Lucidi sulle sollecitazioni di contatto e l'usura - Dimeca
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Contatto e Usura<br />
Riferimenti bibliografici<br />
Juvinall, Marshek “Fondamenti della progettazione dei componenti delle macchine”<br />
Shigley et al. “Progetto e costruzione <strong>di</strong> macchine”
La tribologia<br />
All’importanza dei fenomeni che avvengono all’interfaccia fra i soli<strong>di</strong> (o fra soli<strong>di</strong> e<br />
flui<strong>di</strong>) non corrisponde, sino ad oggi, una teoria scientifica sod<strong>di</strong>sfacente.<br />
Tuttavia, una nuova <strong>di</strong>sciplina, che stu<strong>di</strong>a le interazioni tra le superfici, sta fornendo<br />
ottime in<strong>di</strong>cazioni. E’ la tribologia , definita come la scienza, e la tecnologia, delle<br />
superfici in movimento relativo tra <strong>di</strong> loro con i problemi associati.<br />
Per una soluzione ottimale dei problemi tribologici, devono essere noti e tenuti in<br />
considerazione tutti gli elementi che compongono un tribosistema , nonché le loro<br />
interazioni.
Attrito, usura e lubrificazione<br />
Lo stu<strong>di</strong>o delle interazioni superficiali fra elementi soli<strong>di</strong> è uno dei temi <strong>di</strong><br />
grande interesse nell’ambito della progettazione meccanica in quanto:<br />
• l’attrito è connaturato al movimento sia quando consente il funzionamento<br />
<strong>di</strong> <strong>di</strong>spositivi meccanici (es. ruote dell’automobile), sia quando deve essere<br />
combattuto come fonte <strong>di</strong> per<strong>di</strong>te e <strong>di</strong> temperature elevate (cuscinetti a<br />
strisciamento);<br />
Si definisce attrito (friction) ogni fenomeno <strong>di</strong>ssipativo provocato nei corpi soli<strong>di</strong> o flui<strong>di</strong> dalla<br />
presenza <strong>di</strong> movimento. L’etimologia della parola attrito deriva dal latino “attenere” (sfregare) ed<br />
è un termine connesso al movimento.<br />
• l’usura è una delle principali cause che rendono inutilizzabili le macchine,<br />
così come lo sono la rottura e l’obsolescenza.<br />
• la lubrificazione provoca la profonda mo<strong>di</strong>ficazione dei fenomeni <strong>di</strong> attrito<br />
e <strong>di</strong> usura che si avrebbero fra superfici asciutte;
La tribologia<br />
Quando si seleziona il materiale interme<strong>di</strong>o (il lubrificante) gli aspetti ambientali quali<br />
• Polvere<br />
• Temperatura<br />
• Umi<strong>di</strong>tà<br />
ed i parametri dati dal progetto come<br />
• Natura dei materiali<br />
• Tipo <strong>di</strong> superfici<br />
• Geometria degli elementi in movimento<br />
sono della identica grande importanza dei parametri operativi <strong>di</strong> velocità, carico e<br />
vibrazioni.<br />
E’ chiaro dunque come il comportamento <strong>di</strong>namico delle macchine sia caratterizzato<br />
dai fenomeni che si manifestano nel <strong>contatto</strong> fra elementi soli<strong>di</strong>, o fra soli<strong>di</strong> e flui<strong>di</strong>.
Fenomeni superficiali<br />
I fenomeni superficiali interessano gli aspetti sia funzionali che costruttivi<br />
dello stu<strong>di</strong>o delle macchine, in quanto determinano<br />
• grandezza e <strong>di</strong>rezione delle forze scambiate negli accoppiamenti<br />
• entità e natura dei fenomeni <strong>di</strong>ssipativi<br />
• mo<strong>di</strong>ficazioni delle caratteristiche funzionali per effetto dell’usura,<br />
ma anche….<br />
•la scelta dei materiali da costruzione e la forma dei corpi accoppiati.<br />
L’analisi delle interazioni superficiali fra membri soli<strong>di</strong> delle macchine può<br />
essere trattata da tre possibili punti <strong>di</strong> vista: geometrico, fisico-chimico ,<br />
cinematico.
