TECNOLOGIA MECCANICA, Appunti di Tecnologia Meccanica

Scarica TECNOLOGIA MECCANICA e più Appunti in PDF di Tecnologia Meccanica solo su Docsity! CORSO DI TECNOLOGIA MECCANICA Prof. Luca Georleo CONTESTO STORICO ATTUALE Tecnologia meccanica à studio dei processi di lavorazione; fortemente contestualizzato nel tessuto del mondo manifatturiero globale In che periodo storico siamo? Il periodo storico influenza anche quelli che sono i processi produttivi sotto due aspetti: in primis si sono evolute le macchine e poi si sono evoluti i processi di produzione perché c’è stato un miglioramento, ottimizzazione del processo di produzione “consolidato”, ma anche perché sempre di più tecnologie che prima erano definite non convenzionali stanno iniziando a diventare di uso comune nella loro implementazione all’interno di un ciclo di lavorazione per la fabbricazione di un componente, a maggior ragione addirittura si parla sempre di più di quelli che sono i processi ibridi, i processi che prendono in considerazione un unione di più tecnologie convenzionali e non convenzionali. Siamo in un clima di rivoluzione, abbiamo vissuto vari step à tre rivoluzioni industriali che hanno visto l’implementazione, siamo partiti dalle macchine meccaniche, produzioni di massa, utilizzo del computer e con la terza rivoluzione industriale il computer è iniziato ad essere utilizzato e integrato all’interno di quelle che sono le macchine di lavorazione …Siamo alla quarta rivoluzione industriale: sistemi connessi, internet, cloud, condivisione di informazioni, possibilità di connettere e scambiare informazioni tra diverse macchine al fine di ottimizzare quello che è il ciclo di lavorazione del componente. La quarta rivoluzione industriale indica il paradigma dell’industria 4.0, cioè cercare una condivisione per un manifatturiero molto più intelligente di introdurre quelle che vengono chiamate le tecnologie digitali all’interno del ciclo di lavorazione, cioè tecnologie in grado di connettere, innovare e governare l’intera catena del valore nei settori manifatturieri. All’interno del topic industria 4.0 sono state individuate le tecnologie abilitanti, cioè le tecnologie sulle quali in teoria si vedrà il futuro di quello che è l’evoluzione del manifatturiero, del mondo del tessuto industriale. Le macchine diventano sempre più intelligenti, cioè in grado di acquisire informazioni, c’è però un problema di tutta una mole di informazioni che viene acquisita e deve essere analizzata e anche in tempi relativamente rapidi perché ogni informazione può essere input di qualcosa che sta succedendo. Il mercato ad oggi, non siamo più in un mondo caratterizzato da quello che era la produzione di massa, in questo momento le tecnologie di produzione sono strettamente collegate a quella che è la domanda del mercato. La domanda del mercato si differenzia in variabilità del prodotto e volume di produzione. Ogni tecnologia risulta essere più o meno conveniente anche in funzione di questi aspetti. Quanto è variabile un mercato nella richiesta di un bene e quando il bene nel tempo può cambiare “forma”? Per far tutto questo oggi c’è bisogno di una fabbrica intelligente, una fabbrica che può rapidamente cambiare il suo set up per la produzione di prodotti in forma differente. Le macchine devono essere collaborative, interconnesse fra di loro e rapidamente programmabili. All’interno di questo contesto, il MIUR nel 2012, coerentemente con le priorità delineate nel Programma dell’Unione Europea per la ricerca e l’innovazione Horizon 2020 (horizon ha finanziato progetti e iniziative al fine di migliorare quello che è il grado di digitalizzazione del sistema manifatturiero globale ha individuato la creazione di 8 cluster tecnologici per quanto riguarda quello che è il mondo industrialeà tra questi il cluster della fabbrica intelligente all’interno del quale ci sono differenti linee di intervento tra i quali quello dei processi produttivi innovativi, quindi i processi di produzione sono in continua evoluzione sia nel contesto europeo che italiano. All’interno della linea di intervento dei processi produttivi innovativi sono state identificate quelle che sono delle priorità di ricerca, dove si vede l’evoluzione del manifatturiero e parliamo di stampa REALIZZAZIONE DI UN PRODOTTO REALIZZAZIONE DI UN PRODOTTO à si intende prendere in considerazione tutte quelle specifiche che possono influenzare il prodotto stesso 4 steps (in comunicazione tra loro, possono essere influenzare l’uno con l’altro): 1. Componenti (è una sommatoria di parti, c’è una fase di fabbricazione e una fase di assemblaggio per ottenere il prodotto finito) à la scelta dei componenti significa che nella fase di progettazione, il prodotto finale va pensato e suddiviso nei diversi componenti, quando si pensa alla suddivisione bisogna prendere in considerazione che sia realizzabile con i materiali adatte alle sue funzioni (la scelta del materiale fa ad influenzare il processo di lavorazione) e che questi componenti per come li abbia pensati sia possibile assemblarli l’uno con l’altro La scelta del design del componente ha delle regole che ne derivano da quello che sarà il processo di lavorazione, parte della sua forma sarà obbligata dal concetto che deve essere accoppiato con altri organi (ad es presenza di filettature, fori…)à c’è un design che non impatta sulla funzionalità del componente ma gli serve per essere collegato ad altri, la scelta dei componenti 2. Scelta dei materiali à prendere in considerazioni le caratteristiche del materiale per far si che il prodotto così come è stato pensato possa assolvere la sua funzione, all’interno del materiale ci sono una serie di caratteristiche (fisiche, chimiche, meccaniche, la sua lavorabilità, componibilità, compatibilità con trattamenti termici…) à il materiale viene scelto principalmente in funzione di quella che sarà l’utilizzo del componente ma anche contestualizzato in quello che sarà il suo ambiente lavorativo 3. Scelta delle fasi tecnologiche à a. una scelta sensata deriva da una conoscenza delle lavorazioni e quindi dei parametri operativi delle lavorazioni prescelte alle quali sottoporre materiali, parliamo dei processi principali (asportazione di truciolo, deformazione plastica, variazione di stato fisico, tecnologie non convenzionali). b. Bisogna conoscere anche i parametri operativi per le tecniche di unione (saldatura, brasatura, aggraffatura, chiodatura, incollaggio…) 4. Costo del prodotto (sommatoria delle decisioni prese nella suddivisione dei componenti che realizzano il prodotto, dei materiali che si prende in considerazione, dei processi di lavorazione attraverso il quale realizzeremo il prodotto, va ad influenzare il costo) à il costo risulta essere un buon compromesso tra la fattibilità tecnica e la fattibilità economica – fattibilità tecnica à vuol dire che il costo del componente dipende da alcuni dati tecnologici: a. specifiche tecniche à derivano dalla funzione che deve avere il componente, deve avere un design specifico di quello che è il componente, significa avere delle specifiche tecniche, significa parlare di tolleranze (in generale ogni componente rappresentabile attraverso un disegno, all’interno vengono inserite delle quote che misurano il componente, alcune di queste quote vengono indicate con delle annotazioni particolari perché sono delle quote fondamentali per il funzionamento del componente stesso, per cui si aggiunge la tolleranza che può essere dimensionale, geometrica o di superficie) avere delle tolleranze à implica avere una lavorazione più costosa e un aumento del tempo di produzione, perché significa che questi componenti devono essere misurati e quindi impiego del tempo, o degli strumenti in più à tutto questo va ad impattare il costo, il costo del prodotto dipende dalla fattibilità tecnica per quanto riguarda le specifiche tecniche b. volumi richiesti à fare 10 pezzi o 1 milione di pezzi sono due discorsi totalmente differenti che prendono in considerazione diversi processi di lavorazione, ad es per fare un singolo pezzo il processo più conveniente risulta essere la stampante 3D (tecnologie additive) se il volume di produzione aumenta allora quel costo è ammortizzato dal numero di pezzi che vengono stampati e quindi di conseguenza ovviamente il processo di stampaggio risulta essere molto più conveniente rispetto alla stampa 3D à la capacità produttiva va ad influire sul costo del prodotto c. normative à sono tutti una serie di protocolli di sicurezza e tutti i dispositivi di protezione di sicurezza dei quali si deve dotare l'azienda per poter garantire agli operai di accedere alle macchine, questo va ad impattare sul costo del componente finale che è maggiorato perché ci sono delle normative di sicurezza ma anche ambientali à tutto ciò dipende dal processo tecnologico che prendo in considerazione per la realizzazione del componente, esistono processi più sostenibili e processi che inquinano di più: il costo del prodotto viene influenzato da quello che saranno le fasi tecnologiche, piuttosto dalla scelta del design dei componenti à il costo del prodotto deriva da un buon compromesso da quella che è la fattibilità tecnica e la fattibilità economica, alla fine di tutto questo, i costi associati al processo devono essere sostenibili, il mio componente deve avere un costo che deve essere un buon compromesso tra quanto mi costa farlo e quanto ci voglio ricavare rispetto alle spese che ho. Le spese che ho possono essere anche un campanello di allarme per cercare di capire se obiettivamente il costo del componente è già fuori mercato, allora significa che ho fatto un errore Generalizzando i prodotti possono essere classificati in differenti categorie, non esistono prodotti semplici e complessi; il prodotto più semplice che può esistere è quello generalmente formato da un singolo componente, un singolo materiale, una singola tecnologia, sino ad arrivare al prodotto più complesso che è fatto da una sommatoria di componenti formato da n materiali realizzati attraverso da una sommatoria di tecnologie. In generale abbiamo evidenziato quella che può essere una criticità che deriva da quella che è la realizzazione di un componente. Già nello scegliere il prodotto che vogliamo fare in quanti componenti viene diviso, il materiale scelto e i processi tecnologici presi in considerazione per farlo impone delle criticità che vanno ad impattare il processo di produzione TIPOLOGIE DI PROCESSI DI PRODUZIONE 1. Processo di produzione può essere visto da tre punti di vista: in funzione di quello che viene definito l’asse del mercato, l’asse gestionale e l’asse tecnologico (noi ci soffermiamo sull’asse tecnologico) à nell’asse tecnologico vediamo la classificazione del processo di produzione in tre sottogruppi, quelli che vengono definiti produzioni di processo e quelli che vengono definiti come produzione per parti che a sua volta si suddivide in parti per fabbricazione (impianti di fabbricazione) e impianti di montaggio 2. Processo per produzione à le macchine che fanno produzioni per processo sono quelle dove gli elementi originali che costituiscono il prodotto finale non possono essere facilmente identificati à non posso tornare indietro, il prodotto non può essere scomposto a ritroso perché i componenti originali non sono più distinguibili tra loro, hanno cambiato natura 3. Produzioni per parti o manifatturiere à il prodotto finale risulta essere composto da un numero finito di componenti discreti, quindi già parliamo di prodotti che sono più complessi (mentre in quelli iniziali sono processi di produzione di materiale primario/grezzo/di partenza per altre lavorazioni) Le tipologie di processo di produzione per parti realizzano quelli che sono dei componenti finali che poi vengono immessi in quello che è il mondo moderno (automobile, elettronica, elettrodomestici); qui il processo produttivo è composto da due fasi: a. Fase di fabbricazione dei singoli componenti à insieme delle lavorazioni (trasformazioni) che modificano la forma, le dimensioni, lo stato superficiale di parti singole b. Fase di assemblaggio per ottenere il prodotto finale à insieme delle operazioni di giustapposizione di parti singole per formare un assieme LE TRASFORMAZIONI In generale è possibile definire un processo di produzione come una trasformazione di una parte à la trasformazione è la lavorazione del tempo di una o più proprietà della parte ottenuta attraverso opportuni processi elementari; le proprietà possono essere: a. Forma e dimensioni (macrogeometria) b. Grado di finitura di una superficie (microgeometria) c. Caratteristiche meccaniche (durezza, carico di rottura) Ho una trasformazione nel tempo di un componente da uno stato iniziale ad uno finale attraverso una traiettoria di deformazione. La trasformazione può consentire una variazione di massa del prodotto finale rispetto a quello allo stato iniziale; ci sono alcune trasformazioni a volume costante, ci sono alcune trasformazioni con il ∆M (variazione della massa del prodotto finito/semilavorato tra l’inizio e la fine della trasformazione)à tra casi • ∆M = M2 - M1 = 0 Processo di trasformazione tipico dei semilavorati Es. il materiale non sta cambiando la sua massa, ma sta cambiando forma (processi fusori e di deformazione plastica à generano però degli scarti di lavorazione) • ∆M = M2 – M1 < 0 Processo di trasformazione tipico dei pezzi finiti Es. devo andare ad eliminare alcune parti della lavorazione che non servono, migliorare la rugosità superficiale di un processo fusorio (asportazione di tecnicamente dovrei andare a confrontare quella che è la variabilità del prodotto all’interno di un intervallo di tolleranza: 1. Se è minore, il processo è sotto controllo, gli errori che ottengo dalla prima lavorazione risultano esser esaustivi, in controllo e sto facendo dei buoni pezzi 2. Se è maggiore allora ho un problema perché vuol dire che mediamente faccio un numero di scarti molto elevato e il mio processo non è economicamente