FONDERIA FONDERIA. Modulo di Tecnologia Meccanica I

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1 FONDERIA FONDERIA La fabbricazione per fusione rappresenta una delle tecniche più antiche e versatili per la realizzazione di greggi destinati alle lavorazioni per asportazione di truciolo 1

2 FONDERIA La tecnica fusoria, quindi, consiste nel preparare una cavità detta forma, che ricopia al negativo il pezzo che si desidera realizzare, nella quale si cola la lega scelta per il pezzo, allo stato fuso; a solidificazione avvenuta ciò che si estrae dalla forma è il getto. Si indica col nome getto la massa metallica così ottenuta quando, a parte lavorazioni supplementari, essa corrisponde in forma e dimensioni al pezzo da fabbricare. Si indica, invece, col nome lingotto la massa metallica destinata a subire una profonda trasformazione mediante uno o più processi di lavorazione per deformazione plastica. FONDERIA - Ciclo Disegno del finito Progettazione ciclo fonderia Preparazione attrezzature Esecuzione ciclo fonderia Grezzo Lavorazioni Finito 2

3 FORMATURA I metodi di formatura si distinguono in due gruppi: Metodi di Formatura in forma transitoria, caratterizzati dal fatto che ogni forma può essere utilizzata per una sola colata e viene distrutta quando viene estratto il greggio. Metodi di Formatura in forma permanente, nei quali la forma viene progettata e realizzata in modo da poter essere utilizzata per un elevato numero di colate. FORMATURA IN FORMA TRANSITORIA 3

4 FONDERIA IN FORMA TRANSITORIA Una possibile classificazione dei procedimenti di formatura in forma transitoria, può essere fatta basandosi sul meccanismo di indurimento della forma, fino al raggiungimento della coesione desiderata. Tale meccanismo può essere: Meccanico, basato su una fase di compressione manuale o meccanica Chimico, basato su reazioni chimiche naturali o provocate da catalizzatori Termico, in cui l effetto del calore interviene nel processo di formatura. FONDERIA IN FORMA TRANSITORIA Terra sintetica meccanico In fossa Meccanismo di indurimento forma chimico Processo al CO 2 Processo sabbiacemento Processo cold-box termico Processo shell-molding Microfusione 4

5 Meccanismo di indurimento meccanico Colata in terra: Formatura con terra sintetica Le principali operazioni nella preparazione manuale della forma sono: a) Posizionamento del modello b) Inserimento della staffa c) Immissione della sabbia d) Pigiatura e) Preparazione degli sfoghi per l uscita dell aria f) Chiusura della forma g) Estrazione del modello Meccanismo di indurimento meccanico Colata in terra: Formatura con terra sintetica Nella formatura a macchina il modello è montato su una o due piastre: a) Si posiziona tra due staffe vuote, si riempie quella superiore e si assesta la terra per scuotimento b) Coperta la staffa superiore con un piatto, si ruota il sistema ripetendo le operazioni precedenti c) Si completa l addensamento con un operazione di compressione d) Si separano le due staffe e si asporta il modello 5

6 Meccanismo di indurimento meccanico Colata in terra: Formatura con terra sintetica Il ciclo completo si divideid in quattro operazioni i principali: i La preparazione del modello La preparazione della forma, tradizionalmente di terra refrattaria, o terra da fonderia, racchiusa in una cornice (staffa) metallica o di legno La fusione del materiale metallico in un apposito forno fusorio La colata. Ciclo (formatura manuale) 6

7 Ciclo (formatura manuale) Ciclo (formatura manuale) 7

8 Meccanismo di indurimento meccanico Colata in terra: Formatura in fossa Il procedimento di formatura in fossa impiega lo stesso materiale della formatura in terra sintetica oppure leganti ad indurimento chimico. Le staffe sono assenti e la forma viene ricavata in una fossa nel pavimento della fonderia, eventualmente rinforzato con pareti di calcestruzzo armato, coperta da una o più staffe di grosse dimensioni irrigidite con nervature. La preparazione della forma è manuale. Meccanismo di indurimento meccanico Colata in terra: Formatura in fossa La formatura in fossa rappresenta l unico metodo per la realizzazione di getti in materiale ferroso e non, di dimensioni e peso notevoli, fino a circa 100 tonnellate. Il procedimento è del tutto manuale e difficilmente automatizzabile Il processo è molto lento e con elevato costo di manodopera Si presta alla produzione di lotti di pochi esemplari 8

9 MODELLO Neiprocedimentidiformatura in forma transitoria la forma viene realizzata utilizzando un modello ed una o più anime. Il Modello ha la funzione di generare nella forma le superfici corrispondenti a quelle esterne del greggio, è la riproduzione corretta del pezzo da colare e degli elementi che sono indispensabili per la fabbricazione di un getto esente da difetti (canali di colata ematerozze) Le Anime hanno lo scopo di creare nel greggio le cavità previste dal progetto MODELLO Il modello del getto può essere: Permanente: Legno Materiali metallici Materiali plastici A perdere: Cera persa Polistirene espanso 9

10 MATERIALE DEL MODELLO LEGNO: Non è molto costoso ed è facile da lavorare E leggero Può essere più o meno resistente all usura in relazione alla sua durezza (ad esempio il mogano consente un uso del modello molto più prolungato del pino). L incollaggio delle parti avviene con resine che non si degradano a contatto con l umidità della sabbia mentre il legno è sensibile a questa e può deformarsi Resiste meno del metallo all usura ed è spesso rinforzato con inserti metallici. MATERIALE DEL MODELLO GHISA: E poco costosa Presenta un elevata resistenza Consente di ottenere una forma a bassa rugosità superficiale E poco usurata dal contatto con la sabbia Il modello è però pesante e fragile Può essere ottenuto per fusione, ma in tal caso le sezioni sottili sono troppo dure per essere rifinite attraverso lavorazione meccanica 10

