PROCESSI DI FORMATURA PLASTICA MASSIVA: ESTRUSIONE

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1 PROCESSI DI FORMATURA PLASTICA MASSIVA: ESTRUSIONE 1 ESTRUSIONE Processo con cui una billetta o una barra subisce una riduzione nella sezione trasversale attraverso l azione di pressione esercitata da uno spintore che la costringe a fluire attraverso un opportuna cavità (matrice) Può essere accompagnata anche da una variazione di forma Spintore Billetta Matrice 2 1

2 ESTRUSIONE Matrice: nel cilindro entro cui viene messo inizialmente il materiale da estrudere (estrusione diretta) nello spintore (estrusione inversa) Estrusione diretta Estrusione inversa 3 ESTRUSIONE Si ha movimento relativo (e quindi attrito) fra le pareti del contenitore ed il materiale Estrusione diretta Estrusione inversa 4 2

3 ESTRUSIONE DIRETTA 5 ESTRUSIONE INVERSA 6 3

4 ESTRUSIONE IDROSTATICA La forza di estrusione non viene esercitata direttamente dal pistone ma attraverso un mezzo attivo ad alta pressione Lo stato di sollecitazione che si viene a creare è pressoché idrostatico Deformazione quasi omogenea uniformità delle caratteristiche del materiale La forza di estrusione è minore rispetto a quella necessaria per il processo diretto Il mezzo attivo evita il contatto tra billetta e matrice Non è molto utilizzata a causa della complesità delle tenute 7 ESTRUSIONE IDROSTATICA Forza esercitata attraverso un mezzo attivo (lubrificante) ad alta pressione 8 4

5 ESTRUSIONE Economicamente rilevante quando i profili sono così complessi da non consentire la laminazione o l asportazione di truciolo Elevate forze in gioco la maggior parte dei metalli estrusa a caldo Estrusione a freddo: sta diventando un processo commerciale sempre più importante Ridotta formazione di cricche nel materiale grazie a forze compressive molo elevate causate dalla reazione billetta - contenitore Utilizzazione dell estrusione nella formatura di metalli difficili da deformare (acciai inossidabili, leghe di Ni ed altri materiali per elevate T)

6 ESTRUSIONE È opportuno distinguere tra: estrusione continua: permette di ottenere manufatti di lunghezza variabile a piacere a sezione trasversale costante (barre, tubi, profilati ecc.) estrusione in pezzi singoli operata sui prodotti dell estrusione continua e su altri semilavorati 11 ESTRUSIONE: PRODUZIONE DEI TUBI Estrusione diretta: mandrino attaccato all estremità dello spintore spessore di parete del tubo determinato dalla differenza tra dimensione diametrale della matrice e del mandrino Estrusione inversa: tubo prodotto con uno spintore di diametro inferiore a quello del contenitore 12 6

7 ESTRUSIONE: PRODUZIONE DEI TUBI 13 ESTRUSIONE PER URTO Viene impiegata in genere per la realizzazione a freddo di corpi cilindrici di dimensioni ridotte e costituiti da materiali ad elevata deformabilità 14 7

8 15 PRESSE PER ESTRUSIONE Estrusione eseguita usualmente con presse a comando idraulico, con velocità e pressioni regolabili Presse verticali: facile allineamento tra lo spintore ed i cilindri, velocità di produzione più elevate e meno spazio orizzontale anche se sono richiesti locali alti raffreddamento uniforme della billetta nel contenitore deformazione più uniforme e simmetrica capacità da 300 a 2000 t Presse orizzontali: parte bassa della billetta a contatto con la parete del cilindro raffreddamento più rapido rispetto alla parte superiore deformazione non uniforme piegamento delle barre e, nella estrusione dei tubi, spessore non uniforme capacità da 1500 a 5000 t 16 8