sostenibile, perché lo scarto lo butto CICLI DI LAVORAZIONE Il CICLO DI LAVORAZIONE per definizione è l’insieme di operazioni necessarie per fabbricare un singolo elemento attraverso la successione di processi tecnologici à in generale per realizzare un componente c’è bisogno di regole, che ci si deve imporre al fine di realizzare un documento correlato con il ciclo di lavorazione, che ci danno un’indicazione su quali sono i vari step necessari per realizzare il componente Bisogna considerare che in generale all’interno di un impianto industriale esistono vari reparti e vari settori à la storia della realizzazione del componente passa attraverso vari step (non c’è soltanto una persona che segue tutto, ognuno è esperto nel proprio ruolo). C’è infatti bisogno di una comunicazione tra l’azienda che ha effettuato l’ordine e l’azienda che lo deve definire; un mezzo di comunicazione è la messa in tavola del disegno con tutte le forme, la possibilità di scambiare ad oggi avviene grazie a tanti software che permettono lo scambio di queste informazioni à tra chi disegna e chi produce deve esserci un modo per comunicare C’è bisogno anche di una comunicazione: chi produce il reparto che accetta la produzione del componente deve poter dialogare con chi effettivamente fa andare le macchina à c’è bisogno di alcune regole e alcune convenzioni che è importante andare ad evidenziare in modo tale chi dovrà realizzare il pezzo conosce come viene fatto; di norma chi progetta il ciclo di lavorazione del componente probabilmente non sarà la persona che effettivamente lo farà, c’è bisogno quindi idi un dialogo che si basi su un linguaggio universale in modo tale che sia facile per chi deve produrre il pezzo avere in mano tutte le informazioni necessarie Tutte queste informazioni in un certo qual modo si riassumono in quello che è il ciclo di lavorazione del componente; vanno fatte alcune specifiche: 1. Di norma i pezzi a disposizione sul mercato sono degli assemblati (sono fatti da più pezzi) 2. Ogni particolare meccanico ha diverse esigenze di fabbricazione, è molto probabile che più componenti che fanno parte dello stesso prodotto finale possono essere realizzati attraverso differenti processi di lavorazione 3. Non esiste un metodo univoco per realizzare un componente, è una scelta (lo stesso pezzo possono farlo con diversi processi tecnologici, devo capire dove è più vantaggioso) Per PIANIFICAZIONE DEL CICLO DI PRODUZIONE si intende quella funzione, svolta da uno o più tecnici, che stabilisce un insieme ordinato di operazioni che permettono a un pezzo greggio o semi-lavorato di raggiungere attraverso passi successivi, la forma finale. Non tutte le aziende fanno pezzi finiti, alcune aziende possono fare semi-lavorati. Ogni ciclo di lavorazione che comprende processi tecnologici, comprende delle trasformazioni, da una fase iniziale ad una finaleà avremo un cambiamento di un qualcosa all’interno del nostro componente, questo cambiamento per far si che avvenga deve essere realizzato, e quindi pianificato, cioè deve essere decritto in maniera dettagliata tutti i vari step al quale il componente deve essere sottoposto per passare dalla fase iniziale (dove il pezzo in ingresso può essere un semilavorato piuttosto che un materiale primario) per raggiungere quella che è la forma finale del componente. Un pezzo può essere sottoposto a più processi di lavorazione e realizzato attraverso differenti tecnologie, all’interno della stessa tecnologia ci saranno tutto una serie di decisioni che devono essere prese, che si concretizzano nella stesura di alcuni parametri. All’interno poi è possibile scendere ad un livello di dettaglio ancora più elevato dove all’interno del processo tecnologico e all’interno delle operazioni che bisogna fare all’interno del processo tecnologico stesso, andare a definire quello che saranno i parametri di processo che devono essere eseguiti. Definizioni che vengono inserite nel foglio di lavorazione, dove viene sintetizzato il ciclo di lavorazione che abbiamo pensato: 1. CICLO à insieme ordinato di fasi necessarie alla trasformazione del grezzo (o semilavorato) in un prodotto finito 2. FASE (macchina) à insieme ordinato delle operazioni realizzate presso la medesima stazione di lavoro (una fase equivale ad un processo tecnologico, ad una macchina). Ci serve per capire quali macchine verranno impiegate per la realizzazione del componente 3. SOTTO FASE àinsieme ordinato di operazioni realizzate presso la medesima stazione di lavoro (macchina) e con il medesimo posizionamento 4. OPERAZIONE ELEMENTARE à lavorazione di una superficie elementare realizzata con un unico utensile, è la lavorazione alla quale è sottoposto il componente Dopo l’operazione elementare ci sono delle informazioni che riguardato le impostazioni che deve avere la macchina per eseguire quell’operazione. Il foglio di lavorazione che si prepara a partire dal ciclo di elaborazione è esaustivo di tutte le informazioni che servono per realizzare il componente. Come si PROGETTA un ciclo di lavorazione, quali sono i vari step da prendere in considerazione nella realizzazione di un ciclo di lavorazione? Ecco i 7 passaggi: 1. Valutazione dei dati di partenza 2. Analisi critica del disegno à alcune volte può portare alla riprogettazione del componente 3. Riprogettazione del componente à da ricordare: chi disegna il componente, molto probabilmente non è chi deve pianificare il ciclo di lavorazione e di sicuro non è chi lo produce; sono tre momenti differenti: la progettazione di un componente, la pianificazione del ciclo di lavorazione, l’esecuzione del ciclo di lavorazione sono tre ambiti totalmente Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Corso di Tecnologia Meccanica 35 à scelta o progettazione delle attrezzature à scelta degli utensili à scelta dei parametri di taglio à scelta delle procedure di controllo delle superfici lavorate à stesura dei fogli di lavorazione CALCOLO DEI TEMPI E DEI COSTI 1. Identificazione del ciclo più conveniente e di conseguenza delle macchine, processi od impianti da adottare 2. Costi di manodopera 3. Ammortamento 4. Costi di attrezzaggio e degli utensili CONCLUSIONE Non tutto si conclude con la definizione del ciclo di produzione del pezzo, ma anche di cosa serve per produrlo (es. stampo per deformazione plastica, …). Diventa necessario conoscere tutte le soluzioni produttive ed i processi tecnologici disponibili (nonché i loro limiti) per poter scegliere appunto quello (o quelli) che è indicato secondo le necessità del caso. Riguarda esempio 1 e 2 PIANIFICAZIONE DI PROCESSO Finora abbiamo visto quelle che sono le indicazioni e le informazioni che bisogna prendere in considerazione quando si stila il ciclo di lavorazione di un componente à non esiste una maniera univoca, è una sorta di indicazione di tutte le cose che bisogna prendere in considerazione quando progettiamo un ciclo di lavorazione, al fine di vedere la cosa nel suo insieme saliamo di un livello di dettaglio superiore Nella corretta realizzazione del ciclo di lavorazione dobbiamo avere un’idea del contesto industriale dentro il quale stiamo andando ad applicare le nostre nozioni. Possiamo vedere un sistema di produzione sotto tre punti di vista: come un insieme di uomini, macchine, attrezzature ed organizzazione legati da un flusso comune e di informazioni finalizzato alla trasformazione di materiale grezzo in prodotti finiti. L’asse gestionale à cercare di andare a contestualizzare il ciclo di produzione di un componente in funzione e come influenza la disposizione delle macchine all’interno di uno stabilimento La disposizione delle macchine dipende da: 1. Quanto la nostra azienda è flessibile (quante variabilità di pezzi siamo in grado di produrre) 2. Quali sono i volumi di produzione Se prendiamo un volume di produzione caratterizzato da volumi di produzione molto elevati ma realizziamo pochi pezzi, allora ho un concetto di sistemi FLOW SHOP sicuramente è economicamente sostenibile à Nei sistemi flow shop il macchinario è posto in linea secondo il ciclo di lavorazione del prodotto, quindi da una parte del layout entrano le materie prime e dall’altra parte esce il prodotto finito Flow shop = segue il ciclo di produzione del componente Questi sistemi sono efficienti perché sono caratterizzati da: 1. Elevata efficienza dovuta alla semplicità del flusso produttivo; 2. Scarsa flessibilità essendo nati per produrre un solo pezzo Grazie a questa disposizione essi consentono: 1. Riduzione dei costi di trasporto del componente all’interno dell’azienda (ho tutte le macchine in linea e il pezzo non si sposta) 2. Riduzione del livello di scorta perché ho un flusso di materiale continuo 3. Semplificazione dei processi di controllo della produzione 4. Minore superficie di stabilimento richiesta, dato che le macchine sono poste in cascata à un approccio di tipo flow shop ci consente: 1. Una minore quantità di movimentazioni 2. Minore work in progress 3. Minor numero di operazioni di set up 4. Costi ridotti Esistono dei sistemi definiti JOB SHOP, dove i sistemi di lavorazione vengono raggruppati in “zone” e quindi il flusso del materiale tra le “zone” è dipendente dal tipo di prodotto che si deve realizzare à non abbiamo macchine che sono attrezzate per fare una tipologia di pezzo ma abbiamo delle “zone” di lavoro per fare delle lavorazioni Questo tipo di sistema ci permette: 1. Una bassa efficienza, dovuta alla difficoltà di gestire la produzione 2. Alta flessibilità, dovuta alla possibilità di produrre un mix elevato di componenti Queste consentono una minore duplicazione del macchinario Sistemi di tipo job shop hanno di contro un basso grado di efficienza della produzione, significa che questa soluzione è idonea per un volume di produzione basso à avere invece un alto grado di differenziazione della produzione significa che questo sistema è idoneo per avere un’elevata flessibilità Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Corso di Tecnologia Meccanica 63 Flow shop vs Job Shop Sistemi Job-Shop Sistemi Flow-Shop Ad oggi il mercato in questo momento richiede ai produttori di essere mediamente flessibili per affrontare produzioni di volume medi à quindi entrambe le soluzioni non vanno bene, bisogna cercare di sfruttare i pregi e i difetti dei sistemi flow shop e job shop I sistemi job shop à vantaggi: avevano delle linee di produzione abbastanza semplici e avevano dei vantaggi sul working progress, ma facevano pochi pezzi I sistemi job shop à più caotici nella loro disposizione, però avevano un miglioramento della flessibilità à la produzione si è mutata per cercare di prendere i due aspetti positivi: avere una linea di produzione definita “semplice” e aumentare quella che è la flessibilità Si è riuscito a fare grazie ad una sostituzione à andando a sostituire il concetto di componente con il concetto di famiglia di componenti (io vado a fare una linea di produzione stile flow shop non per un singolo componente ma per una famiglia di componentià in questo modo ho ampliato la flessibilità pur cercando di cercare una linea di produzione compatta) Da questa filosofia nasce il concetto di cella di produzione flessibileà cioè un sistema di produzione cellulare che ha generato i pezzi per manufacturing and system. I sistemi di produzione cellulare realizzano un compromesso tra i precedenti sistemi. Sono basati sul concetto di Group Technology. Vengono esaminati tutti i prodotti facenti parte del portafoglio dell’azienda ed essi vengono raggruppati in gruppi aventi ciclo di lavorazione simile, ovvero la medesima sequenza di operazioni sulle macchine. Per ogni gruppo ottenuto viene realizzata un’isola, che non è altro che un piccolo layout per prodotto (in linea), cosicché alla fine si hanno tante isole per quanti gruppi sono stati formati. Il mondo del 4.0 si basa su macchine che collaborano tra di loro disposte in linea per la realizzazione di famiglie di componenti, questo è il grado di innovazione su cui si sta puntando oggi per il mercato manifatturiero Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Corso di Tecnologia Mecca ica 64 Job Shop vs Flow Shop 2. Nel secondo caso à il sistema opera le sue scelte sulla base di una conoscenza formulata in regole del tipo IF-THEN. Tale metodo a differenza del precedente risulta essere più flessibile in quanto consente l’inserimento di nuovi comandi senza cambiare tutta la struttura. CAPP GENERATIVO VS CAPP VARIANTE Anche se meno diffusi dei sistemi varianti, i sistemi generativi hanno i seguenti vantaggi: • Maggiore flessibilità̀ e robustezza per realizzare i Piani di Processo di nuovi componenti • Migliore qualità̀ nella pianificazione grazie alla possibilità̀ della logica decisionale di ottimizzare la pianificazione e utilizzare tecnologie produttive all’avanguardia. Le capacità di pianificazione dei processi dei calcolatori possono essere integrate con la pianificazione e il controllo dei sistemi produttivi. In questo caso si possono effettuare aggiornamenti al sistema CAPP basati sulla capacità dei sistemi di pianificazione della produzione di soddisfare le richieste, sul controllo del magazzino, sugli approvvigionamenti e sulla pianificazione della produzione. I vantaggi del CAPP: 1. Standardizzazione dei piani di processo migliorando la produttività dei pianificatori di processo, diminuendo i lead time, riducendo i costi di pianificazione e migliorando la qualità e l’affidabilità dei prodotti 2. Piani di processo per prodotti con forme o componenti simili possono essere realizzati facilmente, e possono essere modificati per soddisfare richieste particolari 3. I routing shee possono essere preparati più velocemente e rispetto ai piani tradizionali (scritti a mano) risultano facilmente leggibili 4. Possibile inserire nei sistemi CAPP funzioni per il calcolo dei costi e per la definizione degli standard di lavorazione Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Corso di Tecnologia Meccanica 84 PRINCIPI DEI PROCESSI FUSORI Processi