Perché il controllo del processo di rullatura a freddo è fondamentale per la sicurezza dei componenti
Autore: Dr.-Ing. Oliver Maiß, Capo della Ricerca e Sviluppo / Marketing, ECOROLL AG
Traduzione italiana: Ing. Guido Riva, CEO / Responsabile tecnico e vendite, CAMAR S.p.A.
I sistemi meccanici complessi — macchine, veicoli, componenti aerospaziali — diventano ogni anno più efficienti e più leggeri. I progettisti spingono sempre più verso i limiti della densità di potenza raggiungibile. In questo contesto, ottimizzare con precisione le proprietà della superficie e subsuperficiali dei materiali è una delle poche leve ancora disponibili. È proprio in questa zona che si concentrano le sollecitazioni meccaniche più elevate, quelle che innescano la formazione di cricche.
Le tensioni residue di compressione introdotte selettivamente nel sottostrato hanno dimostrato di inibire — o addirittura bloccare — la formazione di cricche. Ma come si può garantire e documentare in modo affidabile che queste tensioni siano state effettivamente introdotte? La risposta è il controllo dinamico della forza di rullatura, sviluppato da ECOROLL AG in collaborazione con l’IFW dell’Università di Hannover: riduce le fluttuazioni delle tensioni residue fino al 50%.
Il problema: le tensioni residue non si verificano dopo la produzione
Come progettista o responsabile della qualità di componenti safety-critical ti trovi di fronte a una sfida concreta: le tensioni residue di compressione introdotte nel componente non possono essere verificate retrospettivamente con semplici controlli di qualità. La misurazione delle tensioni residue — in particolare di quelle profonde sotto la superficie — richiede generalmente metodi distruttivi.
Questo pone un problema reale: come garantire e documentare in produzione che le tensioni residue siano state introdotte correttamente, ogni volta, su ogni pezzo?
Rullatura profonda VS pallinatura: quale processo è più riproducibile?
I metodi più diffusi per indurre tensioni residue sono il deep rolling (rullatura profonda) e la pallinatura (shot peening).
Il limite della pallinatura
Nella pallinatura, il controllo di qualità avviene tramite le cosiddette strip di Almen: una lamiera metallica standardizzata viene posizionata nella macchina e sottoposta allo stesso trattamento del componente. La deformazione della strip determina l’intensità Almen. Tuttavia, questo non garantisce che le tensioni residue necessarie siano state effettivamente introdotte nel componente reale.
Il vantaggio della rullatura profonda
La rullatura profonda (deep rolling) è significativamente più riproducibile e definibile con precisione. Il processo può essere documentato in modo molto efficace attraverso tre parametri principali: geometria del rullo, velocità di avanzamento e — soprattutto — forza di rullatura.
Con la tecnologia ECOsense di ECOROLL, la forza di rullatura viene misurata per ogni singolo processo e documentata. Studi condotti all’IFW di Hannover hanno dimostrato che, a parità di esecuzione del processo, la variazione dello stato di tensione residua rientra nell’incertezza di misura della misurazione stessa: un livello di riproducibilità molto elevato.
Perché la forza di rullatura da sola non basta: la pressione di contatto
L’approccio della Process Signature
Secondo il process signature approach sviluppato dal Prof. Brinksmeier (Leibniz-IWT Bremen), non è il carico esterno ma la sollecitazione interna a determinare le proprietà della zona di contorno del materiale. Per il deep rolling, questo significa che le deformazioni e le tensioni nella zona di contatto forniscono informazioni più accurate sulle tensioni residue rispetto alla semplice forza di rullatura applicata esternamente.
La pressione di Hertz come parametro chiave
Come parametro ausiliario viene utilizzata la pressione di contatto hertziana. Se la forza di rullatura e la geometria del corpo rotante sono uguali ma le geometrie del componente differiscono, le pressioni di contatto cambiano — e con esse lo stato di tensione residua. Questo significa che, per un’introduzione davvero affidabile delle tensioni residue su componenti con geometrie complesse, non è sufficiente controllare solo la forza: bisogna controllare la pressione di contatto punto per punto.