9 PRESSE PER ESTRUSIONE Velocità dello spintore molto importante: a caldo richieste elevate velocità in quanto c'è un problema di trasferimento di calore dalla billetta ai cilindri in ogni caso si deve tener presente il suo effetto sulla T di lavorazione sono stati messi a punto sistemi che controllano la velocità dello spintore per rendere uniforme la T di estrusione in genere le velocità sono comprese tra 30 e 500 mm/s le più basse si usano per estrudere leghe di Zn e Mg le più elevate per acciai, ottone e Al 17 MATRICI PER ESTRUSIONE Subiscono notevoli sollecitazioni dovute ad alte tensioni, shock termici e ossidazione Tipico assemblaggio di matrici costituito da: matrice (6) realizzata in acciaio alto legato supporto (5) e anello di serraggio (7): tengono la matrice testa (2): sostiene il tutto cuneo (1): preme l assemblaggio contro il contenitore 18 9

10 MATRICI PER ESTRUSIONE Matrici a facce piane: usate quando il metallo forma una zona morta generando un proprio angolo di imbocco Matrici con angolo di ingresso conico: usate nella estrusione con buona lubrificazione diminuzione dell'angolo aumento dell'omogeneità della deformazione e diminuzione della pressione di estrusione ma anche aumento dell'attrito sulle superfici della matrice angolo ottimale compreso tra 45 e MATRICI PER ESTRUSIONE Rapporto di estrusione: Il rapporto di estrusione presenta un valore limite che dipende dal materiale dalla temperatura e dalle caratteristiche della pressa (Il rapporto di estrusione può variare da 10 a 100 in funzione del materiale in lavorazione e delle condizioni del processo) ρ = S / 0 S f 20 10

11 MATRICI PER ESTRUSIONE Realizzazione di corpi cavi: La cavità viene realizzata, anziché da un mandrino, da una matrice costituita da due elementi distinti: la matrice vera e propria, la stella

12 MATRICI PER ESTRUSIONE 23 MATRICI PER ESTRUSIONE 24 12

13 Tensioni interne: MATRICI PER ESTRUSIONE 25 CILINDRO DI ESTRUSIONE E SPINTORE Cilindro di estrusione soggetto a forti pressioni realizzato in due parti: camiciatura interna (4): soggetta ad usura ogni tanto va sostituita contenitore (3): contiene la camiciatura e fornisce le forze compressive per la lavorazione Spintore: protetto dal calore della billetta da un isolante interposto il quale è soggetto shock termici e deve essere sostituito periodicamente 26 13

14 ALTRI DISPOSITIVI Forni di riscaldo e dispositivi per il trasferimento automatico della billetta dal forno al contenitore Sistemi per il riscaldamento del cilindro e dispositivi per il taglio dell'estruso Blocco di carbonio interposto tra billetta e spintore per estrudere tutta la billetta senza scarti Dispositivi per l afferraggio dell'estruso e raddrizzatori per correggere i difetti minori 27 ESTRUSIONE CONTINUA 28 14

15 ESTRUSIONE CONTINUA Consiste nell'estrudere a caldo e a velocità relativamente basse una billetta cilindrica con diametro di mm billetta è di fusione se si tratta di metalli non ferrosi billetta di laminazione se è acciaio. Geometria dell'operazione tale che in prima approssimazione si può considerare come zona di deformazione quella compresa tra matrice, spintore e pareti del cilindro (zona tronco conica precedente l'uscita del materiale) Matrice 29 CICLO DI ESTRUSIONE Riscaldamento della billetta alla T di estrusione Introduzione della billetta e sistemazione della matrice Estrusione Taglio della barra o del tubo Allontanamento della matrice e portamatrice Avanzamento dello spintore e caduta della materozza 30 15

