Appunti di Tecnologia meccanica (ingegneria meccanica), Appunti di Tecnologia Meccanica

Scarica Appunti di Tecnologia meccanica (ingegneria meccanica) e più Appunti in PDF di Tecnologia Meccanica solo su Docsity! Tecnologia Fonderia Rappresenta un tipo di lavorazione primaria. Il processo di colata è uno dei processi di formatura più antichi e risale al 4000 a. C. Si basa sul versamento e sulla successiva solidificazione, all’interno di forme cave, di metallo preventivamente portato allo stato liquido: il metallo, solidificato, assume la geometria della cavità della forma entro cui è stato colato. I processi di fusione di fonderia sono spesso anche chiamati come tecniche di fusione o processi fusori ed essi comprendono non solo del passaggio dei metalli dallo stato solido alla fase liquida, ma anche tutta la serie di processi di produzione svolti in fonderia: - Creare forme cave - Fondere i materiali metallici - Trattare il fuso - Effettuare tutte le operazioni per la realizzazione del prodotto Nel settore industriale la fonderia riveste notevole importanza per la produzione di semilavorati destinate a successive lavorazioni. La fonderia permette di realizzare oggetti con forme molto prossime (near to net shape) a quelle di utilizzo, e scegliendo opportunamente una delle tecniche di fonderia si producono, in modo più economico rispetto ad altri tipi di lavorazione, pezzi di geometria molto complessa caratterizzati da dimensioni e forma prossime a quelle finali e ciò consente una riduzione delle lavorazioni supplementari. Quindi è preferito agli altri processi produttivi quando: - Si devono produrre forme complesse con cavità interna (monoblocco e testata di un motore) - Poiché determina condizioni economiche certamente favorevoli (corpo macchina da caffè) - Il semilavorato non è producibile con altre tecniche (es. particolari in ghisa possono essere prodotti solo con questa tecnica.) Al contrario le limitazioni rispetto ad altri tipi di lavorazione come la deformazione plastica o per asportazione di truciolo sono : - I pezzi sono caratterizzati da minore duttilità e tenacità e da maggior grado di porosità - minor grado di precisione e accuratezza oltre che problemi ambientali - Forme transitorie e permanenti Le forme possono essere aperte (lingottiere) o chiuse. Nel lingottiere la fase liquida è immessa dall’alto, mentre nella maggior parte delle applicazioni industriali, le forme sono chiuse e il fuso viene inserito attraverso canali opportunamente dimensionati. I materiali per la preparazione delle forme sono diversi. Si possono usare: - Terre da fonderia o sabbie (forme transitorie) - Gessi (forme transitorie) - Materiali ceramici refrattari ( forme permanenti) - Metallo ( forme permanenti) In relazione ai materiali utilizzati i processi si possono suddividere in due grandi classi: Processi con forme transitorie (a perdere) Processi con forme permanenti (riutilizzabili) -La forma transitoria viene distrutta dopo la solidificazione del getto per operare la sua estrazione. La fonderia in terra è la più utilizzata. In generale la cavità all’interno della forma viene ottenuta partendo da un modello, a sua volta realizzato in legno, metallo, plastica. Se il getto deve a sua volta contenere delle cavità si ricorre all’impiego di anime. Il sistema di alimentazione del fuso è costituito da una serie di canalizzazioni che nel versamento del fuso lo portano entro la forma. Costituito tipicamente da un bacino (imbuto) di colata, un canale di colata verticale e l’attacco di colata orizzontale, che ha la funzione di smorzare la dinamicità della fase liquida e di portarla all’interno della cavità. -Le forme permanenti sono invece utilizzate e vengono realizzate mediante lavorazioni alle macchine utensili con alti costi. Realizzati da materiali metallici, possono resistere ad elevate temperature. In generale si ha che le forme transitorie permettono di ottenere forme molto più complesse, mentre quelle permanenti offrono il vantaggio di un rilevante aumento di produttività. Se questa si applica tra la sommità del bacino di colata, dove l’altezza è h 1 e velocità v 1 =0, e la base del canale di colata, dove l’altezza è h 2 =0 e la v 2 , si ha che la velocità alla base del canale di colata sarà: Queste formule permettono di stimare il tempo di riempimento della forma, che sarà dato dal rapporto tra il volume della cavità e la portata volumetrica. Es. (1) Pelo libero, superficie metallo liq a pressione atm (2) Patm + g h La pressione ci fa comodo nel momento in cui pensiamo che il fluido a pressione sul fondo tende ad avanzare e riempire gli spazi più facilmente. Non ci fa comodo invece se consideriamo il principio di Archimede, se ho ad esempio un'anima (elemento per creare il vuoto nel metallo) questa riceve una spinta verso l’alto che può creare errori geometrici sul pezzo. - Meccanismi di solidificazione dei getti Nell’intervallo di tempo in cui il getto si solidifica, si forma la sua struttura cristallina da cui discendono le sue proprietà meccaniche. Se la solidificazione infatti non avviene correttamente, si creano difetti e microstrutture poco idonee che rendono il getto non utilizzabile. Nel caso ideale, La temperatura di solidificazione di un metallo puro coincide con quella di fusione e per completare la solidificazione è semplicemente necessario asportare il calore latente di fusione. Quando tutto il fuso è solidificato la temperatura diminuisce ancora rilasciando il suo calore sensibile. Il materiale solidificato è policristallino, cioè costituito da tanti grani cristallini orientati casualmente. Il volume specifico occupato, allo stato liquido, si riduce drasticamente alla temperatura di solidificazione (dal 2,5 al 6,5%). Questo fenomeno è chiamato fenomeno del ritiro di solidificazione. La diminuzione di temperatura allo stato solido porta anche un’ulteriore contrazione, per esempio per gli acciai che passano da 1000°C a 22,5°C si ha una contrazione ulteriore di circa 1%. Allo stato solido, la sistemazione degli atomi è caratteristica di ogni materiale e può essere descritta mediante il reticolo cristallino. Per i materiali di interesse ingegneristico sono importanti tre tipi di reticoli: -Cubico a corpo centrato (ferro,tungsteno,molibdeno) -Cubico a facce centrate (rame,acciaio austenitico,alluminio) -Esagonale compatto (magnesio,cadmio, zinco) Nel successivo raffreddamento allo stato solido, alcuni materiali possono subire una trasformazione allotropica per velocità critiche di raffreddamento, che porta a variazioni di volume specifico con aumento di tensioni interne (che sono da evitare). La nucleazione e la crescita di grani avvengono simultaneamente, ma presentano velocità diverse. La dimensione dei grani dipende dal tempo di permanenza a una temperatura elevata che a sua volta dipende dalla velocità di raffreddamento. Basse velocità di raffreddamento generano una struttura a grani grossi. Alte velocità di raffreddamento generano molti nuclei con struttura molto fine, mentre altissime velocità di raffreddamento generano solidi amorfi. Nel caso di soluzione solida la solidificazione avviene tra le curve di liquidus e solidus. La temperatura di inizio solidificazione coincide con la temperatura di fine fusione e la temperatura di fine solidificazione coincide con quella di inizio fusione. - Formazione della microstruttura nei getti Non appena il materiale fuso surriscaldato è colato nella forma e arriva a contatto con le pareti della cavità che si trovano a temperatura più bassa, comincia a cedere calore e quindi a raffreddarsi, con un effetto molto più accentuato in prossimità delle superfici di contatto. La variazione di temperatura produce una variazione di densità che sarà quindi diversa nei vari punti della massa liquida. Si generano così dei moti convettivi che favoriscono lo scambio termico e ostacolano il formarsi di forti gradienti termici. Dopo un certo tempo, mentre la massa fluido continua a cedere calore alla parete, la distribuzione di temperatura comincerà a modificarsi. Quando nel corso del raffreddamento la massa metallica fusa raggiunge la temperatura inferiore a quella di solidificazione (inizialmente nell’interfaccia) inizierà a la nucleazione e la successiva formazione di un primo strato di materiale solido che cresce nella direzione del gradiente termico. Nella prima fase di solidificazione, il metallo a contatto con la superficie subisce rapide asportazioni di calore che abbassano localmente la temperatura al di sotto di quella di fusione, dando origine ad un notevole sottoraffreddamento. Quindi nella massa sottoraffreddata si formerà una elevata quantità di nuclei con geometria e orientamento ben definiti. L’ elevatissimo numero di nuclei dà luogo a una struttura del materiale a contatto con la parete formata da grani piuttosto piccoli, e lo spessore di questo strato (max qualche cm) dipende prevalentemente dalla temperatura del metallo liquido e della parete, dal suo calore specifico, a dalla sua conducibilità termica. Immediatamente dopo le modalità di crescita dei cristalli variano. In questo caso con il progredire della solidificazione si genera anche un cono di ritiro sulla superficie superiore. Se invece il calore fluisce in tutte le direzioni si crea anche una cavità all’interno del getto. Infatti succede che la contrazione che subisce la zona centrale non può essere assecondata dalla contrazione del metallo solido circostante e pertanto nasceranno cavità interne. - Compensazioni degli effetti del ritiro La quota di maggiorazione del ritiro, permette di minimizzare il problema del fenomeno del ritiro. Nel caso della produzione di getti in forme chiuse, il sistema di colata viene progettato in modo tale che venga assicurato l’afflusso di altro materiale liquido per compensare la diminuzione di volume, predisponendo opportune riserve di metallo fuso chiamate materozze . La materozza (o alimentatore) si comportano da riserva del metallo fuso. E’ un serbatoio di fuso che nel corso del raffreddamento continua a fornire il metallo fuso che viene a mancare per la contrazione volumetrica e assicura lo spostamento del cono di ritiro al suo interno. La materozza può essere aperta (a cielo aperto) o completamente racchiusa nella forma (materozza cieca) e la scelta dipende unicamente dalla posizione. Per quanto riguarda le cavità interne, le materozze perturbano l’equilibrio termico e spostano il baricentro termico all’interno di essa, punto in cui si formano le cavità. - Solidificazione orientata Le zone più lontane dalla materozza solidificano per prime e la solidificazione progredisce in maniera orientata verso essa che quindi solidificherà per ultima. La zona che si trova tra la zona di influenza della materozza e di influenza dell’estremità, detta zona intermedia, è a rischio di cavità di ritiro se risulta impedito l’estrazione del calore. Per avere un getto senza difetti ciò che si deve fare è: Aumentare il raggio di azione della materozza fino alla zona di influenza dell’estremità • Aumentare l’effetto di estremità con raffreddatori che aumentano la capacità di asportazione termica. Per quanto riguarda i raffreddatori esterni, essi sono inserti metallici annegati nel materiale della forma (sotto forma di inserti o in sabbia). Evitano la formazione di micro e macro porosità, aumentando i gradienti termici in modo da far progredire la solidificazione verso la zona del metallo fuso. Quelli interni invece sono elementi metallici (stessa composizione delle colata) collocati nel volume del getto. devono avere la stessa composizione del getto perché dopo la solidificazione saranno parte integrante del pezzo. Possono creare però discontinuità nel pezzo finito, perché non fondono del tutto. - Stato tensionale residuo tra gli effetti del raffreddamento, il problema delle tensioni indotte ha una grandissima importanza per la qualità dell’oggetto. Le velocità di asportazione del calore sono diverse tra le varie zone del getto, si originano quindi meccanismi di contrazione differenziata che innescano tensioni interne che possono compromettere l’integrità del getto causando cricche o fratture o deformazioni. Il fenomeno può essere compreso se si considera: Le barre B raffreddano per prima ma sono tirate dai gioghi, provocando-+ l’allungamento. I gioghi comprimono anche la barra A. - Formazione di porosità Sono causa di gas disciolti nel metallo fuso che si sprigionano nella solidificazione. Si trovano prevalentemente nella parte alta del getto. La presenza di porosità porta alla diminuzione di sezioni resistenti e agiscono come centri di concentrazione di tensione. La formazione di soffiature si può contrastare facendo in modo che per tutta la durata della solidificazione agisca una pressione idrostatica atta ad impedire la formazione dei gas. - Fusione in terra La lavorazione classica di fonderia è quella della colata in terra, per via