TECNOLOGIA MECCANICA II

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1 2008 TECNOLOGIA MECCANICA II Corso di Laurea Specialistica in Ing. Meccanica tenuto dal prof. Luigi Tricarico. Sunto degli argomenti trattati nel corso omonimo che propone essenzialmente una rielaborazione delle dispense ricoprendo i due macro-argomenti: MATERIALI E STUDI DI FABBRICAZIONE e LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI. A.D. Cardillo A. delli Carri V.A. Nigro Politecnico di Bari 09/01/2008

2 II SOMMARIO Sommario... II MATERIALI E STUDI DI FABBRICAZIONE RICHIAMI INTRODUTTIVI SUI PROCESSI DI FONDERIA... 1 Passi principali nella realizzazione di un oggetto per fusione... 4 Disegno del getto... 5 Disegno del modello PIANIFICAZIONE PROCESSO DI FABBRICAZIONE PER FUSIONE E STIMA DEI COSTI... 8 Scelta di un processo in base ai requisiti... 8 Definizione delle fasi e dei parametri del processo Stima dei costi Fattore di complessità della forma Complessità di superfici ed anime Costo degli utensili Costo del materiale: getto, anime e forma Costo dell energia Costo del lavoro Scelta di un processo in base ai costi Confronto tra colata in terra e pressofusione LA GHISA NELLA PRODUZIONE DEI GETTI Classificazione delle ghise Elementi Grafitizzanti, Antigrafitizzanti e di lega Impiego Designazione e Costi Ghise bianche Struttura e Applicazioni Composizione e Proprietà meccaniche Ghise conchigliate o temprate o trotate Caratteristiche... 18

3 III Applicazioni Ghise grigie Influenza della composizione chimica Grafite nelle ghise Vantaggi e svantaggi delle ghise grigie Ghise malleabili Proprietà meccaniche Realizzazione getti Ghise malleabili a cuore bianco Ghise malleabili a cuore nero Ghise sferoidali (Europa) Ghise duttili o nodular (USA) Inoculazione Solidificazione e raffreddamento Proprietà e campi di applicazione Ghise legate Resistenti alla corrosione Resistenti al calore Studio di progetto di un getto in ghisa: alloggiamento dell asse per un trasportatore cingolato Fasi per lo studio del progetto Caratteristiche del componente Le problematiche Benefici nell uso della ghisa duttile: riduzione dei costi ed aumento delle prestazioni L approccio del disegno della colata Aspetti critici della progettazione della colata Disegno del cilindro Disegno delle nervature di rinforzo Disegno del modello e delle anime per la produzione delle scanalature Disegno del modello: controllare modulo di raffreddamento e solidificazione Controllo del costo del modello Disegni definitivi Conclusioni... 34

4 IV Studio di progetto di un getto in ghisa duttile: giunto cardanico in un motore marino tra entrobordo-fuoribordo Fasi per lo studio del progetto Caratteristiche del componente Le problematiche Benefici nell uso della ghisa duttile: riduzione dei costi ed aumento delle prestazioni Aspetti critici della progettazione della colata Requisiti e scelta della ghisa da utilizzare Disegno per ottenimento di una forma a rete Forma a rete e costi di lavorazione Disegno finalizzato alla producibilità ed alla qualità Scelta del materiale del modello sul costo di lavorazione e la sua vita utile Disegno finale del modello superiore ed inferiore Lavorazioni finali Conclusioni ACCIAI INOSSIDABILI (INOX) Acciai inossidabili: Effetto della composizione Classificazione degli acciai inossidabili Classificazione e proprietà degli acciai inossidabili ferritici Acciai inossidabili martensitici Acciai inossidabili austenitici Acciai inossidabili induriti per precipitazione Acciai Inossidabili Bifasici (DUPLEX) Proprietà Impiego Tipi di corrosione Corrosione per vaiolatura (pitting corrosion) Corrosione Interstiziale o in fessura (crevice corrosion) Corrosione Intergranulare o intercristallina Corrosione sotto tensione o Stress Corrosion Studio di progetto di un getto in acciaio: disco rotore per il motore di trazione in una locomotiva diesel... 56

