TECNOLOGIA MECCANICA FONDERIA: Processo nel quale i metalli vengono portati al loro stato liquido (nell’altoforno), e successivamente successivamente raffreddati in modo tale da ottenere una forma diversa dallo stato iniziale. La fusione e la successiva solidificazione alterano le caratteristiche del materiale. Il metallo fuso è contenuto in un contenitore e vi sarà uno scambio termico tra il metallo e le pareti del contenitore, questo determina il gradiente termico che determin a l’alterazione del materiale, poiché il raffreddamento non è quasi statico, ma a gradini, questo fa sì che la struttura finale del materiale sia dendritica (granulare allungamento nella direzione del raffreddamento), raffreddamento), con caratteristiche caratteristiche meccaniche scadenti. Pareti più dure (shock termico maggiore), il materiale diventa più tenero andando verso l’interno. Si lavora con leghe nel 99,9% dei casi. -Refrattario: materiale a bassa conducibilità termica. -Fusibilità: capacità che ha il materiale liquido di riempire angoli solidi. Acciaio scarsa, ghisa alta. Strutture in funzione del tipo di raffreddamento:
Dendritica colonnare: si sviluppa nella direzione del flusso T; Dendritica equiassiaca: le strutture dendritiche si erano formate ma per fenomeni di mescolamento si sono disgregate; Equiassica non dendritica: struttura migliore rispetto alle altre. A temperatura ambiente è preferibile a grano fine poiché è più resistente, mentre a temperature alte è preferibile a grani grossi perché più resistente.
Le prove di d i fusibilità si fanno calcolando l’indice di fusibilità, fu sibilità, fondendo un metallo e immettendolo in un canale, misuro la fusibilità in base a quante spire ha percorso. Cassetta con staffe inferiori e superiori, riempita con sabbia, all’interno creeremo una zona cava con un modello, avremo un canale di colata, con un imbuto ed un attacco di colata. Se i pezzi necessitano di cavità interne utilizzerò delle anime, che impediscono che la zona venga occupata dal materiale liquido. Il pezzo viene chiamato getto, che è il pezzo solidificato dopo averlo distaffato. Abbiamo la presenza della materozza che non fa parte del modello, ma mi permette di raggiungere la superficie della staffa superiore. La forma può essere:
Transitori: (sabbia) Permanente: lo stampo viene utilizzato per più pezzi.
Nel caso di forma transitoria possiamo avere: il modello permanente è il legno; Il modello a perdere che è fatto da un materiale che si scioglie all’arrivo del fluido caldo. Ciclo di produzione: si tiene in considerazione per la progettazione del modello, il fenomeno del ritiro ed il sovrametallo. La qualità del pezzo di pende da quella della forma. Bisogna prevedere gli angoli di sforno.
Prima i sovra metalli, poi il ritiro ed in seguito gli angli di smussatura. L’attacco di colata lo mettiamo sul fondo ed in funzione del pezzo potrei avere più attacchi di colata. Il ritiro mi può lasciare una cavità all’interno del pezzo. Possiamo avere anche degli avvallamenti. Per evitare questo spostiamo il fenomeno del ritiro in una parte che non mi m i interessa che sarebbe la materozza, possiamo averle a cielo aperto o chiuse, le migliori sono quelle chiuse con dentro d entro delle pastiglie porose che all’atto della colata sprigionano un gas che aumenta la pressione. Baricentro termico: l’ultimo punto che solidifica all’interno del getto. Devo evitare che sia nel cuore del pezzo e lo faccio dimensionando la materozza. La linea di separazione delle staffe è una delle prime scelte progettuali. Se il materiale mentre solidifica va in campo plastico a causa della diversa velocità di raffreddamento e della sua strutture, avremo delle tensioni residue, se di compressione vanno bene, ma possono essere squilibrate dalla successiva asportazione di materiale e questo non va bene. Porosità: L’aria intrappolata all’interno del materiale determina il micro difetto, che riduce la sezione resistente del pezzo. Un altro difetto può essere dovuto a flussi che si incontrano ma non n on si mescolano (linee di Kissing land). Fusione in terra: le staffe vengono appoggiate su un piano d’appoggio. d’appoggio. Il piede di colata è un sifone di raccordo che porta all’attacco di colata. Vi sono anche le tirate d’aria per farla uscire. I canali hanno piccole sezioni posizionate sulla sommità del getto. Setaccio o granulometria: numero di maglie per pollice quadrato (caratteristica (caratteristica delle sabbie). I fori si fanno per foratura le cavità con le anime. La lavorazione del modello avviene per asportazione di truciolo. La solidificazione può essere accelerata attraverso metalli. Una volta che il getto si è solidificato bisogna estrarlo ed eliminare la materozza i canali di colata e tutto ciò che è superfluo. E successivamente successivamente le superfici andranno lavorate (cleaning and finishing). In fine effettuiamo un controllo con radiografie ed ultrasuoni per evidenziare eventuali difetti. Modello permanente: può essere in legno o in metallo. Per creare dei vuoti nel getto ho bisogno delle anime che saranno rette da degli incastri detti portate d’anima. d’anima. Per pochi pezzi usiamo il modello il legno ed il compattamento della sabbia può essere fatto anche manualmente, per più pezzi utilizziamo il modello in metallo con la placca modello. Con la placca modello si posso realizzare pezzi con un piano divisorio orizzontale, possono essere a
placca unica o doppia. Si fa un modello in legno della placca modello, poi colo del gesso all’interno della forma in legno per fare la parte interna, in fine ricopro il gesso con una lega metallica senza ritiro, solidifico. Abbiamo un’impronta riscalda sulla quale viene fatto adagiare per gravità una resina che solidifica, che dà luogo ad un elemento solido che porto utilizzare come forma. Gli angoli di sforo servono per l’estrazione del modello, se non ci fossero potrei avere l’erosione della forma . La staffa superiore deve essere sufficientemente pesante (20-30% maggiore) per contrastare la spinta d’Archimede dovuta al metallo fuso che entra nella forma. Formatura transitoria, modello perso: un materiale che a contatto con il metallo fuso, gassifica e viene espulso tramite opportuni canali. Viene utilizzato per prodotti molto piccoli. La cera viene inserita in un opportuno stampo che mi serve a realizzare l’elemento di base di cui voglio ottenere il pezzo finito. Tiro fuori l’elemento in c’era solidificato, e posiziono i diversi pezzi su un albero con ganci. Ricopro l’albero con una cera per ottenere lo stampo, che si depositano all’intero ed al di fuori della cera, riscaldo per fondere la cera, e poi colo il metallo ed in fine rompo lo stampo. Die casting (fusione in stampi metallici permanenti): lo stampo deve essere in materiale metallico più alto fondente di quello utilizzato per il getto. Lo scambio termico è più accentuato (metallo-metallo). Può essere colato per gravità o tramite un pistone ad alta pressione, che varia in base al tipo di camera (calda o fredda). Lo stampo è realizzato in acciaio per asportazione di truciolo. Non avremo materozze aggiuntive, poiché i problemi vengono risolti con l’alta pressione. Il canale di adduzione è tipicamente centrato. Camera calda: iniezione del metallo allo stato liquido, direttamente dalla camera in cui è contenuto. La pressione viene applicata direttamente al contenitore del metallo (sono processi discontinui, inietto faccio raffreddare, apro e ricomincio). Per pezzi grandi la macchina sarà ancora più grande. Camera fredda: è un processo più discontinuo, il metallo liquido viene inserito all’interno di questa camera d’iniezione sulla quale agisce il pistone. Viene inserito solo in quantitativo che serve per uno stampo, che ha il tempo di raffreddarsi. All’apertura dello stampo il pezzo cade per gravità o grazie a degli iniettori, inseriti nella semi-metà del guscio dello stampo in cui si tratterrà il pezzo dopo l’iniezione. È utilizzata per pezzi piccoli e molto complessi, abbiamo bisogno di una macchina molto potente. Stampi: costituiti da due ganci, caratterizzati da alcune spine d’allineamento. Uno fisso e l’altro mobile . Utilizziamo degli elementi mobili in direzione ortogonale per creare dei fori paralleli al piano di separazione.
