamente al trattamento VSR, le tensioni residue sulle barre sono risultate essere comprese tra +10 Mpa e -40 MPa, a conferma dell’effetto indotto dall’avvenuta plasticizzazione: nel grafico di fig 7 sono riportati:

a) I valori tipici delle tensioni residue prima del trattamento VSR

b) Lo stato tensionale indotto dal trattamento VSR in sovrapposizione con le tensioni residue pre-esistenti

c) Le tensioni residue presenti sui componenti dopo il trattamento VSR.

Figura 6 Dettaglio della applicazione degli estensimetri per il controllo della deformazione (Per gentile concessione di 2Effe Engineering SRL e Metra SPA)

Successivamente all’esecuzione dei trattamento VSR sono state messe in prova di fatica con carico dinamico 115 MPa (sempre misurato tramite estensimetri posizionati nell’area utile), facendo registrare (fig. 9).

Vita utile media campioni non sottoposti a VSR = 85.000 cicli

Vita utile media campioni sottoposti a VSR = 175.000 cicli

Conclusioni

Basati sul principio di indurre sui componenti trattati deformazioni plastiche in grado di annullare localmente picchi pre-esistenti di tensioni residue, i trattamenti VSR (vibration stress relief) possono veramente essere una reale alternativa ai tradizionali trattamenti termici, rispetto ai quali offrono tempistiche esecutive estremamente ridotte, possibilità di svincolarsi da impianti e attrezzature, assenza di alterazioni metallurgiche sul materiale e cosi via. Purtroppo, decenni di cattive esecuzioni hanno minato in parte la fiducia nei trattamenti VSR, che spesso vengono utilizzati con un approccio del tipo “…meglio di niente…”: in realtà la potenziale efficacia dei trattamenti VSR non è inferiore a quella dei trattamenti termici, purchè non ci si limiti ad applicare sul componente un sistema vibrante, predisporre a caso vincoli e supporti ed aspettare un ora pensando ad altro. La corretta esecuzione di un trattamento VSR presuppone un accurato studio modale del componente da trattare e dei relativi vincoli, onde garantire che il modo di vibrare dell’intero sistema concentri le deformazioni proprio nelle aree di interesse, e con un contenuto energetico per arrivare alla deformazione plastica delle zone interessate: il tutto poi completato da un monitoraggio con estensimetri, giusto per essere sicuri che la pratica segua la teoria. Sotto queste condizioni è possibile arrivare al quasi completo annullamento delle tensioni residue, con tutti i conseguenti benefici in termini di vita utile a fatica: nel corso di diverse applicazioni industriali verificate nel corso degli ultimi anni molto spesso i componenti trattati mediante VSR hanno mostrato vita utile a fatica quasi doppia rispetto ad analoghi componenti non trattati.

Figura 7 Caratteristiche geometriche della sezione della barra estrusa utilizzata per le prove
Figura 9 Effetto del trattamento VSR sulla vita utile a fatica delle barre estruse in alluminio 6063- T6 considerate (Per gentile concessione di 2Effe Engineering SRL e Metra SPA)
Figura 8 Stato
di sollecitazione presente sui componenti prima, durante e dopo
il trattamento
VSR (Per gentile concessione di 2Effe Engineering SRL e Metra SPA)

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