CAPITOLO 4
INGRANAGGI DA SIMULARE E
METODOLOGIA DI PROVA
In questo capitolo sono descritti gli ingranaggi aerospaziali da simulare ed è esposto il programma delle prove che è possibile eseguire con la macchina di prova a dischi.
4.1 GEOMETRIA E MATERIALI DEGLI INGRANAGGI
AEROSPAZIALI DA SIMULARE
Con il fine di migliorare le prestazioni degli ingranaggi, il dipartimento R&S della Avio S.p.A ha sviluppato speciali materiali e processi tecnologici. Tra i materiali citiamo i tre acciai AISI 9310, AISI 4320 e Pyrowear 53. I primi due sono dei materiali il cui impiego è consolidato nel settore aeronautico mentre il terzo è un materiale relativamente innovativo (noto dagli anni '80). In particolare il Pyrowear 53 trova impiego nella fabbricazione di ingranaggi aerospaziali per i quali l'esigenza principale è avere una buona durezza superficiale ed una elevata resistenza a rottura al core ad alte temperature. Il Pyrowear 53 è un acciaio carburizzato e temprato di cui le caratteristiche meccaniche e metallurgiche sono riportate in tabella 4-1.
PROPRIETA' FISICHE UNITA' MISURA VALORE
DENSITA' g/cc 7.8
PROPRIETA' MECCANICHE UNITA' MISURA VALORE
DUREZZA AL CORE ROCKWELL C 36
DUREZZA AL CASE ROCKWELL C 58
TENSIONE DI ROTTURA MPa 1172 ÷ 1331
TENSIONE DI SNERVAMENTO MPa 896 ÷ 1103
ALLUNGAMENTO A ROTTURA % 12 ÷ 18
RIDUZIONE DELL'AREA % 46 ÷ 66.5
TRATTAMENTO TERMICO UNITA' MISURA VALORE
PSEUDO-CEMENTAZIONE (7 ore) °C 927
INDURIMENTO IN OLIO (25 minuti) °C 913
RAFFREDDAMENTO (30 minuti) °C -73
TEMPRA (2 ore + 2 ore) °C 204
PROFONDITA' EFFICACE mm 0.25 ÷ 0.6
TRATTAMENTI MECCANICI UNITA' MISURA VALORE
RETTIFICA CON MOLE CBN - -
TENSIONE RESIDUA SUPERF. (fianco) MPa -750 ÷ -1000 TENSIONE RESIDUA SUPERF. (radice) MPa ∼ -150
COMPONENTE PERCENTUALE IN PESO
C 0.1 Cr 1 Cu 2 Fe 89.5 ÷ 90 Mn 0.35 Mo 3.25 Ni 2 Si 1 V 0.1
I processi tecnologici hanno riguardato soprattutto lo sviluppo di nuovi trattamenti termici in grado di aumentare la resistenza all'usura della dentatura e di mitigare l'attrito, consentendo al contempo di ridurre i costi di produzione.
La tabella 4-2 mostra le caratteristiche geometriche delle ruote dentate realizzate nei tre acciai sopra citati (AISI 9310, AISI 4320, Pyrowear 53) per dei tipici ingranaggi aerospaziali di cui si vuole simulare il contatto con la macchina a dischi; in figura 4-1 è riportata una fotografia che ritrae l'aspetto reale delle stesse dentature cilindriche.
CARATTERISTICHE VALORE
TIPO DENTATURA a denti dritti esterna
NUMERO DENTI 25 ÷ 80 - MODULO 1.75 ÷ 4 mm DIAMETRO PRIMITIVO 140 ÷ 190 mm ANGOLO DI PRESSIONE 22.5° , 25° LARGHEZZA DI FASCIA 12 mm RAPPORTO DI TRASMISSIONE 1:1 ÷ 5:1 -
Tabella 4-2. Caratteristiche geometriche degli ingranaggi aerospaziali da simulare.
4.2 CONDIZIONI DI ESERCIZIO DEGLI INGRANAGGI
AEROSPAZIALI DA SIMULARE
Il manifestarsi, negli ingranaggi AISI 9310, AISI 4320 e Pyrowear 53, di un determinato meccanismo di usura anziché di un altro (usura adesiva, grippaggio, macropitting, micropitting, usura abrasiva, usura per fatica a flessione, ecc.) oltre che dalle proprietà del materiale, dipende anche dalle condizioni di esercizio che si possono così riassumere:
Coppia, ovvero forza mutua sulla dentatura. Velocità periferica o di rotazione.
Tipo lubrificante.
Temperatura ingresso lubrificante. Portata ingresso lubrificante. Filtro lubrificante.
In tabella 4-3 sono riportati i valori dei parametri operativi di esercizio usati per prove sugli ingranaggi AISI 9310, AISI 4320 e Pyrowear 53 (aventi caratteristiche geometriche che rientrano nei valori descritti in precedenza), per studiare la resistenza al macropitting ed al micropitting come forma primaria di danneggiamento per un determinato valore della coppia applicata pari a 0 ÷ 1400 Nm.
CONDIZIONI DI ESERCIZIO
Tipo di Lubrificante - Aero Shell Turbine Oil 500
Temperatura Ingresso Lubrificante °C 100
Portata Ingresso Lubrificante l/min 18
Filtro Lubrificante µm 3
Velocità Rotazione Pignone (Vri) rpm ≥ 9500
Numero di Cicli - > 4*106
Tabella 4-3. Condizioni di esercizio per lo studio del macropitting e del micropitting.
Nei prossimi capitoli si definirà meglio il lubrificante Aero Shell Turbine Oil 500 in quanto è previsto il suo impiego nella macchina di prova a dischi.
