Come controllare efficacemente la deformazione secondaria causata dal rilascio delle tensioni residue durante la lavorazione di precisione di getti idraulici

Getti idraulici sono componenti essenziali nei sistemi di controllo dei fluidi ad alta precisione, che richiedono livelli elevati di precisione nei processi di fresatura, alesatura e levigatura. Durante queste operazioni, lo stress residuo intrinseco all'interno del getto viene ridistribuito e rilasciato man mano che il materiale viene rimosso. Questo fenomeno provoca una deformazione secondaria, che compromette direttamente la precisione di posizionamento, le tolleranze geometriche e le prestazioni di tenuta finali dei passaggi interni dell'olio e dei fori delle valvole. Il controllo di questa deformazione è una delle sfide tecniche più significative nella produzione di componenti idraulici.

Analisi delle fonti di stress residuo nei getti

Comprendere come si forma la tensione residua è il passo principale nel controllo della deformazione secondaria. Le tensioni residue nei getti idraulici hanno origine principalmente da tre fasi:

1. Solidificazione della colata: la velocità di raffreddamento incoerente tra le sezioni trasversali spesse e sottili porta a tassi di ritiro e tempi di trasformazione di fase variabili in aree diverse. Questo stress termico differenziale è la fonte dominante di stress residuo.

2. Contenimento del nucleo e dello stampo: i complessi passaggi interni dell'olio spesso richiedono strutture del nucleo complesse. Il vincolo rigido esercitato dall'anima sul metallo durante la solidificazione impedisce la libera contrazione del getto, instaurando un sistema autobilanciato di sollecitazioni di trazione e compressione all'interno del componente.

3. Post-lavorazione: anche operazioni come la sformatura, la rimozione della sabbia, una macinazione inadeguata e un trattamento termico inadeguato possono introdurre ulteriore stress nella struttura della fusione.

Pretrattamento: chiave per eliminare o stabilizzare lo stress residuo

Prima di iniziare qualsiasi lavorazione di precisione, è imperativo massimizzare l'eliminazione o la stabilizzazione dello stress residuo interno attraverso metodi come il trattamento termico o l'invecchiamento naturale.

1. Ricottura di distensione

La ricottura di distensione è il metodo più efficace e ampiamente applicato per mitigare lo stress residuo della fusione.

• Meccanismo d'azione: a questa temperatura elevata, la resistenza allo snervamento del materiale diminuisce significativamente e la diffusione atomica accelera. Ciò consente alle tensioni interne di rilassarsi attraverso una microscopica deformazione plastica.

• Velocità di raffreddamento: è necessario applicare un processo di raffreddamento del forno controllato ed estremamente lento. Il raffreddamento rapido può reintrodurre nuovi stress termici, diminuendo gravemente o addirittura annullando l’effetto di riduzione dello stress.

2. Invecchiamento naturale e vibratorio

• Invecchiamento naturale: prevede la conservazione della fusione a temperatura ambiente per un periodo prolungato (diversi mesi o addirittura un anno). Questo metodo si basa sull'instabilità termodinamica e sullo scorrimento viscoso del materiale per rilasciare lentamente lo stress. Sebbene il risultato sia stabile, la durata non è praticabile per la moderna produzione ad alta efficienza.

• Vibration Stress Relief (VSR): una tecnica che utilizza l'energia vibrazionale per favorire il rilassamento dello stress. Sottoponendo la fusione a vibrazioni di frequenza ed energia specifica, si aiutano le tensioni interne verso un nuovo stato di equilibrio. Questo metodo è efficiente ma richiede una corrispondenza precisa dei parametri di vibrazione con la geometria della fusione.

Strategie di controllo delle sollecitazioni durante la lavorazione meccanica di precisione

Anche dopo il pretrattamento può rimanere dello stress residuo. È necessario adottare strategie specifiche durante le operazioni di taglio per controllare il rilascio dello stress.

1. Segmentazione della lavorazione di sgrossatura e di finitura

• Lavorazione a fasi: dividere rigorosamente il processo in fasi di lavorazione di sgrossatura e finitura. L'obiettivo principale della lavorazione di sgrossatura è la rimozione rapida della maggior parte del materiale in eccesso, esponendo e consentendo il rilascio parziale delle tensioni interne.

• Distensione intermedia: per getti idraulici critici con requisiti di deformazione estremamente stretti, come corpi valvola multistadio, è possibile inserire una ricottura intermedia di distensione a bassa temperatura dopo che la lavorazione di sgrossatura ha rimosso l'80% del materiale. Ciò garantisce che il campo di sollecitazione sia bilanciato al massimo prima che inizi la lavorazione di finitura.

2. Taglio simmetrico e rimozione a strati

• Taglio simmetrico: utilizzare percorsi di taglio simmetrici o bilanciati quando possibile. Evitare un'asportazione eccessiva o localizzata di materiale su un lato, che sconvolge drasticamente l'equilibrio delle tensioni e può causare piegature o torsioni del getto.

• Profondità ridotta, passaggi multipli: durante la fase di lavorazione di finitura, adottare una profondità di taglio e una velocità di avanzamento ridotte, rimuovendo il materiale rimanente in passaggi multipli. Ciò consente allo stress residuo di essere rilasciato con un incremento più graduale e minore, prevenendo improvvisi salti dimensionali associati al rilascio improvviso dello stress.

3. Progettazione delle attrezzature e controllo del serraggio

• Attrezzature flessibili: la progettazione delle attrezzature deve rispettare il principio della deformazione minima. Utilizzare attrezzature flessibili con appoggio multipunto e ampie aree di contatto, evitando la creazione di nuove sollecitazioni di serraggio sul getto.

• Monitoraggio della forza di serraggio: la forza di serraggio per componenti idraulici di precisione deve essere controllata con precisione utilizzando chiavi dinamometriche o sensori di forza. Ciò garantisce che la forza di bloccaggio sia sufficiente per fissare il pezzo ma non abbastanza forte da indurre una nuova deformazione elastica.

Tecniche di misurazione e compensazione delle deformazioni

Durante tutto il processo di lavorazione, le apparecchiature di misurazione ad alta precisione sono fondamentali per il monitoraggio in tempo reale o intermittente della deformazione.

• Strumenti di misurazione: gli strumenti comunemente utilizzati includono macchine di misura a coordinate (CMM), scanner laser e comparatori a quadrante ad alta precisione. Questi vengono utilizzati per valutare accuratamente i cambiamenti nelle tolleranze geometriche come posizioni critiche dei fori, planarità e parallelismo.

• Feedback dati: se viene rilevata una deformazione che supera la soglia di tolleranza specificata, i dati devono essere immediatamente restituiti alla macchina utensile o all'ingegnere di processo per implementare la compensazione dinamica o la regolazione dei parametri di taglio successivi (ad esempio percorsi utensile, profondità di taglio). Ciò crea un sistema di controllo a circuito chiuso che garantisce stabilità nella produzione in lotti.