del fatto che il metallo fuso viene colato in uno stampo composto da una terra speciale, detta terra da fonderia, che alla fine del processo verrà rotta per poterne estrarre il pezzo. Le terre usate, perdono le loro qualità per effetto dell'alta temperatura, pertanto è possibile riutilizzarle solamente dopo un opportuno trattamento. Con questo metodo si possono anche ottenere forme complesse come la testata del motore. - Modello Le caratteristiche costruttive del modello influenzano in modo diretto la buona riuscita della forma e del greggio stesso. Dovrà quindi rispettare le quote e le tolleranze indicate sul disegno costruttivo. Esso può essere costituito da materiali permanenti come il legno, metalli, plastica o a perdere, quindi a cera persa, che si sciolgono con la fusione e viene espulsa da appositi canali, o in polistirene espanso, il quale gassifica e viene eliminato. Se la produzione è di serie o per lotti successivi, è opportuno realizzare il modello in modo da conservare le sue caratteristiche nel tempo, sia di fronte ai fenomeni di usura derivanti dalle operazioni di formatura sia alle deformazioni che esso potrebbe subire nella fase di magazzinaggio. Tale caratteristica non ha senso per i modelli a perdere. Il semplice modello per produrre la forma può essere realizzato in un unico pezzo. Per risolvere i problemi di estraibilità e per raggiungere una più elevata precisione del prodotto, si può ricorrere al modello (modello spinato) separato in due parti dotato di spine e boccole per la sua ricomposizione. Il modello è dotato anche di piastrine con fori filettati per facilitare la fase di estrazione. Per agevolare l’estrazione del modello senza danneggiare le pareti della forma, vengono effettuati degli angoli di sformo. Questi angoli sono in funzione del materiale usato per il modello e possono essere maggiori o uguali all'1%. -Se la produzione è di serie di getti di piccola e media dimensione, il sistema più usato è quello della placca modello . In questo caso, ogni semi-modello viene stabilmente collegato ad una piastra di supporto dotata di idonei sistemi di riferimento con la staffa di formatura; sulla placca vengono inoltre fissati il sistema di colata e le materozze. Formatura con la placca modello: -Nel caso di produzione di un numero molto limitato di getti di grosse dimensioni, l’uso del sistema classico del modello diviso comporterebbe costi elevati anche usando il legno. Si ricorre quindi ai modelli ridotti del tipo a sagoma o a scheletro . Il modello a sagoma si utilizza quando la struttura principale del getto è un corpo di rivoluzione, le due forme vengono preparate utilizzando tavole di legno ritagliate secondo il profilo desiderato e vengono fatte ruotare dal formatore intorno ad un’asta verticale. - Sottoquadri Le parti del pezzo che per l’estrazione necessitano della rottura della forma. In realtà spesso si necessita solamente di una rotazione o variazione di geometria del pezzo: -Da questo esempio si può notare che se si hanno fori molto piccoli, questi non si creeranno con l’utilizzo delle anime, ma con una lavorazione successiva: - Formatura a macchina La formatura in questo caso non è manuale ma automatica. Infatti è proprio una macchina che si occupa della formatura pressando la sabbia contro il modello attraverso un pistone, un sistema di pistoni, un sistema vibrante o un sistema pressurizzante: In questo caso la fornace non è collegata direttamente con lo stampo, ma si necessita della presenza di un organo mobile il quale prende il metallo fuso e lo versa nel canale di adduzione, dove un pistoncino lo spinge nello stampo. Il fatto che la fornace e lo stampo non siano direttamente collegati come in camera calda, fa si che durante il trasporto il metallo scambi calore con l’ambiente esterno ma anche con l’organo di trasporto. Questi processi vengono chiamati processi di pressofusione , infatti i regimi di pressione sono più elevati, poiché il fluido è più freddo e quindi meno fuso. I sistemi di ammortizzazione vengono chiamati sistemi a biscottini, essi ammortizzano la scarica di pressione dovuta al pistoncino, e devono anche essere progettati in modo tale da avere una resistenza a fatica sufficiente visto che il carico agisce in pulsazione. -Nel caso in cui dovessimo dare indicazioni al costruttore per la realizzazione di una macchina di questo tipo ciò che serve sapere è: 1)La dimensione dei pezzi, e quindi il metallo utilizzato e il peso. 2)Il regime di pressione che si necessita avere all'interno della camera. 3)Dimensione dell’involucro dello stampo in funzione di quelle del pezzo in pianta. In generale queste macchine vengono a costare circa alcuni milione di euro. - Stampi Gli stampi vengono realizzati in questo caso attraverso processi di elettroerosione, quindi con scariche elettriche che corrodono la superficie dello stampo. In questi si utilizzano delle spine, sia per assicurare il corretto posizionamento in chiusura delle due parti dello stampo, sia all’interno della forma stessa per formare dei vuoti al pezzo finale (=anime). In particolare se la spina risulta essere troppo snella, a causa dei regimi di pressione si può deformare o addirittura staccarsi del tutto. - Colata centrifuga Essa viene scelta nella realizzazione di tubi. La colata avviene in un guscio metallico, il quale viene messo in rotazione attorno al proprio asse da due pulegge che lo trascinano. A causa quindi della forza centrifuga creata il metallo andrà a disporsi sulla superficie laterale. Questo processo avviene orizzontalmente, infatti se si posizionare il cilindro in verticale si avrebbe la composizione con la forza di gravità la quale porterebbe il fluido a posizionare, ad addensarsi nelle zone inferiori del cilindro cavo, formando un paraboloide. - Diagramma dei costi I punti di intersezione tra le varie curve rappresentati i diversi metodi di fusione, vengono chiamati punti di indifferenza, poiché sono quei punti che per numero di prezzo e costo corrispondente non variano tra le tipologie di processo. Appunto sono indifferenti. - Computer aided casting Consente di simulare i processi di fusione riproducendo tutte le varie parti e studiando il comportamento reologico del materiali, il regime di temperatura e pressione ecc… Esso dà la possibilità di capire se c’è qualche errore nella progettazione quindi funge da verifica. - Colata continua è un processo continuo, il metallo infatti viene colato, progressivamente raffreddato con getti d’acqua fredda. Dopo esso viene intagliato per ottenere lingotti di materiale metallico. La tensione di rottura, σ R , convenzionalmente corrispondente alla tensione convenzionale massima desumibile dal diagramma; L’allungamento percentuale a rottura e la strizione percentuale a rottura determinano di quanto percentualmente si è allungato il provino e di quanto si è ristretto in sezione considerando come dimensioni finali quelle che il provino possiede prima di essersi rotto. Maggiori sono questi due valori, maggiore sarà la duttilità. -La zona compresa tra il limite di snervamento e quello a cui corrisponde la tensione di rottura è descritta dalla Flow Rule: Dove n viene definito come coefficiente di incrudimento. -Comportamenti differenti di un materiale: ------------- 1)rigido, perfettamente elastico senza incrudimento 2)elastico, perfettamente plastico 3)rigido, plastico con incrudimento 4)elasto-plastico con incrudimento -Le tensioni e le deformazioni nominali vengono definiti in rapporto alle dimensioni iniziali del provino: Mentre le tensioni e deformazioni reali si riferiscono a alle dimensioni che hanno punto per punto: Si possono trovare delle relazioni analitiche tra le grandezze nominali e reali: -La superficie fratturata da tante informazioni: ampiezza del campo plastico, livello di duttilità (lavorabilità), ecc... Nella frattura coppa-cono, la superficie presenta una strizione localizzata indice della duttilità. A destra non ci sono deformazioni locali sulle superfici e sul bordo del provino ci sono piccole deformazioni, in questo caso si ha una frattura fragile. -Le deformazioni logaritmiche godono della proprietà additiva a differenza delle deformazioni ingegneristiche. Infatti si preferisce utilizzare le deformazioni logaritmiche al posto degli allungamenti percentuali. Le deformazioni logaritmiche forniscono anche una rappresentazione adeguata fisicamente. Se suppongo infatti di passare da L a 2L e applico la deformazione logaritmica risulta una deformazione pari a log2, mentre con l’allungamento percentuale si avrebbe 100%. Se si passa da L a 0, il ln0/L e meno inf, con allungamento percentuale è finito 0-l/=-1 meno fedele del primo. -Flow Rule Il coefficiente C determina quanto è alta la curva, mentre per n maggiori si avrà un aumento delle tensioni di flusso nel campo plastico. Si dimostra che il valore del coefficiente di incrudimento coincide con il valore della deformazione a cui corrisponde l’insorgere della strizione e quindi alla tensione massima della curva: - Confronto tra due curve Il materiale B presenta una maggiore duttilità ma una resistenza meccanica più contenuta. A invece presenta un campo elastico più contenuto e una resistenza meccanica più accentuata. Il materiale va incontro a processi di riassetto, ricristallizzazione e crescita dei grani , che sono processi metallurgici. Tutti i fenomeni metallurgici sono ad attivazione energetica, si deve fornire l’energia necessaria per innescare il fenomeno. Allora fornendo energia al materiale, da un flusso termico esterno, si ha il recovery, riassetto dove i grani allungati e deformati cominciano a rassettarsi, assumendo degli orientamenti che fanno sì che gli impilamenti di dislocazioni nei punti di accumulazione si vanno perdendo. Si risistema la proprio struttura abbassando il livello energetico. Si ha così un primo miglioramento della caratteristica di duttilità e una prima riduzione della resistenza al flusso plastico del materiale. Se si continua a fornire energia, si osserverà il nascere di nuovo grani ( equiassici),che hanno una dimensione media più piccola dei grani precedenti. Questo si chiama fenomeno di ricristallizzazione, ed è progressivo , infatti i primi si formano in corrispondenza ai bordi di grano. Innalzando ancora la temperatura e al trascorrere del tempo, si innesca anche un fenomeno di grain growth, cioè questi grani che si sono formati, tenderanno ad aumentare la loro dimensione media. I grandi coalescono e diventano di meno in numero ma più grandi. Il superamento del livello energetico di attivazione di tali fenomeni all'interno di un materiale si possono ottenere per flusso termico dall'esterno o deformazione plastica. Il fenomeno di recovery parte o per una certa temperatura o ad una temperatura più bassa se si fornisce anche lavoro di deformazione. Infatti il 90% del lavoro di deformazione decade in calore. La ricristallizzazione viene definita statica o dinamica, rispettivamente se è dovuta al solo flusso termico esterno, dinamica se c'è anche deformazione plastica. A causa di questi fenomeni i diagrammi tensione deformazione non presentano un andamento sempre crescente , caratteristico delle prove a temperatura ambiente, ma mostrano un fenomeno di addolcimento (softening) al crescere della deformazione impressa al provino. Dopo aver raggiunto un iniziale picco, la tensione di flusso plastico, decresce al procedere della deformazione. Legge di flusso adesso si mostra più complessa. In z è contenuta la velocità di deformazione, A e B sono dipendenti dalla temperatura, è la ε 𝑐 deformazione critica in cui ha inizio il fenomeno di ricristallizzazione. - Condizione di plasticità dei materiali duttili Fin’ora abbiamo considerato soltanto dei materiali soggette a trazione o a compressione che raggiungono lo stato di snervamento, e quindi iniziano a deformarsi plasticamente quando in essi si ha uno stato tensionale monodimensionale. Questo stato costituisce una condizione molto particolare , infatti nella quasi totalità dei casi i materiali sono soggetti a stati di tensione bidimensionali o tridimensionali. Ci si pone quindi di dedurre le relazioni matematiche che permettono di prevedere l'inizio dello scorrimento plastico per un solido sottoposto ad uno stato tensionale qualsiasi. - Teoria di Galileo Secondo questa teoria lo stato plastico è individuato esclusivamente dalla massima tensione principale positiva: Se la massima tensione principale positiva raggiunge il valore della tensione di scorrimento, il materiale subisce deformazione plastica. Max (σ 1 , σ 2 , σ 3 ) = σ eq , ne segue che σ eq ≥ σ 0 ⇒ def. Plastica Critiche: Non tiene conto delle altre tensioni agenti (Es. (100,0,0) è uguale a (100,80,50)), e quindi non è in grado di analizzare correttamente gli stati di tensione composti. Inoltre, secondo Galilei uno stato di compressione, qualunque esso sia, non provocherà mai def. Plastica. - Teoria