5 V Fasi per lo studio del progetto Caratteristiche del componente Requisiti Aspetti critici della progettazione della colata Scelta dell acciaio Composizione della lega AISI-SAE Scelta del metodo di formatura Orientamento del componente nella forma Scelta del sistema di colata Disegno finale del guscio di formatura del getto Ottenimento del getto Lavorazione meccanica del getto Controllo di qualità Conclusioni Studio di progetto di un getto in acciaio per microfusione: braccio-leva nel sistema di distribuzione di motori BMW Fasi per lo studio del progetto Il sistema Valvetronic della BMW Utilizzo della tecnologia di fusione nel sistema Valvetronic Il componente oggetto di studio: il braccio a leva intermedio Analisi delle opzioni di produzione Scelta del materiale Scelta del processo di formatura: la microfusione Caratteristiche e progettazione del sistema di colata Scelta della configurazione ed orientazione della forma Assemblaggio dei modelli Investment e colata Pulitura, taglio, ricottura e lavorazioni per asportazione di truciolo Trattamento termico e rettifica Nitrurazione al Plasma... 69

6 VI Controllo di qualità Conclusioni Studio di progetto di un getto in acciaio: accumulatore idraulico per un sottomarino della Marina Americana Fasi per lo studio del progetto L applicazione e la descrizione del componente Il progetto ed il processo originario Scelta dell acciaio inossidabile Duplex Colata centrifuga Trattamento termico e lavorazione meccanica Controllo di qualità Conclusioni ALLUMINIO E LEGHE DI ALLUMINIO Leghe di Alluminio Leghe semilavorate Leghe non trattabili termicamente Leghe trattabili termicamente Trattamenti termici Ricottura Tempra di soluzione (TG) Invecchiamento Distensione Designazione convenzionale dell alluminio e delle sue leghe semilavorate Stato di fornitura Leghe da Fonderia Designazione leghe da fonderia Leghe di Alluminio: effetto elementi di lega Studio di progetto di un getto in Lega di Alluminio: supporto di chiusura per un BOEING Fasi dello studio del getto Applicazione Funzione e Disegno... 87

7 VII Supporto uplock: Descrizione Il problema del progetto del getto Selezione della Lega d'alluminio Caratteristiche del getto per quanto riguarda resistenza e rigidezza Caratteristiche del progetto Controllo della microstruttura Scelta delle zone su cui effettuare lavorazioni alle macchine utensili Colata dell alluminio Processo di saldatura Controllo qualità Conclusioni Studio di progetto di un getto in Alluminio: monoblocco per motori della General Motors su modelli Truck/SUV Studio del Progetto Motori GM per fuori-strada ed autocarri Progetto del motore I problemi del progetto del getto Scelta della Lega d alluminio Leghe prese in considerazione per questa applicazione Confronto: colata in sabbia verde e colata in forma persa Colata in forma persa Caratteristiche dettagliate del getto Modello di poliestere espanso Formazione del polistirolo espanso Rivestimento del modello Procedura per rivestire il modello Riempimento con sabbia e Compattazione Colata del metallo Decomposizione del Modello Controllo qualità Ricapitolazione dei concetti sviluppati

8 VIII Conclusioni Studio di progetto di un getto in Alluminio: pedale del freno di una Chevrolet Corvette L Applicazione e la descrizione del componente Scelta del metodo di produzione Studio di progetto di un getto in Alluminio: ventilatore termo-elettrico Scelta del materiale Scelta del processo di colata e risoluzione problemi RAME E SUE LEGHE Vantaggi e Svantaggi Proprietà del rame Classificazione e designazione del rame Classificazione e designazione del rame raffinato Rame contenete Ossigeno molecolare Rame Disossidato Rame esente da ossigeno Classificazione e designazione del rame basso legato Rame all argento Rame al tellurio ed allo zolfo Rame all arsenico Proprietà meccaniche del rame raffinato e basso legato Leghe di Rame Trattamenti termici delle leghe di rame Classificazione e designazione delle leghe di rame Ottoni Designazione convenzionale Classi Trattamenti termici degli ottoni Ottoni designazione e proprietà meccaniche Bronzi Bronzi allo stagno

9 IX Bronzi al silicio Bronzi all alluminio (Cuproallumini) Bronzi al Berillio Cupronickel Metalli Bianchi Studio di Progetto di un getto in Bronzo colato in conchiglia: sistema a pedale Fasi dello Studio del Progetto Applicazione Funzioni Sistema pedale del freno Sistema dell acceleratore Requisiti del sistema pedale I problemi nella progettazione del getto Scelta della lega L'Approccio per la colata in conchiglia (Chill-casting) Problemi di forma-riduzione degli Stress Processo di ottimizzazione del getto Controllo qualità Aspetti salienti Conclusioni ZINCO E SUE LEGHE Leghe di zinco per deformazione plastica Leghe di zinco per fonderia Diagramma di fase zn-al Confronto con altre leghe nella produzione di getti Zama Composizione chimica Proprietà meccaniche Limitazioni di impiego Leghe di zinco per colate centrifughe

