Prof.Luigi MASCOLO Unità 1 Elementi di Unione e Collegamenti 1.1 Tecnologia dei collegamenti Un velivolo (come una qualsiasi struttura ) si compone di un numero elevato di parti che, a loro volta, sono costituite da numerosi particolari collegati tra loro. Infatti la maggior parte degli organi non viene realizzata in unico pezzo, ma tramite l unione di più parti. Le tecniche e gli elementi di giunzione sono stati unificati per ottenere la massima economia di produzione, l intercambiabilità dei pezzi e la celerità dei tempi di progettazione, di produzione e di manutenzione. Pertanto, nella fase iniziale di progettazione dell aeroplano, ai fini dell economia strutturale, il progettista dovrà cercare di usare il minor numero possibile di collegamenti, soprattutto nel caso di unità strutturali sottoposte ad elevati carichi. I sistemi di unione e collegamento vengono così suddivisi e denominati: unioni fisse o permanenti, quando le parti vengono unite in modo stabile e il loro smontaggio non può avvenire senza la distruzione del pezzo. E questo il caso delle saldature, chiodature e dell incollaggio; unioni amovibili o temporanee, quando è possibile lo smontaggio e il rimontaggio delle parti senza la distruzione dell elemento di accoppiamento. Appartengono a questa famiglia sia i collegamenti filettati (ottenuti con viti, bulloni, perni,.) sia quelli elastici ottenuti con anelli, spine,chiavette, linguette...; accoppiamenti, quando l unione di due pezzi avviene senza l impiego di altri elementi di giunzione. L accoppiamento può essere mobile o stabile a seconda che consenta, o meno, il movimento delle due parti (si cita come esempio l accoppiamento albero-mozzo); organi di trasmissione, quando si costituisce una catena cinematica destinata alla trasmissione del moto. In tal caso si hanno due elementi, il primo, chiamato conduttore, trasmette il movimento all altro organo accoppiato (condotto) e il movimento può essere rotatorio (es. ruote di frizione, ingranaggi o ruote dentate, pulegge con cinghie) o di trasformazione del moto rotatorio in moto traslatorio (es. vite e madrevite, ruota dentata e cremagliera o pignone e dentiera). Nelle strutture aeronautiche i collegamenti maggiormente utilizzati sono quelli fissi e amovibili e le tecniche di collegamento più frequenti sono la chiodatura e/o rivettatura 1, la bullonatura e l incollaggio. 1 Come sarà descritto nel successivo paragrafo i chiodi di piccolo diametro, compreso tra 1 e 10 mm, tali da essere ribaditi a freddo, sono detti RIVETTI o RIBATTINI, mentre si parla propriamente di CHIODI quando si hanno diametri maggiori, compresi tra 8 e 40 mm e la ribaditura avviene a caldo (T ~1.000 C) con presse e martelli pneumatici. UNITA 1 Elementi di unione e collegamenti pag. H/1
Bulloni, viti e perni sono, ad esempio, utilizzati quando è previsto che le parti siano composte da sezioni o elementi intercambiabili o smontabili, altrimenti si preferisce utilizzare un collegamento di tipo fisso (chiodatura, saldatura, incollaggio). In particolare l unione tra le parti principali, più spesse e più sollecitate, avviene mediante bullonatura, mentre le unioni fra lamiere e profilati di piccolo spessore avvengono tramite la chiodatura poiché in campo aeronautico, a causa del largo utilizzo delle leghe leggere di alluminio, non si può utilizzare la più vantaggiosa 2 tecnica della saldatura. Dal punto di vista progettuale è indubbio che i collegamenti principali comportano un maggior peso e un maggior costo per unità di volume di qualsiasi altra parte di struttura aeronautica per cui il progetto di attacchi e giunzioni gioca un ruolo importante nel progetto strutturale dell intero velivolo. Poiché il compito del progettista è quello di ideare prodotti che soddisfino sia esigenze di funzionalità che di affidabilità, da un lato si ricerca di ridurre al minimo i numero di componenti, (un numero elevato di componenti implica un gran numero di giunti che di