della massima tensione principale positiva e negativa Essa afferma che Si avrà def. Plastica se la massima tensione principale supera la tensione σ 0 o se la minima tensione principale risulta minore di - σ 0 . Max (σ 1 , σ 2 , σ 3 ) = σ eq , ne segue che σ eq ≥ σ 0 ⇒ def. Plastica Min (σ 1 , σ 2 , σ 3 ) = - σ eq , ne segue che - σ eq ≤ - σ 0 ⇒ def. Plastica Critiche: Non tiene conto delle altre tensioni agenti. - Teoria di Tresca Lui ammise che il raggiungimento dello scorrimento plastico non fosse correlato alle tensioni nominali, bensì la deformazione plastica si raggiunge quando la massima sollecitazione tangenziale raggiunge un valore limite, calcolabile facendo riferimento al caso della trazione semplice monoassiale. Nel caso generale di uno stato di tensione tridimensionale, avendo che σ 1 <σ 2 <σ 3 , la tensione tangenziale massima è espressa nella formula: Che può essere calcolata dai cerchi di Morh: Il valore limite si può calcolare facendo riferimento al caso della trazione monoassiale e dal τ 0 momento che σ 1 =0 σ 2 =0 σ 3 = σ 0 , si ha che: τ 0 = σ 0 /2 Quindi in definitiva si ha che la condizione di Tresca dice: Se non sono note l’ordine delle tensioni principali , la condizione di Tresca si traduce nelle sei equazioni : Dalle quali si sceglierà l’equazione che contiene la tensione principale massima e quella minima. Altri aspetti rilevanti emergono dalla rappresentazione grafica della condizione nello spazio σ 1 , σ 2 , σ 3 , cioè lo spazio di Haigh-Westergaard. Le sei equazioni rappresentano un prisma a base esagonale avente per asse la trisettrice dell’ottante positivo. Se il punto rappresentativo dello stato tensionale rimane all’interno del prisma, il materiale è in campo elastico, se invece raggiunge la superficie ha inizio lo scorrimento plastico. La superficie del prisma è aperta sia in corrispondenza della trisettrice dell’ottante positivo sia dell’ottante negativo. La trisettrice dell’ottante positivo corrisponde a una sollecitazione di tipo idrostatico positivo, mentre quella dell’ottante negativo corrisponde una negativa ed in particolare lo stato idrostatico non porterà mai a def. Plastica. Si ottiene la definitiva condizione di plasticità di Von Mises: Oppure riscritta in funzione delle tensioni non principali: Nello spazio di Haigh-Westergaard, essa si traduce in una superficie cilindrica indefinita avente per asse la bisettrice del primo ottante, superficie aperta sia dal lato delle tensioni idrostatiche positive che negative. Esso è circoscritto al prisma a sezione esagonale che rappresenta la condizione di Tresca. - Effetto Bauschinger Si considera un materiale duttile e lo si sottopone alla prova di trazione. Lo si porta a snervamento, e giunto al punto A si interrompe la prova, notando lo scarico delle deformazioni elastiche. Si esegue una compressione al pezzo indurito, e arrivati a B, il materiale inizia ad entrare in campo plastico. -Incrudimento isotropo Nell’incrudimento isotropo ciò che succede è in compressione il materiale si snerva dopo aver raggiunto il valore corrispondente all’opposto della tensione in − σ * trazione a cui si è fermata la prova. -Incrudimento cinematico Incrudimento reale: è una combinazione dei casi precedenti: - Confronto tra Tresca e Von Mise Nelle condizioni di taglio puro, ottenibili applicando, ad esempio, una pura torsione, secondo la teoria di Von Mises la deformazione plastica si raggiunge quando la tensione tangenziale raggiunge il valore limite = 0.577 σ 0 , mentre secondo la teoria di Tresca (massima tensione tangenziale) vale la τ 0 relazione: = 0.5 σ 0 . τ 0 Nella realtà si è osservato sperimentalmente che alcuni materiali rispondono meglio alla condizione di Von Mises, mentre altri sono meglio caratterizzati dalla condizione di Tresca. Al fine di accertare a quale condizione risponde meglio il materiale, potrà essere sufficiente fare due prove, una di trazione ed una di torsione e valutare il rapporto / σ 0. τ 0 Se esso dovesse risultare più vicino a 0.577 vale la condizione di Von Mises, nel caso in cui, invece, risulti più prossimo a 0.5 vale la condizione di Tresca. Un’altra esperienza finalizzata a valutare la determinazione del criterio di plasticità più adeguato fu condotta da Lode. Egli per valutare l’influenza della tensione intermedia , fece prove su provini tubolari di piccolo spessore sottoposti a trazione assiale e pressione interna. Definì un parametro: Da questa la condizione di Von Mises assume la forma: mentre quelle di Tresca: Indipendente dalla tensione intermedia . σ 2 Diagrammando queste due condizioni si osserva che la massima differenza tra i due si ha in torsione. - Relazioni tensioni-deformazioni in campo plastico Le deformazioni plastiche sono permanenti (non scompaiono al cessare dell'applicazione del carico, come le deformazioni elastiche). In campo elastico esiste una corrispondenza biunivoca tra tensioni e deformazioni: non così in campo plastico, ove, al fine di valutare lo stato di deformazione non è più sufficiente conoscere il campo tensionale, ma è necessario analizzare l'intera storia di carico che ha portato allo stato tensionale finale, quindi la storia delle deformazioni (deformation path) che il materiale ha subito. Esempio del Mendelssohn, si suppone di sottoporre un provino tubolare di piccolo spessore a sollecitazioni di trazione e di torsione. Inizialmente si sottopone il provino a trazione pura con carico via via crescente, giunti nel punto A iniziano le deformazioni permanenti. Si aumenta ancora la sollecitazione fino ad arrivare al punto B. Il materiale si è incrudito e nell’ipotesi di incrudimento perfettamente isotropo, la condizione di plasticità sarà un ellisse ma più allargata. Si riduce la sollecitazione di trazione rientrando all’interno dell’ellisse fino al punto C e successivamente si applica la sollecitazione di torsione fino al punto D, che è al limite della della deformazione plastica e quindi non si deforma. Si rilevano così soltanto deformazioni normali permanenti. Si considera adesso un altro provino a cui si applica una torsione e raggiunto lo stato E, il materiale entra in campo plastico, caricando fino al punto F si accumulano deformazioni plastiche. Se si riduce la sollecitazione fino a raggiungere il punto H e poi si inizia a caricare a trazione fino a D ciò che si vede è che si rilevano soltanto deformazioni permanenti tangenziali. In conclusione, pur in presenza dello stesso stato tensionale, percorrendo due diverse storie di carico, si determinano stati deformativi completamente differenti. - Classificazione processi di formatura : Essi si possono classificare in base a: -Temperatura alla quale il processo si svolge - Dimensioni e forma del pezzo in lavorazione - La tipologia del processo nell'ambito dell'intero ciclo produttivo che conduce alla realizzazione del prodotto finito - Le caratteristiche del meccanismo di deformazione che si instaura nel semilavorato durante il processo - Temperatura Per quanto riguarda la temperatura i processi si possono dividere in : 1)A freddo (cold forming) 2)A tiepido (warm forming, riunisce le caratteristiche positive di quelli a freddo e quelli a caldo) 3)A caldo (hot forming) - Cold forming Essi sono delle lavorazioni che agiscono su un materiale alla temperatura inizialmente ambiente, ma che poi a causa della deformazione plastica, riesce a raggiungere i 100-200°C (90-95% dell’energia va in calore). l materiale presenta fenomeni di ritorno elastico all'apertura dello stampo. A stampo chiuso infatti si ha che le reazioni dei raggi di raccordo sono equilibrate dalla forza del punzone. In questo caso il materiale è caratterizzato da fibre contratte in alto, quindi con deformazione negativa, da fibre con deformazione positiva in basso, e da fibre nella zona equatoriale che non subiscono deformazioni. Con uno stato tensionale che può essere rappresentato da: Quando lo stampo va ad essere aperto, lo stato tensionale non più equilibrato, quindi il pezzo tende a trovare una configurazione che possa auto equilibrarsi. Si ha per questo motivo, un ritorno elastico, cioè si vanno a restituire le deformazioni plastiche. Quindi l’angolo di piegatura deve essere maggiore rispetto a quello che si vuole imprimere alla lamiera in modo tale che dopo il ritorno elastico esso assuma le dimensioni volute. - Posizione nel ciclo di lavorazione -Primari formazione del semilavorato che poi deve andare a essere deformato ulteriormente. Come la laminazione. -Secondari Imbutitura o piegatura. - Meccanismo di deformazione Si differenziano i processi di deformazione: -Stazionari: dove tutte le parti del pezzo vengono sottoposte ad identico meccanismo di deformazione (analisi euleriana: elemento di volume). Posizione, velocità e accelerazione sono costanti nel tempo e , quindi le caratteristiche della particella di materiale dipendono dalla posizione occupata all’interno del volume di controllo. Es. tratto conico del tubo di dentifricio. -Non stazionari Geometria e caratteristiche meccaniche del semilavorato cambiano nel corso del processo (analisi lagrangiana). Es. la compressione tra due piastre di un cilindro, infatti tutti i punti del cilindro durante il processo seguono una traiettoria generica , la geometria cambia e non c’è nessuna stazionarietà. - Forgiatura Lavorazione per deformazione plastica con la quale si ottengono a costi bassi, prodotti di elevata qualità mediante deformazioni prodotte con forze di compressione. I prodotti sono di geometria molto prossima a quella finale desiderata, e possiedono un elevato rapporto resistenza meccanica/peso, elevata tenacità, resistenza all’impatto e fatica. I processi di forgiatura sono peraltro largamente utilizzati anche al giorno d’oggi, permettendo ad esempio la realizzazione di componenti quali alberi a gomito, bielle ed ingranaggi nell’industria automobilistica, di componenti di turbine (palette, dischi), nonché di numerose altre parti per l’industria meccanica. - Forgiatura in stampi aperti - (open-die forging o upsetting) Processo dove il cilindro di materiale metallico è sospinto dall azione di entrambi i piatti, passa da h 0 d 0 a h i e d i mantenendo la forma cilindrica (sé ideale, quindi senza attrito). Si identificano i set di parametri del processo (senza attrito all'interfaccia) che si distinguono in tre famiglie: 1)Condizioni e caratteristiche geometriche: sono l'altezza e il diametro, utili soprattutto per sapere la stima dei carichi. Snellezza importante per capire l'instabilità plastica che deve essere scongiurata. 2)Materiale utilizzato: se il processo è svolto a freddo o a caldo e legge di flusso del materiale. Se a freddo , Flow low quindi c ed n del materiale, se a caldo si deve considerare comportamento del materiale in funzione della temperatura e della velocità di deformazione. Importante per la stima del carico di reazione 3)Parametri tecnologici del processo: dipendono dal fatto che il processo sia svolto o a freddo o a caldo, infatti interessa il coefficiente di attrito (se c’é )e il livello di lubrificazione se a freddo. Se a caldo interessa sapere la temperatura a cui è portato il provino e gli stampi prima della prova, la velocità di movimento della traversa per capire influenza della velocità di deformazione e per capire il comportamento del materiale. È Possibile annullare del tutto l'attrito, ciò implica che si desteranno delle tensioni tangenziali all'interfaccia che tendono ad opporsi al movimento centrifugo del massello. Le tensioni tg danno luogo a delle forze di attrito rivolte in senso opposto al flusso radiale del materiale che non risulta uniforme alle diverse quota. La zona equatoriale non ha nessun vincolo, mentre le sup di contatto vengono trattenute, si genera così una geometria una volta forgiato non più cilindrica (barrelling). -Forgiatura in stampi aperti di masselli cilindrici - Condizioni di assenza di attrito Determinazione del carico di stampaggio: In questo caso si ha che l distribuzione di pressione all’interfaccia è uniforme ,infatti è rappresentata da un rettangolo. -Forgiatura in stampi aperti di masselli cilindrici in presenza di attrito La distribuzione di pressioni è di questo tipo: La distribuzione di pressione non è costante ma presenta una cuspide e l'effetto è uguale a quello di una distribuzione rettangolare considerando la P Average, cioè pressione media, che dipende dalla tensione di flusso del materiale e dalla snellezza, e dal coefficiente di attrito (lubrificazione): -Forgiatura in stampi aperti di masselli prismatici Se il rapporto B/L è maggiore di 5:1, nel corso dello schiacciamento non si verificano deformazioni lungo la direzione della dimensione maggiore: quest’ultima cioè rimarrà invariata rispetto alla dimensione iniziale. Tale circostanza è giustificabile tenendo in considerazione il ruolo svolto dalle forze di attrito, le quali agiscono su una superficie sufficientemente