Il die casting è migliore rispetto al permanent mold casting (per gravità) per via dell’alta pressione che dà maggiore aderenza sullo stampo e lavorazioni di finitura minori. Colata centrifuga: all’interno di uno stampo che è un tubo rotante (asse orizzontale ) viene colato il metallo per ottenere tubi. Diagramma dei costi: in terra meno costoso (per bassi volumi di produzione mi conviene). Il die casting è il più costoso (per alti volumi di produzione mi conviene).
Spessori minimi, allora die casting Tolleranze alte, formatura in terra Finitura ottima, forma permanente Progetto non variabile per forma permanente Zinco e alluminio per forma in conchiglia
Dimensionamento del modello: -ritiro: utilizzo delle tabelle UNI per conoscere i valori medi di ritiro lineare per i materiali. È espresso in percentuale. -sovrametallo: utilizzo delle tabelle per conoscere i valori da utilizzare per i materiali. Il sovra metallo viene utilizzato perché dopo la fonderia il materiale sarà sottoposto a finiture superficiali. Le quotature del modello saranno maggiori per parti esterne mentre minori per quelle interne (fori). -angolo di sformo: dipende dal materiale del modello. -portata d’anima: la sua lunghezza deve essere circa L=0,2 -0,3*lunghezza dell’anima. Ciclo di progettazione: disegno del pezzo finito; calcolo sovrametalli, scelta piano di divisione, angoli di sformo, raggio di raccordo (non ci devono essere spigoli vivi); disegno del modello; portata d’anima, ritiro, materozza; studio dell’anima. La percentuale d’aggiungere che va sempre aggiunto per il ritiro va calcolata in base alla quota del pezzo finito. Il sovrametallo va aggiunto in tutte le superfici esterne, tolto in quelle interne. Dobbiamo definire il piano di separazione in modo tale da non avere sottosquadri, cercando di mantenere le superfici interne perfettamente cilindriche. Dopo aver aggiunto il ritiro e aggiunto o tolto il sovrametallo le dimensioni vengono arrotondate. Quello che vale per il modello vale anche per il dimensionamento dell’anima. Dimensionamento materozza: calcoliamo il modulo di raffreddamento del pezzo come volume su superficie dividendo il pezzo in geometrie semplici, il modulo della materozza si trova moltiplicando il modulo di raffreddamento per 1,2. In base alle geometrie del pezzo scegliamo opportunamente i lati e grazie al modulo della
materozza troviamo l’altezza considerando che vale sempre volume su superficie. Ed in base all’altezza della materozza troviamo anche l’altezza della staffa superiore. Canali di colata: -vincoli temporali: ts=tempo di solidificazione tr= riempimento tc= tempo critico (dipende dal tipo di terra) tr
Prove meccaniche: ci danno delle caratteristiche specifiche del materiale. -Prova di trazione: nel campo elastico il volume non si conserva, nel campo plastico sì. Le deformazioni nell’asse ortogonale alla direzione del tiro, sono legate al coefficiente di Poisson (in campo plastico vale 0,5). Raggiunto il massimo della curva nel campo plastico (tensione di rottura), le deformazioni non sono più uniformi ma localizzate, il provino quindi striziona. Successivamente la frattura duttile diventa fragile, i micro vuoti crescono, lo stato tensionale non è più uniforme ma triassiale (Clivaggio: separazione di piani contigui atomici e si manifesta una frattura fragile). Dal punto di strizione in poi il provino non è più cilindrico. Per avere un grafico ingegneristico dobbiamo passare da deformazioni e allungamenti nominali, a quelle reali, e lo facciamo grazie alla deformazione infinitesima (dε=dl/l), passiamo da un diagramma nominale ad uno reale. Le tensioni reali sono maggiori di quelle nominali ed il diagramma sarà monotono crescente (non ha un massimo). Le deformazioni logaritmiche godono delle proprietà additive -Prova di compressione: prendo un cilindro lo pongo tra due piatti e lo comprimo. Lo devo lubrificare se no’ vado in contro ad il fenomeno detto d’imbarilimento, e la prova sarebbe errata. Utilizzando potenti lubrificanti, possiamo arrivare ad un 50-60% di deformazione. Il provino si può rompere solo per imbarilimento, a causa delle forze di trazione create dall’attrito, si forma nella zona equatoriale una cricca inclinata di 45° fino ad arrivare alla rottura. La frattura nasce da fenomeni di nucleazione cresciuta e coalescenza dei micro-vuoti, per questo a compressione pura il materiale non romperà mai. -Effetti della temperatura sul campo plastico dei materiali: aumentando la temperatura del materiale aumenta la sua duttilità ma diminuisce la resistenza, poiché aumenta il numero dei piani di scorrimento all’interno dei grani atomici , il reticolo cristallino favorisce lo scorrimento, l’impilamento delle dislocazioni diminuisce e le dislocazioni hanno maggior possibilità di movimento. Si riduce dunque l’incrudimento, aumenta il campo plastico. Il comportamento meccanico dipende anche dalla velocità di deformazione (d ε/dt=V (velocità)/l). A caldo dovremmo tener conto sia di T che di dε/dt, infatti se facciamo diverse prove ad una determinata T al variare della velocità avremo diverse risposte meccaniche, la risposta aumenta con la velocità. La tensione di flusso dipende da: ε, dε/dt, T. Se aumenta T diminuisce anche la durezza. A livello microscopico avremo: riassetto-ricristallizzazione-crescita del grano ricristallizzato. Durante il riassetto i grani sono circa quelli ma si risistemano, aumentando T aumenta il numero di grani ed avviene la ricristallizzazione, infine il grano piccolo cresce in dimensione. -Effetto Bouschinger: se prendo un materiale metallico, lo carico a trazione fino ad arrivare alla tensione di snervamento e lo incrudisco e poi scarico, avrò lasciato una deformazione permanente. Successivamente lo comprimo, dipende dal tipo di materiale, la tensione di snervamento sarà diversa:
Materiale isotropo: mi aspetto che il provino incrudisca a –σ1. Abbiamo una deformazione omogenea
Incrudimento cinematico: σc= σ1-2σ0. Il cilindro non si è allargato uniformemente ma si è spostato. Alcuni materiali seguono la prima ipotesi altri la seconda. Caso reale: la maggior parte dei materiali segue un comportamento medio tra le due ipotesi.
-Teorie di plasticità: -Galileo: riconduce uno stato tensionale qualsiasi ad uno mono-assiale e lo confronta con lo stato limite di snervamento mono-assiale. Scegli la tensione massima se è minore di quella di snervamento non plasticizza, non tine conto delle tensioni di compressione. -Massima tensione principale positiva o negativa: Ora la tensione copre tutti e 4 i quadrati, sia avrà la plasticità, sia per la massima tensione positiva che negativa. -Tresca: dato uno stato tensionale triassiale, quello che devo limitare è la tensione tangenziale, τmax= (σ3-σ1) /2<=τ0=σ0/2 calcolata tramite i cerchi di Mhor. In uno stato monoassiale di trazione ho solo un cerchio di Mhor che è σ0/2. Nel caso triassiale se lo estendo per tutti i piani ottengo 6 equazioni, ma non so quale sia la più grande, nello spazio di HaighWestergaard (spazio con assi principali le tre sigma) le sei equazioni rappresentano un prisma a base esagonale, con asse coincidente con la trisettrice dell’ottante esagonale positivo. Tale prisma rappresenta una superficie aperta: che delimita la condizione da elastica a plastica, i punti all’interno del prisma mi danno una condizione di plasticità. L’ungo la trisettrice la superficie è aperta quindi lo stato tensionale lungo essa non porterà mai a plasticità (condizione idrostatica, le sigma sono tutte uguali). Il prisma presenta degli spigoli che non sono tipiche dei comportamenti reali. -Beltrami: raggiungo la deformazione nel momento in cui l’energia di deformazione elastica raggiunge un valore limite calcolabile con la prova di trazione. Ue=sigma snervamento*epsilon snervamento/2. Nel caso di tensione triassiale avremo ½*sommatoria(sigma*epsilon). Ed utilizzando la legge di Hooke nel campo plastico ed eguagliando Ue e Uo avremo che: σ0^2=σ1^2+σ2^2+σ3^2+ν (σ1*σ2+σ2*σ3+σ1*σ3). Uno stato idrostatico di tensioni, sia negativo che positivo non porta mai a deformazione plastica, ma direttamente a rottura (determina la fragilità del materiale), ne segue che la superficie deve essere sempre aperta lungo la trisettrice. -Von Mises: distingue lo stato idrostatico da quello deviatorico, poiché quella idrostatica è responsabile solo della variazione del volume mentre l’altra solo di quella di forma. Quindi il limite di snervamento e legato alla sola variazione di forma. Quindi sottraiamo all’energia elastica totale quella per la variazione di volume. La tensione tangenziale= 0,557 sigma di snervamento.
