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1. 94 Figura 3 28 Propagazione delle cricche al di sotto della superficie in corrispondenza del bordo d ingresso e aia 94 Figura 3 29 Propagazione delle cricche al di sotto della superficie in corrispondenza del bordo d uscita lato B u i 95 10 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 3 30 Propagazione delle cricche al di sotto della superficie in corrispondenza del bordo d uscita lato B u 95 Figura 3 31 Sezione longitudinale della pista GS distante dal danno MAC TOSCOPICO PILOTIN Eeo A T 96 Figura 3 32 Cricche ossidate messe in evidenza attraverso una sezione lone ttudinale della pista GS en Oa 96 Figura 3 33 Presenza di ossido nelle cricche 96 Figura 3 34 Cricca comparsa al di sotto della superficie della pista GS 97 Figura 3 35 Morfologia dei danni appartenenti alla superficie della pista GS Figura 3 37 Sezione longitudinale della pista MS distante dal danno IMACFOSCOPICO PIU IAN erronee 99 Figura 3 38 Morfologia dei danni appartenenti alla superficie della pista MS CEI A 99 Figura 3 39 Piccoli difetti individuati sulla superficie delle sfere 100 Figura 3 40 Piccoli difetti individuati sulla superficie delle sfere 100 Figura 3 41 Ingrandimento dello strato superficiale indurito 102 Figura 3 42 Ingrandimento
2. TR SA NS VA ci PF PR x a a Ss ree A adi ha amp ay S 30 4 x Po da x desi gt PPa Pal TY Fo F A gt y y hk A n 4 OS 1 if ee A a o te Su h ci E a a Re Pa x Re By fei mo c er sie x se eee gt F Lat ae va 7 on APRI s r ge ee j ws s Y ti 7 Fase ot lt gt 3 va a gt nl n i AE Tad E er A A age PINETA mat r z gt gt Ey x ate ier 2 pa gt s Si MIC ee da my 3 Be 6 th a ose ee Ba ee ape gt ay Me His a 7 2 wiles IR ty we y ney K y y si e A P s a ART j x Ceo ee be Sa i gt x j Cale EC 3 fis Lie igo a ae ee O Ages A i ia Oum Ceri aa a tu gt i Ls So T_T er Ga pel STA gt x ee w A E E I Tok E eee SURI 5 i r ESS ee da NEO ass Pg Sa Ea x c x a n ey S p 4 oe j EA ME 4 So A S pla S Ri gt SQRT S i SATA A i beth ABB COL Hs Dae inthis eu AY A Figura 3 42 Ingrandimento dello strato superficiale indurito 102 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Nelle seguenti immagini s1 mette in evidenza l interfaccia tra lo strato superficiale indurito caratterizzato da martensite temprata e la restante parte di materiale Fe aan pi s Figura 3 43 Interfaccia tra lo strato indurito e il restante materiale ge DAA Ue AE Af IT ne CAM 7 TA PAL I A uy we a da f mir fa 4 agi fy A ite fs
3. Le analisi condotte sulle piste del cuscinetto mostrano la presenza di due danni macroscopici con larghezza superiore ad 1 mm e molti piccoli danni superficiali disposti casualmente sulla superficie I danneggiamenti di dimensioni minori devono essere considerati come un campanello d allarme ovvero vanno considerati come se fossero danni da flaking al primo stadio di propagazione E stata condotta anche un analisi sulla composizione chimica dell acciaio utilizzato per la realizzazione del cuscinetto La composizione chimica dell acciaio corrisponde a quella prevista per il tipo di acciaio utilizzato L analisi metallografica ha permesso di verificare la microstruttura dell acciaio del cuscinetto attraverso questa analisi si nota che la microstruttura dello strato superficiale indurito tramite una tempra ad induzione martensite Nessun difetto metallurgico stato rilevato sulla pista del cuscinetto e in particolar modo vicino ai danneggiamenti di dimensioni maggiori Si notano solo solfuri di manganese presenti nella struttura bandeggiata del componente bande di colore pi chiaro La microstruttura risulta essere fortemente bandeggiata Essa tipica del prodotti realizzati tramite colata continua tale problematica pu essere controllata utilizzando acciai prodotti con parametri di colata specifici I profili di micro durezza realizzati sul campione evidenziano una profondit di tempra conforme con 1 valori standard
4. Tabella 1 1 Caratteristiche delle superfici dei cuscinetti utilizzate nei test a fatica Bearings A Bearings B Bearings C Rolling element Dents were generated with foreign matter of HV 870 Dents were generated with foreign matter of HV 520 New ball R 0 024 um Ra 0 022 um Ra 0 007 im R 0 53 um R 0 28 um Rz 0 11 um Raceway Dents were generated with foreign matter of HV 520 A A Ra 0 039 jim R 0 61 m A of life test 2 0 2 7 3 0 Symbol in Fig 2 A E 60 Tesi di Laurea di Stefano Borroni In passato la ricerca e lo sviluppo per migliorare la resistenza dei cuscinetti al flaking aveva puntato su materiali pi resistenti e sul fatto di diminuire lo stato di sforzo nell area dove il flaking si verificava Tuttavia 1 risultati dei test riportati in figura 1 62 indicano chiaramente che il flaking sulla pista di rotolamento collegato anche alla finitura superficiale dei corpi volventi in quanto essi sono la parte di accoppiamento in un cuscinetto a rotolamento 1 4 2 Influenza della durezza La caratteristica del materiale che influenza di pi la resistenza alla ammaccatura la durezza Naturalmente pi 11 materiale duro e pi sar alta la resistenza all ammaccatura La durezza della martensite la quale la fase principale per un acciaio da cuscinetti determinata attraverso il contenuto di carbonio Se il contenuto di carbonio negli acciai da cuscinetti gi alto vi poco margi
5. Figura 1 9 Cuscinetto a fere Flaking solo da un lato dell anello interno a causa carico assiale eccessivo Figura 1 10 Cuscinetto a sfere Flaking di un quarto della pista dell anello esterno per via di una installazione errata del cuscinetto 23 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 3 4 2 Peeling Descrizione un raggruppamento di piccole scalfiture o scheggiature dell ordine dei 5 10 um di profondit sulle piste o sui corpi volventi Col tempo pu trasformarsi in sfaldatura Cause superficie dell altro corpo in contatto eccessivamente rugosa lubrificazione carente o cattiva Presenza di particelle estranee ruggine piccoli detriti Rimedi controllo della rugosit superficiale utilizzare un lubrificante appropriato migliorare le tenute Figura 1 11 Rulli a botte Peeling tondeggiante sui rulli a botte del cuscinetto per via di una scarsa lubrificazione Figura 1 12 Cuscinetto a rulli conici Peeling presente sia sull anello interno che sui rulli conici per via di una scarsa lubrificazione 24 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 3 4 3 Spalling Descrizione il distacco di schegge di metallo dalla superficie delle piste e dei corpi volventi simile al flaking con cui spesso viene confusa il flaking per parte dall interno mentre lo spalling parte dalla superficie Pu trattarsi di e spalling in senso assiale in fase di montaggio e spalling sugli orletti delle piste e
6. Figura 3 52 Ingrandimento strato superficiale indurito 107 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Nelle seguenti immagini s1 mette in evidenza l interfaccia tra lo strato superficiale indurito caratterizzato da martensite temprata e la restante parte di materiale A j Ar Pia aa de InP 3 pia sia A P Poets PU dA 5 TAA L a Pa eta ivi n seas 100uUM E 4 s ta ot wy n 4 J s f 4 egy is va L Figura 3 53 Interfaccia tra lo strato indurito e il restante materiale Di seguito si riportano le immagini relative alla cricca al di sotto della pista GS del cuscinetto gi osservata in precedenza Figura 3 54 Cricca presente al di sotto della superficie di rotolamento della pista GS La cricca lunga circa 1 mm 108 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 3 2 4 Test di microdurezza La durezza di un materiale una misura della resistenza alla deformazione plastica di esso Anche intuitivamente si arguisce che un materiale duro soggetto a strisclamento con un altro tender ad usurarsi meno di uno pi tenero Esistono diversi test che permettono di misurare la durezza di un materiale determinando la resistenza offerta da questo lasciarsi penetrare da un corpo Sul cuscinetto stata effettuato 1l test di micro durezza Vikers Dopo aver effettuato il test sul provino il profilo di microdurezza che si ottenuto ha un andamento tipico dei componenti temprati ad induzi
7. POLITECNICO DI MILANO Facolt di Ingegneria Industriale Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica FAILURE ANALYSIS DI UN CUSCINETTO VOLVENTE Relatore Prof Marco BONIARDI Correlatore Dott Ing Silvia BARELLA Tesi di Laurea di Stefano BORRONI Matr 725103 Anno Accademico 2009 2010 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Indice lidia 2 Indicedelle Toure Celle Tapeless ae 4 DU CUS CIC UU sas nai ai arri 13 LI DEANIZIONE ALCIScInetto ziali 13 J2CUSCINEHOTACCNI Era 13 t2 Matena per bronzea 14 1 2 2 Caratteristiche costruttive delle DrOnZINe 15 S CHSscmettra TOLOlAMEnio sisi ala 16 1 3 1 Classificazione dei cuscinetti a rotolamento 17 1 3 2 Cenni sul montaggio dei cuscinetti a rotolamento 18 1 3 3 Danneggiamento dei cuscinetti a rotolamento 20 1 3 4 Tipologie di guasto sui cuscinetti a rotolamento 22 KELEK E Lee 22 LO Ae PCC I cesen n ipa 24 WoA aSpa iena 25 ECCESSO P P E A 21 E SA E S TE E TST E E IO 29 1 3 4 6 Fretting wear Fretting COITOSION 31 IA Diede 33 Jl Si4 5 Speckles Discoloration srs nia 35 EROPA Ona ia aio 37 AIO CONOS ONE cerna 39 Ve Ob CCE Me ROS sesa Rs 41 OA Electa Cal pittin FMHiS srl 43 1 4 Il fenomeno della flaking failure 45 LA nen 7a ella TU COSI dyra 58 142 nocenza della d re Zza
8. I valori medi di durezza ottenuti sono compresi tra 650 700 HV 116 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Il fenomeno del flaking probabilmente da mettere in relazione con gli alti carichi applicati e o all alta velocit di rotazione della trasmissione che provoca l innalzamento della temperatura Va notato che quando si applicano carichi minori o la macchina ha velocit minori questi dispositivi nelle ruote non sono soggetti al fenomeno di danneggiamento chiamato Flaking Dalla letteratura scientifica si evince che 1 problemi osservati durante la nostra ricerca si verificano quando 1 carichi applicati sono elevati oppure quando le condizioni di lubrificazione non sono ottimali e temperatura elevata con conseguente diminuzione di viscosit e presenza di inquinanti Per evitare che si verifichi il fenomeno del flaking si propone l utilizzo di un lubrificante pi efficiente oppure un sistema di controllo dei residui contaminanti presenti all interno dell olio un altra raccomandazione pu essere quella di andare a ridurre il carico che grava sul cuscinetto Si consiglia inoltre quando possibile la riduzione della velocit di rotazione In questo modo si evita di raggiungere temperature di esercizio troppo elevate che vanno ad alterare le condizioni del lubrificante diminuisce la sua viscosita Se le raccomandazioni precedenti relative all utilizzo di lubrificanti piu performanti alla riduzione della velocita di
9. generata da sinistra a destra un grande sforzo di trazione nasce sul bordo sinistro dell ammaccatura e una grande sforzo di compressione nasce sul bordo destro dell ammaccatura In presenza di un ammaccatura sul bordo sinistro del dente lo sforzo di trazione che si genera all ingresso dell area di contatto P2 diventa pi grande dello sforzo di compressione generato in uscita dall area di contatto P3 Questo perch la forza tangenziale diventa grande sul bordo della ammaccatura Tuttavia a destra del bordo della ammaccatura lo sforzo di 113 Tesi di Laurea di Stefano Borroni compressione generato all uscita dell area di contatto P2 diventa pi grande della sforzo di trazione generato all ingresso del area di contatto P1 Il grafico seguente mostra l andamento degli sforzi ciclici di tensione e compressione relativi alla forza tangenziale che si generano su entrambi 1 bordi dell ammaccatura a causa del passaggio del carico a Tension Tension 0 Compression Compression Stress ratio R Stress ratio R e Figura 3 58 Andamento del ciclo di tensione compressione Si indica con R il rapporto di fatica degli sforzi ciclici R 0_ 0 Sul bordo sinistro dell ammaccatura il rapporto degli sforzi ciclici vale R gt 1 mentre sul bordo destro dell ammaccatura il rapporto degli sforzi ciclici vale R lt 1 Anche a parit di carico applicato la vita a fatica associata per un ra
10. pista di rotolamento a causa della presenza di acqua nel lubrificante 39 Figura 1 39 Anello esterno di un cuscinetto a rulli conici Corrosione della pista di rotolamento a causa della presenza di acqua nel lubrificante 39 Figura 1 40 Rullo a botte Corrosione della superficie di contatto del rullo a causa dell ingresso di acqua nel cuscinetto LL 40 Figura 1 41 Anello interno di un cuscinetto a rulli Corrosione della pista di rotolamento a causa della presenza di acqua nel lubrificante 40 Figura 1 42 Anello interno di un cuscinetto a rulli a botte La rottura causata da una eccessiva interferenza il punto di origine della cricca si osserva nel mezzo della superficie della pista di SINIStrAa 41 Figura 1 43 Anello esterno di un cuscinetto a rulli cilindrici Suddivisione in direzione circonferenziale della pista di rotolamento a causa di un elevato IRE 0 ARR RR RR ORA RR RE 42 Figura 1 44 Anello esterno di un cuscinetto a sfere a contatto obliquo Suddivisione della superficie della pista in direzione circonferenziale a causa dello slittamento della sfere e della scarsa lubrificazione 42 Figura 1 45 Anello interno di un cuscinetto a rulli cilindrici La superficie della pista risulta ondulata a causa del pitting elettrico 43 Figura 1 46 Rulli conici Il pitting elettrico si verific
11. volventi sulle piste e con sovraccarichi sugli stessi dovuti alla distribuzione non uniforme del carico Nella maggior parte di questi casi si pu facilmente risolvere 11 problema con l impiego dei corrispondenti cuscinetti orientabili Un altra norma da tenere presente nel montaggio dei cuscinetti radiali sia rigidi che orientabili quella che impone che il bloccaggio assiale dell albero rispetto al supporto sia affidato ad un solo cuscinetto mentre l altro o gli altri debbono potersi spostare assialmente in modo da permettere eventuali dilatazioni o contrazioni del sistema ed evitare forzamenti in fase di montaggio Quando 1l cuscinetto alloggiato in un supporto in due met opportuno che non resti gioco fra le due parti nel serraggio in quanto un serraggio eccessivo 18 Tesi di Laurea di Stefano Borroni potrebbe causare l ovalizzazione dell anello esterno con conseguente sovraccarico e rapida usura dei corpi volventi Figura 1 4 Cuscinetto ibrido di NKE con corpi volventi in ceramica La A AVA b AN Figura 1 5 Cuscinetto a rulli conici di NKE Figura 1 6 Cuscinetti volventi speciali per turbocompressori di forma complessa La soluzione adottata dalla SKF si basa su un cuscinetto obliquo ad una corona di sfere in ceramica 19 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 3 3 Danneggiamento dei cuscinetti a rotolamento I cuscinetti volventi sono componenti meccanici caratterizz
12. Available online 8 January 2009 Tribology International 42 2009 1832 1837 2009 Elsevier Ltd All reserved Yukio Fujii Kikuo Maeda Flaking failure in rolling contact fatigue caused by indentation on mating surface I Reproduction of flaking failure accompanied by cracks extending bi directionally relative to the 118 Libri Tesi di Laurea di Stefano Borroni load movement Available online 4 March 2002 Wear 252 2002 787 798 2002 Elsevier Science B V All rights reserved Yukio Fujii Kikuo Maeda Flaking failure in rolling contact fatigue caused by indentation on mating surface II Formation process of flaking failure accompanied by cracks extending bi directionally relative to the load movement Available online 4 March 2002 Wear 252 2002 799 810 2002 Elsevier Science B V All rights reserved Yukio Fujii Kikuo Maeda Flaking failure in rolling contact fatigue caused by indentation on mating surface II Mechanism of crack growth in the direction opposite to the load movement Available online 4 March 2002 Wear 252 2002 811 823 2002 Elsevier Science B V All rights reserved A Torrance J E Morgan B T Y Wan An additive s influence on the pitting and wear of ball bearing stell Available online 26 July 1995 Wear 192 1996 66 73 1996 Elsevier Science S A All rights reserved Widner Wolfe Analisys of Tapered Roller Bearing Damage American Society for Met
13. a ae CAR x F x Miani 4 s i DEC PRON Seay De Sp Ra dn ig te 4 A lu lt x rta i lt TA RE STARCI eo ei Sg eee Te Soe an OA Pa a 00 La Tae DE ONO a Re So IAT RNA i 4 x MA CT n ant i p my jh th y mp gg i P de E ny at aa a E RE TEA RA PA Pot t e i aie 3 x Ks eo e Tg ER ta Pa i EANES A ni vith Ay TARE ing REGS Sd 6 EE geet or She 3 i cord as SE Fl ERI A 3 ETR R ar gr LENA PECE DEE TR 1 BEE RA 7 7 Lod d mar i 5 a Kai o te p he RCA ig 100um RR E ee Bee 200um S e RON Geox oe J x 253 cadi DI i A SY A ra a A T za aae A Paes i i k 7 sa es ot PRESE pie ee ae BEd ae a oes RE e ata SEAT md bs 727 FOE Sia pi sist Tine 3 sone 4 sa 4 A 2 TATE 5 f bs eS a O ST me te ate Mepis a eh ee or m RE ADA pa E AED in GAS ah gee SOON n el sini as iiia SA AE he a es DITA We 4 LCA ZI STI RI Reni osti LEA We sE TIRA dec i S i AN Figura 3 47 Ingrandimento dello strato superficiale indurito Nelle seguenti immagini s1 mette in evidenza l interfaccia tra lo strato superficiale indurito caratterizzato da martensite temprata e la restante parte di materiale So ER TS eR GG PERLE TORA RAR ASK i Ae AD O in mh vd nia h WAN SSN viu tn sian ps Lre Oy liie A Kae i Sony ARR dn as an mari TSR UA TE TR Poo sa si et sp amis n wh lt a ts a rka si dica F Figura 3 48 Interfaccia tra lo str
