Capitolo 5 TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
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5 CAPITOLO 5
TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
5.1 Introduzione
Nei paragrafi successivi si presenteranno le principali tecniche che hanno interessato l’attività sperimentale, svolta durante il presente lavoro di tesi, finalizzate a studiare sia la rottura dei denti per fatica, sia il danneggiamento delle superfici delle dentature usate nelle prove sul banco ingranaggi presso il CRTM.
Per l’analisi sono stati utilizzati sia controlli non distruttivi, per caratterizzare le dentature durante e dopo lo svolgimento della prova, sia controlli distruttivi, effettuati per avere un’analisi maggiormente approfondita.
Nell’ambito di questa tesi sono state messe a punto ed utilizzate le seguenti tecniche:
• Controlli visivi
• Acquisizione immagini con il boroscopio
• Acquisizione automatica delle immagini
• Acquisizione immagini al microscopio
• Rilievi rugosimetrici
• Analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM)
• Analisi metallografiche
• Analisi di microdurezza
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5.2 Controlli visivi
Gli Esami Visivi (Esami Ottici) assumono particolare importanza nel settore dei Controlli non Distruttivi in quanto, pur disponendo di sofisticate apparecchiature ottiche per l’ispezione ed elettroniche per l’elaborazione delle immagini, l’interpretazione e la valutazione dei risultati viene effettuata oggettivamente dall’operatore in base a degli standard di accettabilità specifici del particolare tipo di difetto del componente in esame.
Quindi la competenza tecnica del personale addetto ai lavori e l’esperienza pratica maturata negli anni, assumano un ruolo essenziale per assicurare la sensibilità e l’affidabilità richieste da questo tipo di controlli, tuttavia è opportuno rendere la stima quanto meno soggettiva è possibile.
Nel campo dei Controlli non Distruttivi gli Esami Visivi vengono generalmente utilizzati per rilevare specifiche caratteristiche superficiali e/o dimensionali di componenti di macchine.
Essi vengono generalmente suddivisi in:
ESAMI VISIVI DIRETTI: possono essere utilizzati quando sia possibile accedere con gli occhi ad una distanza della superficie in esame non maggiore di circa 60 cm con una angolazione non inferiore a 30°. Vengono generalmente utilizzati specchi per migliorare la visuale e lenti per ingrandire le immagini.
ESAMI VISIVI REMOTIZZATI: vengono generalmente utilizzati quando non sia possibile accedere direttamente all’oggetto od alla superficie in esame. Allo scopo vengono utilizzate apparecchiature più o meno sofisticate, quali ad es. specchi, telescopi, endoscopi, fibre ottiche, telecamere, etc. In ogni caso, qualunque sia il mezzo utilizzato, gli strumenti debbono avere una risoluzione almeno equivalente a quella dell’occhio umano.
Per quanto concerne gli “Esami Visivi Remotizzati”, le attrezzature maggiormente utilizzate in numerosi campi applicativi risultano essere i boroscopi (Figura 6.5), gli endoscopi, i fibroscopi e le microtelecamere che vengono scelti di volta in volta a seconda delle caratteristiche geometriche, dimensionali e strutturali della superficie in esame.
L'utilizzo di telecamere collegate ad unità di elaborazione elettronica delle immagini
presenta notevoli vantaggi, quali ad esempio la possibilità di ingrandimento delle zone di
particolare interesse già caratterizzata da una buona definizione, registrare quanto
Capitolo 5 TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
77 ispezionato, utilizzare particolari algoritmi per diminuire l'effetto delle false indicazioni o del “rumore di fondo” nella interpretazione e valutazione dei risultati, etc.
E’ chiaro che sia l’ottica del dispositivo che la risoluzione di questo in termini di numero di pixel risultano di notevole importanza, in particolare devono permettere la perfetta visualizzazione del difetto che si vuole osservare.
5.2.1 Acquisizione immagini con il boroscopio
Con il boroscopio a disposizione presso il C.R.T.M. , durante lo svolgimento delle prove, sono stati effettuati dei controlli intermedi che hanno permesso, in modo semplice e veloce senza dover smontare gli ingranaggi dal banco prova, di visualizzare l’evolversi dello stato superficiale delle dentature delle ruote in prova, attraverso questa indagine è possibile documentare il danneggiamento solo da un punto di vista qualitativo.
Figura 5—1 : Boroscopio
Figura 5—2 : Superficie del dente vista al boroscopio
78 5.2.2 Acquisizione automatica delle immagini.
Attraverso l’uso di una telecamera digitale che consente di trasferire direttamente le informazioni al PC, è possibile effettuare una valutazione qualitativa del danneggiamento superficiale, ad un dato istante della vita delle ruote in prova, e del suo avanzamento.
Per automatizzare l’acquisizione delle immagini e garantire la ripetibilità del posizionamento del fianco del dente da esaminare rispetto al cono visivo della telecamera viene utilizzata una attrezzatura realizzata presso il DIMNP che consente il controllo del posizionamento relativo tra ruota e telecamera; per utilizzare questa attrezzatura, la ruota e l’albero a cui essa è fissata devono essere smontati dal banco e posizionati sull’attrezzatura stessa; Questa operazione è molto dispendiosa in termini di tempo, essendo necessari circa 180 minuti per le tre fasi necessarie :
Smontaggio dal banco;
Acquisizione delle immagini;
Montaggio sul banco.
Per ridurre i tempi di questa analisi, nell’ambito di questa tesi, è stata realizzata una attrezzatura di acquisizione automatica delle immagini che effettua l’acquisizione direttamente sul banco prova senza richiedere lo smontaggio delle ruote dal banco. In questo modo si arriva ad un tempo di analisi di circa 50 minuti comprensivo di montaggio e smontaggio dell’attrezzatura.
Nel seguito verranno descritti i due sistemi.
5.2.2.1 Attrezzatura di acquisizione automatica delle immagini presente al DIMNP
L’attrezzatura (Figura 5—3) presente presso il CRTM è costituita da un supporto dove
sono alloggiati due cuscinetti a rulli, da un motore passo-passo che consente di ruotare
l’albero, dove è montata la ruota test, da un laser per ottenere il corretto posizionamento,
da una serie di guide che facilitano il posizionamento e l’orientamento della telecamera
digitale, della sorgente di luce e di possibili altri strumenti di diagnostica che è possibile
posizionare su questa incastellatura.