grande da impedire qualunque deformazione lungo la dimensione maggiore. La distribuzione media di pressione risulta: La seguente tabella descrive le temperature maggiormente utilizzate per i processi a caldo a seconda dei metalli usati. La velocità di deformazione , ad alta temperatura, influenza il comportamento reologico e quindi la risposta meccanica del materia. Quindi si deve tener conto anche di questa variabile che dipende dal tipo di strumento utilizzato. Hammer(maglio) - Costi di forgiatura Il material cost risulta essere lineare perché non dipende dal numero di pezzi. Costo di setup dell'attrezzatura, montaggio e allineamento degli stampi si ripartisce nel lotto di produzione e ha un andamento decrescente. Costo degli stampi ha incidenza rilevante soprattutto nella lavorazione di lamiera e forgiatura, e ciò fa sì che questi processi siano competitivi se la numerosità del lotto di produzione sia ampia. Se il lotto è piccolo, i processi risultano poco competitivi, perché il costo dello stampo si andrebbe a dividere per pochi pezzi e risulterebbe non conveniente (ES. alcune decine di milioni di euro.) Per esempio si considerano i costi di produzione di una biella con le diverse modalità a seconda del numero di pezzi. Si vede che se il numero di pezzi supera alcune soglie critiche, il processo di forgiatura diventa il processo di maggiore interesse, con costo inferiore, insieme al diecasting, ma è il forging il più economico. I punti di intersezione sono i punti di becchime, a ridosso dei quali risulta indifferente svolgere un tipo di processo o un altro. - Ring test In generale si utilizzano due modelli di attrito: -Il modello di Coulomb afferma che la tensione tangenziale (che moltiplicata per l’area dà le forze di attrito) sia funzione della tensione normale a quella superficie per un coefficiente di attrito: τ = µσ 𝑛 Questo modello funziona fino a che i valori di , quindi di pressioni non troppo alti. σ 𝑛 -Il secondo modello, che invece viene utilizzato quando le pressioni all’interfaccia sono alte, è quello del fattore di taglio, per cui la tensione di taglio è una stima della tensione limite di scorrimento al taglio. con 0<m<1. τ = 𝑚 τ 𝑜 -Qualsiasi sia il modello di attrito che si va ad usare,il ring test viene utilizzato per determinare il coefficiente d'attrito all’interfaccia in processi sia a caldo che a freddo. Il ring-test si basa sull’osservazione della deformazione di anelli a simmetria assiale cui è imposta una riduzione in altezza. Si sezione l’anello (in particolare l’asse di simmetria si trova a sinistra) e vediamo cosa succede se si schiaccia in condizioni di buona lubrificazione, quindi basso coefficiente di attrito o alto coefficiente di attrito. Nel caso centrale, quindi con una buona lubrificazione l'anello pressato tende ad aumentare il suo diametro esterno a si ha anche un leggero un aumento di quello interno . Si nota anche un certo barreling con forma concava a sinistra e convessa a destra. Se in condizioni di cattiva lubrificazione, es =1, , si ha un movimento aumento del diametro µ τ = σ 𝑛 esterno (meno accentuato di prima), ma la superficie interna dell'anello tende a richiudersi verso l'interno, quindi si forma un barreling con superficie convessa. Ciò succede perché nella condizione con più basso coefficiente di attrito, le tensioni all'interfaccia tra pezzo e anello sono tutte rivolte verso l'interno, le tensioni fanno si da rallentare il flusso plastico centrifuga verso l'esterno. Nella caso di coefficiente più alto, sulla superficie di contatto si ha un'inversione delle tensioni tangenziali. Ci sarà un punto nella sezione (quindi un anello), infatti, dove le tensioni sono nulle, il materiale è a contatto con il stampo senza senza interazioni con tensioni tangenziali. Nella zona interna dell’anello le tensioni sono rivolte da sinistra verso il punto a tensione tangenziale nulla , e nella zona esterna da sinistra verso il punto. Come si può osservare la il processo di deformazione è fortemente influenzato dal coefficiente di attrito tra i piatti della pressa e le basi dell’anello (in particolare, il parametro geometrico che cambia in modo significativo è il diametro interno dell’anello). -Il ring test si effettua utilizzando la simulazione ad elementi finiti dello schiacciamento di anelli con diversi valori del coefficiente di attrito μ (input per il codice FEM). Per ciascuna simulazione, calcolo dell’indice I RTj per diversi steps di deformazione (mm di corsa). con: d 0 = diametro interno iniziale del provino d j = diametro interno del provino al passo j In seguito si determinano le “ curve di calibrazione ” per i diversi . µ Si procede con la prova sperimentale in laboratorio con μ incognito, interrompendo la corsa a diversi step e si rileva il valore del diametro interno d j in modo da calcolare i corrispondenti valori di I RTj e poter tracciare la curva I RTj sperimentale. Si confrontano la curva sperimentale e quelle numeriche e si considera che il valore del coefficiente di attrito μ che interpreta al meglio il comportamento del lubrificante usato nella prova sperimentale sarà quello per il quale la curva ottenuta numericamente approssima con maggior precisione i punti sperimentali. Per livelli di attrito basso, le curve si pongono nel semipiano negativo e si vanno ad accentuare. Infatti d 0 -d j sarà sempre negativo. Nel semipiano degli indici positivi, d j diventa più piccolo di d 0 e quindi l’indice risulta positivo. Le prove devono essere ripetute per avere un “significato statistico” poiché i “disturbi” possono avere conseguenze importanti. Con attrito basso la misura del diametro interno pone qualche difficoltà poiché risulta difficile l’inserimento del calibro. In tal caso si può sezionare il provino e procedere alla misura il che implica la necessità di utilizzare n provini per ogni step, dove “n” è il numero di ripetizioni per misura. In lavorazioni molto diverse dall’upsetting, specie nello sheet metal forming, il ring test risulta inadeguato per la stima del coefficiente di attrito, fornendo sovente valori più elevati della realtà. - Estrusione è un processo di lavorazione per deformazione plastica nel quale un semilavorato metallico (billetta o barra) è forzato a fluire attraverso un foro sagomato dalla pressione esercitata da un punzone, subendo una riduzione della sua sezione trasversale. Quindi esso si basa su una meccanica di compressione. Con A 0 la superficie del cilindro. In particolare si va a considerare una P average media poiché si ha anche una tensione variabile, infatti il materiale tra l'inizio del tratto conico e la fine incrudisce e la tensione di flusso cresce. con: Nota la deformazione si può calcolare la : σ 𝑎𝑣𝑒 Non si considera la componente elastica, infatti la deformazione sarà del 0.002, we quindi si può utilizzare la legge di flusso plastico. Nota la si può calcolare il carico. σ 𝑎𝑣𝑒 Può capitare che il carico necessario che ne viene fuori risulta maggiore di quello che in realtà la pressa può produrre, ed in questo caso si suddivide il processo in due passaggi. Si applicano le precedenti formule fino ad una deformazione intermedia alla totale e poi si ε 1 ε 2 applica: Anche la matrice subirà dei carichi che attraverso una formula euristica (sperimentale) possono essere calcolati come: La pressione radiale all’imbocco è quindi valutabile come la somma della pressione necessaria per realizzare il processo di estrusione e della tensione di flusso plastico del materiale (sigma di snervamento). A causa di questi carichi nella zona della discontinuità geometrica, la matrice subirà una sollecitazione a fatica non banale a causa dall'azione di pressione pulsante, e ciò da luogo alla generazione di cricche. La cricca parte in corrispondenza della variazione geometrica e si propaga radialmente. - Central bursting Esso avviene sia per bassi valori sia dell'angolo a che del rapporto di riduzione. Ciò perché in tali condizioni la parte centrale del materiale non viene interessata dalla deformazione plastica e, a causa della differente velocità tra la sezione d'ingresso e quella d'uscita, si può determinare uno stato di trazione che provoca lo strappo del materiale. In tal modo, infatti, nella zona centrale del provino a ridosso dell'asse si verifica uno stato tensionale caratterizzato da una tensione media positiva, ciò che favorisce la nucleazione, la crescita e la coalescenza dei microvuoti fino alla frattura. Si creano così vuoti a forma di frecce con una periodicità, che non possono essere visti ad occhio nudo, ma per individuarli il pezzo deve essere sezionato. Rappresenta un difetto perché provoca una diminuzione della sezione resistente. - Estrusione di un tubo Per ottenere un elemento cavo si deve riempire con un pieno il centro del tubo affinché non ci vada il materiale. Il mandrel fa passare materiale solo all'esterno,ma esso deve essere tenuto infatti potrebbe inclinarsi e flottare causando degli spessori variabili e prodotto di scarsa qualità. Qualcosa lo deve tenere fisso e infatti si inserisce un sistema di raggi (spider) connesse sia al mandrel(spina) e alle pareti laterali e ciò lo mantiene in una posizione assialsimmetrica. Il flusso del materiale viene tagliato dai raggi, ma il flusso di materiale nel tratto successivo grazie alle locali condizioni di T e P (tensione idrostatica negativa) raggiunge la condizione di solid bonding, per cui il materiale si risalda. Il Welding chamber è il tratto della matrice dove il materia ricompone si ricompone. Quasi sempre questi processi di estrusione sono complessi (a matrice porthole) e quindi prevedono un flusso plastico così complesso che non si potrebbe avere a temperatura ambiente. Rispetto alla colata centrifuga (dove non si può utilizzare acciaio) si hanno maggiori rifinizioni. I Porthole sono costituiti da stati diversi e successivi, dove il materiale viene deformato in maniera successiva. I parametri geometrici sono molto complicati, tra quelli tecnologici c’è la velocità di avanzamento, la temperatura, la matrice deve essere riscaldata per limitare lo scambio termico tra materia e stampo,infatti si perderebbero le condizioni di solid bonding se si abbassa la temperatura. Un processo tale consente di ottenere geometrie complesse . Flusso di materiale più complesso è più difficile da gestire all'interno della matrice. Se il processo è progettato correttamente, dell'estruso finale non si individuano più linee o striature che indicano le tracce dove è avvenuto il solid bonding. Se nel tubo esterno c'è una linea più bianca (ossidi dove si stanno saldando) è un difetto, quindi si deve agire sulla velocità del punzone e sulla temperatura. Se aumento la velocità aumenta la temperatura (il flusso termico) quindi migliorano le condizioni di solid bond. - Trafilatura Mentre nell'estrusione il materiale viene spinto ed è costretto a fluire attraverso l'orifizio della matrice, nella trafilatura il materiale è tirato. Riduzione di diametro è ottenuta non con una azione di compressione,e i pezzi da trafilare sono semilavorati ottenuti dalla laminazione, dall’estrusione o dalla trafilatura stessa. La trafilatura di barre viene definita come rod drawing, mentre la trafilatura dei fili metallici come wire drawing. Valori dell'angolo ingegneristicamente ottimi sono più piccoli α rispetto a quelli in uso nel processo di estrusione (6°, 8°). La trafilatura viene condotta quasi esclusivamente a freddo, il materiale infatti incrudisce, ottenendo, così, elevate caratteristiche meccaniche. Fili d'acciaio o di rame utilizzati per la costruzione delle funi vengono prodotti tramite la trafilatura. I materiali che generalmente vengono impiegati nei processi di trafilatura sono caratterizzati da un coefficiente di incrudimento molto elevato, ovvero materiali fortemente incrudenti, al fine di evitare che nel corso del processo possa verificarsi la rottura del filo o nessun fenomeno di strizione, di arresto del flusso plastico durante il processo stesso. Si può calcolare il carico di rezione per dato spostamento del cavo in uscita come: - Laminazione La laminazione è una lavorazione per deformazione plastica che permette di ridurre una od entrambe le dimensioni della sezione trasversale di un solido prismatico mediante l'azione di due rulli i quali ruotano alla stessa velocità angolare ma con verso opposto. Il più semplice esempio è la laminazione su tavola piana (flat rolling). Le generatrici dei rulli sono praticamente rettilinee, ed il processo è quindi esclusivamente finalizzato alla riduzione dello spessore del laminato. La lavorazione in più passaggi, le prime fasi vengono fatte a caldo dove si ha una maggiore aliquota di deformazione (il pezzo risulta senza una buona finitura), a freddo per fornire caratteristiche dimensionali certe in termini di uniformità di spessore per esempio, permette di avere una buona qualità del prodotto. Un’altro