14. a rulli cilindrici Lo smearing sulla superficie della pista causata dalla presenza di detriti intrappolati tra i rulli che provocano lo slittamento dei rulli Figura 1 18 Rullo cilindrico del cuscinetto mostrato in Fig 1 17 Lo smearing sulla superficie del rullo causata dalla presenza di detriti intrappolati tra i rulli che provocano lo slittamento dei rulli 28 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 3 4 5 Usura Descrizione e una asportazione di materiale pi evidente nei componenti di minore durezza con conseguente diminuzione delle dimensioni delle parti usurate la cui superficie appare abrasa Cause presenza di particelle abrasive preesistenti nel cuscinetto o introdotte in fase di montaggio o con il lubrificante oppure entrate attraverso le tenute cui si aggiungono le particelle prodotte dalla stessa usura Azione abrasiva di ossidi di ferro originati da corrosione Movimento irregolare dei rulli non paralleli all asse Lubrificazione insufficiente o che ha perso le sue caratteristiche in questo caso all inizio le superfici possono risultare lucidate a specchio per il distacco delle micro asperit superficiali Rimedi utilizzare un ottimo adeguato lubrificante e un adeguato sistema di lubrificazione migliorare l efficienza di tenuta delle guarnizioni filtrare il lubrificante eliminare 1 disallineamenti Figura 1 19 Anello esterno di un cuscinetto a rulli cilindrici Segni di usura sulla su
15. age nat AR v J L ail 2 1 Zi den te ie ya Bs APSE VOI feb Bs FA A vr CFL UF Figura 3 44 Martensite temprata 103 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Attraverso l analisi metallografica del campione relativo alla pista GS si osserva che non sono presenti difetti metallurgici in prossimit del danneggiamento macroscopico principale i 20um Figura 3 45 Sezione trasversale del danno principale La microstruttura dello strato indurito risulta essere perpendicolare alla pista GS di rotolamento del cuscinetto 100um Figura 3 46 Microstruttura perpendicolare alla pista GS 104 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Analisi metallografica campione pista GS L L analisi metallografica svolta su una sezione longitudinale appartenente al campione della pista GS mette in evidenza uno strato superficiale indurito La microstruttura ottenuta tramite tempra costituita da martensite NAP SL eS PESARO LAI CARPI lid Log r 7 a moi ToP Rea Sd a RAT See Gad Wed Llp iy ey me s ATO ay s PW gt f S Wee ATA W Kae ta S TAI t ne 4 WZ Vea DA ua y di r SAE pa a Lt 4 n n i e OT SILLA AE ARA vii rina S ARR ty x La 5 Fang i caer BN s Ro 4 a s Daa ae 4 a DO Muy E i a s I SII r v ade r petali AN dir YOR ag yh f FS RITO F 074 ti gt ENEON NS N AI Mia Oa ga SSIS a SE ms MRS a PI EAU f Ze t gt Ne pat
16. bidirezionali il seguente l a causa dell accumularsi del danneggiamento per fatica causato dall influenza delle indentazioni sulla superficie di accoppiamento una micro cricca parte in un area poco profonda al di sotto della superficie di contatto priva di difetti 2 la micro cricca interna si estende quasi parallelamente alla superficie di contatto nella direzione del massimo sforzo ortogonale di taglio 7 3 come risultato dell ulteriore estensione della cricca interna si forma una piccola flaking failure accompagnata da una cricca che si estende in direzione opposta al percorso della cricca LM 4 in fine il piccolo flaking failure gradualmente si espande nella direzione della cricca LM e in questo modo si sviluppa un grande flaking failure con cricche bidirezionali Rispetto al punto 2 si assunto che lo sforzo ortogonale di taglio parallelo alla superficie di contatto E questo il motivo per cui l estensione della cricca avviene nel modo II Rispetto al punto 3 se la formazione di una piccola flaking failure viene preceduta solo con una cricca LM la cricca LM continuer semplicemente ad estendersi Pertanto una piccola flaking failure deve essere accompagnata da una OLM cricca per ottenere come risultato una flaking failure con cricche bidirezionali Attraverso un ingrandimento si pu ulteriormente osservare che la piccola flaking failure in figura 1 56 3 ha una piccola cricca LM Inizialmente 53 Tes
17. causa del grippaggio una scarsa lubrificazione Figura 1 35 Rulli conici appartenenti all anello interno mostrato in figura 1 34 A causa del grippaggio i rulli hanno subito una perdita di colore una scheggiatura e una adesione aT Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 36 Anello esterno di un cuscinetto a rulli a botte Il grippaggio dovuto ad una scarsa lubrificazione Figura 1 37 Anello interno di un cuscinetto a rulli conici Grippaggio avvenuto per carico eccessivo e lubrificazione inadeguata 38 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 3 4 10 Corrosione Descrizione 1l risultato dell aggressione chimica di fattori ambientali acqua ossigeno e aria o di fluidi corrosivi penetrati nel cuscinetto La superficie aggredita presenta segni di usura vaiolatura con ossido nelle cavit ossidazione ruggine Cause formazione di condensa nel cuscinetto fermo ingresso di acqua o di fluidi corrosivi presenza di acqua nel lubrificante Rimedi migliorare l efficienza delle tenute controllo periodico dell olio di lubrificazione prendere misure preventive per evitare la ruggine quando 1l cuscinetto non operativo per un lungo periodo di tempo Figura 1 38 Anello interno di un cuscinetto a rulli conici Corrosione della pista di rotolamento a causa della presenza di acqua nel lubrificante Figura 1 39 Anello esterno di un cuscinetto a rulli conici Corrosione della pista di
18. conici La superficie macchiata a causa del pitting elettrico i 35 Figura 1 31 Sfera di un cuscinetto a sfere Le macchie sono ovunque sono causate da una scarsa lubrificazione e dalla presenza di corpi solidi interposti trate Sheree la pista dirotosmiento sa 35 Figura 1 32 Anello esterno di un cuscinetto a rulli a botte Parziale deposizione dr ollo sulla superfcre della suida sani riti 36 Figura 1 33 Anello interno ed esterno di un cuscinetto a rulli a botte La perdita di colore della superficie della pista dell anello interno ed esterno causata dalla deterioramento del lubrificante 36 Figura 1 34 Anello interno di un cuscinetto a rulli conici a doppia fila La causa del grippaggio una scarsa lubrificazione 37 Figura 1 35 Rulli conici appartenenti all anello interno mostrato in figura 1 34 A causa del grippaggio 1 rulli hanno subito una perdita di colore una schede iarr e ina adesione aaa 37 Figura 1 36 Anello esterno di un cuscinetto a rulli a botte Il grippaggio dovuto ad una scarsa lubrificazione ccccccccccccceccccccccccccccccccceceececcuceseaecees 38 6 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 37 Anello interno di un cuscinetto a rulli conici Grippaggio avvenuto per carico eccessivo e lubrificazione inadeguata 38 Figura 1 38 Anello interno di un cuscinetto a rulli conici Corrosione della
19. dei corpi volventi o pi fitte per sovrapposizione di impronte in tempi successivi Cause usura dovuta a piccoli strisciamenti dei corpi volventi sulle piste generati da vibrazioni provenienti da fonti esterne a cuscinetto fermo quando cio non si pu formare una pellicola di lubrificante Situazione 4 intaccature o impronte sulle piste a distanza pari a quella dei corpi volventi dovute a deformazione di materiale in quanto il carico applicato ne supera il limite di elasticit Cause calettamento troppo forzato su sedi coniche le sfere e 1 rulli si piantano nella pista Urti in fase di movimentazione caduta del cuscinetto di montaggio con il martello Carico eccessivo Rimedi eliminare particelle estranee all interno del cuscinetto filtrare l olio migliorare l assemblaggio del cuscinetto 33 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 26 Anello interno di un cuscinetto a rulli cilindrici Le indentazioni sono presenti su un solo lato della pista a causa della presenza di corpi solidi interposti tra i rulli e la pista di rotolamento P EAST TR Figura 1 27 Rulli a botte di un cuscinetto a rulli Le indentazioni sono presenti sulla superficie di contatto dei rulli a botte a causa della presenza di corpi solidi interposti tra i rulli e la pista di rotolamento Figura 1 28 Rulli conici di un cuscinetto a rulli Le indentazioni sono su tutta la superficie di contatto dei rulli conici a causa di corpi
20. di un cuscinetto a rulli cilindrici La superficie della pista risulta ondulata a causa del pitting elettrico 43 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 46 Rulli conici Il pitting elettrico si verifica nel mezzo della superficie di contatto dei rulli Figura 1 47 Ingrandimento del pitting elettrico relativo ai rulli di figura 1 46 Figura 1 48 Anello interno di un cuscinetto a rulli conici Le scanalature sulla superficie della pista sono causate dalla corrosione elettrica flutting 44 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 4 Il fenomeno della flaking failure L area di contatto di un elemento rotolante idealmente nulla un punto o una linea In realt quando il cuscinetto caricato la deformazione inevitabile Nelle condizioni operative normali questa deformazione porta a fatica il materiale di contatto Ogni punto delle superfici di contatto piste e corpi volventi soggetto ciclicamente a deformazione per compressione queste sollecitazioni intermittenti causano col tempo nel metallo immediatamente sotto alla superficie specie in presenza di difetti o imperfezioni metallurgiche della struttura delle piccole cricche che gradualmente si estendono sino a raggiungere la superficie In generale per una cricca generata da un contatto superficiale vi sono due situazioni e sela cricca si estende nella direzione del movimento del carico allora col passare del tempo la cricca
21. formazione della flaking failure ha inizio con solo una cricca diretta come il carico LM essa continuer semplicemente ad estendersi Pertanto si presuppone che una cricca opposta alla direzione del carico dovr esistere prima o dovr svilupparsi in concomitanza con la cricca diretta con 1l carico Per valutare la flaking failure 1 ricercatori analizzarono al microscopio elettronico le sezioni trasversali del piccolo rullo appartenenti a zone non colpite in superficie da flaking Dall analisi effettuata stata notata la comparsa al disotto della superficie di micro cricche quasi parallele alla superficie di contatto come illustrato in figura 1 54 50 Tesi di Laurea di Stefano Borroni E ASSI x Sh TEL pare PINE E A CF e bm FS bce i po Sie abi aE ur s DRAE ta Figura 1 54 Micro cricche al di sotto della superficie e parallele alla superficie di contatto Lo sforzo massimo non si generava sulla superficie di contatto priva di difetti del piccolo rullo ma al disotto di questa a circa 0 02 mm questo sforzo massimo c risultava essere maggiore della resistenza allo snervamento del materiale I ricercatori dedussero quindi che il danneggiamento a fatica causato dall accumulo di deformazioni plastiche alla profondit della o max provocava l apertura delle micro cricche Dai test a fatica condotti dai ricercatori si evince che e la grandezza degli sforzi ortogonali di tagli
22. i E 6l Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 4 3 Influenza della forza tangenziale i 63 1 4 3 1 Influenza della direzione della forza tangenziale 66 tAd Iniuenza Gel MIDE IC AIS innato 69 2 Proccdura sperimentalepi aa 73 2 1 Caratterizzazione metallografica casina 73 2 1 Esame della MIcrostruttufa sansia iaia 73 2 2 Preparazione Gel CAMpioni ae 73 2 1 2 PIOCCdUrA sa 74 Lpd 74 Zle ole POG CCEA RARO ARR RC O RR TA 74 ZIA LUI 75 ZIA 75 ALSACO CMMI CO pride iaia 75 UAE EE N E A ion 76 Delt Microd rezza NICKCIS ge 78 EEC NO A EE I 50 a el HIG Falk a oi vars Ween nero Men ani ia 80 gt il Campioni analizza ge rr 81 S2RISUlFatrediscuUSSIONE caio 82 SZ ESAMI ie 82 3 2 2 Analisi del danneggiamento mediante SEM 84 3 2 Anahisi meta Nostale deesses nanie era a E E EEA 102 3 24 Test di Merode ZZA aor E EA AET ones 109 32 F ANa E NN era cla 110 3 2 0 Anahsi det li sTOr iresid l siressa i E 111 o Fenomeno Ge LTA sanen R O 112 LCONCUSIONE iaia anale 116 Bce 118 Vba 121 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Indice delle figure e delle tabelle Rigore Bron iie acacia ae 15 Figura 1 2 Bronzina con fori per la raccolta del lubrificante 16 Figura 1 3 Cuscinetto radiale orientabile a due corone di rulli 16 Figura 1 4 Cuscinetto ibrido di NKE con corpi volventi in ceramica 19 Figura 1
23. jpg Politecnico di Milano aes j 00 X Sa TOS i Dipartimento di Meccanica or 0 Dipartimento di Meccanica Figura 3 34 Cricca comparsa al di sotto della superficie della pista GS La vista in prospettiva delle immagini ottenute al SEM mettono in evidenza la morfologia dei danneggiamenti superficiali File Name Campione 3_01 jpg Politecnico di Milano 2um E File Name Campione 3_ 02 jpg Politecnico di Milano E Sola F fOUKA ae A Date 11 Mar 2010 Dipartimento di Meccanica Pe Date 11 Mar 2010 Dipartimento di Meccanica Figura 3 35 Morfologia dei danni appartenenti alla superficie della pista GS 97 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 10um File Name Campione 3_04 jpg Politecnico di Milano 20m ae EES File Name Campione 3_05 jpg Politecnico di Milano de eee Date 11 Mar 2010 Dipartimento di Meccanica HH RA Date 11 Mar 2010 Dipartimento di Meccanica Figura 3 36 Morfologia dei danni appartenenti alla superficie della pista GS 98 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Analisi SEM campione pista MS L2 SI preso in esame un campione relativo alla pista MS questa volta per si analizzata una sezione longitudinale lontana dal danno macroscopico pi grande Figura 3 37 Sezione longitudinale della pista MS distante dal danno macroscopico pi grande La vista in prospettiva delle immagini ottenute al SEM mettono in evidenza la morfologia de
24. ottenere neppure con l ingrandimento delle micrografie ottenute direttamente con questo Se s1 desiderano ingrandimenti che vadano oltre 1 500X si deve optare per la microscopia elettronica che consente di raggiungere poteri risolutivi pi elevati Il microscopio elettronico utilizzato il SEM o microscopio elettronico a scansione Fig 2 1 I diversi punti del campione vengono esplorati da un sottile fascio elettronico Tramite un cannone elettronico vengono generati elettroni che sono accelerati da una differenza di potenziale che pu variare tra 1 e 50 KV 1 quali vengono successivamente focalizzati da un sistema di lenti magnetiche sul campione appositi dispositivi consentono sia degli spostamenti del fascio secondo righe parallele successive sia di spostare il campione relativamente al fascio per variare la zona in esame come pure l inclinazione ovviamente importante che la camera entro cui si effettui l analisi sia sotto vuoto e a questo scopo presente un Impianto apposito 76 Tesi di Laurea di Stefano Borroni V Eleciron uri CO Elaziromagnmzio lens Team SCAN Mine Signals X rays backscattered electrons secondary electrons Figura 2 1 Microscopio elettronico a scansione E opportuno ricordare che quando un fascio di elettroni di qualche decina di keV colpisce la superficie di un materiale una parte di questi elettroni incidenti mantenendo la loro energia vengono riflessi mentre gli altri
25. perdono la loro energia trasferendola agli elettroni del solido Vicino alla zona in cui il campione colpito dal fascio elettronico sono presenti vari rilevatori che recepiscono il flusso secondario di elettroni che costituito da quelli riflessi e da quelli emessi I rilevatori trasformano 1l segnale in ingresso in formato elettronico che tramite un tubo catodico permette la visualizzazione in tempo reale su uno schermo della porzione di campione investita dal flusso di elettroni primari 71 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 2 1 7 Microdurezza Vickers La prova di microdurezza costituisce un altro importante passo verso la caratterizzazione meccanica del materiale Come noto la durezza pu essere definita quale resistenza opposta alla penetrazione di un altro corpo Su tale principio sono basati 1 metodi pi usati in campo metallurgico essi si differenziano per la forma del penetratore sfera cono piramide e per le condizioni dell esperienza Questa la modalit utilizzata per valutare tale propriet Il pezzo fissato su una piattaforma mobile grazie a due viti micrometriche posizionate ai lati della piattaforma stessa La prova consiste nel premere sul pezzo con un penetratore diamantato a forma di piramide retta a base quadrata con un angolo al vertice di 136 sotto un carico P che pu variare tra 1 e 1000 gf dopo aver selezionato l area con il microscopio ottico annesso Si misurano in seguito con qu
26. tensile mode extension Compression E parallel to crack Wa c During further extension cracking occurs around the origin due to the lack of stiffness ai ov P was d Small flaking failure accompanied by OLM crack is formed OLM crack LM crack Figura 1 59 Possibile meccanismo di formazione della flaking failure accompagnato da una cricca OLM La figura 1 60 a b mostra due sezioni che mettono in evidenza una piccola flaking failure Analizzando queste sezioni si pu dedurre che nella sezione 60 a si osservano cricche LM e OLM che si estendono equamente in direzioni opposte mentre nella sezione 60 b si osserva che si estende principalmente una cricca LM j ps 7 s 4 P 4 FI 3 gt vas NEN P x ut we j x 4 i i eb ESN LI g af LAI A x YN peor P la 7 MS 7 No Ds Ray wi N un do a ra SM K SEIT SY TAL a Sie TY Ai CAST e tl A Y kx p a WS om EST Se ge e MY LM crack a CT ees Ta A de f SA a tese e ne d M 3 2 te DIES amt Da r te R ra s a DI 4 5 OLM crack i Set Ls a vu An 7 x 4 A j h b ni Baia b 5 x 4 0 1 0 1 s FAN LM k RS VERA A RE DIE mm mm Bae ree of crack RE 2 oere N s 4 j f e au gt nu gt t d Lada f k P4 M A s4 T A vo lt art Ra J x d 3 no de sa T a Figura 1 60 Sezioni trasversali di una piccola flaking failure osservata sulla superficie del piccolo ru
