{"id":22513,"date":"2023-06-19T08:15:51","date_gmt":"2023-06-19T06:15:51","guid":{"rendered":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2023\/06\/19\/la-simulazione-del-trattamento-termico-al-servizio-della-progettazione\/"},"modified":"2023-06-19T08:15:51","modified_gmt":"2023-06-19T06:15:51","slug":"la-simulazione-del-trattamento-termico-al-servizio-della-progettazione","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/test.cfdfeaservice.it\/index.php\/2023\/06\/19\/la-simulazione-del-trattamento-termico-al-servizio-della-progettazione\/","title":{"rendered":"La simulazione del trattamento termico al servizio della progettazione"},"content":{"rendered":"
\n
\"Simulazione\"<\/div>\n
\n

La simulazione del trattamento termico al servizio della progettazione di prodotto. Progettare correttamente un sistema di trasmissione, sotto-assieme o singolo componente, non significa solamente conoscere i carichi ai quali sar\u00e0 soggetto in esercizio. Significa anche conoscere le condizioni iniziali dei componenti costituenti l\u2019assieme, in termini di reali caratteristiche meccaniche e tensioni residue derivanti dal processo produttivo. In quest\u2019ottica, la simulazione numerica del processo produttivo, e in particolare dei trattamenti termici e termochimici, pu\u00f2 sicuramente essere l\u2019arma vincente del progettista.<\/em><\/p>\n

Un contributo di Federico Fracasso, Technical Product Manager EnginSoft<\/strong><\/p>\n

Perch\u00e9 la simulazione di processo<\/h2>\n

La progettazione dei sistemi di trasmissione si avvantaggia, sempre pi\u00f9 in larga misura nei tempi recenti, del supporto prezioso e talvolta fondamentale della simulazione numerica<\/strong>. Strumenti di progettazione avanzata supportano il progettista nell\u2019analisi del comportamento meccanico dei componenti costituenti, della distribuzione dei lubrificanti e delle risposte NVH del sistema in esercizio. Tuttavia, molto spesso tali valutazioni non tengono conto delle reali caratteristiche del componente, in quanto modellato con caratteristiche meccaniche standard spesso uniformi ed esente da tensioni residui derivanti dal processo produttivo. La simulazione del processo produttivo fornisce il tassello mancante al quadro generale, permettendo al progettista di sviluppare un\u2019analisi pi\u00f9 completa, precisa e affidabile.<\/p>\n

Al contempo, il fornitore di tali componenti pu\u00f2 trarre sicuro vantaggio dall\u2019adozione di tali metodologie per ottimizzare i propri processi produttivi in termini di risposta alle richieste dei clienti e di qualit\u00e0 di fornitura, con sensibili riduzioni di scarti, consumi di materiale ed energia, campionature e rilavorazioni delle attrezzature.<\/p>\n

La simulazione di processo si pone quindi come anello di congiunzione tra progettazione di prodotto e di sistema produttivo<\/strong>, fornendo un linguaggio visuale, oggettivo ed universale di comunicazione tra due mondi apparentemente lontani e permettendo di conseguenza lo sviluppo di reali e vantaggiose pratiche di co-design.<\/p>\n

La simulazione dei processi di trattamento termico e termo-chimico<\/h2>\n

I componenti per trasmissioni meccaniche possono essere prodotti per deformazione plastica, colata o asportazione di truciol<\/strong>o. Indipendentemente dal processo produttivo, spesso tali componenti devono subire un ciclo di trattamento termico al fine di raggiungere le caratteristiche meccaniche desiderate per soddisfare i requisiti in esercizio. Tali processi permettono di modificare la struttura metallurgica del materiale costituente il componente, omogeneizzando le propriet\u00e0 meccaniche o ridistribuendo le tensioni derivanti dal processo produttivo.<\/p>\n

Data la variet\u00e0 di processi termici e termo-chimici applicabili e relative combinazioni, in questa sezione analizzeremo solo i principali processi di trattamento termico utilizzati per produrre componenti destinati alla trasmissione di potenza e i vantaggi derivanti dalla loro simulazione in fase di progettazione.<\/p>\n

In funzione degli obiettivi finali da soddisfare, vi sono diverse tipologie di processi termici applicabili ai materiali metallici. Come riportato in Figura 1<\/strong> i processi termici o termo-chimici possono essere utilizzati al fine di migliorare le caratteristiche meccaniche globali o locali di un componente metallico.<\/p>\n

