TECNOLOGIA MECCANICA Parte 5
La fabbricazione per fusione è una delle tecniche più anache, versaali ed ualizzata per la produzione di greggi desanaa alla lavorazione per asportazione di truciolo. In linea di principio generale, nei processi per fusione si prepara una cavità dega FORMA che copia in negaavo la geometria del pezzo che si intende realizzare, che viene poi riempita con la lega selezionata per la produzione allo stato fuso. Si lascia poi solidificare e si estrae dalla forma il GREGGIO di fusione. Variazione di forma ottenuta tramite passaggio di stato (solido-liquido-solido) Forma (mold) Stampo (die)
I metodi di preparazione della forma si disanguono in due gruppi: Transitoria: ogni forma può essere ualizzata per una sola colata Permanente (o in conchiglia): la forma è progegata e realizzata per un numero elevato di colate Le tecniche fusorie possono essere applicate praacamente a tuge le leghe di interesse tecnico e consentono di realizzare molassime geometrie e dimensioni. Nelle tecniche per fusione generalmente ci sono dei SOPRAMETALLI, ossia materiale in eccesso che viene asportato alle macchine utensili per realizzare il pezzo con le finiture desiderate delle superfici funzionali.
Processi in forma transitoria Il processo si divide essenzialmente in due fasi Produzione della forma Produzione del prodotto (getto)
Produzione della forma La forma è suddivisa in semiforme. Ciascuna semiforma è fatta da polveri (materiale di formatura) mescolate e compattate Staffe Materiale di formatura Compattamento per pressione e vibrazione Semiforma Modello formatura sformatura
PROGETTAZIONE DI MODELLI E ANIME I processi con cavità transitoria hanno in comune il fago che la cavità viene realizzata facendo uso di MODELLI e ANIME: Modello: serve a realizzare le superfici esterne del greggio Anima: serve a realizzare le cavità interne al greggio La forma si realizza mediante un apposito materiale da formatura. Nella forma sono sempre presena il SISTEMA DI COLATA agraverso il quale la lega fusa entra nella forma e la MATEROZZA, ossia on serbatoio di materiale che ha lo scopo di compensare i riari del gego durante la solidificazione.
Materiale da formatura Miscela di polveri Elemento refrattario deve reggere elevate temperature senza fondere (in genere silice -SiO2 granulare) Elemento legante deve garantire la coesione della forma (argilla nella tradizionale terra di fonderia, simili componenti chimici nelle miscele contemporanee) Additivi devono migliorare le caratteristiche di: refrattarietà, coesione (reggere alle sollecitazioni), permeabilità (lasciar passare aria), scorrevolezza (facilitare la formatura), sgretolabilità (facilitare l estrazione del getto)
PROGETTAZIONE DI MODELLI E ANIME Il modello e la linea di divisione delle due para della forma devono essere progegaa in modo da poter estrarre il modello stesso dalla forma senza danneggiarla. Molto spesso i pezzi presentano sogosquadri che complicano l estraibilità del modello. Si ricorre a diverse soluzioni compresa quella di realizzare il modello in forma scomponibile. Il livello di finitura superficiale ogenibile con i processi di fusione è generalmente basso e spesso non sufficiente a soddisfare la funzionalità del pezzo. Il grado di finitura si ovene lavorando alle macchine utensili il greggio, che quindi deve essere realizzato con dei SOPRAMETALLI, cioè eccesso di materiale. I soprametalli sono un compromesso tra cosa e margine di sicurezza (grandi soprametalli implicano più materiale e più elevaa tempi di lavorazione, ma garanascono un margine di sicurezza più elevato). Lo spessore del soprametallo dipende da: grandezza del pezzo, Apo di materiale, qualità superficiale richiesta. I valori dei soprametalli sono tabellaa in funzione di quesa parametri. Nel caso di fori occorre valutare se realizzarli da fusione con soprametallo o realizzarli interamente per post lavorazione del greggio. Fori piccoli si realizzano sicuramente per lavorazione.