11 MATERIALE DEL MODELLO LEGHE DI ALLUMINIO: Sono facili da colare e da lavorare Non formano ossidi Sono molto leggere Il modello è più deformabile che nei casi precedenti, può essere danneggiato accidentalmente Resiste meno all usura e va protetto nei punti critici con inserti di acciaio o ghisa. MODELLO Le caratteristiche costruttive del modello influenzano in modo diretto la buona riuscita della forma e del greggio stesso. Le caratteristiche che un buon modello di fonderia deve avere: Funzionalità Verniciatura Spine di riferimento 11

12 MODELLO Precisione Implica una costruzione di qualità del modello, che dovrà quindi rispettare le quote e le tolleranze indicate sul disegno costruttivo Durata Dipende dal tipo di produzione prevista MODELLO Se la produzione è di serie o per lotti successivi, è opportuno realizzare il modello in modo da conservare le sue caratteristiche nel tempo, sia di fronte ai fenomeni di usura derivanti dalle operazioni di formatura sia alle deformazioni che esso potrebbe subire nella fase di magazzinaggio. Tale caratteristica non ha senso per i modelli a perdere. Se la produzione è limitata a qualche esemplare di dimensioni piccole o medie, le esigenze economiche ih impongono di limitare i costi del modello, che solitamente viene realizzato in legno secondo la configurazione classica del modello diviso. 12

13 MODELLO Se la produzione è di serie di getti di piccola e media dimensione, il sistema più usato è quello della placca modello. In questo caso, ogni semimodello viene stabilmente collegato ad una piastra di supporto dotata di idonei sistemi di riferimento con la staffa di formatura; sulla placca vengono inoltre fissati il sistema di colata e le materozze. Materiale plastico o metallico MODELLO - sottosquadro Il primo problema che il tecnologo deve risolvere nello studio del ciclo di fusione in forma transitoria di un componente meccanico è la scelta del piano di divisione della forma, affinché il modello possa essere estratto dalla forma stessa senza danneggiarla. Le parti del modello che durante l estrazione rovinerebbero la forma si dicono in sottosquadro (o controsformo) 13

14 MODELLO - sottosquadro 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. Piano 1 Piano 3 Piano 2 MODELLO - sottosquadro PIANO 1 PIANO 3 PIANO 2 14

15 MODELLO - sottosquadro Se la soluzione non esiste (e ciò capita spesso per pezzi molto complessi) si può ricorrere ad uno dei seguenti metodi: Variazione del progetto: è la soluzione più economica ed è basata su uno stretto rapporto progettista-tecnologo. Il progettista può apportare modeste variazioni al progetto che pur conservando la funzionalità prevista, evitino i problemi di sottosquadro. MODELLO - sottosquadro Tasselli: Tale metodo consiste nell utilizzare tasselli preparati separatamente, in pratica delle normali anime montate a sbalzo nelle forma, inseriti nelle cavità ottenute prevedendo idonee portate d anima nel modello. Tale metodo è il più utilizzato quando il sottosquadro non può essere eliminato con una scelta differente del piano. 15

16 MODELLO - sottosquadro Modello scomponibile: Tale metodo consiste nel realizzare la parte in sottosquadro del modello mobile rispetto al resto del modello: in questo modo, durante la sformatura, la seconda parte viene estratta normalmente, mentre la prima, rimasta nella forma, può essere estratta dal formatore con un operazione manuale delicata e costosa. Direzione di estrazione di 1 MODELLO - sovrametallo La maggior parte dei procedimenti di fusione non permette di ottenere superfici con una qualità macro e microgeometrica tale da soddisfare in pieno le esigenze funzionali del progetto, per cui tale qualità deve essere ottenuta mediante lavorazioni alle macchine utensili per asportazione di truciolo. Ne risulta quindi che, sulle superfici che dovranno subire tali lavorazioni, è necessario prevedere uno spessore di materiale da asportare, detto sovrametallo. 16

17 MODELLO - 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 Una di carattere tecnologico, che tende a garantire un margine di sicurezza nei confronti di errori di formatura, difetti superficiali, ritiri difficilmente prevedibili. I fattori che influenzano lo spessore di sovrametallo sono: 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 MODELLO - sovrametallo La valutazione dello spessore del sovrametallo è il risultato di un calcolo economico: esistono tuttavia delle tabelle di valori orientativi Fusione in terra (acciaio) dimensioni non critiche - 17

18 MODELLO - Angoli di sformo e raccordi L operazione di estrazione del modello dalla forma appena costruita è detta sformatura; si tratta di un operazione delicata in quanto se non eseguita correttamente può provocare danni alla forma stessa tali da doverla scartare. Per agevolare questa operazione i modelli da fonderia sono costruiti in modo da eliminare o ridurre al minimo le superfici piane perpendicolari al piano di divisione; ciò viene ottenuto inclinando tali superfici di un piccolo angolo, detto angolo di sformo MODELLO - Angoli di sformo e raccordi Alcuni valori indicativi degli angoli di sformo da prevedere sui modelli sono riportati in tab. Tali valori possono essere ridotti, diminuendo così l entità del sovrametallo da asportare con l utensile, mediante l uso di idonea verniciatura dei modelli di legno, o usando modelli metallici. 18

19 MODELLO - Angoli di sformo e raccordi Gli spigoli vivi devono essere eliminati mediante raggi di raccordo: Nelle forme transitorie gli spigoli vivi della forma o delle anime non resisterebbero all azione erosiva della lega che fluisce nella forma e le parti asportate andrebbero a costituire delle inclusioni non metalliche nel getto. Nelle forme permanenti, in particolare quelle per colata sotto pressione, gli spigoli pg vivi della forma costituirebbero zone di concentrazione di tensione derivanti dalle sollecitazioni termiche e meccaniche a cui la conchiglia è sottoposta durante la colata, con possibili inneschi di frattura MODELLO - Angoli di sformo e raccordi 19