27. 5 Cuscinetto a rulli conici di NKE 19 Figura 1 6 Cuscinetti volventi speciali per turbocompressori di forma complessa La soluzione adottata dalla SKF si basa su un cuscinetto obliquo ad acoronad disfere 1m CeraMiC dieien arieni E ala 19 Figura 1 7 Cuscinetto a sfere Il flaking si manifesta sull anello interno l anello esterno e le sfere a causa del carico eccessIvo 23 Figura 1 8 Cuscinetto a sfere Flaking dell anello interno a causa di un carico RUI 29 Figura 1 9 Cuscinetto a fere Flaking solo da un lato dell anello interno a causa CATICOASSIALS CCEESSIVO siedo 23 Figura 1 10 Cuscinetto a sfere Flaking di un quarto della pista dell anello esterno per via di una installazione errata del cuscinetto 23 Figura 1 11 Rulli a botte Peeling tondeggiante sui rulli a botte del cuscinetto per via di una scarsa lubrificazione ui 24 Figura 1 12 Cuscinetto a rulli conici Peeling presente sia sull anello interno che sui rulli conici per via di una scarsa lubrificazione 24 Figura 1 13 Cuscinetto a rulli cilindrici Spalling dell orlo per un carico ECCESSIV Ore 25 Figura 1 14 Anello interno di un cuscinetto a rulli cilindrici Spalling della superficie della pista di rotolamento per una scarsa lubrificazione 25 Figura 1 15 Rulli di un cuscinetto a rulli conici Sp
28. ICLICI difetti non localizzati 20 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Il flaking in un anello o in un corpo volvente usualmente un guasto ciclico La corrosione invece non un difetto localizzato per cui produce un guasto non ciclico ossia si hanno vibrazioni con contenuto di frequenze molto ricco e non stazionario Anche l increspatura provocata dalle correnti elettriche produce vibrazioni non cicliche Motivi di guasto e nel 70 dei casi si tratta di una lubrificazione errata causata dall utilizzo di una quantit eccessiva o insufficiente di lubrificante oppure dall utilizzo di un lubrificante inadeguato e nel 20 dei casi si tratta di sporcizia penetrazione di sostanze liquide o solide Per questo motivo le guarnizioni sono importanti in quanto un loro funzionamento difettoso pu determinare la fuoriuscita di lubrificante e l ingresso di sporcizia e nel 10 dei casi si tratta di un errore di montaggio montaggio forzato riscaldamento eccessivo regolazione errata e gioco inadeguato serraggio eccessivo del manicotto conico 21 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 3 4 Tipologie di guasto sui cuscinetti a rotolamento 1 3 4 1 Flaking Descrizione il distacco di frammenti di metallo dalla superficie delle piste e dei corpi volventi 11 modo di guasto naturale di un cuscinetto al termine della sua vita conseguente al deterioramento per fatica del materiale Pu anche insorgere precocemente in gener
29. Processo di formazione delle cricche bidirezionali nella flaking Ilia ala 52 Figura 1 56 Processo della flaking failure accompagnata da crieche OLM e bia 54 Figura 1 57 a Carico statico di compressione b momento flettente statico Figura 1 58 Andamento della pressione di contatto quando l indentazione sulla superficie di accoppiamento si muove attraverso l area di contatto 55 Figura 1 59 Possibile meccanismo di formazione della flaking failure accompagnato da una cricca OLM iii 56 Figura 1 60 Sezioni trasversali di una piccola flaking failure osservata sulla SPECIE Gel PICCOLO TAIO aiae a E E A T O T 56 Figura 1 61 Una tipica flaking failure accompagnata da cricche LM e OLM 57 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 62 Influenza della rugosita superficiale degli elementi che rotolano sulla indentazione che da origine alla flaking failure 59 Figura 1 63 Indentazione che da inizio allo sfaldamento 59 Tabella 1 1 Caratteristiche delle superfici dei cuscinetti utilizzate nei test a lla 60 Figura 1 64 Azione degli sforzi sui bordi dell ammaccatura 63 Figura 1 65 Andamento del ciclo di tensione compressione in direzione 64 Figura 1 66 Posizione di partenza della cricca quando l ammaccatura presente sul componente che condotto ns 65 Figura 1 67 Posizione di partenza de
30. a nel caso in cui l ammaccatura esiste sul bordo sinistro del dente lo sforzo di trazione che si genera all ingresso dell area di contatto fig 1 64 p2 diventa pi grande dello sforzo di compressione generato in uscita dall area di contatto fig 1 64 p3 Questo perch la forza tangenziale diventa grande sul bordo della ammaccatura Tuttavia a destra del bordo della ammaccatura lo sforzo di compressione generato all uscita dell area di contatto fig 1 64 p2 diventa pi grande dello sforzo di trazione generato all ingresso dell area di contatto fig 1 64 p1 I grafici di figura 1 65 rappresentano l andamento del ciclo di tensione compressione in direzione tangenziale generato su entrambi 1 bordi dell ammaccatura al passaggio del carico Sul bordo sinistro dell ammaccatura il rapporto di fatica R definito come c c maggiore di 1 mentre sul bordo destro R minore di 1 La vita a fatica associata ad un rapporto R gt 1 minore rispetto alla vita a fatica associata ad un rapporto R lt 1 Quindi la cricca inizia dal bordo sinistro del dente e si propaga facilmente fino a causare la flaking feilure Tension 0 Tension 0 Compression Compression Stress ratio R gt Stress ratio R lt l Figura 1 65 Andamento del ciclo di tensione compressione in direzione 64 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Il modello della figura 1 66 riferito a una ammaccatura presente sul disco
31. a nel mezzo della SUDELIICIS di COMEAUO GEL TUM ittica 44 Figura 1 47 Ingrandimento del pitting elettrico relativo ai rulli di figura 1 46 Figura 1 48 Anello interno di un cuscinetto a rulli conici Le scanalature sulla superficie della pista sono causate dalla corrosione elettrica flutting 44 Figura 1 49 Mostra l esempio di una flaking failure accompagnata da cricche iniziate sul bordo di uscita di una indentazione e che si estendono nella 7 Tesi di Laurea di Stefano Borroni direzione di movimento del carico a vista dall alto della flaking failure in prossimit della indentazione b sezione trasversale lungo la linea A A POS Cleat Z REC oC tae stance E RR O 47 Figura 1 50 Schema che rappresenta il doppio rullo utilizzato per il test di I L6G peter E OR ORRORE E ETTI 48 Figura 1 51 Movimento della indentazione all interno della superficie di CAL UO eee i 49 Figura 1 52 Vista dall alto e sezione trasversale di una flaking failure osservata sulla superficie del piccolo rullo priva di difetti la rottura a accompagnata da cricche estese in due direzioni rispetto alla direzione di MOVIMENTO deC C Oneng a E 49 Figura 1 53 a Vista dall alto e sezione trasversale di una piccola flaking failure b vista dall alto e sezione trasversale di una grande flaking failure 50 Figura 1 54 Micro cricche al di sotto della superficie e parallele alla superficie d CODA Okina E E E N E E 51 Figura 1 55
32. albero e l alloggiamento del cuscinetto Figura 1 22 Anello interno di un cuscinetto a rulli cilindrici A causa delle vibrazioni su tutta la superficie della pista di rotolamento presente fretting wear 31 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 23 Anello interno di un cuscinetto a sfere A causa delle vibrazioni su tutta la superficie della pista di rotolamento presente fretting wear Figura 1 24 Anello esterno di un cuscinetto a rulli cilindrici In corrispondenza del diametro esterno dell anello tutta la superficie presenta fretting corrosion Figura 1 25 Anello esterno di un cuscinetto a rulli conici In corrispondenza del diametro esterno dell anello tutta la superficie presenta fretting corrosion 32 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 3 4 7 Denting Indentation Descrizione si presenta con delle tacche o incisioni sulle superfici di rotolamento Situazione 1 piccole incisioni sulle superfici di rotolamento Cause ingresso di particelle solide come schegge o piccoli detriti dalle tenute durante l installazione oppure attraverso 1l lubrificante Situazione 2 piccoli crateri o cavit sui corpi volventi e sulle piste vaiolatura o pitting Cause contaminazione del lubrificante con particelle solide Granelli da ruggine Cattiva lubrificazione Situazione 3 impronte di forma ellittica sulle piste dovute a usura cio asportazione di materiale a distanza pari a quella
33. alling circolare sulla faccia dei rulli per via di una cattiva lubrificazione 26 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 16 Rulli di un cuscinetto a rulli cilindrici Spalling in direzione assiale della superficie del rullo causata durante il montaggio del cuscinetto 26 Figura 1 17 Anello interno di un cuscinetto a rulli cilindrici Lo smearing sulla superficie della pista causata dalla presenza di detriti intrappolati tra 1 rulli che provocano lo slittamento dei rulli 28 Figura 1 18 Rullo cilindrico del cuscinetto mostrato in Fig 1 17 Lo smearing sulla superficie del rullo causata dalla presenza di detriti intrappolati tra 1 rulli che provocano lo slittamento dei rulli 28 Figura 1 19 Anello esterno di un cuscinetto a rulli cilindrici Segni di usura sulla superficie della pista di rotolamento a causa di una scarsa lubrificazione Figura 1 20 Anello interno di un cuscinetto a rulli cilindrici Lungo tutta la circonferenza sono evidenti segni di usura della pista di rotolamento a causa diina SCAFSALMUDITTI CAZIONE svolta reale 30 Figura 1 21 Gabbia di un cuscinetto a rulli cilindrici Usura da abrasione della SALDATO 0 aaa 30 Figura 1 22 Anello interno di un cuscinetto a rulli cilindrici A causa delle vibrazioni su tutta la superficie della pista di rotolamento presente fretting Nb 31 Figura 1 23 Anello interno di un cuscinetto a sfere A
34. als Report C 7 11 1 October 1997 Murakamy Y Kaneta M Yatsuzuka H Analysis of surface crack propagation in lubricated rolling contact ASLE Trans 1982 Gruppo SKF Manuale Tecnico quaderni di formazione 1995 Gruppo SKF Elementi di meccanica delle trasmissioni calcolo degli sforzi sul supporto quaderni di formazione 1995 Gruppo SKF I cuscinetti volventi quaderni di formazione Aprile 2008 Kalpakjian Serope Schmid Steven R Tecnologia meccanica Addison Wesley Longman Italia XVII 846 2008 119 Tesi di Laurea di Stefano Borroni e Emilio Massa Costruzioni di Macchine volume secondo edizione Masson 1997 e Giovanni Mimmi Paolo Pennacchi Appunti di Meccanica Applicata alle Macchine dalle lezioni del Prof Mimmi edizione Cusl e Robert C Juvinall Kurt M Marshek Fondamenti della progettazione dei componenti delle macchine edizione ETS Pisa 1993 120 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Weberafia Wear in Rolling Element Bearings and Gears How Age and Contamination Affect Them http www machinerylubrication com Failure Analysis for Plain Bearings http www machinerylubrication com Tribology International http www elsevier com locate triboind Installation amp Maintenance Failure Analysis http www rexnord com Tapered Roller Bearing Damage Analysis http www timken com Wilcoxon Research http www wilcoxon com Failure m
35. ano Oum File Name Campione 1_ 21 jpg Politecnico di Milano A viag 00 KX 5 s 6 Dipartimento di Meccanica Ed iii da Date 4 Mar 2010 Dipartimento di Meccanica Figura 3 16 Piccoli difetti lontani dai danni principali 88 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Pista 2 GS E stato preso lontano da danni principali un secondo campione dalla pista GS Anche in questo caso si individuano sulla superficie del campione molti piccoli difetti che sembrano essere orientati casualmente Figura 3 17 Piccoli difetti lontani dai danni principali Parecchi segni simili a rientranze sono rilevabili sulla superficie della pista Queste rientranze hanno una forma arrotondata e una dimensione paria a circa 100 um Probabilmente la comparsa di queste rientranze collegata al carico applicato sulle sfere dei cuscinetti o ai detriti presenti nel lubrificante Figura 3 18 Rientranze individuate sulla pista del cuscinetto 59 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Pista MS E stato analizzato lontano da danni principali un terzo campione appartenente alla pista MS Anche in questo caso attraverso l analisi al SEM si individuano sulla superficie del campione molti piccoli difetti Politecnico di Milano Dipartimento di Meccanica Figura 3 19 Piccoli difetti della pista MS lontani dai danni principali In un altra posizione lungo la superficie campione si notano altri picc
36. arico che devono sopportare come si gi riportato in precedenza si distinguono 1 cuscinetti radiali assiali e misti Si hanno infine cuscinetti rigidi se gli assi degli anelli sono coincidenti e 1 cuscinetti orientabili se 1 due assi possono orientarsi tra loro in posizioni diverse mantenendo fisso un punto comune che chiamato centro del cuscinetto 17 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 3 2 Cenni sul montaggio dei cuscinetti a rotolamento I cuscinetti a rotolamento vengono costruiti con superfici accuratamente rettificate I cuscinetti a rotolamento radiali vengono costruiti con un certo gioco interno per lasciare ai corpi volventi una certa libert fra gli anelli in modo da compensare automaticamente lievi dilatazioni o contrazioni degli anelli stessi per forzamento in fase di montaggio Nelle applicazioni di questi cuscinetti devono essere tenute presenti alcune norme di montaggio la cui inosservanza pu causare la rottura del cuscinetto stesso molto rapidamente Una prima regola da seguire quella di non montare mai cuscinetti radiali rigidi quando non si ha la certezza della perfetta coassialit dei supporti n tantomeno cuscinetti assiali quando la sede non perfettamente perpendicolare all asse dell albero In caso contrario si possono verificare situazioni nelle quali il cuscinetto funziona in modo cinematicamente scorretto generando quindi forti attriti per lo strisciamento invece che rotolamento del corpi
37. ati I campioni analizzati corrispondono a due sezioni del dispositivo di trazione Figura 3 1 Primo campione e secondo campione del sistema di trazione Il secondo campione quello con il danno maggiore stato sezionato m Figura 3 2 Secondo campione SI Tesi di Laurea di Stefano Borroni 3 2 Risultati e discussione 3 2 1 Esame visivo Sono state analizzate le due piste di rotolamento appartenenti al secondo campione quello maggiormente danneggiato In seguito la pista di rotolamento lato ingranaggio sar indicata come GS mentre la pista di rotolamento lato motore sar indicata come MS Figura 3 3 Sono indicate la pista lato motore e lato ingranaggio del cuscinetto Sulla pista GS sono visibili due grossi danni entrambi hanno una larghezza superiore ad 1 mm Figura 3 4 Distanza tra i due danni principali individuati sulla pista GS 82 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Sempre attraverso un analisi visiva relativa alla superficie della pista si possono osservare diversi piccoli difetti posizionati vicini e lontani dai due danni principali Figura 3 5 Difetti secondari individuati lontano dai danni principali Dall analisi visiva si evince che e l analisi visiva ha definito la presenza di due grossi danni sulla pista GS del cuscinetto e tramite l analisi visiva sono stati individuati molti piccoli difetti sia sulla pista GS che s
38. ati da un vasto campo applicativo Essi mantengono inalterata la propria affidabilit anche in condizioni estreme Solo molto di rado presentano difetti precoci L eventuale danneggiamento dei cuscinetti volventi viene evidenziato in prima analisi da un anomalo comportamento del supporto durante l esercizio e corsa irregolare e ridotta accuratezza di funzionamento e rumore inusuale durante la corsa In generale un guasto dei cuscinetti provoca un aumento del livello complessivo della vibrazione e un aumento del livello di componenti della vibrazione a frequenze specifiche Per accertare la causa del danno non quasi mai sufficiente eseguire perizie solo sul cuscinetto occorre piuttosto considerare anche 1 componenti circostanti la quantit della lubrificazione le condizioni d esercizio ed 1 fattori ambientali L adozione di procedure di analisi pianificate semplifica la ricerca delle cause La presenza di difetti sui cuscinetti si manifesta di norma con un peggioramento del comportamento durante l esercizio Solo raramente 1 danni spontanei causati ad esempio da errori di montaggio o mancanza di lubrificante determinano un inutilizzabilit immediata A seconda delle condizioni di esercizio tra la prima comparsa dei danni e l effettiva rottura in circostanze particolari trascorrono mesi I guasti dei cuscinetti possono essere suddivisi in GUASTI CICLICI difetti localizzati che producono vibrazioni cicliche GUASTI NON C
39. ato indurito e il restante materiale 105 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Analizzando la sezione longitudinale si nota che non sono presenti anomalie metallurgiche in prossimit del danneggiamento macroscopico principale Figura 3 49 Sezione longitudinale del danno principale La microstruttura dello strato indurito risulta essere parallela alla pista GS di rotolamento del cuscinetto Figura 3 50 Microstruttura parallela alla pista GS 106 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Si nota attraverso un elevato ingrandimento della sezione longitudinale che all interno delle bande pi chiare sono presenti 1 solfuri di manganese i ua PE VITI IDE DA isg Hi hea it ya ee j ow 7 DALAN lag er et PRB M ies N i pd p Ta RS Si Bi 4 Mati A DON Di Daos Ca dai ZA TO 7 fi PA OS ie la ins aes i Be TALE Dr tg A 7 ey Werth Sin rd Pi Sy a R df Mow 4 OF g RARI Si 2 TERA LEE ina sasa r o begun 3 PAS ii n I K 7 7 e i Prg rz l tara ae rn E as Figura 3 51 Concentrazione di solfuri di manganese Analisi metallografica campione pista GS L2 stata svolta un analisi metallografica su una seconda sezione longitudinale appartenente al campione della pista GS Anche in questa analisi si nota che lo strato superficiale indurito e che la microstruttura ottenuta tramite tempra costituita da martensite
