E per comprendere meglio cos'è una conchiglia si osservi la seguente figura che illustra il caso di una pressofusione:

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1 PERCHE' LA FONDERIA La fonderia presenta il vantaggio della rapidità di esecuzione e della convenienza economica nella realizzazione di pezzi la cui forma renderebbe troppo costosa o difficile la lavorazione con altri metodi. FORMA TRANSITORIA E PERMANENTE (o IN CONCHIGLIA) a) metodi di formatura in FORMA TRANSITORIA: sono caratterizzati dal fatto che ogni forma può essere utilizzata per una sola colata e viene distrutta al momento dell'estrazione del pezzo a solidificazione avvenuta; b) metodi di formatura in FORMA PERMANENTE (o IN CONCHIGLIA): sono caratterizzati dal fatto che la forma viene progettata e realizzata in modo da poter essere utilizzata per un elevato numero di colate. Solo per farsi un'idea ecco una lista dei principali tipi di stampi impiegati: STAMPI A PERDERE: terra o sabbia (adottato nel 60-65% in peso delle fusioni di ghisa e acciaio); guscio di sabbia e resina termoindurente (a caldo); gesso; sabbia-cemento; resine indurenti a freddo (a temperatura ambiente); modelli a perdere: polistirene; cera persa o microfusione; STAMPI PERMANENTI: colata per gravità; pressofusione (leghe non ferrose serve un basso punto di fusione): a camera calda; a camera fredda. E per comprendere meglio cos'è una conchiglia si osservi la seguente figura che illustra il caso di una pressofusione:

2 Per il momento, partiamo a considerare una classica fusione in terra che ci permette di passare in rassegna tutta una serie di problematiche che riguardano anche la fusione in conchiglia come si può intuire dal seguente diagramma:

3 STAFFE Sono telai (recipienti a sezione quadrata o rettangolare, privi di fondo) generalmente in ghisa la cui funzione è quella di contenere la terra durante le fasi di formatura e colata. Le loro dimensioni sono standardizzate secondo le norme di riferimento di cui di seguito si riporta un estratto:

4 La scelta delle staffe viene fatta minimizzando la quantità di terra necessaria per la formatura ed il tempo di produzione per unità di peso del getto. La seguente figura fa comprendere come avviene l'intero processo di formatura in terra ed è importante che visualizziate le due staffe:

5 Deve essere chiaro che l'opportunità di adottare le staffe nasce oltre che dall'esigenza di evitare sottosquadri (si veda più avanti) soprattutto da quella di separare il modello in due o più parti (semimodelli nel caso di 2 metà) in modo da creare una superficie piana del modello che viene

6 presa come appoggio dello stesso sul piano di lavoro per facilitare la fase di costipazione della terra. Inoltre, una volta capovolta una staffa, essa permette di usufruire in tutta comodità di un piano di lavoro per l'allestimento dell'altra. Si noti infatti che la staffa viene riempita di terra (successivamente pressata) come mostrato nella seguente sequenza di 2 figure (non è il modello che viene premuto nella terra ma al contrario è quest'ultima che viene versata sopra il modello e poi compressa tutt'attorno ad esso): 1a staffa: a: fori di riferimento per il centraggio coi perni dell'altra metà del modello; l: piano di lavoro; mp: piede di colata (si veda più avanti); Si osservi anche la seguente figura dove è mostrato il caso in cui il modello fa parte di una placcamodello (generalmente metallica e adottata per la formatura non manuale o così detta meccanica cioè tramite macchine) che è centrata correttamente con la staffa per mezzo di perni o spinotti di accoppiamento passanti attraverso i fori delle sporgenze (orecchie) delle staffe: Un esempio di formatura meccanica (in questo caso a lancio ) è illustrato nella seguente immagine:

7 Il piano di divisione delle staffe torna utile anche per allestire il canale di colata con il piede di colata che impedisce la formazione di moti turbolenti dovuti alla brusca variazione di direzione del flusso qualora non si opti per una colata in sorgente (canale di colata che si apre sul fondo della forma) e si scarti la colata diretta (canale di colata posizionato in modo da aprirsi direttamente sulla parte più alta della forma con il rischio però di colpire e danneggiare le anime o altre parti delicate della forma e il pericolo di formazione di gocce fredde ossia gocce di metallo raffreddatesi istantaneamente).