MODELLI E ANIME Il modello conaene: La geometria del prodogo da imprimere su ciascuna semiforma Eventualmente parte delle geometrie di sistema di alimentazione e materozze. TuGo cio che non è presente nel modello, va realizzato nelle semiforme mediante asportazione di materiale
MODELLI E ANIME Esempio: vengono scavaa nella semiforma i componena di sistema di colata e materozze che non erano presena nel modello AGacco corrego
MODELLI E ANIME Errore: agacchi di colata e collare d agacco molto difficili da realizzare tacchi di colata e collare d attacco molto difficili da
ANGOLI DI SFORMO Per facilitare la sformatura del modello (estrazione dalla forma) si creano i cosiddev angoli di sformo pe evitare superfici esagamente ortogonali alla linea di separazione della forma. Anche gli spigoli vivi vanno eliminaa mediante raggi di raccordo, questo è vero anche nelle forme permanena
ANGOLI DI SFORMO Gli angoli di sformo dipendono dalla posizione del piano di separazione scelto nella forma
RITIRI Le leghe comunemente impiegate nella fabbricazione di componena meccanici subiscono dei riari durante il processo di solidificazione. Ne consegue che il gego risulta di dimensioni inferiori a quella della forma. Le dimensioni della forma devono quindi essere opportunamente maggiorate rispego alle dimensioni finali desiderate per il greggio. Per il calcolo della maggiorazione si fa uso di un coefficiente di riaro lineare medio.
I MODELLI DA FONDERIA I modelli sono generalmente verniciaa con colorazioni che dipendono dalla lega con cui si effegua la colata e dalle lavorazioni successive cui sarà soggego il gego. Il materiale con cui è costruito il modello dipende dalla qualità che si intende ogenere nel greggio e dalla durata che si prevede debba avere il modello. I materiali più ualizzaa sono: Legno, leghe metalliche, polimeri per modelli che vanno riualizzaa; cera e polisarolo per modelli a perdere. ANIME DA FONDERIA Per la realizzazione di sogosquadri, qualora siano inevitabili occorre ualizzare delle ANIME
ANIME DA FONDERIA Prodotto Impossibile trovare un piano di separazione che eviti sottosquadri Anima In terra di fonderia compattata. Riproduce l interno del pezzo Semiforme + anima L anima viene appoggiata nelle semiforma. Il materiale fuso riempie gli spazi rimasti vuoti Semiforme Vengono aggiunte le superfici di sostegno per l anima (portate d anima)
ANIME DA FONDERIA Le anime sono costruite in materiale refragario, infav dovendo creare delle cavità esse restano avvolte da metallo liquido durante il processi di fabbricazione. Le anime devono avere una resistenza meccanica sufficiente da non rompersi sogo l azione della spinta del metallo liquido (forze direge e spinta di Archimede). Le anime devono avere una permeabilità tale da consenare il deflusso dei prodov gassosi che si formano durante la colata (conseguente formazione di soffiature). Il solo materiale spesso non garanasce la permeabilità sufficiente, si praacano quindi dei canali apposia nell anima.
FASI TIPICHE DI PRODUZIONE IN FORMA TRANSITORIA Composizione delle semiforme, Colata Solidificazione del gego Estrazione Pulitura del pezzo Cicli termici e lavorazioni finali Composizione delle semiforme
FASI TIPICHE DI PRODUZIONE IN FORMA TRANSITORIA Colata, Solidificazione e estrazione
FASI TIPICHE DI PRODUZIONE IN FORMA TRANSITORIA Colata, Solidificazione e estrazione
FASI TIPICHE DI PRODUZIONE IN FORMA TRANSITORIA Colata, Solidificazione e estrazione
FASI TIPICHE DI PRODUZIONE IN FORMA TRANSITORIA Pulitura del ge8o Separazione dalle appendici ed eliminazione delle tracce dovute a sistema di alimentazione, materozza e piano di separazione Il pezzo viene soggego a cicli termici sia per il miglioramento di alcune proprietà che per l omogeneizzazione della strugura cristallina.