Fenomeni superficiali<br />
Dal punto <strong>di</strong> vista geometrico i contatti possono essere idealmente classificati<br />
in : superficiali, lineari e puntiformi.<br />
I contatti fra superfici sono tipici delle coppie elementari (guide, viti,<br />
cuscinetti, ecc.). I contatti lineari e puntiformi sono caratteristici <strong>di</strong> molte<br />
coppie con membri rigi<strong>di</strong>: ruote dentate, camme, ecc.<br />
Questa sud<strong>di</strong>visione teorica, che trae origine dalla forma geometrica ideale<br />
dei membri a <strong>contatto</strong>, nella realtà non risulta realizzata per la presenza <strong>di</strong><br />
giochi, per l’irregolarità delle forme dei corpi e per la deformabilità delle loro<br />
superfici.
I contatti superficiali<br />
Si considerino due superfici accoppiate e soggette all’azione <strong>di</strong> una forza esterna<br />
normale F ; l’area <strong>di</strong> <strong>contatto</strong>, teoricamente estesa all’intera superficie, nella realtà è<br />
limitata ad alcune areole deformate. Infatti, le superfici dei corpi soli<strong>di</strong> presentano<br />
sempre ondulazioni e rugosità superficiali.<br />
La rugosità superficiale ha usualmente valori me<strong>di</strong> dell’or<strong>di</strong>ne dei micron. Il <strong>contatto</strong><br />
fra i due corpi perciò non avviene su tutta la superficie geometrica, ma solo su piccole<br />
aree. Per la presenza delle ondulazioni , tali aree sono localizzate in zone definite: il<br />
numero dei contatti <strong>di</strong>pende sia dal carico applicato sia dalla rugosità delle superfici.<br />
Nel caso <strong>di</strong> contatti <strong>di</strong>retti fra superfici idealmente combacianti è possibile <strong>di</strong>stinguere:<br />
• Area nominale (o geometrica, apparente) <strong>di</strong> <strong>contatto</strong> (An), che è il luogo<br />
geometrico <strong>di</strong> tutte le possibili aree <strong>di</strong> <strong>contatto</strong>. E’ definita dalle <strong>di</strong>mensioni del corpo<br />
ed è in<strong>di</strong>pendente dal carico;<br />
• Area reale <strong>di</strong> <strong>contatto</strong> (Ar) : è la somma <strong>di</strong> tutte le piccole aree attraverso le quali i<br />
soli<strong>di</strong> si toccano. L’area reale è funzione dell’area deformata, della rugosità<br />
superficiale e del carico (per contatti fra superfici <strong>di</strong> acciaio con pressioni specifiche<br />
modeste l’area reale può essere 1/1000 <strong>di</strong> quella geometrica).
