Mechanical Engineering - Tecnologia Meccanica 1

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1 RIASSUNTO DEL CORSO DI TECNOLOGIA MECCANICA 1 (con dimostrazioni) A cura di Carlo Tassi LA COLATA La colata è un processo in cui il metallo fuso fluisce sotto l’azione della forza di gravit à (o di altre forze esterne) in uno stampo dove solidifica, e ne assume la relativa forma (o della cavità) . Il componente realizzato mediante il processo di colata prende il nome di “grezzo” o “getto”. Ci sono 2 tipi di colata: - Colata in forma transitoria : la forma in cui il metallo fuso solidifica deve essere distrutta per rimuovere il pezzo , essa quindi si può usare una sola volta. Questo processo è efficace per realizzare geometrie più complesse in piccoli lotti di produzione. - Colata in forma permanente : Si può riutilizzare la forma più volte per un lotto di più pezzi. C onsente di avere una migliore rugosità superficiale e migliore finitura del getto. In entrambi i casi i grezzi necessiteranno di alcune lavorazioni successive dette “finitura” per sistemarne la forma. Caratteristiche dei prodotti: - La colata consente di produrre forme complesse sia interne che esterne - Alcuni processi consentono di ottenere prodotti “net shape”, cioè che non necessitano di ulteriori lavorazioni per ottenere la forma richiesta, e non necessitano di finiture troppo elevate. Altri processi sono “near net shape”, per i quali sono necessarie poche lavorazioni aggiuntive - La colata si può utilizzare per produrre sia pezzi di grandi dimensioni che pezzi di piccole dimensioni . - la colata può essere eseguita su qualsiasi materiale che possa essere trasformato in stato liquido (presi determinati accorgimenti ). - Alcuni processi di colata , non tutti, sono adatti alla produzione di massa , come la pressofusione . Materiali utilizzati: - Leghe di alluminio: sono materiali che, portati ad alta temperatura, tendono ad assorbire gas . Si hanno problematiche relative alla porosità del getto. - Leghe ferro -carbonio (acciai e ghise) - Zama: lega di bassa qualità composta da zinco, alluminio, magnesio, antimonio e rame. - Leghe di rame - Leghe di magnesio: Il magnesio è un materiale che brucia facilmente , quindi, se si lavora con l’ossigeno, c’è il rischio che possa innescarsi la combustione . Inoltre, è un materiale che presenta corrosione tra i grani, a differenza (ad esempio) del ferro che si corrode solamente all’esterno. Il vantaggio è che è un materiale molto leggero. - Leghe leggere: ad esempio leghe di titanio e nichel . 2 Criticità e limiti tecnologici: - Spesso i getti non sono molto controllabili (a causa dei differenti moduli termici ). - Tensioni di ritiro e tensioni residue: Sono dovute al fatto che pareti più sottili solidificano prima di quelle più spesse . Si parla quindi di tensioni residue quando il materiale supera il limite ela stico, subendo deformazioni permanenti. - Porosità dei getti: è definita come il rappo rto tra il volume dei pori e il volume totale - Scarsa precisione dimensionale e scarsa finitura superficiale - Sicurezza: dell’operatore durante la lavorazione di metalli ad alta temperatura . - Problematiche ambientali ed energetiche Forma aperta e forma chiusa: Nel caso di forma aperta il metallo viene colato fino a riempire la cavità, nel caso di forma chiusa viene realizzato un percorso detto “sistema di colata” . Riscalda mento del metallo: L’energia termica richiesta per riscald are il metallo ad una temperatura di fusione sufficiente è la somma dei seguenti termini: - Calore necessario ad arrivare alla fusione - Calore latente di Fusione - Calor e necessario ad aumentare la te mperatura del metallo così che possa essere colato . Ipotesi: Si suppone che il calore specifico non vari al variare della temperatura, che la T di fusione sia unica e che il processo sia adiabatico . Allora il calore totale si può esprimere come: 3 Obiettivo della Colata: Far raggiungere al metallo fuso tutte le regioni della forma prima che solidifichi . Fattori di influenza: - Temperatura di colata : se aumenta eccessivamente, aumenta il tempo di solidificazione, costo energetico e (a causa del la diminuzione della viscosità , e quindi della resistenza al flusso) , la fluidità del metallo . - Velocità di colata: aumentandola si riduce il rischio che il ma teriale solidifichi prima di riempire la forma; tuttavia, ciò potrebbe portare