solito pregiudicano l affidabilità a causa della diminuzione della resistenza e dei problemi di corrosione) dall altro bisogna tener conto delle esigenze della manutenzione e del fatto che in molti casi è necessario smontare il pezzo per eseguire ispezioni e controlli. RICAPITOLANDO: Nello schema iniziale dell'aeroplano il progettista dovrà cercare di usare il minor numero possibile di collegamenti, in particolare per quei collegamenti che uniscono unità strutturali sottoposte ad elevati carichi. I collegamenti più utilizzati sono distinti in fissi e amovibili (smontabili): I collegamenti fissi sono quelli nei quali lo smontaggio comporta operazioni che rendono poi estremamente complesso o impossibile il riassemblaggio dei pezzi. Tra di essi occorre menzionare le SALDATURE, gli INCOLLAGGI e le CHIODATURE/ RIVETTATURE (anche se queste ultime si potrebbero definire collegamenti semi-fissi, visto che le operazioni di smontaggio sono abbastanza laboriose ma ad esito certo); I collegamenti mobili o smontabili sono quelli nei quali lo smontaggio è un operazione che non comporta alcuna difficoltà, e quindi si parla di tutti i COLLEGAMENTI FILETTATI (viti, bulloni, prigionieri) e dei COLLEGAMENTI ELASTICI ( anelli, spine); 2 Rispetto alla saldatura, la chiodatura ha lo svantaggio di essere meno facile e veloce nell esecuzione, più costosa, più pesante e meno robusta, in quanto i fori riducono la resistenza degli elementi e comporta ulteriori verifiche aggiuntive come quella a strappamento (o tranciamento) e a rifollamento (od ovalizzazione) dei fori e quella a taglio dei rivetti. Per tale motivo la chiodatura a caldo, che in passato aveva trovato largo impiego nelle costruzioni di grosse strutture quali, navi, caldaie, serbatoi, è stata ora quasi completamente soppiantata dalla saldature, mentre la chiodatura a freddo (rivettatura) è ancora oggi utilizzata nel campo delle costruzioni aeronautiche e navali in lega leggera di alluminio, in quanto difficilmente saldabile. UNITA 1 Elementi di unione e collegamenti pag. H/2
1.2 Chiodatura e rivettatura Abbiamo precedentemente detto che, in campo aeronautico, mentre l unione tra le parti principali, più spesse e più sollecitate, avviene in genere mediante bullonatura, le unioni fra lamiere e profilati di piccolo spessore avvengono tramite rivettatura o chiodatura a freddo. Rispetto alla saldatura, la chiodatura ha lo svantaggio di essere meno facile e veloce nell esecuzione, più costosa, più pesante e meno robusta (i fori riducono la resistenza degli elementi), tuttavia il suo utilizzo è reso necessario dal fatto che la saldatura, oltre che ad essere inattuabile fra le leghe leggere a base di alluminio, potrebbe creare dei problemi strutturali agli elementi da connettere come l innesco di fessura a fatica. Il collegamento chiodato avviene introducendo il chiodo, dotato di testa, in due fori allineati e praticati nelle due parti da unire, e nel deformare successivamente la parte sporgente facendogli assumere una forma simile a quella testa. La ribaditura dell estremità del chiodo può avvenire sia a caldo che a freddo, nel primo caso si parla di CHIODATURA nel secondo di RIVETTATURA. Il chiodo è un organo meccanico costituito da due parti fondamentali: una testa, di differente forma (tonda, tronco-conica,svasata,..) ed un gambo tronco-conico, per facilitare l ingresso nel foro, e sporgente rispetto agli elementi da unire, di una quantità sufficiente 3 a consentire la ribaditura. I chiodi hanno un diametro nominale (misurato a 5mm di distanza dalla testa) compreso tra 8 e 40mm, sono realizzati in acciaio a basso tenore di carbonio (extra dolce) e vengono riscaldati per la ribaditura, che in genere avviene con un martello pneumatico o con una pressa ad una temperatura di circa 1000 C. La ribaditura a caldo del chiodo genera la compressione tra le due teste degli elementi da unire, effetto che viene esaltato dalla successiva contrazione del gambo durante