40. atori stabilirono che l influenza delle indentazioni sulla superficie di contatto la causa principale dello sviluppo di cricche bidirezionali nella flaking failure Il chiarimento di un processo che forma sulla superficie priva di difetti del piccolo rullo la flaking failure accompagnata da entrambi 1 tipi di cricche una diretta come la direzione del carico e una opposta alla direzione del carico il punto fondamentale di questa ricerca La variazione di pressione al contatto e gli sforzi interni sotto la superficie priva di difetti del piccolo rullo sono stati calcolati considerando il passaggio un indentazione presente sulla superficie del grande rullo attraverso l area di contatto del piccolo rullo come mostrato nella figura seguente me Radius ratio i L S 4 1 Figura 1 50 Schema che rappresenta il doppio rullo utilizzato per il test di fatica 48 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Center of large roller Contact angle of Rockwell indentation Large roller Rockwell indentation 2b Small roller Figura 1 51 Movimento della indentazione all interno della superficie di contatto La figura 1 52 mostra una vista dall alto e una sezione trasversale di un flaking Questo flaking si sviluppato sulla superficie senza difetti del piccolo rullo quest ultimo ruotando veniva a contatto con la superficie indentata del grande rullo Test No 26 Figura 1 52 Vista dall al
41. aumenter la sua lunghezza e se la cricca si estende nella direzione opposta a quella di movimento del carico col passare del tempo la cricca non aumentera di lunghezza Il successivo passaggio dei corpi volventi sulle cricche affiorate in superficie puo causare il distacco di frammenti di materiale dalla superficie di contatto generando in questo modo la flaking failure ovvero rottura per sfaldatura La flaking failure un processo relativamente lungo e la sua presenza evidenziata da un aumento dei livelli di vibrazione e di rumore nel cuscinetto La flaking failure si verifica soprattutto quando 1 cuscinetti a rotolamento operano sotto errate condizioni di esercizio ad esempio 1 cuscinetti volventi utilizzati nelle trasmissioni di automobili e nei differenziali sono soggetti ad usura dovuta a detriti che vengono schiacciati tra 1 corpi volventi e le piste di rotolamento I detriti formano delle ammaccature indentazioni rientranze sulla superficie delle pista di rotolamento che finisce per essere colpita dal flaking La durata del cuscinetto considerando la superficie danneggiata da 45 Tesi di Laurea di Stefano Borroni flaking molto pi breve rispetto alla vita del cuscinetto valutata in condizioni operative normali Il flaking dei cuscinetti volventi dovuto a rotolamento a fatica da contatto RCF generalmente classificato in base al fatto che sia stato originato al disotto della superficie o in superficie Tipicam
42. causa delle vibrazioni su tutta la superficie della pista di rotolamento presente fretting wear 32 Figura 1 24 Anello esterno di un cuscinetto a rulli cilindrici In corrispondenza del diametro esterno dell anello tutta la superficie presenta fretting corrosion Figura 1 25 Anello esterno di un cuscinetto a rulli conici In corrispondenza del diametro esterno dell anello tutta la superficie presenta fretting corrosion Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 26 Anello interno di un cuscinetto a rulli cilindrici Le indentazioni sono presenti su un solo lato della pista a causa della presenza di corpi solidi interposti tra 1 rulli e la pista di rotolamento i 34 Figura 1 27 Rulli a botte di un cuscinetto a rulli Le indentazioni sono presenti sulla superficie di contatto dei rulli a botte a causa della presenza di corpi solidi interposti tra 1 rulli e la pista di rotolamento 34 Figura 1 28 Rulli conici di un cuscinetto a rulli Le indentazioni sono su tutta la superficie di contatto dei rulli conici a causa di corpi solidi presenti all interno del MDPC ANC issn iii aerei 34 Figura 1 29 Anello interno di un cuscinetto a rulli conici Le indentazioni sono visibili sulla superficie della pista sono causate della presenza di corpi solidi interposti tra 1 rulli conici e la pista di rotolamento 34 Figura 1 30 Anello interno di un cuscinetto a rulli
43. condotto la direzione della forza tangenziale generata sul bordo della ammaccatura coincide con la direzione di rotazione della pista In questo modello un grande sforzo di trazione viene generato sul bordo di uscita dell ammaccatura rispetto alla direzione di rotazione quindi per via di questo elevato sforzo di trazione inizia a formarsi una cricca sul bordo di uscita del dente Rolling direction of the raceway with a dent C gt CTZ Ball movement direction i a H Left edge K i I AO SR 1 eag SK e hoy PA 7 DE ca Right edge Trailing DE A BOT d o x Plastic f Leading edge real BA x SUC JW g Plastic flow Crack astic flo edge lt Tension P2 DD i Tension P1 i 2 Compression P3 i I gt Compression P2 lt Figura 1 66 Posizione di partenza della cricca quando l ammaccatura presente sul componente che condotto La figura 1 67 mostra una ammaccatura che presente sul disco conducente Rolling direction Ti Direction of tangential force iens Trailing edge 5 N WA N N hi we e va i a i RE ON hi is i LU 4 Plastic flaw Crack 5 Plastic flow Tension s Tension rs CT Compression gt Compression gt Figura 1 67 Posizione di partenza della cricca quando l ammaccatura presente sul componente che conduce 65 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Nel caso di figura 1 67 la direzione della forza tangenziale a bordo del dente nella di
44. da di rondine Per trattenere il lubrificante nel cuscinetto e consentirne una distribuzione quanto pi possibile uniforme in tutti 1 punti le bronzine sono spesso dotate di scanalature di varia forma Di solito si tratta di scanalature che tendono a distribuire il lubrificante in tutta la lunghezza dell accoppiamento e a convogliare verso il centro quello che fluirebbe all esterno E necessario che queste scanalature siano studiate in modo particolare perch altrimenti il loro effetto potrebbe diventare dannoso necessario in particolare che la met della bronzina che viene caricata non abbia scanalature che portino di fatto ad una diminuzione della capacit di carico Figura 1 1 Bronzine 15 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 2 Bronzina con fori per la raccolta del lubrificante 1 3 Cuscinetti a rotolamento I cuscinetti a rotolamento sono nati con lo scopo di diminuire l attrito fra albero oppure perno e supporto trasformandolo in attrito volvente assal inferiore a quello radente con una lubrificazione minore di circa dieci volte Un cuscinetto a rotolamento costituto in generale dalle seguenti parti e un anello interno che viene montato sull albero e unanello esterno che viene montato nel supporto e una serie di corpi volventi che possono essere sfere rulli e rullini rotolanti in apposite piste ricavate negli anelli cementate e rettificate per ridurre gli attriti e aumentare la resisten
45. degli elementi che rotolavano e pi breve era la formazione dell ammaccatura che dava 1l via al flaking e rispetto alle componenti del cuscinetto realizzate con materiale standard le componenti realizzate con materiali aventi un alto grado di durezza per la presenza di silicio e nitruro di manganese precipitati avevano una resistenza superiore all ammaccatura e avevano fornito una migliore resistenza alla degradazione della rugosit superficiale che s1 verifica in condizioni di lubrificazione contaminata dei corpi volventi e in condizioni di lubrificante contaminato 1 risultati dei test nei quali si utilizzavano cuscinetti con corpi volventi realizzati con materiale contenente silicio e nitruro di manganese mostravano che le piste avevano una resistenza al flaking pari al doppio in termini di tempo rispetto alla resistenza al flaking dei cuscinetti realizzati con corpi volventi in acciaio standard Pertanto si ritiene che il materiale dell elemento rotante contenente silicio e nitruro di manganese pu prolungare la vita del cuscinetto dando una maggiore resistenza alla formazione di ammaccature e riducendo in questo modo l azione della forza tangenziale ai bordi della ammaccatura sulla pista di rotolamento 62 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 4 3 Influenza della forza tangenziale La figura 1 64 illustra il meccanismo attraverso il quale il flaking si verifica sul bordo di una ammaccatura La figura 1 64 assume un mo
46. dello dove esiste un ammaccatura sulla pista di rotolamento e una sfera Appena la sfera e di conseguenza il carico passa sopra l ammaccatura una grande forza tangenziale viene generata a bordo dell ammaccatura a causa del rigonfiamento del materiale in quel settore fig 1 64 p2 La grande forza tangenziale generata provoca poi il flusso plastico del materiale intorno all ammaccatura Inoltre se la forza tangenziale generata come mostrato in figura da sinistra a destra un grande sforzo di trazione nasce sul bordo sinistro dell ammaccatura e un grosso sforzo di compressione nasce sul bordo destro dell ammaccatura Rolling direction of the raceway with a dent gt TTTTZZ Ball movement direction Tangential Shon Left edge I 2 i j Trailing S A lt 4 rs Right edge fina ia NI Piastic h i Leading i EE PEH ow Crack Hat ci edge i lt 1 Tension P2 gt Tension P1 i i l lesi Compression P3 gs gt Compression P2 lt A _ amp _ i Tension Tension 0 Compression Compression Stress ratio A gt te Stress ratio R lt Figura 1 64 Azione degli sforzi sui bordi dell ammaccatura 63 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Nel caso il cui l ammaccatura non esista lo sforzo di trazione e lo sforzo di compressione generati dalla forza tangenziale nella zona di contatto sono gli stessi in ogni punto di contatto grazie alla forza tangenziale costante Tuttavi
47. dello strato superficiale indurito 102 Figura 3 43 Interfaccia tra lo strato indurito e il restante materiale 103 Figura 5 44 Martensite temprat scscaa lean 103 Figura 3 45 Sezione trasversale del danno principale 104 Figura 3 46 Microstruttura perpendicolare alla pista GS 104 Figura 3 47 Ingrandimento dello strato superficiale indurito 105 Figura 3 48 Interfaccia tra lo strato indurito e il restante materiale 105 Figura 3 49 Sezione longitudinale del danno principale 106 Figura 3 50 Microstruttura parallela alla pista GS eccccceecseseeeeeeees 106 Figura 3 51 Concentrazione di solfuri di manganese 107 11 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 3 52 Ingrandimento strato superficiale indurito 107 Figura 3 53 Interfaccia tra lo strato indurito e il restante materiale 108 Figura 3 54 Cricca presente al di sotto della superficie di rotolamento della pista Gs La encecae linea cina Limina 108 Figura 3 55 Profilo della microdurezza ottenuto dopo 1l test 109 Tabella 3 1 Analisi chimica del cuscinetto ii 110 Figura 3 56 Direzioni principali degli SfOrZzI 111 Figura 3 57 Azione degli sforzi sui bordi d
48. di crescita della cricca mentre una cricca si forma pi facilmente se il flusso plastico di materiale si muove nella direzione di crescita della cricca Inoltre si visto che in condizioni d esercizio del cuscinetto in cui la forza tangenziale piccola se 11 verso degli elementi rotanti viene cambiato cambia la direzione della forza tangenziale c solo un piccolo cambiamento nella vita del cuscinetto ma se la forza tangenziale grande e il verso degli elementi rotanti viene cambiato cambia la direzione della forza tangenziale la vita del cuscinetto viene migliorata di molto Dai risultati dei test diagrammati figura 1 68 si nota che la vita del cuscinetto estesa dalla rotazione inversa maggiore la rotazione inversa e maggiore sar la vita del cuscinetto 67 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Percent failed 5 10 10 105 Life h Figura 1 68 Influenza dell inversione di rotazione sulla ammaccatura che da origine alla flaking failure Attraverso 1 risultati mostrati in figura 1 68 si pu dedurre che se durante il test si applica l inversione della rotazione la forza tangenziale viene generata in direzione opposta alla direzione della forza tangenziale generata durante 1l test con rotazione normale Questo processo crea un flusso plastico di materiale che va ad intersecare durante il test a fatica la direzione di crescita della cricca in questo modo si blocca la crescita della cricca e si ralle
49. e 11 comportamento del materiale 2 1 Caratterizzazione metallografica La caratterizzazione dei materiali una fondamentale necessit nello studio dei materiali interessante poter valutare le caratteristiche possedute nelle diverse direzioni da un laminato essendo intrinsecamente anisotropo La caratterizzazione consta di analisi chimiche per stabilire la composizione media del campione metallografiche volte a rilevare la percentuale di fasi esistenti la loro distribuzione spaziale reciproca e la distribuzione di imperfezioni strutturali 2 1 1 Esame della microstruttura Lo studio sperimentale della microstruttura chiamato metallografia Per far ci si utilizza il microscopio che consente di investigare pi a fondo la struttura del materiale prestando attenzione al fatto che pi grande l ingrandimento utilizzato pi difficile essere sicuri che ci che si vede sia una corretta descrizione del tutto per cui si sono utilizzati ingrandimenti differenti per limitare questo effetto 2 1 2 Preparazione dei campioni I campioni vengono ricavati utilizzando il taglio con mola fresatrice che crea 1l s ia i piano su cui verr operata l analisi suddetta Particolare cautela deve essere riposta durante il taglio per evitare che la zona di interesse subisca un alterazione delle caratteristiche microstrutturali riducendo la veridicit dell analisi A tal scopo la lama abrasiva che costituisce 1l tagliente vie
50. e per sovraccarico dinamico anche a seguito di una errata geometria Situazione 1 tracce di passaggio normali con sfaldatura nelle zone pi caricate Cause cuscinetto con capacit di carico inadeguata cattiva lubrificazione ingresso di corpi estranei ruggine detriti Situazione 2 tracce di passaggio molto estese e marcate su entrambe le piste con sfaldatura nelle zone pi caricate Cause giochi interni insufficienti conseguenti ad accoppiamento su albero e o supporto troppo forzato inserimento forzato di una sede conica Eccessivo pre carico di cuscinetti obliqui a sfere e a rulli conici Differenza di temperatura tra anello interno e anello esterno troppo elevata Situazione 3 tracce di passaggio anomale in due zone della pista Cause albero o sede nel supporto ovalizzati disallineamento Situazione 4 sfaldatura da compressione assiale Cause montaggio errato che genera un carico assiale eccessivo gioco assiale insufficiente a compensare la dilatazione termica Rimedi trovare le cause che generano un carico eccessivo aumentare la viscosit del lubrificante ed aumentare la portata di lubrificante per garantire un adeguato film d olio maggiore precisione durante l installazione del cuscinetto 22 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 7 Cuscinetto a sfere Il flaking si manifesta sull anello interno l anello esterno e le sfere a causa del carico eccessivo Figura 1 8 Cuscinetto a sfere
51. ell ammaccatura 113 Figura 3 58 Andamento del ciclo di tensione compressione 114 12 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 I cuscinetti 1 1 Definizione di cuscinetto Prende il nome di cuscinetto l elemento destinato a ricevere e sopportare un albero rotante Possiamo distinguere due categorie di cuscinetti ad attrito radente detti comunemente bronzine nei quali si ha un contatto di strisciamento fra la superficie del cuscinetto e quella dell albero contatto che pu essere diretto oppure mediato dalla interposizione di un velo di lubrificante e quelli ad attrito volvente detti a rotolamento nei quali fra albero e sede vengono interposti dei corpi volventi sfere rulli e rullini in modo da diminuire I attrito trasformandolo da radente in volvente A seconda della direzione del carico si possono ancora distinguere in cuscinetti portanti o radiali nei quali la direzione del carico perpendicolare all asse di rotazione dell albero cuscinetti a spinta o assiali nei quali la direzione del carico diretta lungo l asse di rotazione dell albero e misti o obliqui direzione del carico inclinata rispetto all asse di rotazione 1 2 Cuscinetto radente Il cuscinetto radente o bronzina costituito da un elemento cilindrico cavo serrato entro il foro di un elemento detto supporto nel quale va ad inserirsi l albero rotante Il diametro del foro della bronzina
52. ente 1l flaking originato al di sotto della superficie si verifica in condizioni di lubrificazione ideali mentre 1l flaking originato in superficie s1 verifica in condizioni di scarsa lubrificazione cio spessore del film d olio insufficiente o presenza di corpi estranei nel lubrificante Nel caso di cricca al di sotto della superficie essa nasce generalmente da un inclusione non metallica nel materiale Pertanto migliorare la pulizia del materiale una contromisura efficace per evitare che al di sotto della superficie s1 generino cricche tali da dar vita al flaking Negli untimi anni la pulizia degli acciai da cuscinetti migliorata significativamente grazie ai progressi fatti nella siderurgia Come risultato si ottenuto che 1 casi di flaking generati da inclusioni non metalliche al di sotto della superficie sono diminuiti Oggi normale per un cuscinetto che opera sotto buone condizioni di lubrificazione aumentare la sua vita di 10 volte calcolo fatto applicando la teoria di Lundberg Palmgren Viceversa nel caso in cui il flaking sia generato in superficie per via di una indentazione sulla pista di rotolamento causata da un lubrificante contaminato da detriti la vita del cuscinetto sar notevolmente ridotta In alcuni casi la vita del cuscinetto di gran lunga inferiore a quella calcolata con la teoria di Lundberg Palmgren Ci rappresenta un problema nel momento in cui sia necessario determinare la vita dei cuscinetti utili