20 MODELLO - portate d anima Le portate d anima devono essere previste sul modello per poter creare nella forma idonee sedi di appoggio di anime e/o tasselli eventualmente presenti per risolvere dei sottosquadri. Anime disposte orizzontalmente La loro lunghezza deve essere tale da esercitare sulla forma, a causa della spinta di Archimede presente nella colata, una pressione tale da non creare deformazioni permanenti. Anime o tassello a sbalzo Necessario prolungare la portata d anima in modo che il baricentro dell anima cada nella zona di appoggio, evitando così cadute dell anima nella forma MODELLO - portate d anima Anime in posizione verticale Devono avere una forma tronco conica, cioè con ampio angolo di sformo che permette un agevole posizionamento dell anima nella forma. 20

21 MODELLO - fenomeno del ritiro Le leghe comunemente impiegate in fonderia subiscono una contrazione volumetrica nell intervallo compreso tra la temperatura di colata e quella ambiente; ne segue che il getto risulta di dimensioni inferiori a quelle della forma, per cui la forma deve avere dimensionii i opportunamente t maggiorate rispetto alle dimensioni finali del getto. 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 MODELLO - fenomeno del ritiro Se un getto non è a sezione uniforme, le parti più grandi si raffredderanno più lentamente e si contrarranno meno velocemente. La diversa contrazione delle parti determina la distorsione del getto. Una trave a T con le due ali di spessore molto diverso, in fase di raffreddamento si incurverà. Per evitare che ciò accada si prevede una curvatura del modello in direzione contraria 21

22 MODELLO ciclo di progettazione Disegno del pezzo finito Disegno del modello Calcolo sovrametalli Scelta piano di divisione Angoli di sformo Raggi di raccordo Portate d anima Ritiro Materozze Studio delle anime ANIME Le cavità presenti nel getto vengono realizzate mediante anime; esse sono costruite in materiale refrattario, essendo completamente avvolte da metallo liquido. PRINCIPALI CARATTERISTICHE Resistenza meccanica (Durante la colata occorre evitare che l anima si infletta) Permebilità (E necessario un agevole deflusso dei prodotti gassosi caldi che si formano durante la colata) ) Cedevolezza (Durante il ritiro occorre evitare tensioni residue nel getto) Sgretolabilità (L estrazione del materiale costituente l anima deve essere rapida e agevole 22

23 ANIME Resistenza Meccanica Durante la colata occorre evitare che l anima si infletta e provochi delle differenze di spessore nel getto. Quando la rigidezza flessionale fornita dal solo materiale non è sufficiente, occorre inserire nella struttura dell anima delle apposite armature in materiale metallico. ANIME Permeabilità 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. 23

24 ANIME Cedevolezza Durante il ritiro occorre evitare tensioni residue nel getto. Tale caratteristica è normalmente assicurata dalla porosità stessa del materiale di formatura. Sgretolabilità L estrazione Lestrazione del materiale costituente l anima deve essere rapida e agevole. Questa caratteristica è assicurata da idonei additivi nel materiale di formatura. ANIME Modalità costruttive Il metodo più comune per le anime di piccole e medie dimensioni è quello della cassa d anima nel quale il materiale di formatura viene compresso manualmente o tramite aria in un contenitore che rappresenta al negativo la forma dell anima desiderata. 24

25 ANIME Le casse d anima possono essere costituite da un pezzo unico o da più pezzi che vengono poi separati per consentire l estrazione dell anima anima. Tale metodo è valido sia nel caso di produzione di qualche esemplare sia per produzioni di serie CANALE DI COLATA - MATEROZZE Una forma non riproduce semplicemente la configurazione del pezzo, ma contiene anche tutti gli elementi che ne rendono possibili la realizzazione; essa deve consentire: che il metallo fuso entri e si distribuisca all interno che nel getto non si formino vuoti per difetti di alimentazione del metallo che nel getto non vi siano difetti da inclusioni gassose o non metalliche. Queste funzioni sono svolte da: Dispositivo/Canale di colata Materozze Dispositivi per il controllo della solidificazione 25

26 MATEROZZE La materozza è un serbatoio di metallo che deve rimanere liquido fino a solidificazione ultimata del getto, in grado di alimentare le cavità di ritiro che inevitabilmente si formano Esistono fondamentalmente due tipi di materozze A cielo aperto, che affiorano sulla parte superiore della forma Cieche, totalmente immerse nella forma. Il fenomeno del ritiro La materozza evita la formazione del cono di ritiro all interno del getto compensa la contrazione di volume nel raffreddamento in fase liquida e nel passaggio liquido / solido 26

27 Il fenomeno del ritiro Per progettare le materozze occorre decidere: dove posizionare le materozze quante materozze posizionare scegliere il tipo di materozza dimensionare ogni singola materozza dimensionare il collare (canale tra la materozza e il pezzo). N.B. Per decidere dove posizionare le materozze devono essere verificate due condizioni: 1. la zona del pezzo cui è collegata la materozza deve essere l ultima parte del pezzo a solidificare (solidificazione direzionale) 2. la materozza deve solidificare dopo quest ultima. Per verificare entrambe le condizioni occorre determinare il tempo di solidificazione, cioè quanto tempo passa tra la colata e l inizio della solidificazione di una generica parte del getto e della materozza. La velocità di solidificazione Per fare in modo che la zona del pezzo cui è collegata la materozza sia l ultima parte del pezzo a solidificare possiamo suddividere il pezzo in parti elementari e calcolare il modulo termico di ogni singola parte. Per il calcolo del modulo termico delle parti non si considerano come scambianti le superfici di sezione ideale tra le parti: M X Volume parte X Superficie scambiante parte X 27

28 La velocità di solidificazione Alcune considerazioni sui moduli termici di elementi geometrici elementari: cubo di lato L M cubo 3 L L 6L 2 6 sfera di raggio R M sfera 4/3R 2 4 R 3 R 3 Quindi una sfera di raggio R e un cubo di lato 2R hanno lo stesso modulo termico. La velocità di solidificazione Alcune considerazioni sui moduli termici di elementi geometrici elementari: piastra W L T M LWT 1 piastra 2LW LT WT L T W piastra infinita (superfici laterali non scambiano calore) W L T M piastra 2 28