\"\"<\/a>
Figura 1. Influenza del processo di trattamento termico su durezza ottenibile e profondit\u00e0 efficace [1]<\/figcaption><\/figure>\n

La simulazione dei processi di trattamento termico e termo-chimico si rivolge quindi ai progettisti di prodotto e a coloro che si occupano di eseguire tali trattamenti<\/strong>, al fine di permettere l\u2019individuazione della migliore combinazione di parametri di processo alla luce dei requisiti di prodotto richiesti. Attraverso l\u2019utilizzo di modelli di simulazione e l\u2019adozione di solutori che permettano di valutare la mutua influenza di temperatura, reologia del materiale e diffusivit\u00e0 chimica, \u00e8 possibile identificare in anticipo potenziali situazioni di rischio in termini di concentrazione di tensioni, deformazione dei pezzi, spessori di trattamento non idonei e caratteristiche meccaniche non congrue ai requisiti definiti.<\/p>\n

La simulazione nei trattamenti termici degli acciai<\/h2>\n

Il termine trattamento termico indica uno o pi\u00f9 cicli successivi di riscaldo e raffreddamento di un componente metallico, al fine di raggiungere determinate caratteristiche meccaniche mediante modifica della struttura cristallina. Tali trattamenti possono essere combinati allo scopo di ottimizzare determinate caratteristiche come duttilit\u00e0, resistenza meccanica e durezza, o di eliminare gli effetti di precedenti lavorazioni quali tensioni residue derivanti da processi di stampaggio o altri trattamenti termici. I principali parametri influenzanti il trattamento termico sono composizione chimica del materiale, struttura metallurgica, temperatura e tempo di processo.<\/p>\n

I principali trattamenti termici degli acciai e le relative caratteristiche sono riportati nella seguente tabella.<\/p>\n

\"Simulazione\"<\/a><\/p>\n

Esistono notevoli variazioni e combinazioni di tali processi in funzione degli obiettivi ricercati, del materiale in lavorazione e delle condizioni iniziali dei componenti. La simulazione numerica permette al progettista di valutare la migliore combinazione di parametri geometrici e di processo al fine di ottimizzare le caratteristiche finali del componente.<\/p>\n

Si riportano a seguire i principali fattori influenzanti i processi di trattamento termico.<\/p>\n

Composizione chimica della lega metallica<\/h3>\n

Come riportato nel diagramma Ferro-Carbonio di Figura 2<\/strong>, diverse composizioni chimiche danno origine a diverse strutture metallurgiche in condizioni di equilibrio.<\/p>\n

\"\"<\/a>
Figura 2. Trasformazione al raffreddamento di un acciaio ipo-eutettoidico [2]<\/figcaption><\/figure>\n

L\u2019eventuale presenza di altri elementi in lega modifica i campi di esistenza delle diverse strutture metallurgiche, permettendo l\u2019ottenimento di condizioni finali estremamente variabili ed adattabili ai requisiti di prodotto richiesti.<\/p>\n

Condizioni di raffreddamento<\/h3>\n

In funzione della composizione chimica dell\u2019acciaio e della velocit\u00e0 di trasformazione dal campo austenitico, si possono ottenere strutture metallurgiche estremamente varie e conseguentemente prestazioni meccaniche altrettanto variabili. In particolare, come riportato in Figura 3<\/strong>, raffreddamenti condotti in condizioni di equilibrio (o simil-equilibrio, con tempi sufficientemente lunghi) permettono l\u2019ottenimento di strutture a base di ferrite, perlite e cementite. A queste fasi si aggiungono la bainite e la martensite nel caso il raffreddamento sia condotto in condizioni di non equilibrio, quindi con velocit\u00e0 di raffreddamento pi\u00f9 elevate. La posizione delle curve, e i conseguenti tempi critici di trasformazione, sono influenzati dalla dimensione del grano e dalle percentuali anche locali degli elementi in lega, come vedremo nelle sezioni successive.<\/p>\n

\"\"<\/a>
Figura 3. Curva di trasformazione anisoterma dell\u2019austenite o curva C.C.T. per un acciaio ipoeutettoidico [2]<\/figcaption><\/figure>\n

