La progettazione assistita dal calcolatore (CAD, computer-aided de-sign) è uno sviluppo recente nella fucinatura dei metalli. Lo schermodel tubo a raggi catodici di un sistema Computervision mostra losbozzato iniziale di una biella d'automobile (a sinistra, in alto), uno

stampaggio intermedio (a destra, in alto) e il pezzo finito (in basso, asinistra). La figura finale è il disegno di uno dei due stampi di finitura. Letecniche di CAD per la fucinatura sono attualmente oggetto di studio daparte di A. A. Badawy e C. F. Billhardt del Battelle Memorial Institute.

sua volta dalle caratteristiche strutturalidel metallo, dalla sua temperatura e dallavelocità di deformazione. Le caratteristi-che strutturali da considerare sono lastruttura tridimensionale del reticolo cri-stallino, la presenza di eventuali elementidi lega e l'esistenza di altre dislocazioni,ma la caratteristica più importante restaprobabilmente la grossezza del grano. Igrani sono gli elementi costitutivi dell'ag-gregato metallico. Ciascun grano è forma-to da un cristallo singolo con orientazionedel reticolo diversa da quella dei cristalliadiacenti. Quando la grossezza dei grani èeccessiva rispetto alla grandezza del pez-zo da lavorare, si possono formare criccheche facilmente si propagano lungo il con-torno dei grani.

Questo problema è di particolare im-portanza quando si ha a che fare con letipiche strutture dei grezzi di fusione, chesi formano per esempio nelle lingottiere

durante la solidificazione del metallofuso. Il metallo a contatto con le paretifredde della lingottiera è quello che iniziaa solidificare pe,r primo. Grani grossolanidi tipo colonnare crescono protendendosiall'interno della massa metallica ancheper parecchi centimetri e il lingotto cosìottenuto difficilmente si lascia fucinaresenza che si formino cricche a causa dellapresenza di piani di minor resistenza, co-stituiti appunto dalle interfacce tra i grani.

Per questo motivo la fucinatura digrezzi di fusione avviene spesso in duefasi. Nella prima si opera una frantuma-zione dell'aggregato di grani grossolani esi ottiene un semilavorato di grano, mol-to più fine, in genere misurabile in centezsimi di millimetro, chimicamente omo-geneo e di gran lunga più lavorabile. Daquesta struttura si ottengono poi per fu-cinatura i pezzi finiti.

Sebbene sia possibile dar forma alla

maggior parte dei semilavorati entro in-tervalli di temperatura e di velocità dideformazione abbastanza larghi, occorrestare molto attenti nella scelta della tem-peratura di fucinatura. La fucinatura acaldo richiede un lavoro di deformazioneminimo e conferisce al metallo la massimalavorabilità, ma a causa della disuniformi-tà del ritiro, conseguente al raffredda-mento, è difficoltoso riuscire a ottenere ledimensioni volute. Per questo motivo laformatura viene spesso eseguita a tempe-ratura ambiente, temperatura alla qualela maggior parte dei metalli si trova nelcampo delle lavorazioni a freddo (25 percento della temperatura assoluta di fusio-ne del metallo o anche meno). Rispettoalla formatura a caldo, la lavorabilità deimetalli a tali temperature è alquanto infe-riore, pur rimanendo di gran lunga supe-riore a quella che si ha nell'intervello ditemperatura intermedio (cioè tra il 25 e il

La fucinatura dei metalliL'antica arte di foggiar metalli battendoli o schiacciandoli si staoggi evolvendo con la conoscenza dei meccanismi di deformazione deimetalli e con l'uso di calcolatori nelle varie fasi della fucinatura

di S. L. Semiatin e G. D. Lahoti

p

er i fabbri delle epoche primitivefucinare significava modellare perbattitura un pezzo di metallo po-

sto su un'incudine. Questo è probabil-mente il più antico metodo usato dal-l'uomo per trasformare i metalli in for-me utili. Oggi si intende convenzional-mente per fucinatura la deformazione dimateriale mediante compressione trastampi. Spesso gli stampi fanno parte dipresse gigantesche capaci di esercitarepressioni enormi e di modellare formecomplesse come la struttura completadell'ala di un aereo. Una tecnologiatalmente perfezionata sembrerebbe of-frire ben poche possibilità di evoluzione,ma le nuove conoscenze sulla deforma-bilità dei metalli, l'impiego crescente delcalcolatore nella progettazione di stampio altre attrezzature di fucinatura e nel-l'analisi dei meccanismi di deformazionedi un pezzo di metallo, stanno di fattomodificando profondamente le tecnichedi fucinatura.

La moderna fucinatura occupa unaposizione preminente tra le lavorazionidei metalli cosiddette primarie, successi-ve alle fasi di estrazione da minerale,separazione dalle impurezze, aggiuntaeventuale di alliganti, colaggio in getti oin lingotti destinati a ulteriori lavorazio-ni. Circa la metà delle lavorazioni prima-rie sono fucinature, il resto è costituitoda estrusioni, trafilature, laminazioni. Inmolti casi un pezzo sagomato con uno ditali processi subisce una lavorazione se-condaria come lo stampaggio o la lavora-zione alle macchine utensili.

