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Modulo: Tecniche di lavorazione dei materiali - UF 15

Modulo: Tecniche di lavorazione dei materiali - UF 15 Insegnante: Ing. Giovanni Granari

DISPENSE DELLE LEZIONI DI

TECNICHE DI LAVORAZIONE DEI MATERIALI

1 Tecnologie di formatura

1.1 La fonderia dei metalli


Le tecniche di fonderia sfruttano il passaggio di stato, da solido a liquido, che

avviene alla «temperatura di fusione»; questa è una proprietà fisica del metallo.

Infatti ogni metallo, allo stato puro, è caratterizzato da un ben determinato punto di

fusione, caratteristica comune ai materiali cristallini; tale situazione non si riscontra

nei materiali amorfi, come il vetro e la maggior parte delle materie plastiche, per

questi infatti non esiste un vero e proprio punto di fusione ma un intervallo di

rammollimento, al di sopra del quale il materiale può essere considerato liquido.

Tutti i metalli alla temperatura ambiente sono solidi (tranne il mercurio), alcuni di

essi hanno elevata temperatura di fusione, il che ne consente l’utilizzo come solidi

anche con temperature elevate, per cui alcuni metalli trovano applicazione in quei

casi in cui occorre resistenza meccanica associata a resistenza alle temperature

elevate.




Temperature di fusione di alcuni metalli, nonché di alcuni

non metalli, utilizzati in fonderia.

Alcuni metalli possono essere considerati

«bassofondenti», come lo stagno ed il piombo, altri come

il tungsteno hanno temperatura di fusione molto elevata,

per cui risultano difficilmente lavorabili con le tecniche

della fonderia.

In realtà le temperature di fusione dei metalli puri hanno

importanza relativa, in quanto nella tecnica sono sempre

utilizzate le «leghe», cioè un miscuglio di due o più

elementi che reagiscono chimicamente fra loro.

A seconda del numero di componenti si utilizza il termine

di lega binaria, ternaria, quaternaria o complessa.

Elemento

chimicoTf [°C]

Alluminio 660

Argento 961

Carbonio 3.499

Ferro 1.536

Magnesio 650

Molibdeno 2.610

Nichel 1.455

Piombo 327

Rame 1.083

Silicio 1.410

Stagno 232

Titanio 1.668

Tungsteno 3.422

Zinco 420




Le leghe sono preferite ai metalli puri in quanto hanno caratteristiche meccaniche e

chimiche superiori; si dice «metallo base» il componente predominante in massa,

«alliganti», o elementi di alligazione, gli elementi in composizione minore.

Le leghe non hanno un punto di fusione ben definito ma un intervallo di fusione,

all’interno del quale coesistono, in equilibrio, liquido e cristalli solidi; inoltre molte

leghe presentano un «eutettico», cioè un miscuglio di cristalli che ha temperatura di

fusione inferiore a quelle dei componenti; alcuni esempi:

Lega Ferro Carbonio: T fusione eutettico 1.147 °C con carbonio contenuto al 4,3%

Lega Alluminio Silicio: T fusione eutettico 577 °C con silicio contenuto al 11,7%

Lega Magnesio Alluminio: T fusione eutettico 437 °C con alluminio contenuto 32,2%

Queste proprietà devono essere considerate nei processi di fonderia e nella

scelta dei materiali destinati a lavorare in condizioni di alta temperatura.




Qualunque lega per essere trattata tramite i processi di fonderia deve essere fusibile;

un materiale si dice fusibile se possiede, ad un tempo, le seguenti caratteristiche:

- temperatura di fusione non troppo elevata;

- scorrevolezza allo stato liquido in modo da riempire tutte le cavità e non inglobare

aria che in tal caso genererebbe le cosiddette «soffiature»;

- non reagire chimicamente durante i processi ad alta temperatura;

- Avere coefficiente di dilatazione termica contenuto in modo da limitare le

tensioni interne dovute al raffreddamento.

Fra le leghe «fusibili» più importanti si segnalano le leghe del Rame con lo Stagno,

detti Bronzi, del Rame con lo Zinco, detti Ottoni, la Ghisa che è il materiale da

fonderia più utilizzato, le leghe dell’Alluminio con il Silicio, che sono spesso

utilizzate per i componenti dei motori endotermici.




Tutti i processi di fonderia iniziano con la fusione della lega all’interno di forni,

spesso in atmosfera controllata, in modo da evitare reazioni chimiche con elementi

come l’ossigeno che è particolarmente reattivo, e ossiderebbe il metallo.

Successivamente il metallo è inserito all’interno di uno stampo, nel quale è presente

una cavità che, in negativo, riproduce il pezzo da realizzare; l’organo meccanico così

realizzato prende il nome di «getto».