tipo di laminazione è quella entro scanalature chiuse (shape rolling). Le generatrici dei rulli sono opportunamente profilate ed il laminato pertanto subisce ad ogni passaggio una variazione più complessa della geometria della sua sezione trasversale. Il semilavorato quindi passa prima attraverso scanalature più semplici per poi passare a quelle più complesse risultando nella sua forma definitiva (es. seguendo 2341). - Classificazione processi di laminazione Si ha una classificazione a seconda dei semilavorati di partenza che si caratterizzano in funzione dei rapporti dimensionali che i singoli semilavorati hanno, per esempio gli slab sono piatti con spessore non molto accentuato, i billet hanno una sezione quadrata e si presentano molto allungati, mentre i bloom hanno una forma tozza e una sezione che tende ad una rettangolare . Gli slab possono essere lavorati prima a caldo poi a freddo per ottenere le lamiere metalliche. Oppure si può avere una riduzione di spessore per poi essere lavorati nei roll forming, cioè processi di piegatura continua (tubi poi saldati). Si può avere semplicemente una riduzione di spessore per ottenere piatti di lamiera. Con le billette si entra in campo delle laminazione di forma che serve per ottenere barre a sezione quadrata laminate a caldo e poi a freddo e di trafilatura per ottenere il cavo. I tondi laminati a caldo per trafilatura generano fili. Tondi più grandi consentono di fare tubi senza saldature. I bloom vengono usate per la formazioni di travi e rotaie. - Processo Si considera un concio elementare sottoposto all'azione dei rulli. Le dimensioni (in questa figura)sono piuttosto ridotte del reale, infatti w 0 è piuttosto lunga tale da consentire di ottenere delle deformazioni piane e quindi non lungo la w 0 , infatti le forze di attrito evitano il formarsi delle deformazioni nella direzione dell'asse del rullo (w 0 =w f ). Il concio attraversa i rulli e passa da uno spessore maggiore a uno minore. Si avrà una sezione di ingresso w 0 h 0 e una velocità di ingresso V 0 , una sezione di uscita w 0 h f e un'altezza finale h f in funzione della distanza dell’interasse dei rulli. Per l'equazione di continuità se si riduce la sezione del materiale, la velocità dovrà crescere, quindi V f risulta maggiore di V 0 . Il processo è stazionario, infatti il volume di controllo che è possibile identificare tra i due rulli si mantiene coerente e qualsiasi particella che attraversa un punto di esso assume sempre gli stessi valori delle variabili. Quindi per la descrizione di questo processo si utilizza un approccio euleriano. Nel punto della traccia del piano di simmetria dei rulli (dal centro dei rulli in verticale), inizia il distacco tra materiale e rullo, cioè il materiale si stacca prima della tg orizzontale al rullo. - Sequenza di laminazione Spesso la laminazione non avviene in un solo passaggio di laminazione, ma si avrà una sequenza, un treno di laminazione. Si parte da una condizione di semilavorato (proveniente dall'alto forno) preriscaldato in fornaci, il quale viene fatto attraversare un primo treno di laminazione caratterizzato da alcuni passaggi eseguiti a caldo , in cui si hanno deformazioni più elevate, e quindi riduzioni di spessore più ingenti. I rulli sono anche preriscaldati e l'abbattimento delle caratteristiche meccaniche ci consente di avere le deformazioni senza carichi di reazione alti. Il semilavorato raggiunge il Transfer table ed esso dopo la sgrossatura è caratterizzato una qualità ridotta, precisione dimensionale non eccessiva. Dopo dei passaggi di taglio (infatti aumenta la dimensione longitudinale) si passa in una sequenza di stazioni condotte a partire dalla T ambiente dove quindi avvengono processi di rifinitura (skinpass) nei quali l'incremento di deformazione sarà ridotto ma la precisione dimensionale sarà più elevata, come anche la qualità del pezzo che sta nell'uniformità di spessore. In generale per la produzione di lamiere si passa da uno spessore di 80 mm a 0.8 mm. Alla fine si hanno delle ronout table e cooling banks, dove il materiale viene raffreddato e avvolto in bobine . Lungo la catena ci sono dei sensori avanzati per l'analisi del degrado della T ( i Pirometri), radiografia industriale per vedere l'integrità del prodotto. Il lubrificate a caldo è acqua e nella finitura olio minerale, oppure solfuri di molibdeno che devono resistere a temperature basse e viscosità affinché si abbia una buona riuscita. I processi di laminazione rappresentano un settore dell’industria pesante, dove i lotti di produzione sono molto ampi. - Microstruttura l lingotto di partenza ha una struttura dendritica con grani allungati nella direzione di sottrazione di calore ma più fine nelle pelli esterne che sono quelle a contatto con il contenitore in un cui è stato colato. Quando viene riscaldato si avrà una grana grossa e sferoidale perdendo così la struttura dendritica. Quando a caldo l'azione dei rulli induce deformazione, i grani grossi subiscono il fenomeno di frantumazione e tendono ad allungarsi lunga la direzione di laminazione. Essendo ad alta temperatura ed essendo soggetti a lavoro di deformazione esterno si innesca la formazione di piccoli grani sferoidali al bordo di grano e poi crescono. Si ha così un fenomeno di ricristallizzazione dinamica perché il materiale è sottoposto al riscaldamento iniziale e dal lavoro di deformazione. La struttura si presenta quindi con i piccoli grani e quelli allungati nei bordi di grano. Progressivamente la ricristallizzazione sostituisce quella allungata quindi si ottiene una struttura sferoidale piccola fino al 100%. Quando si è a freddo la struttura ricristallizzata viene stirata, allungata e incrudita nella direzione di laminazione, determinando gli effetti di anisotropia il materiale e essendo la grana piccola ha una superficie di bordo di grano elevata che resiste meglio alle sollecitazioni meccaniche. Il processo di laminazione potrà, quindi, avvenire regolarmente se la forza che tende a separare i rulli e la potenza richiesta si mantengono inferiori ai rispettivi valori massimi disponibili sul laminatoio. Per calcolare il carico di reazione sui rulli per data deformazione si utilizza una teoria semplificata, cioè considerando che la sezione neutra si trovi in corrispondenza della mezzeria dell'arco di abbracciamento. Noto l'andamento reale della distribuzione di pressione e si può calcolare la pressione media. la sigma average si calcola come nel caso dell’estrusione. L’arco di abbracciamento può essere calcolato come: La pressione media: con QUindi la forza che tende a separare i rulli sarà: La forza che tende a separare i rulli risulta essere applicata ad una distanza pari ad L/2 rispetto al centro di rotazione del rullo e pertanto esercita un momento resistente: Affinché i rulli continuino a ruotare con una velocità angolare ω=cost il motore elettrico della macchina deve essere in grado di fornire un momento motore eguale ed opposto al momento resistente; pertanto la potenza necessaria per condurre la lavorazione è (N è il numero di giri al minuto dei rulli ): Se la potenza risulta essere troppo elevata rispetto a quella che la macchina può fornire, allora si considera di ottenere la laminazione in più passate riducendo così sia la pressione, sia la potenza resistente. - Limitazioni La pressione di contatto possono provocare danni, se esse infatti sono molto elevate, i rulli possono subire una deformazione elastica che tende ad imbarcarli e che quindi determina anche una imbarcata della lamiera con un arco concavo del rullo corrisponde uno convesso del semilavorato. Le soluzioni per l’inflessione dei rulli sono molteplici: 1)Il cambering, consiste nel rettificare i rulli in modo che il diametro nella zona centrale sia leggermente maggiore con un impercettibile imbarilimento al centro (mezzo mm ) e quindi con le normali inflessioni che si possono realizzare, si ha un aggiustamento. 2) Una seconda soluzione può essere quella di diminuire raggi rulli per diminuire pressioni. Si perde in rigidezza flessionale, pertanto si pensa a gabbia duo o quattro (due rulli piccoli di lavoro e altri a supporto). 3)Si possono utilizzare anche il laminatoio Planetario e Sendzimir. Il planetario è costituito da due rulli grandi di supporto e altri che ruotano nella periferia, in questo modo si abbatte il diametro dei rulli. Il Sendzimir possiede quattro schiere di rulli, i più distanti sono motrici collegati al motore elettrico e gli altri sono condotti intermedi e trasmettono la rotazione a quelli più piccoli che esercitano la lavorazione. Laminatoio di norma utilizzato per la laminazione a freddo di sottili lamierini in acciaio ad alta resistenza. Il rullo di lavoro (quello cioè a contatto con il laminato) presenta un diametro tipicamente pari a 6mm, ed è realizzato in carburo di tungsteno al fine di ottenere elevata rigidezza e resistenza all’usura. -Un altro problema è dato dall’appiattimento dei rulli con variazione del raggio di curvatura. Esso determina un aumento del raggio di curvatura del rullo e pertanto a parità di rapporto di laminazione determina un aumento della superficie di contatto rulli-laminato. La conseguenza immediata è l’aumento della forza che tende a separare i rulli e della potenza richiesta per l’esecuzione del processo. Anche in questo caso, al fine di ridurre l'appiattimento dei rulli, si ricorre alla riduzione del rapporto di laminazione, al miglioramento delle condizioni di lubrificazione o si impiegano, per la costruzione dei rulli, materiali con un più elevato modulo di Young. - Difetti della laminazione L’alligatoring avviene con la formazione di una frattura in corrispondenza del piano di simmetria orizzontale del laminato, che determina l’apertura e la progressiva separazione delle due parti (superiore ed inferiore) del laminato, ciascuna delle quali sostanzialmente continua a seguire il rullo ad essa contiguo nella sua rotazione. Se il processo non viene immediatamente arrestato non appena l’alligatoring inizia a manifestarsi, le due parti del laminato, aprendosi progressivamente, possono venire in contatto ed urtare con la struttura del laminatoio determinando notevoli danni. Cause dell’alligatoring: presenza iniziale di difetti interni (inclusioni, microcavità) nel laminato e nel verificarsi di uno stato tensionale residuo di trazione in corrispondenza del piano di simmetria orizzontale del laminato nel momento in cui quest’ultimo inizia ad uscire dall’arco di abbracciamento. - Il prodotto tipico della lavorazione è la trave a doppia T Si parte da uno sbozzato che attraversa un processo di laminazione e su di esso vengono pressate le scarpe di contenimento laterali che servono a ridurre e compensare le deformazioni laterali tipo barreling che si hanno in questi processi. - Ring rolling Questo processo è utile a realizzare le ruote del settore ferroviario. Deve esserci un ruolo sotto potenza (driven) che attua un momento torcente (marrone) e mette in rotazione il semilavorato, ci devono essere due coppie di rulli che lavorano le superfici . I rounding roll servono a definire la superficie laterale, mentre gli edging servono a definire le superficie di base. Infatti lo spessore diminuisce e quindi l’anello si ingobbisce e le edging roll spalmano le deformazione agendo sulle superfici di base. Senza essi la superficie risulterebbe ingobbita. - Fabbricazione di tubi In funzione del tipo di materiale e delle dimensioni del diametro interno ed esterno si eseguono diversi processi. -Per i materiale duttili (piombo) si utilizza l’estrusione: in corrispondenza dell’orifizio della matrice, viene posizionata una spina di opportuna geometria che costringe il materiale che estrude ad aprirsi in corrispondenza del suo asse e realizza quindi la formazione del forato. -Per la lavorazione dell’acciaio dipende dai diametri: Diametro del tubo da realizzare compreso tra i 100 ed i 500mm: Si esegue la piegatura della lamiera piana fino ad assegnarle la desiderata sezione circolare, pertanto rendendo adiacenti i lembi inizialmente estremi; questi ultimi vengono poi uniti mediante un procedimento di saldatura longitudinale. Questi processi si chiamano piegatura in continuo o roll forming. Diametro del tubo da realizzare superiore ai 500mm: Il tubo potrà essere costruito avvolgendo ad elica un foglio di lamiera e procedendo successivamente ad una saldatura elicoidale. In generale la tecnologia di saldatura a fusione, introduce una difettosità intrinseca causata dal fatto di far fondere e solidificare il materiale. Diametro del tubo da realizzare inferiore ai 100mm I tubi con le migliori caratteristiche di resistenza meccanica sono quelli senza saldature, ottenuti utilizzando il laminatoio Mannesmann. - Anisotropia delle lamiere -Il fatto che la lamiera subisca dei passaggi a freddo (gli ultimi del processo di laminazione) fa si ché con un'analisi metallografica