Esercizi Fonderia - TMQ, Esercizi di Tecnologie Meccaniche

Scarica Esercizi Fonderia - TMQ e più Esercizi in PDF di Tecnologie Meccaniche solo su Docsity! 1 FONDERIA DIPARTIMENTO DI MECCANICA SEZIONE TECNOLOGIE MECCANICHE E PRODUZIONE ESERCIZIARIO DI TECNOLOGIA MECCANICA E QUALITA’ 2 Esercizio 1 Il pezzo meccanico riportato in Figura 1 viene realizzato mediante un processo di fonderia e successive lavorazioni alle macchine utensili. Figura 1 d1=100 mm d2=50 mm d3=20 mm L1=120 mm L2=70 mm In figura 2 viene inoltre riportato il disegno del complessivo semplificato della forma (non sono riportati materozze e sistema di colata). Figura 2 5 Sovrametallo: 10 mm Ritiro: 1,8% Angoli di spoglia: 1° Raggi di raccordo: pari al sovrametallo Soluzione 1) Il piano di divisione staffe preferibile sarà coincidente con il piano di simmetria perpendicolare all’asse dei fori. Tale piano evita problemi di sottosquadro e consente di utilizzare un modello scomponibile in parti simmetriche. Visto, poi, il grande diametro dei fori, sarà opportuno realizzarli mediante anime. 2) Il modello e le anime avranno le seguenti dimensioni in millimetri:                     1 (6000 10 10) 1 0,018 6128,36 mm 6129mm 1 (5500 10 10) 1 0,018 5578,64 mm 5578mm 1 (2000 10 10) 1 0,018 2015,64 mm 2015mm 1 m m m a m a a s s r b b s s r c c c s s r d d r                                                                                       2125 1 0,018 2163,25 mm 2163 mm 1 (1000 10 10) 1 0,018 997,64 mm 997 mm 1 (1000 10 10) 1 0,018 1038,36 mm 1039mm 1 (500 10 10) 1 0 m a m m a e e e s s r f f s s r g g g s s r                                                                     ,018 529,36 mm 530mm       La rappresentazione di modello ed anime sarà: c 2000 mm d 2125 mm e 1000 mm f 1000 mm g 500 mm 6 Esercizio 3 Si vuole ottenere l’oggetto riportato in figura tramite fusione di acciaio in forma transitoria in terra. 1. Scegliere il piano di separazione delle staffe e dimensionare modello ed anime, sapendo che per le lavorazioni successive, è necessario un sovrametallo di 5 mm su tutte le superfici. 2. Quale valore tra 150 mm e 210 mm scegliereste per ciascuna portata d’anima? Motivare la risposta. DATI: 300mm; 200mm; 100mmA B C   1 2 3280mm; 200mm; 110mm     5578 2163 2015 6129 1 0 3 9 5 3 0 5 3 0 997 2015 5 3 0 1° 1° R10 R10 R10 A B C 1 2 3 7 Ritiro: 1,6% Angoli di sformo: 1° Raggi di raccordo: pari al sovrametallo Dimensioni staffa superiore: altezza H=40 cm; larghezza L=100 cm; profondità P=80 cm. 10 Soluzione: 1) I sovrametalli portano le dimensioni dell’anima a:             1 (30 2 2) 1 0,01 26,26 mm 26 mm 1 (150 2) 1 0,01 149,48 mm 149 mm a a D D s s r F F s r                                         Mentre le dimensioni del modello saranno:         1 300 1 0,01 303 mm 303mm 1 100 1 0,01 101 mm 101mm m m A A r B B r                                   11 Affinché l’operazione di formatura avvenga in modo corretto, è necessario che l’anima rimanga nella propria sede finché la forma non viene chiusa con la staffa superiore. L’anima può essere