ELEMENTI DI PRODUZIONE METALMECCANICA

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1 ELEMENTI DI PRODUZIONE METALMECCANICA 156 Introduzione ai processi di produzione metalmeccanica I processi di produzione metalmeccanica si possono classificare nelle tre grandi famiglie di seguito indicate. Processi di lavorazione per fusione Il materiale viene fuso e colato in vuoti (forme) transitorie o permanenti Processi di lavorazione per deformazione plastica Vengono applicate forze al materiale che lo portano oltre il limite di snervamento, provocando deformazioni permanenti. Fusione in forma transitoria (fusione in sabbia), fusione in forma permanente (fusione in conchiglia, pressofusione) Laminazione, stampaggio, estrusione, piegatura, imbutitura, punzonatura, tranciatura, ecc. Processi di lavorazione per asportazione di materiale Si ottiene la forma voluta asportando materiale da una geometria iniziale. Tornitura, fresatura, foratura, alesatura, rettifica, ecc. Appunti di Disegno Tecnico Industriale 157 1

2 Ciclo di lavorazione Un prodotto finito, normalmente, non si ottiene utilizzando un unico processo produttivo, ma piuttosto applicando in serie vari processi. Materie prime Semilavorato Prodotto finito Ad esempio, un ciclo di lavorazione (semplificato), potrebbe essere il seguente: Fusione in sabbia Tornitura Rettifica La progettazione di un ciclo di lavorazione è compito di solito complesso e laborioso. La scelta del processo produttivo dipende soprattutto da motivazioni tecniche ed economiche. Aspetti tecnici Necessità di garantire adeguate tolleranze o livelli di finitura superficiale Necessità di garantire adeguati livelli di resistenza ed affidabilità del componente Aspetti economici Volume di produzione (maggiori volumi di produzione giustificano investimenti più alti in macchinari e personale) Appunti di Disegno Tecnico Industriale 158 Procedimenti di fusione I procedimenti di fusione si basano sulla proprietà delle leghe di essere fuse e quindi colate all interno di appositi stampi (forme) dei quali, in seguito alla solidificazione, ne assumono la forma. Il pezzo che risulta dal procedimento di fusione viene detto greggio (o grezzo) di fonderia, e, nella maggioranza dei casi, andrà incontro ad ulteriori ad ulteriori lavorazioni prima di diventare prodotto finito. Fusione in forma transitoria Ciascuna forma, distrutta all atto dell estrazione del greggio, viene utilizzata per una sola colata (con una sola colata si possono produrre più pezzi) I grezzi di fonderia hanno caratteristiche scadenti in termini di geometria e finitura superficiale È un processo adatto a bassi volumi di produzione (non richiede elevati investimenti) Fusione in forma permanente Ciascuna forma viene utilizzata per un elevato numero di colate. I grezzi hanno caratteristiche geometriche e di finitura superficiale migliori rispetto alla fonderia in forma transitoria. È un processo adatto ad elevati volumi di produzione (può richiedere investimenti elevati) Appunti di Disegno Tecnico Industriale 159 2

3 Fusione in sabbia Il processo di fusione in sabbia prevede le seguenti fasi: -realizzazione di un modello in legno; -realizzazione delle anime (se necessario) -formatura -colata -estrazione e pulitura del getto Supponiamo, nelle trasparenze che seguono, di dover realizzare il pezzo di seguito rappresentato Appunti di Disegno Tecnico Industriale 160 Realizzazione del modello Il modello, generalmente realizzato in legno e rivestito di opportune vernici che ne facilitano l estrazione dalla forma, ricalca, in linea di massima, la forma del pezzo che vogliamo ottenere. Tuttavia da essa differisce per i seguenti aspetti: -dimensioni leggermente maggiorate per tenere conto del ritiro dovuto alla solidificazione; -presenza di sovrammetalli, ossia di zone nelle quali volutamente vi è aggiunta di materiale che verrà successivamente asportato con lavorazioni alle macchine utensili Nel caso si utilizzino anime è necessario, inoltre, prevedere opportune portate d anima. Caratteristica dei modelli per fonderia, e quindi dei pezzi prodotti per fusione, è la presenza di angoli di sformo, illustrata in una successiva trasparenza. Portate d anima Esempio di modello scomponibile Appunti di Disegno Tecnico Industriale 161 3

