Resistenza alla flessione al piede dente di ingranaggi pallinati realizzati con acciai ad elevata purezza anche per fatica ad altissimo numero di cicli (VHCF).
Le normative come AGMA 2001-D04 [1] o ISO 6336 [2] per il calcolo delle capacità di carico dei riduttori propongono metodi intenzionalmente conservativi, così da garantirne la possibilità di un largo utilizzo nella pratica industriale. Tuttavia, le nuove applicazioni e i requisiti sempre più stringenti spesso richiedono calcoli più dettagliati: lunghe durate (nei riduttori per l’eolico) o un minor numero di stadi e velocità più elevate (nella mobilità elettrica) comportano cicli di carico più gravosi per i denti. Una capacità di carico maggiorata nel campo della fatica ad alto numero di cicli (VHCF) sta quindi acquisendo sempre maggiore importanza.
Un approccio per aumentare la resistenza a flessione al piede dente è rappresentato dalla pallinatura del raccordo. Ciò comporta maggiori tensioni residue (di compressione) nell’area prossima al piede dente che può portare a una maggiore resistenza dello stesso. Tuttavia, lo svantaggio di questa pratica sta nel fatto che nel campo VHCF, la nucleazione della cricca avviene sotto la superficie in corrispondenza di un’inclusione non metallica. Di conseguenza, l’ipotesi alla base di questo studio è che una maggiore purezza e una dimensione media minore delle inclusioni non metalliche nel materiale, porti ad una maggiore capacità di carico per ingranaggi cementati e pallinati. Questa ipotesi di lavoro viene verificata nel quadro del presente lavoro.
Breve panoramica sullo stato dell’arte
Con il processo di pallinatura del raccordo a piede dente è possibile ottenere capacità di carico più elevate. Tuttavia, può verificarsi un cambiamento nel fenomeno di nucleazione e propagazione della cricca, soprattutto nel campo VHCF. La cricca può nucleare in corrispondenza di un’inclusione non metallica e portare a una cosiddetta rottura a occhio di pesce.
Rottura a occhio di pesce – nucleazione della cricca sotto la superficie in corrispondenza di inclusioni non metalliche
Gli ingranaggi cementati e pallinati possono cedere a causa dell’innesco di una cricca sub-superficiale in corrispondenza di un’inclusione non metallica. Questo cedimento, detto ad occhio di pesce, inizia, nel caso di acciai legati contenenti MnCr o CrNiMo (ad esempio, 20MnCr5 o 18CrNiMo7-6), in corrispondenza di due tipi principali di inclusioni: solfuri di manganese oblunghi in acciai legati contenenti MnCr e ossidi di alluminio sferici o oblunghi negli acciai legati contenenti CrNiMo (Figura 1).
Caratteristiche della capacità di carico per VHCF
Negli studi basati su test di flessione rotante a temperatura ambiente condotti da Nishijima & Kanazawa [3] si è osservata una curva S-N caratterizzata da due fasi distinte. Nella zona caratterizzata da una vita a termine, l’innesco della cricca avviene sempre in superficie. Per un numero maggiore di cicli, tuttavia, il meccanismo di innesco della cricca cambia, il che si manifesta con uno scalino e un limite di fatica secondario. La cricca nuclea all’interno del materiale in corrispondenza di un’inclusione non metallica. I cedimenti sotto la superficie in campioni standard pallinati sono documentati anche per un numero di cicli di carico compreso tra 107 e 109 (studi di Toyoda et al. [4], Bathias et al. [5], Nakajima et al. [6], Thumser et al. [7], Sun et al. [8], Tridello et al. ([9-11]), Sandaiji e Tamura [12] e Nambu ed Egami [13]). Studi fino a 1010 cicli sono stati condotti da Wang et al. [14] e Tallericco & Cameron [15]. Sono stati documentati cedimenti a fatica nell’intervallo VHCF anche per acciai per cuscinetti [16], campioni nitro-cementati [17], ghisa duttile austemperata (ADI) [18], acciai a doppia fase [19] e giunti saldati [20]. Murakami et al. [21][22], Mughrabi [23][24] e Bathias [25][17] non specificano un secondo limite di fatica nell’intervallo VHCF. Si prevede però un calo costante delle prestazioni nell’intervallo 109-1010 cicli di carico.
Nel caso degli ingranaggi pallinati, gli studi di Stenico [27] (basato su [28]) e Bretl [26] (basato su [29]) riportano caratteristiche simili a quelle documentate per i campioni standard. I risultati dei test di Bretl [26] mostrano cedimenti dovuti all’innesco di cricche sub-superficiali in corrispondenza di inclusioni non metalliche fino a 108 cicli (Figura 2).
Bretl [26] (i cui risultati sperimentali sono stati pubblicati a livello internazionale in [30]) ha mostrato come si possa avere un secondo ginocchio nella curva S-N per ingranaggi cementati e pallinati, con una diminuzione delle prestazioni fino a 108 cicli. Bretl afferma come il limite di fatica superficiale sia influenzato soprattutto dallo stato di tensione residua mentre la pendenza della curva S-N in campo VHCF sia influenzata principalmente dal grado di purezza del materiale. Tuttavia, in [26] è stato condotto solo un numero limitato di indagini STBF (Single Tooth Bending Fatigue) su ingranaggi pallinati fino a 107 o 108 cicli.
Schurer [31] ha pubblicato un lavoro basato sui risultati di Bretl [26] in cui sono state eseguite indagini sperimentali sia STBF, sia su banco prova back-to-back FZG per lo studio dei cedimenti fisheye (a occhio di pesce) in ingranaggi cementati e pallinati. Gli ingranaggi sono stati realizzati in acciaio con diversi gradi di purezza. Il numero limite di cicli di carico (runout) è stato fissato a 15∙106 (per alcuni punti di prova 50∙106) nelle prove con pulsatore e a 30∙106 (o 50∙106) nelle prove back-to-back. Nelle prove sperimentali, anche fino a 50-106 cicli di carico, si sono verificati cedimenti al piede dovuti all’innesco di cricche sub-superficiali nucleate sempre in corrispondenza di un’inclusione non metallica. Ciò ha portato a una diminuzione della capacità di carico a flessione nel campo VHCF. Inoltre, è stato confermato come il grado di purezza abbia un’influenza non trascurabile sui cedimenti. Tuttavia, a causa del numero limitato di punti di prova, non è stato possibile distinguere in modo sufficientemente chiaro tra le varianti. In particolare, non è stato possibile effettuare una classificazione basata sul grado di purezza.
In Figura 3 sono riportati i risultati dei test relativi alle tre varianti (S4, S6 e S8) condotti sul banco prova STBF. I risultati dei test di Schurer [31] sul banco prova back-to-back FZG sono riportati direttamente nei diagrammi S-N più avanti nella pubblicazione.