fusori à una delle tecnologie più antiche, la fusione può risalire fino al 4000 a.C., solo alla fine dell’800 la fonderia ha assunto un carattere industriale ed è possibile vedere tante applicazioni dei processi fusori in tanti settori totalmente differenti e anche per la realizzazione di oggetti da forme differenti (da protesi dentali, gioielli fino ad arrivare a pezzi molto grossi come componenti di arredamento, idraulica…) In generale i processi di fonderia consistono nel versare del metallo fuso all’interno di una cavità: una volta che il metallo fuso si è raffreddato nella cavità, avviene la fase di estrazione di quello che è l’oggetto raffreddato (chiamato getto/semilavorato). In alcuni processi la realizzazione della cavità dello stampo è realizzata attraverso un modello. Le forme possono essere di due tipologie: 1. Aperte à forma molto semplice, è aperta perché è a contatto con l’ambiente esterno e si realizzano dei getti principalmente semilavorati, cioè getti che verranno utilizzati per altre applicazioni, spesso utilizzati in combinazione con i processi per deformazione plastica (es. lingotti) 2. Chiuse à nella realtà industriale le forme sono chiuse, il fuso viene immerso attraverso una sorta di canalizzazione opportunamente dimensionata Quali sono i materiali di preparazione della forma? Sono differenti, si possono usare delle terre, dei gessi, dei materiali ceramici, plastici, metallici o altro. In funzione del processo di estrazione del getto dalla forma possiamo distinguere due tipologie di processi: 1. Processi con forme transitorie à processi in cui l’estrazione del getto avviene tramite distruzione della forma 2. Processi con forme permanenti à processi in cui l’estrazione del getto avviene senza distruzione della forma, quindi la forma è riutilizzabile Sebbene possano avere la stessa geometria, ci sono differenze significative tra quella che è il modello, il getto e la forma. Potrebbero geometricamente indicare la stessa cosa: cioè il modello è Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Corso di Tecnologia Meccanica 3 FONDERIA I processi di fonderia vengono eseguiti versando metallo fuso in una cavità. Tale cavità è realizzata in uno stampo in cui il metallo fuso si solidifica e si raffredda. Una volta raffreddato, la parte (definita come getto) colata viene estratta dallo stampo. In alcuni processi la realizzazione della cavità dello stampo è realizzata attraverso un modello. Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Corso di Tecnologia Meccanic 4 FONDERIA Le forme possono essere aperte o chiuse. Un esempio di forme aperte sono le ling ttiere in cui la fase liquida è immersa dal lto. N lla maggior parte delle applicazioni industriali, tuttavia, le forme so chiuse e il fuso viene immerso attraverso canalizzazioni opportunamente dimensionate. l’oggetto grazie al quale si ottiene la cavità all’interno dello stampo che viene chiamata forma. Il getto è l’oggetto che si ottiene andando a colare dl metallo liquido all’interno della forma à dal punto di vista geometrico hanno la stessa forma, ma sono tre aspetti del processo completamente differenti tra di loro Nella fonderia con forme transitorie, la forma viene distrutta, di norma queste forme sono realizzate con sabbia o gessi, tenute insieme da leganti. Cercheremo di capire quali sono tutte le criticità e quindi di conseguenza le soluzioni che vengono adottate per realizzare correttamente la forma: processi differenti non tutti possono avere le stesse criticità e le stesse soluzioni. Prenderemo come esempio (perché il più comune, il più utilizzato e il più completo àsono presenti tutti i problemi e quindi sono adottate tute le soluzioni), il processo di fusione in terra. Una forma chiusa è essenzialmente composta da: 1. Due staffe che contengono la terra compatta 2. La cavità all’interno della forma, ottenuta da un modello solitamente realizzato in legno, metallo, plastica o altro materiale 3. Se il getto presenta delle cavità allora all’interno della forma viene inserita l’anima à oggetto che impedisce al metallo fuso di andare a riempire la cavità 4. Sistema di alimentazione à una serie di canali che portano il metallo fuso alla forma 5. Meterozze o alimentatori che svolgono la funzione molto importante per la riuscita del getto La forma normalmente è divisa in più parti ed è tenuta insieme da delle staffe collegate tra di loro meccanicamente per far si che il processo sia stabile. Classificazione di quelli che saranno i processi fusori, sono differenti e si possono classificare in diverse forme, le principali sono: 1. Fonderia con forma a perdere • Modello a perdere à l’oggetto grazie al quale si è realizzata la cavità all’interno dello stampo (cioè la forma) è un modello che viene distrutto alla fine del processo • Modello permanente à … modello che viene riutilizzato alla fine del processo 2. Fonderia con forma permanente • in stampo à può avvenire sotto l’azione di una pressione (pressofusione, in gravità, sottovuoto…) à stampo fermo e il liquido che viene sottoposto ad una forza per facilitare il riempimento dello stampo • colata centrifuga à stampo in movimento, sfruttano la rotazione dello stampo opportunamente progettato si creano delle forze centrifughe che forzano il materiale liquido nell’andare a riempire le cavità dello stampo 3. Processi speciali • Colata in continuo • Forgiatura di metallo liquido (squeeze casting) à mix tra processo fusorio e deformazione plastica Il materiale deve essere tale per poter garantire il corretto e il completo riempimento della forma à ovviamente anche i materiali devono essere tali da poter essere impiegati in questo ambito Sebbene sia un processo abbastanza versatile (il processo fusorio), la criticità che può avvenire durante la fase di “colatura” è che il materiale sia liquidi e che possa riempire lo stampo prima che solidifichi Occorre verificarne le proprietà tecnologiche che sono: FONDERIA Fusione à devo realizzare un oggetto, lo realizzo probabilmente partendo da un modello, il modello mi serve per realizzare la cavità all’interno di una forma, all’interno della forma colo il metallo liquido e quindi poi ottengo il pezzo La criticità sta proprio nella corretta realizzazione della forma. Quando parliamo della progettazione della forma soffermiamoci nella corretta progettazione della cavità che porterà alla realizzazione del getto. Parlare di questo significa parlare di quella che sarà la forma del modello, perché dal modello si otterrà la forma per poi ottenere il getto. Ci sono dei limiti che devono essere rispettati nella corretta progettazione di quello che sarà il modello. In generale ci sono delle specifiche da prendere in considerazione. Quali sono i vari step con le varie problematiche che ne possono scaturire quando vado a progettare il ciclo di fonderia: 1. Allestimento del modello à include la progettazione del getto, del modello e dell’impronta (cavità della forma) 2. Esecuzione forma à include la scelta dei materiali per l’esecuzione dell’impronta 3. Preparazione del metallo fuso e della colata à scelta dei materiali per il getto 4. Estrazione del getto dopo la solidificazione à controllo qualità dei getti 5. (eventuale) Finitura del getto à ogni step potrebbe avere delle criticità CICLO DI FONDERIA Si parte sempre dal disegno del finito. Il primo step è trasformare il disegno di partenza in quello che sarà il getto da realizzare attraverso il processo fusorio. La cosa è importante è quello di andare a definire le regole o dei passaggi fondamentali da prendere in considerazione. Dunque, il primo step è la progettazione della forma poi successivamente si passa alla progettazione del modello, delle materozze e dei canali di colata. Ogni step necessita di informazioni che derivano dallo step precedente. à il processo di progettazione è un modello circolare: ad ogni step viene effettuato un controllo di fattibilità che se fallito richiede una modifica degli step precedenti. PROGETTAZIONE DEL MODELLO, ANIME E SISTEMA DI ESTRAZIONE Per quando riguarda la progettazione del modello bisogna affrontare diversi problemi: 1. Si parte dalla realizzazione di un modello, tramite il modello si ottiene la forma, una volta ottenuta la forma, si estrae il modello dalla forma (se è un modello permanente) à questa è la descrizione del processo fusorio in terra: processo che ha forme a perdere e un modello permanente (se il modello è permanente vuol dire dopo essere stato realizzato il modello, la forma viene ottenuta pressando della terra intorno al modello à successivamente si estrae il modello dalla forma) Una parte fondamentale e molto critica riguarda l’estrazione del modello dalla forma, quest’operazione è delicata perché se il modello nella fase di estrazione danneggia la forma, poi bisogna considerare che alla fine avrà danneggiato quella cavità all’interno del quale andrò a colare il metallo à quindi se io ho un difetto geometrico causato dall’estrazione del modello dalla forma, alla fine ottengo un getto con difetto à quindi la fase di estrazione è critica 2. Ci sono alcuni vincoli geometrici che non possono essere realizzati (fori profondi, pareti snelle, grossi delta di spessore tra una parte e quella successiva…) 3. In generale quando si parla della qualità delle lavorazioni, la fonderia ha una qualità scandente (quindi tolleranze alte e grado di rugosità elevato), cioè che il componente è soggetto a degli errori sia di dimensioni che di rugosità superficiali per cui dovrà essere successivamente rilavorato alle macchine utensili à questa cosa influenza perché vuol dire che l’oggetto che vado a produrre dovrà essere maggiorato di alcune quote per poter consentire delle lavorazioni successive, questa maggiorazione si chiama aggiunta di sovrametallo (metallo che poi successivamente dovrà essere asportato per consentire di ottenere il disegno finito) 4. I raggi di raccordo piccoli non possono essere realizzati a causa delle tensioni superficiali à un materiale che scorre all’interno di una cavità c’è una sorta di attrito tra la parete e il materiale fluido e si genera una sorta di tensione, àquindi nella realtà tutto questo si concretizza dal fatto che superfici raccordi molto piccoli non riesco a riempirli per una tensione interna del materiale liquido che sto andando a colare 5. La velocità di raffreddamento (e solidificazione) deve essere tenuta sotto controllo, in generale non viene visto di buon occhio, può essere causa di difetti un cambio di sezione molto elevato all’interno dell’oggetto, per cui controllare questo cambio di direzione è estremamente importante ed andrà ad influire sulla forma del modello SOVRAMETALLO Dobbiamo realizzare un componente, c’è stata imposta una certa tolleranza, sappiamo che il processo fusorio ci garantisce una classe di tolleranza molto più elevata à da ricordare: più è bassa la classe più deve essere precisa la quota geometrica In generale i sovrametalli vengono stimati in base: 1. Alla quota nominale à quota alla quale aggiungere il sovrametallo 2. Alla dimensione massima del getto Ritiri, distorsioni, disallineamenti nella forma. Finitura della forma possono non garantire tutte le tolleranze geometriche richieste al pezzo à la precisione del pezzo viene recuperata attraverso lavorazioni successive (dette di asportazione di truciolo) che permettono di ottenere precisioni più elevate à bisogna prevedere perciò del sovrametallo sulle superfici da lavorare A volta si possono realizzare dei sovrametalli smart à cioè vado a realizzare dei sovrametalli anche dove non mi servono per semplificare quello che è il mio processo Nella progettazione del getto viene presa in considerazione l’aggiunta di materiale per sovrametallo, poi successivamente nella progettazione del getto si cerca di capire alcuni feature (caratteristiche) particolari che possono essere critiche per essere realizzate attraverso i processi fusori à parliamo do: 1. Fori snelli à un foro si dice snello quando ha un rapporto H/D molto elevato (foro molto lungo ma con diametro piccolo) Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Corso di Tecnologia Meccanica 30 Sovrametallo Sometimes, some extra stock is left for special purposes: a. simplify core shap (economical reason); b. allow directional solidification (padding action). 