8 PIANO DI SEPARAZIONE O DIVISIONE DELLE STAFFE Si consideri il seguente esempio: La scelta del piano di separazione richiederebbe la compilazione di una tabella costi-benefici come quella riportata qui sotto che tenga conto di molteplici fattori:

9 Poiché non siamo ancora dei tecnologi preparati a compiere tutte queste scelte all'inizio del progetto, procederemo seguendo un metodo più didattico secondo cui la scelta del piano di divisione delle staffe è basata sull'eliminazione/riduzione dei SOTTOSQUADRI. SOTTOSQUADRI Le parti del modello che durante l estrazione rovinerebbero la forma si dicono in sottosquadro (o controsformo). La forma da utilizzare in fonderia va suddivisa secondo un piano di simmetria che permetta di non avere sottosquadri. Esistono infinite soluzioni al problema del sottosquadro, quanti sono i possibili piani di divisione di un modello; quindi, occorre esaminare le possibili soluzioni fino a trovare, se esiste, quella adatta. Si consideri il seguente esempio:

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11 Per vostra informazione, se la soluzione non esiste (e ciò capita spesso per pezzi molto complessi) si può ricorrere ad uno dei seguenti metodi qui non approfonditi: a) variazione del progetto; b) tasselli; c) modello scomponibile. ANGOLI DI SFORMO Riferendosi ad un processo pensato per una produzione medio-bassa, possiamo ritenere che il pezzo sarà realizzato per fusione in forma transitoria con modello in legno (meno costoso di uno metallico). Quindi, secondo la tabella sovrastante, gli angoli di sformo devono avere un ampiezza di circa 2, se il modello è realizzato in legno. Tale valore può essere ridotto, diminuendo così l entità del sovrametallo da asportare con l utensile, mediante l uso di idonea verniciatura del modello di legno. SOVRAMETALLO Se il pezzo deve essere successivamente lavorato tramite operazioni di asportazione di truciolo, è necessario prevedere un opportuno sovrametallo. L entità del sovrametallo da prevedere su una superficie è un compromesso tra due esigenze: Una di carattere economico, che tende a ridurre al minimo il materiale da asportare e quindi i tempi di lavorazione e gli sprechi di materiale e di energia; Una di carattere tecnologico, che tende a garantire un margine di sicurezza nei confronti di errori di formatura, difetti superficiali, ritiri difficilmente prevedibili.

12 I fattori che influenzano lo spessore di sovrametallo sono i seguenti: Le dimensioni del pezzo ed in particolare della superficie in esame; Il tipo di lega con cui il pezzo deve essere realizzato; La qualità della superficie lavorata richiesta nel progetto; Il tipo di formatura utilizzata. La valutazione dello spessore del sovrametallo è quindi il risultato di un calcolo economico. Esistono tuttavia delle tabelle di valori orientativi come quella riportata di seguito (si faccia attenzione che i valori indicati si riferiscono alle dimensioni critiche, cioè quelle su cui è necessario che il sovrametallo sia il minimo possibile; in caso non si presentino restrizioni di sorta, si possono pertanto adottare valori di sovrametallo superiori): Può capitare di dover aumentare lo spessore rispetto a quanto consigliato dalle tabelle o per semplificare la costruzione dell anima o per uniformare lo spessore del getto ed ottenere una migliore SOLIDIFICAZIONE (DIREZIONALE): ANIME Per motivi economici, i fori della flangia del nostro pezzo possono essere realizzati successivamente alle macchine utensili viste le loro piccole dimensioni. D'altra parte la presenza di un grande foro centrale fa prevedere l uso di un anima con eventuale armatura interna per non pregiudicarne l integrità.