Per decidere se è meglio Tresca o Von Mises, basta fare due test, uno di trazione e l’altro di torsione e fare il rapporto tra tau di snervamento e sigma di snervamento, se è più vicino a 0,577 vale Von Mises, se è più vicino a 0,5 vale Tresca. -Lode: test per valutare l’influenza della tensione media sulla plasticizzazione del materiale. Tramite un parametro di forma m(greca). In campo plastico bisogna analizzare tutta la storia di carico, poiché non vi è una corrispondenza biunivoca tra deformazione e tensione. -Esempio di Medelson: tubo di piccolo spessore sottoposto a trazione o torsione Tubo di piccolo spessore sottoposto a trazione o torsione. Test 1: ho il tubo scarico, applico una trazione e lo porto fino al punto A, poi in C ed incrudisco. E con una leggera torsione lo porto in D, se scarico vedo solo l’allungamento. Test 2: torsione e plasticizzazione, incrudisco in F e poi scarico parzialmente in H, tiro un po’ in D e poi scarico. Nei due processi siamo finiti sempre in D, una volta ho ottenuto uno stato di trazione permanente, l’altra uno di torsione permanente. Quindi non basta sapere lo stato tensionale ma bisogna seguire il percorso. -Classificazione dei processi di formatura:
Temperatura dei processi Dimensione e forma del pezzo Lavorazione primaria e secondaria Meccanica di deformazione che si instaura
Processi: -a caldo T>Tr (di ricristallizazzione) -a freddo T
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Tr=0,5 Tf (di fusione), allora 0,7Tf5 non avremo deformazioni lungo B la deformazione non è triassiale.
-Progettazione del preform (stampi semi chiusi): esistono forme euristiche che ci dicono in quanti passaggi fare la lavorazione. Il passaggio intermedio deve prevedere uno spessore di masse maggiore di quello finale. Quindi devo dare materiale durante il secondo passaggio. Il raggio di raccordo deve andare diminuendo durante il processo. Il materiale dello stampo deve presentare caratteristiche elevate ad alte temperature. Bisogna attenzione anche la velocità, per velocità elevate il calore trasmesso è masso, per velocità basse il calore trasmesso è alto. -Costi di forgiatura: è caratterizzato dal tipo di materiale. Gli stampi hanno una notevole incidenza sui costi (montaggio, alimentazione sotto pressa, e test iniziali). È competitiva per lotti di produzione elevati. -Ring test: test per la valutazione del coefficiente d’attrito. Schiacciamo in stampi aperti degli anelli di materiale metallico. Si basa sull’osservazione della defo rmazione degli anelli a simmetria assiale, a cui viene imposta una riduzione dell’altezza. In condizioni ideali le superfici, sia interne che esterne si allargano. In presenza di attrito quelle esterne si allargano e le interne si stringono. Facciamo diverse simulazioni numeriche con diversi coefficienti d’attrito, al diminuire dell’altezza vado a plottare un indice i=(d0-dj) /d0 rappresentano i diametri interni. Per bassi coefficienti d’attrito l’indice va nel semi-piano negativo e le curve verso il basso, per coefficienti d’attrito più alti assisto ad un’inversione di tendenza. Faccio una prova reale a diversi step ed ad ogni delta h misuro il diametro interno, poi la confronto con il grafico fatto in precedenza, l’attrito reale che avrò sarà quello che mi coincide con la curva della prova reale. Non è indicata per la lavorazione di lamiera, le prove devono essere ripetute per fare una statistica, e vi è un difficile inserimento del calibro per calcolare il diametro interno. Per questo motivo esistono altri test d’attrito. -Estrusione: -estrusione diretta: il carico diminuisce perché via via che la billetta viene forzata dal puntone nell’apertura sagomata, la superficie sagomata incontra attrito e diminuisce e diminuisce anche il carico. Il carico è calcolato come pressione media per l’area della billetta. La pressione media la stimo in base di una tensione di flusso media, dovuta al fatto che durante il processo, la tensione sigma di snervamento varia, e la deformazione totale è data dal logaritmo del rapporto tra area finale ed iniziale. Generalmente viene condotto impiegando matrici coniche. In caso di matrice quadrata il materiale crea comunque un cono. L’angolo viene scelto in base a considerazioni di carattere energetico, cercando di minimizzare l’energia di formazione richiesta. Tale energia può essere calcolata come somma di questi termini: energia di deformazione ideale per portare il diametro da D0 a Df, energia di distorsione per causare la deviazione del flusso all’interno della matrice conica, energia per vincere le resistenze d’attrito. L’angolo varia tra 45/60°. -estrusione inversa: punzone e materiale si muovono in verso discorde.
-idrostatica: la matrice è riempita da un fluido attraverso il quale viene trasmesso il carico dal punzone al semi-lavorato. -per impatto: elevata velocità del moto del punzone (si fanno i tubi) Il processo viene considerato stazionario, campi di deformazione e tensione costanti nel tempo, il carico richiesto si mantiene sostanzialmente costante. Il processo di estrusione può essere condotto sia a caldo che a freddo, a freddo abbiamo buna finitura e solitamente vengono utilizzati materiali malleabili. Per diminuire i carichi possiamo lubrificare. Le fratture possono manifestarsi all’imbocco della matrice, se la pr essione del materiale esercitata in questa zona raggiunge valori critici. -Limiti del processo: pericolo di frattura della matrice, errore del diametro finale del pezzo a causa delle deformazioni elastiche della matrice, e presenza di difetti interni al pezzo. Se abbiamo bassi angoli d’inclinazione e bassa riduzione in area, possiamo avere una tensione interna media positiva che dà luogo al central busting, si formano delle frecce con micro vuoti, che non si vedono dall’esterno, per questo è molto pericoloso. Le estrusioni con geometrie complesse sono fatte a caldo. -Trafilatura: è simile all’estrusione ma la macchina è di trazione, servono lavorazioni di preparazione al tornio. Hanno angoli inclinazione più piccoli. Processo a freddo. Materiali con alto n. Rischio di non entrare in campo plastico. Forte rischio di central bousting. Minor rischio di frattura della matrice. -Laminazione: faccio attraversare un semi-lavorato tra dei rulli per modificare lo spessore. I rulli ruotano in senso opposto, possono essere lisci o scanalati. I rulli scanalati oltre a ridurre lo spessore imprimono una geometria specifica. Prima passaggi a caldo con deformazione maggiore. -Rulli lisci: il prodotto finito deve avere spessore uniforma lungo tutta la superficie. Meccanismo di compressione simile a quello di forgiatura prismatica. La velocità d’uscita della lamiera sarà maggiore di quella d’ingresso. La velocità dei rulli è costante. Avremo un arco d’abbracciamento, in cui ogni sezione del materiale ha una velocità diversa. Avremo una sezione neutra in cui la velocità del materiale è uguale a quella dei rulli. Le lamiere non devono essere troppo larghe (2-2,5 m) -Evoluzione del materiale durante il processo: partiamo da un semi-lavorato con una probabile struttura dendritica. Nella prima fase frantumiamo questi grani che crescono, per l’alta temperatura. Il processo di laminazione soprattutto a freddo, ci determina un allungamento dei grani quindi un’anisotropia. Per i processi