8<br />
6<br />
4<br />
JIS 50 Rail, Abrasive Paper #40<br />
(Uni<strong>di</strong>rectional Roughness)<br />
I contatti superficiali<br />
2<br />
µm<br />
0<br />
-2<br />
Transversal <strong>di</strong>rection<br />
-4<br />
-6<br />
-8<br />
Longitu<strong>di</strong>nal <strong>di</strong>rection<br />
0.0<br />
0.5<br />
1.0<br />
1.5<br />
2.0<br />
mm<br />
2.5<br />
3.0<br />
3.5<br />
4.0<br />
60<br />
40<br />
JIS 50 Rail<br />
(Isotropic Roughness)<br />
Lapped, R q =0.08 µm<br />
µm<br />
20<br />
Paper #240, R q =0.29 µm<br />
0<br />
Paper #120, R q =0.59 µm<br />
-20<br />
Paper #80, R q =0.85 µm<br />
-40<br />
Paper #40, R q =1.32 µm<br />
0.0<br />
0.5<br />
1.0<br />
1.5<br />
2.0<br />
mm<br />
2.5<br />
3.0<br />
3.5<br />
4.0
Approccio teorico al <strong>contatto</strong><br />
Due corpi con superfici a <strong>di</strong>versa curvatura hanno idealmente un solo punto o una linea <strong>di</strong><br />
<strong>contatto</strong>. Per effetto del carico esterno il punto o la linea si espandono sino a <strong>di</strong>ventare piccole<br />
aree. Di conseguenza, anche se la forza esterna è modesta, la sollecitazione indotta nella zona<br />
<strong>di</strong> <strong>contatto</strong> è elevata<br />
La teoria classica del <strong>contatto</strong> fu stabilita da Hertz nel 1881<br />
L’analisi <strong>di</strong> Hertz ,valida per <strong>contatto</strong> teoricamente puntiforme o lineare, parte dalle seguenti<br />
ipotesti:<br />
• soli<strong>di</strong> omogenei ed isotropi;<br />
• deformazioni elastiche e contenute entro i limiti <strong>di</strong> elasticità lineare (è valida la legge <strong>di</strong> Hooke)<br />
• le <strong>di</strong>mensioni dell’area <strong>di</strong> <strong>contatto</strong> sono piccole rispetto al raggio <strong>di</strong> curvatura dei corpi a<br />
<strong>contatto</strong><br />
• i raggi <strong>di</strong> curvatura della zona <strong>di</strong> <strong>contatto</strong> sono anch’essi gran<strong>di</strong>, se confrontati con le<br />
<strong>di</strong>mensioni dell’area <strong>di</strong> <strong>contatto</strong>;<br />
• fra i due corpi non vi sono forze <strong>di</strong> attrito radente e quin<strong>di</strong> durante il <strong>contatto</strong> agisce solo la<br />
forza normale<br />
• le superfici a <strong>contatto</strong> sono continue, e possono essere rappresentate da polinomi del<br />
second’or<strong>di</strong>ne prima della deformazione
Approccio teorico al <strong>contatto</strong><br />
La teoria <strong>di</strong> Hertz porta alla descrizione della forma della zona <strong>di</strong> <strong>contatto</strong> secondo<br />
una superficie del secondo or<strong>di</strong>ne (ellissoide <strong>di</strong> rivoluzione), <strong>di</strong> equazione<br />
2 2<br />
z = Ax + By + Cxy<br />
Le costanti A e B sono definite da una serie <strong>di</strong> equazioni complesse che <strong>di</strong>pendono<br />
dai raggi <strong>di</strong> curvatura dei due corpi e che permettono anche <strong>di</strong> ricavare i semiassi<br />
dell’ellisse a e b che rappresenta l’area deformata.<br />
La teoria hertziana giunge poi alla formulazione della legge <strong>di</strong> <strong>di</strong>stribuzione delle<br />
pressioni nella zona <strong>di</strong> <strong>contatto</strong> con la relazione :<br />
p =<br />
⎛ x ⎞ ⎛ y ⎞<br />
p<br />
max<br />
1−<br />
⎜ ⎟ − ⎜ ⎟<br />
⎝ a ⎠ ⎝ b ⎠<br />
2<br />
2<br />
p<br />
max =<br />
3P<br />
2πab<br />
Le pressioni, nei vari punti dell’area deformata <strong>di</strong> <strong>contatto</strong>, hanno quin<strong>di</strong> una<br />
<strong>di</strong>stribuzione semiellissoidale.