Le più remote testimonianze di fu-cinatura sono manufatti di oro o ramebattuto, rinvenuti in diverse zone delMedio Oriente, risalenti all'8000 a.C.La lavorazione di questi metalli era roz-za se confrontata ai livelli raggiunti piùtardi: l'arte di raffinare i metalli permezzo della fusione era infatti scono-sciuta e le impurezze rimaste dopo laseparazione dal minerale riducevanoogni capacità di fucinare metalli. L'in-troduzione della fusione del rame attor-no al 4000 a.C. fornì un metodo pratico

di raffinazione del metallo allo stato li-quido per mezzo di reazioni chimiche.Più tardi, nell'Età del rame, si scoprì chela battitura provocava nei metalli unapprezzato aumento di resistenza mec-canica (per effetto di quello che oggichiamiamo incrudimento). Il bisogno diutensili più robusti spronò la ricerca dileghe che fossero intrinsecamente resi-stenti e portò all'impiego di leghe dirame e stagno (Età del bronzo) e di fer-ro e carbonio (Età del ferro).

L'Età del ferro, il cui inizio può essereposto attorno al 1200 a.C., si ebbe circa1300 anni dopo l'inizio dell'Età del bron-zo. Il ritardo fu dovuto alla mancanza disistemi per raggiungere le alte temperatu-re necessarie per fondere e depurare iminerali ferrosi. Più tardi si scoprì che perfucinare comodamente leghe ferrose ba-stava superare di poco il 60 per centodella loro temperatura di fusione, espres-sa in kelvin, cioè in gradi centigradi so-pra lo zero assoluto. La fucinatura a talitemperature è detta oggi fucinatura o la-vorazione a caldo. (Oltre a modellare ilferro la fucinatura provoca la formazio-ne di ossidi dall'aspetto di scaglia nera.Il vocabolo blacksmith, che in inglesesignifica fabbro ferraio, deriva appuntodalla presenza costante di tale scaglianera - black - nelle prime fucine.)

L'invenzione del maglio a leva nel XIIIsecolo rappresentò un grande vantaggioper i fabbri in quanto li sollevò da granparte della fatica necessaria per modella-re i metalli. Il maglio a leva utilizzaval'energia idraulica per sollevare una levacon una mazza all'estremità. Una voltasollevata la mazza, il fabbro la faceva ca-dere ottenendo così il colpo di maglio.L'impiego di quest'impianto relativamen-te semplice si protrasse per qualche seco-lo, prevalentemente per la fucinatura dibarre e piastre. Con la Rivoluzione Indu-striale, insieme con i processi capaci diprodurre ferro e acciaio in quantità mag-giori,siebbe anche il grande aumento del-la richiesta di prodotti metallici e sorse lanecessità di fucine assai più capaci. Quel-l'esigenza venne soddisfatta con l'inven-

zione del maglio a vapore, ad alta veloci-tà, in cui la mazza è azionata dal vapore, edella pressa idraulica in cui lo schiaccia-mento si ottiene per azione di acqua sottopressione su uno stantuffo. Con questemacchine si fabbricarono prodotti di va-rio genere, dalle armi da fuoco a parti dilocomotive.

Gli ultimi cento anni hanno visto losviluppo di nuovi tipi di macchine per fu-cinare e di nuovi materiali con proprietà eimpieghi speciali. L'utilizzazione di questimateriali ha tratto grande vantaggio dallenuove conoscenze (molte delle quali ac-quisite nell'ultimo quarto di secolo) sul-l'influenza che temperatura e velocità dideformazione esercitano sulle caratteri-stiche basilari di lavorabilità dei metalli esugli effetti che progettazione e lubrifica-zione degli stampi esercitano sullo scor-rimento dei metalli e sull'energia necessa-ria per la deformazione. L'applicazione ditali conoscenze alle attività di fucinatura èstata facilitata dallo sviluppo di sofisticateanalisi matematiche dei processi di fuci-natura, analisi eseguite con ottimi risultatiimpiegando calcolatori digitali ad altavelocità.

oggi comunemente accettato che la spiegazione della deformabilità deimetalli vada ricercata nella natura dellegame metallico. In questo tipo di lega-me gli atomi dei metalli mettono in co-mune i loro elettroni più esterni. Inoltre illegame metallico non è direzionale e gliatomi possono così accatastarsi compattiin regolari strutture cristalline tridimen-sionali. La presenza in tali strutture didislocazioni o interruzioni nella regolaredistribuzione degli atomi rende possibilelo slittamento del reticolo cristallino lun-go piani e direzioni di maggior impacca-mento atomico. Come è intuibile, la lavo-rabilità relativa di metalli diversi dipendesoprattutto dalla facilità con cui è possibi-le far muovere le dislocazioni senza pro-vocare rotture o introdurre nei metallidifetti di altro genere.

La facilità di spostamento delle dislo-cazioni, senza inconvenienti, dipende a

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109

PIANO DISCORRIMENTO

o

60 per cento della temperatura di fusio-ne). Torneremo più tardi su questo appa-rente paradosso.