di ricristallizzazione governati dalla temperatura il prodotto finale sarà caratterizzato da una nuova configurazione con grani più uniformi e più piccole in media. -Flat rolling: in condizioni di deformazione puramente piana, la sezione neutra deve stare all’interno dell’arco d’abbracciamento, se così non fosse il processo non potrebbe avvenire. La sezione neutra è dinamica si sposta in base all’attrito. La meccanica di deformazione del processo si basa sull’azione delle tensioni tangenziali tra rullo e pezzo. -Parametri del processo: parametri del materiale, parametri geometrici (riduzione spessore, raggio del rullo), tecnologici (a freddo, lubrificante; a caldo, temperatura) -Gabbia duo: housting: gabbia rigida per evitare vibrazioni e sforzi rilevanti. Il sistema di avvicinamento dei rulli è idraulico. La potenza viene forni a dei rulli di posizionamento ovvero i back-up rolls, questi trascinano i rulli di lavoro. Sono costituite da motori asincroni. -Limiti di processo: l’azione sui rulli tende a distorcerli, che può determinare fenomeni di inflession e per cui il prodotto è più spesso al cento. Appiattimento dei rulli con cambio del raggio di curvatura. Soluzioni: Cambering: utilizziamo dei rulli spanciati (raggio al centro più grosso), in modo tale che inflettendo diventa dritto, il calcolo dello spanciamento lo faccio attraverso formule euristiche. Diminuisco il raggio del rullo per diminuire le pressioni: perdo però momento flettente. Posso pensare ad una gabbia duo trio con grossi elementi di supporto dei rulli. Laminazione planetaria e Sendzimir: rullo centrale grosso con rulli piccoli in periferia (planetario), l’altro è un laminatoio per lamiere sottili, rullo di 6 mm in carbonio di tugsteno. L’appiattimento dei rulli causa una maggiore superficie di contatto, quindi maggiori carichi, allora riduco il rapporto di laminazione, miglioro la lubrificazione, utilizzo materiale più rigido per i rulli. -Difetti (alligatoring): il laminato si apre al centro. Si innesca una frattura duttile nel piano di mezzeria del pezzo, i pezzi che si separano potrebbero danneggiare il laminato. Le cause potrebbero essere difettosità intrinseche. Se il rullo è troppo piccolo al cuore del pezzo il materiale potrebbe rimanere rigido e vinte le azioni esterne il cuore potrebbe reagire dando luogo ad uno stato tensionale positivo. -Shape Rolling:
serve a formare le travi ad L, H, T. vengono realizzate con una laminazione di forma in 6 passaggi. -Ring Rolling: lavorazione di un anello metallico, processo tipicamente a caldo, deformiamo il diametro interno e la superficie esterna, fino ad ottenere la geometria voluta. Abbiamo un main roll elemento che per attrito mette in rotazione l’anello, e grazie al lidler, che è un rullo folle trascinato dall’anelo, lo deformiamo. Il rounding roll controlla la deformazione. Gli edging roll servono a mantenere piana la superficie dell’anello mentre deforma. -Fabbricazione di tubi: i tubi in materiale duttile vengono realizzati per estrusione. E sono tubi con diametro piccolo. I tubi in acciaio si realizzano in funzione del diametro: 150-500 mm: pieghiamo la lamiera piana fino ad ottenere una sezione circolare e poi facciamo una saldatura longitudinale. Tubi molto grandi: prendiamo un nastro di lamiera avvolgendolo come se fosse una girandola, presenta difetti di saldatura a causa del tratto lungo di saldatura. <150 mm: laminazione con due passaggi diversi. Prima con un laminatoio Mannesman, una billetta di materiale viene fatta passare tra dei rulli conici che ruotano nello stesso verso ma con assi sghembi, nella mezzeria e presente una spina che serve ad aiutare a formare il tubo, i rulli essendo inclinati oltre a creare uno stato tensionale interno che facilita l’apertura del foro, fanno anche avanzare il materiale verso la spina . Si finisce il passaggio in un laminato a passo di pellegrino, la coppia di rulli è caratterizzata da una grande scanalatura interna, al centro è piazzato un mandrino che ha lo scopo di rifinire il tubo . -Stampaggio delle lamiere: il semi-lavorato è caratterizzato da una meccanica di deformazione a trazione. La la miera dopo la laminazione a causa delle deformazioni non presenta caratteristiche isotrope. Nella direzione di laminazione il materiale ha caratteristiche meccaniche elevate ma duttilità ridotta, mentre a 90° da questa abbiamo l’esatto opposto. L’indice di anisotropia è definito come rapporto tra la deformazione lungo la larghezza e quella lungo lo spessore, in una prova di trazione che viene fermata quando inizia la strizione. Anisotropia planare: risposta diversa del materiale in funzione della direzione, sul piano della lamiera, secondo la quale lo sollecito. Anisotropia normale: risposta diversa se lo sollecito lungo il piano o lungo lo spessore. Indice di assottigliamento del materiale, che è preludio di frattura. L’indice di anisotropia per un materiale isotropo è uguale a 1, perché non ci sono direzioni preferenziali. Se l’indice in tutte le direzioni (0°, 90°, 45°) è uguale ma diverso da 1, allora si parla di anisotropia normale, se l’indice è maggiore di 1 il materiale è restio ad assottigliarsi, se è minore il contrario.
Se sono tutti diversi allora anisotropia planare. Se sono tutti diversi ed anche diversi da 1 allora anisotropia planare e normale. I materiali metallici seguono l’ultimo andamento gli acciai hanno indice maggiore di 1, le leghe leggere minore di uno. -Ritorno elastico: in un processo di piegature le tensioni agenti sulla lamiera definiscono uno stato d’equilibrio con il momento applicato dall’esterno, facendo un diagramma vediamo che le fibre limitrofe all’asse neutro (idealmente divide nella direzione longitudinale la lamiera a metà) restano in campo elastico. Nel momento in cui il puntone viene ritirato, la componente elastica della deformazione viene restituita dando luogo al fenomeno del ritorno elastico. La drasticità con cui viene effettuala la piegatura può ridurre il numero di fibre in campo elastico così da ridurre il ritorno. Il ritiro è calcolabile come il rapporto tra il raggio della lamiera sotto carico e quello dopo il ritiro. Un ruolo altrettanto importante è giocato dal modulo di young. Il ritorno è funzione: del raggio di raccordo impresso dal punzone, più è grande più il ritorno elastico è maggiore. Dello spessore della lamiera più è piccolo più il ritorno elastico è maggiore. Quindi più il rapporto R/s è grande più ritorno elastico ho. Dal rapporto tra tensione di flusso plastico e modulo di young, più è grande più il ritorno elastico aumenta. In ambito industriale il fenomeno del ritorno elastico è combattuto ricorrendo a diverse tecniche: overbending: imponendo un raggio di piegatura minore rispetto a quello desiderato. Si può anche sovrapporre un altro stato tensionale che porti alla plasticizzazione di tutte le fibre. Oppure possono essere piegate a caldo. -Formabilità di una lamiera: la lavorabilità di un materiale mi è data da quanto lo posso deformare prima che si rompa, quindi la prova di trazione non mi basta. -Test di Erichsen: abbiamo uno stampo con dimensioni unificate, con punzone sferico assial-simmetrico ed una matrice opportunamente raccordata ed un elemento di pressione che si chiama premi lamiera. La lamiera viene bloccata tra matrice e premi lamiera con una forza di 1000kg. La testa del punzone viene lubrificata. Facendo avanzare il punzone la lamiera avrà un allungamento lineare bilanciato. Ci fermiamo quando sull’estradosso appare la prima cricca, e misuro l’avanzamento del punzone in mm, che mi rappresenta il numero di Erichsen, maggiore è il numero maggiore è la duttilità. La deformazione la ottengo per assottigliamento della lamiera. La lubrificazione è un elemento importante per la riuscita del test, ed è ben fatta se la rottura avviene nell’apice del punzone. Il problema della lubrificazione è superato con il test di bulg dove il punzone è un fluido in pressione.