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79 Il moto di rotazione viene trasmesso dal motore all’albero attraverso un giunto flessibile e tramite una barra filettata, fissata con dadi, all’albero porta ruota. Da notare che l’albero porta ruota è lo stesso che viene montato nel banco prova ingranaggi; questo permette un notevole risparmio di tempo, semplificando le operazioni di montaggio e smontaggio.
Figura 5—3 : Complessivo attrezzatura acquisizione immagini
Il processo di acquisizione automatica delle immagini è realizzato mediante l’uso di un pannello frontale implementato nell’ambiente di programmazione grafica LabView
®. Attraverso questo pannello è possibile :
controllare la telecamera agendo sulla messa a fuoco, sullo zoom e sui tempi degli scatti.
controllare il motore impostando il numero di passi e la direzione di rotazione oppure passando automaticamente a un dente qualsiasi una volta impostato il dente di partenza.
Impostare i dati identificativi della prova a cui è stata sottoposta la ruota e identificare in modo univoco i denti fotografati.
Attraverso l’acquisizione automatica delle immagini è possibile avere uno storico
dettagliato della superficie della dentatura in tempi ridotti e inoltre è possibile estrapolare
ulteriori informazioni attraverso la possibilità di elaborazione dell’immagine utilizzando le
funzioni di Digital Image Processing a disposizione nei diversi ambienti di
programmazione, quali Matchad® e Matlab® .
80 5.2.2.2 Nuova attrezzatura di acquisizione automatica delle immagini
Uno degli obiettivi di questa tesi è stata la realizzazione di un sistema che consentisse sia una valutazione quantitativa del danneggiamento superficiale ad un dato istante della vita del provino, sia la valutazione del suo avanzamento, il tutto con tempi di acquisizione ridoti rispetto agli strumenti già in uso presso il laboratorio CRTM. A tale scopo è stato previsto l’utilizzo di due telecamere digitali che consentono di trasferire direttamente le informazioni al PC.
Per automatizzare l’acquisizione delle immagini e garantire la ripetibilità del posizionamento del fianco dente da esaminare rispetto al cono visivo della telecamera è stata disegnata e realizzata una apposita attrezzatura che consente il posizionamento relativo tra ruota e telecamera.
L’attrezzatura rappresentata sinteticamente in Figura 5—6 permette l’analisi dello stato superficiale delle dentature campione in prova sul banco RENK direttamente sul banco stesso senza la necessità di dover smontare le ruote dai loro alloggiamenti.
Figura 5—4 : Pannello frontale del sistema acquisizione immagini
Dente 79 Dente 78 Dente 77
Figura 5—5 : Esempio immagini elaborate con l’attrezzatura acquisizione immagini
Capitolo 5 TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
81 Questa è composta da :
• Telaio di supporto che viene montato sul carter di alloggiamento dei test articles.
• Un servomotore collegato ad un sistema a bilanciere per la movimentazione dei test articles
• Un servomotore che attraverso un sistema a glifo movimenta un’asta a cui è collegato un sistema di specchi che funge da riferimento
• Due telecamere per l’acquisizione delle immagini
• Led per l’illuminazione delle zone da acquisire
• Rete ad aria compressa per la pulizia della superficie dei test articles
L’attrezzatura viene montata sulla sede coperchio del carter di alloggiamento dei test articles, dotato di fori filettati e spine di riferimento, garantendola ripetibilità del posizionamento.
Figura 5—6 : Layout attrezzatura acquisizione immagini SERVOMOTORI
BILANCIERE
ASTA RIFERIMENTO
TELECAMERE
LED
SPECCHI ARIA COMPRESSA82 Il servomotore collegato ad un sistema a bilanciere fa ruotare il test articles di un dente alla volta, il secondo servomotore collegato ad un asta di riferimento garantisce il posizionamento univoco e ripetibile dei denti rispetto alle telecamere; l’illuminazione è garantita da una serie di led.
Il sistema ad aria compressa permette, attraverso un getto concentrato, di liberare la superficie dei denti dal lubrificante residuo della prova.
Da notare che l’acquisizione delle immagini non è diretta ma viene acquisito il riflesso dell’immagine del dente prodotto da due lamine di acciaio lucidate a specchio; infatti dato l’esiguo spazio a disposizione all’interno del carter e le dimensioni ridotte dei denti dei test articles (vedi paragrafo 3.6.2) e inoltre la necessità di ridurre i tempi di acquisizione, è stato realizzato un sistema composto da un dente in PVC che incuneandosi tra due denti contigui garantisce la ripetibilità del posizionamento relativo tra denti e telecamere, a questo sono collegati i due specchi che riflettono l’immagine della superficie dei denti che viene acquisita dalle telecamere fisse poste in asse con gli specchi (Figura 5—7).
Figura 5—7 : Acquisizione tramite specchi
Capitolo 5 TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
83 Il sistema è interamente controllato via software mediante l’uso di un pannello frontale implementato nell’ambiente di programmazione grafica LabView
®(Figura 5—8.
Attraverso questo pannello è possibile :
• Controllare il movimento dei servomotori che eseguono un moto rotatorio, comandabile tramite PC, con step di 1 deg e con velocità operativa di 0.19sec/60 degrees .
• Controllare la telecamera eseguendo gli scatti all’istante desiderato
• Controllare mediante elettrovalvola l’azionamento dell’aria compressa.
• Impostare i dati identificativi della prova a cui è stata sottoposta la ruota e identificare in modo univoco i denti fotografati.
Il vantaggio del seguente sistema è la possibilità di acquisire direttamente sul banco prova le immagini della superficie di tutti i denti riducendo notevolmente i tempi di acquisizione, in Figura 5—9 è presente un immagine del prototipo realizzato.
In appendice B è presente un sunto della relazione costruttiva presente presso il laboratorio CRTM.
Figura 5—8 : Pannello frontale del sistema acquisizione immagini
84
Figura 5—9 : Immagine del prototipo realizzato
Capitolo
5.2.3
Un altro strume
superficie delle ruote è il microscopio , che consente di acquisire le immagini delle dentature a diversi ingrandimenti, mediante l’uso di una fotocamera digitale.