divisa in due parti: l’anima vera e propria e la portata d’anima. Affinché l’anima rimanga in equilibrio statico prima della chiusura delle staffe, si deve garantire che il baricentro si trovi all’interno della portata d’anima. Pertanto la condizione limite si verifica quando Bt è uguale a zero. 74,5mm 2 aFBan   2 S Bpor  2 2 3 2 2 3 26 149 79108,44 mm 2 2 70 3848,45 S mm 2 2 a anima m portata D V F P V S S                                    L’equilibrio si raggiunge con: 2 2 0 0 3848,45 79108,44 74,5 2 S 3062,83mm S 55,34 mm 56mm portata anima portata anima portata anima Bt V Bpor V Ban Bt V V V Bpor V Ban S S                            12 Esercizio 5 Si vuole produrre per fusione in forma transitoria il particolare in acciaio (densità 7,86 kg/dm3 ) riportato in figura. Scegliendo come piano di separazione delle staffe, il piano X-X: 1. Dimensionare modello ed anime, considerando un ritiro in fase solida dell’1% e un sovrametallo di 3 mm sulle sole superfici piane esterne (si trascurino angoli di sformo e raggi di raccordo). 2. Supponendo di utilizzare un’anima orizzontale mono-diametro e un'anima verticale con portate d'anima cilindriche, scegliere la lunghezza delle portate d’anima tra 40 mm o 130 mm per quella orizzontale e tra 80 mm e 130 mm per quelle verticali. DATI: A = 120 mm B = 40 mm C = 240 mm F = 120 mm G = 240 mm Altezza staffa = 240 mm Lunghezza staffa = 550 mm B C A  B G A X X F 15 E quindi la velocità di riempimento 2 0,6 2 9,8 0,0375 0,5146 m/s <1m/smv c g H         2) 𝑃 𝛾 ∙ 𝑇𝑀𝐹 = 𝑉𝑡𝑜𝑡 𝑇𝑀𝐹 = 𝐴𝐴 ∙ 𝑣 0,0025 15 = 𝐴𝐴 ∙ 0,5146 ⟹ 𝐴𝐴 = ⌈323,8⌉ 𝑚𝑚 2 = 324 𝑚𝑚2 SISTEMA PRESSURIZZATO Detta AATT l’area del singolo attacco di colata, avremo che 𝐴𝑠𝑡𝑟𝑜𝑧𝑧𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 ≡ 𝐴𝐴 ≡ 3 ∙ 𝐴𝐴𝑇𝑇 = 324 𝑚𝑚 2 ⇒ 𝐴𝐴𝑇𝑇 = 108 𝑚𝑚 2 𝐴𝐶 𝐴𝐴 = 2 ⟹ 𝐴𝐶 = 2 ∙ 𝐴𝐴 = 648 𝑚𝑚 2 𝐴𝐷 = 𝐴𝐶 = 648 𝑚𝑚 2 16 17 Esercizio 7 Un componente, di volume pari a 3000 cm3 (2000 nella semistaffa inferiore, 1000 nella semistaffa superiore) verrà realizzato mediante fonderia in terra con colata per gravità. 1) Giustificare esaurientemente la necessità di imporre un tempo di riempimento. 2) Dimensionare il sistema di colata limite trascurando la presenza delle materozze. 3) In fase preliminare si era ipotizzato di adottare un canale di colata di sezione 8 cm2. Definire se tale dimensionamento è da considerarsi corretto in relazione al tempo di riempimento massimo. DATI: tempo massimo di riempimento: 25 s AC:AD:AA=4:2:1 Coefficiente per le perdite di carico: 0,5 1 0 0 1 0 0 1 5 0 20 Esercizio 8 Il componente rappresentato in Fig. 1 deve essere realizzato in acciaio per fonderia a verde. 1. Si intende usare come piano di separazione il piano la cui traccia è indicata con A-A in Fig. 1. Individuare due piani di separazione alternativi, discutendo pregi e difetti di ciascuna delle tre alternative (piano A-A e due piani alternativi individuati). 