53. est ultimo le diagonali dell impronta lasciata sulla superficie dopo aver rimosso il carico Fig 2 2 Per tutte le prove di microdurezza si assume che l impronta non subisca alcun recupero elastico Una volta che si sono misurate le diagonali dell impronta si calcola 11 valore della durezza Vickers HV secondo la formula presente in norma ASTM E384 HV 1 8544 dove con P si designa la forza applicata espressa in kgf e con d la diagonale misurata in mm Figura 2 2 Penetratore a forma di piramide diagonali lasciate dell impronta 78 Tesi di Laurea di Stefano Borroni La misura delle dimensioni dell impronta operata mediante un sistema micrometrico con un traguardo fisso ed uno mobile nel campo oculare in cui si acquisiscono le diagonali suddette Il microdurometro di laboratorio a questo punto consente di ricevere automaticamente in uscita su schermo il valore di microdurezza Vickers Particolare attenzione deve essere posta nella scelta della forza applicata infatti pi bassa pi piccola risulter l impronta e l errore compiuto nella valutazione della diagonale avr un maggior peso rispetto al caso in cui si utilizzi un carico superiore Le principali cause di errore nell esecuzione del test sono da attribuirsi a vibrazioni inopportuna progressione del carico applicato errata stima del carico scorretta durata del periodo di applicazione ed impatto 79 Tesi di Laurea di Stefano Bor
54. fologie delle cricche osservate possono essere collegate al fenomeno chiamato Sfaldamento dell ammaccatura o Dent Flaking e molti altri piccoli difetti come 1 buchi e 1 segni delle indentazioni pit e indentation marks sono presenti su entrambe le superfici delle due piste analizzate GS e MS e questi segni devono essere considerati come il primo stadio di un largo danneggiamento superficiale e una singola cricca stata individuata sulla pista GS al di sotto della superficie probabilmente questa cricca si sviluppata durante il processo di indurimento superficiale e quindi non da considerarsi collegata con i danni osservati in superficie e non si sono osservati importanti difetti sulla superficie delle sfere appartenenti al cuscinetto 101 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 3 2 3 Analisi metallografica Analisi metallografica campione pista GS T L analisi metallografica svolta su una sezione trasversale appartenente al campione della pista GS mette in evidenza uno strato superficiale indurito La microstruttura ottenuta tramite tempra costituita da martensite 200um 100um Figura 3 41 Ingrandimento dello strato superficiale indurito Lo strato di microstruttura temprata chiaramente visibile soprattutto se si utilizzata una tempra ad induzione Va vip gt K A X LR PO y i at DOGS N x N x SS a S a UNI ki oA S
55. i danneggiamenti superficiali File Name Campione 1_01 jpg Politecnico di Milano Zum _ File Name Campione 1_02 jpg Politecnico di Milano 5 1 5 W 750KX SIA Date 11 Mar 2010 Dipartimento di Meccanica i Date 11 Mar 2010 Dipartimento di Meccanica Figura 3 38 Morfologia dei danni appartenenti alla superficie della pista MS I danneggiamenti superficiali individuati sulla pista MS sono simili ai danneggiamenti trovati durante le precedente analisi sulla superficie del campione relativo alla pista GS 99 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Analisi SEM delle sfere del cuscinetto Le sfere sono state analizzate al SEM in modo approfondito nonostante questa analisi accurata sulla loro superficie sono stati individuati solo piccoli difetti Figura 3 39 Piccoli difetti individuati sulla superficie delle sfere Figura 3 40 Piccoli difetti individuati sulla superficie delle sfere 100 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Dall analisi del campione al SEM si evince che e i danni principali osservati ovvero le due grandi indentazioni sulla pista GS mostrano la tipica morfologia del flaking e molte cricche secondarie al di sotto della superficie si sono propagate a causa del fenomeno del Flaking e le cricche al di sotto della superficie si ramificano e la loro estensione maggiore di quella relativa alle cricche sviluppatesi sulla superficie di rotolamento e le mor
56. i di Laurea di Stefano Borroni l osservatore casuale poteva non accorgersene e dichiarare che la flaking failure fosse accompagnata solo da una cricca OLM Load movement dir gt 1 TA Load movement dir gt pi LM crack LM crack OLM crack 3 Formation of small flaking failure with 4 Formation of bi directional cracking OLM crack flaking failure Figura 1 56 Processo della flaking failure accompagnata da cricche OLM e LM Le propriet del modo II di crescita della cricca per acciai da cuscinetti sono state valutate attraverso un metodo caratterizzato dalla sovrapposizione di due carichi statici a un carico di compressione parallelo alla cricca e b un momento flettente statico che dovrebbe aprire la cricca Il carico di compressione statico a per prevenire che la cricca si estenda nella direzione del massimo sforzo di trazione e il momento flettente statico b per ridurre l interferenza tra le facce della cricca quasi a zero al fine di misurare le propriet intrinseche del materiale H a I d ci i f i f AVE matt pated Y Y Ze Figura 1 57 a Carico statico di compressione b momento flettente statico Successivamente l intensit degli sforzi relativi ad una micro cricca al di sotto della superficie sono stati calcolati simulando il passaggio di una indentazione attraverso l area di contatto 54 Contact pressure GPa Contact center po
57. inato diventa corta Si pu quindi stabilire che l influenza della forza tangenziale sull ammaccatura che avvia il flaking grande Di seguito vengono riportati schematicamente 1 punti principali che spiegano 1l meccanismo di formazione del flaking avviato da una ammaccatura e Dal momento che esiste un rigonfiamento sul bordo della ammaccatura una grande forza tangenziale generata sul brodo della ammaccatura e un grande flusso di materiale plastico si genera sul bordo dell ammaccatura e A causa dell influenza della forza tangenziale le cricche a fatica iniziano dal bordo dell ammaccatura dove lo sforzo di trazione maggiore e Le cricche di fatica si propagano attraverso gli sforzi di taglio e attraverso gli sforzi di trazione a causa dell effetto idraulico dell olio che penetra nelle cricche Si verifica cos 1l flaking I lavori sviluppati dai diversi ricercatori sono serviti per cercare di chiarire sperimentalmente il meccanismo della flaking failure avviata da una ammaccatura osservata nel cuscinetti volventi Riassumendo dai dati di letteratura si evince che e la forza tangenziale accelera l avvio della cricca sul bordo dell ammaccatura e ja posizione di partenza della cricca sul bordo di un ammaccatura determinata dalla direzione della forza tangenziale piuttosto che dalla direzione di rotolamento e la cricca si propaga molto pi facilmente sul bordo della ammaccatura sul componente condotto ri
58. itica contenente carbonio sotto forma di grafite fine 1 bronzi allo stagno allo zinco e al piombo da cui 1l nome bronzine e le leghe antifrizione costituite da metalli bianchi che possono essere a base di stagno e piombo o a base di stagno e zinco Esistono anche dei cuscinetti autolubrificanti in materiale sinterizzato con base di polveri metalliche gli spazi fra un grano e l altro vengono riempiti di grasso che si scioglie sotto l effetto del calore sviluppato durante il funzionamento provvedendo a lubrificare 1l tutto quando velocit e calare diminuiscono parte 14 Tesi di Laurea di Stefano Borroni del grasso viene riassorbito grazie alla capillarit dei pori del cuscinetto Si ha cos una specie di regolazione automatica della lubrificazione 1 2 2 Caratteristiche costruttive delle bronzine Le bronzine possono essere costituite in un solo pezzo successivamente forzato nella sede del supporto oppure in due met due gusci in modo da rendere possibile il loro montaggio anche in parti non accessibili con bronzine in un sol pezzo come ad esempio le bronzine di biella degli alberi a gomito Le bronzine possono essere costituite unicamente da uno dei materiali citati oppure pi frequentemente sono costituite da una bussola di un altro materiale tipo acciaio rivestita di metallo anti frizione fuso e colato nel cuscinetto Per favorire l aderenza di questo rivestimento la bussola dotata di scanalature con forma a co
59. ito porta spesso al trasferimento del materiale per flaking da una superficie all altra Tale riscaldamento causa in genere un incrudimento del metallo con tensioni superficiali e conseguenti incrinature o sfaldature Situazione smearing sulle teste dei rulli e sugli orletti delle piste Causa strisciamento sotto forte carico assiale con lubrificazione inadeguata Situazione 2 smearing dei rulli e delle piste per accumulo di piccoli grippaggi Cause slittamento dei rulli per improvvisi cambiamenti di velocit slittamento dei rulli all entrata nella zona in cui sono soggetti a carico radiante slittamento dei corpi volventi per entrata di corpi estranei Carico eccessivo e lubrificazione inadeguata Situazione 3 segni di smearing della pista alla stessa distanza dei rulli Causa l anello con la gabbia e 1 rulli stato inserito a forza nell altro anello senza farlo ruotare Situazione 4 smearing in diagonale delle piste del cuscinetti assiali a sfere Causa velocit di rotazione elevata e carico basso in questo modo la forza centrifuga porta le sfere a contatto del lato esterno della pista con conseguente strisciamento anzich rotolamento Rimedi selezionare un opportuno lubrificante utilizzare un lubrificante con additivi ad alta pressione applicare un piccolo gioco radiale e un piccolo pre carico per evitare lo slittamento 27 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 17 Anello interno di un cuscinetto
60. jpg Politecnico di Milano Date 17 Mar 2010 Dipartimento di Meccanica Figura 3 26 Micrografia ottenuta tramite l analisi al SEM della sezione longitudinale del danno pi grande 93 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Politecnico di Milano Dipartimento di Meccanica Figura 3 27 Micrografia ottenuta tramite l analisi al QSBD della sezione longitudinale del danno pi grande La micrografia del campione ottenuta tramite la tecnica QSBD mette in evidenza che il danneggiamento intorno al danno principale risulta essere molto esteso LATO A La micrografia mette in evidenza molte cricche al di sotto della superficie del materiale in corrispondenza del bordo di ingresso dell indentazione ovvero 1l lato A Il materiale della pista risulta essere quasi scheggiato Figura 3 28 Propagazione delle cricche al di sotto della superficie in corrispondenza del bordo d ingresso 94 Tesi di Laurea di Stefano Borroni LATO B E stato analizzato 11 bordo di uscita della indentazione Politecnice 2 Dum p F e 1 Long_02 jpg Politecnico di Milano Dipartimento di d 1 2 Da far 2010 Dipartimento di Mecc Figura 3 29 Propagazione delle cricche al di sotto della superficie in corrispondenza del bordo d uscita lato B Anche in questo caso la micrografia ottenuta tramite la tecnica QBSD mette meglio in evidenza le cricche che si sono generate in corrispondenza del bordo d uscita dell inde
61. la rugosit delle superfici a contatto aumenta anche il valore della forza tangenziale che agisce tra 1 corpi volventi e la pista di rotolamento Sotto le condizioni di lubrificazione contaminata sostanze estranee vengono schiacciate tra gli elementi che rotolano e la pista si generano quindi delle ammaccature sulla superficie dei corpi volventi e sulla pista di rotolamento viene cos degradata la rugosit superficiale Il degrado della rugosit superficiale da luogo ad una grande forza tangenziale che agisce sul bordo dell ammaccatura e che va ad accelerare 11 processo della flaking failure Al contrario in condizioni di lubrificazione pulita senza materiale estraneo all interno del lubrificante la vita a fatica degli elementi a contatto che rotolano legata al film di lubrificante espresso attraverso il parametro A H o0 dove H corrisponde la minimo spessore del film di lubrificante e o corrisponde alla rugosit composta dalle due superficie a contatto Dalla tabella 1 1 si nota che il valore di A che pu essere pari a 3 o inferiore a 3 dipende dalla rugosit superficiale degli elementi che rotolano Cos all aumentare della rugosit superficiale degli elementi che rotolano A diminuisce e diminuisce quindi il tempo necessario per far comparire a causa della ammaccatura il flaking Quando A piccolo il contatto metallo con metallo aumenta il coefficiente di attrito aumenta e aumenta pure la forza tangenziale
62. leggermente maggiore decimi di millimetro e anche meno del diametro dell albero per permettere l introduzione e il mantenimento di un certo velo di lubrificante destinato a sopportare il carico applicato impedendo il contatto diretto tra albero e cuscinetto e quindi un veloce deterioramento di quest ultimo 13 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Il lubrificante viene inserito nei cuscinetti tramite oliatori o ingrassatori nel caso di lubrificazione naturale oppure in pressione nel suddetto meato tra albero e cuscinetto nel caso di lubrificazione forzata 1 2 1 Materiali per bronzine I materiali usati per la realizzazione delle bronzine devono avere certe caratteristiche le pi importanti sono e basso coefficiente di attrito in modo da ridurre al minimo la potenza dissipata e quindi il calore generato dall accoppiamento e elevata resistenza meccanica e resistenza a fatica per poter sopportare le elevate sollecitazioni e buona durezza superficiale la quale per deve essere inferiore a quella dell albero affinch l usura dell accoppiamento sia concentrata sulla bronzina di facile ed economica sostituzione e costanza delle caratteristiche meccaniche con il variare della temperatura e resistenza alla corrosione in ambiente acido come quello dovuto alla presenza di lubrificante e elevata conducibilit termica per poter smaltire al meglio il calore generato Fra 1 materiali pi usati abbiamo la ghisa perl
63. lla cricca quando l ammaccatura presente sul componente che conduce 65 fabella 2 Modakta dereshssgssinora iii 67 Figura 1 68 Influenza dell inversione di rotazione sulla ammaccatura che da onone alla TAKING fallire 68 Figura 2 1 Microscopio elettronico a scansione 71 Figura 2 2 Penetratore a forma di piramide diagonali lasciate dell impronta 78 Figura 3 1 Primo campione e secondo campione del sistema di trazione SI Fig ra 3 2 Secondo CAMPION ria 8 Figura 3 3 Sono indicate la pista lato motore e lato ingranaggio del cuscinetto Figura 3 4 Distanza tra 1 due danni principali individuati sulla pista GS 82 Figura 3 5 Difetti secondari individuati lontano dai danni principali 83 Figura 3 6 Primo danno principale sulla pista GS 84 Figura 3 7 Direzione di rotolamento 84 Figura 3 8 Asportazione di detriti in direzione normale alla direzione di pico 85 Figura 3 9 1 Cricche circonferenziali 2 piccoli buchi 85 Figura 3 10 Secondo danno principale sulla pista GO cceeeeeeeeeees 86 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 3 11 Asportazione di detriti in direzione normale alla direzione di TOOLI ENO aanse a aaa 86 Figura 3 12 Cricche e piccoli buchi presenti al di sopra del danno principale 87 Figura 3 13 Cricche presenti al di sot
64. llo 56 Tesi di Laurea di Stefano Borroni In aggiunta la figura 1 61 mostra attraverso la vista dall alto e attraverso la sezione trasversale una tipica flaking failure con cricche bidirezionali Origin i VA Beach mark Origin lt IL et ILE RDZ Joss ian a E A MT A dA ee DIG Si c E SN TOT Cla co N P h g oa g p LS as Da OLM crack Pe rg min SURE LM crack ae ns gt h o gt gt P i S Ma AA sa a Lesa a ADi j FS A aes TSO poi Ri PE vr di E i i ee AS CA e N 2 oh e ERRO DALAI Pe ta oF naar Ca any ots Aa CA a To aggio renne dir gt iw oe f 0 1mm i oT P ao 2 ed Figura 1 61 Una tipica flaking failure accompagnata da cricche LM e OLM La posizione indicata come origine mostrata nella sezione trasversale sembra il picco di una montagna La profondit a cui si trova questo picco approssimativamente di 0 02 mm sotto la superficie di contatto e coincide con la profondit media osservata per la formazione di micro cricche al di sotto della superficie Si pu dedurre che una micro cricca al di sotto della superficie iniziata nella posizione di picco genera una piccola flaking failure accompagnata da una cricca OLM in accordo con il processo spiegato in figura 1 59 e con conseguente formazione della flaking failure con cricche bidirezionali come mostrat
