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Stato di tensione residua di rullatura su elementi per prove di fatica da fretting con

collegamento forzato albero mozzoAutori:

Prof. M. Beghini, Ing. B.D. Monelli, Ing. C. Santus

Università di Pisa

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Unità coinvolte nel progetto:

Progetto MiUR: Prin 2009

Univ. di Ferrara

Univ. di Padova

Univ. di Parma

Univ. di Trento

Univ. di Pisa

Obiettivo del progetto (generale):Comportamento statico e a fatica oligociclica di componenti strutturali intagliati interessati da snervamento localizzato e diffuso

Unità di Pisa:Studio sperimentale e modellazione della concentrazione di tensioni all'estremità della zona di contatto nel collegamento forzato albero-mozzo sottoposto a sollecitazione flessionale. Esame degli effetti prodotti sulla resistenza a fatica da un campo di tensioni residue di compressione indotto da un trattamento superficiale di rullatura con deformazione plastica profonda.

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Connessione forzata albero-mozzo

Estensimetro flessione

Estensimetro perforzamento diametrale

Dado di registro

Contro-dado

F

Porzione conicadell’albero

Locale raggio di raccordo r = 2 mm“flat and rounded fretting contact”

Mozzo vincolato(acciaio da cementazione)

Provino7075-T6

aTornitura interna,dopo cementazione, con utensilespeciale, 0.2μmR =

aTornitura, 0.2μmR =

F

t

R = –1

Fessura innescatada fretting

Albero: 7075-T6Mozzo: acciaio da cementazione

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Attrezzatura di prova, assemblaggio

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Esecuzione della prova

Incremento resistenza:tensioni residue di compressione.Rullatura.

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Rullatura, utensile: D90-L25-X

Rullatura su elementi cilindrici

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Rullatura, utensile: D90-L25-X

1.5α ≈ °R 0.78r =

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Carico di rullatura

Cella di carico,max 10 kN

Elemento rullatore

Condizionatore e visualizzatore forza verticale

Superficie disupporto permacchinautensile

Guida interna liscia(lubrificata)

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Cilindretti campione

Passo di rullatura

20mm

20mm

30mm

p

Parametri di rullatura:- passo di rullatura (feed)- carico di rullatura VF

p

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Processo di rullatura centro di lavoro CNC

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Processo di rullatura

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Rilievo superficie rullata dei cilindretti campione

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Rilievo superficie rullata dei cilindretti campione

με

με

με

Tornituraprecedente

Fronte di rullatura(lato raccordo)

Superficie rullata(a specchio)

Pile up

a 0.65μmR =

a 0.17μmR =

με

με με

‘Coda’ di rullatura(lato cono)

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Tensioni residue, metodo del foro

(feed dir.)x

(rolling dir.)yProfondità misura: 1.3 mm

Passo di misura: 0.01 mmPasso di calcolo: 0.1 mm

(risoluzione distr. tens. residua output)

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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

Depth, mm

Res

idua

l Stre

ss, M

Pa

σx

σy

τxy

Dipendenza dai parametri di rullaturaTensioni principali

(feed dir.)x

(rolling dir.)y

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Dipendenza dai parametri di rullaturaConfronto a parità di passo di avanzamento

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-500

-400

-300

-200

-100

0

100

Depth, mm

Res

idua

l Stre

ss, M

Pa

p = 0.2 mm, different values FV

FV = 50 N

FV = 150 NFV = 450 N

FV = 900 N

xσyσ

(feed dir.)x

(rolling dir.)y

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Dipendenza dai parametri di rullaturaConfronto a parità di carico verticale di rullatura (1)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-500

-400

-300

-200

-100

0

100

Depth, mm

Res

idua

l Stre

ss, M

Pa

FV = 150 N, p = 0.1 / 0.2 mm

p = 0.2 mmp = 0.1 mm

xσyσ

(feed dir.)x

(rolling dir.)y

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Dipendenza dai parametri di rullaturaConfronto a parità di carico verticale di rullatura (2)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-500

-400

-300

-200

-100

0

100

Depth, mm

Res

idua

l Stre

ss, M

Pa

FV = 450 N, p = 0.1 / 0.2 mm

p = 0.2 mmp = 0.1 mm

xσyσ

(feed dir.)x

(rolling dir.)y

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Rrα

Modellazione EF (2D)

pleqε

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Modellazione EF

xσ

p

Media fra 4 'path'equidistanziati in 1 passo

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Modellazione EF

-4000 -3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000-20-10

01020

500 1000 1500 2000-20-10

01020

4μmFEM

4μmScansione profilo

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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

Depth, mm

Res

idua

l Stre

ss, M

Pa

σx (Exp.)

σy (Exp.)

σx (FEM)

σy (FEM)

Confronto tensione residua EF vs. sperimentale

V 450 N0.2 mm

Fp

=

=

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Confronto tensione residua EF vs. sperimentale

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

Depth, mm

Res

idua

l Stre

ss, M

Pa

σx (Exp.)

σy (Exp.)

σx (FEM)

σy (FEM)

V 450 N0.1 mm

Fp

=

=

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Attrezzatura per prove di fatica da fretting, connessione Albero-Mozzo forzata. Trattamento di rullatura per indurre uno stato di tensione residua di compressione.

• Parametri di rullatura: Forza verticale (misurata), passo di rullatura.

• Caratterizzazione su cilindretti campione, misura tensione residua mediante il metodo del foro.

• Forte dipendenza della profondità di compressione dalla forza verticale.

• Limitata dipendenza dal passo di rullatura per elevata forza verticale.

• Massima tensione residua “sub-superficiale”, elevata forza verticale.

• Confronto EF, elevato gradiente in superficie.

Conclusioni