- 4a - I PROCESSI TECNOLOGICI DI BASE

Transcript

1 - 4a - I PROCESSI TECNOLOGICI DI BASE Deformazione Plastica 1 In questo caso si ottiene la forma finale desiderata del pezzo per mezzo della sua deformazione plastica sfruttando il fatto che, sopra il limite di snervamento e prima del limite di rottura, un materiale si lascia deformare tramite l azione di forze esterne mantenendo nel tempo la nuova forma acquisita anche dopo la rimozione della forza che ha prodotto la deformazione. s Tratto plastico Snervamento Tratto elastico e 2

2 La deformazione può avvenire a caldo 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 (ad esempio nastri, fogli di alluminio, fili, ). La temperatura e la velocità di deformazione influenzano la resistenza meccanica. 3 Effetto di deformazione e velocità di deformazione 4

3 Si hanno lavorazioni di forgiatura di primo grado quando lo scopo è quello di produrre manufatti o semilavorati utilizzabili per ulteriori lavorazioni meccaniche. In altri casi si ottengono prodotti finiti che possono essere impiegati direttamente senza particolari lavorazioni successive. 5 6

4 LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA Laminazione Estrusione Trafilatura Di sbozzatura blumi, bramme, billette, tubi Di semifinitura profilati, piatti, lamiere, tubi Di finitura lamiere, nastri, vergelle, tubi Diretta Inversa Per urto anche in questi casi si hanno prodotti finiti (profilati, ) o semilavorati (tondi, forati, ) per successive lavorazioni di messa a punto della forma Di fili Di barre Di tubi generalmente queste operazioni sono condotte a freddo e servono per produrre manufatti da mettere in opera direttamente (fili, tubi, ) 7 LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA Forgiatura Fucinatura con stampi aperti Stampaggio con forme chiuse Operazioni successive taglio bave, taglio prefori, Lavorazione delle lamiere Piegatura Imbutitura Taglio cesoiatura, tranciatura, punzonatura 8

5 Concetti base Operazioni più semplice è la compressione di un cilindro Confronto tra presenza o meno dell attrito Impariamo subito che ha una grossa influenza 9 Cosa succede al materiale? Flusso dei grani (fibre del materiale) 10

6 1. La laminazione 11 Produzione di billette tramite colata continua Colata continua 12

7 Colata continua 13 La laminazione piana (lamiere) Il processo di laminazione piana serve per ridurre una delle tre dimensioni di un corpo a forma di parallelepipedo, in genere lo spessore, trascinando il materiale attraverso due cilindri ad assi paralleli e rotanti in senso opposto. f 0 H 0 H Sagomando in maniera opportuna le luci tra i cilindri, si possono ottenere prodotti di varia sezione. 14

8 Struttura del materiale Si vede come al termine della lavorazione si ha un materiale decisamente migliore rispetto a quello ottenuto per fusione maggiore resistenza e buona duttilità grazie al grano fucinato 15 Problematiche per le elevate forze di laminazione Confronto tra cilindri rettilinei e cilindri con profilo curvato Difetti nei prodotti 16

9 Condizione di trascinamento in laminazione piana Si ha trascinamento quando: T cosf P sinf Ovvero: T / P tanf Ma: T P f Quindi: f tanf 17 Gabbia di laminazione e cilindri di laminazione 18

10 Gabbie di laminazione (a) Gabbia a due rulli (duo) (b) Gabbia a tre rulli (trio) (c) Gabbia a quattro rulli (d) Treno di laminazione a tre gabbie (e) Laminatoio planetario (f) Laminatoio Sendzimir 19 Esempio di calibratura dei rulli per l ottenimento di una sezione a «L» 20

11 Esempio di ottenimento di una sezione a «H» 21 Treno di laminazione 22

12 Treno di laminazione 23 Treno di laminazione 24

13 Treno di laminazione 25 La laminazione per la produzione dei forati Mannesmann Stiefel Presso foratore 26

14 Laminatoio obliquo - Mannesmann Barra Forato Punta di perforazione Cilindri di lavoro 27 Schema dell impianto 28

15 Schema delle sollecitazioni Cilindro Trazione Compressione Cilindro F Trazione Compressione F Primo contatto Barra/Cilindri Rottura assiale (effetto Mannesmann) nel cono di entrata 29 Sezione del forato 30