Casi particolari<br />
Sfera su sfera (d 1 ,d 2 )<br />
L’area <strong>di</strong> <strong>contatto</strong> è una circonferenza <strong>di</strong> raggio<br />
a =<br />
p<br />
3<br />
max<br />
3P<br />
8<br />
3P<br />
=<br />
2<br />
2πa<br />
2<br />
2<br />
( 1−ν<br />
) E + ( 1−ν<br />
)<br />
1<br />
1<br />
⎛ 1 1 ⎞<br />
⎜ +<br />
⎟<br />
⎝d1<br />
d<br />
2 ⎠<br />
2<br />
E<br />
2<br />
Cilindro su cilindro (d 1 ,d 2 ) <strong>di</strong> lunghezza L<br />
L’area <strong>di</strong> <strong>contatto</strong> è un rettangolo <strong>di</strong> semilarghezza<br />
b =<br />
3<br />
2P<br />
πL<br />
2<br />
2<br />
( 1−ν<br />
) E + ( 1−ν<br />
)<br />
1<br />
1<br />
⎛ 1 1 ⎞<br />
⎜ +<br />
⎟<br />
⎝d1<br />
d<br />
2 ⎠<br />
2<br />
E<br />
2<br />
p<br />
max<br />
=<br />
2P<br />
πbL
Pellicole pressosensibili<br />
Verifiche sperimentali<br />
2 mm<br />
Ultrasuoni<br />
2kN<br />
6kN<br />
10 kN<br />
2 mm<br />
40 mm 60 mm 100 mm
Il metodo ultrasonico<br />
Sonda ultrasonica<br />
Acqua<br />
Piano<br />
Sfera
Sfera su sfera<br />
Andamento delle tensioni<br />
Nei <strong>di</strong>agrammi sono illustrati gli andamenti delle<br />
<strong>sollecitazioni</strong> al variare della <strong>di</strong>stanza dalla superficie<br />
(profon<strong>di</strong>tà)<br />
Si può osservare come la tensione normale σ z<br />
<strong>di</strong>minuisca a mano a mano che ci si sposta al <strong>di</strong> sotto<br />
della superficie.<br />
Cilindro su cilindro<br />
Nel caso della sfera, la particolare configurazione<br />
dell’area <strong>di</strong> <strong>contatto</strong> rende uguali i valori <strong>di</strong> σ x<br />
e σ y<br />
La tensione tangenziale non è massima in superficie<br />
ma ad una certa <strong>di</strong>stanza da essa (circa 0.5 volte il<br />
raggio <strong>di</strong> <strong>contatto</strong>). È opinione comune ritenere che<br />
sia proprio questa tensione tangenziale massima la<br />
responsabile dei fenomeni <strong>di</strong> fatica superficiale nei<br />
corpi a <strong>contatto</strong>.
Contatto <strong>di</strong>namico<br />
Nei sistemi in moto relativo (cuscinetti, ruote dentate, camme ecc.) le tensioni <strong>di</strong> <strong>contatto</strong> sono<br />
applicate in un punto ciclicamente, e quin<strong>di</strong> tendono a generare fenomeni <strong>di</strong> fatica.<br />
Inoltre, anche se il moto è <strong>di</strong> puro rotolamento, non può essere evitata la presenza <strong>di</strong> piccoli<br />
strisciamenti relativi che originano tensioni (normali e tangenziali) che agiscono in <strong>di</strong>rezione<br />
circonferenziale e si sovrappongono agli effetti dovuto al carico.<br />
Quando un dato punto della superficie passa per<br />
la zona <strong>di</strong> <strong>contatto</strong>, le tensioni tangenziali in<br />
<strong>di</strong>rezione circonferenziale passano da zero ad<br />
un valore massimo per tornare <strong>di</strong> nuovo a zero,<br />
mentre le tensioni normali passano da zero ad<br />
un valore <strong>di</strong> trazione, raggiungono<br />
successivamente un valore <strong>di</strong> compressione e,<br />
infine, tornano nuovamente a zero.<br />
La presenza in superficie <strong>di</strong> una tensione <strong>di</strong><br />
trazione è indubbiamente importante ai fini della<br />
propagazione <strong>di</strong> fessure superficiali <strong>di</strong> fatica
Rotture per fatica superficiale<br />
Le rotture per fatica superficiale derivano dalla ripetuta applicazione <strong>di</strong> carichi che<br />
producono tensioni <strong>sulle</strong> superfici <strong>di</strong> <strong>contatto</strong> e al <strong>di</strong> sotto <strong>di</strong> esse.<br />
Le fessure innescate da queste tensioni si propagano fino alla separazione <strong>di</strong> piccoli<br />
