Resistenza alla flessione di ingranaggi di grandi dimensioni temprati a induzione

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L’articolo studia l’influenza della tempra a induzione sulla resistenza alla flessione al piede del dente di ingranaggi di dimensioni maggiorate. I test sperimentali sono stati condotti utilizzando un banco prova elettromeccanico e tutte le varianti sono state caratterizzate mediante analisi metallografica e misura dei profili di durezza.

Per aumentare la capacità di carico degli ingranaggi, solitamente si opta per trattamenti termochimici. Il processo più comune nella pratica industriale è la cementazione. Lo sviluppo delle turbine eoliche e delle applicazioni navali negli ultimi anni ha mostrato potenze sempre crescenti, per cui anche gli ingranaggi hanno visto una rapida crescita delle dimensioni. Tuttavia, la cementazione mostra alcuni limiti quando applicata al trattamento di ingranaggi di dimensioni eccessive. In primo luogo, affinché la cementazione sia possibile, i componenti devono poter essere completamente inseriti nei forni. In secondo luogo, la profondità di cementazione (CHD) richiesta per gli ingranaggi più grandi è dell’ordine di alcuni millimetri. Per raggiungere tali profondità, sono necessari tempi di processo estremamente lunghi, a volte anche diversi giorni. Inoltre, durante la cementazione l’intero ingranaggio viene riscaldato e deve essere quini anche raffreddato. La necessità di grandi forni e i lunghi tempi di processo riducono l’efficienza energetica ed economica del processo. La tempra a induzione è un’alternativa alla cementazione che mostra tempi di processo più brevi, minor consumo di energia e impianti relativamente piccoli. Con la tempra ad induzione è possibile ottenere profondità CHD da alcuni millimetri fino a centimetri, con tempi di processo relativamente brevi. Con la tempra a induzione è necessario riscaldare solo la regione di interesse, nel caso specifico di un ingranaggio, la zona prossima al raccordo a piede dente (e il fianco per aumentarne la resistenza a usura e pitting). Il vero problema è che per gli ingranaggi temprati a induzione non sono ad oggi disponibili pubblicazioni (recenti) sulla capacità di carico di ingranaggi di grandi dimensioni. Le capacità di carico documentate (ingranaggi di piccole e grandi dimensioni), ad esempio nella norma ISO 6336-5 [1], si basano su studi degli anni ‘80 e sono inferiori di circa il 20% rispetto alle performance degli ingranaggi cementati. Da allora, però, sono stati compiuti molti progressi tecnologici che hanno migliorato in modo significativo il processo di tempra ad induzione. Questi miglioramenti hanno portato ad un aumento significativo della capacità di carico, come dimostrato, per gli ingranaggi di piccole dimensioni, in [2].

Stato dell’arte

Nella progettazione degli ingranaggi è necessario considerare diversi tipi di danneggiamento, tra cui la frattura del fianco, il (macro) pitting e la rottura al piede. Ogni tipo di danneggiamento ha meccanismi di cedimento diversi. Tutti i tipi di danneggiamento hanno in comune il fatto che un sovraccarico, breve o prolungato dell’ingranaggio, possa provocare il cedimento totale del riduttore, direttamente o attraverso danni indiretti. La normativa ISO 6336 [3] prevede una procedura standardizzata per il calcolo della capacità di carico in relazione ai diversi tipi di danneggiamento. Per calcolare la capacità di carico degli ingranaggi, il valore delle sollecitazioni effettive a cui il riduttore risulta sottoposto in esercizio viene essenzialmente confrontato con quello delle sollecitazioni ammissibili. I valori di sollecitazione ammissibile a (macro) pitting e flessione, riportati nella normativa ISO 6336-5 [1], si basano su risultati di prove sperimentali. Se la sollecitazione applicata supera quella ammissibile, si verifica un danneggiamento dell’ingranaggio. Per evitare il danneggiamento ci sono due possibilità: 1) ridurre la sollecitazione applicata o 2) aumentare la resistenza degli ingranaggi. Per aumentare la capacità di carico, gli ingranaggi vengono solitamente trattati termicamente [4-6]. La cementazione è, di fatto, un trattamento termico (termochimico, ndr) standard. Di conseguenza, sono numerosi gli studi disponibili relativi alla capacità di carico degli ingranaggi cementati [7-11]. Sebbene esistano alcune pubblicazioni sugli ingranaggi temprati ad induzione [12-19], sono poche quelle che riportano i valori esatti di resistenza determinati mediante sperimentazione. In particolare, sono rarissime quelle recenti [20-22]. Il valore di sollecitazione ammissibile per gli ingranaggi temprati in superficie è, secondo la normativa ISO 6336-5 [1], inferiore di circa il 20% rispetto a quello relativo ad ingranaggi cementati. Va tuttavia ricordato come tale normativa relativa agli ingranaggi temprati in superficie si basi principalmente su studi degli anni ‘80 [22]. Da allora, sono stati compiuti molti progressi tecnologici che hanno migliorato significativamente il processo di tempra a induzione. Recenti risultati sperimentali su ingranaggi trattati mediante i più moderni processi di tempra ad induzione [20, 21] hanno mostrato come, in condizioni adeguate, gli ingranaggi temprati ad induzione possano raggiungere capacità di carico simili a quelle degli ingranaggi cementati. Nel progetto FVA 660 I [2] sono stati studiati numerosi fattori di influenza sulla resistenza a flessione al piede dente in ingranaggi temprati ad induzione [23] aventi dimensioni comprese tra mn = 2 e 4 mm. La Figura 1 mostra i risultati delle prove sperimentali del progetto FVA 660 I [2] per ingranaggi di dimensioni mn = 4 mm classificati nel diagramma di resistenza secondo la normativa ISO 6336-5 [1], sia per ingranaggi temprati in superficie, sia cementati. La maggior parte delle varianti mostra una resistenza alla flessione al piede dente nell’intervallo di qualità del materiale ML e MQ tipico degli ingranaggi cementati. Una variante sviluppata nel progetto FVA 660 I [2] ha mostrato una capacità di carico addirittura nell’intervallo di qualità media MQ per gli ingranaggi cementati. Anche la durezza superficiale degli ingranaggi può essere aumentata oltre le specifiche della normativa ISO 6336- 5 [1] senza che si abbiano “cricche da tempra”. Tuttavia, si può anche notare come, se il processo di trattamento termico a induzione non risulta regolato correttamente, la capacità di carico risultante possa diminuire molto. Gli ingranaggi di piccole dimensioni temprati ad induzione sono solitamente temprati mediante una configurazione rotante, mentre quelli di dimensioni maggiori sono solitamente temprati un vano alla volta. I modelli di tempra risultanti, e quindi le proprietà microstrutturali (ad esempio, le tensioni residue), risultano quindi molto differenti al variare delle dimensioni dell’ingranaggio. La Figura 2 mostra i profili di tempra ottenibili. Il profilo di durezza varia apprezzabilmente tra tempra passante (a sinistra) e tempra superficiale (al centro): gli ingranaggi temprati un vano alla volta mostrano un profilo molto simile a quello che si ha nella tempra superficiale (a destra). Non è però chiaro se i risultati relativi agli ingranaggi di piccole dimensioni si possano applicare, senza implicazioni, anche agli ingranaggi più grandi.

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