65. mmaccatura che da il via al flaking 1 ricercatori condussero prove di fatica dove la direzione della forza tangenziale che agiva nel cuscinetto con ammaccature artificiali cambiava a causa del cambiamento del verso di rotazione Il primo test consisteva nel far ruotare 1 cuscinetti nella direzione normale per la durata di tutto il prova Nel secondo test veniva fatto ruotare il cuscinetto in direzione inversa rotazione inversa per 10 ore dopo di che 1 cuscinetti 66 Tesi di Laurea di Stefano Borroni venivano fatti girare nella direzione normale per tutto il restante tempo della prova Nel terzo test veniva fatto ruotare il cuscinetto in direzione inversa rotazione inversa per e 20 ore dopo di che 1 cuscinetti venivano fatti girare nella direzione normale per tutto 1l restante tempo della prova Tabella 1 2 Modalit dei test Condition Introduction of dent into the raceway o Condition 2 Operated for 10h in reverse rotation of fatigue test after introducing a dent Condition 3 Operated for 20h in reverse rotation of fatigue test after introducing a dent gt La direzione del movimento del flusso plastico del materiale ai bordi dell ammaccatura imposto dalla direzione che ha la forza tangenziale Tramite 1 test effettuati dal ricercatori s1 capito che invertendo la forza tangenziale si allunga la vita al cuscinetto perch una cricca non cresce facilmente se il flusso plastico di materiale interseca la direzione
66. ne bagnata con un flusso abbondante di acqua miscelata con un additivo oleoso 73 Tesi di Laurea di Stefano Borroni idrosolubile per la protezione contro la corrosione e per evitare il surriscaldamento del materiale in esame che potrebbe se soggetto ad un apporto termico non trascurabile modificare le sue caratteristiche metallografiche portando ad errate conclusioni Con queste accortezze 1l taglio con mola permette di ottenere una superficie regolare ed eviter 11 manifestarsi di danni superficiali causati dal surriscaldamento 2 1 2 1 Procedura Dopo che 1l disco abrasivo stato selezionato 1 provini vengono saldamente fissati a due agganci per operare il taglio della sezione desiderata facendo particolare attenzione alla pressione di taglio per impedire il danneggiamento del disco abrasivo Una volta che si ottenuto il campione viene pulito con acetone o alcol per evitare che possano rimanere depositi di acqua o abrasivo che corroderebbero il campione 2 1 3 Spianatura I campioni passano alla fase successiva di spianatura ove si rimuovono gli effetti del taglio Questo passo vede l utilizzo della macchina spianatrice che costituita da un piatto rotante su cui collocata una carta abrasiva al SIC avente una specifica granulometria che viene bagnata da un flusso di acqua 1l cul scopo da un lato quello di ridurre il riscaldamento del campione stesso e dall altro quello di allungare la vita media della car
67. ne per aumentare la durezza del materiale attraverso la durezza della martensite Una soluzione per migliorare la vita di un cuscinetto a sfere che opera in condizioni di lubrificante contaminato quella di migliorare la resistenza delle sfere alle ammaccature In merito all influenza della durezza sulla vita del cuscinetto 1 ricercatori condussero del test di durata a fatica utilizzando cuscinetti aventi sfere realizzate con un materiale contenente nitruro precipitato 1 test furono fatti in condizioni di lubrificazione contaminata Al termine del test si individuavano le eventuali presenze di ammaccature generate sui corpi volventi per verificare se era stato raggiunto un aumento della vita del cuscinetto attraverso un miglioramento della resistenza alle ammaccature delle sfere Dai risultati dei test 1 ricercatori capirono che grazie all uso di elementi volventi contenenti nitruro precipitato si migliorava la condizione di resistenza all ammaccatura si aveva quindi un minore degrado della rugosit superficiale e veniva ridotta la forza tangenziale che agiva ai bordi 61 Tesi di Laurea di Stefano Borroni dell ammaccatura sulla pista di rotolamento era quindi possibile ottenere un aumento della vita del cuscinetto In generale si evince che e nei test in cui le condizioni di prova per generare le ammaccature sulla pista erano le stesse per ogni cuscinetto testato si notato che maggiore era la rugosit superficiale
68. nta 11 fenomeno della flaking failure I ricercatori scoprirono che durante la rotazione inversa il grande sforzo di trazione che aveva generato la cricca sul bordo dell ammaccatura in condizioni di rotazione normale viene sostituito dalla comparsa sullo stesso bordo dell ammaccatura di un grande sforzo di compressione Questo grande sforzo di compressione generato dall inversione della rotazione persiste durante il test del cuscinetto in condizioni di rotazione normale In conclusione si pu affermare che il miglioramento della vita del cuscinetto mostrato in figura 1 68 influenzato dal flusso plastico di materiale che interseca la direzione di crescita della cricca e dalle tensioni residue di compressione In altre parole 1 risultati di figura 1 68 indirettamente suggeriscono che la direzione della forza tangenziale e quindi quella del flusso plastico di materiale influenza la vita del flaking 68 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 4 4 Influenza del lubrificante Per verificare ulteriormente influenza della forza tangenziale sull ammaccatura che da inizio al flaking stata condotta una prova a fatica utilizzando un olio con alto coefficiente di trazione e un olio industriale multiuso In un ambiente con lubrificazione pulita c una relazione tra RCF rolling contact fatigue e il parametro film lubrificante ovvero A H o Il maggiore fattore della lubrificazione che influenza lo spessore del film di lubrifica
69. ntazione al di sotto della superficie del materiale Inoltre 1l materiale della pista risulta essere quasi scheggiato Politecnico di Milano Dipartimento di Meccanica Figura 3 30 Propagazione delle cricche al di sotto della superficie in corrispondenza del bordo d uscita lato B Attraverso le micrografie ottenute tramite la tecnica QBSD ci si accorti che 1 danni al di sotto della superficie del materiale sono pi profondi di quanto ci si aspettava Tesi di Laurea di Stefano Borroni Analisi SEM campione pista GS L2 Si preso in esame un campione relativo alla pista GS questa volta per si analizzata una sezione longitudinale lontana dal danno macroscopico pi grande Figura 3 31 Sezione longitudinale della pista GS distante dal danno macroscopico pi grande Dall analisi al SEM si possono individuare lungo la sezione alcune cricche fortemente ossidate Figura 3 32 Cricche ossidate messe in evidenza attraverso una sezione longitudinale della pista GS Gli spettri EDS sottolineano la presenza di ossido Figura 3 33 Presenza di ossido nelle cricche 96 Tesi di Laurea di Stefano Borroni CD A 0 5 millimetri di profondit al di sotto della pista GS del cuscinetto Cp presente una cricca lunga circa mm La comparsa di questa cricca probabilmente dovuta all indurimento della superficie Politecnico di Milano 200um i Campione 2_02
70. nte la viscosit cinematica Per questo motivo 1 test condotti dal ricercatori furono fatti utilizzando come lubrificante un olio con alto coefficiente di trazione e un olio industriale multi uso che avevano quasi la stessa viscosita Dai risultati di questi test 1 ricercatori si accorsero che anche se 1 valori del parametro del film di lubrificante A erano quasi uguali sotto le condizioni di lubrificazione con un olio ad alto coefficiente di trazione la vita dell ammaccatura che da inizio al flaking era pi corta Infatti sotto queste condizioni le cricche partite dal bordo dell ammaccatura si propagavano pi facilmente perch aumentava la forza tangenziale che si generava a bordo dell ammaccatura Ancora una volta 1 test condotti dai ricercatori mettono in evidenza come la forza tangenziale gioca un ruolo importante nello sviluppo della flaking failure causata da una ammaccatura Si pu affermare che e la forza tangenziale locale generata sul rigonfiamento del bordo di una ammaccatura grande e come descritto sopra c una relazione tra posizione in cui inizia la cricca dal bordo della ammaccatura e la direzione della forza tangenziale e invertendo il verso della forza tangenziale la vita dell ammaccatura che da il via al flaking si prolunga 69 Tesi di Laurea di Stefano Borroni e quando usato un olio con un alto coefficiente di trazione la vita del cuscinetto sotto le condizioni di lubrificante contam
71. o 7 da attribuire allo sviluppo di micro cricche quasi parallele alla superficie di contatto e la7_ si trova alla profondit di 0 02 mm sotto la superficie di contatto X del rullo privo di difetti quando una indentazione si muove attraverso l area dei contatto L accrescimento di queste cricche quasi parallele alla superficie il II modo ovvero il modo mediante il quale l accrescimento della cricca a fatica guidato da uno sforzo 7 molto amplificato La flaking failure accompagnata da entrambe le cricche LM e OLM si forma attraverso il processo illustrato in figura 1 55 SI Tesi di Laurea di Stefano Borroni Possible mechanisms from 2 to 3 Model SES 1 Initiation of subsurface micro crack 2 Crack growth parallel to surface i 0 i Model B ea Load movement dir 3 OLM crack Origin LM crack ref Fig 15 b sa LM crack 0 1mm 4 Formation of flaking failure accompanied by both OLM and LM cracks 3 Formation of small flaking accompanied by OLM crack Figura 1 55 Processo di formazione delle cricche bidirezionali nella flaking failure Entrambi 1 modelli A e B di figura 1 55 sono 1 meccanismi ritenuti possibili per lo sviluppo di micro cricche sotto la superficie in una piccola flaking failure accompagnata da una cricca OLM Nel modello A la punta sinistra della cricca si estende al di sotto della superficie e la punta destra della cricca si estende in su
72. o a 650 700 HV con una profondit di circa 4 5 millimetri 110 Tesi di Laurea di Stefano Borroni e la composizione chimica risponde completamente alla norma europea per l acciaio 47CrMo4 3 2 6 Analisi degli sforzi residui Sono stati misurati gli sforzi residui essi risultano essere di compressione lungo tre direzioni e sono coerenti con gli sforzi hertziani di contatto applicati sulla pista di rotolamento del cuscinetto Figura 3 56 Direzioni principali degli sforzi Lungo la direzione 0 gli sforzi residui di compressione sono pi del doppio rispetto a quelli nella direzione di 90 questi dati spiegano soddisfacentemente bene il perch di un elevato sforzo assiale Direzione 0 45 90 Sforzo MPa 1311 32 8 896 2 36 6 530 05 21 7 111 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 3 3 Fenomeno del flaking E stato osservato che il modo di rottura pu essere collegato al danneggiamento da flaking della pista di rotolamento e successivo pitting Il flaking si verifica quando piccole parti di materiale del cuscinetto si staccano dalla superficie liscia della pista oppure quando si ha 1l distaccamento di pezzi di materiale dai corpi volventi per motivi riconducibili ad affaticamento da rotolamento Si vanno cos a sviluppare regioni che hanno una struttura ruvida e grossolana Le possibili cause relative alla nascita del flaking potrebbero essere state eccessivo carico e montaggio sbagliato ca
73. o di lucidatura 2 1 4 1 Procedura Nel laboratorio di Dipartimento sono presenti tre piatti ciascuno dei quali possiede un abrasivo avente rispettivamente granulometria di 6 um 3um e 1 um Il campione viene contemporaneamente ruotato ad intervalli regolari per evitare la formazione di microscopiche scalfitture superficiali note come code di cometa Dopo aver preparato ogni campione la qualit della lucidatura viene valutata al microscopio ottico con ingrandimenti fino a 200X 1 quali devono rivelare un immagine nitida ed esente da alcun genere di graffio che non era stato individuato ad occhio nudo 2 1 5 Attacco chimico L attacco chimico utilizzato con lo scopo di rilevare le caratteristiche strutturali di un materiale le quali non sono evidenti allo stato lucidato Infatti l esame del campione dopo la lucidatura permette solitamente di individuare 75 Tesi di Laurea di Stefano Borroni aspetti strutturali come le cricche porosit ed inclusioni non metalliche ma non la distribuzione delle fasi presenti la loro dimensione e morfologia Il principio che sta alla base quello di un attacco corrosivo selettivo verso una delle fasi o costituenti presenti nel materiale creando cos un impercettibile bassorilievo superficiale che consente di vedere le fasi presenti gi al microscopio ottico 2 1 6 SEM Il potere risolutivo del microscopio ottico limitato e quindi nessun vantaggio sostanziale s1 pu
74. o in figura 1 61 57 Tesi di Laurea di Stefano Borroni La figura alla destra della foto 1 61 indica la direzione di estensione della cricca rispetto all origine L area di estensione della cricca adiacente all origine caratterizzata dalle linee di spiaggia 1 4 1 Influenza della rugosit Il fenomeno del flaking influenzato da diversi fattori quali ad esempio la rugosit La rugosit del corpi volventi o delle piste di rotolamento pu essere deteriorata attraverso la presenza in condizioni di servizio di un lubrificante contaminato Diversi studi condotti in relazione al parametro della rugosit hanno evidenziato che possibile andare ad aumentare la vita del cuscinetto attraverso la riduzione del degrado della rugosit superficiale dei corpi volventi che si verifica in caso di lubrificazione contaminata e andando a minimizzare la forza tangenziale che agisce sulla pista di rotolamento ai bordi dell indentazione In particolare si riportano le conclusioni di una ricerca effettuata su tre tipi di cuscinetti con differenti difetti che simulano una differente rugosit il primo tipo di cuscinetti presentava sulla superficie dei corpi volventi le indentazioni il secondo tipo di cuscinetti presentava sulla superficie dei corpi volventi indentazioni differenti rispetto a quelle presenti sul primo tipo di cuscinetti e infine il terzo tipo di cuscinetti non presentava sulla superficie del corpi volventi le inden
75. odes in Rolling Bearings http www brighthub com Analisi dei cedimenti dei cuscinetti http www skf com Ball Bearings On Line http www who sells it com NTN Bearing Failures and Solutions http www ntn co jp 121 Tesi di Laurea di Stefano Borroni RINGRAZIAMENTI Desidero ringraziare e il professore Marco Boniardi e la Dott essa Ing Silvia Barella per avere seguito con interesse e disponibilit e per essere stati una guida importante per tutto il lavoro che stato svolto e 1 mie Genitori e la mia Nonna per avermi sostenuto per tutti questi cinque lunghi anni e la mia fidanzata Annalisa per aver contribuito alla correzione alla impaginazione ed al layout e un ringraziamento particolare va a Parenti ed Amici per avermi supportato e sopportato per tutti questi cinque lunghi anni 122
76. oli difetti Ri Ani EES YS STE PRC eS IE RETTA Se TEER US eee te NTE pero l Politecnico di Milano Dipartimento di Meccanica Figura 3 20 Piccoli difetti della pista MS lontani dai danni principali 90 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Questi piccoli difetti individuati sulla superficie del campione spesso risultano orientati lungo la direzione di rotolamento Politecnico di Milano Dipartimento di Meccanica Figura 3 21 Piccoli difetti della pista MS lontani dai danni principali L analisi al SEM ha confermato ci che gi era stato visto attraverso l analisi visiva ovvero la presenza di due importanti danni sulla pista del cuscinetto lato ingranaggio GS I due danni risultano essere di notevoli dimensioni hanno una larghezza superiore ad 1 mm inoltre le immagini ottenute con l analisi al SEM rivelano una rimozione di detriti in direzione normale a quella di rotolamento Le immagini mostrano che vicino ai due danni principali si sono propagate normali alla direzione di rotolamento delle cricche secondarie Inoltre l analisi al SEM ha messo in evidenza la presenza di molti piccoli danni superficiali su entrambe le piste del cuscinetto GS e MS Lo svilupparsi di questi danni avviene in direzione casuale Queste caratteristiche di guasto sono chiaramente collegate ad un fenomeno da usura da contatto chiamato flaking Il flaking porta ad un degrado della s
77. one 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 MicroHardness HV Figura 3 55 Profilo della microdurezza ottenuto dopo il test 109 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 3 2 5 Analisi chimica Lo scopo dell analisi chimica dei materiali metallici quello di determinarne la composizione e quindi la classificazione secondo una norma di riferimento Sono state fatte due analisi sulla composizione chimica del cuscinetto 1 valori ottenuti da entrambe le analisi sono in accordo con 1 valori standard che caratterizzano 11 47CrMo4 Tabella 3 1 Analisi chimica del cuscinetto Cam om on om oma 109 0 0 022 0 017 Quantometric analysis Politecnico laboratory 0 020 0 016 Quantometric analysis Hammer laboratory Dall analisi metallografica si evince che e la microstruttura dell acciaio ottenuta tramite una tempra ad induzione martensite La microstruttura fortemente bandeggiata e pu essere migliorata notevolmente scegliendo produttori di acciaio migliori e sulla pista del cuscinetto e vicino ai danni principali non stato rilevato nessun difetto metallurgico Soltanto piccole inclusioni di solfuri di manganese sono presenti negli strati bianchi della microstruttura e l indurimento a induzione mi restituisce una profondit di durezza conforme con 1 valori standard per quell acciaio Il profilo di microdurezza visualizza valori medi di durezza intorn
