PALLINATURA, COME AUMENTA LA RESISTENZA A FATICA DELLE MOLLE

La pallinatura è un processo meccanico che ha un impatto significativo sulla durata e sulle prestazioni delle molle. Quando si tratta di produrre componenti resistenti a fatica, la pallinatura diventa un passaggio cruciale nel processo di produzione. In questo articolo, esploreremo il ruolo della pallinatura nella fabbricazione di molle e come influisce sulla loro resistenza e durabilità.

L’argomento verrà affrontato da diverse prospettive:

• Effetti meccanici della pallinatura, descrizione e quantificazione
• Le macchine che eseguono la pallinatura, le caratteristiche delle pallinatrici
• I pallini, caratteristiche e peculiarità
• I parametri che definiscono la pallinatura, cenni

Come funziona la pallinatura

La pallinatura è un processo meccanico che consiste nel colpire una superficie metallica con “pallini”. Nella produzione di una molla, è un processo a cui si ricorre quando

Durante l’urto il pallino trasferisce/converte l’energia cinetica di cui è dotato in energia di deformazione plastica, ovvero il pallino comprime la superficie del metallo, lasciando un’impronta.

È abbastanza intuitivo comprendere che la zona improntata subisce una sollecitazione a compressione, che risulta permanente perché il materiale è deformato plasticamente. Tale zona con sollecitazione compressiva si estende sotto la “pelle” del materiale per una profondità limitata, in genere 0,1-0,2 mm (vedi rappresentazione sottostante)

La profondità dipende da molteplici fattori, tra cui principalmente lo spessore del materiale da pallinare, se il materiale è sottile non è pensabile estendere la pallinatura a profondità elevata, perché il materiale perde la sua forma originale. L’obbiettivo della pallinatura è quello di creare una sollecitazione compressiva, conservando il più possibile la geometria originale dell’oggetto pallinato.

Tornando alla profondità degli effetti della pallinatura, questi dipendono dall’energia con cui si colpisce la superficie da pallinare, essendo l’energia cinetica formata da due fattori, massa e velocità, ne segue che la profondità della zona compressa dipende dalla massa dei pallini e dalla loro velocità. Anche il tempo di pallinatura va considerato, ma una vota individuato il tempo ciclo, con criteri che vedremo successivamente, i fattori che determinano la zona compressa restano legati alla velocità e alla massa dei pallini.

Perché ricorrere alla pallinatura

Approfondiamo ora le ragioni del perché si pallinano i materiali e le molle in particolare. Come spiegato nel prologo di questa rubrica, la sollecitazione nelle molle a compressione/trazione è di natura tangenziale alla sezione del filo, ma si manifesta nel materiale con una trazione, cioè le superfici del filo tendono a dislocare una rispetto all’altra, per effetto di una trazione, che come detto agisce tangenzialmente alla sezione del filo. Se la superficie non è compressa la sollecitazione a trazione parte da 0 Mpa e cresce. Se al contrario la superficie è compressa partiamo da un valore negativo. Infatti definendo positive le sollecitazioni a trazione, quelle di compressione sono negative. Questo significa che l’escursione della sollecitazione aumenta, perché inizia da un valore negativo, mentre il valore massimo è fisso. È come spostare in basso il sistema di riferimento, cioè il punto di partenza per il calcolo delle sollecitazioni.

La superficie pallinata può subire un’extra trazione pari all’entità della compressione in Mpa. Dato che la zona a maggiore sollecitazione in una molla è quella superficiale, il beneficio della pallinatura è evidente. Nel piano di Goodman questo effetto si manifesta con il sollevamento della retta inclinata superiore, specie per le escursioni che partono da sollecitazioni basse per la prima quota di lavoro (asse delle ascisse), zona sinistra del diagramma. Vedi qui di seguito la comparazione tra i due grafici per la stessa molla non pallinata e pallinata.

Grafico molla non pallinata

Grafico molla pallinata

Quindi spesso la pallinatura rappresenta un binomio inscindibile per la garanzia della resistenza a fatica. Nelle molle le cui le applicazioni sono altamente dinamiche (per esempio nelle valvole del motore endotermico), la pallinatura è un fattore chiave per prevenire la rottura a fatica.

In queste molle si parte dall’imprescindibilità della pallinatura e ci si concentra di più sul come rendere tale processo il più ripetibile e costante possibile.

Ovvero la sfida è garantire che tutte le molle vengano pallinate allo stesso livello e su tutta la superficie, possibilmente anche su quella interna, cosa in generale non facile per via dell’azione schermante che le spire stesse, fanno nei confronti della propria superficie interna.

Per queste molle si utilizzano impianti che pallinano le molle individualmente.

L’effetto visibile della pallinatura è l’aumento della rugosità superficiale, dopo la pallinatura la superficie si presente bocciardata, per effetto delle micro-impronte dell’impatto dei pallini.