La soluzione: controllo dinamico della forza di rullatura con ECOsense
Nell’ambito del progetto di ricerca KontRoll — finanziato dal Ministero Federale tedesco per gli Affari Economici e l’Energia (BMWE) tramite il programma ZIM — ECOROLL AG e l’IFW di Hannover hanno sviluppato un sistema di controllo dinamico della forza di rullatura che mantiene una pressione di contatto costante sull’intera geometria del componente.
Come funziona il sistema di controllo
Il sistema utilizza un utensile di rullatura fisso equipaggiato con la tecnologia ECOsense, che misura la forza di rullatura durante il processo e trasmette il segnale di forza via Bluetooth a un gateway. Il gateway è dotato di un algoritmo di controllo che confronta il valore di forza effettivo con quello target. In caso di scostamento, la correzione avviene tramite l’interfaccia macchina OPC/UA.
Il sistema è così in grado di:
- Garantire il valore di forza target durante l’intero processo
- Determinare la geometria del pezzo in lavorazione
- Costruire una cronologia completa della forza per ogni punto di contatto sulla geometria
- Raggiungere la forza di rullatura richiesta con risoluzione spaziale
I risultati: fluttuazioni delle tensioni residue ridotte del 50%
Per quantificare i benefici del sistema, nell’ambito del progetto KontRoll è stato condotto un confronto diretto tra deep rolling a forza costante e deep rolling a pressione hertziana costante. È stato utilizzato un componente con vari elementi geometrici (diametri, raggi, tratti rettilinei) e un utensile con rullo di rullatura (raggio R = 2,5 mm) inclinato a 45°.
Variante 1: forza di rullatura costante
L’intero componente viene rullato con una forza costante Fw = 700 N. Le tensioni residue superficiali misurate nei sei punti caratteristici del componente mostrano una deviazione standard di 160 MPa intorno a un valore medio di σ = −613 MPa.
Variante 2: pressione hertziana costante (controllo dinamico)
La pressione di contatto viene mantenuta costante in ogni punto, adattando localmente la forza di rullatura. La misurazione delle tensioni residue — eseguita con la tecnica di diffrazione a raggi X — mostra una riduzione della deviazione standard di circa il 50%.
Il risultato è inequivocabile: il controllo dinamico del processo di rullatura è un elemento fondamentale nella produzione di componenti leggeri e safety-critical.
Prospettive future: verso un controllo ancora più preciso
Il calcolo della forza di rullatura tramite la pressione di Hertz rappresenta ancora una semplificazione, valida solo nel caso di superficie idealmente elastica. La pressione di contatto non è l’unico fattore responsabile dello sviluppo delle tensioni residue — altrimenti la riduzione della deviazione standard sarebbe vicina al 100%, non al 50%.
La ricerca futura dovrà approfondire le relazioni causali tra le variabili di controllo del processo e la process signature, per consentire un’ulteriore ottimizzazione del controllo e avvicinarsi a un processo completamente predicibile e documentabile.
Conclusione: documentabilità e affidabilità con il controllo della rullatura
Il controllo dinamico della forza di rullatura risponde a un’esigenza concreta di progettisti e responsabili della produzione: garantire in modo affidabile e documentabile l’introduzione di tensioni residue di compressione nei componenti critici, senza ricorrere a misurazioni distruttive post-processo.
Con una riduzione delle fluttuazioni del 50%, il sistema rappresenta un passo concreto verso la produzione di componenti più sicuri, più leggeri e più efficienti nei settori automotive, aerospaziale e biomedicale.
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Fonti:
[1] Altenberger, I.: Mikrostrukturelle Untersuchungen mechanisch randschichtverfestigter Bereiche schwingend beanspruchter metallischer Werkstoffe. Univ.-Bibliothek, Kassel, 2000
[2] Denkena, B., Legutko, B., Bergmann, B., Maiß, O., Wöhrle, M.: Randzonen präzise einstellen. VDI-Z, Band 166, 5, 2024
[3] Brinksmeier, E., Klocke, F., Lucca, D. A., Sölter, J., Meyer, D.: Process Signatures – A New Approach to Solve the Inverse Surface Integrity Problem in Machining Processes. Procedia CIRP, Vol. 13, 2014, 429-434
Articolo in lingua originale tedesca disponibile nel TechBlog di Ecoroll
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