il raffreddamento, pertanto, i chiodo non sono sollecitati solo a taglio ma anche a trazione lungo il loro asse. Il foro sugli elementi da unire viene ottenuto mediante punzonatura o per trapanatura. La prima tecnica è più veloce e più economica ma è anche più rischiosa poiché si può danneggiare il materiale deformando il contorno del foro. Nella pagina seguente viene riportata una tabella nella quale sono rappresentati i principali tipi di chiodi e relativi fori di preparazione con la relativa denominazione UNI: 3 Il tratto di gambo sporgente, espresso in funzione del diametro, varia con la forma del chiodo dal valore minimo c= 0,7 d per chiodi a testa svasata piana, al valore massimo c= 1,5 d per chiodi a testa tonda larga. UNITA 1 Elementi di unione e collegamenti pag. H/3
UNITA 1 Elementi di unione e collegamenti pag. H/4
I chiodi di piccolo diametro, compreso tra 1 e 10 mm, costruiti in leghe metalliche sufficientemente plastiche (acciaio a basso tenore di C, rame, ottone, leghe leggere..) tali da essere ribaditi a freddo, sono detti RIVETTI o RIBATTINI. Chiaramente gli sforzi trasmissibili con i rivetti sono minori rispetto a quelli relativi ai chiodi, tuttavia, i rivetti sono più economici, più versatili consentendo collegamenti tra parti costruite con una grande varietà di materiale, e sono caratterizzati da una maggiore velocità di esecuzione. Il gambo del ribattino è cilindrico e viene inserito in fori di preparazione di diametro appena più grande (0,1-0,2 mm) per agevolarne l introduzione e quindi ribaditi a freddo con un martello o con una pressa in modo da formare l altra testa. A causa della piccola differenza di diametro tra rivetto e foro, la ribaditura provoca il contatto con le pareti del foro e di conseguenza i ribattini lavorano esclusivamente a taglio. Il fatto di realizzare il collegamento a freddo si traduce in una scarsa aderenza tra le superfici che vengono unite e per questo motivo la resistenza della giunzione è data soprattutto dalla resistenza a taglio dei rivetti; questo comportamento è quindi completamente diverso da quello che si verifica nel caso di una chiodatura a caldo, in cui la resistenza della giunzione è data soprattutto dall attrito che si crea tra le superfici collegate. I rivetti possono essere a testa sporgente (protruding head type rivets) o a testa svasata (flush type rivets). Questi ultimi sono stati introdotti perché i rivetti a testa sporgente hanno l'inconveniente di sporcare l aerodinamica del velivolo e di incrementarne la resistenza e quindi non possono essere utilizzati su velivoli che raggiungono elevate velocità. I rivetti a testa svasata presentano tuttavia, il problema dell alloggiamento della testa del rivetto, per cui, a seconda dello spessore delle lamiere da unire,si ricorre o a una fresatura conica, oppure, se lo spessore lo consente, ad una deformazione plastica (imbutitura) del foro. Nel caso in cui sia accessibile solo una delle due parti si devono utilizzare rivetti ad espansione o a strappo che consentono la ribaditura operando solo da un lato. Il materiale con cui vengono costruiti i ribattini può essere acciaio dolce, alluminio, rame, ottone, leghe leggere. Alcuni ribattini portano sulla testa un contrassegno di specificazione del materiale (vedi figura a lato). La designazione dei rivetti avviene con le stesse indicazioni già viste per i chiodi ed in particolare le norme UNI prevedono per i ribattini i seguenti diametri (in mm) : 0,8 1-1,2-1,4-1,7-2 -2,3-2,6-3- 3,5-4 - 5 8. Analogamente a quanto fatto con i chiodi, di seguito, si riporta, una tabella nella quale sono rappresentati i principali tipi di rivetti con relativa denominazione UNI: UNITA 1 Elementi di unione e collegamenti pag. H/5
UNITA 1 Elementi di unione e collegamenti pag. H/6