2. Fori piccoli à fori inferiori ai 5 mm circa In generale nelle regole di progettazione, per cercare di capire quelli che sono i fori snelli che è possibile realizzare si prende in considerazione sia il rapporto H/D ma anche il rapporto D rispetto allo spessore che avrà il foro Si cecano di seguire queste due regole: 1. D ≥ 0.5 S 2. H ≤ ½ D à quando H risulta essere maggiore dl diametro si sconsiglia di realizzarlo attraverso processi fusori Realizzazione di Fori à in generale i fori (ovvero le cavità) vengono realizzate attraverso delle anime; le anime vengono quindi inserite all’interno della forma perché devono impedire al metallo liquido di impedire quello spazio in modo tale che una volta solidificato il getto avrà presente una cavità à ovviamente le anime devono essere vincolate a quello che è l’interno della forma per cui all’estremità dell’anima sono presenti due prolungamenti dell’anima stessa che vengono chiamate come PORTATE D’ANIMA à lo scopo delle portate d’anima è quello di far si che l’anima sia ben vincolata all’interno della forma e che quindi non si sposti sotto l’azione del metallo liquido che la sta riempiendo àall’interno della forma deve essere presente una cavità che serve per l’alloggiamento delle portate d’anima, questo non danneggia la produzione dell’oggetto, perché una volta che la forma è chiusa il metallo non potrà scorrere, quindi non è un difetto à Le anime sono tenute in un reparto dedicato o addirittura date a terzisti ed immagazzinate fino al momento di impiegarle, l’ottenimento è realizzato tramite le casse d’anima (stampi permanenti) nelle quali viene inserita una terra apposta (terra per anime) PIANO DI DIVISIONE DELLE STAFFE Di norma per consentire la forma è sempre divisa almeno in due parti e viene collegata tra di loro (la forma sup e inf) e connessa attraverso delle staffe che sono vincolate tra di loro. Perché almeno due parti? Due parti perché la forma viene ottenuta dal modello, io devo estrarre il modello dalla forma, per cui la forma si deve aprire per consentire l’estrazione del modello e poi si richiude per poter consentire nessuno spostamento nella fase di colata del metallo. Se deve essere aperta deve essere divisibile, almeno in due parti à il piano lungo la quale la forma si divide si chiama piano di divisione delle staffe, questo piano: 1. deve essere scelto con una certa criticità, cioè deve cercare di evitare i sottosquadri 2. deve facilitare una sorta di divisione simmetrica 3. deve essere tale da poter posizionare i canali di alimentazione piuttosto che le materozze in una posizione comoda per poi poterle estrarre dopo 4. se possibile lo stampo deve essere divisibile in solo due parti perché più semplice ed economico nella fase di montaggio del componente 5. deve ridurre la profondità à gli stampi contenenti la forma devono essere quanto più sottili per ragioni economiche Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Corso di Tecnologia Meccanica 36 Piano di divisione delle staffe ad una variazione di volume, anche nei solidi à fatto che dipende da un fenomeno di temperatura che va ad influire a livello atomico à ad ogni temperatura corrisponde un volume, maggiore è la temperatura maggiore è il volume à di conseguenza dal passaggio dalla temperatura del liquido a quella ambiente ho una contrazione del materiale à per quanto riguarda la geometria del getto finale è bene evidenziare come in funzione della direzione del raffreddamento è possibile ottenere getti con tipologie di difetti differenti Nel passaggio dalla temperatura di colata a quella ambientale, il materiale subisce una contrazione volumetrica che causa il sorgere di alcuni fenomeni che compromettono la bontà del getto ottenuto: • Riduzione delle dimensioni (ritiro) • Cavità di ritiro • Tensioni di ritiro • Formazione di cricche a caldo Tali fenomeni vanno presi in considerazione per poter progettare e realizzare correttamente la forma. Il metallo liquido quando diventa solido ha due problematiche: 1. Il volume del solido è minore del volume del liquido 2. Difetti Il difetto è avviene sempre nell’ultima parte del materiale che solidifica per ultimo à questa cosa è importante perché aiuta a capire che questo difetto non viene generato in maniera random all’interno del materiale, ma il processo è sotto controllo Abbiamo quindi bisogno di un sistema che: 1. Ci fornisce del materiale extra per andare a riempire in maniera corretta la forma 2. Sia collegata al getto 3. Abbia una forma tale che si solidifichi per ultimo à in questo modo so che il difetto che vado a generare si genererà in una parte che successivamente posso andare ad eliminare à da qui nasce il concetto di MATEROZZE Per preservare il getto da difetti occorre spostare all’esterno del pezzo l’ultima parte che solidifica (ovvero il baricentro termico) predisponendo un serbatoio di metallo liquido (materozza) che fornisca materiale liquido al pezzo durante la solidificazione Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Corso di Tecnologia Meccanica 49 Processo di olidificazione ‰ Per quanto riguarda la geometria del getto finale è bene evidenziare come in funzione della direzione del raffreddamento è possibile ottenere getti con tipologie di difetti differenti. à le dimensioni delle materozze possono anche essere ridotte usando materozze coibentate mediante uso di manicotti aggiungendo polveri con reazione esotermica Al fine di progettare correttamente la cavità della forma bisogna dunque: 1. Posizionare in maniera corretta le materozze (analizzare l’andamento della solidificazione e stimare un tempo di solidificazione) 2. Dimensionare la geometria (materozza e colletto) 3. Verificare il raggio di azione POSIZIONAMENTO DELLE MATEROZZE Per cercare di capire la posizione della materozza dobbiamo cercare di stimare la direzione della solidificazione all’interno del getto (sappiamo che il difetto di cavità di ritiro avverrà nel componente che solidifica per ultimo, che deve essere la materozza) Esistono due approcci: 1. Qualitativo à un metodo relativamente rapido per andare a definire una direzione della solidificazione è quello di Heuvers, ovvero la verifica dei CERCHI INSCRITTI (consiste nel sezionare il componente, inscrivere dei cerchi all’interno tangenti alle superfici del componente stesso e andare a fare un rapporto tra i raggi) Maggiore è il raggio, maggiore sarà il tempo di solidificazione. La differenza di diametro di qualsiasi coppia di cerchi tangenti tra loro non deve superare il 15-20%. A volte è opportuno operare modifiche del getto per garantire una solidificazione unidirezionale. Tale metodo non fornisce alcune indicazioni sulle dimensioni della materozza. Il metodo dei cerchi di Heuvers è un metodo qualitativo, le sue criticità sono: • È un metodo 2D à non abbiamo informazioni sul componente tridimensionale • Il componente potrebbe avere una forma più o meno complessa à quindi è molto più difficile trovare le sezioni per cercare di capire qual è la direzione di solidificazione à per fortuna ad oggi si dispone di differenti strumenti numerici per verificare la direzionalità della solidificazione I cambiamenti di spessore nella progettazione del getto devono essere graduali per controllare l’insorgere di stress dovuto al raffreddamento in fase solida, inoltre un profilo con variazioni controllate induce una solidificazione direzionale che garantisce anche un corretto riempimento della forma. 2. Quantitativo à un metodo già preciso consiste nello stimare la solidificazione di un corpo tramite la legge di Chvorinov che stima un modulo di solidificazione definito come rapporto tra il volume del getto e le superfici di raffreddamento Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Corso di Tecnologia Meccanica 56 Posizionamento delle Materozze Una prima analisi qualitativa può essere eseguita tramite il metodo di Heuv r ovvero la verifica dei Cerchi Inscritti, di facile utilizzo anche se non tiene conto della tridimensionalità delle sezioni Maggiore è il raggio, maggiore sarà il tempo di solidificazione. La differenza di diametro di qualsiasi coppia di cerchi tangenti tra loro non deve superare il 15-20%. A volte è opportuno operare modifiche del getto per garantire una solidificazione unidirezionale. Tale metodo non fornisce alcuna indicazione sulle dimensioni della materozza. 2 11.2r r Una parte (1) del pezzo può funzionare da alimentazione per la successiva (2) se: M (1) ≥ 1,1 • M (2) Mentre per la materozza deve valere: M (mat) ≥ 1,2 : 1,3 • M (2) È bene comunque ricordarsi sempre che la legge di Chvorinov è un modello di massima, ricavato, tenendo conto delle seguenti semplificazioni: • Flusso di calore costante su tutte le superfici (in alcuni casi le superfici adiacenti le anime hanno flussi di calore più lenti a causa del surriscaldamento) • Perfetta adiabaticità delle superfici a contatto • L’effetto dei raffreddatori non è preso in considerazione In pratica è sempre meglio sovrastimare. Dunque, sarà possibile affermare che la parte A solidifica dopo di B solo se il suo modulo di raffreddamento è maggiore del 10% M (A) ≥ 1.1 • M (B) DIMENSIONAMENTO DELLE MATEROZZE • Stabilito il modulo bisogna progettare poi le dimensioni corrette della materozza. Esistono delle tabelle di riferimento (di norma i modelli delle materozze si comprano). • Ad ogni approccio simulativo è disponibile per la verifica del corretto dimensionamento delle materozze • A seconda della complessità del getto esistono due tipologie di materozze: a cielo aperto o cieche Quando le materozze non sono efficaci o non utilizzabili: 1. Raffreddatori à inseriti per andare a rafforzare e modificare la direzione di solidificazione piuttosto che i tempi di raffreddamento 2. Modifica della geometria à rendere più omogeneo lo spessore e evitare la generazione di sezioni più massive che possono comportare la possibilità di un modulo di solidificazione più alto e quindi l’insorgere di difetti CONTRAZIONE ALLO STATO SOLIDO – IL RITIRO Criticità da prendere in considerazione nella progettazione della forma. Problema: arrivati alla temperatura di solidificazione il getto si raffredda fino ad arrivare alla temperatura ambiente Criticità geometrica à il volume di un elemento è sempre proporzionale alla sua temperatura (anche allo stesso stato), di conseguenza bisogna prendere in considerazione che il nostro getto si ridurrà ulteriormente dell’1/2% à ogni materiale se riscaldato (o raffreddato) subisce una variazione di volume. Considerando una barretta di metallo di lunghezza L (0) soggetta ad una variazione di temperatura ∆T, subirà una variazione di lunghezza ∆L stimabile in: Il ritiro è sicuramente critico, ma da un punto di vista geometrico non è eccessivamente critico rispetto a esempio al problema di alimentazione perché in teoria il nostro modello è già stato maggiorato di un ordine di grandezza notevolmente superiore perché sono stati aggiunti i sovrametalli à oltre al sovrametallo bisogna considerare anche il ritiro Come è fatto il sistema di colata? Ci sono 4 elementi principali che lo caratterizzano: 1. Bacino di colata à funge da imbuto, facilita l’ingresso del metallo liquido all’interno della colata 2. Canale di colata 3. Canale distributore 4. Attacchi di colata 5. Trappole, filtri, pozzetti à scopo: fungere da filtro per eventuali scorie ma anche indurre un moto particolare al liquido per abbattere le turbolenze Questo tipo di colata si definisce “In gravità” perché il riempimento della forma è garantito dal solo peso del metallo liquido à il profilo è tronco-conico per compensare l’aumento della velocità del metallo liquido (velocità troppo elevate potrebbero generare delle turbolenze à turbolenze = inglobare aria = avere un difetto a fine lavorazione all’interno dell’oggetto) Il canale di colata deve essere dimensionato in modo tale da garantire il riempimento della forma prima che: • Il metallo liquido inizi a solidificare (tempo di inizio di solidificazione) • La terra inizi a cedere per cottura in seguito alla esposizione all’irraggiamento del metallo fuso (tempo critico) La sezione deve essere tale da garantire quindi una corretta portata. Inoltre, il canale di colata può terminare in più attacchi o in attacchi tangenziali in modo da garantire un migliore riempimento della forma. Il tempo di rimpeimento deve essere minore: • Del tempo di inizio solidificazione t (s) delle parti sottili del getto • Il valore di t (s) può essere calcolato mediante una di queste formule sperimentali: Si possono usare diversi tipi di colata: 1. COLATA DIRETTA: • Attacco nella parte più alta della forma • Problema delle gocce fredde Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Corso di Tecnologia Meccanica 100 Il sistema di colata Elementi caratteristici: • bacino di colata • canale di colata • canale distributore • attacchi di colata • trappole, filtri, pozzetti • Problema della erosione della forma 2. COLATA IN SORGENTE: • Attacco sul fondo della forma • Riempimento più graduale (maggiore controllo delle turbolenze) • Minore erosione della forma 3. COLATA IN PIANO • Attacco in corrispondenza del piano di divisione delle staffe • Soluzione più semplice Per evitare che scorie presenti nel bagno di fusione, terra erosa o altri elementi esterni vengano trascinati nella forma, si usano: • Filtri à sono elementi metallici o refrattari a struttura spugnosa cava • Trappole à soluzioni che sfruttano l’azione centrifuga e la diversa densità delle scorie per separarle dal fuso LE SPINTE METALLOSTATICHE Una volta che la cavità dello stampo è piena di metallo fuso, questo metallo (come qualsiasi altro liquido) scambia una pressione idrostatica sulle pareti della cavità. Tale pressione può deformare gli stampi, compromettendo l’accuratezza dimensionale. È opportuno conoscere il valore di tale spinta per: • Verificare che il peso dello stampo superiore sia in grado di sostenere la spinta • Aggiungere dei pesi aggiuntivi sullo stampo superiore Il volume di tale spinta è calcolabile come il prodotto tra la densità del metallo ed il volume sovrastante la forma à tale valore deve essere confrontato con il peso dello stampo per capire se è in grado di reggere la spinta del getto In caso contrario si possono apportare alcuni accorgimenti (pesi sullo stampo) piuttosto che pensare ad un riposizionamento del modello RIASSUNTO Riassumendo quindi una forma rispetto al pezzo finito che si vuole ottenere, presenta modifiche dimensionali e di forma in quanto occorre tenere conto di: • Progettazione del modello – Ritiro – Sovrametallo – Angoli di spoglia – Raccordi – Eventuali portate d’anima • Scelta del piano di divisione della forma • Eventuali sottosquadri • Sistema di alimentazione • Sistema di colata Sono quindi composte da: 1. Sabbia di quarzo (83%): • Conferisce refrattarietà • Grani grossi favoriscono la permeabilità mentre giocano a sfavore della finitura superficiale. Grani tondeggianti favoriscono la distribuzione e l’efficacia del legante 2. Additivi (nerofumo) (5%): • Migliora le caratteristiche di refrattarietà evitando il contatto tra sabbia e metallo (problema vetrificazione della sabbia) 3. Argilloide (8,5%): • Bentonite (ossidi di Al e Si) • Conferisce alla terra la plasticità e la coesione • Troppo argilloide rende la terra poco permeabile 4. Acqua (3,5%): • La terra viene rigenerata frantumandola, separando e reintegrando le parti esauste (legante ed acqua) La TERRA PER ANIME à costituita da sabbia argillosa legata con oli auto essicanti. L’indurimento vero e proprio avviene a 180 – 240 °C grazie all’ossidazione e polimerizzazione delle sostanze. Le anime così costituite sono cotte. Per realizzazione automatica delle anime si richiede una