si possa vedere che la struttura del materiale non risulta essere più omogenea e isotropa ma presenta i grani allungati nella direzione di laminazione, quindi avrà sicuramente un comportamento anisotropo. Indicata con una direzione a 0° quella direzione di laminazione, se si ricavano dalla lamiera alcuni provini orientati secondo direzioni diverse rispetto alla direzione di laminazione (ad esempio a 0°, a 45° ed a 90°) e si effettuano su di essi prove di trazione, i risultati ottenuti con riferimento al modulo di Young, alla tensione di scorrimento, alla tensione di rottura ed all'allungamento percentuale a rottura risulteranno anche significativamente diversi. Anche con ripetizioni delle prove, oltre al normale variabilità intrinseca del processo , si troveranno valori molto diversi tra i tre provini. In particolare a 0° si avrà una sigma di rottura più alta per via dell'incrudimento, am risulterà essere meno duttile rispetto a quello ottenuto in direzione 90°, il quale però presenta caratteristiche meccaniche di snervamento e rottura minori. Se indicando con rispettivamente le deformazioni lungo la direzione della lunghezza ε 𝑙 , ε 𝑤 𝑒 ε 𝑡 (direzione di laminazione), della larghezza e dello spessore del provino nel corso di una prova a trazione e quindi misurate quando lo stato di deformazione è uniforme e quindi lontani dal manifestarsi di strizione localizzata, si definisce l ’Indice di anisotropia come: R = / = ln (w 0 /w f ) / ln (t 0 /t f ) = ln (w 0 /w f ) / ln (w f l f / w 0 l 0 ) ε 𝑤 ε 𝑡 considerando che nel campo plastico si ha l’invariabilità del volume e quindi wlt=cost. Ed esso può essere calcolato per qualsiasi direzione di ottenimento della lamina (0°, 45°, 90°). -La somma delle tre deformazioni deve essere eguale a zero, dovendo essere in ogni caso soddisfatta la condizione di invariabilità del volume che governa i processi per deformazione plastica. -Se il materiale presenta caratteristiche isotrope non vi è alcuna ragione per cui le deformazioni nel senso della larghezza e dello spessore debbano essere tra di loro diverse: si avrà quindi = , con modulo di poisson pari appunto a 0.5, ed R=1. ε 𝑤 ε 𝑡 = 0 . 5 ε 𝑙 -Se invece le caratteristiche del materiale sono anisotrope le due deformazioni lungo la direzione della larghezza e dello spessore saranno diverse ed il valore di R sarà diverso dell’unità. Ripetendo le prove su provini orientati a 0°, 45°, 90° rispetto alla direzione di laminazione, possono verificarsi quattro differenti condizioni: 1)R 0 = R 45 = R 90 = 1 il materiale presenta caratteristiche completamente isotrope, indipendentemente dalla direzione lungo la quale è stato tagliato il provino. 2)R 0 = R 45 = R 90 ≠ 1 in queste condizioni il materiale presenta anisotropia normale (la deformazione nella direzione dello spessore è infatti minore o maggiore rispetto a quella nella direzione della larghezza del provino), ma non anisotropia planare: il valore di R, infatti, non dipende dall'angolazione del provino rispetto all'asse di laminazione. 3)R 0 ≠ R 45 ≠ R 90 il materiale esibisce anche anisotropia planare. 4)R 0 ≠ R 45 ≠ R 90 ≠ 1 si tratta del caso più generale, in cui il materiale presenta sia anisotropia normale che planare. Quindi il materiale presenta un anisotropia normale se si ha che R è diverso da uno, mentre presenta una anisotropia planare se i valori di R dipendono dall’angolazione del provino. -Si può definire l’ indice medio di anisotropia normale : R m = (R 0 + R 90 + 2R 45 ) / 4 e l' indice anisotropia planare : ΔR = (R 0 + R 90 - 2R 45 ) / 4 Un materiale completamente isotropo possiede: Rm=1 e ΔR=0 Un materiale che esibisca anisotropia normale, ma non anisotropia nel piano della lamiera (planare): R m = R 0 = R 45 = R 90 ≠ 1 e da ΔR=0 Se il valore dell’indice di anisotropia normale è minore di 1, allora il materiale tenderà ad avere una deformazione lungo la direzione dello spessore (quindi un assottigliamento) maggiore rispetto alla deformazione della larghezza, questo ovviamente non è favorevole alle lavorazioni di stampaggio dove si cerca di deformare la lamiera mantenendo costante lo spessore. In più non si vuole l'assottigliamento localizzato a causa del fatto che esso può portare alla rottura del pezzo. In generale un acciaio laminato a freddo presenta un valore dell'indice medio di anisotropia normale compreso tra 1 ed 1.35, mentre per le leghe di alluminio si hanno valori di solito inferiori all'unità. In diagramma si mette in correlazione la duttilità e l’anisotropia normale di un materiale. Per rappresentare la duttilità si utilizza il rapporto limite di imbutitura fra il diametro iniziale della lamiera e del diametro interno della coppetta ottenuta senza che si manifestino fratture. Da questa si nota che la duttilità di un materia cresce, al crescere del suo indice di anisotropia normale media. L'acciaio è un po più duttile mentre l'alluminio un pò di meno. Statisticamente si ottiene un allineamento dei punti lungo una retta con la correlazione molto forte fra R e il rapporto, ed in particolare il titanio che ha una duttilità alta presenta un indice R molto alto. -La presenza della condizione di anisotropia planare determina un diverso comportamento del materiale nelle diverse direzioni del piano della lamiera e quindi disomogeneità del flusso plastico nel corso del processo di stampaggio. Un effetto evidente è la formazione delle orecchie (earings) nei processi di imbutitura di coppette cilindriche. Il pezzo, cavo assialsimmetrico, ottenuto per imbutitura cioè dall’azione di pressaggio di un punzone su un disco di lamiera, presenta una flangia con bordo a lobi. L’anisotropia planare infatti fa sì che il materiale non possa scorrere in modo uniforme. Si ottiene quindi un andamento irregolare e direzioni preferenziale con tratti del materiale che avanzano maggiormente e tratti che si deformano di meno. L’estensione di queste orecchie aumenta all’aumentare dell’indice ΔR, mentre questo difetto scompare quando ΔR=0, quindi nei materiale isotropi. - Ritorno elastico (springback) Nel semplice caso di deformazione piana di una lamina (quindi con la componente di deformazione nella direzione perpendicolare al piano nulla) il punzone avanza all'interno della matrice, in corrispondenza del naso si hanno delle deformazioni progressive via via che avanza, e una volta fermatosi si ottiene una lamiera deformata a 90° (seguendo la geometria del punzone e della matrice). Se si parte da una lamiera piana, nel momento in cui il punzone avanza, essa si piega, e quando lo stampo è ancora chiuso quindi a contatto con la matrice e con il punzone, lo stato tensionale sul piano di simmetria è quello descritto dalla curva nera. Le fibre superiori si accorciano e raggiungono il campo plastico, il materiale si è incrudito, sull'estradosso il materiale si allunga, arriva anch’esso in campo plastico e le fibre si incrudiscono a trazione. Tra l'intradosso e l'estradosso si hanno quindi due processi, deformazione a compressione e a trazione, quindi nella zona centrale ci sarà una zona elastica, mentre la fibra posta sul piano equatoriale non ha subito ne allungamenti elastici né contrazioni elastiche, essa sarà neutra, e quindi in generale lo stato tensionale risulta essere fortemente eterogeneo. Lo stato tensionale non è autoequilibrato infatti dall'integrale risulta un momento flettente,e perciò lo stato tensionale residuo a stampo chiuso viene equilibrato dallo stampo stesso. Quando si apre lo stampo, sollevando il punzone, la lamiera è libera e si determina una distorsione della lamiera cioè lo springback, che lo porta ad ottenere una configurazione geometrica con uno stato tensionale residuo che risulterà questa volta autoequilibrato, infatti non ci sono più le azioni esterne. Così avrà una curva (blu del grafico spessore tensioni) i quali integrali (della parte a compressione e trazione) fanno zero. All'apertura essa presenta un angolo di piegatura maggiore di quando lo stampo era chiuso, aprendo così i suoi lembi, che in un processo di questo genere subiscono un movimento rigido,e non sono interessati da deformazioni. Quindi per ottenere un pezzo con le geometrie desiderate, si deve piegare la lamina di più, in modo tale che in apertura si abbiano le dimensione che si volevano ottenere. In una deformazione non piana ma tridimensionale il pezzo si torce. anche se la lamiera è incastrata, oltre ad esserci un meccanismo di stretching, cioè la deformazione avviene a spese dello spessore, c'è anche un po di scorrimento, infatti si crea un flusso plastico radiale diretto verso l’asse di simmetria e quindi la parte di lamiera su cui agisce il punzone riesce in maniera (però) minima a richiamare la lamiera circostante. Se 'interfaccia tra punzone e lamiera è opportunamente lubrificata, quindi con attrito quasi nullo, allora la frattura si crea in corrispondenza dell’apice della cupola, ma se le condizioni di lubrificazione non sono tali, allora la frattura si sposta lungo la superficie laterale della cupola. Per verificare l'entità delle deformazioni si applica con metodi fotografici o chimici, una griglia di cerchietti di dimensioni convenientemente piccole sulla superficie inferiore della lamiera, quella cioè dalla parte opposta rispetto all’azione del punzone, detti cerchietti che risulteranno uniformemente dilatati. -Per questa ragione il test è stato modificato sostituendo all’azione del punzone quella di un liquido sotto pressione e quindi ciò permette di eliminare la dipendenza dalle condizioni di attrito. Questo prova viene chiamata bulge test . -Il test Erichsen produce quindi un meccanismo di stretching in cui la lamiera è completamente incastrata sul tutto il bordo esterno, quindi il flusso plastico radiale del materiale è inibito (o comunque in piccola parte c’è) e la deformazione avviene a spese dello spessore della lamiera, che si assottiglia fino alla rottura, quindi esso considera soltanto una condizione di deformazione. Questo meccanismo è raro che si verifichi nei processi industriale di stampaggio delle lamiere, infatti la riduzione dello spessore deve essere sempre evitata. Si cerca quindi di utilizzare delle prove in grado di riprodurre un’elevata varietà di condizioni di deformazione analoghe a quelle dei processi reali. Si ottiene ciò utilizzando un’attrezzatura simile a quella della prova precedente ma facendo in modo che le condizioni di incastro non agiscono sull’intero contorno esterno della lamiera, ma su una porzione più o meno estesa. A tal fine i fogli di lamiera vengono scelti di forma rettangolare e le prove vengono fatte al variare del rapporto tra i lati. L’incastro è garantito dall’arpione presente sul premilamiera , il quale che segue l'evolversi assialsimmetrico dello stampo e si coniuga con uno scasso in corrispondenza nella matrice, serrando la lamiera nell'intercapedine e realizzando una perfetta inibizione a qualsiasi scorrimento centripeto sul piano della matrice. Se il foglio della lamiera è quadrato e la dimensione dei lati è maggiore rispetto al diametro del rompi grinze (incastro), le condizioni di incastro agiscono su tutto il contorno e la prova si svolge con le condizioni uguali alla prova Erichsen. Se invece il foglio è rettangolare e la dimensione di uno dei lati è inferiore a quello del rompi grinze, le condizioni di incastro non agiscono su tutto il contorno della lamiera, ma solo su una porzione. Si innescano così delle condizioni di deformazione diverse man mano che il rapporto tra le dimensioni dei lati aumenta. Man mano che l'azione del rompigrinze si esplica su una sempre più limitata parte del contorno della lamiera, le condizioni di stretching sono sempre più sbilanciate Attraverso la griglia di cerchietti si osserva, al variare del rapporto tra le dimensioni iniziali dei lati della lamiera, il verificarsi di stati deformativi completamente differenti. Si passa da una condizione biassiale (quando si ha l’incastro completo), fino a situazioni intermedie dove si generano cerchietti di forma ellittica, con deformazioni positive (dilatazioni) sia nella direzione dell’asse maggiore, sia dell’asse minore, e infine situazioni completamente opposte , in cui i cerchietti si restringono nella direzione dell’asse minore e assumono la forma di ellissi allungata. Via via che il rapporto tra le dimensioni iniziali tra i lati cresce si tende pertanto ad uno stato deformativo analogo a quello che si desta in una prova di trazione, in cui, per un materiale isotropo, la deformazione nella direzione della larghezza del provino (peraltro uguale a quella agente nella direzione dello spessore) è di segno opposto ed è pari alla metà di quella nella direzione della trazione. - Forming limit diagrams Per ciascuna delle condizioni investigate sono misurati i valori della deformazione maggiore (presente lungo la direzione dell'asse maggiore dell'ellissi e certamente sempre positiva) e della