29 La velocità di solidificazione Alcune considerazioni sui moduli termici di elementi geometrici elementari: barra indefinita L 1 1 M barra L T W T W cilindro di raggio R e altezza H. 2 R H 1 M cilindro 2 2R 2RH R H La velocità di solidificazione MODULO DI RAFFREDDAMENTO DI UNA PIASTRA M CUBO M CUBO V A M PIASTRA 3 s 2s 2 s 2 s 2 29

30 La velocità di solidificazione MODULO DI RAFFREDDAMENTO DI UNA PIASTRA C A B Va = Vb = Vc = S 3 Sa = 4 S 2 Sb = 3 S 2 Sc = 2 L 2 Ma = S / 4 Mb = S / 3 Mc = S / 2 La velocità di solidificazione Per valutare il tempo di solidificazione Chvorinov ha sperimentalmente dimostrato che il tempo di solidificazione è legato alla geometria del pezzo attraverso il modulo termico con una legge del tipo: X k t Legge della diffusione (Chvorinov) X = spessore strato solidificato Materiale k x Acciaio 0.09 Alluminio 0.12 Rame 0.07 per x in cm e t in secondi Solido Liquido 30

31 La velocità di solidificazione VALUTAZIONE DEL TEMPO DI SOLIDIFICAZIONE La solidificazione di una piastra di spessore S si può ritenere terminata quando lo spessore dello strato t solidificato è pari alla metà dello spessore della piastra stessa. Spessore della piastra t s x k 2 M k 2 Limite di accrescimento dei dendriti. Legge di Chvorinov La solidificazione direzionale Metodi pratici per assicurare una solidificazione direzionale - Cerchi di Heuvers M 1 M 2 M 3 Divisione in parti Regola empirica: M i+1 = M i M 1 < M 2 < M 3 < M m 31

32 La solidificazione direzionale Metodi pratici per assicurare una solidificazione direzionale - Individuazione di zone di possibile difettosità dovuta a ritiro in fase liquida - Eventuale variazione della geometria La materozza ed il suo dimensionamento La materozza (alimentatore) deve: A) rifornire il getto (o una sua parte) di metallo liquido, per compensare il ritiro in fase liquida B) contenere completamente il difetto provocato dal ritiro Materozze a cielo aperto Materozze cieche 32

33 La materozza ed il suo dimensionamento A) rifornimento del getto La materozza a deve e solidificare dopo il getto Regola pratica M m = 1.2 M g M m = modulo di raffreddamento della materozza M g = modulo di raffreddamento del getto (zona adiacente la materozza) La materozza ed il suo dimensionamento Attraverso il calcolo del modulo termico delle parti in cui scomponiamo il pezzo siamo in grado di determinare come evolve la solidificazione nel pezzo. Durante la solidificazione le parti vicine a quelle che solidificano forniscono materiale liquido e compensano il ritiro, cioè fungono da alimentatori. M m = 1.2 M g 33

34 La materozza ed il suo dimensionamento B) verifica del cono di ritiro Il cono di ritiro deve essere integralmente contenuto nella materozza Per sicurezza: altezza del cono di ritiro pari all 80% dell altezza h della materozza. Materozza semisferica 0.20 Vm Materozza cilindrica 0.14 Vm 0.8 h 0.8 h La materozza ed il suo dimensionamento B) verifica del cono di ritiro Materozza semisferica Materozza cilindrica 0.20 Vm 0.14 Vm 0.8 h 0.8 h V r = 0.2 V m =b/100 (V m + V p p) ) b = coefficiente di ritiro volumetrico del materiale V r = volume cono/cavità di ritiro =f (tipo di materozza) V m = volume materozza V p = volume pezzo V r = 0.14 V m = b/100 (V m + V p p) ) V p = (100V r bv m )/b 34

35 La materozza ed il suo dimensionamento Il metodo basato sull entità del cono di ritiro parte dall osservazione sperimentale che quando il getto è sano il volume di liquido nella materozza a fine solidificazione si è ridotto di una percentuale pari al 14% per materozze cilindriche e ovali 20% per materozze emisferiche e sferiche Quindi, indicando con a la percentuale sopra descritta si ha: V r av m Il volume V r è anche pari a: b Vr Vm V p 100 dove b è la contrazione volumetrica del metallo colato, V m e V p il volume della materozza e della parte del pezzo alimentata dalla materozza, rispettivamente. La materozza ed il suo dimensionamento Unendo le due relazioni si ottiene il volume della materozza in relazione al volume della parte del pezzo che questa deve alimentare: b Vm Vp a b Questa è la seconda relazione che cercavamo. Il sistema: Mm 1.2M X b Vm Vp a b consente di definire le dimensioni della materozza. 35

36 La materozza ed il suo dimensionamento metodo di Caine Valori tipici di b Y= Vm/Vp Iperbole Materiale b (%) Acciai 7-10 Ghisa bianca 6 Ghisa grigia Bronzo 4.5 Ottone 6.7 Rame-Alluminio 4 Allum.-Silicio 3.5 b pezzi buoni pezzi non buoni c X= Mm/Mp Mm Mg c Vm Vg b 0.1 Costante =f (coef. trasm calore materozza/ coef. trasm calore pezzo) N.B. Allo scopo di rallentare il raffreddamento della materozza e diminuire il volume, è possibile inserire un materiale coibente. La materozza ed il suo dimensionamento Metodi per ridurre le dimensioni delle materozze: 1) Utilizzo di coibenti (rallentare il raffreddamento della materozza e diminuire il volume) 2) Raffreddatori (pezzo) metodo di Caine Raffreddatore Coibente 36

37 La materozza ed il suo dimensionamento - Zona di influenza materozza Zone protette Acciaio Ghisa Bronzo Leghe leggere 3-5 s 4-5 s 6-8 s 5-7 s s = spessore medio del getto - Effetto di bordo 2.5 s L utilizzo di Raffreddatori Esterni permette di aumentare l effetto di bordo di 50mm La materozza ed il suo dimensionamento Raffreddatori - Soluzione di problemi - Nascita di problemi potenziali Cricche a caldo dovute alla forma non corretta dei raffreddatori Posizionamento raffreddatori 37