È superfluo ricordare che il principaleobiettivo della fucinatura è l'ottenimentodi parti dimensionalmente corrette. Oltrea ciò hanno maggiore importanza la forzaoccorrente per ottenere la deformazione(ossia la potenzialità della pressa o delmaglio) e la lavorabilità del metallo.Hanno importanza secondaria, soprattut-to di natura economica, la velocità di pro-duzione e la durata degli stampi.

Una stima della forza necessaria perdeformare un dato metallo, il cosiddetto«carico di fucinatura», si ottiene gene-ralmente comprimendo un provino cilin-drico tra stampi piani e paralleli previa-mente ben lubrificati. In questo modo sisimula l'operazione di fucinatura di tipopiù semplice, nota col nome di ricalcatu-ra. Con tale prova è possibile tracciare ildiagramma della capacità di scorrimento,ossia della resistenza alla deformazione,espressa in termini di sforzo (forza perunità di superficie), in funzione di unaqualche misura dell'accorciamento subitodal provino, espresso generalmente intermini di deformazione (logaritmo delrapporto tra altezza iniziale e finale) o di

riduzione percentuale di altezza. Le curvesforzo-deformazione così ottenute illu-strano gli effetti dell'entità di deforma-zione, della velocità di deformazione edella temperatura di prova sulla resisten-za alla deformazione del metallo in esa-me. Queste informazioni sono dati di in-gresso essenziali ai fini della costruzionedi qualsiasi modello matematico del pro-cesso di fucinatura.

Alle temperature della lavorazione afreddo, gli sforzi sono elevati principal-mente a causa della difficoltà di moto del-le dislocazioni attraverso il reticolo cri-stallino e anche a causa del rapido molti-plicarsi delle dislocazioni stesse che pro-voca incrudimento, cioè un aumento pa-rallelo dello sforzo con la deformazione. Ilimiti di lavorabilità sono modesti. Atemperature intermedie tra quelle dellelavorazioni a freddo e a caldo, i livelli disforzo sono in qualche misura inferiori,ma sussiste in larga misura l'incrudimentoe la lavorabilità è scarsa.

I livelli di sforzo sono minimi alle tem-perature della lavorazione a caldo perchél'energia termica provoca grandi oscilla-zioni degli atomi attorno alle loro posi-zioni di equilibrio e viene così facilitato ilmoto delle dislocazioni attraverso i retico-

li cristallini. Le curve sforzo-deformazio-ne rivelano inoltre l'assenza di qualsiasiincrudimento, in quanto l'energia termicariesce a «temperare» gran parte delle di-slocazioni che nascono durante la defor-mazione. In realtà la struttura di un metal-lo può subire durante la lavorazione acaldo modificazioni così radicali da pro-vocare un addolcimento (diminuzionedello sforzo al crescere della deformazio-ne). Il meccanismo microscopico di talimodificazioni è stato documentato daJohn J. Jonas della McGill University eMichael Luton della Exxon Corporation,che hanno anche dimostrato come l'ad-dolcimento possa dar luogo a deforma-zioni grossolanamente disuniformi neiprovini di compressione.

Nelle effettive operazioni di fucinatura,carico e pressione di fucinatura di-

pendono in misura notevole dall'attritoesistente all'interfaccia tra stampi e pezzida foggiare e anche dalla capacità di scor-rimento del metallo che viene lavorato. Incondizioni perfette di lubrificazione, lapressione necessaria per fucinare un pro-vino cilindrico è uniforme ed è uguale allaresistenza allo scorrimento del metallo. Incaso di attriti all'interfaccia, la distribu-

SFORZO DI TAGLIO

<- SFORZO DI TAGLIO

Le deformazioni dei metalli nascono dal moto delle dislocazioni attra-verso il reticolo cristallino. Le dislocazioni sono difetti di impaccamen-to degli atomi nei cristalli. Una «dislocazione a spigolo» nasce dallapresenza di un semipiano di atomi in eccesso in un reticolo altrimentiregolare (a sinistra). La dislocazione facilita il taglio del reticolo su un

piano di scorrimento, che di solito è il piano di maggior impaccamentoatomico, lungo direzioni in cui gli atomi sono più vicini (a destra).Quando un pezzo di metallo v iene compresso nello stampaggio, ciascuncristallo si deforma lungo molteplici combinazioni di piani e direzioni perfacilitare la deformazione che viene imposta al pezzo dalla fucinatura.

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LINGOTTIERA

0,5 METRI

La deformabilità di un metallo dipende in massima misura dalla grossezza dei grani (i singolicristalli) nel pezzo da fucinare. Il metallo fuso in lingottiera (a sinistra) ha grani di grandidimensioni, misurabili in centimetri, ed è particolarmente difficile da fucinare. La struttura delmetallo per forgia (a destra) ha grani piccoli, della dimensione di qualche centesimo di millimetroe presenta una deformabilità molto maggiore. La fucinatura viene perciò spesso eseguita indue fasi per tener conto delle diverse strutture dei grani. La prima serve a frantumare la struttu-ra grossolana di fusione per ottenere il metallo lavorabile da cui si ricavano i pezzi stampati.