2. In ipotesi di utilizzare come piano di separazione il piano la cui traccia è indicata con A-A in Fig. 1, dimensionare il sistema di colata da adottare (trascurando la presenza delle materozze). Fig. 1 Fig. 2: Immagine 3D del disegno DATI:  tempo di riempimento: 10 secondi;  altezza staffa superiore = 2L; altezza staffa inferiore= 5L  coefficiente di perdite di carico c=0,5  AC:AD:AA=4:2:1  L = 2 cm L A A 0.75L 3L L L 2 L L 2 L L  L 0.75L 0.75L L 21 Soluzione: 1) La soluzione 1 (piano di separazione A-A) richiede di eliminare un foro nel processo di fonderia (il foro il cui asse è orizzontale) o di prevedere un secondo piano di separazione in corrispondenza dell’asse del foro. La soluzione alternativa 2 (piano di separazione B-B) prevede di eliminare i due fori (con asse coincidente) o di prevedere un secondo piano di separazione (di traccia B’-B’). Analogo discorso per la terza soluzione (piano di separazione C-C) che però permetterebbe di avere il getto in un’unica staffa facilitando la formatura. Soluzione 1 Soluzione 2 Soluzione 3 A A Foro da eliminare B B B’ B’ 2 fori da eliminare C C 2 fori da eliminare 22 2) Calcoliamo il volume dell’oggetto distinguendo la quota parte di getto sotto il piano di separazione e la quota parte sopra il piano di separazione considerando che il foro (che nel disegno originale era posizionato nella zona indicata con “2” nel disegno che segue) è stato eliminato, in relazione alla scelta del piano di separazione. 2 2 3 1 2 3 2 3 3 3 3 0,75 2 0,5 0,75 0,75 40,71 cm 4 2 0,75 0,5 0,75 21,42 cm 0,5 2 0,75 0,75 6,00 cm L V L L L L L L V L L L L L V L L L L                         3 staffa sup 1 3 3 staffa sup 2staffa inf 2 ( / 2) 0,5 43,71 cm 65,14 cm V V V V V V         staffa sup staffa inftotV V V  25 A: 50 mm B: 35 mm C: 24 mm D: 15 mm E: 20 mm F: 10 mm G: 20 mm I: 70 mm Coefficienti per la formula di Caine: a = 0,1 ; b = 0,03 ; c = 1. Rapporto modulo materozza / modulo pezzo: Mm/Mp = 1,3. Rapporto altezza / diametro per materozze cilindriche: δ = 1. Rapporto volume materozza/volume getto: y = 0,41 . Soluzione: Iniziamo calcolando il modulo termico del fusto (assimilabile ad una barra indefinita) 𝑉𝑓 = 𝐹 ∙ 𝐺(𝐼 − 𝐴 2⁄ − 𝐶 2⁄ ) = 10 ∙ 20(70 − 25 − 12) = 6600 𝑚𝑚 3 𝐴𝑓 = (𝐼 − 𝐴 2⁄ − 𝐶 2⁄ ) ∙ 2 ∙ (𝐹 + 𝐺) = 1980 𝑚𝑚 2 𝑀𝑓 = 𝑉𝑓 𝐴𝑓 = 6600 1980 = 3,333 𝑚𝑚 Altri moduli termici (in presenza dei fori): Testa 26 𝐴𝑡 = 𝜋𝐸(𝐴 + 𝐵) + 𝜋 2 (𝐴2 − 𝐵2) − 𝐹𝐺 = 𝜋 ∙ 20(50 + 35) + 𝜋 2 (502 − 352) − 10 ∙ 20 = 7143 𝑚𝑚2 𝑉𝑡 = 𝜋 4 𝐸(𝐴2 − 𝐵2) = 𝜋 4 20(502 − 352) = 20028 𝑚𝑚3 𝑀𝑡 = 𝑉𝑡 𝐴𝑡 = 2,8 𝑚𝑚 Piede 𝐴𝑝 = 𝜋𝐸(𝐶 + 𝐷) + 𝜋 2 (𝐶2 − 𝐷2) − 𝐹𝐺 = 𝜋 ∙ 20(24 + 15) + 𝜋 2 (242 − 152) − 10 ∙ 20 = 2802 𝑚𝑚2 𝑉𝑝 = 𝜋 4 𝐸(𝐶2 − 𝐷2) = 𝜋 4 20(242 − 152) = 5513 𝑚𝑚3 𝑀𝑝 = 𝑉𝑝 𝐴𝑝 = 2,0 𝑚𝑚 Dai moduli appena calcolati si può ricavare che, in presenza dei fori,    1,7 1, 2 3 1,f t f pM M M M Quindi non è possibile realizzare il foro del piede di biella poiché è eccessivo il salto termico con la parte adiacente (fusto). Proviamo a verificare la solidificazione direzionale eliminando il foro del piede di biella: Piede 27 𝐴𝑝 = 𝜋𝐸𝐶 + 𝜋 2 𝐶2 − 𝐹𝐺 = 𝜋 ∙ 20 ∙ 24 + 𝜋 2 242 − 10 ∙ 20 = 2213 𝑚𝑚2 𝑉𝑝 = 𝜋 4 𝐸𝐶2 = 𝜋 4 20 ∙ 242 = 9048 𝑚𝑚3 𝑀𝑝 = 𝑉𝑝 𝐴𝑝 = 4,1 𝑚𝑚 Quindi, eliminando il foro del piede si ha:  1,16 