38 DISPOSITIVO DI COLATA E costituito da tazza e pozzetto di colata, in cui viene versato il metallo, oltre che da tutti i condotti attraverso i quali esso giunge nella cavità della forma Il dispositivo di colata : Deve fare in modo che la cavità della forma sia completamente riempita dando alla corrente metallica la corretta velocità e la direzione. Deve impedire che il metallo eroda la forma, evitando gli urti violenti Deve bloccare le inclusioni non metalliche, grazie all azione filtrante. STAFFE Le staffe sono recipienti generalmente a sezione quadrata o rettangolare, privi di fondo, che vengono usati per contornare il modello quando si eseguono le operazioni di formatura 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 38

39 STAFFE Le staffe vengono costruite in acciaio, ghisa o leghe leggere per fusione o lavorazione meccanica. Requisito fondamentale è la presenza di un dispositivo che garantisce il perfetto allineamento delle due parti della forma; tale allineamento viene realizzato con un sistema spina-foro TERRE DI FONDERIA Le terre di fonderia sono generalmente miscele di: Sabbia silicea, avente la funzione di elemento refrattario Leganti, argillosi o di altro tipo, che garantiscono la coesione della forma Additivi, che hanno la funzione di correggere alcune caratteristiche del materiale di formatura, poco adatte all uso di fonderia. Acqua e si distinguono in: Terre naturali Terre sintetiche 39

40 TERRE DI FONDERIA Entrambe hanno origine dal disfacimento delle rocce per azione chimica e meccanica degli agenti atmosferici ma si formano in condizioni diverse Le terre naturali sono quelle il cui deposito si è formato dopo un limitato lavaggio da parte delle acque naturali e quindi presentano un elevato tenore di leganti argillosi ed impurezze organiche Le terre sintetiche contengono una sabbia silicea ad alto valore di Silice (SiO2) TERRE DI FONDERIA Le caratteristiche di queste terre sono: Terre naturali: SiO 2,5 20% leganti* (argilla ed impurezze), 5 8% di acqua aggiunta Terre sintetiche: SiO 2 pura al 95%, 2 5% di legante aggiunto*, 2 5% di acqua aggiunta *coesione fra i granelli di silice 40

41 TERRE DI FONDERIA L impiego di terra naturale nella pratica industriale è ormai abbandonato acausa del difficileil controllo della costanza delle caratteristiche tecnologiche che influenzano direttamente il prodotto. Le terre naturali, per il loro elevato tenore di argilla ed impurezze come mica, feldspati e metalli alcalini hanno una minore refrattarietà, cioè si deformano ad elevate temperature, per cui vanno usate nella fusione di leghe bassofondenti quindi con esclusione di quelle ferrose TERRE DI FONDERIA Le terre sintetiche, la cui composizione può essere meglio controllata, vengono adoperate nella fonderia dell acciaio Per la ghisa malleabile e grigia si usano miscele di terre naturali e sintetiche; per la minore temperatura di fusione. La scelta della terra più adatta ad un determinato processo di fonderia viene eseguita in base alle seguenti considerazioni: Disponibilità del materiale in sede. Metallo da colare. Spessore e caratteristiche del getto. Possibilità di recupero della terra usata. 41

42 TERRE DA FONDERIA I materiali da formatura devono rispettare le seguenti caratteristiche tecnologiche: Refrattarietà, intesa come capacità di resistere alle elevate temperature della lega fusa. Scorrevolezza, intesa come facilità di riempire completamente la forma attorno al modello ricopiandolo fedelmente, sotto l azione di forze esterne di scossa o compressione. Assume valori accettabili quando la sabbia possiede una granulometria uniforme, diminuisce all aumentare aumentare del tenore del legante e di acqua, ma con quest ultima presenta un valore minimo oltre il quale aumenta notevolmente. Sgretolabilità, proprietà importante ai fini economici al momento della distaffatura e dell eliminazione delle anime. TERRE DA FONDERIA Coesione, intesa come resistenza alle forze esterne in particolare alle sollecitazioni di compressione e di taglio. La maggiore influenza su questa proprietà è data dal legante e dai grani di silice. Il grano arrotondato dà coesione minore di quello spigolato, grani molto fini o molto grossi danno coesione maggiore di quelli medi, una distribuzione granulometrica uniforme dà coesione minore di una disuniforme. Permeabilità, intesa come possibilità di lasciarsi attraversare da un flusso di materiale gassoso ed evitare così difetti come le soffiature, dovute ai gas o vapori che si sviluppano durante la colata e che rimangono intrappolati nel metallo solidificato. 42

43 SABBIA E formata prevalentemente da granelli di SiO 2 (silice) sebbene in casi particolari possa essere costituita da zirconite, olivina o cromite. Le caratteristiche principali di una sabbia sono: La forma dei granelli Le dimensioni dei granelli Le trasformazioni strutturali e allotropiche Per trasformazione allotropica si intende una variazione della struttura cristallina o molecolare di un elemento in particolare in metallurgia si identifica con la trasformazione della cella elementare (reticolo cristallino di base), a cui corrispondono variazioni delle proprietà fisiche, meccaniche e chimiche. SABBIA I granelli possono presentare quattro forme fondamentali: Rotondeggianti Irregolari Semiirregolari Compositi Si dicono compositi quelli in cui sono distinguibili delle superfici di frattura senza che sia avvenuto il distacco delle parti. La loro superficie può essere liscia o rugosa ed in quest ultimo caso si ha un migliore ancoraggio del legante mescolato alla sabbia. 43

44 SABBIA Definire le dimensioni dei granelli non è molto significativo, ifi mentre lo è la loro granulometria ecioè le percentuali in cui le diverse dimensioni sono presenti nella sabbia Per calcolare la granulometria: Si fa attraversare ad un campione di sabbia una colonna di stacci sovrapposti le cui maglie si infittiscono dall alto verso il basso. Si pesa il residuo su ogni staccio e lo si esprime in percentuale del peso totale LEGANTI I leganti sono quelle sostanze miscelate con la sabbia per rendere possibile la coesione fra i granelli di silice I leganti più comuni sono: Le argille I leganti organici I silicati I cementi 44