LAVORAZIONE LAVORAZIONE

LAVORAZIONEA FREDDO A TEMPERATURA INTERMEDIA

A CALDO

25 50 75

100PERCENTUALE DELLA TEMPERATURA DI FUSIONE

Rappresentazione grafica dell'influenza della temperatura sulla lavorabilità di un grezzo di fu-sione a grana grossa (in colore) e di un metallo per fucinatura con struttura a grana fine (in nero).

zione della pressione di fucinatura assu-me una forma a cuspide: la pressione èminima (di valore uguale alla resistenzaallo scorrimento) al bordo esterno ed èmassima al centro del provino. A questadistribuzione di pressione si accompa-gnano sforzi radiali di compressione chenascono all'interno del campione a causadegli effetti vincolanti dell'attrito. In rela-zione all'entità degli attriti e delle defor-mazioni, la pressione massima di fucina-tura può raggiungere anche dieci volte ilvalore della resistenza allo scorrimentodel materiale.

L'attrito all'interfaccia dipende dallalubrificazione e, salvo che nello stampag-gio a freddo, dal gradiente di temperaturatra stampo freddo e materiale caldo.(Tale gradiente può portare alla tempradel materiale e all'«inchiodamento» delmetallo a contatto con gli stampi.) I lubri-ficanti diminuiscono l'attrito, governano,migliorandola, l'uniformità dello scorri-mento nel metallo e riducono inoltre l'u-sura degli stampi impedendo anche che ipezzi vi si incollino.

Nello stampaggio a freddo degli acciaisi impiegano solitamente come lubrifican-ti dei saponi, che non solo assicuranoun'eccellente lubrificazione a temperatu-ra ambiente, ma sono anche facilmenteasportabili dalle superfici fucinate senzaalterarne l'aspetto. Nella fucinatura acaldo e in quella a temperatura interme-dia il lubrificante più comunemente usatoè probabilmente la grafite. Gli oli grafitatitendono a sviluppare fumi e pertanto l'in-dustria della fucinatura si è ultimamenteorientata verso l'impiego di sospensionidi grafite in acqua.

I lubrificanti da fucinatura vengonospesso valutati mediante la prova dell'a-nello in cui un campione a forma di anel-lo, di dimensioni note, viene deformatotra due stampi lubrificati piani fino a unariduzione di altezza predeterminata. Lavariazione del diametro interno dell'anel-lo è assai sensibile all'attrito di interfac-cia: l'entità di tale variazione aumenta sel'attrito è piccolo e diminuisce se è gran-de. La variazione percentuale del diame-tro interno offre un riferimento per classi-ficare l'efficienza dei lubrificanti.

Quando si deve ottenere un fucinato diforma relativamente semplice non è mol-to difficile stimare il carico di fucinaturain base a misurazioni della resistenza alloscorrimento e dell'attrito. Viceversa perfucinati complessi la stima non è perniente facile. Essa viene fortemente in-fluenzata dalla forma di partenza, daldisegno dello stampo e dal grado di con-tatto tra stampo e materiale. Il grado dicontatto è piccolo nella fucinatura libera(a stampo aperto) ed elevato in quella astampo chiuso.

Bisogna aggiungere che la fucinatura di forme complesse richiede invaria-

bilmente parecchi passaggi. La definizio-ne del numero e della configurazione del-le forme intermedie (dette sbozzati), laprogettazione degli stampi e lo studio del-le condizioni di fucinatura nelle diversefasi costituiscono il compito probabil-

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a

mente più difficile affidato ai tecnici difucinatura. Lo stampaggio di una biellad'automobile può richiedere tre passaggiper arrivare alla forma definitiva. Nelleofficine di stampaggio esperti progettistidi solito decidono seguendo regole empi-riche. Talvolta fanno prove preliminaricon cera, piombo o argilla in stampi discala ridotta o studiano modelli di flussoesaminando gli effetti della deformazionesu reticoli previamente tracciati su cam-pioni. L'analisi dei reticoli viene ancheripetuta a intervalli per individuare even-tuali sedi di tensioni pericolose sviluppa-tesi nel corso della fucinatura. Con questatecnica si possono, per esempio, rivelarele zone in cui effetti geometrici possonodar luogo a sforzi di trazione, chiamatisecondari, persino sotto carichi nominalidi compressione. In questo campo stanno

oggi venendo alla ribalta nuove tecnichedi studio degli sbozzati e degli stampi e disimulazione dei flussi di metallo, basatesul calcolatore.