MODULO H Esempio di rivettatura in campo aeronautico immagini tratte dalla visita guidata presso lo stabilimento di Capua della OMASUD nel Maggio del 2011 1.2.1 Classificazione dei giunti Le chiodature vengono tradizionalmente classificate in: devono garantire la resistenza agli sforzi esterni senza garantire la tenuta. CHIODATURE di FORZA E il caso del collegamento di parti strutturali, come quelle che si hanno nelle costruzioni metalliche di carpenteria, tralicci, ponti, tettoie,..; devono garantire la tenuta in presenza di piccoli sforzi. E il caso dei serbatoi CHIODATURE di TENUTA a bassa pressione, gassometri, condotti in genere, camini,..; devono garantire sia la resistenza agli sforzi esterni che la E il caso delle CHIODATURE di TENUTA e di FORZA caldaie, serbatoi ad alta pressione, autoclavi, condotte forzate, A tal fine si impiegano lamiere con spessore superiore a 6 mm, i cui bordi vengono opportunamente ricalcati in corrispondenza della giunzione chiodata ( operazione detta cianfrinatura o presellatura). UNITA 1 Elementi di unione e collegamenti pag. H/7
Dal punto di vista della forma, le chiodature, a seconda del numero delle superfici metalliche collegate e del modo in cui vengono realizzati i giunti, si classificano in: a) a sovrapposizione semplice; b) a semplice coprigiunto; c) a doppio coprigiunto. Sia i tipi di collegamento a sovrapposizione che quelli a coprigiunto, a seconda delle necessità, possono essere eseguiti a semplice o doppia fila di chiodi. In quest ultimo caso i chiodi in doppia fila possono essere affacciati o sfalsati. Le chiodature a sovrapposizione o quella a semplice coprigiunto (poco utilizzata) generano pericolose sollecitazioni di flessione pertanto la soluzione migliore è quella a doppio coprigiunto. 1.2.2 Tipologia di rottura Nel caso di giunzione rivettata le tipologie di rottura che si possono verificare sono dovute a: taglio del rivetto schiacciamento del rivetto ovalizzazione del foro (o rifollamento) tranciamento e strappo della lamiera Le prime sono causate dal cedimento del gambo del rivetto mentre le lamiere resistono al carico applicato. Nel caso del rifollamento del foro, il rivetto è in grado di resistere alle sollecitazioni trasmesse alla lamiera che, al contrario, cede al carico applicato con conseguente ovalizzazione dei fori passanti. Se poi i fori sono troppo vicini ad un bordo della lamiera, quest ultima si può tranciare. E chiaro che una sovradimensionamento del diametro del rivetto evita le prime due tipologie di rotture, tuttavia è inutile che il rivetto possa sostenere carichi elevati quando poi è la lamiera che cede per prima. Occorre, quindi, che lamiera e rivetto siano in grado di trasmettere gli stessi carichi in modo che se si supera il valore limite si verificano UNITA 1 Elementi di unione e collegamenti pag. H/8
contemporaneamente l ovalizzazione del foro ed il taglio del rivetto. In genere, per poter dimensionare opportunamente un collegamento rivettato si dispone di adeguate appropriate tabelle, realizzate per diversi tipi di giunzione, nelle quali fissato lo spessore della lamiera, si ottiene per un dato materiale costituente il rivetto, il diametro minimo in corrispondenza del quale si verifica l ovalizzazione. La lamiera cede per TRANCIAMENTO in corrispondenza della minima sezione resistente al taglio indebolita dalla presenza del foro per l alloggio del bullone. In riferimento alla figura, se indichiamo con t è lo spessore della piastra, si osserva che l area resistente al taglio è data dall area delle due sezioni tratteggiate. La lamiera cede per STRAPPO quando si supera la tensione di rottura nelle sezioni perpendicolari alla direzione di applicazione del carico. In riferimento alla figura di seguito riportata, se indichiamo con t è lo spessore della piastra, si osserva che l area resistente allo strappo è data dall area delle due sezioni tratteggiate. Per quanto attiene i procedimenti di dimensionamento e verifica di una giunzione rivettata, essi saranno oggetto di uno specifico modulo previsto per il prossimo anno di corso. UNITA 1 Elementi di unione e collegamenti pag. H/9