frammenti <strong>di</strong> materiale superficiale producendo forme <strong>di</strong> danneggiamento denominate<br />
pitting (vaiolatura) o spalling (sfogliatura)<br />
Il pitting è originato da fessure superficiali e ciascun cratere<br />
ha un’area relativamente piccola<br />
Lo spalling trae origine da fessure poste al <strong>di</strong> sotto della<br />
superficie ed i frammenti consistono in sottili scaglie <strong>di</strong><br />
materiale superficiale
Esempi <strong>di</strong> analisi del <strong>contatto</strong><br />
2 kN 6 kN 10 kN<br />
6 kN 10 kN<br />
2 kN 6 kN 10 kN
Esempi <strong>di</strong> analisi del <strong>contatto</strong>
L’usura<br />
Si definisce usura (dal francese user = usare ) la progressiva rimozione <strong>di</strong><br />
materiale dalla superficie <strong>di</strong> un corpo solido che possiede un moto relativo rispetto<br />
ad un altro solido o ad un fluido.<br />
L’analisi dell’usura è eseguita in riferimento agli atti <strong>di</strong> moto, ma la complessità del<br />
fenomeno richiede classificazioni più sottili legate al meccanismo macroscopico,<br />
all’aspetto delle superfici usurate, alla natura del materiale antagonista e al suo stato<br />
(solido continuo, particelle solide in un fluido o particelle fluide in un fluido).<br />
L’usura colpisce le superfici dei corpi delle macchine provocando un progressivo<br />
deca<strong>di</strong>mento delle prestazioni della macchina e provocando una <strong>di</strong>ssipazione<br />
dell’energia per attrito.<br />
Analizzando i guasti nelle macchine si scopre come nella maggior parte dei casi la<br />
rottura e l’arresto sono associati a interazioni tra parti in movimento come ingranaggi,<br />
cuscinetti, giunti, camme, frizioni, sigillanti, ecc..<br />
Anche il corpo umano contiene superfici interagenti in moto relativo (basti pensare a<br />
tutte le articolazioni presenti)
L’usura<br />
L’usura causa:<br />
• Aumento dei giochi<br />
• Aumento della rumorosità<br />
• Comparsa dei fenomeni d’urto<br />
• Aumento <strong>di</strong> vibrazioni e <strong>sollecitazioni</strong> per fatica<br />
• Distribuzione <strong>di</strong>suniforme delle tensioni<br />
• Aumento del tasso d’usura per abrasione delle particelle formatesi<br />
• Inutilizzo della macchina nel tempo.<br />
Classificazione dei fenomeni <strong>di</strong> usura<br />
•Usura adesiva<br />
•Usura abrasiva<br />
•Fretting
Usura adesiva<br />
• Come accennato in precedenza, le superfici dei materiali ingegneristici (metalli)<br />
sono tutte caratterizzate da un certo grado <strong>di</strong> rugosità superficiale variabile tra alcune<br />
decine <strong>di</strong> micron (getti o semilavorati) e decimi o centesimi <strong>di</strong> micron (rettifica,<br />
lucidatura e lappatura)<br />
• Le elevate pressioni <strong>di</strong> <strong>contatto</strong> locali e il calore generato dall’attrito provocano<br />
notevoli aumenti <strong>di</strong> temperatura su zone <strong>di</strong> entità ridotta, creando le con<strong>di</strong>zioni<br />
favorevoli per la formazione <strong>di</strong> microsaldature<br />
• Tuttavia, poiché l’azione <strong>di</strong> moto prosegue, le zone saldate vengono ad essere<br />
separate a seguito <strong>di</strong> rotture per taglio della saldatura stessa o <strong>di</strong> uno dei due metalli.<br />
• Se la rottura avviene esattamente in corrispondenza all'interfaccia tra i due corpi non<br />
si ha usura, in caso contrario si verifica <strong>l'usura</strong>, che, per il meccansmo che la origina,<br />
si <strong>di</strong>ce adesiva.<br />
• Il processo, che prosegue ciclicamente con la formazione e la rottura successiva <strong>di</strong><br />
saldature o <strong>di</strong> parti <strong>di</strong> materiale circostante, può deteriorare rapidamente in modo<br />
irreversibile il componente.