Il microscopio comprende dispositivi
16, 25, 40; inoltre è predisposto per ospitare l’oculare di una macchina fotografica.
Di seguito sono ripo
come sia possibile fare una stima più accurata, rispetto ai metodi prima proposti, dell’entità del danno, in particolar modo dell’estensione e della morfologia, ma non è possibile aprezz
Capitolo 5
5.2.3 Immagini
Un altro strume
superficie delle ruote è il microscopio , che consente di acquisire le immagini delle dentature a diversi ingrandimenti, mediante l’uso di una fotocamera digitale.
Il microscopio comprende
dispositivi di regolazione della messa a fuoco e dell’ingrandimento, che varia tra 6.5, 10, 16, 25, 40; inoltre è predisposto per ospitare l’oculare di una macchina fotografica.
Di seguito sono ripo
come sia possibile fare una stima più accurata, rispetto ai metodi prima proposti, dell’entità del danno, in particolar modo dell’estensione e della morfologia, ma non è possibile aprezzarne la profondità; per fare questo si ricorrerà a strumenti più sofisticati.
mmagini al microscopio.
Un altro strumento a disposizione per documentare il danneggiamento presente sulla superficie delle ruote è il microscopio , che consente di acquisire le immagini delle dentature a diversi ingrandimenti, mediante l’uso di una fotocamera digitale.
Il microscopio comprende
di regolazione della messa a fuoco e dell’ingrandimento, che varia tra 6.5, 10, 16, 25, 40; inoltre è predisposto per ospitare l’oculare di una macchina fotografica.
Di seguito sono riportati alcuni esempi di immagini acquisite con il microscopio, si nota come sia possibile fare una stima più accurata, rispetto ai metodi prima proposti, dell’entità del danno, in particolar modo dell’estensione e della morfologia, ma non è possibile
arne la profondità; per fare questo si ricorrerà a strumenti più sofisticati.
al microscopio.
nto a disposizione per documentare il danneggiamento presente sulla superficie delle ruote è il microscopio , che consente di acquisire le immagini delle dentature a diversi ingrandimenti, mediante l’uso di una fotocamera digitale.
Il microscopio comprende una struttura porta otica, un piano porta campioni e dei di regolazione della messa a fuoco e dell’ingrandimento, che varia tra 6.5, 10, 16, 25, 40; inoltre è predisposto per ospitare l’oculare di una macchina fotografica.
rtati alcuni esempi di immagini acquisite con il microscopio, si nota come sia possibile fare una stima più accurata, rispetto ai metodi prima proposti, dell’entità del danno, in particolar modo dell’estensione e della morfologia, ma non è possibile
arne la profondità; per fare questo si ricorrerà a strumenti più sofisticati.
Figura 5—
TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
al microscopio.
nto a disposizione per documentare il danneggiamento presente sulla superficie delle ruote è il microscopio , che consente di acquisire le immagini delle dentature a diversi ingrandimenti, mediante l’uso di una fotocamera digitale.
una struttura porta otica, un piano porta campioni e dei di regolazione della messa a fuoco e dell’ingrandimento, che varia tra 6.5, 10, 16, 25, 40; inoltre è predisposto per ospitare l’oculare di una macchina fotografica.
rtati alcuni esempi di immagini acquisite con il microscopio, si nota come sia possibile fare una stima più accurata, rispetto ai metodi prima proposti, dell’entità del danno, in particolar modo dell’estensione e della morfologia, ma non è possibile
arne la profondità; per fare questo si ricorrerà a strumenti più sofisticati.
—10 : Immagini al micros
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nto a disposizione per documentare il danneggiamento presente sulla superficie delle ruote è il microscopio , che consente di acquisire le immagini delle dentature a diversi ingrandimenti, mediante l’uso di una fotocamera digitale.
una struttura porta otica, un piano porta campioni e dei di regolazione della messa a fuoco e dell’ingrandimento, che varia tra 6.5, 10, 16, 25, 40; inoltre è predisposto per ospitare l’oculare di una macchina fotografica.
rtati alcuni esempi di immagini acquisite con il microscopio, si nota come sia possibile fare una stima più accurata, rispetto ai metodi prima proposti, dell’entità del danno, in particolar modo dell’estensione e della morfologia, ma non è possibile
arne la profondità; per fare questo si ricorrerà a strumenti più sofisticati.
: Immagini al microscopio
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nto a disposizione per documentare il danneggiamento presente sulla superficie delle ruote è il microscopio , che consente di acquisire le immagini delle dentature a diversi ingrandimenti, mediante l’uso di una fotocamera digitale.
una struttura porta otica, un piano porta campioni e dei di regolazione della messa a fuoco e dell’ingrandimento, che varia tra 6.5, 10, 16, 25, 40; inoltre è predisposto per ospitare l’oculare di una macchina fotografica.
rtati alcuni esempi di immagini acquisite con il microscopio, si nota come sia possibile fare una stima più accurata, rispetto ai metodi prima proposti, dell’entità del danno, in particolar modo dell’estensione e della morfologia, ma non è possibile
arne la profondità; per fare questo si ricorrerà a strumenti più sofisticati.
opio
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nto a disposizione per documentare il danneggiamento presente sulla superficie delle ruote è il microscopio , che consente di acquisire le immagini delle dentature a diversi ingrandimenti, mediante l’uso di una fotocamera digitale.
una struttura porta otica, un piano porta campioni e dei di regolazione della messa a fuoco e dell’ingrandimento, che varia tra 6.5, 10, 16, 25, 40; inoltre è predisposto per ospitare l’oculare di una macchina fotografica.
rtati alcuni esempi di immagini acquisite con il microscopio, si nota come sia possibile fare una stima più accurata, rispetto ai metodi prima proposti, dell’entità del danno, in particolar modo dell’estensione e della morfologia, ma non è possibile
arne la profondità; per fare questo si ricorrerà a strumenti più sofisticati.
TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
85 nto a disposizione per documentare il danneggiamento presente sulla superficie delle ruote è il microscopio , che consente di acquisire le immagini delle
una struttura porta otica, un piano porta campioni e dei di regolazione della messa a fuoco e dell’ingrandimento, che varia tra 6.5, 10,
rtati alcuni esempi di immagini acquisite con il microscopio, si nota
come sia possibile fare una stima più accurata, rispetto ai metodi prima proposti, dell’entità
del danno, in particolar modo dell’estensione e della morfologia, ma non è possibile
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5.3 Rilievi Rugosimetrici
Lo scopo dell’esecuzione di rilievi rugosimetrici può essere riassunto in:
• Monitorare l’andamento dei principali parametri statistici che descrivono la rugosità superficiale durante l’esercizio;
• Valutare le trasformazioni quantitative (R
a) e qualitative (momenti spettrali e centrali) della rugosità;
• Valutare se ed in quale momento della vita operativa compaiono fenomeni di danneggiamento superficiale, dove questi sono eventualmente localizzati sul fianco del dente e la loro entità.
La misura di una superficie viene effettuata facendo scorrere lo strumento di misura su di essa .Lo strumento, ad intervalli fissi in funzione della sua risoluzione, registra l’altezza della superficie rispetto ad uno zero arbitrario fissato in precedenza; il risultato di questo procedimento è un insieme di dati che rappresentano le altezze misurate.
Questi dati possono essere considerati in due modi differenti: come un segnale campionato con una certa frequenza oppure come una serie di dati statistici. Se consideriamo il profilo misurato come un segnale campionato è possibile catalogare arbitrariamente diversi fenomeni in base alla loro lunghezza d’onda :
Oscillazioni con lunghezza d’onda molto elevata (basse frequenze) sono quelle caratteristiche degli errori di forma o dell’eventuale curvatura della superficie;
Oscillazioni a lunghezza d’onda intermedia sono caratteristiche dell’ondulazione;
Oscillazioni a bassa lunghezza d’onda (alte frequenze) sono corrispondenti alla rugosità vera e propria.
Gli errori di forma e l’ondulazione sono errori abbastanza controllabili del processo produttivo, mentre la rugosità è intrinseca alla lavorazione delle superfici.
Si definiscono :
Ondulazione (Waviness) : l’oscillazione a bassa frequenza del profilo misurato;
Rugosità (Roughness) : l’oscillazione ad alta frequenza della superficie misurata;
Texture : la somma di ondulazione e rugosità;
Lay : la direzione preferenziale della texture.
Capitolo 5 TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
87 In base a quanto detto in precedenza si possono definire i seguenti profili derivanti da misura :
Profilo tracciato: profilo misurato dallo strumento, è sempre relativo al piano di riferimento dello strumento;
Profilo di forma: profilo nominale come risulta rispetto allo strumento di misura;
Profilo primario: profilo tracciato una volta sottratto il profilo di forma;
Profilo modificato: profilo misurato trattato con opportuni filtri in modo da evidenziare degli aspetti particolari ( rugosità, ondulazione);
Profilo di texture: profilo misurato sottratto dal profilo teorico e degli errori di forma.
5.3.1 Differenze tra profilo reale e profilo misurato.
Una tipica suddivisione della corsa fisica del tastatore è mostrata in Figura 5—11.
Come si può notare, la misura non viene effettuata durante tutta la corsa fisica principalmente per due motivi: in primo luogo a causa dei transitori in avvio e arresto dei dispositivi che movimentano la punta, in secondo luogo a causa dei tempi necessari ad eventuali filtri (elettronici o meccanici) per stabilizzarsi.
La corsa di misura è suddivisa in diversi segmenti di campionatura: i valori statistici che il rugosimetro fornisce sono la media dei valori statistici sui singoli segmenti.
Figura 5—11: Suddivisione della corsa fisica dello strumento di misura
Il profilo ottenuto non rappresenta il profilo reale ma il risultato delle interazioni tra profilo e mezzo di misura. Nel suo moto il tastatore descrive quello che concettualmente può essere considerato un inviluppo della superficie reale.
Si osserva che l’inviluppo dipende dalle dimensioni del tastatore e dalla natura (in tre
dimensioni) della rugosità. Bisogna quindi tenere presente che alcune informazioni sulla
superficie reale della rugosità vengono perse durante la misura, in modo particolare le
informazioni circa la natura della superficie alle alte/altissime frequenze.
88 5.3.2 Il filtraggio dei profili.
La separazione dei diversi profili avviene applicando al profilo tracciato opportuni filtri che separino i contributi di segnali a frequenze differenti, questi filtri sono tipicamente classificati in tre categorie:
Passa-Alti : filtrano le basse frequenze ed evidenziano la rugosità;
Passa-Bassi: filtrano le alte frequenze ed evidenziano l’ondulazione (e/o eventuali curvature del profilo che possono essere considerate oscillazioni a bassissima frequenza);
Passa-Banda: filtri che estraggono le prefissate parti dello spettro lasciando, ad esempio ondulazione e rugosità e filtrano le altissime e le bassissime frequenze (rumore e forma della superficie).
I filtri digitali
La maggior parte dei profilometri moderni invece di applicare dei filtri durantela scansione registrano in forma digitale le misurazioni effettuate in modo da poter applicare, in seguito, i filtri ritenuti più idonei e testare il comportamento di filtri differenti.
I filtri digitali sono implementati mediante convoluzione del profilo misurato con una funzione “peso”. Se z(x) è l’andamento dell’altezza del profilo e h(x) è la funzione “peso”
si ha che il segnale filtrato è dato da:
( ) x = ∫ z ( x + x ) ( ) ⋅ h x ⋅ dx
z
filt o oDesiderando in genere operare nel dominio delle frequenze si utilizza la trasformata di Fourier della funzione peso. Se h(t) = h(x = v·t) si ha che:
( ) ∫
∞( )
∞
−
⋅
⋅
⋅
⋅
−
⋅
⋅
= h t e dt
f
H
i2π fte quindi :
) (
)
( λ H f v λ
xH = =
La risposta in frequenza del filtro è data dall’ampiezza di H(λ).
Il filtraggio di un segnale comporta in ogni caso una trasformazione dello stesso. Bisogna
quindi porre una certa attenzione e ricordare sempre che i dati ottenuti sono stati
modificati. L’entità e la natura delle modifiche dipende, caso per caso, dalle interazioni tra
il profilo (inteso come segnale) ed il tipo di filtro utilizzato.
Capitolo
Per applicare questi filtri è necessario fissare delle soglia tra l’eliminazione e l’estrazione del profilo.