Lo stampo può essere realizzato:

- in terra, detta anche sabbia da fonderia, «sand casting»

- in conchiglia con stampo in acciaio, «die casting»;

- in guscio creato con materiale apposito, «shell mold casting»;

per tutti i processi è fondamentale permettere la fuoriuscita dell’aria presente

all’interno dello stampo affinché tutto il volume venga occupato dal metallo.




Per spiegare le tecnologie della fonderia occorre stabilire in modo chiaro alcuni

elementi geometrici fondamentali, che fra l’altro, sono comuni a tutti i processi in cui

sono coinvolti gli stampi, inclusi gli stampi per la lavorazione dei compositi.

ASSE DI STAMPAGGIO (molding direction): rappresenta la direzione di

movimento relativa durante l’estrazione dello stampato dallo stampo; se lo stampo è

«chiuso», cioè formato da due «semistampi», tale direzione coincide con il

movimento relativo fra i due semistampi durante l’apertura e la chiusura.

PIANO DI DIVISIONE STAMPO: è una figura geometrica che caratterizza gli

stampi chiusi, è utilizzato per dividere le due parti di cui lo stampo si compone;

generalmente tale piano coincide con la sezione in cui il pezzo ha le dimensioni

maggiori; per gli stampi più complessi la superficie di divisione non è un piano ma

una figura geometrica che si adegua alla forma del pezzo.




SFORMO (draft): qualunque processo di stampaggio può essere realizzato solo se le

superfici sono sformate rispetto alla direzione di stampaggio; lo sformo è l’angolo che

le superfici del pezzo formano con la direzione di stampaggio, il valore minimo di

tale angolo dipende dal tipo di processo. Questo limite che, come detto, caratterizza

tutte le tecnologie di stampaggio, è dovuto al fatto che una superficie, per quanto

possa apparire liscia, avrà comunque lievi asperità che, se la superficie fosse parallela

alla direzione di stampaggio, non consentirebbero di estrarre il pezzo senza rovinare il

pezzo o lo stampo.

SOTTOSQUADRA (undercut): zona del pezzo che per la sua forma ha un angolo di

sformo «negativo» rispetto alla direzione di stampaggio; si tratta di una situazione

frequente che richiede la cosiddetta «scomposizione» dello stampo in più parti; la

parte aggiuntiva prende il nome di carrello mobile o tampone mobile, il quale deve

essere rimosso prima dell’estrazione del pezzo dallo stampo.




ESERCIZIO: si modifichi il disegno del pezzo sottostante in modo da renderlo

stampabile con sformo minimo di 5°, senza considerare le tolleranze e le rugosità.




Fonderia in terra

E’ la tecnica più antica in quanto sfrutta la capacità di resistere alle alte temperature di

alcuni materiali naturali opportunamente trattati (vagliatura e pressatura tramite

macchine) è spesso utilizzata per la ghisa; questa tecnica consiste nel realizzare un

modello del getto, cioè un elemento solido che ha dimensioni quasi uguali a quelle del

pezzo che si vuole ottenere, e spesso è possibile dividerlo in due parti.

Questo modello viene posto in modo tale da poter «formare» lo stampo riempiendo

tutto il volume circostante con terra, che viene pressata in modo da assumere forma e

consistenza; terminata formatura il modello viene rimosso, in tal modo lasciando lo

spazio vuoto entro cui colare il metallo liquido.

La forma deve essere realizzata in modo che il modello possa essere estratto senza

danneggiare le superfici, quindi deve essere divisa in due parti, spesso si utilizzano

delle staffe metalliche per sostenere esternamente le terra pressata; sarà

inoltre dotata di canali di colata e di sfiati per la fuoriuscita dei gas.




Lo stampo (forma) può essere realizzata in modi diversi:

- In «staffa» quando la terra è sostenuta dalle staffe metalliche durante tutto il

processo

- In «motta» quando la staffa è utilizzata solo durante la formatura e poi rimossa

prima della colata del metallo;

- In «fossa» quando la parte inferiore dello stampo è ricavato nel pavimento della

fonderia, mentre la parte superiore è ricavata entro una staffa;

- Allo «scoperto» quando il pavimento della fonderia è l’unico elemento che

costituisce la forma, e la faccia superiore del getto è a contatto con l’aria.

Se il getto deve avere delle cavità nella forma occorre inserire le cosiddette «anime»,

elementi speciali in grado di impedire l’occupazione di ben determinati spazi da parte

del metallo.