45 LEGANTI - Argille Le argille mescolate con poca acqua, mostrano prevalentemente t caratteristiche ti di coesione; cioè i granelli si legano tra loro Quando il contenuto di acqua è elevato predomina l abrasività, nel senso che i granelli di argilla stabiliscono dei legami con i granelli di sabbia Poiché un legante deve possedere entrambe le proprietà in misura adeguata, la quantità di acqua da aggiungere va opportunamente dosata. LEGANTI - Additivi Gli additivi sono sostanze aggiunte alla terra di fonderia al fine di modificarne quelle caratteristiche che sono causa di difetti nel getto: - Controllo dell espansione termica della forma - Produzione di uno strato di gas protettivo Gli additivi sono essenzialmente sostanze carboniose: Polvere di carbone Polvere di grafite Cellulosa 45

46 LE SPINTE METALLOSTATICHE Una volta che la forma è stata riempita di metallo liquido, questo esercita una pressione metallostatica sulle pareti della forma. La pressione può generare una deformazione della staffa con conseguente perdita di precisione dimensionale del getto. Per ovviare a questo problema occorre utilizzare staffe particolarmente rigide e, nel caso di staffe alte, rinforzarle lateralmente. Inoltre, la pressione metallostatica provoca dei cedimenti nella forma causati dalla presenza di una eventuale non omogeneità della compattazione. Questo cedimento ha un impatto negativo sulla precisione dimensionale del processo. LE SPINTE METALLOSTATICHE L integrale della pressione metallostatica lungo la superficie dell impronta dà la spinta metallostatica. La spinta metallostatica sulla staffa superiore è diretta verso l alto e può portare al sollevamento della staffa superiore con fuoriuscita di metallo liquido. Per ovviare a questo problema occorre posizionare dei pesi sulla staffa superiore per impedirne il sollevamento. 46

47 LE SPINTE METALLOSTATICHE Per un liquido perfetto si ha: p = h = peso specifico Spinte sullo stampo FONDERIA IN FORMA TRANSITORIA Terra sintetica meccanico In fossa Meccanismo di indurimento forma chimico Processo al CO 2 Processo sabbiacemento Processo cold-box termico Processo shell-molding Microfusione 47

48 Meccanismo di indurimento termico Formatura shell - molding E possibile anche seguire un procedimento manuale: La piastra modello riscaldata viene connessa ad un involucro contenente la miscela di formatura Il sistema viene ribaltato in modo che la miscela entri in contatto con il modello caldo e la resina polimerizzi per uno spessore di 5 10 mm Si ribalta la miscela non indurita, si smonta l involucro e si mette la piastra modello in forno per completare l indurimento. Si estrae la piastra e si azionano gli estrattori per allontanare il guscio. Meccanismo di indurimento termico Formatura shell - molding Confronto fra una forma in terra e una forma in guscio Vantaggi: Elevata finitura superficiale dei getti Possibilità di realizzare configurazioni complesse e sezioni sottili Perfetto riempimento della forma grazie alla bassa rugosità che favoriscono il deflusso dei metalli con moderata scorrevolezza, consentendo il 48

49 Meccanismo di indurimento termico Formatura shell - molding Svantaggi: Lo sviluppo di azoto, proveniente dalla decomposizione della resina Limitate dimensioni dei getti, non superano in genere i 10 kg e raramente arrivano a 100 kg. Pertanto il processo diventa economico solo per medie e grandi serie di pezzi come nel caso delle anime. La miscela non può essere riutilizzata. Meccanismo di indurimento termico Microfusione La fusione a cera persa è la più antica metodologia di fonderia. La fonderia d'arte a cera persa toccò sicuramente vertici di grande interesse nel periodo della Magna Grecia e ne sono espressiva testimonianza le pregevoli opere di quel periodo tra cui i noti "Bronzi di Riace" realizzati attorno al 600 a.c 49

50 Meccanismo di indurimento termico Microfusione Si tratta di una tecnologia molto creativa, che consente di realizzare particolari di elevata complessità e ottima precisione dimensionale. Meccanismo di indurimento termico Microfusione Il primo stadio consiste nella realizzazione, normalmente tramite iniezione in conchiglia, di un certo numero di modelli a perdere in cera. I modelli: possono avere una forma complessa non presentano problemi di sottosquadro possono avere fori e cavità previsti senza ricorrere all uso di anime. I modelli vengono assemblati a forma di grappolo mediante bacchette in cera di collegamento, che andranno a costituire il sistema di colata, la cui estremità è a forma di bacino di colata 50

51 Meccanismo di indurimento termico PROCEDURA 1 Microfusione Viene preparata una miscela refrattaria costituita da minerali a basso coefficiente di espansione termica ed a grana fine chevieneversatainun contenitore intorno al grappolo Un azione vibratoria permette l evacuazione dell aria rimasta. Dopo un breve tempo inizia la solidificazione mediante formazione del gel di silice. Fase di indurimento a bassa temperatura con estrazione della cera e Cottura finale della forma. Meccanismo di indurimento termico PROCEDURA 2 Microfusione Il grappolo viene immerso in una vasca contenente il materiale ceramico (stato umido) Il grappolo viene esposto ad una pioggia di particelle refrattarie. (Questo ciclo viene ripetuto fino al raggiungimento dello spessore richiesto del guscio) Asciugatura ed essiccazione i con aria calda in autoclave a circa 160 C dove la cera viene eliminata e recuperata al 90%. Cottura finale a circa 800 C. 51