Il filtraggio di un segnale comporta in
quindi porre una certa attenzione e ricordare sempre che i dati ottenuti sono stati modificati. L’entità e la natura delle modifiche dipende, caso per caso, dalle interazioni tra il profilo (inteso come se
Come detto il profilo misurato può essere soggetto a varie operazioni di filtraggio per evidenziare caratteristiche particolari.
A titolo di esempio è significativo osservare quanto viene trascurato con diverse lungh di cutoff
primo caso (a) l’elevata lunghezza di cutoff fa sì che tutta la rugosità
contrario, nel caso (b), l’ondulazione è completamente filtrata.
I filtri
I filtri Gaussiani sono largamente utilizzati poiché sono molto utili per separare ondulazione e rugosità
lunghezza
Capitolo 5
Per applicare questi filtri è necessario fissare delle soglia tra l’eliminazione e l’estrazione del profilo.
Il filtraggio di un segnale comporta in
quindi porre una certa attenzione e ricordare sempre che i dati ottenuti sono stati modificati. L’entità e la natura delle modifiche dipende, caso per caso, dalle interazioni tra il profilo (inteso come se
Come detto il profilo misurato può essere soggetto a varie operazioni di filtraggio per evidenziare caratteristiche particolari.
A titolo di esempio è significativo osservare quanto viene trascurato con diverse lungh di cutoff;In Figura
primo caso (a) l’elevata lunghezza di cutoff fa sì che tutta la rugosità al prezzo di una vistosa diminuzione d
contrario, nel caso (b), l’ondulazione è completamente filtrata.
Figura
I filtri gaussiani
I filtri Gaussiani sono largamente utilizzati poiché sono molto utili per separare ondulazione e rugosità
lunghezza di cutoff.
Per applicare questi filtri è necessario fissare delle soglia tra l’eliminazione e l’estrazione del profilo.
Il filtraggio di un segnale comporta in
quindi porre una certa attenzione e ricordare sempre che i dati ottenuti sono stati modificati. L’entità e la natura delle modifiche dipende, caso per caso, dalle interazioni tra il profilo (inteso come segnale) ed il tipo di filtro utilizzato.
Come detto il profilo misurato può essere soggetto a varie operazioni di filtraggio per evidenziare caratteristiche particolari.
A titolo di esempio è significativo osservare quanto viene trascurato con diverse lungh Figura 5—12 è mostrato quello che il filtro elimina dal profilo misurato. Nel primo caso (a) l’elevata lunghezza di cutoff fa sì che tutta la
al prezzo di una vistosa diminuzione d
contrario, nel caso (b), l’ondulazione è completamente filtrata.
Figura 5—12 : Superficie del dente filt
I filtri Gaussiani sono largamente utilizzati poiché sono molto utili per separare ondulazione e rugosità, in quanto
di cutoff.
Per applicare questi filtri è necessario fissare delle soglia tra l’eliminazione e l’estrazione del profilo.
Il filtraggio di un segnale comporta in
quindi porre una certa attenzione e ricordare sempre che i dati ottenuti sono stati modificati. L’entità e la natura delle modifiche dipende, caso per caso, dalle interazioni tra
gnale) ed il tipo di filtro utilizzato.
Come detto il profilo misurato può essere soggetto a varie operazioni di filtraggio per evidenziare caratteristiche particolari.
A titolo di esempio è significativo osservare quanto viene trascurato con diverse lungh è mostrato quello che il filtro elimina dal profilo misurato. Nel primo caso (a) l’elevata lunghezza di cutoff fa sì che tutta la
al prezzo di una vistosa diminuzione d
contrario, nel caso (b), l’ondulazione è completamente filtrata.
Superficie del dente filt
I filtri Gaussiani sono largamente utilizzati poiché sono molto utili per separare , in quanto hanno una risposta in frequenza molto ripida vicino alla TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
Per applicare questi filtri è necessario fissare delle soglia tra l’eliminazione e l’estrazione del profilo.
Il filtraggio di un segnale comporta in ogni caso una trasformazione dello stesso. Bisogna quindi porre una certa attenzione e ricordare sempre che i dati ottenuti sono stati modificati. L’entità e la natura delle modifiche dipende, caso per caso, dalle interazioni tra
gnale) ed il tipo di filtro utilizzato.
Come detto il profilo misurato può essere soggetto a varie operazioni di filtraggio per
A titolo di esempio è significativo osservare quanto viene trascurato con diverse lungh è mostrato quello che il filtro elimina dal profilo misurato. Nel primo caso (a) l’elevata lunghezza di cutoff fa sì che tutta la
al prezzo di una vistosa diminuzione dell’area utile causata proprio dal filtro. Al contrario, nel caso (b), l’ondulazione è completamente filtrata.
Superficie del dente filtrata con λ
I filtri Gaussiani sono largamente utilizzati poiché sono molto utili per separare hanno una risposta in frequenza molto ripida vicino alla TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
Per applicare questi filtri è necessario fissare delle lunghezze di cutoff soglia tra l’eliminazione e l’estrazione del profilo.
ogni caso una trasformazione dello stesso. Bisogna quindi porre una certa attenzione e ricordare sempre che i dati ottenuti sono stati modificati. L’entità e la natura delle modifiche dipende, caso per caso, dalle interazioni tra
gnale) ed il tipo di filtro utilizzato.
Come detto il profilo misurato può essere soggetto a varie operazioni di filtraggio per
A titolo di esempio è significativo osservare quanto viene trascurato con diverse lungh è mostrato quello che il filtro elimina dal profilo misurato. Nel primo caso (a) l’elevata lunghezza di cutoff fa sì che tutta la
ell’area utile causata proprio dal filtro. Al contrario, nel caso (b), l’ondulazione è completamente filtrata.
rata con λc = 1.5mm (a) e con con
I filtri Gaussiani sono largamente utilizzati poiché sono molto utili per separare hanno una risposta in frequenza molto ripida vicino alla TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
lunghezze di cutoff, ossia le frequenze di
ogni caso una trasformazione dello stesso. Bisogna quindi porre una certa attenzione e ricordare sempre che i dati ottenuti sono stati modificati. L’entità e la natura delle modifiche dipende, caso per caso, dalle interazioni tra
Come detto il profilo misurato può essere soggetto a varie operazioni di filtraggio per
A titolo di esempio è significativo osservare quanto viene trascurato con diverse lungh è mostrato quello che il filtro elimina dal profilo misurato. Nel primo caso (a) l’elevata lunghezza di cutoff fa sì che tutta la texture
ell’area utile causata proprio dal filtro. Al contrario, nel caso (b), l’ondulazione è completamente filtrata.