Usura adesiva<br />
Considerato che l’usura adesiva è essenzialmente espressione <strong>di</strong> un fenomeno <strong>di</strong><br />
saldatura localizzata, risultano essere maggiormente soggetti ad essa i materiali più<br />
facilmente saldabili.<br />
• Se il processo <strong>di</strong> saldatura e rottura delle asperità superficiali provoca un<br />
trasferimento <strong>di</strong> metallo da una superficie all’altra, l’usura risultante si definisce anche<br />
“scoring” (raschiatura)<br />
• Quando la saldatura interessa porzioni estese delle superfici a <strong>contatto</strong> in modo tale<br />
da ridurre (o impe<strong>di</strong>re) lo scorrimento relativo, si parla <strong>di</strong> “grippaggio”<br />
• Una forte usura adesiva viene anche chiamata “galling” (sfaldatura)<br />
• Una moderata usura adesiva (per esempio tra fasce elastiche e camicia del cilindro)<br />
si definisce “scuffing” (rigatura)
Usura abrasiva<br />
Rappresenta la tipologia <strong>di</strong> usura alla quale più intuitivamente si è portati a<br />
pensare, ossia quella dovuta all’azione <strong>di</strong> sfregamento <strong>di</strong> particelle abrasive su<br />
una superficie (es. asportazione <strong>di</strong> legno o metallo con carta vetrata o con una<br />
mola, usura delle suole delle scarpe ecc.)<br />
• Le particelle abrasive sono tipicamente piccole e caratterizzate da elevata durezza e<br />
bor<strong>di</strong> taglienti<br />
• Esistono <strong>di</strong>versi meccanismi <strong>di</strong> azione che possono anche presentarsi<br />
contemporaneamente; infatti il materiale viene rimosso per microtagli, microfratture,<br />
pull-out <strong>di</strong> singoli grani o fatica accelerata dovuta alle ripetute deformazioni.<br />
• Usualmente maggiore è la durezza <strong>di</strong> una superficie, maggiore è la sua resistenza<br />
all’abrasione e spesso si sfrutta questa caratteristica sottoponendo il materiale a<br />
trattamenti superficiali che ne aumentino appunto la durezza superficiale (tempra,<br />
nitrurazione, elettrodeposizione ecc.)<br />
• Talvolta l’esistenza <strong>di</strong> fenomeni <strong>di</strong> usura abrasiva viene sfruttata appositamente per<br />
garantire il deterioramento <strong>di</strong> uno solo dei due componenti a <strong>contatto</strong> (cuscinetti a<br />
strisciamento)
Usura abrasiva<br />
1. Il primo meccanismo rappresentato è il taglio. È il classico modello che si usa quando le<br />
particelle o le asperità "tagliano" la superficie meno dura del pezzo. Il materiale tagliato<br />
viene rimosso come detrito dell’usura e sulla superficie si osservano molti intagli in genere<br />
<strong>di</strong> forma piramidale o sferica.<br />
2. Quando il materiale abraso è fragile (ad esempio un ceramico) si ha la frattura della<br />
superficie. In questo caso i detriti sono il risultato dell’avanzamento delle cricche fino alla<br />
rottura.<br />
3. Quando un materiale duttile è soggetto ad<br />
abrasione da parte <strong>di</strong> particelle non spigolose<br />
i fenomeni <strong>di</strong> taglio sono sfavoriti e la<br />
superficie abrasa è soggetta a deformazioni<br />
ripetute. In questo caso i detriti sono il<br />
risultato <strong>di</strong> fenomeni <strong>di</strong> fatica dei metalli.<br />
4. L’ultimo meccanismo, pull-out, rappresenta<br />
il <strong>di</strong>staccamento o l’espulsione dei grani.<br />
Questo meccanismo è molto <strong>di</strong>ffuso nei<br />
ceramici dove la superficie del grano è<br />
debolmente legata e il fenomeno risulta<br />
molto rapido. In questo caso l’intero grano<br />
<strong>di</strong>venta detrito dell’abrasione.