Se si imprime sulla superficie una griglia di cerchietti, si osserva al variare del rapporto della dimensione dei lati della lamiera, il verificarsi di stati di deformazione completamente differenti. Li passa da una dimensione bilanciata, dove i cerchietti si deformano tutti nella stessa maniera ad una situazione in cui iniziano ad avere una forma ellittica, allungandosi sia nella direzione dell’asse maggiore che di quello minore, ed in fine ad una situazione completamente opposta in cui il cerchietto subisce una contrazione nella direzione dell’asse minore. Q uindi via via che il rapporto tra i lati scresce si verifica una situazione analoga alla prova di trazione. Al momento della frattura duttile si misurano le dimensioni della deformazione maggiore e di quella minore, i punti ottenuti sono riportati su un piano cartesiano che ha in ordinata le deformazioni maggiori ed in ascissa quelle minori. Il pericolo della frattura duttile è particolarmente rilevante quando la deformazione minore è nulla. Se il punto rappresentativo dello stato deformativo rimane sempre al di sotto della curva limite di formabilità, allora il processo può avvenire senza pericoli. -Tranciatura: Si trancia il pezzo e lo si distacca dalla lamiera originaria. È un processo primari per ottenere i semi-lavorati, per la successiva piegatura o stampaggio. La lamiera viene posizionata tra un punzone e una matrice, che determinano la forma del trancio. I due elementi hanno un raggio di raccordo limitato per innescare il taglio. Un punzone di tranciatura vene normalmente riaffilato dopo un milione di colpi, la matrice invece è soggetta ad un’usura maggiore. Non appena il punzone si spinge verso la matrice, la lamiera è interessata da due zone di ingenti deformazioni in corrispondenza degli spigoli di contatto, e successivamente le deformazioni si evolvono in due linee di frattura. Se le il processo di frattura non avviene lungo la stessa direzione si instaura una terza linea che determina un gradino, che diminuisce la qualità del pezzo tranciato. Limitando la zona interessata dalla deformazione e cercando di ricondursi ad un fenomeno di taglio puro, si evita il fenomeno precedentemente descritto. Questo si può fare modificando il gioco tra punzone e matrice. Più il materiale è deformabile più il gioco è modesto. -Piegatura: viene realizzata sia a lamiera ferma che in movimento. -Lamiera ferma: è caratterizzata da: il raggio massimo di piegatura, al di sopra del quale non si entra in campo plastico, ed il raggio minimo al di sotto del quale si ha la frattura. La deformazione impressa sulla generica fibra a distanza y dall’asse neutro è data da epslon=y/R, la defomazione massima si ha sul bordo con y=s/2. Il raggio massimo si ottiene imponendo l’uguaglianza con la condizione di prima plasticizzazione, cioè una deformazione pari a sigma di snervamento/E. Per raggio minimo viene imposta l’uguaglianza con l’allungamento che porta alla rottura. -Piegatura continua: il roll-forming è una particolare operazione di piegatura, nella quale un foglio di lamiera inizialmente piano viene deformato a freddo, fino ad ottenere la sezione desiderata per effetto di una serie di rulli. La lamiera avanza per trascinamento indotto dalla rotazione dalle coppie di rulli contrapposti. È un processo continuo, e le barre vengono tagliate solo alla fine del processo per ottenere la lunghezza desiderata. Il range di utilizzo del processo è limitato a lamiere di piccolo spessore (0,125 mm-20mm). Dobbiamo decidere quanti passaggi servono per ottenere il profilo
desiderato e l’entità di deformazione per ogni passaggio. La piegatura deve rimanere nel range elastico per evitare difetti di forma. -Imbutitura e stampaggio: la lamiera inizialmente piana, viene forzata dall’effetto di un punzone, che la preme contro uno controstampo ad assumere una forma prefissata. Il caso più semplice è cos tituito dall’imbutitura. In cui una lamiera inizialmente di diametro D0 viene trasformata in un bozzolo costretta da un punzone di diametro Dp, a fluire dentro un controstampo (matrice). Sia punzone che matrice devono avere spigoli arrotondati per evitare pericoli di taglio. Il fondo del bossolo resta sostanzialmente rigido, e tira la lamiera circostante costringendola a fluire dentro la matrice. Il fondo del bossolo è sottoposto ad uno stato di tensione biassiale bilanciato, le pareti laterali sono soggette a intenze tensioni di trazione, mentre la parte che ancora non è fluita nella matrice è caratterizzata da tensioni di trazione radiale e di complessione circonferenziale, in corrispondenza dei raggi di raccordo è soggetta a flessione e successivo raddrizzamento. Se il carico necessario ad effettuare la lavorazione supera la capacità di resistenza delle pareti del bossolo si arriva alla frattura del componente. Abbiamo pure il pericolo di grinze circonferenziali nella flangia. Per ovviare a questo pericolo viene utilizzato un opportuno premilamiera. L’imbutitura può essere eseguita senza solo nel caso in cui il rapporto tra D0 e Dp sia alto. Non possiamo avere un carico eccesivo dato dal premilamiera se no stretching. Il carico pre-applicato deve essere compreso tra 1% e 1,5% della tensione di snervamento, ma va aumentare con il procedere dell’operazione a causa della diminuzione della superficie della flangia. Vi può essere la presenza di un rompigrinze che ha il compito di ostacolare il flusso radiale del materiale. Parametri operativi: rapporto d’imbutitura D0/Dp, che non può superare un certo valore, poiché aumenta lo stato tensionale. Lubrificazione. Raggi di raccordo, grandi frattura, piccoli grinze. Rd= K*radq((D0-Dp)*s) K dipende dal materiale impiegato. Il gioco tra matrice e punzone: g=s+C*radq(10*s) C=costante=0,07 (acciai),0,02 (leghe d’alluminio). Il calcolo del diametro iniziale della lamiera viene condotto tenendo conto dell’invariabilità del volume ed ipotizzando che lo spessore si mantenga costante lungo tutto lo sviluppo dell’imbuto. Una volta determinato il diametro si verifica se il processo può essere fatto in un unico passaggio o meno Nel caso di vaschette quadrate lungo i lati rettilinei il materiale subisce un meccanismo di piegatura ed un successivo stiramento, quindi il ruolo del premilamiera ha una diversa peculiarità rispetto a prima, lungo i lati rettilinei a solo una funzione di guida, ma ha un ruolo di controllo negli spigoli, quindi deve imprimere pressioni diverse in sezioni diverse, oggi è possibile tramite premilamiere deformabili.
ASPORTAZIONE DI TRUCIOLO
Comprende tutti quei processi in cui il componente desiderato si ottiene per asportazione di materiale. È possibile distinguere tre moti fondamentali: taglio, avanzamento e registrazione. Nella limatrice il moto è rettilineo alternato ed è posseduto dall’utensile, nella piallatrice invece è il pezzo muoversi di moto rettilineo verso l’utensile montato su un portale. In entrambi i casi ad una corsa attiva d’asportazione di materiale ne segue una improduttiva. I processi possono essere distinti: di forma (la forma è determinata dalla forma dell’utensile) e di generazione (la forma del pezzo finale è determinata dalla posizione relativa che l’utensile assume rispetto al pezzo) . -Utensili da taglio: l’utensile nel caso più semplice può essere realizzato partendo da una sbarretta prismatica ed asportando del materiale rendendo lo spigolo tagliente, in tal modo si otterrebbe un solo spigolo tagliente. Negli utensili per tornitura si hanno due spigoli taglienti, uno principale ed uno secondario, che si incontrano nella punta dell’utensile. Tuttavia il compito di taglio è svolto per la maggior parte dal tagliente principale. Nel caso di un solo tagliente, lo possiamo schematizzare pensandolo come un cuneo che si sposta sopra il pezzo con una determinata velocità e determina un meccanismo di frattura nel materiale e quindi spinge il truciolo a scorrere sulla superficie del petto. Un utensile monotagliente è caratterizzato da due piani fondamentali: il petto su cui scorre il truciolo ed il fianco, piano affacciato sulla superficie del pezzo dalla quale è già stato asportato il truciolo. I piani sono caratterizzati da due angoli: gamma che stabilisce l’inclinazione del petto ed alfa che sta bilisce l’inclinazione del fianco. Alfa deve essere per forza maggiore di 10° se no l’utensile striscerebbe sulla superficie già lavorata, mentre gamma può essere sia minore che maggiore di 0° (l’angolo è calcolato a partire dalla direzione ortogonale al pezzo, ed è positivo se fa un angolo acuto con il truciolo). Nel caso di utensili da torni i piani principali sono tre: -il pezzo, il fianco primario (superficie da lavorare), secondario (superficie già lavorata). L’utensile è definito impiegando tre angoli: di spoglio superiore (gamma), di spoglio inferiore (beta), ottenuti proiettando il tagliente principale secondo una giacitura parallela al piano di riferimento, e operando una sezione perpendicolare alla proiezione del tagliente principale sul piano di riferimento. -psi angolo d’inclinazione del tagliente principale rispetto all’asse dell’utensile. -Materiali per utensili: devono essere duri ed anche tenaci (resistenza allo shock termico) e devono avere la capacità di mantenere a caldo la durezza posseduta a freddo , devono essere resistenti all’usura, stabilità chimica anche ad elevate temperature . A causa del taglio aumenta la temperatura dell’utensile e del truciolo per attrito -Acciai per utensili: Acciai al carbonio (C 0,6-1,4%): hanno buona durezza dopo la tempra (65 HRC), che diminuisce leggermente dopo il trattamento di rinvenimento, ma bassa capacità di mantenerla ad alte temperature, i taglienti risultano molto precisi, ma le velocità di taglio basse.