maggiore fluidità o scorrevolezza; in questo senso la composizione caratteristica è: • 100 kg di sabbia quarzifera • 1 kg di plastificante • 2,5 kg di olio per anime • 1 kg di bentonite • 2 kg di acqua SHELL MOLDING (colata in conchiglia) à è un processo di fusione in cui lo stampo è un sottile guscio di sabbia tenuto insieme da un legante di resina termoindurente FASI DELLO STAMPAGGIO IN CONCHIGLIA: 1. Un modello a placca di metallo viene riscaldato e posizionato sopra un recipiente contenente sabbia mista a resina termoindurente 2. Il contenitore viene capovolto in modo che sabbia e resina cadano sul modello caldo, provocando la polimerizzazione parziale di uno strato della miscela sulla superficie per formare un guscio duro 3. Il recipiente viene riposizionato in modo che le particelle sciolte non polimerizzate ricadano isolando il guscio ottenuto 4. Il guscio di sabbia viene riscaldato in forno per diversi minuti per completare l’indurimento 5. Lo stampo a conchiglia viene rimosso dal modello 6. Vengono assemblate le due metà dello stampo in conchiglia, supportate da sabbia o graniglia di metallo presenti nello stampo e viene eseguita la colata 7. Il getto finito viene rimosso distruggendo lo stampo VANTAGGI: • Migliore finitura superficiale della sabbia • Miglior accuratezza dimensionale ± 0.25 mm per cui è possibile evitare lavorazioni successive • La deformabilità dello stampo reduce la probabilità di cricche • Può essere ottimizzato per la produzione di massa SVANTAGGI: • Produzione modelli in metallo costosa • Difficile da ammortizzare per piccole serie PROCESSI FUSORI CON FORMA A PERDERE E MODELLO A PERDERE La cosa che accomuna questi due processi (a cera persa e model lo a schiuma polimeriche) sta nel fatto che non si ha il problema legato all’estrazione del modello dalla forma, perché il modello viene fatto evacuare senza un’estrazione fisica à rispetto al processo permanente non ho la fase di estrazione del modello ma ho direttamente la fase di colata (dove avviene la distruzione del modello) à il fatto che non c’è più la fase di estrazione del modello ci da la possibilità di non avere tutte le problematiche che esistono nella fonderia in terra L’estrazione del modello ci poneva una serie di criticità, ad esempio: • il problema dei sottosquadri à che andava ad influenza la scelta di uno o più piani di divisione delle staffe, con l’inserimento magari di alcuni elementi aggiuntivi per evitare il problema dei sottosquadri • la fase di estrazione del modello ci imponeva anche la realizzazione degli angoli di sformo à in funzione del piano di divisione delle staffe la geometria del modello andava leggermente modificata andando ad inserire questa problematica dello sforno, perché non dovevo danneggiare la forma nella fase di estrazione del modello, altrimenti il getto avrebbe avuto dei difetti à queste criticità andavano a limitare la complessità degli oggetti/getti che riuscivo ad ottenere tramite il processo fusorio Se il modello è a perdere à ho una libertà di progettazione maggiore, perché non avendo la fase di estrazione non ho problemi a realizzare oggetti con forme più complesse FORMATURA A CERA PERSA Un modello fatto di cera viene rivestito con un materiale refrattario per formare lo stampo, dopodiché la cera viene sciolta prima di versare il metallo fuso. È un processo di fusione di precisione, in grado di produrre getti di alta precisione e dettagli complessi. Fasi della microfusione: 1. vengono prodotti modelli in cera 2. diversi modelli sono attaccati a un canale di colata per formare un albero del modello 3. l'albero del modello è rivestito con un sottile strato di materiale refrattario (silice sottile + ceramica) 4. lo stampo completo è formato coprendo l'albero rivestito con materiale refrattario sufficiente per renderlo rigido 5. lo stampo è tenuto in una posizione capovolta e riscaldato per sciogliere la cera e permetterle di gocciolare fuori dalla cavità, 6. lo stampo viene preriscaldato ad alta temperatura, il metallo fuso viene colato e si solidifica 7. lo stampo viene staccato dal getto finito e le parti vengono separate dalla materozza Vantaggi: • Possono essere realizzati component complessi • Buona precisione e finitura superficiale • La cera può̀ essere riciclata • Di norma non necessita di lavorazioni aggiuntive (net shape process) • È possibile colare tutti i tipi di leghe (acciaio, alluminio, bronzo, etc.…) Svantaggi • Richiede molti step per realizzare i componenti • Processo relativamente costoso PROCESSO A SCHIUMA POLIMERICA (LOST FOAM CASTING) Principale differenza dal processo a formatura a cera persaà la fase di estrazione del modello e di realizzazione del getto avviene quasi in contemporanea In questo caso il modello viene realizzato in schiuma polimerica, non si ha la fase di estrazione del modello à quando avviene la fase di colata del metallo fuso si crea un gradiente termico così elevato rispetto alle proprietà termiche della schiuma polimerica per cui c’è una fusione istantanea: cioè l’immissione del metallo fuso a contatto con il modello lo fa vaporizzare istantaneamente Un interessante variazione al processo di fonderia in sabbia è basata sull’utilizzo di una forma transitoria con modello a perdere realizzato in schiuma polimerica. Quest’ultima subisce una degradazione termica durante la colata ed è progressivamente sostituita dal metallo fuso, che solidifica e produce il getto. Questa tecnologia è impiegata nell’industria automobilistica per produrre valvole e camere della turbina (materiali ferrosi) piuttosto che collettori d’aspirazione e testate di cilindri (alluminio) Fasi del lost foam casting: • Il modello in schiuma viene prodotto tramite stampaggio ad iniezione, nel caso di parti complesse il modello viene suddiviso in elementi semplici e poi assemblati tramite incollaggio • Il polimero maggiormente usato è il polistirene espanso (EPS) ma recentemente anche il polimetilmetacrilato (PMMA) • Una volta prodotto il modello viene rivestito da una vernice refrattaria la cui funzione è fondamentale per la riuscita del getto. Durante la fase di colata, infatti, il calore precede il flusso di metallo liquido e potrebbe far evaporare il modello prima ancora che la cavità venga riempita dal metallo stesso ponendo il rischio di caduta di sabbia alterando la geometria della forma • Per produrre una solidificazione progressiva sono necessari spessori uniformi dello stampo (di 25–60 mm) e si ottengono rilasciando lo stampo in modo che si adatti ai contorni della cavità dello stampo. • La progettazione del sistema di colata (che può essere inferiore, laterale o superiore) è importante, poiché́ influisce sulla turbolenza e sul rendimento del metallo. PRESSOFUSIONE Laddove ho componenti piccole, serie di produzione elevate e voglio realizzare spessori altamente sottili devo aumentare la velocità di riempimento dello stampo à questo ci permette di introdurre la pressofusione, uno dei processi di fonderia più utilizzati dal punto di vista industriale per quanto riguarda produzione di lotti molto elevati (500 o 5000 pezzo/h) La forma è ottenuta all’interno di stampi in metallo che quindi possono essere utilizzati più e più volte. La colata può avvenire per semplice immersione del metallo liquido nella forma. Se l’immissione avviene tramite spinta del metallo stesso (si esercita cioè una pressione sul liquido) si parla di colata sotto pressione ed in particolare di pressofusione che può essere eseguita a: • Camera calda à ho una quantità di materiale fuso superiore a quella che necessita per la realizzazione di un singolo pezzo • Camera fredda à la temperatura di colata risulta essere di gran lunga maggiore rispetto a quello a camera calda I materiali impiegati per la realizzazione della forma sono perlopiù la ghisa e l’acciaio, capaci di fondersi solo a temperature molto alte e che naturalmente devono differire per caratteristiche da quelli dei metalli fusi inseriti, ossia ad esempio da zinco e leghe di alluminio, che arrivano allo stato di fusione a temperature inferiori. Essendo un processo in pressione è possibile realizzare spessori decisamente sottili (fino a 1 mm) rispetto alla fonderia in terra. L'estrazione del pezzo dallo stampo sarà più difficile e, non potendo avere più di 2 stampi, si dovrà ricorrere a tasselli per ovviare ad eventuali sottosquadri. I due parametri principali che caratterizzano il processo sono la pressione e la temperatura: 1. La pressione deve permanere fino a solidificazione completa del pezzo e dovrà essere scelta tenuto conto che • una pressione alta favorirà tempi di riempimento degli stampi minori, ottenendo maggiore produttività, • una pressione bassa evita difetti nel pezzo dovuti all'eccessiva velocità del metallo fuso, e inoltre causano una minore usura della forma. 2. La temperatura dovrà essere sufficientemente alta da evitare la solidificazione del getto prima della fine dell'iniezione del metallo fuso e da avere una fluidità sufficiente ad evitare mancati riempimenti, ma abbastanza bassa per avere tempi di raffreddamento il più contenuti possibile. PRESSOFUSIONE A CAMERA FREDDA • Il metallo fuso viene versato nella camera non riscaldata da una siviera esterna e un pistone inietta il metallo ad alta pressione nella cavità dello stampo, produzione elevata ma di solito non veloce come le macchine a camera calda a causa della fase di colata • Metalli da fusione: leghe di alluminio, ottone e magnesio PRESSOFUSIONE A CAMERA CALDA • Il metallo viene fuso in un contenitore e un pistone inietta il metallo liquido ad alta pressione nello stampo. Tale processo è caratterizzato da una elevata velocità di produzione (500 pezzi all'ora) ma ha applicazioni limitate a metalli a basso punto di fusione che non attaccano chimicamente il pistone e altri componenti meccanici • Metalli da fusione: zinco, stagno e magnesio ASPETTI PRODUTTIVI: 1. Le leghe che possiedono una eccellente fluidità permettono il riempimento di tutte le cavità o impronte qualunque sia la loro complessità grazie alla azione di spinta. Si possono ottenere filettature «grezze di fonderia» a passo fine, su piccoli diametri. 2. I deboli calori specifici e latenti di fusione, il breve intervallo di solidificazione, con più impronte all’interno dello stesso stampo, permettono di avere tempi di produzione elevati. 3. La dimensione ed il peso del pezzo determinano la dimensione dei lotti produttivi. Generalmente più i pezzi sono piccoli più le serie sono grandi. La maggioranza delle serie è superiore a 5000 pezzi all’anno in uno o due lotti. VANTAGGI della pressofusione sono: • Finitura superficiale elevata (Assenza di porosità) • Tolleranza dimensionali ristrette (riduzione delle lavorazioni alle MU) • Complessità delle forme • Cadenze produttive elevate • Riproducibilità perfetta • Automatizzazione • Robotizzazione • Adatti per piccole/medie/grandi serie CONFRONTI TRA PROCESSI Parametri principali sono: 1. Velocità di rotazione 2. Temperatura di colata 3. Velocità di colata 4. Temperatura della forma Se la velocità di colata è troppo bassa, si possono avere formazione di pieghe o di porosità gassose se invece è troppo alta, si possono generare cricche longitudinali. In generale la velocità deve generare una forza centrifuga fra i 70 e i 120 g e viene fatta variare durante il processo secondo un preciso ciclo: 1. Durante la colata la velocità è fissata ad un valore sufficiente a tenere il metallo contro le pareti à la velocità di rotazione mi deve assicurare la corretta adesione del metallo contro le pareti e che non si generino eventuali turbolenze dettate da velocità di rotazione troppo basse; 2. Quando il metallo raggiunge l’estremità opposta la velocità viene poi aumentata; 3. Infine, si tiene costante la velocità per un intervallo di tempo che è funzione della forma dello spessore e del tipo di metallo fuso La velocità ideale è quella che porta ad una rapida adesione del fuso alle pareti della forma con la minima vibrazione. • Il fenomeno è particolarmente sensibile nel processo ad asse orizzontale nel quale si assiste allo spostamento di masse liquide • La velocità di colata deve essere tale da assicurare il completo riempimento prima che inizi la solidificazione, ma non troppo elevata da creare turbolenze, schizzi o “gocce fredde” à queste gocce di materiale essendo molto piccole si raffreddano velocemente e vanno a creare delle imperfezioni all’interno del getto • La temperatura della forma deve essere sufficientemente elevata, ma non troppo per impedire bruschi raffreddamenti della parte esterna del getto che però poi potrebbe criccarsi sotto la spinta della pressione del liquido I difetti sono tipici dei getti di fonderia, ma è difficile incontrare porosità, cavità di ritiro e inclusioni non metalliche; al più questi intervengono sulla superficie interna ma sono facilmente rilevabili e eliminabili mediante tornitura. PROCESSI DI FONDERIA SPECIALI Andremo a studiare due processi nuovi: squeeze casting e colata continua SQUEEZE CASTING È un processo ibrido tra un processo di fusione e uno di deformazione plastica. La tecnologia SQUEEZE CASTING non si discosta significativamente dalle tradizionali tecnologie di colata se non per l’utilizzo di elevate pressioni che vengono applicate al metallo liquido durante la sua solidificazione. Il processo SQUEEZE CASTING consiste nel far colare il metallo liquido in uno stampo lubrificato e preriscaldato e forgiandolo mentre esso solidifica. La pressione viene applicata non appena il metallo comincia a solidificare e viene mantenuta fino alla sua completa solidificazione. Vantaggio: • l’adesione alle pareti viene garantita dalla pressione applicata dal pistone superiore • velocità di solidificazione molto elevata dovuta al fatto che lo stampo è permanente, metallico, quindi scambia molto velocemente con il metallo fuso al suo interno e inoltre viene applicata una pressione che aumenta la velocità di solidificazione ànella pratica realizzo oggetti che hanno