Fretting<br />
Il fenomeno del fretting ha luogo quando scorrimenti alternativi <strong>di</strong> piccola ampiezza<br />
(0.01-0.25 mm) tra due superfici in <strong>contatto</strong> avvengono per un gran numero <strong>di</strong> cicli.<br />
• Questo fenomeno causa due forme <strong>di</strong> danneggiamento: usura superficiale e<br />
deterioramento a fatica. L’entità del danneggiamento superficiale è molto più grande <strong>di</strong><br />
quanto faccia pensare l’or<strong>di</strong>ne <strong>di</strong> grandezza delle <strong>di</strong>stanze <strong>di</strong> scorrimento. Contatti che<br />
sembrano essere privi <strong>di</strong> movimento, come connessioni ad interferenza, permettono<br />
movimenti relativi dell’or<strong>di</strong>ne dei nanometri quando sono applicati carichi alternati e<br />
oscillanti. Tali movimenti sono molto <strong>di</strong>fficili da eliminare e il risultato a cui portano è il<br />
fretting.<br />
• Usura e fatica da fretting sono presenti in quasi tutte le macchine e sono la causa della<br />
rottura <strong>di</strong> molti componenti robusti. Una delle caratteristiche fondamentali del fretting è che<br />
a causa della piccola ampiezza dello scorrimento i detriti prodotti sono spesso trattenuti<br />
all’interno della zona <strong>di</strong> <strong>contatto</strong> accelerando il processo <strong>di</strong> usura.<br />
• Il fenomeno del fretting può essere accelerato ulteriormente dalla corrosione, dalla<br />
temperatura e da altri effetti.<br />
• Una possibile via per ridurre gli effetti del fretting è quella <strong>di</strong> aumentare la pressione <strong>di</strong><br />
<strong>contatto</strong> al fine <strong>di</strong> annullare gli spostamenti relativi
Approccio analitico all’usura<br />
Sebbene l’approccio progettuale per quanto riguarda la resistenza all’usura sia sempre stato<br />
storicamente essenzialmente empirico, sono state formulate <strong>di</strong>verse teorie che consentono <strong>di</strong><br />
valutare in modo analitico il cosiddetto “tasso <strong>di</strong> usura”<br />
Il tasso <strong>di</strong> usura costituisce un in<strong>di</strong>ce complessivo che fornisce in<strong>di</strong>cazioni me<strong>di</strong>e del comportamento<br />
preve<strong>di</strong>bile per accoppiamenti usuali.<br />
Una delle espressioni più note del tasso <strong>di</strong> usura è la seguente<br />
⎛ K ⎞<br />
Tasso <strong>di</strong> usura = δ = ⎜ ⎟⋅<br />
pv<br />
t ⎝ H ⎠<br />
FS<br />
⎧δ<br />
= spessore stratousurato(mm)<br />
⎪<br />
⎪<br />
t = tempo (s)<br />
⎪K<br />
= coeff. <strong>di</strong> usura<br />
⎨<br />
⎪H<br />
= durezza(MPa)<br />
⎪p<br />
= pressione superficiale(MPa)<br />
⎪<br />
⎩v<br />
= velocità <strong>di</strong> strisciamento(mm/s)<br />
Dunque il tasso <strong>di</strong> usura è proporzionale ad un dato coefficiente <strong>di</strong> usura K a<strong>di</strong>mensionale<br />