52 Meccanismo di indurimento termico Microfusione La forma per la preparazione del modello può essere costituita da resine epossidiche o gomma vulcanizzata, ma se è richiesta un elevata precisione può essere fatta in metallo o anche in gesso per una produzione limitata. Il materiale impiegato più comunemente per i modelli è la cera, con temperature di fusione tra 55 e 90 C. Conviene usare miscele di cere il più possibile di composizione costante per avere sempre uguale coefficiente di ritiro che permetta di ottenere un elevata precisione dimensionale dei getti. Meccanismo di indurimento termico Microfusione Vantaggi: Elevate precisioni nei getti finali, con tolleranze dimensionali ridotte, che, insieme all ottima finitura superficiali, limitano le lavorazioni meccaniche alle sole operazioni di rettifica. Qualunque tipo di lega può essere colato con questo procedimento e la complessità del getto è limitato solo dalla difficoltà di esecuzione della conchiglia 52

53 Meccanismo di indurimento termico Svantaggi: Microfusione La forma si contrae in sede di cottura. Tale contrazione può essere limitata dosando opportunamente la granulometria dei refrattari impiegati. Il campo di impiego del procedimento è per getti piccoli ( mm di dimensione massima e 5 Kg di peso massimo) I costi sono elevati, pertanto il processo è economicamente valido in quei casi in cui il prodotto ha un elevato valore aggiunto o richiederebbe delle lavorazioni meccaniche di costi elevati (ventole ed altri componenti di pompe, valvole ) FORMATURA IN FORMA PERMANENTE 53

54 FUSIONE IN FORMA PERMANENTE Le tecniche di fusione in forma permanente si differenziano da quelle in forma transitoria per il fatto che la forma è realizzata in lega metallica, normalmente acciai legati o ghise speciali; in modo da essere utilizzata per un numero elevato di getti uguali. L elevato costo di lavorazione di questo tipo di forma rende questi procedimenti economicamente giustificabili nella produzione in serie. Questo tipo di formatura ben si presta all automazione delle varie operazione di colata, ma per ragioni di ingombro vengono colati solo pezzi di dimensione medio piccola. FUSIONE IN FORMA PERMANENTE Forma realizzata in materiale metallico - struttura cristallina dei getti sia fine, per effetto del rapido scambio termico tra la lega fusa e la conchiglia - elevata resistenza meccanica del pezzo prodotto Assenza della granulometria della sabbia - getti di qualità elevata, sia come finitura superficiale che come precisione dimensionale, costante su tutta la produzione. Canali di sfogo Poiché la conchiglia non presenta la porosità della forma transitoria necessaria per permettere all aria e ad eventuali gas presenti di uscire dalla forma prima della solidificazione. N.B. La conchiglia va mantenuta sempre a temperatura costante per evitare distorsioni e variabilità nella struttura del getto. 54

55 FUSIONE IN FORMA PERMANENTE Si può fare una classificazione in base alla modalità in cui la forma viene riempita dalla lega fusa: Fonderia in conchiglia per azione della forza di gravità Fonderia in conchiglia sotto pressione (pressofusione) Conchiglia Ha generalmente una forma semplice ed è costituita da due parti per consentire l estrazione del getto. Per facilitare il montaggio sono previste su una di esse, le spine di acciaio di centramento. FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ L unica azione che spinge la lega fusa ariempirelaconchigliaèla gravità: cioè si cola direttamente dal crogiolo nel bacino di colata realizzato nella conchiglia. La conchiglia è in genere realizzata in ghisa (G25, G30), non trattata, raramente in acciaio. Sistema in sorgente Sistema laterale Sistema dall alto 55

56 FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ I sottosquadri vengono risolti con l uso di tasselli mobili. Le anime posso essere di due tipi: Quando la forma è complessa e crea troppi problemi per l estrazione dal getto, si realizza in terra. In altri casi si realizzano in acciaio, provvedendo a realizzarle in parti scomponibili se sono presenti sottosquadri FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ Lo spessore minimo di un getto ottenibile è intorno ai 4 mm, in funzione della fluidità della lega. La finitura superficiale ottenibileèdicircara=1,8 5m. Occorre prevedere angoli di sformo pari a 3 gradi. La dimensione del minimo diametro ottenibile per fori è di 2mm. 56

57 FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ Le superfici interne della conchiglia vengono verniciate con vernici a base acquosa con polveri refrattarie e lubrificanti (come grafiti, allumina, talco, mica, farina si silice), con lo scopo di: Controllare il trasferimento di calore in alcuna zone del pezzo (es. materozze) Controllare lo scorrimento della lega per assicurare un corretto riempimento i Migliorare la finitura superficiale e del distacco dalla conchiglia Aumentare la durata della conchiglia. 57

58 FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ Progettazione Sistema di colata Devono essere ridotte le turbolenze, che provocano intrappolamenti d aria con conseguenti soffiature ed ossidazione. Occorre evitare che la vena fluida, entrando nella forma, provochi spruzzi, che possono provocare difetti localizzati. Per evitare intrappolamenti d aria e per assicurare un riempimento più dolce della forma, bisogna prevedere un basculamento della conchiglia. Il dimensionamento dei canali di colata deve essere fatto in modo che il tempo di colata sia minore del tempo di solidificazione delle parti più sottili del getto. FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ Tipologia dei sistemi di colata Sistema in sorgente assicura un riempimento con poca turbolenza ed una buona evacuazione dell aria. Il modello deve percorrere un tragitto più lungo che negli altri casi, arrivando più freddo nella materozza. La soluzione di aumentare la temperatura di colata aumenta il rischio di ossidazione e diminuisce la durata della conchiglia 58

59 FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ Sistema laterale è molto usato con le leghe leggere, la lega ha un altezza di caduta ridotta e una migliore solidificazione direzionale. Il canale di colata è inclinato rispetto alla superficie superiore per favorire il basculamento. E presente però una dissimmetria nella distribuzione della temperatura. FONDERIA IN CONCHIGLIA PER GRAVITÀ Sistema dall alto è il migliore dal punto di vista della solidificazione direzionale e permette di usare materozze ridotte o costituite dal canale di colata stesso. Esiste tuttavia il pericolo di spruzzi che provocano il difetto delle gocce fredde, per cui questo sistema è ottimo per le conchiglie di altezza ridotta che vengono basculate durante la colata. 59