due buone caratteristiche: • buona finitura superficiale à data dal fatto che gli stampi sono metallici; ho una rugosità molto bassa • buona accuratezza à la pressione che induce il processo è tale da garantire una buona accuratezza a fine lavorazione, quindi una buona precisione funzionale Le elevate pressioni applicate (in genere da 55 a 100 MPa), insieme all'immediato contatto del metallo con la superficie dello stampo, provocano un rapido trasferimento di calore che porta all'ottenimento di getti caratterizzati da grana cristallina fine, assenza di porosità̀ interna e proprietà̀ meccaniche che si avvicinano a quelle dei manufatti ottenuti per deformazione plastica. Svantaggi Valgono i limiti dei processi di deformazione plastica à tendenzialmente non si possono realizzare dei componenti da una geometria molto complessa RIASSUNTO Parametri di casting • Le temperature di fusione dipendono dalla lega e dalla geometria del pezzo. Il punto di partenza è normalmente da 6 a 55 ° C al di sopra della temperatura del liquido. • Normalmente vengono utilizzate temperature degli utensili comprese tra 190 e 315 ° C. • Il ritardo è la durata tra l'effettiva colata del metallo e l'istante in cui il punzone entra in contatto con il bagno di fusione e inizia la pressurizzazione di nastri sottili che sono incorporati nella cavità dello stampo. • Normalmente vengono utilizzati livelli di pressione da 50 a 140 MPa. • La durata della pressione variabile da 30 a 120 s è risultata soddisfacente per i getti • del peso di 9 kg. • Lubrificazione. Per le leghe di alluminio, magnesio e rame, un buon lubrificante spray a base di grafite colloidale si è dimostrato soddisfacente se spruzzato sugli stampi caldi prima della fusione. COLATA CONTINUA La colata continua è un processo di produzione industriale del tipo fusione, in cui al materiale liquido (metallo) viene fatta attraversare per forza gravitazionale una forma permanente ad alta conducibilità termica a fondo aperto, detta lingottiera, ricava in rame e raffreddata esternamente con acqua e lubrificata per impedire usura a freddo Il metallo solidificato ha un volume minore di quello liquido, pertanto si stacca dalle pareti lubrificate della lingottiera. In questa fase cambia il regime termico: da metallo- lingottiera a metallo-aria-lingottiera. Dato che il pezzo colato, in teoria, è senza fine, ed in pratica lungo molte centinaia di metri, esso va tagliato a misura mediante una fiamma ad ossigeno e lasciato raffreddare del tutto per effetto dell'aria, giacendo su una placca di raffreddamento oppure, nel caso ideale, viene immesso ancora rovente in un laminatoio per essere lavorato ulteriormente (carica calda). Solitamente, una macchina di colata continua dispone di più linee di colata, ciascuna attrezzata di lingottiera, percorso di raffreddamento, e taglio ad ossigeno oppure a cesoia (in caso di billette di piccola sezione). Le diverse linee vengono alimentate da un contenitore di distribuzione, detto paniera, a sua volta riempito di metallo trasportato dal forno o convertitore alla paniera mediante siviera. FONDERIA: DIFETTI PRINCIPALI I difetti possono essere classificati in due grandi famiglie: • Difetti esterni à possono interessare la forma o la superficie del getto, sono facili da individuare e possono essere eliminati rendendo il componente valido • Difetti interni à risultano essere più pericolosi perché difficili da individuare e possono emergere durante successive lavorazioni meccaniche o peggio ancora quando il pezzo è in esercizio Tipologie di difetti classici che vengono ritrovati nei processi fusori: • MANCATO RIEMPIMENTO à il getto risulta incompleto a causa di una prematura solidificazione del materiale. Può essere compensato con l’aggiunta di più canali di colata e/o aumentando la temperatura di colata del materiale fuso (attenzione però alla microstruttura) • RIPRESA DI FUSIONE à derivano da arresti temporanei del riempimento della forma con il metallo fuso per un tempo sufficiente da consentire in qualche zona superficiale la solidificazione e successiva ossidazione della crosta solida realizzando una discontinuità all’interno del getto Da un punto di vista monodimensionale la prova tipica è la prova di trazione: abbiamo un provino che viene sottoposto ad un carico mono assiale e viene misurata la sua deformazione durante l’applicazione della forza à si vede che tendenzialmente il provino tende ad allungarsi fino ad un certo punto, da un certo livello in poi viene una fase di strizione, quindi ho una riduzione dell’area sottesa dove viene applicata la forza fino ad arrivare alla rottura del provino PARAMETRI CARATTERISTICI • Modulo elastico (Young) E: costante di proporzionalità tra tensione e allungamento in campo elastico. Questo parametro è un indice della rigidezza del materiale • Carico di snervamento Y: il carico relativo ad una deformazione permanente pari a 0.2%. quanto più basso tanto minori sono le forze da applicare al pezzo per deformarlo. • Carico di rottura (indicato sia come Tensile Strenght TS o Ultimate Tensile Strenght UTS): carico oltre il quale avviene il fenomeno di strizione all’interno del materiale • Allungamento a rottura (lu- l0) / l0 : parametro che misura la duttilità di un materiale cioè la sua capacità di subire grandi deformazioni • Coefficiente di Poisson v: rappresenta il grado in cui il campione di materiale si restringe o si dilata trasversalmente in presenza di una sollecitazione monodirezionale longitudinale (- !trasv/!long) Nei processi di deformazione plastica però l’engineering strain e stress interessa di più conoscere i valori di tensione vera (true stress) valutata come rapporto P/A tra il carico di P e la sezione di area istantanea A e deformazione vera (true strain) valutata come: Con questi nuovi parametri la curva tensione deformazione relativa alla prova di trazione diventa esponenziale secondo la seguente relazione: Con K coefficiente di resistenza n fattore di incrudimento L’incrudimento è un fenomeno per cui un materiale metallico aumenta le sue proprietà meccaniche in seguito a una deformazione plastica a freddo Dopo lo snervamento il valore di " viene chiamato flow stress ed esprime il valore di tensione necessario a iniziare e mantenere la deformazione plastica per ogni dato valore di !. Ovviamente compreso tra Y e TS, esso, oltre ad essere funzione della deformazione dipende anche dalla: • Velocità di deformazione (strain rate) à parametro importante perché la velocità di deformazione può cambiare le proprietà del materiale • Temperatura In base alla temperatura di lavorazione la deformazione può avvenire a caldo (al di sopra della temperatura di ricristallizzazione) o a freddo a seconda che si voglia sfruttare la riduzione di resistenza interna del materiale con l’aumento della temperatura, oppure si preferisca ottenere un prodotto finito (meno distorsioni, fenomeni di ossidazione, finiture superficiali migliori). Se le deformazioni avvengono a caldo allora l’incrudimento n diviene trascurabile mentre la velocità di deformazione diventa rilevante e la valutazione di " è data dalla formula Con C ed m costanti che dipendono dal materiale e dalla temperatura Vantaggi della formatura a freddo • Migliore precisione, tolleranze più strette • Migliore finitura superficiale • L'incrudimento aumenta la resistenza e la durezza • Il flusso di grano durante la deformazione può causare proprietà direzionali desiderabili nel prodotto • Nessun riscaldamento del lavoro richiesto Svantaggi della formatura a freddo Forze e potenza maggiori richieste nell'operazione di deformazione La duttilità e l'indurimento della deformazione limitano la quantità di formatura che può essere eseguita • In alcuni casi, il metallo deve essere ricotto per consentire un'ulteriore deformazione • In altri casi, il metallo semplicemente non è abbastanza duttile per essere lavorato a freddo Vantaggi della lavorazione a caldo • La forma del pezzo di lavoro può essere notevolmente modificata • Sono necessarie forze e potenza inferiori • I metalli che solitamente si fratturano durante la lavorazione a freddo possono essere formati a caldo. • Le proprietà di resistenza del prodotto sono generalmente isotropiche - la temperatura viene aumentata - L'effetto della temperatura dà luogo a distinzioni tra lavorazione a freddo, a caldo e a caldo • Altri fattori: - Velocità di deformazione e attrito Processi di formatura I processi di formatura dei metalli possono essere classificati in due categorie fondamentali: processo di deformazione in massa e processi di lavorazione della lamiera. Ogni categoria include diverse classi principali di operazioni di modellazione Processi di deformazione massivi • Chiamati così perché caratterizzati da deformazioni significative e massicci cambiamenti di forma à questi processi vanno a variare in maniera molto significativa la forma del componente: cioè la forma del componente che ottengo risulta essere significativamente molto differente rispetto al componente di partenza • "Bulk"/”Massivi” si riferisce a parti di lavoro con rapporti superficie / volume relativamente bassi • Le forme di lavoro iniziali includono billette cilindriche e barre rettangolari à di norma questi semilavorati in ingresso vengono prodotti attraverso processi di colata continua (processo molto utile per l’ottenimento di semilavorati di geometria relativamente semplice) FORGIATURA/STAMPAGGIO Nella forgiatura/stampaggio, un pezzo viene compresso tra due stampi contrapposti, in modo che la forma degli stampi venga impartita al pezzo. La forgiatura è tradizionalmente un processo di lavorazione a caldo, ma molti tipi di stampaggio vengono eseguiti a freddo (nel caso in cui il pezzo sia di piccole dimensioni e le deformazioni indotte non siano eccessive) LAMINAZIONE Si tratta di un processo di deformazione compressiva in cui lo spessore di una lastra o di una barra viene ridotto da due utensili cilindrici contrapposti chiamati rulli di laminazione. I rulli ruotano in modo da attirare il pezzo nello spazio tra di loro e comprimerlo Si parte da basse che vengono costrette ad entrare all’interno di due cilindri che ruotano in direzione opposta tra loro à la rotazione non è altro che un modo per costringere la barra ad entrare all’interno della luce di questi due cilindri, che ovviamente è minore rispetto a quella dell’ingresso à ne deriva che in uscita avremo una barra che avrà una sezione ridotta rispetto a quella di partenza: ci sarà quindi un allungamento della barra ESTRUSIONE Questo è un processo di compressione in cui il metallo di lavoro è costretto a fluire attraverso l’apertura di una matrice, assumendo così la forma dell’apertura come propria sezione trasversale. à Principalmente i processi di deformazione massivi sono realizzati a caldo, di norma possono essere realizzati anche a freddo ma richiedono forze ed energie troppo elevate, quindi solo nel caso in cui sia economicamente vantaggioso TRAFILATURA (processo a freddo) In questo processo di formatura, il diametro di un filo o di una barra tonda viene ridotto tirandolo attraverso un’apertura di una matrice à scopo: indurre una funzione di tiro, tradizione di un filo che viene forzato ad entrare in una matrice con una luce più piccola per andare a realizzare una riduzione di sezione PROCESSI DI DEFORMAZIONE DELLA LAMIERA • Formatura e relative operazioni eseguite su lamiere, nastri e coils • Elevato rapporto superficie-volume del metallo di partenza, che li distingue dalla deformazione alla rinfusa • Spesso chiamato pressworking perché le presse eseguono queste operazioni - Le parti sono chiamate stampaggi - Utensili usuali: punzone e matrice (il punzone è la parte positiva e lo stampo è la parte negativa del set di utensili) I principali processi sono: PIEGATURA La piegatura comporta lo sforzo di una lamiera o di una piastra per prendere una determinata inclinazione dettata da un punzone IMBUTITURA Nella lavorazione della lamiera, l’imbottitura si riferisce alla deformazione di una lamiera piana in una forma cava o concava, come una tazza, deformando il metallo. Un supporto vuoto viene utilizzato per tenere premuto la lamiera mentre il punzone spinge la lamiera in uno stampo. - per sfruttare la migliore deformabilità del materiale • il massello di metallo subisce uno schiacciamento ed un allargamento andando a riempire le varie parti dello stampo • quando tutto lo stampo è riempito il materiale in eccesso fuoriesce in un serbatoio periferico detto camera scartabava PROCESSO TECNOLOGICO: • RISCALDO: il grezzo (billetta) viene portato a temperatura elevata in appositi forni per aumentarne la deformabilità (riduzione della forza richiesta per la lavorazione) • SBOZZATURA/FUCINATURA: deformazione preliminare della billetta per preparare la forma da stampare (non sempre necessaria) • STAMPAGGIO VERO E PROPRIO: alla billetta o sbozzatura viene data la forma voluta mediante operazione al maglio o alla pressa • TRACINATURA DELLE BAVE: sul pezzo stampato vengono eliminare le bave che si sono formate I FATTORI CHE INFLUENZANO IL RIEMPIMENTO DEGLI STAMPI: • Deformabilità e resistenza allo scorrimento: - se un materiale risulta avere una scarsa deformabilità significa che il suo engineering strain (adattamento alla deformazione) è relativamente bassa, quindi per andare ad indurre delle elevate deformazioni rischio di avere una rottura del componente quando si sta generando (scarsa deformabilità à rotture) - elevata resistenza allo scorrimento à riempimento incompleto degli stampi • Uso di lubrificanti: - assicurare uno scorrimento costante - ridurre l’attrito - ridurre l’usura degli stampi (la riduzione dell’usura degli stampi è un vantaggio sul prezzo finale del componente che si sta realizzando) • Temperatura degli stampi (più è bassa la temperatura minore è lo sforzo necessario per poterlo deformare à per cui si porta il componente ad elevata temperatura) Se lo stampo resta a temperatura ambiente, quando la generica billetta verrà