allo sviluppo di un moto turbolento con conseguenti erosioni della forma. La velocità limite solitamente è pari a 1 m/s. Sistema di Colata: ANALISI INGEGNERISTICA DELLA COLATA Sono fondamentali la legge di continuità della portata volumetrica e il Teorema di Bernoulli . Si hanno 3 tipi di colata: - Colata in Gravità: 4 - Colata in sorgente: - Colata in Piano: Si può definire il Tempo di Riempimento : Il tempo necessario per riempire la cavità (è un tempo minimo poiché non considera le perdite per attrito ) SOLIDIFICAZIONE E RAFFREDDAMENTO I metalli puri hanno una temperatura di solidificazione unica: 5 Formazione dei Grani (per metalli puri ): La formazione dei grani dipende dal gradiente termico a cui è sottoposto il metallo in colata. Nel metallo a contatto con la forma si ha le formazioni di grani di dimensioni molto ridotte, a causa dell’elevato sbalzo termico dovuto al contatto con la forma. Nell’ addentrarsi nel getto, poi, i grani subiscono una dilatazione colonnare nella direzione del liquido, si formano così dei grani allungati (dendriti). All’interno del liquido, a causa della lenta diminuzione di temperatura, i grani hanno una dimension e molto più grossa. Nella realtà, tuttavia, il gradiente termico non è sufficiente a consentire la formazione di grani grossi; dunque, i dendriti convergono fra di loro con direzioni orientate. Raffreddamento e formazione dei grani nelle Leghe: In questo caso vi è la coesistenza delle dendriti ed il liquido a causa della differenza di temperatura tra Liquidus e Solidus. Il fenomeno dei dendriti si ridu ce se si riduce il gradiente termico fra liquidus e solidus. Inoltre, la lunghezza della zona dendritica dipende dalla distanza tra liquidus e solidus (quindi dalla percentuale di materiali A e B) . Se la distanza è minore si ha una zona dendritica più corta e viceversa. Se le dendriti sono molto lunghe si posso no formare le “porosità interdendritiche” (no buono). Vale la legge di C hovrinov : RITIRO Dalla temperatura di colata alla temperatura ambien te si generano 3 tipi di ritiro differenti: 1) Ritiro in fase liquida 2) In fase di solidificazione 3) Durante il raffreddamento in fase solida 1) e 2) si quantificano at traverso il ritiro Volumetrico 3) si quantifica in base al ritiro Lineare 6 Come contrastare il ritiro: Il ritiro 1) e 2) viene contrastato mettendo dei serbatoi di materiale (materozze) collegate al pezzo, opportunamente posizionate e d imensionate, affinché siano gli ultimi a solidificare . Il ritiro 3) viene compensato sovradimensionando la cavità di una quantità pari al ritiro. In base al tipo di materiale che si deve colare vi sono i vari valori percentuali di ritiro in fase solida opportunamente tabulati. Cavità di Ritiro: Solidificazione Direzionale: Qualora vi sia lo sviluppo di dendriti, occorre evitare la formazione di microporosità . Analogamente alla cavità di ritiro, si ha del liquido circondato dal solido che , quando solidifica , si contrae creando dei vuoti (porosità interd endritiche ). Per evitare il problema occorre ridurre il tempo di solidificazione, ad esempio aumentando il gradiente termico . Inoltre, alcuni gas, ad esempio l’idroge no, diventano molto meno sensibili quando si ha il passaggio del metallo dallo stato liquido a quello solido. Questo comporta la formazione di microporosità. Poiché nei processi di fonderia l'idrogeno proviene sostanzialmente da dall'atmosfera, il risultato dipende fortemente dall'umidità dell'aria . Il problema si può risol vere con degasaggio chimico, fusione sottovuoto, applicazione di una pressione . PROGETTAZIONE DELLE MATEROZZE Il metodo si basa sul Diagramma di Caine. Ometto i conti che sono superflui e sono soltanto ai fini degli esercizi . 7 Curve ISODELTA: 8 Raggio di influenza: Una volta deciso dove posizionare le materozze occorre fare attenzione al fatto che ogni materozza ha un raggio di influenza finito . Questo significa che al di là di una c erta distanza dalla materozza si perde l'effetto di alimentazione . Il raggio di influenza può essere determinato con leggi empiriche. Quindi se la materozza è troppo lontana il pezzo è a rischio di microporosità . Spinte metallostatiche: Una volta colato il metallo liquido all'interno della forma, esso esercita una pressione sulla parete della stessa . L'integrale di tale pressione sulla superficie dell'impronta della staffa superiore genera una