c = 1.5mm (a) e con con λc = 0.1mm (b
I filtri Gaussiani sono largamente utilizzati poiché sono molto utili per separare hanno una risposta in frequenza molto ripida vicino alla TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
, ossia le frequenze di
ogni caso una trasformazione dello stesso. Bisogna quindi porre una certa attenzione e ricordare sempre che i dati ottenuti sono stati modificati. L’entità e la natura delle modifiche dipende, caso per caso, dalle interazioni tra
Come detto il profilo misurato può essere soggetto a varie operazioni di filtraggio per
A titolo di esempio è significativo osservare quanto viene trascurato con diverse lungh è mostrato quello che il filtro elimina dal profilo misurato. Nel
texture sia considerata ell’area utile causata proprio dal filtro. Al
λc = 0.1mm (b
I filtri Gaussiani sono largamente utilizzati poiché sono molto utili per separare hanno una risposta in frequenza molto ripida vicino alla TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
89 , ossia le frequenze di
ogni caso una trasformazione dello stesso. Bisogna quindi porre una certa attenzione e ricordare sempre che i dati ottenuti sono stati modificati. L’entità e la natura delle modifiche dipende, caso per caso, dalle interazioni tra
Come detto il profilo misurato può essere soggetto a varie operazioni di filtraggio per
A titolo di esempio è significativo osservare quanto viene trascurato con diverse lunghezze è mostrato quello che il filtro elimina dal profilo misurato. Nel sia considerata ell’area utile causata proprio dal filtro. Al
I filtri Gaussiani sono largamente utilizzati poiché sono molto utili per separare
hanno una risposta in frequenza molto ripida vicino alla
90 Un altro vantaggio di questo filtro è dato dal fatto che applicandolo ad una funzione statistica con una distribuzione gaussiana questa rimane tale anche nel dominio delle frequenze. La funzione peso di un filtro di Gauss è data da:
− ⋅
⋅ ⋅
=
2
1 exp )
(
c c
x x
h α λ α λ
con λ
clunghezza di cutoff. Nel domino delle frequenze si ha quindi:
− ⋅ ⋅
⋅
=
22 2
exp )
( λ
λ α
λ π
cH
con λ
cfissato imponendo che alla lunghezza di cutoff si abbia una attenuazione del 50%.
5.3.3 Misure
L’evoluzione dello ostato delle superfici, prima e dopo l’esercizio, può essere fonte di preziose informazioni sulle condizioni di contatto e sulla prospettiva di vita di un componente rispetto a fenomeni di usura superficiale, come il pitting. Allo scopo di comprendere meglio e caratterizzare il contatto tra le ruote dentate devono essere effettuate diverse misurazioni della rugosità superficiale in differenti fasi della storia di carico di tali ruote
Figura 5—13 : Posizione sul fianco del dente dell’area di misura
Capitolo 5 TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
91 5.3.4 Layout
La configurazione complessiva delle attrezzature durante le prove è illustrata in Figura 5—
14
Figura 5—14 : Layout generale durante le misure
L’attrezzatura utilizzata per eseguire misure di rugosità è costituita da:
• Rugosimetro T8000 , le cui caratteristiche tecniche sono riportate nel seguito;
• Slitta Hommelwerke TYP: Y-positionerer 2.6 mym;
• Supporto motorizzato per alberi porta ruota;
• Albero di alloggiamento per ruota realizzato da DIMNP;
• Tavolo pneumostatico suddiviso in 34 x 46 fuori filettati (da usare per posizionare l’attrezzatura), come mostrato in Figura 5—14;
• Attrezzatura porta ruota;
• Puntatore laser dedicato alla determinazione del corretto posizionamento angolare della ruota;
• Telecamerera per il controllo a distanza del posizionamento della ruota;
• PC Hommel, che tramite il software TRWin, controlla il movimento del rugosimetro e della slitta, e gestisce l’acquisizione, l’elaborazione e l’archiviazione dei dati;
Laser Rugosimetro
Telecamera
Tavolo
Pneumostatico Attrezzatura
portaruota Slitta
Unità di
alimentazione
92
• PC, che tramite il software Controllo Attrezzatura rugosimetria, controlla il motorino passo-passo installato sul supporto motorizzato per alberi porta ruota, e l’acquisizione della telecamera.
5.3.5 Modalità di prova
La misura della rugosità viene effettuata mediante il rugosimetro T8000 con le impostazioni riportate nella seguente tabella:
Tastatore TK100
Campo di misurazione 80 µm
LV LV150/RV150 Nessuna sincronizzazione Corsa di scansione 3 mm
Velocità di scansione 0.15 mm/s Lc Lunghezza di cutoff 0.8 mm
Filtro ISO 11562(M1)
Lc/Ls 100
Risoluzione 0.75 µm
Ogni ciclo di misura consiste in una topografia superficiale. E’ prevista la misura di una porzione 3 mm x 3mm del fianco attivo del dente che comprenda la mezzeria del dente stesso, ma spostata verso una delle estremità in modo da poter osservare eventuali asimmetrie nell’evoluzione della superficie in seguito ad un’eventuale danneggiamento.
Nella direzione radice-testa il fianco attivo viene misurato quasi nella sua interezza, e l’area di misura viene suddivisa tramite 301 scansioni. Per quanto riguarda gli strumenti a disposizione riguardo alla topografia, ci si avvale dei seguenti operatori 3D:
• Immagine a colori falsi: è una rappresentazione detta “in piano” che fa corrispondere ad ogni quota un colore tratto da una tavolozza;
• Simulazione foto : realizza una visualizzazione in modo fotografico simulato;
Capitolo 5 TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
93
• Rappresentazione 3D reticolata: è la rappresentazione 3D di una superficie tramite un reticolo ;
• Rappresentazione 3D in sintesi: l’immagine è simile alla prcedente salvo che viene elaborata con simulazione della riflessione della luce sulla superficie;
• Curve di livelli: è una rappresentazione delle linee alla stessa quota. Le curve corrispondono a livelli distanziati regolarmente;
• Curva di Abbott-Firestone: l’istogramma delle profondità consente di osservare la densità di ripartizione della profondità nel profilo studiato. La curva di Abbott, invece, rappresenta l’andamento della frazione portante della superficie in funzione della’ampiezza delle ordinate; in realtà non è altro che la funzione cumulatrice della densità delle ordinate. Rappresenta quindi il tasso di importanza dei punti del profilo.