(<strong>di</strong>pendente dalla natura dei materiali a <strong>contatto</strong>) inversamente proporzionale alla durezza del<br />
materiale considerato (H) e, ipotizzando un coefficiente <strong>di</strong> attrito costante, <strong>di</strong>rettamente<br />
proporzionale alla potenza <strong>di</strong>ssipata per attrito<br />
Per una data forza <strong>di</strong> compressione, il volume <strong>di</strong> materiale asportato risulta essere in<strong>di</strong>pendente<br />
dall’area <strong>di</strong> <strong>contatto</strong>, quin<strong>di</strong> un’altra forma dell’equazione dell’usura è<br />
⎛ K ⎞<br />
W = ⎜ ⎟⋅<br />
⎝ H ⎠<br />
3<br />
⎧W<br />
= volume <strong>di</strong>materiale asportato (mm )<br />
⎪<br />
⎨F<br />
= forza<strong>di</strong>compressione tralesuperfici (N)<br />
⎪<br />
⎩S<br />
= ampiezza totale <strong>di</strong>strisciamento(mm)
Approccio analitico all’usura<br />
Il modo migliore per ottenere valori <strong>di</strong> K per una particolare applicazione consiste nell’utilizzare dati<br />
sperimentali per la stessa combinazione <strong>di</strong> materiali operanti essenzialmente nelle stesse<br />
con<strong>di</strong>zioni<br />
È importante accertarsi che la temperatura stimata all’interfaccia, i materiali e le con<strong>di</strong>zioni <strong>di</strong><br />
lubrificazione dell’applicazione prevista corrispondano a quelle impiegate nella prova.
Verifica del tasso <strong>di</strong> usura<br />
Le prove <strong>di</strong> usura prevedono lo strisciamento o il rotolamento tra due corpi:<br />
• Corpo mobile (mosso dall’esterno)<br />
• Partner statico o mobile<br />
Prove <strong>di</strong> usura identificate tramite la geometria del <strong>contatto</strong>:<br />
“Pin on <strong>di</strong>sk – Ball on <strong>di</strong>sk” (ASTM G99)<br />
“Block on ring”<br />
“Disc on <strong>di</strong>sc”<br />
“Dry-Sand, Rubber Wheel Wear Test”<br />
Parametri <strong>di</strong> prova:<br />
• Carico applicato<br />
• Lubrificazione<br />
• Fattori ambientali (temperatura, umi<strong>di</strong>tà, atmosfera,…)
Verifica del tasso <strong>di</strong> usura<br />
• Nel metodo “pin (ball) on <strong>di</strong>sk”, un perno (sfera) viene fatto strisciare (ruotare) su un<br />
<strong>di</strong>sco che può essere d’acciaio, o <strong>di</strong> un altro materiale, per un numero <strong>di</strong> giri descritto<br />
dalla norma.<br />
• L’usura è misurata in termini <strong>di</strong> per<strong>di</strong>ta <strong>di</strong> volume del pin e del <strong>di</strong>sco.<br />
• I risultati sono espressi in termini <strong>di</strong> per<strong>di</strong>ta <strong>di</strong> volume per unità <strong>di</strong> <strong>di</strong>stanza <strong>di</strong><br />
strisciamento e unità <strong>di</strong> carico normale [mm 3 /N/m].