spinta verso l'alto che tende a sollevare la staffa. La spinta verso il basso invece è contrastata dal pavimento sul quale la forma è appoggiata . L e spinte laterali sono uguali a sia destra ch e a sinistra , qualsiasi sia la geometria del pezzo . Ci sono due modi per calcolare la spinta metallostatica : Accorgimenti per evitare le tensioni residue: - Non bisogna avere parti massicce vicino a parte di spessore sottile , cioè differenze di moduli termici elevate . - Avere una variazione lenta degli spessori per distribuire le sollecitazioni . In ogni caso dopo la fonderia il pezzo sarà trattato termicamente per distenderlo. Se così non fosse le tensioni interne potrebbero portare ad una variazione della geometria quando il pezzo viene lavorato per lavorazioni successive (ad esempio esportazion e di truciolo). Questo succede perché a causa delle tensioni residue, asportando del materiale, il sistema di forze non è più in equilibrio poiché si è rimosso del materiale con un certo stato di tensione . Questo porta il pezzo a trovare di nuovo un equilibrio delle forze , piegandosi . 9 PROCESSI DI COLATA IN FORMA TRANSITORIA Colata in sabbia: Consiste nel versare il metallo fuso in una forma di sabbia . Si lascia quindi solidificare il metallo per poi rompere la forma e rimuovere il grezzo . Quasi tutte le leghe metalliche possono essere colata in sabbia, compresi i metalli con alte temperature di fusione (ad esempio acciaio nichel titanio ). Si possono avere grezzi di varie dimensioni (da piccoli a molto grandi ) e con quantità di produzione variabili dal pezzo singolo a milioni di pezzi . La cavità nella forma si ottiene ricoprendo di sabbia un modello e rimuovendo in seguito lo stesso separando la forma in due parti . Poiché la forma viene distrutta per rimuovere il grezzo, per ogni grezzo che si produce occorre costruire una forma nuova . La colata in sabbia quindi comprend e anche la fabbricazione del modello e la realizzazione della forma. Il modello deve tenere conto del ritiro volumetrico in fase solida del metallo e anche del sovrametallo per consentire le lavorazioni di asportazione di truciolo successive. Serviranno quindi delle materozze e occorrerà sovradimensionare lo stampo . Inoltre il pezzo deve essere facilmente estraibile dalla forma , e deve essere realizzato in un materiale facilmente lavorabile . Le stabilità del modello si ottiene attraverso : 1) un corretto posizionamento del pezzo rispetto al piano di divisione delle staffe . 2) L'utilizzo di più staffe 3) l'utilizzo di tasselli Anime : Le anim e sono inserite nella cavità della forma prima della colata, in modo che il metallo fuso possa scorrere e solidificare tra esse e la cavità per f ormare sia le superfici esterne , che quelle interne. L'anima è composta da sabbia e viene modellata nella cassa d'anima . Come per il modello, la dimensione effettiva dell'anima deve considerare il ritiro volumetrico in fase solida e le successive lavorazioni meccaniche . P oiché l'anima sta a contatto per molto tempo col metallo ad alta temperatura, rischia di vetrificar e: per evitare questo si può mettere una corda al suo interno, a cui si dà fuoco per creare un buco che serve per il passaggio dell'aria . Se c'è necessità di utilizzare un'anima verticale, bisogna far sì che sia più corta del pezzo, così quando si versa il metallo fuso, poiché la sabbia pesa meno, l'anima si solleva e il metallo passa da sotto , a causa della spinta metallostatica . Se invece l'anima fosse più lunga del pezzo , si sgretolerebbe al posizionamento della staffa superiore . Per quanto riguarda le spinte metallostatiche dell'anima : per la spinta verso l'alto bisogna considerare solo la superficie a contatto con il metallo, per la spinta verso il basso (a causa del peso proprio dell'anima ) invece si considera il volume di tutta l'anima . A seconda della geometria del pezzo, l'anima può richiedere dei perni di supporto per essere tenuta in posizione durante la corata . Questi sono realizzati con un metallo che deve abere una temperatura di fusione maggiore di quella del metallo colato. 