16 FORZA DI ESTRUSIONE Principali variabili che influenzano la forza di estrusione: tipo di estrusione rapporto di estrusione temperatura di estrusione velocità di deformazione condizioni di attrito alle pareti della matrice e del cilindro tipo di sezione dell estruso 31 FORZA DI ESTRUSIONE: ESTRUSIONE DIRETTA Tratto OA: ricalcatura e coniatura della billetta in modo da riempire tutto lo spazio disponibile all interno del cilindro Tratto AB: estrusione del materiale diminuzione della forza di ricalcatura dovuta alla riduzione delle forze di attrito formazione di una zona morta, con conicità interna di circa 45, che non partecipa alla deformazione ma forma un invito per il restante materiale ad entrare nella matrice punto B materiale nella zona di ristagno obbligato a partecipare alla deformazione spazio tra spintore e matrice molto ridotto e forze di distorsione elevate rapido aumento della forza di estrusione 32 16

17 FORZA DI ESTRUSIONE: ESTRUSIONE DIRETTA Pendenza del segmento tra i punti A e B dipendente anche dalla velocità di deformazione: effetto diretto: aumento della forza di estrusione con la velocità di deformazione effetto indiretto: aumento della T e quindi diminuzione della forza con la crescita della velocità di deformazione 33 FORZA DI ESTRUSIONE: ESTRUSIONE INVERSA Forze di attrito più basse in quanto non c'è moto relativo tra billetta e parete del contenitore 34 17

18 ESTRUSIONE A CALDO Maggior parte dei metalli estrusa a caldo Aumento di T comporta: problemi di ossidazione della billetta e degli utensili perdita delle proprietà meccaniche di utensili e matrici difficoltà nel fornire un'adeguata lubrificazione Limite inferiore: T minima che fornisce al metallo una opportuna plasticità Limite superiore: T alla quale avvengono fusioni parziali del materiale Acciai: estrusi usando vetro come lubrificante Leghe di alluminio: estruse senza lubrificante 35 ANALISI DEL PROCESSO DI ESTRUSIONE Zona 1: volume non ancora interessato dalla deformazione Zona 2: volume in deformazione Zona 3: materiale costituente la zona morta Zona 4: materiale già estruso 36 18

19 ANALISI DEL PROCESSO DI ESTRUSIONE F tot = Ftot = Fdef + F1 at + F2 at + F3 at + F1 dis + F2 dis F def / f η = S σ ln( S S ) / η 0.5 <η < 0.8 F 1at F 3at F 3at F 1dis F 2dis F 2dis F 1dis F 2at F 2at 37 ANALISI DEL PROCESSO DI ESTRUSIONE Modalità di flusso del materiale tali per cui si possono distinguere due zone: zona di traslazione rigida del materiale (l<x<l) zona di deformazione del materiale (0<x<l) Lunghezza l della zona di deformazione dipendente da: angolo della matrice rapporto di estrusione entità dell attrito 38 19

20 ANALISI DEL PROCESSO DI ESTRUSIONE Nella zona di deformazione può esistere una zona di metallo stazionario che, nel caso di matrice conica, riduce l angolo α della matrice e, nel caso di matrice piana, riconduce il flusso a quello di una matrice conica con angolo α Schematizzazioni: estrusione a freddo: angoli α tali che non esista la zona morta (α<30 ) l=(r 0 - R f ) cotgα estrusione a caldo: formazione della zona morta con α = 45 l=(r 0 -R f ) 39 MODI DI DEFORMAZIONE NELL ESTRUSIONE Pressione di estrusione dipendente dal flusso di metallo nel contenitore e nella matrice e dalle condizioni di lubrificazione Alcuni difetti strettamente legati ai modi di deformazione durante l'estrusione Modi caratteristici di deformazione nell estrusione: 40 20