In tabella 4-4, invece, sono riportati i valori dei parametri operativi di esercizio usati per prove sugli stessi ingranaggi per studiare la resistenza al grippaggio come forma primaria di danneggiamento per un determinato valore della coppia applicata pari a 0 ÷ 1400 Nm.
CONDIZIONI DI ESERCIZIO
Tipo di Lubrificante - diversi
Temperatura Ingresso Lubrificante °C 70 ÷ 180
Velocità Rotazione Pignone (Vri) rpm 18000
Numero di Cicli - > 0.5*106
Tabella 4-4. Condizioni di esercizio per lo studio del grippaggio.
Al di là dei parametri operativi di esercizio che provocano la comparsa di macropitting, micropitting e grippaggio per gli ingranaggi AISI 9310, AISI 4320 e Pyrowear 53 qui citati come esempio, la macchina di prova deve essere in grado, nei test effettuati, di consentire il raggiungimento del danneggiamento per fatica di contatto e a grippaggio in generale per gli ingranaggi impiegati in campo aerospaziale.
A tal proposito la macchina a dischi deve permettere la simulazione di ruote dentate aventi:
Una temperatura massima del lubrificante in ingresso nei provini pari a 180 °C.
Una velocità periferica massima di Vpdmax = 150 m/s.
4.3 METODO DI CONDOTTA DELLE PROVE CON LA
MACCHINA DA LABORATORIO
I principali tipi di prove che si possono effettuare con la macchina a dischi da laboratorio sono due: le prove di danneggiamento per fatica di contatto e le prove di danneggiamento a grippaggio.
Di seguito si descrive l'attività sperimentale per la determinazione della resistenza al danneggiamento per macropitting e micropitting (metodo di condotta indicato con la sigla "stair step method") e della resistenza al danneggiamento per grippaggio eseguita da ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione dell'Università di Pisa presso il Design Unit Gear Research Centre della Universtity of Newcastle Upon Tyne per conto della AVIO S.p.A. . Le note riportate hanno il solo scopo di mostrare gli aspetti principali di questo tipo di prove sperimentali, mostrando la metodologia adottata in questo caso, e non vogliono essere esaustive dell'argomento.
L'obbiettivo della prima tipologia di prove consiste nel determinare il valore di soglia della pressione di contatto Hertziana oltre la quale si verifica la comparsa di macropitting o micropitting per i provini a disco fabbricati nei tre acciai AISI 9310, AISI 4320 e Pyrowear 53 e trattati termicamente in superficie.
Dopo un rodaggio iniziale, si fa effettuare al disco pignone (rapporto di trasmissione pari ad 1.5) un determinato numero di cicli (nell'ordine del milione) nelle opportune condizioni di prova (valore fissato per pressione, velocità periferica, temperatura ingresso olio, portata ingresso lubrificante, filtro lubrificante, tipo di lubrificante) e poi si interrompe la prova.
Le superfici vengono, quindi, analizzate con l'aiuto di immagini per constatare l'eventuale innesco di macropitting o micropitting. Se c'è il danneggiamento si effettua un altro determinato numero di cicli nelle medesime condizioni di prova di prima in modo da verificare la progressione del danneggiamento e se ciò avviene si decreta la fine della prova; altrimenti nelle condizioni di prova si modifica il solo parametro della pressione di un opportuno valore (aumentandone il livello) e si effettua un altro determinato numero di cicli a queste nuove condizioni di prova, quindi si procede così fino a quando non fa la sua comparsa il macropitting o il micropitting.
L'obbiettivo delle prove di grippaggio è di testare il lubrificante rispetto a questo tipo di danneggiamento.
A tal proposito, dopo un rodaggio iniziale, in determinate condizioni di prova (valore fissato per velocità periferica, temperatura ingresso olio, tipo di lubrificante) si incrementa la pressione di contatto Hertziana per livelli fino a raggiungere il valore della pressione alla quale si osserva, mediante l'ausilio di immagini, il minimo danneggiamento della superficie, questo è la cosiddetta pressione di scuffing alla quale si verifica il fenomeno del grippaggio.
Tale procedura viene eseguita per differenti condizioni di prova, ad esempio a due temperature e per cinque velocità periferiche: ad ogni temperatura si associa ciascuno dei cinque livelli di velocità e per ogni combinazione di temperatura e livello di velocità si incrementa la pressione a step fino ad arrivare alla pressione di scuffing. Occorre sottolineare che il tempo e le condizioni di rodaggio (pressione, velocità periferica, temperatura) hanno un peso notevole sui risultati delle prove di danneggiamento per fatica di contatto così come avviene per le prove a grippaggio, anche se il grippaggio non è un fenomeno di fatica poiché si verifica nei primi cicli di funzionamento del sistema.
I parametri operativi di prova fissi nel caso di danneggiamento a grippaggio (vale a dire la velocità periferica, la temperatura, il tipo di lubrificante) o nel caso di danneggiamento per fatica di contatto (vale a dire la velocità periferica, la temperatura, il tipo di lubrificante e la portata, il filtro) sono definiti in modo da riprodurre al meglio le condizioni reali d'impiego cui sono sottoposti gli ingranaggi aerospaziali prodotti dalla AVIO S.p.A. e si rifanno ai parametri operativi di esercizio specificati nel paragrafo precedente 4.2 a proposito delle condizioni di esercizio che portano alla comparsa di grippaggio o di pitting come forma di danneggiamento primaria per gli ingranaggi AISI 9310, AISI 4320 e Pyrowear 53.