Dimensione del grano<\/h3>\n

La dimensione del grano metallurgico influenza la risposta al trattamento termico delle leghe metalliche. In particolare, come riportato in Figura 4<\/strong>, le curve di trattamento termico presentano traslazioni verso tempi di inizio trasformazione pi\u00f9 lunghi all\u2019aumentare della dimensione del grano, migliorando quindi la temprabilit\u00e0 del materiale stesso. In altre parole, si possono utilizzare mezzi di raffreddamento meno drastici a vantaggio delle tensioni residue sul componente, pur entrando nel campo martensitico di maggior durezza. Si ricorda tuttavia come maggiori dimensioni di grano influenzino negativamente le capacit\u00e0 di resistenza meccanica del materiale in esercizio. Occorre quindi bilanciare i due comportamenti con un\u2019attenta progettazione del materiale e non solo del componente.<\/p>\n

\"\"<\/a>
Figura 4. Influenza della dimensione del grano sulle curve di trasformazione di un acciaio 4140 [3]<\/figcaption><\/figure>\n

Temperature e tempi di trattamento<\/h3>\n

La combinazione di tempo e temperatura di trattamento influenzano notevolmente l\u2019evoluzione e il risultato finale di un trattamento termico. Un primo esempio \u00e8 dato dal tempo di mantenimento a temperatura di austenitizzazione. Maggiore risulta essere questo tempo e pi\u00f9 grossolana sar\u00e0 la grana cristallina costituente il materiale metallico, con le conseguenze riportate precedentemente. Un altro esempio \u00e8 fornito dal processo di rinvenimento.<\/p>\n

\"\"<\/a>
Figura 5. Influenza della temperatura (sinistra) e del tempo (acciaio 0.8% C, destra) nel trattamento di rinvenimento [4]<\/figcaption><\/figure>\n

Come riportato in Figura 5<\/strong>, il progettista deve attentamente valutare la migliore combinazione di tempo e temperatura al fine di assicurare i requisiti finali di resistenza meccanica, durezza e duttilit\u00e0 al componente. Gli strumenti di simulazione si rivelano anche qui un valido aiuto nella messa a punto del processo produttivo e nella valutazione delle propriet\u00e0 finali.<\/p>\n

Tempra ad induzione<\/h2>\n

I processi sopra riportati si riferiscono generalmente ai trattamenti termici sviluppabili mediante riscaldo in forno dell\u2019intero componente. Il processo di tempra ad induzione permette di trattare separatamente la superficie, dove si richiedono strutture martensitiche che forniscono durezza e resistenza meccanica, e il cuore del pezzo, dove di richiede di mantenere strutture ad elevata duttilit\u00e0. Si tratta essenzialmente di un riscaldo ad induzione del volume superficiale del pezzo da trattare seguito da un rapido raffreddamento.<\/p>\n

I principali vantaggi dei processi di riscaldamento a induzione sono un aumento molto rapido della temperatura (alta produttivit\u00e0), un riscaldamento locale e preciso (trattamento superficiale o profondo), una bassissima inerzia del sistema (risparmio energetico), la facilit\u00e0 di controllo e automazione, pulizia inerente alla sua modalit\u00e0 di funzionamento e un\u2019ottima riproducibilit\u00e0. Per questo motivo, tale processo ha riscontrato notevole successo nel trattamento di componenti per il settore delle trasmissioni, dove devono essere assicurate elevate precisioni su grandi serie.<\/p>\n

Il riscaldamento a induzione consiste nel posizionare un induttore, o in altre parole un solenoide di forma pi\u00f9 o meno complessa, attorno alla parte da riscaldare, oppure vicino ad una zona prescelta della parte quando si vuole riscaldare localmente. La corrente alternata fornita dall\u2019induttore produce un campo magnetico. Quando un materiale conduttore viene posto in questo campo magnetico, compaiono correnti elettriche chiamate correnti di Foucault generano calore per effetto Joule e quindi riscaldano il materiale.<\/p>\n

La teoria del riscaldo ad induzione risiede nelle equazioni di Maxwell:<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

dove D \u00e8 il campo elettrico nei materiali, detto anche induzione elettrica, H \u00e8 il campo magnetico nei materiali, detto anche campo magnetizzante, E \u00e8 il capo elettrico nel vuoto, B \u00e8 l\u2019induzione magnetica, p \u00e8 la carica elettrica e J \u00e8 la densit\u00e0 di corrente. Tali equazioni permettono di valutare l\u2019evoluzione temporale di un campo elettromagnetico in funzione delle distribuzioni di carica e corrente elettrica da cui \u00e8 generato.<\/p>\n