21 DEFORMAZIONE NELL ESTRUSIONE a) Deformazione quasi omogenea fino alle immediate vicinanze dell'ingresso nella matrice. Tipica: di buona lubrificazione sulla parete del contenitore dell estrusione idrostatica dell estrusione inversa b) Deformazione con maggiore attrito sulla parete del contenitore distorsione della griglia in prossimità delle pareti del contenitore fino alla formazione della zona morta elementi di griglia al centro del contenitore subiscono essenzialmente un allungamento elementi di materiale in prossimità delle pareti subiscono una grande deformazione di scorrimento distorsione derivante non correlata alle variazioni delle dimensioni esterne della billetta dovuta alla non uniformità della deformazione (lavoro di distorsione) 41 DEFORMAZIONE NELL ESTRUSIONE c) Con attrito molto severo sulle pareti flusso concentrato verso il centro sviluppo di un piano di scorrimento interno tale condizione si verifica anche con superficie della billetta raffreddata dal contenitore se si sviluppa aderenza separazione interna del metallo lungo una zona di scorrimento sottile pellicola di metallo rimane nel contenitore in questa condizione tutta la superficie dell estruso è nuova 42 21

22 DEFORMAZIONE NELL ESTRUSIONE 43 LUBRIFICAZIONE NELL ESTRUSIONE Caratteristiche dei lubrificanti per l'estrusione: bassa resistenza allo scorrimento stabilità ad elevate T Tipi di lubrificanti usati: oli e grassi addittivati con cloruri, fosfuri o solfuri organici che resistono alle elevate pressioni a T elevate, generate dal contatto fra le superfici striscianti. decomposizione con formazione di sali metallici che impediscono la saldatura strato salino continuamente asportato dall'azione di strisciamento formazione di nuovo sale a spese dei metalli progressiva usura degli stampi grasso allo stato solido (MoS 2 ) non reagisce chimicamente con i metalli assicura un basso μ grazie alla sua struttura a lamelle 44 22

23 LUBRIFICAZIONE NELL ESTRUSIONE vetro fuso lubrificante più comune nell'estrusione a caldo di acciai e superleghe di Ni billetta preventivamente scaldata e rivestita di polvere di vetro prima che entri nel cilindro rivestimento anche con funzione di isolante termico tra billetta e cilindro per ridurre le dispersioni di calore tuttavia la maggior sorgente di lubrificazione è un cuscinetto di vetro posto nella faccia della matrice di fronte al naso della billetta calore fornito dalla billetta provoca un addolcimento progressivo del cuscinetto e fornisce la pellicola di lubrificante tra materiale e matrice 45 DIFETTI DI ESTRUSIONE Laminazioni longitudinali nel prodotto causate dal lubrificante intrappolato entro l'estruso lungo bande di scorrimento Allo stesso modo possono crearsi laminazione di ossidi Cavità assiale nella parte finale dell'estruso si verifica quando, durante l estrusione, la lunghezza della billetta è circa 1/4 del suo diametro ed è dovuta al rapido flusso radiale nella matrice estensione del difetto ridotta dando una certa angolazione alla faccia dello spintore 46 23

24 DIFETTI DI ESTRUSIONE Cricche superficiali possono essere generate da sforzi di trazione longitudinali quando l'estruso passa attraverso la matrice (spesso dovute alla mancanza di lubrificante in alcune zone) 47 DIFETTI DI ESTRUSIONE Cricche interne (chevron cracks) possono aversi con bassi rapporti di estrusione effetto strettamente legato all'attrito tra materiale e matrice forti reazioni di attrito all'interfaccia producono un prodotto sano se l'attrito è basso formazione di cricche di tipo "chevron" (a freccia) 48 24

25 ESTRUSIONE DI PEZZI SINGOLI Masselli di partenza possiedono forme variabili e sono generalmente dischi piani o forati, derivati da barre e tubi, ecc. Operazione eseguita solitamente a freddo su Sn, Pb, Zn, Al e sue leghe, acciaio Il procedimento, comunemente eseguito con particolari geometrie assialsimmetriche, avviene sia come estrusione diretta che inversa Esistono anche: processi di estrusione mista nei quali il materiale esce dalla matrice in sensi opposti ma // all'asse dello spintore processi di estrusione nei quali il materiale è spinto principalmente in direzione od obliqua rispetto alla direzione di movimento dello spintore 49 Esempi di produzione per estrusione Materia prima: alluminio Pressa di estrusione: a caldo o a freddo Prodotto finito 50 25

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