Acciai rapidi (C 0,6-1%; Cr 4-5%; W tungsteno 8-9%) e super-rapidi: acciai fortemente legati, permettevano di utilizzare velocità di taglio di 20-30 m/min, sono stati sostituiti dagli acciai superrapidi che oltre agli elementi degli acciai rapidi hanno anche il cobalto (5-12%), che mantengono sufficiente durezza anche a 600 °C. Questi acciai devono la loro durezza ad un trattamento di tempra in soluzione e successivo rinvenimento, che rappresenta la tempra secondaria. Abbiamo anche le stelliti caratterizzate da buona durezza sino a 800 °C, ma anche grande fragilità, questo ha determinato la loro scomparsa come utensili da taglio. -Metalli duri: sono costituiti da particelle dure cementate da una lega. Sono tipicamente carburi metallici, il legante è principalmente il cobalto. Sono ottenuti mediante processi di metallurgia delle polveri. La materia prima per la fabbricazione si ottiene da un concentrato di tungsteno dal quale si ricava il triossido di tungsteno e da quest’ultimo si ottengono le polveri di tungsteno mediante riduzione in ossigeno. La parte successiva prevede il miscelamento delle polveri di tungsteno e di nerofumo, ed il caricamento di miscuglio in un forno alla temperatura di 1700 °C, in questo modo il tungsteno si combina con il carbonio, formando il carburo di tungsteno. La polvere di carburo di tungsteno è successivamente mescolata con una polvere di cobalto e con eventuali altri carburi. Si effettua quindi una prima pressatura a freddo, per ridurre la porosità, e successivamente verrà sintetizzato. La sintetizzazione è un trattamento termico che abbate la porosità. Il compatto e preliminariamente sottoposto ad una fase di preriscaldamento per eliminare l’umidità e un successivo riscaldamento sino a temperature prossime a quelle di fusione del componente più basso fondente. In fine avremo una fase di raffreddamento. In questo modo si ottiene una sostanziale eliminazione della porosità e la fusione del legante metallico permette di sciogliere in esso una quantità non trascurabile di carburi. I carburi metallici costituiti da tungsteno e cobalto, presentano una buona resistenza e durezza, ma nel taglio degli acciai, hanno il problema dell’usura sul petto, dove si vengono a creare dei crateri, a causa della modesta stabilità chimica del carburo di tungsteno, che trasferisce atomi di carboni al truciolo mentre scorre sul petto. Per questa ragione furono aggiunti i carburi di titanio e tantalio, più stabili chimicamente, in particolare la resistenza all’usura è dovuta al carburo di tantalio, il quale tuttavia induce fragilità all’utensile, a tale problema si ovvia aggiungendo il carburo di niobio, conferisce duretta e maggior resistenza all’usura. Gli angoli di taglio e l’arrotondamento della punta vengono ottenuti in fase di sintetizzazione. La gli angoli di spoglia superiore ed inferiore sono determinati dalla posizione che la placchetta viene ad assumere sullo stelo. La fragilità delle placchette dipende principalmente dalla percentuale di carburo di cobalto, all’aumentare della quale diminuisce la fragilità, ma allo stesso tempo diminui sce la durezza e la resistenza all’usura. I metalli duri sono classificati in tre grandi categorie secondo le norme ISO:
P: adatti per la lavorazione di materiali che producono un truciolo lungo e continuo (acciai inossidabili). Tutti i carburi K: truciolo corto e discontinuo (ghise). Tungsteno e cobalto
M: metalli più difficili (acciai inossidabili austenitici). Tungsteno, cobalto e titanio.
-Metalli duri rivestiti: rivestimento dei metalli duri con uno o più strati di carburi. Rivestimento in carburo di titanio su una placca di carburo di tungsteno: velocità di taglio più elevate ed a parità di velocità di taglio maggior resistenza all’usura rispetto a quello non rivestito. Allora si è pensato di fare strutture interne tenaci, in grado di sopportare sollecitazioni impulsive, e rivestimenti duri e resistenti all’abrasione, superando così i problemi dei metalli duri. Rivestimento in nitruro di titanio: è il principale, riduce il coefficiente d’attrito ed aumenta la durezza superficiale, limita i fenomeni di craterizzazione e possiede caratteristiche di refrattarietà. Aumenta la durata dell’utensile e migliora la superficie di lavoro. L’assido di alluminio: duro, e resistente all’usura, crea una barriera chimica tra l’utensile ed il truciolo. Carbonitruro di titanio: elevata durezza, discreta tenacità. Viene utilizzato per acciai in condizioni di taglio non continuo a velocità non molto elevate. Il nitruro di titanio-allumini: durezza e resistenza all’usura anche ad alte temperature. Viene utilizzato per materiali abrasivi e ad alte velocità di taglio. -Materiali ceramici: si dividono in:
Ossido-ceramici (costituiti essenzialmente da ossidi di alluminio) Non-ossido-ceramici (nitruro di silicio)
Gli inserti ceramici possiedono un’elevata durezza a caldo, sono inerti chimicamente e refrattari, esibiscono una notevole resistenza alla compressione e permettono di lavorare ad alte velocità, ma sono estremamente fragili, quindi devono essere utilizzate in macchine di elevata potenza e perfettamente stabili per evitare vibrazioni. -Altri materiali per utensili:
I cermets: sono sintetizzati con una componente ceramica ed una metallica. Resistenti all’usura ed alla craterizzazione, elevata stabilità chimica e durezza a caldo. Il nitruro cubico di boro: uno dei materiali più duri anche ad altissime temperature, ottima resistenza all’usura e buona stabilità chimica; Il diamante policristallino: secondo in durezza solo al diamante monocristallino, ma molto fragile. L’utilizzo avviene esclusivamente tramite il fissaggio, mediante brasatura, di piccoli riporti su placchette di metallo duro. Ciò incrementa la vita utile dell’utensile di molto.
-Analisi dei processi di taglio: -Forze di taglio: le componenti delle forze di taglio si possono dividere lungo tre assi:
Pz che si trova nella direzione ortogonale all’asse dell’utensile, detta componente principale poiché e da 2 a 4 più grande delle altre due ed è quella che assorbe pure più energia poiché la velocità di taglio è quella maggiore. Px lungo l’asse del pezzo, ed è dovuta alla velocità d’avanzamento dell’utensile, con qui si calcola la potenza assorbita. Py lungo l’asse dell’utensile, la cui potenza assorbita è teoricamente pari a zero poiché non fa alcun movimento.