13 Un'anima è sostanzialmente un blocchetto di sabbia da fonderia sagomato con un'apposita forma detta cassa d'anima. La figura sottostante vi mostra alcuni esempi di anime: Le anime sono ottenute in un reparto dedicato o addirittura date a terzisti ed immagazzinate fino al momento di impiegarle. Praticamente, le anime vengono realizzate come per le normali forme tramite modelli che riproducono in negativo le anime stesse: L'anima è più leggera del metallo fuso (ha peso specifico minore) per cui è soggetta ad una spinta idrostatica ossia alla nota spinta di Archimede detta in questo caso SPINTA METALLOSTATICA (che incontreremo più avanti nel corso del progetto e che calcoleremo per verificare la resistenza allo scoperchiamento della staffa superiore), non trascurabile. Al fine di evitare la flessione o peggio la rottura dell'anima, questa può venir armata internamente con tondino metallico come illustrato nell'immagine qui sotto riportata.

14 Le anime infatti devono sopportare sollecitazioni termiche e meccaniche. Quindi non devono essere troppo snelle (inflessione e conseguente eccessiva deformazione o rottura) e non devono essere circondate da troppo liquido (sovra-cottura e conseguente difficoltà di rimozione). Ecco una tabella utile per dimensionare le anime (e quindi i fori del getto): E necessario un agevole deflusso dei prodotti gassosi caldi che si formano durante la colata nel corpo dell anima stessa completamente avvolta dalla lega allo stato liquido. Nel caso in cui questo deflusso non venga assicurato è possibile che si formino delle soffiature nel getto. La struttura dell anima realizzata in materiale da formatura non garantisce una sufficiente permeabilità, quindi è necessario prevedere opportune canalizzazioni ( tirate d'aria interne all'anima). Inoltre, devono essere previste delle portate d'anima che hanno lo scopo di sostenere l'anima una volta inserita nella forma. Passi: 1) dimensionare il foro tenendo conto di ritiri e sovrametalli; 2) dimensionare le portate d'anima; 3) disegnare l'anima; 4) aggiungere le portate d'anima al modello.

15 Teniamo conto del fatto che anche le portate d'anima hanno un angolo di sformo, per l'estrazione del modello dalla forma: Attenzione: con riferimento alle figure riportate qui sopra, il modello, come detto precedentemente, deve comprendere le portate d'anima e cioè le due estremità dell'anima colorata in grigio chiaro (in pratica le parti dell'anima che sporgono rispetto al getto in grigio scuro). In caso contrario, l'impronta ricavata nella terra mancherà delle sedi necessarie per il corretto posizionamento e fissaggio dell'anima. In definitiva il modello dovrà essere realizzato come indicato dalla seguente figura:

16 FORMATURA AD ASSE VERTICALE O ORIZZONTALE Si consideri un pezzo p che presenta cavità che per comodità si supporranno cilindriche e caratterizzate dai valori l e D come riportato nelle seguenti due figure:

17 m: modello; pa: portata d'anima; Si possono avere i seguenti casi: a) l/d >> 1: formatura orizzontale (caso della prima figura); b) l/d << 1: formatura verticale (caso della seconda figura). A causa della SPINTA METALLOSTATICA subita dall'anima posta orizzontalmente, spesso conviene la formatura verticale anche laddove l/d >>1. Altrimenti, una soluzione alternativa può essere quella già illustrata di armare l'anima con barrette di irrigidimento disposte assialmente per evitare flessioni (realizzazione di cavità fuori tolleranza) o rotture. Nota metallurgica su cui ritorneremo: la colata di un getto con l/d >>1 disposto verticalmente comporta una diversa struttura cristallina (dal basso verso l'alto) a causa di una non uniforme velocità di raffreddamento. RAGGI DI RACCORDO I raggi di raccordo sono importanti per le seguenti ragioni: a) la presenza di uno spigolo creerebbe una zona dove il passaggio del metallo fuso può danneggiare la forma; b) inoltre, questo spigolo vivo lo avrebbe anche il pezzo, e ciò è negativo e da evitare per due importanti motivi: b1) TENSIONI DI RITIRO: nel pezzo si presenterebbe una zona critica al momento del ritiro. Perchè? Il motivo lo si comprende bene osservando la seguente figura che abbiamo già anche visto durante la presentazione proiettata a lezione e che qui riprendiamo: la zona a puntini rappresenta la forma (in terra) e la parte dove sono riportate le linee, invece, è quella che interessa il metallo fuso. Se si considera una particella di metallo fuso in