p fM M che rispetta i vincoli indicati nel testo. Sarà pertanto necessario realizza il foro della testa della biella, ma non quello del piede. La solidificazione inizierà nella testa della biella, per quindi propagarsi al fusto ed infine al piede. Di conseguenza, per alimentare il getto, sarà sufficiente un’unica materozza posta sul piede. Dimensioniamola:      0,41 0,36 a y b x c La materozza ha quindi un volume adeguato. Dimensioniamone il diametro e l’altezza:                       3 3 3 20028 9048 6600 0,41 14628 mm 4 4 14628 26,5 mm 1 26,5 mm m m m m t p f m V VV V y V d h d Volendo realizzare il foro del piede comunque mediante fonderia, esprimiamone il modulo in funzione del diametro D’ del foro stesso:               2 2 2 2 4 ' ' ' 2 p C DE E C D C D M FG 30 Soluzione: 1) Il piano di separazione XX consente la realizzazione del pezzo senza necessità di utilizzare anime e con un modello non scomponibile. D’altro canto, il piano YY consente di utilizzare una staffa di minore sviluppo verticale, e garantisce una più agevole estrazione del modello dalla forma (richiede meno angoli di spoglia). 2) Si deve garantire che il baricentro dell’anima cada sulla forma, e non nella cavità. Di conseguenza, detta P la lunghezza della portata d’anima, dovrà essere:                                                             3 3 2 2 3 2 2 2 2 75 75 110 430 / 2 2 2 75 4 2 3 2 4 2 3 2 75 4 4 2 2 150 101 97,75 m 742 mm 430742 m 75 4 4 a s pa s a pa a P V B V C O P C O V B B V B D V P P B 31 Esercizio 11 Considerato il sistema di colata in sorgente in figura, dimostrare che l’altezza media Hm da utilizzare nel calcolo della velocità del metallo fuso nella sezione di strozzatura risulta: 2 2 f i m h h H         . [Suggerimento: considerare il principio di conservazione della portata di un fluido (SS*v = cost.), con velocità pari alla media fra quelle corrispondenti all’istante iniziale e finale di riempimento della forma.] Soluzione Considerato un sistema di colata in sorgente, la velocità del metallo fuso nella sezione di strozzatura può essere espressa come: 2 2 2 2 iniziale finale media m iniziale i finale f v v v c g H v c g h v c g h         da cui:   2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 i f m i f m i f m i f m c g h c g h c g H c g h h c g H h h H h h H                  32 Esercizio 12 Si deve produrre, mediante fonderia in terra, un lotto composto da 100 pezzi del componente in acciaio riportato in figura. 1) Definire il piano di separazione delle staffe, tra quelli indicati in figura, motivandone la scelta. 2) Identificare la/le direzione/i di solidificazione, indicando conseguentemente dove posizionare la/le materozza/e. 3) Nell’ipotesi di voler rispettare il vincolo di un incremento tra il 10% e il 30% del rapporto fra i moduli termici di elementi geometrici adiacenti nel getto, determinare l’altezza che dovrebbero avere gli elementi cilindrici forati. 