10 Sabbie per formatura: Le sabbie utilizzate per fonderia sono a base di silicio ( ) . La sabbia deve possedere buone proprietà refrattarie, ossia deve resistere bene alle elevate temperature e fungere da buon isolante termico . Una tipica miscela ha il 90% di sabbia, 3% di acqua, 7% di argilla (che è il legante ). Le proprietà dei grani influenzano le pr oprietà della forma: - Grani fini: migliore finitura superficiale del pezzo - Grani grossi: migliore permeabilit à (cioè capacità di essere attraversata dai fluidi ) - Forma dei grani regolare: migliora la porosità - Forma dei grani irregolare: migliora la compattazione Cosa caratterizza una buona forma: - Robustezza - Permeabilità (capacità di lasciar uscire l’aria e i gas prodotti) - Stabilità termica ( capacit à di resistere all’incrinatura e frantumatura a contatto con il metallo fuso) - Cedevolezza (capacità di cedere e permettere al grezzo di contrarsi senza rompersi) - Riutilizzabilità Colata per Shell Molding: Il processo consiste nel riscaldare un modello in metallo e metterlo a contatto con della sabbia legata da resina termoindurente . Per effetto del calore la sabbia si aggrega grazie alla resina e forma un guscio sottile (tipicamente 9 mm ). In seguito il guscio si mette in forno, si mette in un contenitore tenuto fermo da una griglia metallica ed è pronto per versare dentro il metallo . Vantaggi: - Si ottiene una superficie più liscia della forma tradizionale in sabbia , poiché si migliora lo scorrimento del metallo . - Siano basse rugosità e buone precisioni dimensionali Svantaggi: - il modello in metallo è molto più costoso Campi di applicazione: - Non si possono fare piccoli lotti , ma è più adatto alla produzione in massa , poiché è un processo molto automatizzato - si possono fare ingranaggi e valvole virgola in generale componenti di acciaio di dimensioni medio - piccole 11 Colata in Polistirene Espanso: In questo processo si utilizza una forma di sabbia pressata attorno a un modello di polistirene espanso , che evapora quando il metallo fuso viene colato nella forma . N el modello in polistirolo sono inclusi anche i sistemi di colata e di alimentazione e le anime . Vantaggi: - Non esistono problematiche relative all'estrazione del modello , poiché si ha un'unica staff a Svantaggi: - Necessità di un modello per ogni getto - necessita di un'elevata porosità della forma , per far aderire il gas formato dalla vaporizzazione del polistirolo - si hanno ridotte velocità di colata - il polistirene rischia di evaporare prima del contatto con il metallo facendo cedere alla forma punto per evitare che questo accada si rivesta il metallo con un composto refrattario . Campi di applicazione: - Produzione di massa - componenti di motori per automobili Microfusione (cera persa): In questo tipo di colata il modelli sono in cera e sono collegati ad un canale di colata centrale che è sempre in discesa , forma ndo un modello ad albero . Il grappolo viene immerso in un collante ceramico (materiale refrattario ) per creare un guscio . Il modello poi viene fatto sciogliere alla temperatura di circa 120 ° e rimane solo il guscio che verrà poi rimesso in forno ad una temperatura di circa 900 ° . In seguito si può versare il modello nel guscio dove il canale distributore fa anche da alimentazione . Vantaggi: - Si possono realizzare pezzi molto complessi e precisi - ci ha un buon controllo dimensionale e buon e tolleranze - vi è la possibilità di poter recuperare la cera - è un processo near net shape Svantaggi: - Il costo è piuttosto elevato poiché vi sono molte operazioni manuali campi di applicazione: - Si possono fare pezzi di piccole dimensioni - si può utilizzare questo processo con tutti i tipi di metalli - turbocompressori, gioielli, protesi dentali Vi è anche la possibilità di eseguire fori molto piccoli con anime , in quanto sono inglobate nel modello di cera . 12 Cola ta in Gesso e Ceramica: La colata in gesso simile alla colata in sabbia , tranne per il fatto che la forma è fatta da una miscela di gesso e acqua che viene versata su un modello di plastica o di metallo posti in un contenitore e poi fatto indurire . Lo stesso processo vale per la colata in ceramica, solo che la forma è fatta di materiali ceramici refrattari in grado di sopportare temperature più elevate . Vantaggi: - La miscela in gesso copra bene il modello perché è un composto molto liquido Svantaggi: - L'indurimento dello stampo richiede molto più tempo rispetto alla sabbia , che di per sé è già pronta . - Se il gesso è troppo disidratato la forma è meno robusta , al contrario, se è troppo umido, si possono avere dei difetti nel pezzo . - La forma non è permeabile , quindi non consente