18 prossimità dello spigolo, essa sarà maggiormente interessata dalla trasmissione del calore con la forma (fredda) rispetto a una particella simile che giace in prossimità di un angolo (guardate quanta terra circonda il metallo fuso presso uno spigolo). La conseguenza di ciò è che le isoterme (linee che rappresentano il metallo a pari temperatura) sono molto più concentrate nell'angolo. Questa differenza di comportamento di uno spigolo rispetto al resto del getto genera tensioni interne locali a causa delle contrazioni che il materiale subisce solidificandosi. In particolare, lo spigolo, in qualità di punto che solidifica per primo, sarà soggetto a tensioni di compressione mentre la restante parte del getto (che nella figura possiamo individuare come l'area che comprende l'angolo) sarà caratterizzata da sollecitazioni di trazione. Raccordando si favorisce una solidificazione più uniforme tendendo al caso ideale di una geometria sferica; b2) CAVITA' DI RITIRO: il secondo problema che insorge per via della presenza di spigoli (allontanamento dal caso ideale del getto di una sfera) è illustrato nelle figure seguenti pure già considerate a lezione. Osservando la prima delle due è palese che gli spigoli seppur raccordati (forse i raccordi andavano incrementati per ottenere una solidificazione più uniforme e ridurre le tensioni locali di compressione) si sono effettivamente solidificati subito per via della loro maggiore capacità di disperdere calore. D'altra parte dalla seconda figura si evince che la parte centrale del getto, solidificandosi per ultima, scarseggia di materiale (l'area già solida e maggiormente raffreddata riesce solo parzialmente a seguire la diminuzione di volume che accompagna la completa solidificazione del nucleo centrale) e si assisterà alla formazione di una cavità o vuoto di ritiro. Nelle fasi che succedono alla fusione del pezzo questi aspetti assumeranno una certa rilevanza: se come è molto probabile, il pezzo sarà lavorato alle macchine utensili, la concentrazione delle tensioni può generare problemi di lavorazione e una volta in esercizio, possono verificarsi incrinature che partendo dalla cavità si estendono fino all'esterno. E' per questo che se il pezzo presenta notevoli variazioni di spessore, si cerca di sopperire alle difficoltà del processo di solidificazione alimentando il getto in corrispondenza della parte a piccolo spessore e dotando di opportuni alimentatori supplementari (MATEROZZE) le parti di elevato volume. Oltre all'impiego delle materozze, si possono adottare anche dei RAFFREDDATORI ossia degli inserti metallici applicati in prossimità delle parti del getto di maggior volume che sfruttando la loro maggiore capacità termica rispetto alla terra da fonderia, aumentano la velocità di solidificazione creando zone artificiali di inizio raffreddamento (di solito nei punti più lontani dalle materozze). Con tale disposizione, il fronte di solidificazione procede dai raffreddatori verso le materozze dove si conclude la solidificazione del getto evitando così cavità di ritiro nel pezzo (in pratica si sposta il baricentro termico del processo di solidificazione che acquisisce così la direzione preferenziale voluta: SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE).

