L’importanza delle prove di fatica dinamiche su molle

La vera sfida
Partendo dal presupposto che le molle sono componenti molto particolari e complessi dal punto di vista fisico, abbiamo compiuto diversi studi mirati, relativamente all’influenza delle forze esterne che possono agire su di esse, sia in modalità statica, sia in modalità dinamica.

È intrinseca nel comportamento delle molle e soprattutto nel loro impiego la capacità di essere in grado di sopportare continue deformazioni elastiche, che nel momento della loro applicazione mutano momentaneamente la propria dimensione costruttiva; le molle devono altresì essere in grado di assorbire grandi quantità di energia elastica, la quale deve essere rilasciata al cessare dell’applicazione della forza esterna.
È soprattutto a causa di tale ragione che diventa cruciale lo studio del loro comportamento quando vengono sottoposte a una o più forze esterne.

Le domande che ci siamo posti sono molteplici, e sono frutto di un connubio di ragionamenti tecnici, legati alle necessità commerciali che il mercato impone ai produttori di molle. La vera sfida attualmente è: "produrre la molla migliore al prezzo migliore", ma siamo certi che i seguenti quesiti sono delle tematiche di cui si parla quotidianamente all’interno di ogni mollificio.

• Come è possibile valutare il corretto funzionamento di una molla, prima che essa cominci il proprio lavoro?
•Come è possibile essere certi che una determinata molla sia realmente in grado si sostenere il ciclo di vita lavorativa per la quale è stata progettata?

I campi di utilizzo delle molle sono estremamente estesi e variabili. Uno degli esempi più tipici di impiego a condizioni severe è quello delle valvole dei motori a scoppio, casistica nella quale oltre ai milioni e milioni di cicli da sopportare, le molle devono essere in grado di resistere anche a elevate temperature che potrebbero causare il cosiddetto fenomeno del "rinvenimento".
Per riuscire a ottenere elevatissime prestazioni meccaniche di corretta deflessione e continua sopportazione di cicli a carichi unitari molto elevati, il produttore di molle deve utilizzare acciai particolarmente legati, con Vanadio, Silicio e altri alleganti, in modo da ottenere i cosiddetti acciai ad alto snervamento; senza dimenticare l’importanza di un corretto trattamento termico, mirato ad alzare la durezza e il limite di snervamento.
Nonostante gli elevati contenuti qualitativi richiesti dai clienti, dati dalle alte criticità meccaniche, le molle devono essere prodotte in tempi rapidi e a costi ridotti. Queste complicazioni rendono "il componente molla" un elemento estremamente delicato.
Ne consegue che, il controllo qualità posto in essere sulle molle diventa cruciale per assicurare al cliente un prodotto che rispetti al 100% le proprie esigenze, cercando di eliminare (o quantomeno ridurre) eventuali malfunzionamenti del prodotto finale che verrà commercializzato e utilizzato nella vita di tutti i giorni.

I benefici derivanti dall’esecuzione di prove dinamiche di fatica
Easydur da più di 35 anni è specializzata nella costruzione di macchinari di misura e possiede una grandissima esperienza legata al mondo delle prove meccaniche su molle di ogni tipologia. Forti di questo know-how, crediamo che oggi più che mai sia tassativamente necessario eseguire delle prove cicliche di lunga durata (fatica) atte a simulare il comportamento della molla nel suo ciclo di "vita".
Le prove dinamiche di fatica su molle vengono spesso sottovalutate e concepite come test praticamente distruttivo, in quanto la maggioranza dei macchinari di controllo utilizzati per questa tipologia di test sono strumenti meccanici molto poveri di contenuto tecnologico, senza celle di carico e software di controllo (le cosiddette macchine a "Biella-Manovella").
Tali macchinari hanno l’obiettivo di stressare più molle della stessa tipologia, fino ad arrivare alla rottura di una o più di esse, individuando solamente il numero di "colpi" che hanno portato alla rottura di una molla.
Non è possibile impostare carichi e soprattutto non è possibile individuare il momento della caduta di carico durante i cicli.
Individuare il rilassamento e la conseguente perdita di caratteristiche elastiche delle molle risulta essere un importante risparmio di tempo, e consente effettivamente di caratterizzare le molle in una maniera corretta.
Ne scaturisce una domanda: perché attendere di arrivare a rottura, quando si potrebbe arrivare allo scopo molto prima, con l’individuazione del rilassamento?

Nel corso dell’ultimo anno abbiamo venduto numerosi macchinari ideati appositamente per consentire ai nostri clienti di effettuare prove dinamiche di fatica, controllate dal nostro specifico software EasyDynamics, il quale permette di poter simulare un ciclo di vita delle molle oggetto di test in maniera rapida, corretta ed efficace, agevolando il lavoro di ricerca e sviluppo di nuove soluzioni produttive.
È importante essere in grado di produrre grafici in funzione di diverse grandezze fisiche (forza, posizione, tempo, velocità, temperatura ecc…)


Grafico Forza/Posizione


Grafico Forza/Tempo

È possibile interrogare il grafico della sinusoide, ispezionandone i punti di interesse, in aggiunta all’impostazione di parametri di prova come: Corsa, Velocità, Forza, e Frequenza.
Queste feature tecniche risultano ormai essere il fattore preponderante per un’analisi accurata ed approfondita della simulazione del ciclo di vita della molla prima della sua rottura.


Esempio di macchinario Elettromeccanico, per prove dinamiche di Fatica e prove Statiche, con sistema multicella, con Fondoscala totale: 50 kN

Solitamente questa tipologia di macchina, viene dotata di multicanalità, con la possibilità di equipaggiare più celle di carico e ulteriori canali, in grado di acquisire segnali da sensori esterni.

Grafico Multicanale Forza/Posizione


Asse dei grafici multigrandezza
Considerando che normalmente una prova "ciclica di durata" richiede un lasso di tempo consistente, è necessario altresì avere la possibilità di selezionare i tempi e le frequenze di acquisizione dei dati. In ultimo, ma non per ordine di importanza, è assolutamente possibile dotare il macchinario di camere climatiche per prove a caldo o criogeliche, oppure camere con nebbia salina per prove con agenti aggressivi.
Sottolineiamo che un macchinario atto a queste tipologie di test, non può comunque prescindere dall’attenzione al risparmio energetico, utilizzando sistemi di recupero di energia cinetica ed energia potenziale elastica.

Ascoltando le necessità di molteplici produttori di molle, abbiamo capito che uno strumento del genere avrebbe aiutato a porre in essere nuove sperimentazioni e nuovi progetti, soprattutto in fase di realizzazione di una partita di nuove molle. Inoltre, avrebbe consentito di poter studiare nuovi materiali e trattamenti termici più economici, che porterebbero il mollificio a individuare in poco tempo come produrre una molla affidabile a un costo più basso, con il conseguente successo commerciale.

Al contempo, perché non dare la possibilità di eseguire con lo stesso macchinario anche prove statiche, con le medesime precisioni e gli stessi obiettivi di una classica prova carichi? Questa tipologia di caratterizzazione dinamica è consigliata non solo per le molle a compressione, ma anche per quelle a trazione e a torsione.

Il nostro obiettivo non è quello di studiare soluzioni innovative finalizzate ai tradizionali controlli qualità, bensì di ascoltare le reali problematiche dei produttori di molle e aiutarli a massimizzare i tempi, mantenendo il fine principale di garantire una produzione ZERO DIFETTI.

Redazione a cura di:
Renato Affri, Stefano Piazza
EASYDUR SRL