l'uscita dei gas dalla cavità . - Le forme in gesso sopportano temperature più basse delle forme in sabbia Campi di applicazione: - Metalli a basso punto di fusione come alluminio e rame (gesso ) - metalli a punto di fusione più alto come acciai e ghise (ceramica) - plastica, gomma, pompe, turbine 13 PROCESSI DI COLATA IN FORMA PERMANENTE Colata in Conchiglia: In questa lavorazione si utilizzano due semi -stampi , uno fisso e uno mobile, così che poss ano aprirsi e chiudersi con semplicità. Prima della colata lo stampo viene spruzzato con un distaccante , che ha anche il compito di raffreddarlo, così da facilitare l'estrazione del getto . Vantaggi: - Si ha una buona finitura superficiale - Si ha una rapida solidificazione (a causa degli stampi metallici freddi ) che corrisponde a pezzi con grani fini e quindi molto robusti , e dalle buone proprietà meccaniche . Svantaggi: - È un processo adatto solo a meta lli che hanno un basso punto di fusione (poiché gli stampi sono anch'essi metallici ) - le geometrie producibili non sono troppo complesse poiché si hanno solo due stampi che devono essere aperti per estrarre il getto Campi di applicazione : - È un processo fortemente automatizzato, quindi è adatto alla produzione di massa - pistoni di automobili, parti di aerei e missili Colata in Bassa Pressione: Il metallo fuso viene iniettato nella cavità ad una pressione di circa 0,1 Mpa dal basso verso l'alto ; l'aria viene compressa da un semplice compressore . Il vantaggio di questa tecnica è che il metallo fuso viene introdotto direttamente nello stampo del crogiolo senza essere esposto all'aria. In questo modo non si ha l'ossidazione e c'è meno porosità, quindi le proprietà meccaniche del grezzo sono migliori . 14 Pressofusione: Nella pressofusione il metallo viene iniettato nella cavità dello stampo ad alta pressione (da 7 a 350Mpa). Durante la fase di solidificazione si mantiene la pressione costante e , al termine , lo stampo viene aperto e il pezzo cade in una cesta di raccolta . Il processo è fortemente automatizzato . Macchine a cera calda: Nelle macchine a c'era calda, il metallo viene fuso in un crogiolo collegato alla macchina , e poi un pistone inietta il metallo fuso ad alta pressione nello stampo . I valori di pressione vanno da 7 a 35 Mpa, poiché si controllano molto bene le temperature non essendo le pressioni troppo elevate . Il sistema di iniezione è sommerso dal metallo fuso . Ciò limita la temperatura del metallo , che non deve essere troppo elevata . Il processo quindi è adatto a metalli con basso punto di fusione , come zinco, stagno, piombo, magnesio . Macchi ne a cera fredda: Nelle macchine a camera fredda il metallo fuso viene colato da un crogiolo esterno (siviera) in una camera di fusione non riscaldat a. Successivamente, con un pistone, si inietta il metallo ad alta pressione nello stampo. I valori tipici di pressione vanno da 14 a 140 Mpa (si ha quindi un minor controllo della temperatura ). Il ritmo produttivo è più basso della camera calda , tuttavia le temperature di fusione possono essere più elevate, poiché il pistone non è più all'interno ma è all'esterno del metallo . Questa soluzione si utilizza per alluminio, ottone , e leghe di magnesio (quindi metalli ad alta temperatura di fusione ). Vantaggi: - La produttività è alta - si hanno ottime tolleranze dimensionali - il raffreddamento è molto rapido , come nella colata in conchiglia Svantaggi: - Vi sono varie limitazioni della geometria , come nella colata in conchiglia Campi di applicazione: - Il processo è molto automatizzato, quindi adatto alla produzione di massa - Sistemi frenanti di auto, componenti per pompe e motori elettrici 15 Colata Centrifuga: Nella colata centrifuga lo stampo viene fatto ruotare ad alta velocità , in modo che la forza centrifuga distribuisca il metallo fuso nella cavità dello stampo punto lo stampo e quindi posto su due rulli , di cui uno motore e uno libero. Si ha una velocità di rotazione che varia dai 200 ai 500 giri al minuto . Quando si solidifica il metallo, il tubo si contrae e può essere facilmente estratto . La superficie interna del tubo sarà sicuramente cilindrica, mentre quella esterna assume la forma dello stampo . Affinchè si abbia una buona aderenza del metallo liquido sulla superficie interna, la forza centrifuga deve compensare la forza di gravità. Si definisce il G -Factor (GF): Solitamente 60