10 X Leghe di zinco ad alto tenore di alluminio Proprietà meccaniche delle leghe di zinco ad alto tenore di alluminio MATERIALI COMPOSITI Distinzione per forma di inclusione Tipi di fibre Tipi di matrice Matrice polimerica Matrice metallica Matrice ceramica Impiego MAGNESIO E SUE LEGHE Generalità Principali proprietà fisiche e meccaniche Generalità sull utilizzo del magnesio Caratteristiche e campi di applicazione Aspetti negativi delle leghe di magnesio La struttura cristallina e caratteristiche microstrutturali I processi di produzione del Magnesio Le leghe di magnesio Designazione delle leghe di Magnesio Sviluppo delle leghe Effetto degli elementi di lega Resistenza a Creep Produzione di componenti in lega di Magnesio Uso del Magnesio nelle automobili Uso del Magnesio negli aerei Uso del Magnesio nei prodotti elettronici Uso del Magnesio nella difesa Uso del magnesio nella produzione elettrica Uso del magnesio nello spazio

11 XI Magnesio utilizzato per la fotografia Magnesio utilizzato come anti-corrosivo e nelle batterie Utilizzo del magnesio nella chimica Magnesio nell'acciaio desolforato Magnesio come elemento di lega nell'alluminio TITANIO E SUE LEGHE Forme allotropiche Leghe di titanio Effetto elementi alliganti Soluzioni solide e principali effetti degli elementi di lega Classificazione del Titanio e sue leghe Proprietà meccaniche di riferimento ed utilizzo delle 4 classi Titanio commercialmente puro CP Leghe Alfa Leghe quasi Alfa Leghe Alfa-Beta Leghe Beta Strutture ottenibili con trattamento d invecchiamento Proprietà del Titanio e sue leghe Il titanio nelle lavorazioni Assorbimento ossigeno Saldatura Lavorabilità alle macchine utensili Applicazioni del titanio e sue leghe LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI INTRODUZIONE ALLE LAVORAZIONI NON CONVENZIONALI LAVORAZIONI A GETTO ABRASIVO (ABRASIVE JET MACHINING - AJM) Il processo Il principio fisico L attrezzatura

12 XII Il sistema di propulsione del gas ed il sistema di dosaggio Il sistema di guida e di raccolta dell abrasivo L ugello e le maschere Gli abrasivi I parametri di processo Distanza ugello-superficie Portata abrasivo Pressione del gas Tipo di abrasivo Le capacità del processo Applicazioni LAVORAZIONI A GETTO D ACQUA (WATER JET MACHINING - WJM) Il processo Il principio fisico Dinamica del getto Meccanismi di asportazione L attrezzatura Circuiti acqua/olio Sistemi di generazione della pressione L intensificatore Tubi trasporto acqua in pressione L ugello Silenziatore I parametri di processo Le capacità del processo Applicazioni LAVORAZIONI A GETTO D ACQUA ABRASIVO (ABRASIVE WATER JET MACHINING -AWJM) Il processo Tipologia di macchine L attrezzatura

13 XIII Sistema di pompaggio Alimentazione abrasivo Ugello Silenziatori e sistemi di protezione Supporto I parametri di processo Parametri caratteristici dell abrasivo Parametri di miscelazione Parametri idraulici Parametri di taglio La Capacità del processo I materiali Il kerf spessore di taglio Rugosità del kerf Applicazioni LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE CON ULTRASUONI (ULTRASONIC MACHINING) Il processo Attrezzatura Sorgente di potenza Trasduttore Portautensile Utensile Abrasivi I parametri di processo Potenza Indipendenti di Ampiezza d oscillazione ζ Dimensione abrasivo Frequenza Il carico statico

14 XIV Tenacità a frattura Forma dell utensile Parametri di processo che influenzano l usura dell utensile Parametri che influenzano la qualità della lavorazione Capacita del processo Applicazioni Processo RUM (Rotary Ultrasonic Machining) SALDATURA PER ULTRASUONI (ULTRASONIC WELDING) Il processo Il principio fisico Attrezzatura Sistema a cuneo e ad asta Sistema guidato lateralmente Utensile I parametri di processo Capacità di processo Compatibilita metalli da saldare Applicazioni Saldatura delle plastiche Il principio fisico Influenza dell amplificatore Ampiezze e indicatori di stabilità Progettazione del giunto Applicazioni degli inserti Esempi di inserti Rivettatura LAVORAZIONI A FLUSSO ABRASIVE (ABRASIVE FLOW MACHINING - AFM) Il processo Il mezzo abrasivo L attrezzatura