Una volta definiti gli stampi e determi-nato il lavoro di deformazione, si scelgo-no i materiali delle attrezzature e le mac-chine. I materiali per gli stampi vanno daicomuni acciai legati ad alta resistenza perutensili alle superleghe capaci di soppor-tare alte temperature e pressioni. I primisono sufficienti quando temperatura epressione di stampaggio sono modeste e iltempo di contatto è breve. Talvolta glistampi vengono rivestiti con superleghedure, antiusura, per aumentarne la duratasenza costi eccessivi. Il medesimo scopo siraggiunge in molte operazioni di stam-paggio a freddo inserendo piccoli stampidi carburo di tungsteno negli stampi tra-

dizionali che divengono così dei conteni-tori di supporto. All'altro estremo, perfucinature sofisticate in cui le temperatu-re dello stampo e del pezzo sono moltoprossime, l'intero complesso degli stampiè costituito di materiali speciali (come adesempio la lega di nichel IN-100 o laTZM - molibdeno) e viene riscaldato finoa temperature di 1000 gradi centigradi inatmosfera controllata per evitare l'ossi-dazione. Operazioni di fucinatura di que-sto tipo sono impiegate nella formatura diprecisione di leghe di titanio, nichel e be-rillio.

Da ultimo il tecnico di fucinatura sce-glie l'impianto più adatto allo stampaggiodel pezzo. Per prima cosa prende in con-siderazione la potenzialità della macchinadi forgiatura senza trascurare altre carat-teristiche, per esempio la velocità, che

Per l'ottenimento di pezzi finiti è spesso necessaria la fucinatura in piùstadi. Le fotografie mostrano lo stampaggio di una biella d'automobile.Ogni fase richiede uno sbozzato e una coppia di stampi: lo sbozzato inizia-

le è uno spezzone di tondo che ha subito una prima sagomatura (a); unacoppia di stampi produce lo sbozzato (b) a cui un'altra coppia di stampidà la forma finale (c). Una successiva lavorazione asporta le bavature.

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STAMPO SUPERIORE

ARROTONDAMENTODELLO SPIGOLO \

ARROTONDAMENTODEL RACCORDO

BAVATURA

PEZZO FUCINATO

SFORMO INTERNO

STAMPO INFERIORE

SFORMO ESTERNO

CANALE DI BAVA

Parametri di calcolo degli stampi di fucinatura. La figura mostra una sezione verticale della metàdi destra di una coppia di stampi e relativo fucinato. Per proteggere gli stampi si predetermina-no i raggi di curvatura degli spigoli e dei raccordi necessari per aumentare lo scorrimento delmetallo, gli angoli di spoglia interni ed esterni, che facilitano l'estrazione del pezzo, e i canali dibava dove si raccoglie il metallo in eccesso. Per parti di forma complessa, il calcolo è più difficile.

Le bande di taglio costituiscono un tipo di difetto possibile nello stampaggio a freddo. Le zone piùchiare nella sezione del cilindro di acciaio al carbonio, illustrata in figura, sono bande di tagliocausate dalla compressione tra stampi non lubrificati. Le bande si formano quando la resistenza diattrito blocca la deformazione del metallo che è a contatto degli stampi. Le zone che non subisconodeformazione plastica, dette zone morte, sono quelle più scure. Esse sono separate dal rimanentemetallo da regioni in cui l'entità della deformazione è molto superiore alla media (bande di taglio).

risiedono nella velocità di fucinatura e nelmodo con cui immagazzinano energia. Imagli sono i più rapidi, con velocità da trea nove metri al secondo. Essi convertonol'energia potenziale della massa che vienesollevata in energia cinetica della mazzabattente che cade. In altri tipi di maglio lacaduta della mazza battente è aiutata dal-la pressione esercitata da vapore o ariacompressa. Un maglio viene classificatoin base all'energia che può fornire: quelligrandi hanno potenzialità dell'ordine di680 000 newton-metro. I magli sono lemacchine per fucinatura più versatili emeno costose.

Nelle presse meccaniche l'energia vie-ne immagazzinata da un volano. La maz-za battente è azionata da un sistema mec-canico a manovella o a camme. Poiché lapressa meccanica ha una corsa che puòessere facilmente regolata, questo tipo dimacchina viene scelto quando il fucinatodeve rispettare tolleranze ristrette. Lavelocità della mazza battente è compresatra 0,06 e 1,5 metri al secondo. Unagrande pressa meccanica può sviluppareuna forza superiore a 90 meganewton(10 000 tonnellate).

Le presse idrauliche sono le più lente(da 0,06 a 0,30 metri al secondo), perchéla spinta viene impressa da un grande pi-stone azionato da un fluido ad alta pres-sione. Alcune delle maggiori presse nelmondo sono idrauliche. Le due maggiorinegli USA hanno una potenzialità di 445meganewton (50 000 tonnellate).

IIsecondo aspetto importante da consi-

derare, nella scelta del processo di fu-cinatura, è la lavorabilità del metallo.Come è del resto prevedibile, la tempera-tura determina in grande misura i tipi difrattura che possono verificarsi nei fuci-nati. Nello stampaggio a freddo le fratturesi sviluppano in forma di criccature sullesuperfici libere da ogni contatto con glistampi. Le criccature su tali superfici sonola conseguenza del rigonfiamento a formadi botte indotto dagli attriti, rigonfiamen-to che a sua volta porta allo sviluppo ditensioni secondarie localizzate. Peter Leedella Timken Company e Howard A.Kuhn dell'Università di Pittsburgh hannofissato degli standard di criccatura a cui sifa frequente riferimento nella progetta-zione di fucinature a freddo.