4 Formatura e realizzazione delle anime Una volta creato il modello, questo viene utilizzato per creare la forma all interno della quale verrà colato il metallo fuso. Normalmente la forma è costituita da due semiforme richiudibili l una sull altra. Le anime sono anch esse costituite di sabbia da fonderia. Vengono inserite all interno delle semiforme, e sono destinate ad occupare quei volumi che, nel pezzo finito, dovranno risultare vuoti. Anche le anime si realizzano attraverso opportune forme in legno denominate casse d anima. Casse d anima Staffa Piano di separazione Sabbia per fonderia Semiforma Anima Appunti di Disegno Tecnico Industriale 162 Colata ed estrazione del getto Una volta realizzate le due semiforme e le eventuali anime, posizionate queste ultime nella semiforma inferiore, chiuso il tutto con la semiforma superiore (sulla quale, in generale, vengono ricavati i canali di alimentazione e di colata e la materozza), si procede alla colata del metallo fluido. La materozza ha il compito di portare esternamente al getto il baricentro termico (zona che solidifica per ultima), nella cui prossimità possono verificarsi fenomeni quali cricche ed irregolarità del getto. A solidificazione avvenuta si procede ad eliminare i canali di colata, la materozza, e le eventuali bave lungo il piano di separazione. Sistema di alimentazione Materozza Solidificazione Fase di colata Grezzo di fonderia con bava, canale di alimentazione/colata e materozza Appunti di Disegno Tecnico Industriale 163 4

5 Caratteristiche geometriche dei pezzi prodotti per fusione in sabbia (1) Si riassumono qui di seguito le caratteristiche geometriche dei pezzi prodotti attraverso fusione in sabbia. Rugosità elevata: la finitura superficiale di questi pezzi è di solito grossolana. Assenza di spigoli vivi: gli spigoli vivi sono sconsigliabili in quanto la forma si danneggia facilmente. Soluzioni da evitare Soluzioni da preferire Appunti di Disegno Tecnico Industriale 164 Caratteristiche geometriche dei pezzi prodotti per fusione in sabbia (2) Presenza di angoli di sformo: le superfici del getto ortogonali al piano di separazione sono inclinate rispetto alla direzione di estrazione per favorire l estrazione del modello dalla sabbia di fonderia. Piano di separazione Direzione di estrazione Valori minimi consigliati Altezza A Fino a 10mm Da 10 a 35 mm Da 35 a 150 mm Oltre 150 mm Formatura a mano α Formatura a macchina α Appunti di Disegno Tecnico Industriale 165 5

6 Caratteristiche geometriche dei pezzi prodotti per fusione in sabbia (3) Spessori uniformi: per evitare risucchi e cavità (dovuti a differente tempo di raffreddamento tra zone adiacenti) è consigliabile uniformare gli spessori ed evitare i bruschi passaggi di sezione. Soluzioni da evitare Soluzioni da preferire Appunti di Disegno Tecnico Industriale 166 Caratteristiche geometriche dei pezzi prodotti per fusione in sabbia (4) Assenza di sottosquadri: i sottosquadri rappresentano quelle zone che vengono a trovarsi al di sotto del piano di separazione e che costituiscono un ostacolo all estrazione del modello. In genere si cerca di evitarli, in quanto la loro presenza può richiedere l utilizzo di anime di forma complessa Piano di separazione Anime Sottosquadri Il modello è estraibile dalla forma senza grosse difficoltà A causa della presenza di sottosquadri non è possibile estrarre il modello dalla forma senza romperla. È necessario prevedere l utilizzo di anime Appunti di Disegno Tecnico Industriale 167 6