78. per via dell inversione di rotazione interseca la direzione di propagazione della cricca e quindi rallenta 11 fenomeno della flaking failure e oli lubrificanti con un alto coefficiente di trazione possono ridurre significativamente nei cuscinetti volventi la vita dell ammaccatura che da il via al flaking Sulla base dei risultati sopra descritti si afferma che le forze tangenziali generate tra la pista di rotolamento e le sfere influenzano significativamente la vita della ammaccatura che avvia il flaking 71 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Tuttavia le misurazioni quantitative le analisi per determinare l entit della forza tangenziale locale che lavora sul bordo della ammaccatura e la distribuzione degli sforzi intorno all ammaccatura devono ancore essere effettuate In futuro si sar in grado di determinare quantitativamente l influenza della pressione di contatto il grado di scorrimento la dimensione delle ammaccature l altezza del rigonfiamento sul bordo della ammaccatura l intensit della forza tangenziale generata sul bordo della ammaccatura e la distribuzione degli sforzi intorno all ammaccatura sperando che questo serva a prevenire il flaking avviato da un ammaccatura e a migliorare la vita del corpi volventi e quindi la vita del cuscinetti 72 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 2 Procedura sperimentale Si analizza in questo capitolo la procedura sperimentale utilizzata per caratterizzar
79. perficie Nel modello B entrambe le punte della cricca si estendono sotto la superficie Va osservato che entrambi 1 modelli includono una cricca OLM Per quanto riguarda il piccolo flaking mostrato in figura 1 55 3 s1 potrebbe conclude che la sua formazione ha seguito 11 modello A perch la cricca OLM molto pi evidente Tuttavia la piccola cricca LM messa in evidenza dall ingrandimento della sezione trasversale implica la possibilit che la formazione del flaking sia avvenuta attraverso il modello B Attualmente gli studi si stanno concentrando per capire quale tra 11 modello A e il modello B descrive meglio il fenomeno della flaking failure Dai risultati dei test di contatto a rotolamento a fatica condotti da diversi ricercatori si capito che le flaking failures accompagnate da cricche bidirezionali si verificano sulla superficie senza difetti quando le indentazioni sono presenti sull altra superficie di accoppiamento I ricercatori nei loro studi analizzarono lo stato degli sforzi valutando gli effetti sulla superficie di un a2 Tesi di Laurea di Stefano Borroni provino privo di irregolarit quando una indentazione appartenente alla superficie di accoppiamento si muove attraverso l area di contatto e contemporaneamente stato fatto un esame approfondito della flaking failures con il microscopio elettronico a scansione Come risultato si concluso che la formazione del processo del flaking failure con cricche
80. perficie della pista di rotolamento a causa di una scarsa lubrificazione 29 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 20 Anello interno di un cuscinetto a rulli cilindrici Lungo tutta la circonferenza sono evidenti segni di usura della pista di rotolamento a causa di una scarsa lubrificazione Figura 1 21 Gabbia di un cuscinetto a rulli cilindrici Usura da abrasione della gabbia in ottone 30 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 3 4 6 Fretting wear Fretting corrosion Descrizione l usura da sfregamento fretting wear si presenta sulle superfici di contatto tra due metalli fortemente compresse l una contro l altra soggette a scorrimenti alternativi di piccola entit nell ordine dei ym E tipica delle superfici di contatto cuscinetto albero e cuscinetto supporto dove si presenta in forma di vaiolature I detriti restano nella zona di contatto accelerando il processo di usura Nel caso in cui il fenomeno viene innescato da ruggine o aggravato dalla ossidazione dei detriti s1 parla di corrosione da sfregamento fretting corrosion Cause interferenza da calettamento insufficiente Sede del cuscinetto irregolare sull albero o nel supporto per cattiva lavorazione o per corrosione Rimedi l anello interno e l anello esterno devono essere imballati separatamente durante il trasporto se non possono essere separati 1 cuscinetti devono essere precaricati modificare il lubrificante modificare l
81. pporto di sforzi R gt 1 pi breve rispetto alla vita a fatica associata per un rapporto di sforzi R lt 1 Quindi si evince che una crepa iniziata sull angolo sinistro dell ammaccatura Si propaga facilmente fino a causare la flaking failure L ammaccatura da inizio allo sfaldamento tramite il seguente processo e poich esiste un rigonfiamento una grande forza tangenziale generata al bordo dell ammaccatura e un grande lo scorrimento plastico si presenta sul bordo dell ammaccatura 114 Tesi di Laurea di Stefano Borroni e a causa dell influenza della forza tangenziale iniziano le cricche per fatica dal bordo dell ammaccatura dove stato generato un grande sforzo di trazione e la propagazione per fatica delle cricche avviene attraverso lo sforzo di taglio e lo sforzo di trazione dovuto dall effetto dell olio che penetra nella cricca inizia cos il flaking Molti fattori influenzano la vita del guasto e massimo carico applicato e la presenza di sforzi tangenziali e la velocit di rotazione e la dimensione delle ammaccature e In modo particolare la velocit di rotazione influenza le condizioni del film d olio e aumenta a temperatura con cui 1 componenti del cuscinetto lavorano 115 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 4 Conclusioni Il guasto studiato verificatosi sul dispositivo della ruota deve certamente essere attribuito ad un fenomeno da usura da contatto che assume il nome di flaking
82. rcatori per testare a fatica 1 cuscinetti utilizzarono una macchina costituita da due rulli a contatto di diametro differente il rullo piccolo era il conduttore driver mentre il rullo grande era il condotto follower e riportava sulla superficie delle indentazioni equispaziate Il verificarsi di una flaking failure viene rilevata dall aumento delle vibrazioni raccolte da un sensore posizionato vicino ai due rulli Poich la vibrazione dei rulli varia a seconda della velocit di rotazione la soglia relativa di SHUT DOWN stata determinata da un aumento del 50 del livello normale di vibrazione corrispondente ad ogni velocit di rotazione 47 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Dai risultati dei test a fatica sui cuscinetti si visto che le rotture per flaking failures possono essere accompagnate da entrambe le cricche una diretta come la direzione del carico e una opposta alla direzione del carico Recentemente s1 scoperto che le flaking failures che avvengono con entrambe le cricche quasi sempre si sviluppano sulla superficie di contatto senza difetti Tutte le flaking failures ottenute durante 1 test a fatica erano simili nell aspetto indipendentemente dalle condizioni della prova dal carico di contatto dal numero di indentazioni e dalla loro dimensione dalla velocit di rotazione e dal fatto che il piccolo rullo senza difetti era usato come conducente o come condotto Pertanto a conclusione dei test 1 ricerc
83. rezione opposta a quella di rotazione della pista In questo caso un grande sforzo di trazione generato sul bordo d ingresso dell ammaccatura rispetto alla direzione di rotazione per via di questo elevato sforzo di trazione una cricca si genera sul bordo d ingresso dell ammaccatura Analizzando il caso di un cuscinetto reale a rotolamento il flaking pu verificarsi sul bordo di ingresso o sul bordo di uscita di una ammaccatura rispetto al senso di rotazione Questo dipende se l ammaccatura nella parte del cuscinetto che opera da conduttore o da condotto Tuttavia come descritto precedentemente il flaking si verifica prevalentemente sul bordo di uscita dell ammaccatura rispetto al senso di rotazione Il motivo per cui si verifica questo stato capito grazie al test a fatica con doppio disco svolti dai ricercatori I test hanno rivelato che le cricche si propagano facilmente sul componente condotto nel caso in cui il bordo d uscita dell ammaccatura rispetto alla direzione di rotazione diventa il bordo su cui agisce il pi grande sforzo di trazione per via dell influenza della forza tangenziale 1 4 3 1 Influenza della direzione della forza tangenziale Diversi ricercatori hanno condotto studi sulla forza tangenziale che agisce tra 1 corpi volventi e la pista di rotolamento per capire che influenza avesse sul fenomeno della flaking failure Pertanto al fine di verificare l influenza della forza tangenziale sull a
84. roni 3 Failure analysis 3 1 Il Problema Un azienda leader nella produzione di cuscinetti realizza diversi tipi di sistemi di trazione questi sistemi di trazione vengono impiegati per molte applicazioni in particolar modo vengono utilizzati nelle macchine agricole L azienda prima di effettuare la prova in loco del sistema di trazione ha sottoposto la scatola degli ingranaggi a severi test di resistenza AI temine di questi test condotti sulla scatola degli ingranaggi non ci sono stati particolari problemi da sottolineare I risultati dei test di laboratorio indicavano che la condizione generale della scatola d ingranaggi 607W2V era buona tali risultati sono in accordo con 1 requisisti richiesti dall azienda quindi 1 test preliminari sulla scatola d ingranaggi 607W2V si considerarono completati con successo e successivamente iniziarono le prove sul campo Alla fine delle prove sul campo il dispositivo d azionamento dell ingranaggio con 1247 ore di funzionamento stato analizzato visivamente non stato rilevato nessun problema sui denti dell ingranaggio per molte indentazioni sono state rilevate sulle piste di rotolamento del cuscinetto le pi importanti erano presenti sulla pista esterna sia dal lato del motore che dal lato del cambio Secondo l azienda queste indentazioni sulla pista erano coerenti con le spaziature del cuscinetto a sfere 50 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 3 1 1 Campioni analizz
85. rotazione e alla riduzione del carico applicato non sono realizzabili si suggerisce di verificare il disegno del componente e o di utilizzare un materiale differente oppure sottoporre a un differente trattamento la superficie del componente 117 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Bibliografia Articoli Yusuf Kayah Ismail Ucun Kubilay Aslantas Contact Fatigue Failure of a Tapered Roller Bearing Used in a Lorry Wheel Published online 27 March 2009 ASM International 2009 Michael N Kotzalas Tedric A Harris Fatigue Failure Progression in a Ball Bearings Vol 123 April 2001 Copyright 2001 by ASME Transactions of the ASME R S Sayles E Loannides Debris Damage in Rolling Bearings and its Effects on Fatigue Life Vol 110 January 1998 Copyright 1988 by ASME Transactions of the ASME T Ueda N Mitamura Mechanism of dent initiated flaking and bearing life enhancement technology under contaminated lubrication condition Part I Effect of tangential force on dent initiated flaking Available online 20 March 2008 Tribology International 41 2008 965 974 2009 Elsevier Ltd All reserved T Ueda N Mitamura Mechanism of dent initiated flaking and bearing life enhancement technology under contaminated lubrication condition Part II Effect of rolling element surface roughness on flaking resulting from dents and life enhancement technology of rolling bearings under contaminated lubrication condition
86. rotolamento a causa della presenza di acqua nel lubrificante 39 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 40 Rullo a botte Corrosione della superficie di contatto del rullo a causa dell ingresso di acqua nel cuscinetto Figura 1 41 Anello interno di un cuscinetto a rulli Corrosione della pista di rotolamento a causa della presenza di acqua nel lubrificante 40 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 3 4 11 Cricche e Rotture Descrizione le cricche sono fessurazioni o crepe del materiale senza il distacco di parti se si verifica il distacco delle parti solitamente si parla di rottura del componente Cause eccessiva interferenza carico intermittente eccessivo shock termico da riscaldamento per sfregamento o strisciamento geometria della sede di calettamento errata urti o colpi in fase di installazione o di smontaggio Crepe conseguenti a e saldatura e usura e smerigliatura e corrosione e indentazione Rimedi analizzare le cause che generano un carico eccessivo prevenire lo strisciamento modificare la forma del cuscinetto Figura 1 42 Anello interno di un cuscinetto a rulli a botte La rottura causata da una eccessiva interferenza il punto di origine della cricca si osserva nel mezzo della superficie della pista di sinistra 41 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 43 Anello esterno di un cuscinetto a rulli cilindrici Suddivisione in direzione circonferen
87. sioni superiori rispetto al primo danno macroscopico Dei residui di detriti sono presenti all interno del buco Figura 3 10 Secondo danno principale sulla pista GS L espansione laterale del difetto avviene in due direzioni mentre la rimozione di detriti sembra essere avvenuta in direzione normale a quella di rotolamento Figura 3 11 Asportazione di detriti in direzione normale alla direzione di rotolamento 86 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Sopra al macroscopico danno principale l analisi al SEM ci permette di individuare alcune cricche secondarie e piccoli buchi Politecnico di Milano Dipartimento di Meccanica Figura 3 12 Cricche e piccoli buchi presenti al di sopra del danno principale AI di sotto del danno principale attraverso l analisi al SEM sono visibili alcune cricche Figura 3 13 Cricche presenti al di sotto del danno principale Queste cricche secondarie sono chiaramente collegate al carico che agisce all interno dell indentazione 87 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Lontano dai due danni principali lungo la superficie del campione si notano molti piccoli difetti superficiali simili a piccole indentazioni Politecnico di Milano 20 um ee File Name Campione 1_17 jpg Politecnico di Milano fag 75 e i Dipartimento di Meccanica oe Date 4 Mar 2010 Dipartimento di Meccanica Politecnico di Milano Dipartimento di Meccanica Politecnico di Mil
88. sition 0 6mm 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 02 04 Circumferential position mm Contact center position 0 4mm Tesi di Laurea di Stefano Borroni 06 08 10 Contact width Figura 1 58 Andamento della pressione di contatto quando l indentazione sulla superficie di accoppiamento si muove attraverso l area di contatto Un possibile meccanismo per la formazione della flaking failure accompagnata da una cricca OLM viene mostrato in figura 1 59 e entrambe le punte della cricca si estendono parallelamente alla superficie di contatto questo modo di espandersi viene detto modo II e entrambe le punte della cricca iniziano ad estendersi al di sotto della superficie dove gli sforzi di compressione sono minori questo modo di espandersi viene detto modo di trazione e con il progredire della cricca il materiale intorno all origine di essa si frantuma a causa della mancanza di rigidit 55 Tesi di Laurea di Stefano Borroni e si formato una piccola flaking failure accompagnata da una cricca OLM Load movement dir gt lt gt a Both crack tips extend parallel to the contact surface Mode Il extension gt High b 4i z h b Both crack tips begin to extend into deeper e E subsurface where compressive stress is lower E E i gt Low Transition to
89. solidi presenti all interno del lubrificante Figura 1 29 Anello interno di un cuscinetto a rulli conici Le indentazioni sono visibili sulla superficie della pista sono causate della presenza di corpi solidi interposti tra i rulli conici e la pista di rotolamento 34 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 3 4 8 Speckles Discoloration Descrizione avvengono solitamente a seguito di temperature elevate Le macchie speckles si manifestano sulle superfici di contatto e sono costituite dall insieme di piccolissime ammaccature oppure da deposito di olio o ancora dalla reazione metallo olio o metallo acqua Il cambiamento di colore discoloration dal giallo oro al bruno e al blu brunitura per surriscaldamento pu riguardare oltre agli anelli anche 1 corpi volventi e le gabbia Cause surriscaldamento dovuto alla lubrificazione inadeguata Macchie di olio prodotte dalla reazione tra metallo e il lubrificante Deposito di olio deteriorato sulle superfici Ingresso corpi estranei o contaminanti attraverso le tenute deteriorate Rimedi per le macchie aumentare l efficienza delle tenute filtrare l olio migliorare il sistema di lubrificazione Rimedi per il cambiamento di colore 1 depositi d olio sono rimovibili strofinando l area danneggiata con un solvente organico Figura 1 30 Anello interno di un cuscinetto a rulli conici La superficie macchiata a causa del pitting elettrico Figura 1 31 Sfera di
90. spetto al componente conducente 70 Tesi di Laurea di Stefano Borroni e sulla base delle misurazioni effettuate e sui cambiamenti di configurazione delle ammaccature prima e dopo 1 test a fatica 1 ricercatori dimostrarono che un grande sforzo di trazione a causa della forza tangenziale veniva generato sul bordo d uscita dell ammaccatura nella direzione della forza tangenziale mentre un grande sforzo di compressione veniva generato sul bordo di ingresso dell ammaccatura a causa della forza tangenziale e i test condotti dai ricercatori dimostravano che il motivo principale per cul il flaking si verificava essenzialmente sul bordo d uscita dell ammaccatura rispetto alla direzione di rotazione il seguente le cricche nascono e si propagano facilmente sul componente condotto dove il bordo di uscita dell ammaccatura rispetto alla direzione di rotazione diventa il bordo che ha il pi grande sforzo di trazione a causa dell influenza della forza tangenziale che agisce tra 1 corpi volventi e le piste e altri autori hanno suggerito che la vita dell ammaccatura che da il via al flaking pu essere prolungata attraverso l inversione del senso di rotazione del cuscinetto provocando in questo modo l inversione della forza tangenziale che agisce sull ammaccatura Il miglioramento della vita del cuscinetto dovuto al fatto che il flusso plastico di materiale mosso dalla forza tangenziale diretta con verso opposto