Nello stampaggio a freddo si possonoavere anche altri tipi di fratture o difetti,che sono però o assai poco frequenti o diimportanza trascurabile ai fini della du-rata del fucinato e vengono perciò gene-ralmente ignorati. Un difetto di questotipo è costituito dalle porosità, ossia dallecavità interne formatesi ad opera di ten-sioni secondarie. Tali cavità possono es-sere microscopiche oppure di grandezzapari a quella del grano moltiplicata piùvolte. Cavità piccole generalmente noncompromettono la funzionalità del fuci-nato, mentre quelle grandi provocano disolito la rottura del pezzo già durante lostampaggio impedendone ogni successi-vo impiego.

Un altro tipo di difetto occasionale ècostituito dalla presenza di bande di ta-

possono avere qualche effetto sulla lavo-rabilità del pezzo.

Il tecnico può scegliere fra tre tipi fon-damentali di macchine per forgiare: ilmaglio, la pressa meccanica e la pressa

idraulica. La fucinatura al maglio com-porta urti ripetuti sul pezzo da foggiarementre con le presse una sola corsa è suf-ficiente allo scopo. A parte ciò, le princi-pali differenze fra i tre tipi di macchine

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La fucinatura isotermica a caldo è una tecnica di recente sviluppo studiata per ridurre la possibilitàdi difetti riscaldando gli stampi a una temperatura prossima a quella del pezzo. Con questa tecnicaè stato ottenuto lo stampaggio uniforme di una barra di titanio (a), già previsto dalla simulazione(b) effettuata al calcolatore, che aveva rivelato soltanto un leggero aumento della velocità dideformazione negli angoli, rispetto al resto. Non sempre i risultati della fucinatura isotermica sonosicuri, come testimonia la presenza di bande di taglio in un'altra barra di titanio (c), causate daaddolcimenti di scorrimento. La simulazione (d) effettuata per prevedere le localizzazioni degliscorrimenti aveva pronosticato alte velocità di deformazione con gradiente elevato, poi conferma-te dal risultato dello stampaggio. Dalla simulazione è chiara l'escursione della velocità di defor-mazione da valori bassi (grigio) a valori alti (colore) attraverso valori intermedi (grigio scuro),

SOLUZIONI DI CONTINUITÀ AL CONTORNO DEI GRANI

Due problemi che limitano la fucinabilità alle temperature intermediee a quelle di lav orazione a caldo inferiori derivano dalla formazione dicricche nei punti di congiungimento triplo dei grani e dalle soluzioni dicontinuità al contorno dei grani. Entrambi sono illustrati nella figura disinistra e nella microfotografia di una lega di titanio a destra. Le frecce

indicano sforzi di taglio e le «T» rovesciate dislocazioni. Le cricche alcongiungimento triplo sono prodotte da taglio termicamente attivato,al contorno dei grani. Nella microfotografia sono visibili, ingranditi250 volte e sotto forma di sottili strisce bianche che convergono nellacricca al punto di congiungimento triplo, i contorni di tre grani.

Difetti di stampaggio a caldo. Nella compressione di metallo caldocon stampi freddi si può verificare l'insorgere di bande di taglio. Lefigure (a e b) mostrano la sezione di barre in lega di titanio stampate acaldo dopo preriscaldamento a una temperatura alla quale la resisten-za alla deformazione viene fortemente influenzata. In una pressa mec-canica la velocità della deformazione consente solamente uno scambiotermico ridotto tra stampi e metallo e quindi bande di taglio modeste(a); in una pressa idraulica la minor velocità porta ad uno scambio

termico maggiore e conseguentemente a bande di taglio più esteseaccompagnate da cricche di taglio (b). Al contrario si può ottenere unadeformazione relativamente uniforme (c) quando il pezzo viene preri-scaldato a temperature tali da non poter influire sensibilmente sullaresistenza alla deformazione e la fucinatura viene eseguita rapidamen-te, come per esempio nelle presse meccaniche. Il diagramma (d) rap-presenta una struttura non uniforme affetta da bande o cricchedi taglio (zone in grigio) e zone morte più fredde (zone in nero).

a

C

glio. Si tratta di zone di taglio localizzatoformatesi nel pezzo, tra aree interne agrado di deformazione fortemente diffe-renziato. Una delle cause principali didisuniformità nella deformazione internaè l'attrito, che può bloccare lo scorrimen-

to del metallo a contatto con gli stampi,cosicché in tali zone si verifica un aumen-to considerevole della forza necessariaalla deformazione in confronto al restodel pezzo. Tali zone sono dette morte.Nello stampaggio a freddo, le bande di

taglio che separano la zona morta dal re-sto del metallo sono solitamente piuttostodisperse a causa dell'influenza dell'incru-dimento e solo in rare occasioni si concen-trano in misura tale da dar luogo a unafrattura macroscopica del pezzo. Un mi-

glioramento delle condizioni di lubrifica-zione o piccole modificazioni della sago-ma dello stampo o dello sbozzato sono disolito sufficienti ad attenuare il rischioche si formino difetti di questo tipo.