La colata in terra sfrutta tutti i principi dell’idrostatica che dipende dalla gravità:

- Il principio dei vasi comunicanti per riempire tutti i vani collegati con il canale di

colata;

- Il principio di Pascal per creare pressione all’interno del liquido, favorire il

riempimento della forma e scacciare i gas presenti; tale pressione tuttavia genera la

spinta «metallostatica» sulle pareti della forma, la quale deve essere tenuta chiusa

pena la fuoriuscita del liquido;

- La spinta di Archimede genera azioni che tendono a spostare verso l’alto le

eventuali anime presenti all’interno dello stampo, infatti tali anime hanno densità

inferiore a quella del metallo e pertanto, se non ben bloccate tenderebbero a

galleggiare.

VIDEO FONDERIA IN TERRA




Fonderia in conchiglia

La forma, anziché in terra, è in metallo ed ha carattere permanente, generalmente è in

acciaio che, ovviamente, ha temperatura di fusione superiore a quella del metallo da

colare, per questo motivo viene spesso utilizzata per le leghe dell’alluminio.

Come per tutte le tecniche di fonderia vi è il problema del ritiro, nonché quello del

riempimento di tutti i vani dello stampo, e quindi la necessità degli sfiati; in alcuni

casi si opera sotto vuoto, cioè prima di colare il metallo si crea il vuoto nello stampo.

Lo stampo non viene distrutto ma viene riutilizzato per molte stampate, anche decine

di migliaia; come svantaggio si ha che, nel caso vi siano sottosquadra, lo stampo

necessita di carrelli mobili che permettano di rimuovere il pezzo senza romperlo, per

cui lo stampo diviene molto complesso, invece nella fonderia in terra vi è solo la

necessità di non danneggiare la forma al momento di estrazione del modello, quindi

solo questo deve essere scomponibile.




Fonderia in conchiglia

Il riempimento della forma può avvenire:

- Per gravità (come nella fonderia in terra)

- Sfruttando la forza centrifuga (tenendo in rotazione lo stampo durante la colata)

- Operando tramite la pressione generata da un iniettore, mantenendo lo stampo

chiuso tramite una pressa

Quest’ultimo processo è quello che ha assunto maggior rilievo in quanto permette di

realizzare pezzi molto complessi, dimensionalmente precisi e con buona finitura; è

indicato con il termine di pressocolata, o più frequentemente con «pressofusione».

Lo stampo in metallo consente di raffreddare velocemente il getto per due ragioni:

- il metallo dello stampo conduce molto bene il calore;

- lo stampo può essere termostatato tramite acqua.




Queste condizioni consentono di produrre con tempo ciclo molto basso, perciò tale

tecnologia è applicata nelle produzioni di grande serie.

Le fasi della pressocolata possono identificarsi come segue:

1. Caricamento del metallo fuso nella zona di iniezione (impianti a camera calda ed a

camera fredda);

2. Iniezione del metallo sotto forte pressione generata tramite un pistone,

contemporanea espulsione dell’aria presente nello stampo; eventualmente può

essere creato il vuoto per evitare sacche di aria all’interno dello stampo;

3. Attesa per il raffreddamento fino alla solidificazione del getto;

4. Apertura stampo ed estrazione del pezzo in modo automatico o semiautomatico;

5. Raffreddamento fino a temperatura ambiente;

6. Rimozione della bava di stampaggio.




Le fasi della pressocolata (pressofusione) con camera fredda:

VIDEO PRESSOCOLATA




La fonderia in guscio

Comprende una serie di tecniche, simili fra loro, che prevedono la creazione di un

guscio in grado di contenere il metallo fuso; un esempio è il seguente:

- Creazione di un modello realizzato con materiale bassofondente, esempio cera,

che può essere molto complesso e, eventualmente, unito in più modelli (grappolo);

- Creazione attorno a tale modello di un guscio facendo aderire al modello, o al

grappolo, materiali come la silice ed il quarzo o altro materiale «refrattario»;

- Svuotamento del guscio tramite fusione della cera, e successiva cottura del guscio;

- Colata del metallo e raffreddamento del getto fino a solidificazione;

- Rimozione del getto rompendo il guscio, eventuale separazione del parti così

ottenute tramite macchine utensili.

Queste tecniche prendono il nome di microfusione (shell molding).




La fonderia in guscio

Un’altra tecnica di fonderia in guscio, piuttosto diversa dalla precedente, consiste in:

- Creazione di un modello in metallo che viene successivamente preriscaldato;

- Deposizione, sul modello, di sabbia miscelata con resina termoindurente, reazione

della resina a contatto del metallo e consolidamento, rimozione del modello;

ripetizione di tale fase per creare le altre parti del guscio;

- Unione delle parti del guscio, eventualmente includendo un’anima in sabbia con

buona coesione, e se il caso, la posa del guscio all’interno di una contenitore pieno

di sabbia sfusa per contrastare la spinta del metallo che tende ad aprire il guscio;

- Colata del metallo e raffreddamento del getto;

- Rimozione del getto rompendo il guscio e rimozione dell’anima.