PECULIARITA DEI PRODOTTI IN FORMA TRANSITORIO Peculiarità dei prodotti di fusione in forma transitoria Superfici ruvide dovute alla forma in terra Spigoli arrotondati Traccia del piano di separazione Geometrie tozze e abbastanza semplici
PECULIARITA DEI PRODOTTI IN FORMA TRANSITORIO Fori piccoli e molti sottosquadri vengono realizzati per asportazione di materiale Superfici importanti (tolleranze dimensionali e geometriche) vengono realizzate per asportazione di materiale
SOLIDIFICAZIONE DI GETTI Se si escludono rare eccezioni, tuv i metalli e le leghe metalliche subiscono contrazioni volumetriche in fase di raffreddamento dallo stato fuso alla temperatura ambiente. In paracolare si idenaficano tre Api di riaro: - In fase liquida - In fase di solidificazione - In fase solida Da un punto di vista progeguale, il riaro globale implica un aumento dimensionale della forma per compensare questo fenomeno. Il riaro in fase solida è responsabile delle tensioni residue nel gego. Il riaro in fase di solidificazione può provocare (se non si progega bene la colata) il difego di CAVITA DA RITIRO
SOLIDIFICAZIONE DI GETTI Solidificazione omogenea o uniforme (tuv i puna in un dato istante di tempo si trovano alla stessa temperatura). Nucleazione Crescita del grano (coalescenza) Interlocking (bordi grano) T T T T T T temperatura nucleazione coalescenza interlocking Tsolid liquido Liquido + solido solido tempo
SOLIDIFICAZIONE DI GETTI Nel gaso di leghe il processo si complica per via del diagramma di fase della lega stessa temperatura Liquido (A+B) temperatura Liquido (A+B) Liquido (A+B) Solido (A+B) Ts1 Ts2 Solido (A+B) Ts1 Ts2 Solido (A+B) Liquido (A+B) Solido (A+B) tempo 100% A Concentrazione lega in esame 100% B
SOLIDIFICAZIONE DI GETTI Nei casi di processi per fusione la solidificazione non è uniforme poiché la parete della forma implica la presenza di una zona fredda con cui scambiare calore Aria Parete Liquido Questa particella non riesce a cedere molto calore le particelle adiacenti sono a temperatura simile Questa particella cede con facilità calore verso la parete del recipiente, che è più fredda
SOLIDIFICAZIONE DI GETTI La temperatura presenta un certo profilo nel passare dal cuore del gego verso la parete fronte di solidificazione T Tsol Aria Parete Liquido Tamb x
SOLIDIFICAZIONE DI GETTI A causa di questo profilo la formazione del solido avviene in modo direzionale con la presenza di un fronte di solidificazione. Tsol Aria Parete Solido Liquido Tamb x = x(t) Fronte di solidificazione x
SOLIDIFICAZIONE DI GETTI La diversa velocità di raffreddamento che si genera in una solidificazione direzionale porta anche alla formazione di una strugura cristallina non omogenea Raffreddamento veloce alle estremità Grani piccoli: migliori proprietà meccaniche Grani simmetrici: isotropia Raffreddamento lento al centro Grani grandi: peggiori proprietà meccaniche Grani allungati: anisotropia Struttura disomogenea Isotropia Anisotropia
SOLIDIFICAZIONE DI GETTI Nel caso di leghe non esiste un fronte di solidificazione, ma esiste una area di solidificazione che procede in modo direzionale in cui liquido e solido sono contemporaneamente presena (formazione di dendridi). temperatura Liquido (A+B) Liquido (A+B) dendrite Solido (A+B) Ts1 Ts2 Solido (A+B) Ts1 Ts2 Aria Parete Liquido tempo Tamb Area di solidificazione: liquido + solido presenti contemporaneamente x
SOLIDIFICAZIONE DI GETTI La presenza di queste dendridi in fase di solidificazione implica una strugura cristallina anche essa disomogenea (come per i metalli puri) ma con delle caragerisache ancora diverse Solidificazione direzionale: lega binaria Raffreddamento veloce alle estremità Grani piccoli e simmetrici Raffreddamento lento al centro Grani grandi ed allungati verso il centro, dovuti all accrescimento di dendriti. Grani talvolta simmetrici nella zona centrale.
SOLIDIFICAZIONE DI GETTI In un generico gego esiste quindi una solidificazione di Apo direzionale in cui il cuore è l ulama parte a solidificare Isoterme Nel corso della solidificazione, il fronte di solidificazione avanza verso il baricentro termico Fronte di solidificazione
SOLIDIFICAZIONE DI GETTI - RITIRI I riari possono determinare dei vuoa nelle zone che raffreddano per ulame. G Al termine della solidificazione, in prossimità del baricentro termico si può creare un vuoto, dovuto al ritiro del materiale in fase di solidificazione Individuare il baricentro termico permette di prevedere la posizione delle imperfezioni nel getto