7 Processi di lavorazione per asportazione di materiale I procedimenti di lavorazione per asportazione di materiale (o per asportazione di truciolo) permettono, a partire da una geometria iniziale, di raggiungere la forma voluta mediante la rimozione della quota di materiale in eccesso (sovrammetallo). In genere si realizzano in due o tre fasi (in ordine cronologico): 1. sgrossatura: lavorazione grossolana e veloce che permette di asportare la maggior parte del materiale; 2. finitura (lavorazione a quota): più fine e più lenta della precedente, permette di portare il pezzo alle dimensioni volute; 3. rettifica (lavorazione a tolleranza): ancora più fine della precedente, permette di ottenere le tolleranze specificate. L asportazione di truciolo si basa sul moto relativo (moto di taglio) tra la superficie del pezzo da lavorare e l utensile. Il moto di alimentazione è invece il moto che permette di portare sotto l utensile sempre nuovo materiale da asportare. Entrambi i moti, a seconda della macchina utensile utilizzata, possono essere posseduti dall utensile o dal pezzo. Appunti di Disegno Tecnico Industriale 168 Il tornio Il tornio è una delle macchine più utilizzate nell industria meccanica. Consente di lavorare pezzi assialsimmetrici. L utensile è monotagliente. Il moto di taglio è posseduto dal pezzo, quello di avanzamento dall utensile. Menabrida Brida Contropunta Mandrino montaggio del pezzo tra le punte montaggio del pezzo a sbalzo 1) Base 2) Vano motore 3) Mandrino (trasmette il moto al pezzo da lavorare) 4) Torretta (sostiene l utensile) 5) Slitta inferiore (permette il movimento longitudinale dell utensile) 6) Guida 7) Slitta trasversale (permette il movimento trasversale dell utensile) 8) Piattaforma 9) Controtesta 10) Contropunta Appunti di Disegno Tecnico Industriale 169 7

8 Lavorazioni al tornio Cilindratura esterna (tornitura longitudinale) Sfacciatura (tornitura radiale) Lavorazione di parte conica Lavorazione di parte assialsimmetrica di forma generica Esecuzione di una filettatura Esecuzione di uno smusso Cilindratura interna Esecuzione di una gola Appunti di Disegno Tecnico Industriale 170 Geometria dei pezzi lavorati al tornio Si riportano qui alcune considerazioni sulla geometria dei pezzi lavorati al tornio. La geometria del pezzo deve essere tale da consentire il disimpegno dell utensile Adottare gole di scarico per separare le superfici soggette a differenti lavorazioni L esecuzione di lavorazioni interne è più onerosa dell esecuzione di lavorazioni esterne Appunti di Disegno Tecnico Industriale 171 8

9 La fresatrice La fresatrice è una macchina d officina molto versatile che permette di eseguire svariati tipi di lavorazioni. L asse di rotazione a cui è collegato l utensile (fresa, utensile pluritagliente) può essere movimentato secondo un certo numero di gradi di libertà (da 2 a 5). Tipologie di frese 1) Base 3) Fresa 5) Slitta portapezzo 2) Mandrino (asse orizzontale) 4) Mandrino (asse verticale) 6,7) Slitte mobili 8,9,10) Guide Appunti di Disegno Tecnico Industriale 172 Lavorazioni alla fresatrice Con la fresatrice è possibile eseguire numerose lavorazioni. Esistono due lavorazioni fondamentali quali la fresatura frontale e la fresatura periferica. Le altre possono essere considerate come combinazioni di queste due. Utensile Utensile Profondità di passata Avanzamento Avanzamento Fresatura frontale (asse di rotazione dell utensile ortogonale alla superficie da lavorare) Spianatura Profondità di passata Contornatura Fresatura periferica (asse di rotazione dell utensile parallelo alla superficie da lavorare) Realizzazione di una tasca Lavorazione di una superficie curva Appunti di Disegno Tecnico Industriale 173 9

10 Geometria dei pezzi lavorati alla fresa La geometria del pezzo deve essere tale ridurre il numero di passate della fresa La geometria del pezzo deve essere tale consentire la movimentazione dell utensile Superficie da lavorare Superficie da lavorare Appunti di Disegno Tecnico Industriale 174 Il trapano Il trapano è una macchina da officina usata principalmente per la lavorazione di fori: foratura, allargatura, alesatura, lamatura, svasatura. Allargatura Alesatura Lamatura 1) Base 2) Colonna 3) Motore 4) Testa motrice 5) Mandrino 6) Portapezzo 7) Guide Appunti di Disegno Tecnico Industriale