Nella fucinatura a caldo o a temperatu-ra intermedia, l'insorgere di cavità o dibande di taglio costituisce un problemamolto più serio. Il più importante fattoredi limitazione della lavorabilità a tempe-rature intermedie, precedentementemenzionato, è dato dalle cavità o discon-tinuità che si formano al contorno deigrani. Una causa di tale difetto sono letensioni secondarie. Le cavità hanno ini-zio a causa degli urti esercitati sul contor-no dei grani dalle dislocazioni in movi-mento attraverso il reticolo cristallino. Seal contorno dei grani sono presenti parti-celle microscopiche, le dislocazioni vipossono indurre azioni di taglio, provo-cando il distacco delle deboli interfaccetra particelle e contorni dei grani. Il vo-lume di tali cavità aumenta poi per effettodelle tensioni secondarie. Se la deforma-zione che il pezzo deve subire è sufficien-temente grande, le cavità interne si urta-no l'una con l'altra e danno luogo a rottu-re. Un altro tipo di discontinuità interna,comune alle alte temperature di lavora-zione intermedia come a quelle inferiorinel campo delle lavorazioni a caldo, siproduce nei punti dove si congiungono tregrani. A quelle temperature il taglio lun-go il contorno dei grani viene termica-mente attivato e, dal momento che i livellidi sforzo sono moderatamente elevati, neipunti di congiungimento triplo possononascere concentrazioni di sforzo e cavitàinterne.

La deformazione del reticolo è insuffi-ciente a provocare il rilassamento deglisforzi e così possono formarsi, nei punti dicongiungimento triplo, cricche che attra-versano l'intera lunghezza di una serie dicontorni di grano e finiscono per provoca-re la frattura grossolana del pezzo. Spessoè sufficiente aumentare la temperatura difucinatura portandola nel campo dellelavorazioni a caldo per risolvere il pro-blema di lavorabilità prima descritto.Anche in questo caso occorre però faremolta attenzione, perché nel campo dellelavorazioni a caldo gli sforzi di lavorosono particolarmente sensibili all'effettodella temperatura, e si manifestano note-voli riduzioni della resistenza allo scorri-mento non appena la temperatura delpezzo sale. Questo effetto assume parti-colare importanza nella fucinatura delleleghe di titanio impiegate negli aviogetti.Se lo sforzo risente in misura assai elevatadelle variazioni di temperatura, bande ditaglio (e cricche da taglio lungo di esse)possono insorgere durante la fucinatura.Gli autori di questo articolo, insieme aicolleghi Albert Hoffmanner dei laborato-ri Columbus del Batelle Memorial Insti-tute e Alan H. Rosenstein dell'Air ForceOffice of Scientific Research sono stati trai primi a individuare le cause di tali difettie a indicare i modi per evitarli.

Lo scambio di energia termica tra pez-zo e stampi è la causa primaria della for-mazione di bande di taglio. Il metallo, a

contatto con stampi solitamente a tempe-rature assai inferiori, raffredda brusca-mente dando luogo a un incremento loca-lizzato delle tensioni interne e dell'ener-gia di deformazione; si formano così zonemorte e bande di taglio.

Si può ridurre la formazione di bande ditaglio nelle ordinarie operazioni di fuci-natura portando la temperatura di preri-scaldamento del pezzo a valori per cui losforzo è indipendente dalla temperatura.Un'altra possibilità consiste nella ridu-zione dello scambio di calore mediantel'impiego di lubrificanti che agisconocome isolanti termici tra stampi e pezzooppure abbreviando i tempi di contattocon l'impiego di mazze battenti più rapi-de. Si possono anche riscaldare gli stampialla temperatura, o quasi, del pezzo. Aquesta tecnica, nota come fucinatura iso-termica, si guarda oggi con molto interes-se. Non essendovi un grande scambio di

energia termica, si può fucinare efficace-mente a caldo anche con presse idraulichelente. Rispetto allo stampaggio a caldoconvenzionale con presse meccaniche omagli, si hanno alcuni vantaggi: a causadella bassa velocità della mazza battentele forze in gioco sono inferiori, mentrel'intervallo utile della temperatura di la-voro è considerevolmente più esteso. Lostampaggio isotermico a caldo deve esse-re utilizzato con prudenza nel caso dimetalli soggetti all'addolcimento durantelavorazione a caldo. Con questi metallipossono infatti verificarsi deformazionilocalizzate che danno luogo a fucinati di-fettosi per la presenza di bande di taglio erelative criccature.

Nell'attuale panorama industriale, ladefinizione degli sbozzati e degli

stampi necessari per soddisfare la cre-scente domanda di fucinati è spesso trop-

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newton ed è azionata da pompe idrauliche; i serbatoi di accumulovisibili a sinistra servono a mantenere costante la pressione dell'olio.