16 31 Laminatoio presso-foratore 32

17 Schema di funzionamento Cilindri Punzone Spintore Barra quadra 33 Altra possibilità: pressa a forare 34

18 Laminatoi per la lavorazione di tubi Passo di pellegrino - LPP Continuo - LC A spinta Riduttore stiratore - LRS 35 Laminatoio a passo di pellegrino Tubo Forato Mandrino Cilindri pellegrino 36

19 37 38

20 Laminatoio continuo Mandrino Tubo Forato Cilindri di laminazione (alternativamente sfasati di 90 ) 39 40

21 Impianto di un LC 41 Calibri di un LC 42

22 Banco a spinta Inizio Laminazione Cilindri folli Mandrino Laminazione Pignone cremagliera Fine Laminazione 43 44

23 Impianto di un banco a spinta 45 Laminatoio riduttore stiratore - LRS 46

24 Schema di un LRS Cilindri motorizzati con velocità crescente che esercitano una azione di tiro fra le varie gabbie (stiratura): lo spessore nelle prime gabbie aumenta, ma poi cala

25 Impianto di un LRS 49 Impianto di un LRS 50

26 Ring rolling Laminazione di anelli Permette di ottenere anelli a sezione costante (da rettangolare a sagomata) con diametro da qualche decina di mm a vari metri La riduzione di spessore (distanza tra Idle roll e Driven roll) porta ad un aumento del diametro e dell altezza dell anello Gli Edging roll contengono l aumento di altezza I cilindri possono essere sagomati per ottenere sezioni come in (b), (c) e (d) 51 Rullatura per l ottenimento di filetti 52

27 2. L estrusione Consiste nell obbligare un massello cilindrico (posto in un contenitore) a fluire attraverso un foro (realizzato in una matrice) mediante l azione di una forza di spinta assiale. Può essere fatta a caldo e a freddo (caratteristiche diverse del prodotto finito) Solo su materiali adeguati Rapporto di estrusione S 0 S f 53 Tipi di estrusione (a) Diretta (b) Indiretta (c) Idrostatica (d) Per impatto 54

28 Confronto tra estrusione diretta e indiretta Si ha movimento relativo (e quindi attrito) fra le pareti del contenitore ed il materiale Estrusione diretta Estrusione inversa 55 Influenza dell angolo di estrusione sul prodotto finito. b a Confronto dell andamento delle pressioni di spinta nella estrusione diretta (a) ed inversa (b) 56

29 Calcolo della forza 1. Billetta iniziale 2. Zona in deformazione 3. Zona morta 4. Materiale estruso Ftot Fdef F1 at F2 at F3 at F1 dis F2 dis perdite F 1at F 1dis F 2at F 2dis F 3at F 3at F 1dis F 2at F 2dis 57 Esempi di processi produttivi e di prodotti estrusi 58

30 Estrusione di tubi e sezioni cave: matrici a ponte 59 Matrici a ponte Primary flow Secondary flow 60

31 Matrici a ponte 61 Linee di saldatura 62

32 Filmato 63 Estrusione per impatto (o urto) 64

33 Cosa è possibile fare con questa tecnologia? 65 Cosa è possibile fare con questa tecnologia? 66

34 Cosa è possibile fare con questa tecnologia? 67 Cosa è possibile fare con questa tecnologia? 68

35 Esempio di matrice per estrusione Lavorazione tramite elettroerosione a filo 69 Esempio di matrici per estrusione 70

36 Difetti di estrusione Difetti di saldatura in matrici a ponte Chevron cracks 71 Influenza del processo sul materiale 72

37 3. Trafilatura di barre e di fili È l operazione con la quale si modifica, di solito a freddo, la sezione di un prodotto metallurgico facendolo passare, mediante una azione di trazione longitudinale, attraverso un foro tronco-conico detto trafila o filiera o matrice. a T T tot T deformazione T attrito T distorsione 73 Trafilatura di barre 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 Lubrificazione Serraggio e tiro con gli organi di presa Le filiere devono essere costruite in materiale duro e resistente all usura nonché indeformabile: ghisa dura, acciai legati, carburi metallici e diamante. 74