60 PRESSOFUSIONE Questi procedimenti si differenziano dal precedente per il fatto che la lega fusa viene iniettata con una certa pressione nella conchiglia. Ciò richiede l uso di macchine di notevole costo, per cui tali procedimenti sono utilizzati solo per produzioni di grandi serie, nel caso in cui si vogliono realizzare getti a basso costo unitario di notevole finitura superficiale (Ra= m) elevate caratteristiche meccaniche derivanti da una struttura fine e compatta tolleranze ridotte, tanto da ridurre al minimo le lavorazioni meccaniche successive. PRESSOFUSIONE Caratteristiche L iniezione della lega con una forte pressione permette di ottenere getti con spessori più sottili. La durata delle conchiglie è di pezzi. Tolleranze geometriche circa +/- 0.1% 0.2% della quota Pesi limitati ( 10 kg per leghe Al e Zn, 5 kg per leghe di Mg) Il materiale delle conchiglie è: acciaio legato per le leghe di alluminio, magnesio e rame, acciaio al carbonio per le leghe di stagno, piombo e zinco. 60

61 La formatura sotto pressione può essere eseguita principalmente secondo due tecniche: a camera calda a camera fredda PRESSOFUSIONE Hanno in comune alcuni dispositivi: Una pompa in cui il metallo viene pressurizzato ed inviato alla matrice Un telaio per l apertura e la chiusura della matrice Le due tecniche si differenziano a seconda che la camera di riscaldamento del metallo fuso sia o meno parte integrante della macchina. PRESSOFUSIONE Nel processo a camera calda ilsistemadipompaggioècostituitodaun cilindro immerso nel metallo fuso e da un pistone che invia il metallo nella forma attraverso una valvola, mentre la corsa di ritorno apre il passaggio al liquido circostante che riempie il cilindro. Caratteristiche: migliore controllo della temperatura della lega elevata capacità produttiva (1000 pz/h - pezzi medi) la temperatura del bagno fuso non può essere troppo elevata 61

62 PRESSOFUSIONE Nel processo a camera fredda il metallo viene colato da un crogiuolo in una camera di trasferimento, ed iniettato nella forma spinto da una pistone. Dopo la solidificazione si apre la forma e si estraggono le anime mentre un iniettore spinge il getto all esterno. Caratteristiche: capacità produttiva limitata (150 pz/ora su pezzi medi) la temperaturat del fuso può essere più elevata PRESSOFUSIONE (leghe di alluminio) CONCHIGLIA PER GRAVITÀ 62

63 PRESSOFUSIONE - I materiali 600 Camera calda Camera fredda 500 Fe 400 Rm [MPa] Zn Al Mg Cu 100 Sn Pb Tcolata [ C] PRESSOFUSIONE - I prodotti Leva di accensione moto (Lega di alluminio) Telaio per elettrodomestico. (Lega di alluminio) 63

64 PRESSOFUSIONE - I prodotti Leghe Zn Al Mg Pneumatica Mobili- arredo Automotive Elettrodomestici PRESSOFUSIONE - I prodotti Leghe di Mg Corpo macchina fotografica Lega di magnesio 64

65 PRESSOFUSIONE Vantaggi elevata capacità produttiva tolleranze geometriche strette buona finitura superficiale ridotta porosità ottima riproducibilità Limiti: peso e dimensioni del getto limitati necessità di realizzare il pezzo senza parti massicce ma con nervature elevato costo dello stampo e della pressa non si può colare acciaio o ghise Confronto fra le Tecniche di Fabbricazione Il confronto fra le diverse tecniche viene fatto al fine di scegliere quella più economica per fabbricare un determinato tipo di getto. La valutazione dell economicità si fonda sull analisi di : Temperatura di fusione della lega Dimensioni e complessità del getto Numero di pezzi Tolleranze e finiture superficiali 65

66 Confronto fra le Tecniche di Fabbricazione Se la Temperatura di fusione della lega è elevata conviene orientarsi verso quelle tecniche che usano forme in materiale refrattario (fonderia in terra o a cera persa). Se la temperatura è bassa si può prendere in considerazione la formatura in conchiglia. I getti di dimensioni maggiori vengono sempre fabbricati con le tecniche più semplici e quindi con la fonderia in terra, mentre per quelli più piccoli si può prendere in esame la fonderia in conchiglia o a cera persa. Quest ultima è da considerarsi anche per i getti di forma complessa per i quali una fonderia in conchiglia potrebbe creare problemi di costo della forma metallica e di tempi per lo smontaggio. Confronto fra le Tecniche di Fabbricazione Un altro elemento fondamentale è lo spessore minimo realizzabile. Esso dipende dalla finitura superficiale della forma e dal modo in cui si introduce il metallo fuso. Queste condizioni trovano la migliore realizzazione nella fonderia in conchiglia (pressofusione) o nella fonderia semicentrifuga di forme realizzate a cera persa. Le migliori condizioni di precisione dimensionale e finitura superficiale del getto vengono ottenute in conchiglia ma può essere utile anche una forma refrattaria, se sufficientemente rigida e realizzata con una terra a granulometria fine (cera persa). 66

67 Confronto fra le Tecniche di Fabbricazione In termini generali (1: buono, 5: pessimo) Processo Materiali colabili Peso (kg) Min Max Complessità forma Precisione dimensionale Spessore parete (mm) Min Max Pressofusione Non ferrosi Conchiglia Tutti (no acciaio) Terra Tutti Cera persa Tutti Confronto fra le Tecniche di Fabbricazione FONDERIA IN TERRA LAMINAZIONE CALDO FUCINATURA STAMPAGGIO CONCHIGLIA CERA PERSA ESTRUSIONE LAMINAZIONE, TRAFILATURA PRESSOFUSIONE Costo Pressofusione Forma Alto Sistema Alto MdO Medio Bassa Capacità produttiva indicat. (pz/ora) < 200 Conchiglia Terra Cera persa Medio Basso Medio Alto Medio Basso Medio Basso Medio Bassa Medio Bassa Alta (*) < 60 < 20 < 1000 * nella preparazione del grappolo 67