35 Un pezzo cilindrico avente diametro dp=50 cm e altezza hp=20 cm viene ottenuto in fonderia. Si chiede di valutare il modulo termico del pezzo e di verificare se una materozza cilindrica avente diametro dm=38 cm e altezza hm=38 cm garantisce l’ottenimento di un getto sano, sapendo che i coefficienti a,b,c della formula di Caine valgono rispettivamente:a=0,1 b=0,03, c=1. Soluzione Volume del pezzo: 2 2 350 20 39269,91 cm 4 4 p p p d V h       Superficie di scambio termico del pezzo: 𝐴𝑃 = 𝜋 ∙ 𝑑𝑃 ∙ ℎ𝑃 + 2 𝜋∙𝑑𝑃 2 4 = 𝜋 ∙ 50 ∙ 20 + 2 𝜋∙502 4 =7068,58 cm2 Modulo termico del pezzo: 𝑀𝑃 = 𝑉𝑃 𝐴𝑃 = 39269,91 7068,58 = 5,56 𝑐𝑚 Volume della materozza: Superficie di scambio termico della materozza: 𝐴𝑀 = 𝜋 ∙ 𝑑𝑀 ∙ ℎ𝑀 + 𝜋 ∙ 𝑑𝑀 2 4 = 𝜋 ∙ 38 ∙ 38 + 2 𝜋 ∙ 382 4 = 5670,58 𝑐𝑚2 2 2 338 38 43096,37cm 4 4 M M M d V h         36 Modulo termico della materozza: 𝑀𝑀 = 𝑉𝑀 𝐴𝑀 = 43096,37 5670,58 = 7,6 𝑐𝑚 Il rapporto tra i volumi della materozza e del pezzo vale: Il rapporto tra i moduli termici della materozza e del pezzo vale: Il valore y della curva di Caine per un valore di x pari a 1,37 è: Essendo y>yC il punto (x,y) si trova al di sopra della curva di Caine, pertanto la materozza consente una corretta alimentazione del pezzo. Considerata la notevole differenza tra y e yc la materozza appare un po’ sovradimensionata. Il complesso delle staffe formate si presenta quindi come in figura: 10,1 91,39269 37,43096  P M V V y 37,1 56,5 6,7  P M M M x 3,003,0 137,1 1,0      b cx a yC 37 Materozza Pezzo 40 2) Nel dimensionamento di ogni materozza, il modulo termico del getto coincide con il modulo termico del cubo: 1 3 5,4mmgM M M   Il modulo termico geometrico delle materozze in magazzino è: 𝑀𝑚1 = 𝑉𝑚1 𝐴𝑚1 = 𝜋 𝑑1 2 4 ⁄ ∙ ℎ1 𝜋𝑑1 ∙ ℎ1 + 𝜋 𝑑1 2 4 ⁄ = 𝜋 40 2 4⁄ ∙ 20 𝜋40 ∙ 20 + 𝜋 20 2 4⁄ = 25132,74 3769,91 = 6,67 𝑚𝑚 𝑀𝑚2 = 𝑉𝑚2 𝐴𝑚2 = 𝜋𝑎𝑏 ∙ ℎ2 𝜋ℎ2 ∙ √2(𝑎 2 + 𝑏2) + 𝜋𝑎𝑏 = 𝜋 ∙ 18 ∙ 15 ∙ 37 𝜋 ∙ 37 ∙ √2(182 + 152) + 𝜋 ∙ 18 ∙ 15 = 31384,51 4699,92 = 6,67 𝑚𝑚 e quindi 1,23 m g M x M   per entrambe. Il volume del getto di competenza di ogni materozza è dato da: 3 1 2 1 1 27000 25132,74 39566,37 mm 2 2 gV V V      41 Per verificare se le materozze sono adeguate, partiamo dall’equazione di Caine: 0,1 0,03 0, 46 1, 23 1 C C C C a y b x c        e calcoliamo 1 1 2 2 25132,74 0,62 39566,37 31384,51 0,76 39566,37 m g m g V y V V y V       Poiché entrambe soddisfazione la condizione di Caine  1,2i Cy y i  i pezzi verranno sani con entrambe; scegliamo la materozza a base circolare perché si utilizza meno materiale. 42 Esercizio 15 Il componente in figura deve essere ottenuto mediante fonderia in terra: 1) Suddividere il getto in forme elementari, calcolarne i moduli termici e individuare le direzioni di solidificazione. Verificare che l’aumento percentuale del modulo termico tra zone adiacenti sia compreso tra 10% e 25%. 2) Posizionare le materozze e verificare che il getto sia correttamente alimentato utilizzando un rapporto x tra modulo della materozza e modulo del getto pari a 1,3 e adottando materozze cilindriche a cielo aperto con rapporto di forma altezza/diametro δ=0,5 e diametro dm=216 mm (si assuma di utilizzare materozze con a=0,1; b=0,03; c=1). 