11 Geometria dei pezzi lavorati al trapano Fare in modo che la punta da trapano entri in direzione ortogonale alla superficie da forare (possibile deviazione della punta) ( ringrosso ) (spianatura) Fare in modo che la punta da trapano esca in direzione ortogonale alla superficie da forare (possibile rottura della punta) ( ringrosso ) Appunti di Disegno Tecnico Industriale 176 Altre macchine utensili Si riportano qui una breve descrizione di due macchine utensili di utilizzo relativamente comune: la stozzatrice e la brocciatrice. Stozzatrice È una macchina ad utensile monotagliente con movimento verticale. È utilizzata per realizzare sedi per chiavette/linguette su mozzi. Broccia Brocciatrice È una macchina ad utensile pluritagliente con movimento orizzontale. È utilizzata per ottenere fori sagomati a partire da fori circolari. Pezzo Organo di trazione Possibili forme finali Forma iniziale Appunti di Disegno Tecnico Industriale

12 Processi di lavorazione per deformazione plastica I procedimenti di lavorazione per deformazione plastica sfruttano le proprietà che alcuni materiali hanno di deformarsi permanentemente sotto l azione di carichi esterni, una volta superato il loro limite di snervamento. Le lavorazioni per deformazione plastica possono avvenire a caldo o a freddo: nel primo caso sono necessarie forze minori, a fronte, però, di finiture superficiali e di tolleranze più scadenti. In generale le tolleranze e il grado di finitura superficiale ottenibili sono superiori rispetto ai procedimenti di fusione, ma inferiori a quelli raggiungibili con lavorazioni alle macchine utensili. Le caratteristiche meccaniche dei pezzi costruiti per deformazione plastica sono di norma buone, ed in generale superiori a quelle ottenibili attraverso processi di fonderia. Appunti di Disegno Tecnico Industriale 178 Laminazione e stampaggio Laminazione La laminazione consiste nel far passare il materiale attraverso due cilindri, lisci od opportunamente sagomati, ruotanti in senso opposto. Il prodotto finito si ottiene, di solito, attraverso una serie di lavorazioni successive. Tipi prodotti ottenuti per laminazione sono i profilati. Stampaggio Nello stampaggio un blocco di materiale (massello) è sottoposto all azione di una pressa che lo forza all interno di uno stampo in maniera da fargli assumere la forma voluta. Tipicamente i prodotti stampati hanno spessori sottili (dell ordine di 2-3 mm). Sono costruiti per stampaggio molte parti di autoveicoli (cofano, portiere, ecc). Massello Possibili forme di pezzi prodotti per laminazione Schema del processo di stampaggio Appunti di Disegno Tecnico Industriale

13 Piegatura e imbutitura Piegatura La piegatura è un processo molto semplice che si esegue attraverso macchine (piegatrici) in cui una lamiera è premuta tra un punzone ed una matrice. Imbutitura L imbutitura consente di realizzare forme cave allungate a partire da una lamiera piana. Punzone Premilamiera Punzone Matrice Matrice Processo di piegatura Tipiche forme di oggetti realizzati per imbutitura Appunti di Disegno Tecnico Industriale 180 Estrusione e trafilatura Estrusione L estrusione è un processo con cui si forza un materiale a passare attraverso una matrice di forma predeterminata. Può essere diretta o inversa: nel primo caso il pistone spinge il materiale verso la matrice, nel secondo è la matrice a muoversi. Matrice Trafilatura Nella trafilatura il materiale è costretto a passare attraverso una sezione di forma predeterminata da una forza applicata di trazione. Le forme tipiche ottenute per trafilatura sono le barre, i fili ed i profilati. Matrice Estrusione diretta Matrice Estrusione inversa Tipiche forme di oggetti realizzati per estrusione Appunti di Disegno Tecnico Industriale

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