deformazione minore al momento del manifestarsi della frattura duttile. I punti così ottenuti sono riportati su un piano cartesiano che ha in ordinate le deformazioni maggiori ed in ascisse le deformazioni minori: nel loro complesso essi definiscono un luogo di punti rappresentativo delle condizioni di formabilità del materiale al variare dello stato di deformazione. Le deformazioni non sono quelle ingegneristiche, ma si mappano gli allungamenti percentuali. Per ciascun materiale si evidenzia una curva in corrispondenza della quali compare la frattura. Nella retta biassiale minor e major sono uguali, mentre nella deformazione piana (asse a 90°)se la deformazione minore è pari a zero. Si hanno anche le rette della pure shear e la retta R=1 che rappresenta la condizione come se fossero prova di trazione. Il ramo destro è meno inclinato rispetto al ramo destro. Il punto di intersezione si chiama RFT0 con l'asse zero di minor strain. Questa curva quindi rappresenta la curva limite, cioè i punti (coppie di deformazione) che si trovano al di sotto, sono coppie di deformazione per cui lo stato del materiale è in safe, cioè non si manifestano fratture duttili, il semipiano al di sopra invece sarà il luogo geometrico dei punti per cui si innescano fratture duttili sulla lamiera metallica. Se ripetiamo le prove più volte alle stesse condizioni non si ottengono sempre gli stessi valori, ma si ha una nuvola di punti che si addensa secondo quella curva e si determina quidni una banda (grigia). La curva a V è diversa a seconda del tipo di materiale da caratterizzare. Diagramma di formabilità limite è costruito sempre a temperatura ambiente. Esso viene costruito per deformazioni path monotoni crescenti ovvero lineari, questa è una limitazione, infatti nella realtà non succede sempre di avere un percorso di deformazioni di questo tipo. - Tranciatura Per tranciare, tagliare una lamiera metallica secondo un determinato profilo,viene utilizzata la troncatrice, cioè una lama che serve a tagliare strisce di lamiera, o altri strumenti per ottenere diversi prodotti. Questo processo rappresenta la base, infatti spesso viene effettuato per primo per tagliare il tranciato dalla bobina, e per poi essere utilizzato per esempio per lo stampaggio. Nella figura la tranciatura avviene attraverso uno stampo con una matrice e un punzone assialsimmetrici, per ottenere una rondella circolare o la lamiera forata. Allo stampo deve essere aggiunto un ulteriore elemento a destra e a sinistra del punzone, chiamato premilamiera che serve a tenere la parte piana della lamiera (fragia) a infatti essa non è interessata al processo e quindi viene tenuta sul piatto evitando che l'azione del punzone possa farla muovere con movimenti rigidi o scorrimenti. Punzone e matrice sono caratterizzati da uno spigolo vivo utile per tagliare. Quindi il gioco tra matrice e punzone deve essere più piccolo possibile , e ciò è molto importante per avere le superfici verticali. Il gioco viene definito in base al materiale e alla sua duttilità. Il processo è caratterizzato da parametri geometrici come il diametro del punzone, quello della matrice , lo spessore della lamiera. Tra i parametri tecnologici c’è il fatto che la procedura viene fatta a freddo. Quando il punzone viene fatto avanzare nella cavità gli spigoli agiscono nella lamiera generando prima un un effetto di deformazione elasto-plastica il quale risultato è l’ingobbimento del fondo della lamiera. La seconda fase è il taglio puro, gli spigoli in opposizione avanzano l'uno verso l'altro creando uno stato tensionale di taglio puro (quanto più puro tanto più piccolo è il gioco) e si forma uno scorrimento relativo degli strati di materiale l'uno rispetto all'altro (la parte lucida superiore). L’ultima fase, la sezione resistente anulare del pezzo tranciato si è talmente ridotta per le azioni di taglio e scorrimento e si innescano due cricche da uno spigolo all’altro che si uniscono e generano una frattura fragile. (parte scura inferiore): - Piegatura Importante per la piegatura è individuare il raggio massimo e minimo di piegatura. quello massimo è quel valore del raggio di curvatura al di sopra del quale non si raggiunge deformazione plastica della lamiera, cioè, in altre parole, cessata l'applicazione del carico la lamiera ritorna alla sua configurazione originaria. Quello minimo invece è quello al di sotto del quale non si può scendere, quel valore del raggio di piegatura al di sotto del quale si ha la frattura della lamiera nelle fibre più interne o estesterne che sono le più sollecitate. La deformazione impressa sulla generica fibra posta a distanza y dalla fibra neutra è pari ad y/R; la deformazione massima si verifica sul bordo esterno della lamiera e sarà pari ad s/ 2R. Più piccolo è s, minori saranno le deformazioni; Al crescere del rapporto R/s, si riduce la drasticità della deformazione impressa conseguentemente aumenta l'entità del ritorno elastico alla fine della fase di carico Se y=0 la deformazione è nulla, mentre le deformazioni maggiori si trovano per y=t/2. Imponendo le condizioni limite , cioè la deformazione pari all'allungamento a rottura ( in percentuale ) al posto di y si mette la condizione più sfavorevole s/2, si trova il raggio minimo: Per quello massimo si considera che la deformazione sarà pari a alla deformazione di snervamento (Hooke) e y deve essere sempre nella condizione più sfavorevole, cioè le fibre più lontane dalla fibra neutra quindi s/2. -A causa della piegatura si possono avere fratture all'estradosso della lamiera. La duttilità è funzione della direzione in cui è preso il provino (0°,45°,90°), infatti nella direzione di laminazione si ha una frattura più immediata. Nella tabella sono riportati i raggi minimi espressi in funzione dello spessore e del tipo di materiale. Macchina di questo tipo servono per piegare ,vengono chiamate presso-piegatrice, e servono per piegare profilati, per piccoli lotti di produzione, mentre per lotti ampi si usa l'estrusione. - Roll Forming Uno dei processi particolari di piegatura è il roll forming, cioè il processo di piegatura continua, dove la lamiera piana viene costretta ad attraversare stazioni di piegatura in serie, costituite da coppie di rulli dove risulta che l'intercapedine (distanza tra i rulli) è uguale allo spessore della lamiera (quindi non si ha laminazione) e stazione dopo stazione si ottengono geometrie anche molto complesse. Le bobine escono dal nastro avvolgitore a cui segue un raddrizzatore e poi la macchina di piegatura, dove i rulli realizzano il processo. Nella parte finale della serie si ha in caso una stazione di saldatura oppure un’unità di taglio. I rulli sono generalmente in acciaio al carbonio con eventualmente la presenza di cromo per aumentarne la resistenza all’usura e migliorare la finitura superficiale del prodotto. La velocità di avanzamento della lamiera è solitamente < 0,5 m/s, ma può raggiungere valori maggiori nel caso di talune applicazioni particolari. -Da questo processo oltre ad ottenere pannelli nervati (esempio quelli utilizzati per i guard rail): Si possono ottenere anche tondi richiusi, procedendo in sequenza a piegatura a diversi gradi della lastra. Quando si arriva allo step finale, si salda lungo la direzione longitudinale per ottenere i tondi chiusi. La posizione relativa tra un rullo e l'altro (di stazione successive) è importante per evitare difetti di forma ondulatori nella lamiera, quindi per evitare ciò si devono allontanare i rulli il più possibile. - Imbutitura Nell’imbutitura non si taglia la lamiera ma essa viene unicamente deformata, infatti il raggio di raccordo di punzone e matrice è arrotondato (non ci interessa il taglio). Si ha un premilamiera che esercita un'azione di contenimento sulla lamiera, la quale spesso è disco dal quale si ottiene un cavo assialsimmetrico attraverso l'avanzamento del punzone nell’intercapedine della matrice. La lamiera premuta è costretta a scorrere relativamente vero la cavità, riempiendola deformandosi. Si formano degli stati tensionali diversi a seconda del tratto considerato: -A seconda delle geometrie dell’imbutito che si vogliono ottenere si hanno delle formule euristiche per determinare il diametro del disco di lamiera iniziale. -L’imbutitura può anche avvenire per sequenze industriali ll pezzo può anche non ottenersi con un unico passaggio, o non si può, infatti non si deve andare oltre il rapporto di imbutitura Si deve quindi utilizzare una serie di passaggi di imbutitura. Via via si inserisce un punzone di diametro sempre più piccolo ad ogni passaggio. C'è sempre il premilamiera, dopo la prima imbutitura, ma visto che non c’è la parte di flangia da pressare, esso sarà anulare infilato dentro tra la parete laterale e il punzone in modo tale da controllare il flusso di materiale. - Imbutitura di vaschette a sezione quadrata Processo in cui il flusso non è uniforme lungo l’asse di simmetria,infatti non c'è, ma sono presenti 8 piani di simmetria. Questo è il processo più semplice si stampaggio tridimensionale, ed è caratterizzato da meccanismi di deformazione più difficili da controllare rispetto al semplice caso assialsimmetrico (visto prima). Il flusso plastico infatti risulta essere diverso nelle zone degli spigoli e lungo i lati rettilinei. Si deve considerare come parametri geometrici, oltre a quelli presenti per l’imbutitura cilindrica, si deve aggiungere il raggio di raccordo in pianta che influenza. -Nelle zone degli spigoli, il meccanismo non è molto diverso dal caso dell’imbutitura di lamiere assialsimmetriche, con un flusso radiale del materiale, tensioni circonferenziali di compressione agenti sulla flangia e conseguente pericolo della formazione di grinze. -Lungo i lati rettilinei, invece, il materiale subisce semplicemente un meccanismo di piegatura nei raggi di raccordo e un successivo stiramento man mano che il punzone avanza. Tali considerazioni mostrano che anche il ruolo del premilamiera ha una diversa peculiarità nell’imbutitura di vaschette rettangolari: lungo i lati rettilinei esso ha esclusivamente una funzione di guida per la lamiera che scorre verso la cavità della matrice, mentre torna ad avere un ruolo di controllo e di impedimento della formazione di grinze nelle zone degli spigoli. In realtà vi è continuità tra il materiale degli spigoli e quello dei lati rettilinei, e pertanto anche quest’ultimi sono interessati a tensione di compressione in direzione trasversale seppur di minore entità rispetto a quello negli spigoli. -Tutto ciò genera una complessità di progettazione per via del fatto che la disomogeneità del flusso plastico porterebbe ad associare diversi valori di pressione del premilamiera sulle diverse zone della lamiera, e ciò è impossibile da realizzare con i premilamiera tradizionali. Nel caso di imbutitura di scatole a sezione quadrata o rettangolare, queste difficoltà vengono superate utilizzando blank raccordati in corrispondenza degli spigoli in modo tale da ridurre la quantità di materiale. Infatti se si parte da un foglio rettangolare, in corrispondenza degli spigoli si avrebbe molto materiale da offrire all'azione del premilamiera, che causa una locale azione delle restrain forces elevata. Si utilizza quella raccordata così si limita la porzione di lamiera negli spigoli che si offre all'azione del premilamiera riducendo localmente le azioni di tiro che se no sarebbero eccessive. Il problema non si pone nei lati piani dove la meccanica di deformazione è più semplice e il materiale da infilare dentro la matrice è minore e subisce una forza di tiro più bassa, avendo un'area minore. -Si utilizzano anche degli opportuni risalti (rompi grinze) sulla matrice, che possono essere utilizzati in modo tale da rallentare il flusso plastico del materiale localmente per renderlo più uniforme ed equilibrato con le altre parti della lamiera. Esso quindi provoca un incrudimento e un incremento locale di azioni di tiro (verso l’esterno, infatti rallenta il flusso) dovute alla deformazione locale che la lamiera ha subito a causa della sua presenza. Esso viene messo a in brevi tratti dove l'incremento della forza sul premilamiera, per aumentare il tiro, creerebbe rottura, e quindi si utilizzano essi per non aumentare l'azione sul premilamiera generando sempre un’azione di tiro. - Processi di spinning Esso è un processo che viene utilizzato sempre per pochi lotti e che riduzione del costo di produzione. Si parte da un disco bloccato tra sagoma e contropunta messo in rotazione, mentre il roller tool consente di adagiare la lamiera sulla forma. In questo modo è possibile ottenere una serie di prodotti assialsimmetrici per via incrementale, infatti il disco viene piegato a step. Il processi vengono definiti di spinning perché il pezzo è messo in rotazione. -I processi di spinning si dividono in: 1)spinning puro se l'azione dell'utensile si basa su una meccanica di piegatura della lamiera che si raccorda attorno al raggio di raccordo della sagoma, dove quindi lo spessore si mantiene costante. In realtà si ha una leggera riduzione a livello del raggio di raccordo. 