VIDEO FONDERIA IN GUSCIO




CONFRONTO FRA LE TECNOLOGIE

Fusione in terra: richiede attrezzature semplici e quindi i costi di attrezzamento sono

contenuti, adatto al processo di leghe altofondenti come la ghisa, adatto a pezzi di

grandi dimensioni (basamenti delle macchine utensili), tempo ciclo elevato, costo di

produzione di un pezzo singolo elevato, precisione dimensionale mediocre, qualità

superficiale molto bassa (i getti realizzati in terra hanno rugosità elevata).

Fusione in conchiglia: richiede costi di attrezzamento elevati e impianti costosi, è

adatto per le leghe dell’alluminio per pezzi di medie e piccole dimensioni, il tempo

ciclo è breve (anche pochi secondi), il costo di produzione molto basso, complessità

elevata dei getti, buona qualità superficiale e discreta precisione dimensionale.

Fusione in guscio: adatto per pezzi di piccole dimensioni, anche molto complessi, il

tempo di produzione è più elevato, la precisione dimensionale e la qualità superficiale

sono, in genere, molto buone.




IL RITIRO

Tutti i processi di formatura tramite stampi sono interessati dal fenomeno del «ritiro»,

i motivi di tale fenomeno sono dipendenti dal tipo di tecnologia utilizzata; nella

fonderia essi derivano sia dalla dilatazione termica del solido, ma anche alla riduzione

di volume durante il passaggio di stato, anzi questo è in genere la parte più rilevante.

Come noto la dilatazione termica genera un aumento di volume con l’aumento della

temperatura e, viceversa, una contrazione quando questa si riduce; agisce sia sui

liquidi che sui solidi, nel caso della fonderia sia ha una contrazione sia durante la

solidificazione che durante il raffreddamento del corpo già solidificato.

Tutti questi fattori conducono ad una situazione di fatto: le dimensioni del getto

raffreddato sono inferiori rispetto alle dimensioni del modello / cavità nello stampo,

di una quantità che dipende dal tipo di metallo.

Ad esempio nelle leghe dell’allumino la contrazione lineare è 1,3 – 1,6%.




IL RITIRO

In termini di contrazione volumetrica le leghe di alluminio manifestano una

corrispondente riduzione di circa il 4 – 6%.

I problemi causati dal ritiro possono dividersi in:

- Mancanze di materiale, veri e propri vuoti, a volte affioranti in superfice a volte

nascosti al di sotto di essa;

- Alterazioni geometriche rispetto al modello originale come le deformazioni ed i

risucchi, quest’ultimi pregiudicano l’aspetto superficiale;

- Tensioni interne permanenti presenti, in special modo, quando nel getto vi sono

parti con spessore più sottile, che solidificano più velocemente delle parti a

spessore maggiore, per cui nei punti di interfaccia fra queste zone si generano

tensioni interne che permangono nel tempo.




CONTROMISURE PER IL RITIRO

- Per contrastare il fenomeno del ritiro si introducono le cosiddette «materozze», si

tratta di parti esterne al volume del pezzo finito, collegate ad esso in posizioni

strategiche, in modo che all’interno di esse di verifichino quei fenomeni di

mancanza di materiale dovuti al ritiro, preservando il getto da ogni possibile

mancanza di materiale; al termine della solidificazione la materozza deve essere

rimossa per taglio dal pezzo principale;

- In fase di progetto è necessario rispettare alcune regole di buon proporzionamento;

la prima di queste è che il getto deve avere spessore uniforme, quando ciò non è

possibile occorre introdurre zone a graduale variazione di spessore, inoltre è

sempre opportuno introdurre raccordi negli spigoli per limitare il fenomeno delle

tensioni interne, evitare incroci di nervature e, nel caso delle ruote a razze,

progettare il pezzo con un numero di razze dispari;




CONTROMISURE PER IL RITIRO

- Il modello deve essere realizzato più grande del pezzo finito in base al tipo di

metallo che sarà colato; esistono dei programmi che consentono di ridefinire la

forma del modello partendo dai dati CAD 3D del pezzo finito, applicando gli

effetti del ritiro, ovviamente in senso opposto; il risultato dell’elaborazione è una

nuova geometria con cui può essere realizzato il modello o fresato lo stampo.

Va detto che spesso i getti devono essere sottoposti a successive lavorazioni alle

macchine utensili: in tal caso il modello dovrà essere ulteriormente accresciuto in

volume per consentire le successive lavorazioni; questo materiale in eccesso prende il

nome di «sovrametallo».




ESERCITAZIONE

Individuare un asse di stampaggio, definire un piano di divisione stampo e quindi

applicare lo sformo di 2° – 5° in modo da renderlo stampabile.

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