15 XV La macchina Le attrezzature ausiliarie I parametri di processo Le capacità del processo Applicazioni Un caso industriale LAVORAZIONE PER ASPORTAZIONE CHIMICA (CHEMICAL MACHINING CHM) Il processo La fresatura chimica Lavorazione per immersione Fresatura foto-chimica (PCM) Steps della lavorazione Parametri di processo I reagenti Le applicazioni LAVORAZIONE PER ESPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELETROCHEMICAL MACHINING) Il processo Il principio fisico Le reazioni elettrochimiche Parametri di processo Quantità di materiale asportato Velocità di dissoluzione anodica Il coefficiente di lavorabilità elettrochimica (Kv) Il tasso di materiale asportato (MRR) ed il costo della lavorazione La forma del utensile e la superficie lavorata Parametri di processo e range di lavoro L attrezzatura Macchine per EMC Elettrolita Utensile

16 XVI Capacità di processo Applicazioni LAVORAZIONI PER ASPORTAZIONE ELETTROCHIMICA (ELECTROCHEMICAL OPERATION) Electrochemical Deburring Il processo Parametri di processo Attrezzature Applicazioni Electrochemical Honing Il Processo Parametri di processo Electrochemical Grinding Il Processo Attrezzatura Parametri di processo Esempi di applicazioni Electrostream Drilling Il processo Attrezzatura Capacità del processo Applicazioni Shaped-Tube Electrolytic Machining Il processo Attrezzatura Parametri di processo Capacità del processo ESPORTAZIONE PER ELETTROEROSIONE (ELETRODISCHARGE MACHINING) Il processo Il principio fisico Qualità della superficie e delle particelle rimosse

17 XVII Analisi dell impulso in EDM Attrezzatura Sistema del dielettrico Parametri di processo La corrente media di scarica La corrente massima Durata dell impulso Intervallo tra impulsi La tensione nominale Controllo del gap Influenza del materiale Capacità del processo Qualità della superficie lavorata Tensioni residue nel layer superficiale Influenza del dielettrico sul contenuto di carbonio Resistenza a fatica e confronto con altre lavorazioni Applicazioni EDM Varianti al processo Improntatura per elettroerosione Taglio per elettroerosione

18 1. RICHIAMI INTRODUTTIVI SUI PROCESSI DI FONDERIA MATERIALI E STUDI DI FABBRICAZIONE 1. RICHIAMI INTRODUTTIVI SUI PROCESSI DI FONDERIA Il processo di fonderia è sicuramente uno dei più antichi utilizzati dall uomo. I primi metalli usati in fusione furono: Rame, Ram Oro e Bronzo (stagno+rame) per la sua facilità di realizzazione. Procassi di formatura primari A partire dallo stato liquido o semi-solido Di un metallo Formatura in forma TRANSITORIA Con MODELLO PERMANENTE Con MODELLO CONSUMABILE A partire da granuli Di plastiche Formatura in forma PERMANENTE In CONCHIGLIA a GRAVITA' In CONCHIGLIA sotto PRESSIONE Colata CENTRIFUGA Colata CONTINUA Nel grafico seguente sono messe a cofronto varie lavorazioni in funzione della rugosità superficiale ottenibile. Risulta evidente che la formatura a cera persa (Die Die Casting), Casting), insieme alla laminazione a freddo (Cold Cold Rollig) Rollig) e stampaggio (Drawing)) sono i processi con cui è possibile ottene una maggiore rifinitura superficiale (ossia bassa rugosità). A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V. Nigro TECNOLOGIA MECCANICA II A.A. 2007/2008 1

19 1. RICHIAMI INTRODUTTIVI SUI PROCESSI DI FONDERIA 2 Di seguito viene illustrata la nomenclatura essenziale nell ambito della fonderia. Le caratteristiche e generali dei procedimenti di fabbricazione per fusione possono essere riassunte nella seguente tabella che offre un confronto o per alcuni aspetti solo qualitativo (usando un punteggio). Le tecniche di formatura a possono essere sere suddivise in due famiglie in base a ciò che accade alla forma nella fase successiva alla solidificazione. Precisamente si parlaa di formaturaa in forme transitorie (fig. in basso), quando occorre necessariamente distruggere la forma per estrarre il getto ottenuto. A.D. Cardillo - A. delli Carri - A.V.. Nigro TECNOLOGIA MECCANICA II A.A. 2007/2008