3) In relazione al risultato ottenuto al punto precedente, calcolare, sotto le stesse ipotesi (x=1,3; δ=0,5; a=0,1; b=0,03), il valore limite del coefficiente c che permetterebbe di ottenere getti sani. DATI: d1 [mm] d2 [mm] d3 [mm] d4 [mm] 300 150 250 170 L1 [mm] L2 [mm] L3 [mm] 150 300 100  d 2 L1 L2 L3 L1  d 4  d 3 A A Sez. A-A  d 1 45 I vincoli risultano rispettati, per cui occorre posizionare due alimentatori sulle due flange esterne (zone 1). 2) Verifichiamo che le condizioni di dimensionamento dell’alimentatore (δ=0,5 x=1,3) consentano di alimentare correttamente il pezzo. Per ogni alimentatore nella zona 1, il modulo termico e il volume del getto di competenza dell’alimentatore sono pari a 33 1 1 227,7 mm e 12413218mm 2 g V M V V V     Per quanto riguarda la materozza avremo 2 3 3 3216 3957502mm 4 8 8 m m m d d V h       Con questi valori, y risulta: 0,32m g V y V   Il valore di y in corrispondenza della curva di Caine risulta invece: 0,1 0,03 0,36 1,3 1 C a y b x c        per cui il getto con questo tipo di alimentatore avrà probabilmente la cavità di ritiro al suo interno. 3) Il valore limite di c che permetterebbe di ottenere un getto sano si ottiene imponendo che la curva di Caine passi per il punto (x=1,3; yc=0,32). Imponendo questo vincolo, si ottiene: 0,1 1,3 0,96 0,32 0,03c a c x y b        46 Esercizio 16 Si desidera ottenere per fonderia in terra l’oggetto rappresentato in figura (sulla sinistra) composto da una piastra (A) e da un corpo cilindrico (B). Si desidera ottenere il getto alimentandolo con una materozza cieca cilindrica con calotta emisferica (in figura sulla destra). 1) Individuare la zona in cui la materozza deve essere posizionata; 2) Verificare che la materozza sia in grado di alimentare correttamente il getto (si consideri tutta la superficie esterna della materozza come superficie di scambio). 3) Può una materozza cilindrica a cielo aperto (la tradizionale materozza utilizzata durante il corso) con rapporto di forma altezza/diametro pari a δ=0,5 essere più efficiente (ossia a pari modulo termico avere volume minore) nell’alimentare il getto rispetto alla materozza cieca utilizzata? Per la materozza cilindrica si ipotizzi come sempre che la superficie inferiore, cioè quella in corrispondenza dell’attacco con il getto da alimentare, non sia superficie di scambio. DATI l [cm] s [cm] d [cm] h [cm] 7 2 5 3 r [cm] a b c 2,8 0,1 0,03 0,5 d A B l A B s h Materozza cieca (clindrica con calotta emisferica) 2r 2r 47 Soluzione: 1) Partiamo con il calcolo dei moduli termici per individuare la direzione di solidificazione: corpo A (piastra) 𝑉𝐴 = 𝑙 2𝑠 = 722 = 98 𝑐𝑚3 𝐴𝐴 = 2𝑙 2 − 𝜋 𝑑2 4 + 4 ∙ 𝑙 ∙ 𝑠 = 2 ∙ 72 − 𝜋 52 4 + 4 ∙ 7 ∙ 2 = 134,37 𝑐𝑚2 𝑀𝐴 = 𝑉𝐴 𝑆𝐴 = 0,73 𝑐𝑚 corpo B (cilindro): 𝑉𝐵 = 𝜋 𝑑2 4 ℎ = 𝜋 52 4 3 = 58,9 𝑐𝑚3 𝑆𝐵 = 𝜋 𝑑2 4 + 𝜋𝑑ℎ = 𝜋 52 4 + 𝜋 ∙ 5 ∙ 3 = 66,8 𝑐𝑚2 𝑀𝐵 = 𝑉𝐵 𝑆𝐵 = 0,88 𝑐𝑚 Verifichiamo che il rapporto sia compreso tra 1,1 e 1,3: 0,88 1, 21 0,73 B A M M   La direzione di solidificazione è A->B: la materozza andrà posizionata su corpo cilindrico B 398 58,9 156,9cm 0,88cm g A B g B V V V M M       