Molla non pallinata

Molla pallinata

Misura rugosità superficiale con microscopio ottico ad elaborazione digitale

La misura della tensione residua compressiva si effettua con la tecnica della difrattometria a raggi x, basata sulla legge di Bragg. Questo tipo di analisi si può condurre prevalentemente su superfici piane o a bassa curvatura. Tale requisito, pena l’inattendibilità dei dati, penalizza la verifica su molle con diametri filo inferiori a 2.5-3.0 mm.

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Pallinatrici: le macchine che eseguono la pallinatura

La pallinatura nelle molle si esegue con macchine dette pallinatrici, che principalmente consistono nei seguenti elementi:

• una camera in cui inserire le molle, che viene chiusa dopo l’inserimento;
• un sistema di accelerazione dei pallini (turbina o compressore);
• un dispositivo per direzionare il fascio dei pallini (ugello, pistola …), a volte non presente;
• un sistema per aspirare i pallini da sparare e recuperare i pallini sparati;
• un vaglio per scartare i pallini usurati.

La taglia delle macchine dipende dalla massa degli elementi da pallinare, così come le caratteristiche del sistema di sparo dei pallini. Pallinare molle piccole (fili minori di 1,0-1,5 mm), richiede di risolvere problematiche diverse dal pallinare molle medio-grandi, in primis l’esigenza di mantenere l’efficacia dell’impatto del pallino, che non deve spostare la molla. Cioè la conversione dell’energia cinetica del pallino in energia di deformazione deve essere massimizzata, riducendo la componente cinetica delle molle stesse. (la molle si devono spostare il meno possibile).

Le pallinatrici si dividono principalmente in due macro famiglie:

• A turbina.
• Ad aria compressa.

Si tratta del sistema utilizzato per accelerare i pallini e dare l’energia cinetica necessaria agli stessi.

I sistemi con turbina usano una girante centrifuga in cui i pallini entrano al centro e vengono espulsi alla periferia della girante, dopo essere stati accelerati dall’azione centrifuga della girante in rotazione. A loro volta le macchine a turbina, si dividono tra macchine a velocità fissa e a velocità variabile. In quelle a velocità variabile la presenza di un inverter garantisce la possibilità di regolare la velocità di rotazione della girante e quindi la velocità dei pallini stessi.

Questo tipo di macchine si usano per molle di taglia medio-grande.

Al contrario le pallinatrici ad aria compressa si usano per le molle piccole con pallini conseguentemente piccoli. In queste macchine la regolazione della velocità avviene regolando la pressione dell’aria compressa, che costituisce il mezzo con cui il pallino viene accelerato. Queste palinatrici hanno in genere dimensioni più contenute e sono dotate di sistemi versatili per gestire la direzione del flusso dei pallini.

I pallini: caratteristiche e peculiarità.

Vediamo le caratteristiche dei pallini. Un pallino è definito da tre fattori:

• forma geometrica:
• materiale costituente;
• durezza, che ne caratterizza la durata.

Forma geometrica

I pallini possono avere forma sferica o cilindrica. Si tratta di una approssimazione, perché i sistemi che definiscono la forma si basano su meccanismi fisici che non garantiscono forme precise, cioè richiamano la forma che le definisce.

Nel caso dei pallini sferici, la colata d’acciaio fuso viene atomizzata in acqua, successivamente i pallini vengono vagliati e trattatati termicamente per aumentare la durezza.

Nella foto successiva è visibile un esempio di pallini sferici. Come detto la forma sferica è prevalente, ma sono anche presenti elementi non propriamente sferici. Tra le altre cose le sfere vengono classificate per dimensioni (diametro), per cui è possibile acquistare pallini per classi di diametro. Il fornitore garantisce che all’interno del sacco siano presenti pallini di forma prevalentemente sferica con diametro incluso tra due valori min-max.

Nella fotografia sono mostrati pallini sferici con diametro 0,5 mm. Le graniglie per pallinatura sono classificate secondo la norma SAE AMS2431.

All’interno di queste due macro famiglie, si inseriscono sotto varianti, tra cui i pallini rodati. La rodatura è un trattamento che arrotonda gli spigoli, questo trattamento risulta particolarmente importante nelle forme che possono creare spigoli pronunciati, i cui effetti sulla superficie da pallinare possono essere più deleteri che benefici. Se l’urto crea un intaglio, la zona diventa un potenziale innesco di rottura a fatica.

I pallini cilindrici rodati si ottengono spezzonando un filo tondo in tronchetti cilindrici, che vengono poi successivamente arrotondati per schiacciatura con cilindri rotanti.

Pallini cilindrici rodati.

Materiali

Per fare i pallini si usano principalmente 4 materiali: i metalli, la ceramica, il vetro e i composti naturali ad alta durezza.