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po complicata per consentire lo sviluppodi metodi semplici, di applicazione gene-rale, adatti a predeterminare il lavoro dideformazione, lo scorrimento del metalloe la possibilità di difetti. Fino a ieri lasoluzione di questi problemi di progettoera affidata a personale esperto che pro-cedeva per tentativi. Una procedura diquesto tipo è lunga e costosa, spesso ne-cessita di minuziosi allestimenti speri-mentali e complesse misurazioni. Per talimotivi la ricerca è sempre più orientataallo sviluppo di tecniche di calcolo da uti-lizzare in programmi di calcolatore per lasimulazione delle operazioni di fucinatu-ra nelle diverse condizioni. È questo unodei principali obiettivi dei nostri colleghi

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del Cooperative Center of Metal Proces-sing dei laboratori Columbus al BattelleInstitute. Questo programma di lavoro èguidato da Taylan Altan, un pioniere del-le applicazioni del calcolatore ai modellidi fucinatura.

Nel passato i modelli matematici deiprocessi di fucinatura venivano elaboraticon vari metodi approssimati, inadatti ageneralizzazioni e spesso incapaci di for-nire stime accurate della forza e dell'e-nergia necessarie. Negli ultimi quindicianni un ampio ventaglio di problemi distampaggio è stato affrontato con succes-so impiegando il metodo degli elementifiniti. Con questo metodo una sezione delmateriale da deformare viene suddivisa in

un reticolo bidimensionale di elementidiscreti e la deformazione di punti prede-terminati in ciascun elemento viene calco-lata applicando metodi variazionali. At-traverso l'analisi di un insieme di elemen-ti, presi in considerazione singolarmente,si arriva a determinare l'andamento delledeformazioni all'interno di una formacomplessa. La precisione delle previsioniaumenta con il numero degli elementiconsiderati.

Ancora recentemente l'applicazionedel metodo degli elementi finiti alla riso-luzione di problemi pratici di fucinaturaera limitata dalla necessità di disporre digrandi calcolatori e di utenti esperti.Oggi, Soo-lk Oh del Battelle Institute ha

elaborato un programma automatico diimpiego generale appositamente studiatoper l'utente. Questo programma è in gra-do di risolvere problemi di fucinatura diparti di forma complicata senza richiede-re tempi di elaborazione eccessivi. Con lasimulazione delle operazioni di fucinatu-ra, il programma è inoltre in grado difornire un quadro completo dei campi disforzo, deformazione e temperatura al-l'interno del pezzo e degli stampi. Gliautori di questo articolo hanno impie-gato il programma per predeterminarebande di taglio in fucinature isotermichea caldo. Harold Gegel dell'Air ForceWright Aeronautical Laboratory ha ap-plicato il programma per prevedere l'in-sorgere di tensioni secondarie e cavitàinterne nello stampaggio a caldo dei di-schi dei compressori di turboreattori,realizzati in titanio.

Sono in uso anche programmi di calco-latore per lo studio degli stampi. Studi diquesto tipo tengono conto delle correzio-ni necessarie per compensare ritiri, de-formazione elastica delle attrezzature ealtri fattori. I modelli elaborati dai calco-latori sono in grado di precalcolare l'enti-tà degli sforzi nelle zone critiche deglistampi e il progettista può così conoscerein anticipo quali zone hanno la maggiorprobabilità di frattura. I modelli consen-tono anche di prevedere le zone dove pos-sono verificarsi deformazioni irregolari osvilupparsi cavità interne, consentendo alprogettista di modificare in tempo la for-ma dello sbozzato. Con la comparsa deisistemi grafici interattivi (che permettonodi richiamare e modificare i disegni diprogetto sullo schermo di un terminalevideo) il progettista può rapidamentevalutare le conseguenze delle innovazioniche intende apportare. Piuttosto di recen-te il lavoro dei progettisti e dei fabbricantidi stampi è stato reso in qualche misurapiù semplice con l'introduzione di sistemidi progettazione e disegno automatici sucalcolatori specifici. Questi sistemi sonocostituiti da un calcolatore indipendente eda avanzati programmi di supporto per laprogettazione e la visualizzazione suschermo. Quando il progettista ha elabo-rato un piano di stampi sullo schermo, ilsistema è in grado di produrre un insiemecompleto di disegni di progetto o un na-stro magnetico che può essere inviato inofficina per la lavorazione automaticadegli stampi.

La progettazione delle attrezzature e lasimulazione delle fasi di fucinatura, oggipossibili grazie ai programmi dei calcola-tori elettronici, hanno dotato la tecnicaattuale di nuovi mezzi potenti. Il metodo,ormai superato, di procedere per tentativiandrà sempre più scomparendo e saràpossibile migliorare il disegno degli sboz-zati e degli stampi. Con l'impiego dellasimulazione i tecnici potranno prevederecon buona precisione scorrimenti e difettipotenziali; modificando in tempo progettie disegni verrà impedito che pezzi difetto-si giungano a essere impiegati in servizio.I costi indiretti della progettazione pertentativi saranno eliminati e la produttivi-tà nella fucinatura potrà essere aumentata.

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