19 c) le superfici ortogonali tra loro necessitano di raggi di raccordo per evitare difetti nel pezzo fuso. Questo per lo stesso principio visto al punto b1 esteso ad intere sezioni del pezzo. Se infatti un pezzo è costituito da una parte a piccolo spessore e una a grande spessore, poiché esse saranno soggette a velocità di raffreddamento differenti in funzione del loro spessore ma vigono al contempo dei vincoli geometrici che costringono il getto a mantenere una certa configurazione, si genereranno tensioni interne in prossimità delle discontinuità dimensionali (superfici in comune) che devono pertanto essere opportunamente raccordate. Si noti che le tensioni interne risultanti possono contribuire alla formazione di cricche nel pezzo anche dopo che il getto si è completamente solidificato. Inoltre, anche laddove non si assista alla formazione di cricche, è possibile che il pezzo una volta estratto dalla forma subisca un'inflessione

20 come mostrato nella seguente figura: Tanto è vero che a volte nella pratica di fonderia, per evitare che ciò accada, si prevede una curvatura del modello in direzione contraria come illustrato di seguito: d) ulteriori raggi di raccordo (anche con valori molto elevati) si renderanno necessari al fine di creare le condizioni per una SOLIDIFICAZIONE DIREZIONALE in modo che i punti caldi si concentrino nelle zone che saranno protette dalle materozze; e) CRICCHE A CALDO: al contrario delle cricche dovute alle tensioni di ritiro, queste sono cricche che possono insorgere nel pezzo quando questo non è ancora completamente solidificato ma restano ancora piccoli volumi in fase liquida. Di solito è la forma stessa del getto e l'attrito fra getto e forma che ostacolando la contrazione volumetrica che il metallo subisce durante il raffreddamento, danno luogo alla formazione di cricche come mostrato nella seguente figura. Ampi raggi di raccordo evitano tale pericolo.

21 In pratica: Sono ora riportate 2 tabelle di riferimento. Nella prima tabella che segue, R e s sono espressi in mm. La prima riga della tabella si riferisce al caso di pareti di spessore s che si incontrano secondo un angolo retto. La seconda riga riporta il caso di un angolo ottuso e l'ultima quello di un angolo acuto. Se le pareti fossero di spessore differente, tali valori sono ancora validi qualora si ponga s pari allo spessore massimo. La colonna di sinistra vale sia per gli angoli sia per gli spigoli qualora si desideri ovviare alla regola di raccordare quest'ultimi con un raggio pari al sovrametallo. La colonna di destra si riferisce invece solo ai raccordi per gli angoli.

22 Infine, questa seconda tabella riporta il caso di pareti parallele di spessore differente: RITIRO Prima della completa solidificazione Dopo l'avvenuta solidificazione Per compensare la variazione di volume che avviene prima della completa solidificazione, è necessario provvedere ad un alimentazione del getto con ulteriore metallo fuso al fine di evitare CAVITA' DI RITIRO che si formerebbero all interno del getto in corrispondenza di quelle parti che solidificano per ultime Per compensare la contrazione volumetrica che il getto subisce durante il raffreddamento dopo l avvenuta solidificazione, si realizza la cavità relativa al getto di dimensioni aumentate di una quantità pari al ritiro previsto a) Impiego di ALIMETATORI o MATEROZZE SOVRADIMENSIONAMENTO DEL b) Impiego di RAFFREDDATORI che MODELLO

23 aumentano la velocità di raffreddamento delle parti del getto a maggior volume (controllo della solidificazione) Quindi tutte le quote devono essere corrette tenendo conto del coefficiente di ritiro lineare del materiale scelto per la fusione. La maggiorazione viene prevista sul modello. Poiché è difficile prevedere come il getto si contrae nei vari punti, in genere, si utilizza il coefficiente di ritiro lineare medio per maggiorare le dimensioni del modello. Seguono 2 tabelle prese da fonti diverse. Adottate i valori di una delle due magari confrontandoli con quelli dell'altra.