Tra i metalli si usano gli acciai al carbonio con % C tra 0.7-1.2 (come gli acciai per molle), con questi materiali si ottengono durezze fino a 700 HV, dopo una operazione di tempra martensitica.

Con la ceramica e il vetro si fabbricano i pallini con una ampia gamma di dimensioni (da 0.03 a 1.2 mm a seconda delle applicazioni), che si utilizzano nella pallinatura ad aria compressa e anche nelle sabbiatrici. Con questi materiali si raggiungono durezze superiori a 1.000 HV. L’ossido di zirconio sinterizzato è il materiale ceramico più utilizzato per la pallinatura delle molle.

Tra i composti naturali ad alta durezza abbiamo il corindone, che nelle sue varianti colorate viene impiegato nella gioielleria, zaffiro (blu/giallo) e rubino (rosso). Nella scala di Mosh il corindone (9) si trova sotto il diamante (10), che è la pietra più dura presente in natura.

Durezza

Dovendo improntare materiali di per sé duri, come gli acciai incruditi (alta durezza superficiale) e i pre-temprati (durezza superficiale di circa 500-600 HV), i pallini devono essere di per sé molto duri e resistenti all’usura.

Come illustrato nella sezione dedicata alle macchine per pallinatura, i pallini vengono sparati, colpiscono la superficie, cadono sul fondo della macchina, vengono recuperati e la loro dimensione controllata con un vaglio, prima di essere immessi nuovamente in circolo. Se il pallino scende sotto una certa dimensione, viene scartato.

Un pallino duro può evidentemente resistere ad un certo numero di urti e quindi essere utilizzato più volte, prima di essere scartato.

Il pallino ad ogni urto subisce a sua volta una sollecitazione di deformazione, che lo riduce in dimensione e spesso lo spezza.

Le durezze tipiche sono:

Acciaio: 600-700 HV.

Vetro/Ceramica: da 700 a 1.000 HV, per applicazioni particolari fino a 1.250 HV.

Corindone: da 600 a 800 HV.

I parametri che definiscono la pallinatura

Questa sezione è quella che maggiormente interessa il know-how di ogni azienda. Di conseguenza non scenderemo in dettaglio nei contenuti.

Come detto, gli effetti della pallinatura sulle molle si possono misurare solo con la stima delle tensioni residue e quindi con la difrattometria a raggi x.

La misurazione dell’azione energetica della pallinatura, avviene empiricamente con il sistema dei gradi Almen, con cui si stima la potenzialità dell’impianto di pallninatura.

Gli altri parametri che variano da molla a molla, sono le dimensioni del lotto da pallinare (quantità di carica) e il tempo ciclo.

Ogni mollificio, sulla base delle prestazioni del proprio impianto, stabilisce i propri cicli di pallinatura.

Al Mollificio Valli la combinazione di questi parametri, coadiuvata da una verifica con tecniche di microscopia e prove vita sulle molle pallinate, permette di garantire le prestazioni a fatica delle molle e il mantenimento di tali prestazioni nel corso del tempo, sui vari lotti.

L’insieme delle conoscenze maturate nel corso degli anni e la possibilità di utilizzare strumenti d’indagine digitali ad alta risoluzione, contribuisce a realizzare una vera e propria metodologia, nella definizione dei cicli e dei controlli sulla pallinatura.

Il controllo del processo di pallinatura, come di ogni altro processo, può avvenire solo definendo parametri misurabili, che si possono monitorare in tempo reale o in maniera preventiva.

Al Mollificio Valli abbiamo un dipartimento del controllo qualità, che gestisce e monitora il processo di pallinatura, eseguendo con regolarità:

• controlli in ingresso della graniglia;
• verifica al microscopio delle molle pallinate;
• verifica a fatica su molle pallinate e non;
• efficienza degli impianti di pallinatura, tramite misurazioni periodiche dei gradi Almen;
• monitoraggio dei parametri dei dispositivi a correnti parassite (eddy current tester), montati in linea sulle nostre avvolgitrici, per individuare e scartare i tratti di materiale con difettosità superficiale.

Se la pallinatura è un fattore determinante per la resistenza a fatica della molla, per applicazioni particolarmente gravose in termini di cicli vita, il Mollificio Valli è pronto collaborare con voi, mettendo a vostra disposizione un know-how più che trentennale.

Angelo Passarotti

Si laurea in ingegneria elettronica al Politecnico di Milano nel 1992. Dal 2000 lavora al Mollificio Valli come responsabile tecnico commerciale.

Acquisisce negli anni una consolidata esperienza nell’ambito del calcolo e degli aspetti tecnici legati alla produzione delle molle.

Da sempre appassionato di matematica e statistica, ha avuto modo di applicare le sue conoscenze nelle tecniche statistiche di controllo, negli aspetti metrologici e in generale in ambito pratico nei casi di problem solving e miglioramento continuo.