Se le funzioni D ed H sono regolari, si pu\u00f2 pensare di svilupparle in serie nelle variabili E e B e nel caso si possa assumere lineare la risposta del materiale, si possono ricondurre alle seguenti equazioni:<\/p>\n

\"\"<\/a><\/p>\n

dove\u00a0\"\"<\/a>\u00a0 \u00e8 la permeabilit\u00e0 magnetica e \"\"<\/a>\u00a0\u00e8 la conducibilit\u00e0 elettrica.<\/p>\n

La variazione del campo magnetico attraversante il materiale conduttore genera correnti parassite, dette correnti di Foucault, le quali generano calore per effetto Joule a causa della resistivit\u00e0 del materiale stesso. L\u2019afflusso di calore non \u00e8 uniforme ma \u00e8 maggiore sulla superficie del materiale e diminuisce verso le profondit\u00e0 interne a causa della distribuzione della corrente indotta. Questo \u00e8 ci\u00f2 che viene definito effetto pelle. Una quantit\u00e0 caratteristica, chiamata profondit\u00e0 della pelle o profondit\u00e0 di penetrazione, viene utilizzata per quantificare l\u2019importanza di questo fenomeno. Questa profondit\u00e0 di penetrazione \u00e8 espressa nella forma seguente<\/p>\n

\"\"<\/a>dove f \u00e8 la frequenza del campo magnetico. Questo fenomeno viene utilizzato per gestire il processo in modo da poter eseguire una tempra localizzata solo riscaldando la superficie del pezzo, oppure riscaldare anche l\u2019interno del pezzo prima di un\u2019operazione di forgiatura, come rappresentato in Figura 6<\/strong>.<\/p>\n

\"Simulazione\"<\/a>
Figura 6. Simulazione del processo di riscaldo ad induzione, con evidenza della distribuzione di temperatura (sinistra), campo magnetico (sopra) e flusso termico (sotto)<\/figcaption><\/figure>\n

I parametri elettromagnetici dei materiali quali permeabilit\u00e0 magnetica e conducibilit\u00e0 elettrica sono influenzati dalla temperatura. Pu\u00f2 tuttavia essere complicato ottenere le leggi di evoluzione precise per questi parametri, in quanto la conduttivit\u00e0 elettrica non dipende solo dalla temperatura ma anche dalla microstruttura e dalla composizione chimica. Anche la permeabilit\u00e0 magnetica \u00e8 un parametro la cui evoluzione \u00e8 relativamente complessa. Questo perch\u00e9 la sua evoluzione \u00e8 diversa a seconda che il materiale sia ferromagnetico o non magnetico. Inoltre, i materiali ferromagnetici diventano non magnetici al di sopra di una temperatura chiamata temperatura di Curie.<\/p>\n

I parametri caratterizzanti il processo sono quindi estremamente vari, quali geometria dell\u2019induttore, materiale in lavorazione, intensit\u00e0 di corrente, frequenza, presenza di concentratori e relative modalit\u00e0 di controllo della macchina di riscaldo ad induzione. Si riporta in Figura 7<\/strong> diversi profili di trattamento al variare dei parametri citati.<\/p>\n

\"Simulazione\"<\/a>
Figura 7. Simulazione del processo di riscaldo ad induzione, con evidenza della distribuzione di temperatura (sinistra), campo magnetico (sopra) e flusso termico (sotto)<\/figcaption><\/figure>\n

Tali configurazioni possono essere agilmente valutate attraverso la simulazione di processo, come riportato in Figura 8<\/strong>. A parit\u00e0 di geometria di induttore, possono essere testate virtualmente diverse configurazioni dei parametri elettromagnetici e\/o sequenze degli stessi. Spesso, infatti, si ricorre a riscaldi in multifrequenza al fine di combinare gli effetti di basse frequenze (lunghi e ad elevata profondit\u00e0) e di alte frequenze (rapidi e di superficie).<\/p>\n

\"Simulazione\"<\/a>
Figura 8. Distribuzione della percentuale di austenite in due processi di riscaldo ad induzione: 4000 A, 5 kHz, 20 s (sopra), 4000 A 20 KHz, 5 s (sotto)<\/figcaption><\/figure>\n

Alla luce delle osservazioni riportate, risulta evidente come la simulazione del processo di riscaldo ad induzione si presenti come un valido supporto alla progettazione, permettendo di risolvere in maniera agevole le equazioni elencate finora, accoppiando, come riportato in Figura 9<\/strong>:<\/p>\n