Lo studio della curva di Abbott-Firestone consente di visualizzare due curve:
La distribuzione statistica dei punti del profilo ;
La curva della distribuzione viene letta sull’asse sull’asse orizzontale superiore; la curva di Abbott-Firestone sull’asse inferiore. I due assi orizzontali sono graduati in % della popolazione totale. L’asse la curva di Abbott-Firestone (curva cumulata della distribuzione delle profondità) verticale è comune alle due curve e graduato in unità verticale del profilo;
rappresenta le profondità dei punti del profilo.
• Distribuzione dei picchi: questo studio stabilisce una distribuzione dei picchi secondo la profondità di un piano di sezione verticale. Metodo di calcolo: per un certo numero di sezioni di profondità, si sezione la superficie con un piano orizzontale e si conta il numero di particelle (zone corrispondenti ai picchi) situate al di sopra del piano. L’operazione va ripetuta dal punto più alto fino al più basso.
La distribuzione da un’idea della distribuzione delle quote dei picchi.
• Parametri 3D:
1) Parametri di ampiezza: sono estrapolazioni dei parametri 2D normalizzati
nella norma ISO 4287. Tutti questi parametri sono definiti per un confronto con
il piano medio ottenuto tramite il livellamento del piano medio quadratico della
superficie misurata e quindi tramite il centraggio delle altezze attorno alla
media.
94
Sa : media aritmetica della deviazione dalla media
∑ ∑
−=
−
=
⋅ ⋅
=
10 1
0 ,
1
Nx M
y y
z
xM Sa N
Sq : media quadratica della deviazione dalla media. Calcola il valore efficace per l’ampiezza della superficie.
∑ ∑
−=
−
=
⋅
⋅ ⋅
=
10 1
0 2
,
1
Nx M
y y
z
xM Sq N
St : altezza totale della superficie. Altezza tra il picco più alto e la buca più profonda. Questo parametro è fornito in conformità ai parametri 2D.
Sp : picco più alto della superficie. Altezza tra il picco più alto ed il piano medio. Questo parametro è fornito in conformità ai parametri 2D.
Sv avvallamento più profondo della superficie. Profondità tra il piano medio e l’avvallamento più profondo.
Sz altezza dei 10 punti della superficie. Distanza media tra i 5 picchi più alti e le 5 buche più profonde .
Ssk simmetria della curva di distribuzione delle profondità. Un Ssk negativo indica che la superficie è composta principalmente da un altipiano e da avvallamenti profondi e sottili. In questo caso, la distribuzione è inclinata verso l’alto. Un Ssk positivo indica una superficie con molti picchi su un piano. In questo caso, la distribuzione è inclinata verso il basso. Per via del grande esponente utilizzato, questo parametro è molto sensibile alla campionatura e all’interferenza della misurazione.
∑ ∑
−=
−
=
⋅ ⋅
= ⋅
10 1
0 3 3 ,
1
Nx M
y y
z
xSq M Ssk N
Sku planarità della curva di distribuzione delle profondità.
Per via del grande esponente utilizzato, questo parametro è molto sensibile alla campionatura e all’interferenza della misurazione.
∑ ∑
−=
−
=
⋅ ⋅
= ⋅
10 1
0 4 4 ,
1
Nx M
y y
z
xSq
M
Sku N
Capitolo 5 TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
95 2) Parametri di superficie e di volume:
STp rapporto di appoggio ad una dat profondità. Si deve configurare questo parametro con una soglia di riferimento.
Per esempio 3 µm al di sotto del picco più alto, 1 µm al di sopra della media, 1 µm al di sopra della soglia prefissata al 20 % del Tp .
SHTp : altezza del rapporto di appoggio. Altezza che separa due rapporti di appoggio .
Smvr : volume medio del vuoto. Volume totale del vuoto della superficie ottenutomisurando lo spazio tra i punti della superficie ed il piano immaginario orizzontale posizionato all’altitudine massima della superficie .
Smmr : volume medio del materiale. Volume totale del
materiale della superficie ottenuto misurando lo spazio
tra un piano orizzontale immaginario posizionato
all’altitudine minima della superficie ed i punti della
superficie .
96
5.4 Analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM)
Il microscopio elettronico a scansione può essere definito, molto sinteticamente, come un laboratorio operante ad un elevato valore di vuoto e nel quale un opportuno campione viene fatto interagire con un fascio elettronico a elevata energia.
Figura 5—15 : Microscopio elettronico a scansione : SEM
Dalle modificazioni provocate nella struttura atomica del preparato dall’elettrone primario, vengono originati e raccolti numerosi segnali, utilizzabili per la formazione di immagini relative alla struttura morfologica del campione e alla sua composizione chimico-fisica.
A grandi linee, il principio di funzionamento di un SEM può essere cosi riassunto: un fascio elettronico, generato da una opportuna sorgente, viene focalizzato da un sistema di lenti elettromagnetiche e mandato a esplorare secondo punti e linee sequenziali la superficie di un preparato.
Il segnale, generato a seguito dell’interazione prodotta, viene raccolto da un opportuno rivelatore e trasferito alla griglia di controllo di uno oscilloscopio a raggi catodici (CRT).
La modulazione prodotta permette di regolare l’intensità del fascio elettronico
dell’oscilloscopio stesso in funzione della quantità di segnale ricevuto, ottenendo
un’immagine corrispondente sullo schermo del CRT. Poiché il trasferimento sequenziale
del pennello elettronico sul preparato viene prodotto da un generatore di scansione che
contemporaneamente agisce in modo sincrono sull’avvolgimento di deflessione del fascio
elettronico dell’oscilloscopio , esiste perfetta corrispondenza tra il segnale proveniente dal
campione e l’immagine ottenuta sullo schermo.