Parametri importanti per le forze di taglio sono gli angoli dell’utensile, precedentemente descritti, e un altro parametro calcolabile, che è l’area del truciolo asportata per ogni giro A=a*p=l*s rispettivamente lunghezza e spessore del truciolo. La snellezza del truciolo vale: G=l/ s=p/ a cos^2(psi). Quindi dobbiamo trovare Pz (V, a, p, A, G, gamma, psi). Un modello lineare non da un’adeguata rappresentazione dei dati sperimentali, quindi si passa ad un modello non lineare con coefficienti trovati tramite tecniche statistiche, su registrazioni di diversi esperimenti. Si sono fatti anche degli esperimenti per vedere la correlazione tra la forza principale di taglio e la velocità di taglio. Teoricamente per V=0 Pz tende ad infinito. Presenta un massimo locale in corrispondenza di una velocità di circa 50 m/min il fenomeno è indicato con il termine tagliente di riporto, è causata dall’accumulo di materiale. La dipendenza della forza di taglio dalla velocità è di tipo esponenziale con esponente negativo. Al crescere di gamma le forze di taglio diminuiscono, poiché diminuisce la distorsione che il truciolo subisce nell’attraversare il piano di scorrimento. Al crescere di psi la snellezza aumenta, ed anche le forze di taglio. -Temperatura di taglio: la potenza della forza di taglio principale degenera, quasi tutta in calore. La temperatura a qui lavora l’utensile è funzione di: velocità di taglio profondità di passata, delle caratteristiche del materiale tagliato, in particolare della resistenza offerta al taglio, ed in fine dalle caratteristiche fisiche del materiale dell’utensile. C’è una legge che lega i parametri principali alla temperatura media T= (1,2*sigma di snervamento/densità*calore specifico) *radcub (V*p/ (conducibilità termica/ densità*calore specifico)) -18 -Usura degli utensili: nel corso del processo di taglio l’utensile si usura fino ad esaurire la sua vita utile. È il prodotto della combinazione di sollecitazioni che agiscono sul tagliente, di tipo meccanico e termico, derivanti da sollecitazioni di tipo chimico ed in fine legati a fenomeni abrasivi. Possiamo avere dei fenomeni di usura adesiva, dovuti al contatto tra utensile e pezzo dove si creano micro saldature. L’abrasione si manifesta con grande evidenza in corrispondenza dello spigolo tagliente (labbro) e del fianco dell’utensile. L’usura sul labbro si misura attraverso un parametro VB che appunto misura l’estensione della zona usurata. Il cratere che si usura viene misurato con il KT profondità cratere o con il rapporto KT/KM dove KM è la distanza dal centro del cratere allo spigolo tagliente, poiché è più pericoloso se il cratere si manifesta vicino allo spigolo tagliente.
Se si analizza l’usura del labbro in funzione della velocità nel tempo, abbiamo un tratto di assettamento iniziale, poi un tratto lineare e successivamente un tratto esponenziale. Se si aumenta la velocità, l’andamento risulta pressoché uguale ma il tratto esponenziale si presenta dopo un tempo minore. Bisogna fissare un valore limite del labro per il quale sostituire l’utensile. Taylor riporto coppie di valori V e T in un piano logaritmico e osservo che tali valori si disponevano più o meno su una retta. Quindi dedusse che VT^n=cost. dove n dipende dal materiale costituente l’utensile e nel diagramma logaritmico costituisce l’inclinazione della retta. n è sempre minore dell’unità. Al crescere di n la retta diventa meno inclinata, ciò indica che c’è una dipendenza minore di T a V. Aggiungendo gli altri parametri con i loro relativi coefficienti sempre dipendenti dal tipo d’utensile, possiamo osservare che l’usura dipende in maniera consis tente oltre che da V anche dalla velocità d’avanzamento e meno dalla profondità. Ed anche dalla snellezza che aumentando aumenta la vita utile. -Scelta delle geometrie degli utensili per tornitura: -alfa (angolo di spoglio inferiore): l’utensile non deve strisciare sul pezzo quindi l’angolo non può andare sotto un certo valore, dal momento che l’utensile descrive un elica nel moto relativo rispetto al pezzo, per non strisciare l’angolo deve essere maggiore di quello d0inclinazione dell’elica (alfa>arctg(a/pigreco*D)), considerando che l’angolo d’inclinazione dell’elica non supera quasi mai 2° e che l’angolo alfa solitamente è compreso tra 4° -6° la condizione difficilmente non viene verificata. L’utilizzo di un angolo relativamente grande avrebbe l’effetto d’ aumentare la vita del tagliere a parità di VB oltre il quale l’utensile va sostituito (possibilità d’asportare volume maggiore, prima che venga raggiunto il valore di soglia). D’altra parte alfa grande insieme al valore assegnato a gamma tende a ridurre la superficie resistente e quindi rende l’utensile meno resistente. Per questi motivi alfa è solitamente 6°. -gamma: al crescere dell’angolo le condizioni di taglio sono certamente più favorevoli, diminuisce la distorsione che il truciolo subisce nell’attraversare il piano, si riduce la zona di contatto tra truciolo e superficie del petto con conseguente riduzione ei meccanismi di strisciamento, quindi diminuiscono le forze di taglio e le temperature. Valori positivi di gamma in realtà vengono utilizzati solo per utensili in acciaio super rapido per il taglio di materiali di limitata resistenza. Solitamente il valore è negativo e paria a -6° in tutti gli altri casi. -psi: al crescere dell’angolo aumenta la snellezza e quindi le forze di taglio. Solitamente è compreso tra 20°-70°. Nel caso si stiano tagliando materiali particolarmente resistenti per i quali sono necessarie elevate forze di taglio, potrà essere utile utilizzare un valore di psi contenuto. Nel caso si stiano lavorando materiali non particolarmente resistenti, ma molto duri, è conveniente utilizzare un angolo maggiore, ma comunque non superiore a 70 per evitare il così detto fenomeno del rifiuto del taglio. -Fresatura:
SALDATURE Ci permette di congiungere due elementi metallici senza portarli a fusione. Deformando localmente le due lamiere da saldare, otteniamo un ancoraggio meccanico (fastening), con un elemento estraneo, il rivetto autoperforante. L’efficacia meccanica della saldatura la valutiamo rispetto alla resist enza al taglio o a trazione del materiale base. Classificazione in base alla posizione dei giunti: di testa, a sovrapposizione, ad angolo, a T, e a L. Classificazione in base alla posizione relativa tra saldatore e lamiere:
in piano, verticali (ascendenti o discendenti), frontali, sopra testa. Si dividono in: Autogene (fonde il metallo base) Eterogene (fonde solo in metallo d’apporto) Quelle autogene si dividono in: saldature per fusione e per pressione. Nel primo caso vengono accordati insieme senza alcuna pressione, nel secondo caso con pressione. Il metallo può essere fuso tramite: arco elettrico, combustione di un gas, laser, effetto Joule etc. le saldature a pressione vengono classificate in base all’apparecchio utilizzato: punti, rulli, scintillio. Apporto termico specifico: rapporto tra potenza termica e superficie investita dalla potenza. -Saldatura a gas: Dipende dal tipo di gas utilizzato, la combustione avviene sempre tra ossigeno e qualcosa (solitamente acetilene). La combustione è divisa in due processi, la parte più interna della fiamma è il dardo (prima reazione chimica), la parte più esterna è la fiaccola (seconda reazione chimica). La seconda reazione protegge la saldatura togliendo l’acqua poiché coinvolge ossigeno e idrogeno, e ha una temperatura di 3120 °C. La zona investita dalla fiamma è molto estesa, questo è un fattore negativo. -Saldatura ad elettrodi rivestiti: l’arco elettrico è una scarica di elettroni che si muovono dal catodo all’anodo, grazie ad un generatore di tensione. I due elementi sono costituiti dal materiale da saldare e l’altro da un elemento fusibile. Devo stare attento che l’elettrodo non si incolli sul pezzo. Le lamiere vengono preparata alla saldatura con la cianfrinatura (smussamento degli spigoli vivi). L’intercapedine creata verrà riempita dal cordone di fusione, in alcuni casi avrò bisogno di più cordoni. L’elettrodo è caratterizzato da un’anima metallica, che ad un certo punto si esaurirà e quindi dovremo interrompere la saldatura per sostituirla, e da un rivestimento (acido o base) che serve da protezione: 1) Quando fonde crea una nube di protezione. 2) Fondendo si scioglie e cade nel bagno, andando a creare una scoria più leggera che galleggia e riveste il cordone di saldatura, proteggendolo. Quando finisco la passata devo togliere la scoria che mi rappresenta una discontinuità tra i cordoni, che viene tolta con una spazzola metallica. Rendimento elettrodo:
prendo 5 elettrodi li faccio fondere depositando il tutto su una piastra precedentemente pesata, quindi so quanto materiale si va a depositare. Poi peso i mozziconi rimasti sulla pinza (parte terminale dell’anima). A volte si può depositare più del peso ideale dell’elettrodo, peso dell’anima compreso di mozzicone. Quindi il rendimento può essere maggiore di 1. La saldatura varia al variare della corrente imposta. Varia anche la resistenza, poiché al crescere della corrente, la nube elettronica cresce e cresce pure la sezione all’arco, quindi varia la resistenza, diminuendo, fino ad un certo valore di i per cui la sezi one dell’arco non varia più, quindi V crescerà se i crescerà, quindi vale la legge di Ohm. Allora dovremo lavorare al di sopra della corrente di saturazione. In corrente continua il catodo e l’anodo non si scambiano. L’energia generata dal passaggio della corrente si distribuisce in modo diseguale, in particolare 2/3 al anodo ed il resto all’catodo. La temperatura dell’anodo è superiore a quella del catodo per quanto detto prima. Polarità diretta il pezzo da saldare è l’anodo, polarità inversa è il catodo. In corrente alternata il flusso termico risulta simmetrico. Al variare della lunghezza dell’arco varia la larghezza del bagno . La curva che caratterizza la lunghezza dell’arco presenta un minimo nel piano V -I. -Saldature TIG (tungsten inert gas): è caratterizzato da un arco elettrico che però non presenta un elettrodo fusibile, ma in tungsteno, che è un elemento alto fondente, con alta conducibilità, utilizzato per far sciogliere l’arco fra l’elettrodo ed il pezzo. La pistola gestita dall’operatore p resenta un circuito di raffreddamento, l’alimentazione, e una bombola con gas protettivo che definisce la coltre di protezione. Il processo di saldatura è manuale e discontinuo come quelli precedenti. -Saldatura MIG-MAG (metal inert/active gas): Processo continuo. Il MAG (gas anidride carbonica) da una protezione minore. La pistola è costituita da un elettrodo non rivestito rappresentato da un filo che può scorrere su una bobina che rappresenta anche il metallo d’apporto , coassialmente viene sparato il gas di protezione, solitamente funzione in corrente continua. Ho una funzione di autoregolazione della lunghezza d’arco, in base alla corrente di esercizio voluta, se l aumenta la corrente diminuisce. L’utilizzo a corrente continua semplifica l’auto regolazione. -Saldatura ad arco sommerso: L’arco elettrico è la sorgente termica. L’avanzamento del filo non è gestita dall’alimentatore del saldatore ma da un motore esterno. Il sistema non è auto regolato. Il filo impiegato è a sezione maggiore. La protezione avviene tramite un particolato fatto cadere sull’arco. La protezione è spinta ed in parte fonde e forma la scoria. Viene utilizzata dopo il roll-forming (piegatura). Il processo è a unica passata. -Saldatura laser: il mezzo del laser deve essere un gas in grado di assorbire energia, messo in un opportuno tubo con specchi riflettenti che facciano caricare il gas che viene espulso attraverso un opportuno orifizio. La zona termicamente alterata è più piccola, livello di penetrazione più grande, materiale d’apporto minore. Sparo il raggio laser su un punto del materiale, il materiale vaporizza localmente, si crea un plasma, che fonde il metallo solido nelle pareti circostanti, il metallo cade
nella cavità e procede alla formazione del cordone. In funzione della velocità d’avanzamento posso saldare o tagliare. -Saldatura per fusione: processo che utilizza come fonte di calore l’effetto joule di una resistenza attraversata da corrente. Oltre alla fusione del metallo base mettiamo in pressione i due lembi. Si mettono in sovrapposizione due lamiere, pressando due elettrodi (refrigerati) in rame, in un punto dove si realizza la saldatura. Non è previsto materiale d’apporto. Il trasformatore è in discesa la tensione si abbassa e la corrente si alza. Il sistema può è simmetrico e può essere visto come resistenze in serie. Le due resistenze rappresentate dagli elettrodi, quelle di contatto tra lamiere ed elettrodi, e quella di contatto tre le due lamiere, che la più grande dove avrò il massimo flusso termico. Si tratta di una saldatura per punti che localmente mi crea un bottone. Questo circuito è accoppiato ad un circuito secondario. Avrò un massimo assoluto tra lamiera e lamiera e due massimi relativi nei punti di contatto tra elettrodi e lamiere, ma la fusione l’avrò solo al centro. Al centro avr ò una struttura omogenea di grani sferoidali, ma in superficie avrò una struttura dendritica. In un diagramma I-t, ho una zona utile di saldatura, al di fuori della quale per tempi bassi e correnti basse invece che saldare incollerò, per correnti alte e tempi lunghi, avrò forature o spruzzi. Il ciclo di saldatura è così composto: Faccio crescere il carico di pressione tra le due lamiere fino a quello prestabilito, raggiunto il valore si chiude il circuito secondario, che per induzione fa passare la corrente, realizzo la saldatura. Apro il circuito, mantengo la pressione per qualche secondo e poi la diminuisco. Si possono usare anche altri processi termici più altri passaggi. Gli elettrodi cilindrici mi danno una continuità di saldatura, facendo passare le du e lamiere in mezzo agli elettrodi, ma le lamiere devono essere piane. Ciclo termico a cui è esposto un giunto: in un cordone in cui la sorgente termica avanza determina delle ellissi isoterme che sono delle ellissi, schiacciate nel verso d’avanzamento della sorgente t e allungate nella direzione opposta. Nel giunto avrò sempre una fase iniziale di riscaldamento fino al superamento della T critica, mantenimento ad alta temperatura e un raffreddamento. Questo determina una modifica della struttura del materiale. La zona termica alterata non coincide con quella fusa ma con quella limitrofa. Se faccio una prova di trazione il materiale non si rompe nel giunto ma ai bordi di esso, a meno che il giunto non sia fatto male. -Fastening meccanico: la saldatura non avviene per fusione ma per deformazione localizzata nelle lamiere coinvolte. -Clinching: si deformano le due lamiere sovrapposte in modo tale da formare un punto d’ancoraggio. È come se realizzassimo una micro imbutitura locale. Metto le due lamiere tra un punzone ed una matrice, spingo il punzone tramite un alimentatore elettro idraulico e grazie alla matrice determino l’ancoraggio. La configurazione geometrica di punzone e matrice è l’aspetto più importante del processo. Si classificano in:
press clinching: matrice rigida o deformabile. Shear cliching: la giunzione è ottenuta attraverso lo scorrimento (taglio localizzato), delle due lamiere sovrapposte. -Self-piercing riveting process (SPR): Abbiamo un elemento in più che è il chiodo che serve ad ancorare meglio le lamiere. Il principio di funzionamento è quello di un rivetto, ma a differenza del rivetto, le lamiere non sono precedentemente forate, ma vengono forate direttamente dal chiodo. Avremo un punzone che spinge il chiodo ed una matrice con geometria opportuna. Il chiodo deforma la lamiera superiore, si deforma anche la lamiera inferiore e successivamente, si verifica una deformazione inversa di estrusione all’interno del gambo del chiodo che è riempito di materiale. Si forma una sorta di S che mi determina l’ancoraggio. La lamiera superiore non viene forata ma assottigliata . Il chiodo è in acciaio austenitico, prodotto per asportazione di truciolo e con un indurimento finale (tempra). -Saldatura allo stato solido: Utensile che ruota su sé stesso, premuto forte contro la lamiera e leggermente inclinato, con una velocità d’avanzamento verso la direzione da saldare, che deforma le due lamiere rimescolando i materiali e saldandole insieme.