38 Trafilatura di fili 75 Influenza dell angolo di trafilatura Forza totale Minima forza T C A Angolo ottimale B/ Angolo T A B C A: lavoro di deformazione B/ : lavoro speso per attrito ( se ) C : lavoro speso per distorsione ( se ) 76

39 Influenza dell angolo di trafila Al variare del rapporto di riduzione, varia il valore dell angolo ottimale di trafila 77 Trafilatura dei tubi Generalmente a freddo: problema dell incrudimento Velocità fino a 14 m/min Tre zone di deformazione Per migliorare la finitura superficiale si usano oli minerali pesanti o sego 78

40 Trafilatura dei tubi Riduzione del diametro Libero - Con tappo Con mandrino mobile - Con mandrino fisso 79 Trafilatura dei tubi Aumento del diametro 80

41 4. Fucinatura / Forgiatura / Stampaggio Corrisponde alla deformazione plastica di un massello attraverso l applicazione di forze esterne esercitate mediante stampi aperti o chiusi e può interessare tutto il volume del particolare o solo una sua parte 81 Fucinatura Questa operazione ha caratteristiche e vantaggi molto simili alla fusione in quanto permette l ottenimento di particolari molto vicini alla forma del pezzo finale limitando quindi molte operazioni alle macchine utensili e senza troppo consumo di materiale 82

42 Stampaggio 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. 83 Un esempio Effetto dei raggi di raccordo sul flusso di materiale e conseguente difetto di riempimento 84

43 La camera scartabava E importante saper prevedere e gestire il flusso plastico del materiale durante tutta la fase di riempimento dello stampo Importante è la camera scarta bave che ha un triplice scopo: Contenere il movimento centrifugo del materiale Accogliere il materiale in eccesso Ammortizzare il colpo durante la chiusura degli stampi s 0, 07 A p 85 La camera scartabava: come contiene il moto centrifugo del materiale Il movimento centrifugo del materiale è contenuto in quanto si ha un grande incrudimento del materiale nella luce di trafilatura esaltato dalla diminuzione locale di temperatura. Il materiale esce quindi dalla luce delle bave con sempre maggiore difficoltà ed è costretto a rimontare garantendo il riempimento dello stampo. Le bave vanno poi tranciate 86

44 Esempio di difetto nel pezzo dovuto a mancato riempimento ed a flusso plastico non ottimale 87 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 sbozzato viene data la forma voluta mediante operazione al maglio o alla pressa Tranciatura delle bave Sul pezzo stampato vengono eliminate le bave che si sono formate 88

45 Lo stampaggio realizzato in più fasi Si vede forgiatura seguita da due fasi di stampaggio Acciaio ad alta temperatura Concetto riempimento cavità Effetto camera scartabava 89 Processo tecnologico Cliccare sul filmato per avviarlo 90

46 Processo tecnologico 91 Stampi con parti mobili 92

47 Aspetti che vanno presi in considerazione nella progettazione della cavità di uno stampo Ritiri + Sovrametalli Tensioni di ritiro Possibilità di estrarre il pezzo dallo stampo angoli di spoglia differenti per superfici interne ed esterne Impossibilità di realizzare fori passanti Realizzazione di membrane con spessore da 2 a 3 volte lo spessore della camera scarta bava Impossibilità di realizzare sottosquadri 93 Andamento delle forze nello stampaggio 94

48 Il grande vantaggio è l incremento di caratteristiche meccaniche che si ricava come risultato del flusso plastico: le fibre del materiale si orientano cioè in modo tale da conferire caratteristiche resistenziali che il pezzo fuso non ha. 95 Esempi di forgiatura/fucinatura 96

49 97 98

50 Vantaggi Si ha doppio vantaggio di non dovere partire da pieni da cui ottenere la forma finale solo tramite asportazione di truciolo (costi in termini di tempo e processo) e di poter contare su una distribuzione delle fibre del materiale che incrementa le caratteristiche resistenziali del pezzo prodotto sbozzato finito 99 Aspetti economici Typical unit cost (cost per piece) in forging. Note how the setup and the tooling costs per piece decrease as the number of pieces forged increases, if all pieces use the same die. Relative unit costs of a small connecting rod made by various forging and casting processes. Note that, for large quantities, forging is more economical. Sand casting is the more economical process for fewer than about 20,000 pieces. 100