91. sulle teste dei rulli e abrasioni sulle piste e sulle superfici dei corpi volventi nella direzione del moto Cause montaggio o smontaggio non corretto cattiva lubrificazione Grippaggio per interruzione della pellicola di lubrificante sulla superficie di contatto a seguito di un carico o pre carico eccessivo o di un ingresso di corpi estranei Rimedi migliorare le tecniche di assemblaggio e di smontaggio del cuscinetti correzione del pre carico utilizzare un lubrificante adeguato e un adeguato sistema di lubrificazione migliorare la tenuta delle guarnizioni Figura 1 13 Cuscinetto a rulli cilindrici Spalling dell orlo per un carico eccessivo Figura 1 14 Anello interno di un cuscinetto a rulli cilindrici Spalling della superficie della pista di rotolamento per una scarsa lubrificazione 25 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 15 Rulli di un cuscinetto a rulli conici Spalling circolare sulla faccia dei rulli per via di una cattiva lubrificazione Figura 1 16 Rulli di un cuscinetto a rulli cilindrici Spalling in direzione assiale della superficie del rullo causata durante il montaggio del cuscinetto 26 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 3 4 4 Smearing Descrizione la conseguenza dello strisciamento sotto carico tra due superfici non lubrificate per rottura della pellicola di lubrificante le superfici ne risultano graffiate o striate e spesso brunite Il calore generato per attr
92. sy PILE e a eects J x a lt r i 7 7 x RN De ice ESAR DS y Ti a A es Sy X ea nta ro Ee Oy E Eee TT ae A Di de CITATE amino ieri PR INR a SRI CHR Fey SR e ee Wah ed TIE rr SPE 4 Sit SERN a PRON VERS VIEL EE ISO RE LINE Rear art ahah eg NE sia Fia e 2 lt x 4 ME at TR ONI Mata si Tey iy A x i a PAL PERE e Se pa A Ni s eR OEA AE RT 7 sa E gt i ls 9 ee A ets PEN Mt va a Ra ta rx Cobia RSN o E ea loess Oe ey SSA Sy ca Lars ed lt es i See da RETTO be tS i ee ee hear s AET aa aie i Csi Z gt gt Pas ze at lt e dat SE ite Rd fi os n d RK Negri if si Serre ein Cy ve ada Ls spezia da SS Pec ey R K rem a fe Suc Me 5 si s ie Read ites 3 ies Sag Loro FARS ae tei 49 r t arn tig y dra f gt A Rag E E y eas Fack cs s Y X EP int deri ba s i fi Saar DPR E x er G n a ed gt ses gt X vi a A i deo K f A aa s Si ae I 3 ES ae SL OS SRI le s aw es ee oa i p3 ae R ASE T eA N Bi AE do E eS gt VA fw dii lt 3 er Dias persi Ani ina nia MESE ai ea ep ees tad Sta pratt T a TT 1 a Wy Ae dea i PSE AGT gh ts AC abissi me tico x E oe x 6 i a e eTa S T sedia fp ee PZA pi dg ae g x ok IS i eg ay RES tc AS a A Sesser am Soe ake j gt O An du Teat er ana ZETA IRA i a ioa SAD pa E IT TS
93. ta allontanando lo sfrido 2 1 3 1 Procedura Si incomincia con la granulosit maggiore definita con il grado 180 e si passa alla carta successiva avente minore granulosit solo quando ogni passo abradente rimuove le rigature del passo precedente Per ottenere una superficie particolarmente piana si soliti ruotare 1 campioni di 90 ad intervalli regolari ci consente di eliminare le rigature lasciate dalla precedente passata migliorando l appiattimento ottenibile Una sequenza soddisfacente coinvolge 1 74 Tesi di Laurea di Stefano Borroni formati della granulosit 180 320 400 e 800 ricordando che la profondit delle rigature diminuisce con il formato abrasivo Questa sequenza conosciuta come il metodo tradizionale Si poi passati alla carta 1200 che consente di ottenere una migliore qualit superficiale potendo cos passare alle fasi successive di lucidatura 2 1 4 Lucidatura La lucidatura la fase finale della preparazione dei campioni e ha lo scopo di creare una superficie a specchio esente da graffi necessaria per la successiva analisi La tecnica di lucidatura non deve introdurre difettosit superficiali per questo 1 panni da lucidatura devono essere trattati con cautela e chiusi dai loro coperchi successivamente all utilizzo La macchina lucidatrice costituita da una serie di piatti rotanti su cui sono fissati panni a basso pelo che vengono caricati con pasta diamantata l abrasiv
94. tazioni E stato utilizzato lo stesso banco di prova per svolgere il test a fatica e per realizzare le indentazioni sulla superficie dei corpi volventi ma il metodo di lubrificazione era differente infatti durante la realizzazione delle ammaccature la lubrificazione era a bagno d olio mentre durante 1 test a fatica stata utilizzata una lubrificazione forzata La figura 1 62 mostra 1 risultati dei test a fatica condotti dai ricercatori sulla vita del cuscinetti 58 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Percent failed Bearing B Bearing C 10 10 10 10 Life h Figura 1 62 Influenza della rugosit superficiale degli elementi che rotolano sulla indentazione che da origine alla flaking failure Tutti 1 flaking apparsi sulla pista di rotolamento derivano dalla indentazione iniziale Figura 1 63 Indentazione che da inizio allo sfaldamento La vita del cuscinetto influenzata dalla presenza d impurita nel lubrificante infatti l aumento della rugosit superficiale causata dalle ammaccature realizzate attraverso particelle estranee molto dure presenti nel lubrificante Dal grafico di figura 1 62 si evidenzia il fatto che la possibilit che si instauri flaking generato da una indentazione sui componenti volventi o sulle piste di rotolamento aumenta all aumentare della loro rugosit superficiale Questo 59 Tesi di Laurea di Stefano Borroni dovuto anche dal fatto che all aumentare del
95. to del danno principale 87 Figura 3 14 Piccoli difetti lontani dai danni principali 00 88 Figura 3 15 Piccoli difetti lontani dai danni principali eeeeeeeees 88 Figura 3 16 Piccoli difetti lontani dai danni principali 00 88 Figura 3 17 Piccoli difetti lontani dai danni principali 000 89 Figura 3 18 Rientranze individuate sulla pista del cuscinetto 59 Figura 3 19 Piccoli difetti della pista MS lontani dai danni principali 90 Figura 3 20 Piccoli difetti della pista MS lontani dai danni principali 90 Figura 3 21 Piccoli difetti della pista MS lontani dai danni principali 91 Figura 3 22 Sezione trasversale in corrispondenza del danno macroscopico pi PICCOLO enn RE RE O REC nr eee ee ee ere eee 92 Figura 3 23 Cricche in ingresso dell indentazione sviluppatesi al di sotto della VII ARR RO vise Stet a ns eae E 92 Figura 3 24 Cricche in uscita dell indentazione sviluppatesi al di sotto della SUO RR ATO 93 Figura 3 25 Sezione longitudinale in corrispondenza del danno macroscopico DIL STAN d elia ALA i 93 Figura 3 26 Micrografia ottenuta tramite l analisi al SEM della sezione longitudinale del danno pi grande 93 Figura 3 27 Micrografia ottenuta tramite l analisi al QSBD della sezione longitudinale del danno pi grande
96. to e sezione trasversale di una flaking failure osservata sulla superficie del piccolo rullo priva di difetti la rottura a accompagnata da cricche estese in due direzioni rispetto alla direzione di movimento del carico La sezione trasversale mette in evidenza che lo sfaldamento avviene con cricche dirette come il carico e opposte al carico quindi con cricche bidirezionali Entrambe le figure 1 53 a e 1 53 b mostrano rispettivamente una vista dall alto e una sezione trasversale di due flaking failures individuate sul piccolo rullo privo di difetti 49 Tesi di Laurea di Stefano Borroni a fa Load movement dir p b 0 2mm r 0 2mm LM crack OEM crack E NESS OLM crack gt LM crack Figura 1 53 a Vista dall alto e sezione trasversale di una piccola flaking failure b vista dall alto e sezione trasversale di una grande flaking failure La figura 1 53 a mostra una piccola flaking failure con una piccola cricca diretta con la direzione del carico essa una frazione della cricca opposta alla direzione del carico La figura 53 b mostra una grossa flaking failure con cricche bidirezionali Un flaking in cui inizialmente presente solo una cricca opposta alla direzione del carico OLM presenter molto probabilmente col passare del tempo anche una cricca diretta come il carico LM Di conseguenza si genera una flaking failure accompagnata da cricche bidirezionali Se la
97. ttivo allineamento e ingresso di residui esterni e penetrazione dell acqua e lubrificazione sbagliata o lubrificante improprio e rimozione inadatta del cuscinetto e precisione impropria dell albero o dell alloggiamento e irregolarit nella rigidit dell alloggiamento e lo sviluppo della ruggine e pozzi formati dalla corrosione ammaccature 112 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Rolling direction of the raceway with a dent gt lt Ball movement direction Tangential force x a Pi PB PI se 7 e TI hs 4 EN dir i Left edge E IA Da MOP fe gy I enpe fi i Dent ef os i Right edge Trailing ee me Leading a E edge astic flow Plastic flow l edge Plastic flow Crack i Plastic si edge Tension P2 i Tension P1 a lt Compression P3 x gt Compression P2 _ lt B NE Tension Tension O 0 Compression Compression Stress ratio A gt Stress ratio A lt Figura 3 57 Azione degli sforzi sui bordi dell ammaccatura Il flaking tende ad accadere sul bordo di un ammaccatura a causa del passaggio sopra l ammaccatura della sfera e conseguentemente del carico Per via del rigonfiamento di materiale in questa zona P2 si genera una grande forza tangenziale sul bordo dell ammaccatura La stessa forza tangenziale quella che provoca lo scorrimento plastico del materiale intorno all ammaccatura Se la forza tangenziale
98. ulla pista MS e il rilevamento dei difetti pu anche essere effettuato toccando la superficie delle piste Per capire meglio 1 fenomeni che hanno provocato il danno sono state effettuate su entrambe le piste del cuscinetto MS e GS le analisi al SEM 83 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 3 2 2 Analisi del danneggiamento mediante SEM Pista GS Il primo grosso macroscopico danno sulla pista GS del cuscinetto ha un diametro maggiore di 1 mm Figura 3 6 Primo danno principale sulla pista GS L espansione laterale del difetto avviene in due direzioni inoltre la rimozione di detriti sembra essere avvenuta in direzione normale a quella di rotolamento Figura 3 7 Direzione di rotolamento 84 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Politecnico di Milano Dipartimento di Meccanica Figura 3 8 Asportazione di detriti in direzione normale alla direzione di rotolamento Sotto al macroscopico danno attraverso l analisi SEM sono visibili delle cricche secondarie circonferenziali e dei piccoli buchi PEO sese sf 100um rane let npio Politecnico di Milano a me mpio Politecnico di Milano i Mi VORO 0 Dipartimento di Meccanica Mg e a 0 Dipartimento di Meccanica f i p Figura 3 9 1 Cricche circonferenziali 2 piccoli buchi 85 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Il secondo macroscopico danno sulla pista GS ampiamente esteso ed di dimen
99. un cuscinetto a sfere Le macchie sono ovunque sono causate da una scarsa lubrificazione e dalla presenza di corpi solidi interposti tra le sfere e la pista di rotolamento 35 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Figura 1 32 Anello esterno di un cuscinetto a rulli a botte Parziale deposizione di olio sulla superficie della guida Figura 1 33 Anello interno ed esterno di un cuscinetto a rulli a botte La perdita di colore della superficie della pista dell anello interno ed esterno causata dalla deterioramento del lubrificante 36 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 3 4 9 Grippaggio Descrizione spesso la conseguenza estrema di altri modi di guasto la saldatura tra superfici in movimento relativo cos estesa da bloccarle del tutto in quanto il surriscaldamento delle parti del cuscinetto le ha rammollite deformate e fuse causandone anche il cambiamento di colore brunitura Cause surriscaldamento dovuto a lubrificazione inadeguata carico eccessivo velocit di rotazione troppo elevata giochi interni insufficienti pre carico eccessivo entrata di acqua e detriti difetti dell albero o del supporto forte flessione dell albero Rimedi migliorare lo smaltimento del calore dal cuscinetto utilizzare un lubrificante adatto prevenire 1l disallineamento modificare il pre carico migliorare le condizioni di funzionamento Figura 1 34 Anello interno di un cuscinetto a rulli conici a doppia fila La
100. uperficie di contatto che si estende nella direzione di rotolamento e nella direzione assiale 91 Tesi di Laurea di Stefano Borroni Per capire meglio il meccanismo di danneggiamento che ha portato a rottura 1l cuscinetto sono state analizzate le sezioni trasversali e longitudinali di alcuni campioni Analisi SEM campione pista GS T trasversale Tra 1 due 1 due danni macroscopici presenti sulla superficie della pista GS inizialmente stata analizzata una sezione trasversale appartenete al danno macroscopico pi piccolo Figura 3 22 Sezione trasversale in corrispondenza del danno macroscopico pi piccolo Dall analisi al SEM si osservato che in ingresso lato A e in uscita lato B della dentellatura si sono sviluppate al di sotto della superficie delle cricche Queste cricche si sono in seguito propagate nel materiale Politecnico di Milano Dipartimento di Meccanica Figura 3 23 Cricche in ingresso dell indentazione sviluppatesi al di sotto della superficie 92 Tesi di Laurea di Stefano Borroni i ee E2 a ATI Figura 3 24 Cricche in uscita dell indentazione sviluppatesi al di sotto della superficie Analisi SEM campione pista GS L longitudinale Proseguendo con l analisi al SEM stata studiata una sezione longitudinale del danno macroscopico pi grande appartenente alla pista GS File Name Campione 1 Long_01
101. za all usura e tenuti assieme ad opportuna distanza da una gabbia di stanziatrice Elementi volventi Figura 1 3 Cuscinetto radiale orientabile a due corone di rulli 16 Tesi di Laurea di Stefano Borroni I vantaggi principali che 1 cuscinetti volventi garantiscono rispetto alle bronzine sono e minore coefficiente di attrito dovuto alla nota trasformazione dell attrito da radente in volvente e facilit di avviamento anche in condizioni di scarsa lubrificazione dovuta al fatto che il coefficiente di attrito si mantiene costante al variare di regime e economia di lubrificante in quanto nei cuscinetti volventi il lubrificante ha il solo scopo di ridurre 1 piccoli attriti tra corpi volventi e gabbia distanziatrice e l attrito dovuto alla deformabilit dei corpi volventi e degli anelli nei punti di contatto e spese di manutenzioni minori e minori temperature nei supporti dovute al minore attrito Gli svantaggi principali rispetto alle bronzine sono e maggiore ingombro e impossibilit di una esecuzione in due met e quindi mancato uso con alberi di forma particolare quali alberi a gomito in un sol pezzo 1 3 1 Classificazione dei cuscinetti a rotolamento In base alla forma dei corpi volventi si hanno cuscinetti a sfere a rulli conici a rulli a botte e a rullini A seconda del numero di corone di corpi volventi si hanno cuscinetti ad una o a due corone di sfere o rulli A seconda della direzione del c
102. ziale della pista di rotolamento a causa di un elevato sfaldamento Figura 1 44 Anello esterno di un cuscinetto a sfere a contatto obliquo Suddivisione della superficie della pista in direzione circonferenziale a causa dello slittamento della sfere e della scarsa lubrificazione 42 Tesi di Laurea di Stefano Borroni 1 3 4 12 Electrical pitting e Flutting Descrizione il passaggio di corrente elettrica attraverso gli elementi dei cuscinetti in particolare tra le piste e 1 corpi volventi causa nei punti di contatto delle scariche che bruciano la pellicola di lubrificante e fondono 1l metallo creando piccoli crateri visibili con un adeguato ingrandimento Con correnti tra 0 01 e 0 1 A l aspetto delle piste a occhio nudo quello della normale fatica ma la vita del cuscinetto si riduce del 20 80 Correnti dell ordine del 0 5 A generano per corrosione elettrica delle ondulazioni o scanalature flutting sulle piste oppure vaiolatura electrical pitting delle piste e dei corpi volventi con cavit arrotondate e senza ossido con una riduzione della vita utile maggiore Cause differenza di potenziale elettrico tra 1 due anelli sufficiente una tensione superiore a 0 3 V per cuscinetti a sfere e a 0 5 V per cuscinetti a rulli Tensione di alta frequenza indotta da strumenti o dispositivi usati vicino al cuscinetto Rimedi utilizzare un cuscinetto isolato elettricamente Figura 1 45 Anello interno
103. zzati in applicazioni in cui la lubrificazione incline alla contaminazione con conseguente indentazione della pista di rotolamento Una caratteristica del flaking iniziato con una indentazione la cricca iniziale che porta allo sfaldamento Questa cricca si verifica principalmente sul bordo di uscita dell indentazione rispetto alla direzione di rotazione I guasti per flaking spesso si verificano attorno alle 46 Tesi di Laurea di Stefano Borroni indentazioni generate attraverso 1 detriti contaminanti sulla superficie di contatto La figura 1 49 mostra una vista dall alto e una sezione trasversale di un flaking causato da una indentazione di 0 18 mm realizzata artificialmente sulla superficie di contatto Rockwell indentation 0 2mm Load movement dir gt Oimm SAR Load movement dir gt Figura 1 49 Mostra l esempio di una flaking failure accompagnata da cricche iniziate sul bordo di uscita di una indentazione e che si estendono nella direzione di movimento del carico a vista dall alto della flaking failure in prossimit della indentazione b sezione trasversale lungo la linea A A mostrata in figura a In questo caso la indentazione agisce come origine dello sfaldamento Una cricca di solito parte dal bordo esterno della indentazione e si estende nella direzione del movimento del carico La propagazione di una cricca opposta alla direzione di movimento del carico si osserva raramente I rice

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