Capitolo 5 TECNICHE SPERIMENTALI D’INDAGINE
97 Il sistema che genera e trasferisce il fascio elettronico primario e il campione stesso devono essere posti in un elevato valore di vuoto a seguito delle proprietà intrinseche deglik elettroni veloci.
In relazione ai principi costitutivi e di funzionamento, è possibile sinteticamente elencarne le caratteristiche e le possibilità applicative:
• Requisiti del campione: frammenti di materiale entro un’estesa gamma dimensionale (da pochi mm
3sino all’ordine di grandezza dei cm
3).
• Informazioni ottenibili: relative, nel modo principale di impiego, alla superficie del campione , con la formazione di immagini di aspetto tridimensionale.
• Sistema illuminante: sorgente ottenuta da un filamento di tungsteno riscaldato sottovuoto. Focalizzazione del fascio mediante lenti magnetiche ed esplorazione della superficie del campione secondo una serie sequenziale di linee.
• Sistema di formazione dell’immagine: non esistono lenti magnetiche al di fuori di quella utilizzata per la focalizzazione del fascio. L’immagine viene ottenuta sulla superficie di un tubo a raggi catodici, mediante elaborazione elettronica del segnale proveniente dal campione.
• Sistema del vuoto: deve essere in grado di garantire l’ottenimento di valori di vuoto dell’ordine di 10
-4e 10
-6torr . E’ generalmente costituito dall’accoppiamento di pompe meccaniche e pompe a diffusione o di sistemi turbomolecolari.
• Formazione del contrasto: in rapporto all’intensità del segnale rappresentato dall’emissione di elettroni secondari si notano sullo schermo fosforescente del tubo a raggi catodici punti immagine di diversa intensità luminosa. L’intensità di emissione secondaria varia nei diversi punti del campione in rapporto alle caratteristiche di superficie e al diverso orientamento dei suoi particolari rispetto al detector di raccolta, in funzione dell’angolo di incidenza del fascio elettronico primario.
• Limite di risoluzione: è determinato principalmente dal diametro del fascio elettronico che esplora il campione e inoltre anche dalle caratteristiche superficiali del preparato.
Il SEM , sul quale sono state effettuate le analisi sulle ruote campione, è un modello
Joel5600 LVS che ha come sorgente di illuminazione del campione un catodo di tungsteno,
rilevatore di elettroni secondari (SE) e retrodiffusi (BSE) , rilevatore EDX e come sistema
pwer il vuoto usa l olio.
Con questa apparecchiatura si ottengono immagini con risoluzione di 1280 x 960 pixel e la particella più piccola rilevabile ad un ingrandimento di 10000 x
quell’ingrandimento un pixel è 10 pixel.
Di seguito sono mostrati alcuni esempi dei risultati trovati, in particolare riportato un esempio delle potenzialità del
ingrandimento di 7000 X pwer il vuoto usa l
Con questa apparecchiatura si ottengono immagini con risoluzione di 1280 x 960 pixel e la particella più piccola rilevabile ad un ingrandimento di 10000 x
l’ingrandimento un pixel è 10 pixel.
Di seguito sono mostrati alcuni esempi dei risultati trovati, in particolare riportato un esempio delle potenzialità del
ingrandimento di 7000 X
Figura
pwer il vuoto usa la combinazione di pompe meccaniche e pompe a diffusione a vapori di
Con questa apparecchiatura si ottengono immagini con risoluzione di 1280 x 960 pixel e la particella più piccola rilevabile ad un ingrandimento di 10000 x
l’ingrandimento un pixel è 10
Di seguito sono mostrati alcuni esempi dei risultati trovati, in particolare riportato un esempio delle potenzialità del
ingrandimento di 7000 X
Figura 5—17 : Immagine al SEM di una cricca con ingrandimento X 7 Figura 5—16 : Immagini al SEM;
a combinazione di pompe meccaniche e pompe a diffusione a vapori di
Con questa apparecchiatura si ottengono immagini con risoluzione di 1280 x 960 pixel e la particella più piccola rilevabile ad un ingrandimento di 10000 x
l’ingrandimento un pixel è 10 nm x 10 nm
Di seguito sono mostrati alcuni esempi dei risultati trovati, in particolare riportato un esempio delle potenzialità del
: Immagine al SEM di una cricca con ingrandimento X 7 : Immagini al SEM;
(a)
a combinazione di pompe meccaniche e pompe a diffusione a vapori di
Con questa apparecchiatura si ottengono immagini con risoluzione di 1280 x 960 pixel e la particella più piccola rilevabile ad un ingrandimento di 10000 x
nm x 10 nm
Di seguito sono mostrati alcuni esempi dei risultati trovati, in particolare
riportato un esempio delle potenzialità del SEM con l’immagine di una cricca con un
: Immagine al SEM di una cricca con ingrandimento X 7 : Immagini al SEM; (a) : fianco del dente , (b) : sezione del
a combinazione di pompe meccaniche e pompe a diffusione a vapori di
Con questa apparecchiatura si ottengono immagini con risoluzione di 1280 x 960 pixel e la particella più piccola rilevabile ad un ingrandimento di 10000 x
e la più piccola particella rilevabile è 3
Di seguito sono mostrati alcuni esempi dei risultati trovati, in particolare
SEM con l’immagine di una cricca con un
: Immagine al SEM di una cricca con ingrandimento X 7 (a) : fianco del dente , (b) : sezione del
a combinazione di pompe meccaniche e pompe a diffusione a vapori di
Con questa apparecchiatura si ottengono immagini con risoluzione di 1280 x 960 pixel e la particella più piccola rilevabile ad un ingrandimento di 10000 x è di 0,03
e la più piccola particella rilevabile è 3
Di seguito sono mostrati alcuni esempi dei risultati trovati, in particolare
SEM con l’immagine di una cricca con un
: Immagine al SEM di una cricca con ingrandimento X 7 (a) : fianco del dente , (b) : sezione del dente
a combinazione di pompe meccaniche e pompe a diffusione a vapori di
Con questa apparecchiatura si ottengono immagini con risoluzione di 1280 x 960 pixel e la è di 0,03 µm, perché a e la più piccola particella rilevabile è 3
Di seguito sono mostrati alcuni esempi dei risultati trovati, in particolare in Figura
SEM con l’immagine di una cricca con un
: Immagine al SEM di una cricca con ingrandimento X 7′′′′000 dente