posizionata all’interno degli stampi, inizia a subire un brusco raffreddamento; questa cosa è critica perché: - vado ad alterare lo scorrimento del materiale: se io creo un gradiente di temperatura che inizia ad essere significativo, all’interno della billetta il cuore si può deformare più facilmente rispetto alle pareti esterne à creare una disomogeneità del genere potrebbe provocare fenomeni di rottura durante il processo) - un veloce raffreddamento aumenta anche il fenomeno dell’attrito che accentua una difficoltà nello scorrimento del materiale all’interno dello stampo à un’ipotesi è quella di cercare di limitare la differenza di temperatura tra lo stampo e il pezzo che vado a collocarci à perciò avviene il preriscaldato degli stampi per: o migliorare il riempimento o abbassare la forza di stampaggio • Forma del pezzo Nella progettazione della cavità degli stampi bisogna tenere in considerazione: 1. Ritiri (visto come problema dimensionale) 2. Tensione di ritiro à lede il corretto funzionamento del pezzo stesso 3. Possibilità di estrarre il pezzo dallo stampo - Angoli di spoglia differenti per superfici interne ed esterne 4. Impossibilità di realizzare fori passanti - Realizzazione di membrane con spessore da 2 a 3 volte lo spessore della camera scarta bava 5. Impossibilità di realizzare sottosquadri 6. Sovrametallo 7. Camera scartabave RITIRO • Nel passare dalla temperatura di stampaggio (1000÷1200˚C) a quella ambiente è necessario aumentare le dimensioni dell’impronta • Il ritiro può causare: - Serraggio del pezzo su eventuali punzoni o sporgenze; - Incrinature nello stampo se il ritiro è ostacolato. SOVRAMETALLO • Sulle superfici che devono essere lavorate con le macchine utensili è necessario prevedere un sovrametallo • Il valore del sovrametallo dipende da: - Tipo di macchina utensile impiegata - Tipo di lavorazioni che il pezzo deve subire - Dimensioni del pezzo ANGOLI DI SPOGLIA • Occorre evitare la presenza di pareti degli stampi perpendicolari al piano di bava • Gli angoli di spoglia favoriscono: - L’estrazione del pezzo degli stampi - Il riempimento degli stampi • Gli angoli di spoglia delle superfici interne devono essere maggiori di quelli delle superfici esterne - Si deve evitare il serraggio delle superfici interne su punzoni o protuberanze presenti negli stampi. In generale: o a = 1˚÷7˚ per superfici esterne o a = 2˚÷10˚ per superfici interne RAGGI DI RACCORDO • Poiché il materiale mal sopporta brusche variazioni di direzioni di flusso si devono utilizzare ampi raggi di raccordo • Ampi raggi di raccordo hanno un effetto favorevole: - Sulla realizzazione del pezzo - Sulla durata degli stampi • Ampi raggi di raccordo determinano un maggior sovrametallo • Con ampi raggi di raccordo il materiale incontra minor resistenza a fluire nella cavità - È richiesta una minor forza per la deformazione • Raggi troppo piccoli determinano forti distorsioni: - Distacco della superficie dello stampo o Difetti locali Inoltre, a causa del ritiro ostacolato: - Una concentrazione degli sforzi - Possibili incrinature • Uno spigolo vivo nell’impronta è soggetto a: - Usuro di tipo meccanico - Sollecitazioni termiche o Lo spigolo è circondato dal metallo in ritiro e dissipa il calore in misura minore RAGGI DI RACCORDO DELLO STAMPO • ANGOLI (raggi di raccordo esterni) à il valore massimo è pari al sovrametallo • SPIGOLI (raggi di raccordo interni) à utilizzare il valore più ampio possibile CAMERA SCARTABAVA Affinché la cavità venga riempita completamente, è necessario prevedere e gestire il flusso plastico del materiale. Per riempire in maniera opportuna la cavità dello stampo devo avere una billetta di partenza che ha un certo volume confrontabile con il volume della cavità dello stampo. Per essere certo che il mio stampo sia opportunamente riempito, le dimensioni della billetta di partenza vengono maggiorati. Se però il volume della billetta è maggiore del volume dello stampo allora devo andare a considerare di progettare all’interno del mio stampo una sorta di serbatoio dove andrà a fluire il materiale in eccesso à il materiale in eccesso prende il nome di bava e la cavità all’interno dello stampo dove si andrà a depositare il materiale in eccesso prende il nome di camera scarta bava. Alla fine del mio processo di stampaggio otterrò un componente fornito di bava che poi verrà opportunamente rimossa tramite il processo di tranciatura La camera scarta bave ha un triplice scopo: • Accogliere il materiale in eccesso - Si introduce volontariamente tra gli stampi un volume di materiale maggiore di quello strettamente necessario Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria Meccanica Tecnologie e Sistemi di Lavorazione Corso di Tecnologia Meccanica 16 Raggi di raccordo dello stampo ¾ ANGOLI: ¾ Il valore massimo è pari al sovrametallo; ¾ SPIGOLI: ¾ Utilizzare il valore più ampio possibile. La camera scarta bava risulta essere onerosa, però è un accorgimento indispensabile per poterci garantire la corretta produzione del componente. Ci sono processi di stampaggio ad oggi che mirano sempre di più alla possibilità di stampare senza bave; è un processo che risulta essere estremamente vantaggioso sia dal punto di vista di post-lavorazione (perché non ho più la fase di sbavatura) sia da un punto di vista energetico. Di contro è un processo che richiede estrema precisione delle dimensioni della billetta. Di norma si pensa ad uno stampaggio senza bave quando si parla di stampaggio a freddo. A questo punto ci serve una formula per valutare l’energia necessaria per capire se la macchina ha l’energia necessaria per poter eseguire questa deformazione. In generale, quando si parla di lavorazioni per deformazione plastica le macchine vengono classificate in forza disponibile ed energia necessaria; sono due parametri correlati tra di loro ma si devono verificare entrambe le condizioni: che la forza massima sia supportata dalla macchina e che la macchina abbia l’energia necessaria per ottenere il componente. La determinazione teorica della curva forza/corsa di deformazione è piuttosto laboriosa • In prima posizione si può valutare l’energia come prodotto della forza media Fmed per la corsa di deformazione c • Nel caso di stampaggio a caldo con formazione di bava, la forza media Fmed può essere valutata come una frazione della forza massima FMAX : RIEPIGOLO DELLE PROBLEMATICHE DIFETTI DELLO STAMPAGGIO I difetti vengono principalmente correlati al flusso plastico del materiale. Il principale problema è quello relativo all’ottenimento di pezzi esenti da difetti. Per fare ciò è necessario che la forma della cavità dello stampo sia completamente riempita. Questo implica una attenta progettazione della cavità stessa. Tipologie di difetti: • Flusso plastico non ottimale • Preformatura non adeguata à ondulazione che si forma durante lo stampaggio provoca delle imprecisioni/difetti superficiali che si ottengono a fine lavorazione (fig. 3) • Volume eccessivo della billetta à ho mal dimensionato il volume della camera scartabava e quindi ho una fuoriuscita della bava al di fuori dello stampo Lo stampaggio è un processo dove l’investimento iniziale è molto elevato per quella che è la realizzazione dello stampo, quindi bisogna preservare la qualità dello stampo stesso. PUNTO DI VISTA ECONOMICO • C’è un costo fisso dovuto al costo del materiale • C’è un costo, che riguarda il set up del processo, che viene ammortizzato all’aumentare del numero di pezzi à da un certo numero di pezzi in poi l’investimento iniziale per realizzare il set up della macchina, i primi esperimenti, il montaggio degli stampi e tutte le operazioni preliminari per partire, poi il processo è altamente automatico e di conseguenza questo costo si abbatte all’aumentare del numero dei pezzi) • Il costo dello stampo è un costo abbastanza elevato che influisce tantissimo sull’operazione di stampaggio e che risulta essere ammortizzato solo per produzioni molto elevate (almeno dell’ordine di grandezza del 10 mila pezzi) à è quindi plausibile intuire che lo stampo si usura, si rovina o si rompe prima perché ho mal progettato il processo, questo è un danno economico non banale per quanto riguarda il processo Confronto tra diverse tecnologie dei costi per la formatura di un componente di piccole dimensioni • Sand casting à costi iniziali relativamente molto più bassi e il suo trend risulta essere decrescente all’aumentare del numero dei pezzi fino a che non si stabilizza • Forgiatura à risulta competitiva per elevati volumi produttivi (20 mila pz) al di sotto dei quali conviene la formatura in terra • Die casting à ha più o meno lo stesso trend della forgiatura: dato che ci può aiutare nella corretta selezione del processo economicamente vantaggioso per realizzare un componente STAMPAGGIO – PROCESSI SPECIALI LAMINAZIONE AD ANELLO È un processo di deformazione per la produzione di anelli di elevati diametri (fino a 5 m) ottenuti senza saldatura o processo di piegatura. Prima del processo di laminazione la billetta viene forgiata e viene eseguito un preforo. La deformazione è ottenuta grazie al movimento congiunto di: • Un rullo trascinatore il cui scopo è indurre un moto di rotazione all’anello • Un mandrino che spinge l’anello contro il rullo trascinatore diminuendone la larghezza • Due coni assiali che riducono l’altezza dell’anello, i coni devono anche traslare per seguire la crescita diametrale dell’anello • Due rulli di centraggio per tenere il processo in condizioni di stabilità della corsa à In funzione di questo trend è utile calcolare l’energia e la forza massima, quindi stabilire se la macchina a disposizione è in grado di soddisfare questi requisiti. ENERGIA E CARICO • En à energia disponibile (nominale) della macchina • Fmax à carico disponibile della macchina (al variare della corsa) • h à efficienza (perdite nel motore, attriti, deformazioni elastiche, …) La macchina deve fornire la curva Forza-Corsa necessaria alla lavorazione: Comportamento della macchina sotto carico: • Rotazione della mazza (flessione della mazza e della struttura) in condizioni di carico (LP) decentrato • Rigidezza della pressa K, ovvero K = F / d Influenza: - Precisione del pezzo - Tempo di contatto sotto carico - Energia disponibile La deflessione assorbe (dissipa) energia: Eass = 0.5 · d · F = F² / 2K I dati caratteristici delle macchine di stampaggio sono: • Comportamento della macchina in assenza di carico - Giochi tra i componenti meccanici à possono servire alla compensazione di eventuali deformazioni alle quali la nostra macchina può essere sottoposta - Parallelismo tra i piani degli stampi (mazza e piano inferiore) à importante per poter garantire la corretta distribuzione della forza e la corretta chiusura degli stampi stessi - Perpendicolarità delle slitte di scorrimento della mazza rispetto al piano di montaggio dello stampo inferiore - Concentricità ed allineamento dei porta-matrice e punzone à la pressa è formata da alcuni componenti che vengono realizzati attraverso dei processi tecnologici e poi assemblati tra di loro; la precisione della lavorazione dei componenti e della fase di assemblaggio va a ledere le performance della macchina stessa. Una richiesta di precisione maggiore implica un costo maggiore à è sempre un discorso di bilanciamento e di ottimizzazione tra il capitale investito e il prodotto finale • Caratteristiche produttive legato al tempo - n à numero dei colpi al minuto (cadenza produttiva) - tp à tempo di contatto pezzo/stampo sotto carico - vp à velocità degli stampi sotto carico Tutte queste informazioni vanno ad influire sulla scelta intelligente delle macchine da prendere in considerazione, sul loro utilizzo più efficiente. Queste informazioni sono utili per: • allocare le macchine presenti in azienda in maniera più efficiente • definire con accuratezza la capacità degli impianti esistenti • scegliere o sviluppare macchine Le caratteristiche delle macchine per lo stampaggio influenzano alcuni aspetti della produzione, quali: • la resistenza del materiale che si sta lavorando e la sua formabilità (tramite e’ od il tempo di contatto tra stampi e pezzo) • le temperature specialmente in forgiatura a caldo • carichi ed energie richieste • le tolleranze sui pezzi stampati (il loro grado di precisione) • la velocità di produzione INTERAZIONI TRA PROCESSO E MACCHINA MACCHINE PER LO STAMPAGGIO MACCHINE AD ENERGIA DELIMITATA Stiamo parlando quindi dei MAGLI • Sono le macchine più versatili e più economiche per generare carichi ed energie per un processo di formatura • Sono le macchine di forgiatura più comunemente usate specialmente per lavorare acciaio in lotti di produzione medio-piccoli • È una macchina ad energia delimitata à perché sfruttano l’energia potenziale che viene trasformata in energia cinetica per andare ad indurre la deformazione del pezzo • Possono essere: - Magli a SEMPLICE EFFETTO - Magli a DOPPIO EFFETTO - Magli a CONTRACCOLPO à cambia l’azione di energia che posso andare ad indurre all’interno del materiale MAGLIO A SEMPLICE EFFETTO (gravità) • Accumulano energia potenziale • La caduta libera della mazza converte l’energia accumulata in energia cinetica • L’energia cinetica è in parte usata durante la deformazione del massello ed in parte è dissipata • Solitamente: - m = 300 ÷ 8000 kg - M = (10 ÷ 15) m - Altezza di caduta: 1 ÷ 1.5 metri m = massa della mazza M = massa dell’incudine V1 = velocità di caduta della mazza In generale le presse vengono definite per la curva energia/forza massima (l’energia diminuisce man mano che la forza sta aumentando). L’incastellatura delle presse a vite fa si che la forza di lavoro si scarichi sulla struttura deformandola. Questo comporta una: • Perdita dell’energia disponibile Ed • Una forza massima di lavoro oltre la quale avviene un sovraccarico Il tutto è riportato in un grafico che si chiama curva caratteristica della macchina MACCHINE A CORSA DELIMITATA PRESSE AD ECCENTRICO il movimento è realizzato da un cinematismo biella manovella