2)Shear spinning quando si ha una spalmatura, la lamiera viene spalmata sulla forma che si vuole ottenere, ottenendo una lamiera con uno spessore differente da quello iniziale. In funzione dell'angolo si ottiene la legge del seno: 3) Tube spinning , è il processo più comune negli impieghi industriali, per l'ottenimento di pezzi di questo genere. Si lavora la superficie interna ed esterna contemporaneamente con un mandrino in rotazione (cerchioni delle automobili) . -Relazione costi: Si nota che se per piccoli numeri di pezzi è conveniente utilizzare queste forme di lavorazione (spinning) nel caso di lotti molto grandi è conveniente sia per tempo sia per costo (infatti il costo degli stampi viene ripartito per più pezzi) l’imbutitura. - Processi di Single Point Incremental Forming Si utilizza una tavola portapezzo e si utilizza un utensile per tagliare (candelotto con superficie emisferica) assialsimmetrico che non impone la forma, ma impone delle spire di deformazione locale, e quindi un'aliquota piccola che si va a sommare alle altre. Libera da tutti i vincoli relativi allo stampo da utilizzare. Ma presenta anche dei limiti. Primo limite macroscopico è il tempo di processo, infatti se l'imbutitura si realizza in un secondo, si hanno qui decine di minuti in funzione della forma in pianta del pezzo. Si innescano dei difetti di forma dovuti alla meccanica di processo cioè gli spigoli tendono a piegarsi verso il basso e ciò è desiderato, si vuole infatti una flangia piatta. Può essere usato per ottenere prototipi con lotti ridotti e che siano fortemente customizzati e dedicati ad una geometria specifica. In questo caso i punti di frattura si allineano. -Processi per asportazione di truciolo Queste sono delle lavorazioni in cui la geometria finale è determinata dall'inviluppo delle posizioni assunte dall'utensile e dal pezzo durante il processo. Essi non sono processi di forma, infatti l’utensile che viene utilizzato non imprime la sua forma, ma la genera. Le lavorazioni per asportazione di truciolo comprendono tutti quei processi nei quali il componente desiderato è ottenuto per asportazione di materiale da un semilavorato di geometria più semplice. - Fresatura La fresatura viene utilizzata per la lavorazione dei pezzi prismatici, e si dividono in: -cilindrica (sinistra) -frontale (destra) Questi processi si realizzano sulla fresatrice (macchina) con utensili (frese, mentre il fresatore è l’operaio) , in cui il moto di taglio è rotatorio riferito all'utensile intorno al proprio asse, mentre il moto di alimentazione è dato al pezzo tramite la movimento della tavola portapezzo che trasporta il pezzo stesso, la quale trasla secondo una velocità di avanzamento che può essere concorde od opposta alla velocità periferica della fresa. La fresa è pertanto montata su di un apposito albero porta-frese che può avere asse orizzontale o verticale, e l’albero è montato sul mandrino della macchina utensile. I pezzi sono bloccati nella tavola portapezzo con sistemi di afferraggio, in modo tale da garantire la massima rigidezza del sistema macchina-utensile-pezzo. - Macchine Le macchine utilizzate sono dette a collo di cigno. Nella prima macchina l’asse dell'albero porta frese è orizzontale, mentre l'altra è nella configurazione ad asse verticale. Spesso le frese sono universali, quindi dove è possibile cambiare la configurazione della macchina e quindi dell’asse. L'elemento in basso è la tavola portapezzo e sotto c'è il motore elettrico e il cinematismo (cambio di velocità) che serve a movimentare la tavola portapezzo. La struttura a C (cigno) assicura la massima rigidezza. - Macchine a moto di taglio rettilineo In queste l'utensile o il pezzo si muovono relativamente in modo tale da realizzare un moto rettilineo. Nella limatrice il pezzo è montato sulla tavola portapezzo e il moto di taglio è rettilineo alternativo ed è posseduto dall’utensile,mentre nel caso della piallatrice è il pezzo, tipicamente di notevoli dimensioni, a muoversi contro l’utensile montato su un portapezzo. In entrambi i casi ad ogni corsa attiva, in cui viene asportato il sovrametallo, segue una corsa di ritorno improduttiva. Infatti per esempio nella limatrice si ha un glifo oscillante che consente di trasformare un moto rotatorio del motore in uno rettilineo dell’utensile e si ha anche una differenziazione tra il moto di lavoro e il moto di ritorno. Il glifo oscillante, quindi, consente di differenziare la velocità del moto di lavoro dalla velocità del moto di rientro che risulta più elevata e quindi si perde meno tempo. Nella piallatrice l'utensile ha il moto trasversale di alimentazione, mentre nella limatrice è del portapezzo. limatrice piallatrice -Tornitura A ciascun moto fondamentale è associato un parametro operativo. 1)Per il moto di taglio si associa la velocità di taglio ,V, definita come la velocità periferica del pezzo in rotazione, funzione del diametro del pezzo in lavorazione e della velocità di rotazione. con n è la velocità di rotazione (espressa in numero di giri al minuto) e D è il diametro del pezzo (già ridotto in diametro, espresso in mm). Se l'utensile avrà come velocità di avanzamento una velocità radiale e non longitudinale esempio se si vuole tagliare frontalmente, la velocità di taglio va variando, infatti via via che ci si sposta radicalmente verso la zona centrale la velocità periferica tende a zero. La qualità superficiale diminuisce via via che si va verso il centro. La diminuzione del diametro deve essere regolata dal numero di giri per mantenere costante la velocità di taglio. 2)Il moto di avanzamento (A) è definito mediante il parametro avanzamento per giro , a; è derivato dal moto di taglio mediante appositi cinematismi. L’avanzamento dell’utensile è riferito alla rotazione del pezzo ed il parametro a indica di quanti millimetri avanza l’utensile per ogni rotazione del pezzo. Se la velocità di avanzamento è più grande si finisce prima, ma la qualità risulta essere più scadente. 3)Il parametro da assegnare, per il moto di registrazione (R.), è l’entità di sovrametallo che sarà asportata nel corso della lavorazione, detta anche profondità di passata , p. In semplice operazione di cilindratura al tornio, (riduzione diametro) la profondità di passata determina appunto l’entità della riduzione del raggio. - Caratteristiche laterali Spesso il processo di tornitura viene effettuato in più passate che si caratterizzano dal fatto che le prime avranno una riduzione di spessore maggiore (sgrossatura) rispetto alle ultime fasi in cui si predilige la finitura. Il taglio determina uno scarto che è un cascame metallico, o truciolo , che deve essere ricondotto in discarica e riciclato con accorgimenti opportuni. Il truciolo potrà essere a nastro continuo oppure segmentato. Quello a nastro continuo non ci piace perché si può attorcigliare attorno alla superficie lavorata, rovinandola, o anche intasare lo spazio tra utensile e pezzo. La tornitura non viene soltanto utilizzata per generare delle lavorazioni esterne, ma anche per superfici interne. Per formare dei forati lungo il suo asse , il pezzo viene messo in rotazione ed in contatto con una contropunta con una punta elicoidale. Con la tornitura è anche possibile effettuare una troncatura con un movimento radiale dell’utensile. Si definiscono anche 2 parametri importanti: 1)l ’angolo di spoglia superiore , (che definisce l’inclinazione del petto rispetto all’asse verticale e γ quindi l’asse di rotazione del tubo) 2)l ’angolo di spoglia inferiore α (che fornisce l’inclinazione del fianco rispetto all’orizzontale) L’angolo α deve necessariamente essere maggiore di 0° (in caso contrario l’utensile striscerebbe sulla superficie già lavorata); L’angolo può essere maggiore o minore di 0°. γ Il truciolo a causa delle deformazioni subite risulta essere caldo e a pressione elevata, quindi ci sarà una zona di contatto con pressione diversa da zero, tra il truciolato e l’utensile che genera delle azioni abrasive che determinano l'usura dell’utensile stesso. Ovviamente il lubrificante migliora le condizioni all'interfaccia ma non elimina del tutto il problema. La condizione utile affinché si abbia il taglio e che il materiale dell’utensile deve essere più duro da quello di tagliare e quindi deve mantenere queste caratteristiche anche a temperature elevate che si trovano nell'interfaccia utensile pezzo. -Se si volesse determinare l'inclinazione minima di per cui non si avrebbe alcun tipo di interazione α tra superficie del fianco e pezzo, si deve tenere conto della velocità di avanzamento dell'utensile di un segmento a , quindi nel moto relativo la punta dell'utensile in una rotazione completa seguirà un andamento di un triangolo rettangolo e si può così determinare l'angolo minimo che viene sempre intorno a 1 grado. In realtà il con queste condizioni si ha comunque strisciamento a causa del il ritorno elastico. Nella zona prossima alla punta dell'utensile, il materiale subisce fenomeni complessi, cricca, tensioni, ma soprattutto riceve una deformazione elastica non indifferente e il materiale è portato, tutto attorno alla punta, a ritornare elasticamente facendo si da andare in contatto con il fianco dell’utensile. Quindi un grado è insufficiente , quindi di solito si considerano 6 gradi, mentre -6 gradi per per γ materiali fragili. In particolare un angolo minore di zero, fa si che la risultante della forza di taglio, dovute alle forze γ di attrito tra petto e truciolo, che si scarica sull'utensile lungo lo stelo , è una forza di compressione, mentre se è positivo la forza sarà di trazione, quindi si devono fare dei ragionamenti sui materiali. γ Infatti per esempio alcuni materiali fragili meglio a compressione e quindi gamma minore di zero -Sul petto dell'utensile viene montato attraverso un sistema di fissaggio a vite un rompitruciolo (chip breaker)che determina il fatto che il truciolo incontrando questa discontinuità geometrica, è costretto a piegarsi. E se ciò avviene ad alta velocità, il truciolo si spezza e quindi in questo modo di evita il truciolo a nastro causa di problemi. -In queste immagini le striature sono dovute alla zona di taglio, per Pispane il truciolo segue la teoria di un mazzo di carte, e si crea questa deformazione del materiale che sale lungo la superficie dell’utensile in maniera continua o segmentata. Il truciolo ha caratteristiche diverse a seconda del materiale, delle condizioni taglio T, profondità di passata, velocità di taglio. Si genera anche il Built-up edge, cioè un ammasso di materiale in corrispondenza della punta dell’utensile che non fluisce verso l’alto. Esso è una zona morta che cambia localmente la geometria e le condizioni del taglio, modifica l’angolo di inclinazione del petto dell’utensile rendendo più difficoltoso lo scorrere del truciolo sull’utensile. Si forma per condizioni specifiche di velocità di taglio e viene evacuato con il superamento di velocità di taglio critico che dipende dal materiale. - Utensili di tornitura In questo caso l’utensile non è costituito da un solo spigolo tagliente (semplificazione) , ne sono invece presenti due, un tagliente principale e un tagliente secondario, che comunque non lavora quasi nulla. La testa dell’utensile è caratterizzata tra tre piani fondamentali, il petto, sul quale scorre il truciolo, il fianco principale, orientato nella direzione della superficie da lavorare, e il fianco secondario, orientato nella direzione della superficie già lavorata. -Secondo la norma UNI 3405, si definisce un sistema di riferimento costituito da un piano di riferimento che ha giacitura parallela al piano di appoggio, passante per la punta dell’utensile, e un asse di riferimento coincidente con stelo dell’utensile. L’utensile nello spazio è definito impiegando tre angoli: L’angolo di spoglia superiore, , e l’angolo di spoglia inferiore, α, ottenuti proiettando il tagliente γ principale secondo una giacitura parallela al piano di riferimento ed operando una sezione perpendicolare alla proiezione del tagliente principale sul piano di riferimento; L’angolo di inclinazione del tagliente principale rispetto all’asse dell’utensile, ψ. Minore importanza invece hanno l’angolo λ di inclinazione del tagliente principale rispetto alla giacitura di riferimento e gli angoli relativi al tagliente secondario e ci dà l’inclinazione del truciolo evacuato, l’angolo di spoglia inferiore del tagliente secondario, α’, e l’angolo di inclinazione del tagliente secondario rispetto all’asse dell’utensile ψ’. L’utensile arancione è utile didatticamente,non si utilizza più, infatti si è passati ad un tool holder con un'attrezzatura di clamping che blocca, in un opportuno basamento, una placchetta nello spazio.