mosso da un albero eccentrico: • Una frizione mette in contatto l’albero ad un eccentrico con un volano messo in modo da un motore elettrico • Un freno stacca il movimento e blocca la slitta In generale queste presse ad eccentrico hanno delle limitazioni: sono macchine che vengono definite a corsa limitata e definite da un grafico della distanza in funzione della forza. L’area sottesa è l’energia utilizzata per realizzare la lavorazione. Limitazioni nell’utilizzo delle presse meccaniche: • Controllare che l’energia per eseguire lo stampaggio non sia maggiore di quella disponibile per non sovraccaricare il motore • Non superare la forza nominale per cui la macchina è progettata per evitare sovraccarichi • Verificare che il momento torcente richiesto dall’albero eccentrico non sia superiore al massimo ammesso PRESSA A GINOCCHIERA Funzionamento analogo alla precedente ma il pistone è mosso da un azionamento definito a “ginocchiera” MACCHIE A FORZA LIMITATA PRESSE IDRAULICHE Nella realtà un dato molto importante è quello di andare a controllare la forza di deformazione, per questo viene introdotto il concetto di PRESSE IDRAULICHE à presse dove all’interno vi è un fluido in pressione. All’interno della pressa posso andare a controllare la forza che viene impressa nel componente (non vado più a controllare la velocità come nelle macchine ad energia limitata) Posso quindi far variare la forza che vado ad applicare nel corso della deformazione à questo è un dato molto utile per ottimizzare il processo, perché abbiamo visto che i processi di deformazione plastica hanno un trend variabile della forza in funzione dell’avanzamento à posso cercare di controllare l’azione di spinta in funzione della forza effettivamente necessaria per deformare il componente Il movimento del punzone avviene grazie all’azione di un olio in pressione che muove dei pistoni idraulici. Il vantaggio di tale macchina è dettato dalla possibilità di avere una forza disponibile uguale in qualunque punto del ciclo. Delle valvole di limitazione regolano la forza erogata, anche la velocità di lavoro è facilmente regolabile. Tali macchine possono erogare forze molto elevate ed eseguire deformazioni profonde e difficili grazie alla possibilità di regolare la velocità di lavoro. Cinematismo e forze: • Nelle presse più semplici, è possibile controllare la forza massima (attraverso la pressione del cilindro) • Le presse più evolute permettono di controllare la chiusura degli stampi nel tempo La condizione di invariabilità del volume impone che la porta di materiale che attraversa la sezione A-A deve essere la stessa che attraversa B-B e quindi: Dove v e b sono rispettivamente la velocità e la larghezza del laminato. Siccome di norma la deformazione lungo la larghezza è trascurabile è possibile supporre bi =bu e quindi La velocità del laminato quindi aumenta man mano che ci si sposta dall’ingresso all’uscita. D’altra parte, sappiamo che i cilindri ruotano con una velocità periferica costante pari a ωr, quindi, affinché il processo di laminazione possa procedere correttamente deve verificarsi che Deve cioè esistere una sezione, detta sezione neutra, in corrispondenza della quale v = ωr; e quindi prima della sezione neutra i cilindri per attrito trascinano il laminato mentre al contrario dopo l’attrito si oppone all’avanzamento del laminato. In altri termini la sezione neutra è quella sezione in corrispondenza della quale la velocità relativa laminato-rulli è nulla e le tensioni tangenziali di attrito invertono il loro verso. Grazie alle condizioni di attrito che si generano è possibile stabilire una condizione limite di imbocco spontaneo. È infatti possibile stabilire che lungo la superficie di contatto tra laminato e rullo agirà una forza radiale pari a Fr ed una forza di attrito pari d Ft = μ Fr con μ pari al coefficiente di attrito. Affinché si abbia trascinamento allora deve accadere che: Essendo α proporzionale alla lunghezza dell’arco di contatto questo significa che maggiore sarà l’attrito tra laminati e rulli, maggiore sarà la sezione che si potrà ridurre. Con qualche calcolo geometrico è possibile correlare in funzione del coefficiente di attrito la riduzione di spessore massima ottenibile La variazione della pressione di contatto risulta variare in maniera significativa lungo l’arco di contatto e raggiungere il suo valore massimo nella sezione neutra. È possibile notare come il rapporto p/σmedio (indice di quanto la pressione dipenda esclusivamente dal carico di snervamento) dipenda dal coefficiente di attrito e dalla riduzione dello spessore/lunghezza dell’arco di contatto. DIFETTI NEI LAMINATI Difetti che possono avvenire nel processo di laminazione à sono difetti principalmente superficiali e correlati ad una non corretta definizione dei parametri di processo della laminazione. In particolare, sono dei difetti che possono essere dovuti: • Ad una non corretta definizione delle velocità di rotazione dei rulli, piuttosto che la velocità di ingresso e di uscita à si ha quindi una sorta di ondulazione legata ad una variazione degli stati di deformazione al quale è soggetto il laminato • La cosa peggiore che può succedere è quella della rottura del materiale à se lo stato tensionale dovesse assumere dei valori elevati, allora la cosa peggiore è che si crei una fase di rottura, per cui ho la scissione del laminando (questo processo è chiamato ALLIGATORING) I tubi possono essere ottenuti in due modi: • lamiera saldata (elevati rapporti diametro/spessore) - calandratura - giunzione dei lembi • tubi senza saldatura (più pregiati, elevate pressioni, resistenza meccanica, …) - barra piena di partenza - realizzazione del foro - lavorazione del tubo TUBI SENZA SALDATURA • la BARRA DI PARTENZA può essere ottenuta da: - laminazione di bassa con altra sezione - colata continua (più utilizzato perché economicamente vantaggioso) - colata in fossa • REALIZZAZIONE DEL FORO Esistono 4 tipologie di processi: 1. Metodo Mannesmann (universalmente più adottato per la realizzazione del foro all’interno del tubo) 2. Metodo Stiefel (simile a Mannesmann; cambia solo la geometria dei rulli) 3. Laminatorio Pressoforatore 4. Pressa a forare (processo di estrusione) Metodo Mannesmann (da sapere meglio) • I due cilindri con assi sghembi ruotano con lo stesso verso di rotazione trascinando e mettendo in rotazione il laminando • L’angolo di inclinazione degli assi di norma è relativamente piccolo (circa 5˚) • La loro geometria a botte comprime progressivamente il materiale • La rotazione del laminando provoca cicli di sforzo alternato (trazione-compressione) • Lungo l’asse del pezzo si forma una frattura à la presenza di uno stato di tensione e compressione va a deformare il laminando e crea una cavità Questa cavità funge quasi da imbocco • Un mandrino si incunea nella frattura allargando il foro (deformazione dall’interno) LAMINATOIO PRESSO-FORATORE Uno spintone forza il pieno all’imbocco di due cilindri motori a gola scanalata e quindi contro un mandrino a punto che penetra nel pieno provocando il rigonfiamento esterno dello spessore che occupa le gole dei cilindri assumendone la forma. Tramite il laminatoio presso-foratore e il metodo Mannesmann si ottiene un semilavorato à il tubo ottenuto è un tubo forato di piccolo diametro interno, di grosso spessore e di forma ancora irregolare; bisogna quindi andare ad inserire un nuovo processo di finitura del tubo e quindi regolamentare e ridurre lo spessore esterno Possiamo individuare 4 tipi di lavorazione dei tubi: • Laminatoio a passo pellegrino • Laminatoio continuo • Banco a spinta • Laminatoio riduttore stiratore LAMINATOIO A PASSO PELLEGRINO (da sapere meglio) Si chiama così perché simula l’andamento dei pellegrini che avanzano e arretrano durante la loro marcia. Consta di due cilindri sagomati ruotanti in direzione opposta all’avanzamento del forato, si alterna una fase di lento avanzamento del forato mosso da un pistone ad una di laminazione effettiva con moto retrogrado del forato. Questi rulli sono opportunamente sagomati per andare a deformare il tubo piuttosto che andarlo a spingere. Hanno una luce che varia ciclicamente tra un diametro massimo (pari al diametro esterno iniziale del forato) e un diametro minimo (pari al diametro esterno finale del tubo da realizzare). Di conseguenza, nel corso della rotazione, i cilindri realizzano una fase preliminare di imbocco e successivamente una di laminazione, di regolarizzazione del tubo che si va a produrre. La cosa importante è la presenza all’interno del tubo di un mandrino, il cui scopo è evitare che la deformazione vada verso l’interno e quindi non ho uno schiacciamento del tubo, ma un allungamento. LAMINATOIO CONTINUO Consiste in una sequenza di 8-9 gabbie con assi disposti a 90° in sequenza che operano le operazioni di sbozzatura, laminazione e finitura; il diametro esterno viene progressivamente ridotto e la sua sezione interna mantenuta costante grazie ad un mandrino. LAMINATOIO A SPINTA È un processo simile ad una sorta di estrusione all’interno della gabbia di laminazione. • Il forato viene incastrato su un mandrillo • Il mandrillo lo spinge all’interno di una gabbia di laminazione dove però i cilindri non hanno rotazione, quindi sono folli (il loro scopo è quello di schiacciare e stirare la superficie esterna del tubo al fine di ottenere la geometria finale) • Infine, avviene l’estrazione del mandrino LAMINATOIO RIDUTTORE STIRATORE (LRS) Cilindri motorizzati con velocità crescente che esercitano un’azione di tiro fra le gabbie (stiratura): lo spessore nelle prima gabbie aumenta, ma poi cala. L’avanzamento è dovuto ad un fenomeno di tiro che viene generato dalle differenti velocità di rotazioni crescenti che vengono imposte al laminatoio riduttore stiratore. mandrino Cilindri folli Pignone cremaglie ra CONFRONTO TRA LE FORZE NELL’ESTRUSIONE DIRETTA E INVERSA a. Estrusione diretta b. Estrusione inversa ESTRUSIONE DIRETTA • La forza è massima all’inizio per la sovrapposizione delle forze di attrito e di deformazione • Si riduce con il progredire del processo al decrescere della forza di attrito • Torna a crescere alla fine in concomitanza della formazione di angoli morti nel massello ESTRUSIONE INVERSA • La forza è massima all’inizio per via del processo di deformazione • La componente di attrito ha un valore costante e minimo non essendoci moto tra massello e contenitore • La forza aumenta alla fine per le stesse ragioni già viste Posso limitare le zone morta? Le zone morte vanno ad influire negativamente sul mio processo. Sì, posso cercare di realizzare all’interno della camera di estrusione una configurazione tale da ridurre il valore della zona morta. La selezione di una camera di estrusione non sarà con una matrice posta a 90 ˚ rispetto alla camera di estrusione, come si norma, ma ci sarà un “invito”, un angolo a, che facilita lo scorrimento del materiale verso la matrice e riduce le entità della zona morta. Questo a risulta avere un trend sull’azione di spinta. Quindi i fattori importanti in uno stampo di estrusione sono l'angolo dello stampo e la forma dell'orifizio. Piccolo angolo dello stampo à l'area della superficie è ampia, il che aumenta l'attrito sull'interfaccia stampo-billetta • Un maggiore attrito si traduce in una maggiore forza del pistone Grande angolo dello stampo à maggiore turbolenza nel flusso del metallo durante la riduzione • La turbolenza aumenta la forza del pistone richiesta à L'angolo ottimale dipende dal materiale da lavorare, dalla temperatura della billetta e dalla lubrificazione PRINCIPALI DIFETTI CENTERBUST (busto centrale) à Questo difetto è una crepa interna che si sviluppa a seguito di sollecitazioni di trazione lungo la linea centrale dell'estrusione del pezzo da lavorare. Se le sollecitazioni sono sufficientemente grandi si osserva una grande deformazione della superficie rispetto al centro. Il movimento del materiale nella regione superficiale allunga il materiale lungo il centro del pezzo in lavorazione. Il problema del busto centrale è la sua rilevazione. È un difetto interno che di solito non è evidente dall'osservazione visiva Le TUBAZIONI sono un difetto associato all'estrusione diretta. È la formazione di un buco del lavandino all'estremità della billetta. L'utilizzo di un finto blocco il cui diametro è leggermente inferiore a quello della billetta potrebbe evitare questo problema CREPE SUPERFICIALI à Questo difetto è dovuto all'elevata temperatura del pezzo in lavorazione che causa lo sviluppo di crepe sulla superficie. Spesso si verificano quando la velocità di estrusione è troppo elevata o in caso di coefficiente di attrito elevato TRAFILATURA È l’operazione con la quale si modifica, di solido a freddo, la sezione di un grezzo/semilavorato metallico facendolo passare, mediante una azione di trazione longitudinale, attraverso un foro tronco-conico detto trafila o filiera o matrice. Nel caso della trafilatura si ha la trazione, cioè la forza non è più applicata al materiale che deve essere deformato, ma al materiale già deformato. Questo materiale viene sottoposto ad un tiro, che fa si che il materiale scorra all’interno di una matrice caratterizzata da: una luce che ha un diametro minore rispetto al diametro in ingresso e un’inclinazione della matrice, per indurre la deformazione del materiale. Dettagli: • Zona di ingresso: incorpora il lubrificante nello stampo per evitare rigature sul lavoro e approccio dello stampo: regione a forma di cono in cui si verifica il disegno • Superficie portante: determina la dimensione del grezzo finale • Rilievo posteriore - zona di uscita - fornito con un angolo di scarico posteriore (semi- angolo) di circa 30 • Materiali stampo: acciai per utensili o carburi cementati Il materiale da lavorare viene sottoposto al seguente ciclo: • T. T. di ricottura (se il pezzo è incrudito) • Decapaggio (asportazione dello strato superficiale di ossido) • Riduzione del diametro di una estremità per essere infilato nella filiera