Appunti Tecnologia meccanica

Tecnologia dei sistemi produttivi e logistici

Manufacturing

Per manufacturing si intende la produzione manifatturiera, la produzione industriale, tecnologie e sistemi di lavorazione, tecnologia meccanica. È l’intero processo di trasformazione manifatturiera dai materiali grezzi e semilavorati ai prodotti finiti, che può includere la realizzazione di componenti nella forma definitiva adatta per l’assemblaggio di un prodotto finale.

Tipi di trasformazione

Possiamo avere due tipi di trasformazione:

• Trasformazione manifatturiera discreta (output singolo, numerabile): settore automotive
• Trasformazione di processo continua (output distinguibile solo dopo confezionamento o imballaggio): produzione chimica

Ogni singolo pezzo può essere realizzato con uno o più materiali e con processi di produzione differenti. Sono quindi necessarie delle scelte tra le varie ipotesi. Solitamente ci sono uno o pochi processi che danno la soluzione ottimale e questa soluzione dipende anche da quanti pezzi devo realizzare, in quanto tempo…

Componenti e materiali

Esempio lattina di alluminio. È un prodotto industriale molto semplice: realizzato con un solo materiale e presenta tre componenti (parte cilindrica realizzata tramite imbutitura, coperchio e anello).

Esempio automobile. È composta da oltre 15.000 componenti e quindi presenta una complessità logistica molto diversa dal caso precedente.

Scelta dei materiali e del processo produttivo

a) Fusione o metallurgia delle polveri

Un pezzo di questo tipo possiamo realizzarlo per colata/fusione ossia prendendo una forma e colando dentro il materiale. Con la metallurgia delle polveri abbiamo bisogno di uno stampo realizzato in materiale più resistente alle pressioni, all’interno del quale mettiamo della polvere metallica che viene compattata e portata in temperatura per realizzare la sinterizzazione.

b) Forgiatura

Parto da una billetta di diametro più piccolo che viene poi deformata plasticamente dentro ad uno stampo con una pressa per realizzare per ricalcatura la forma desiderata.

c) Estrusione

A partire da una billetta di diametro maggiore vado a deformare soltanto una porzione facendola passare attraverso un foro per ridurne il diametro: processo di deformazione plastica.

d) Lavorazione meccanica per asportazione

Parto da una barra di diametro maggiore e asporto materiale, ad esempio tramite tornitura.

e) Giunzione

Collego pezzi diversi per arrivare alla forma finale per esempio tramite saldatura. Ogni processo conferisce proprietà diverse al prodotto che realizza. Non tutti i processi riescono ad ottenere tutte le geometrie. Esistono processi diversi che consentono di ottenere forme diverse.

Criteri di scelta

1° criterio: geometria (forma e dimensione del pezzo)

Minime dimensioni delle parti: abbiamo dei grafici in cui ogni curva rappresenta un processo produttivo e indica la minima dimensione ottenibile con quel determinato processo.

2° criterio: tolleranze dimensionali in gioco

Sulle righe abbiamo i vari processi produttivi mentre sulle colonne gli intervalli di tolleranza. Processi diversi presentano tolleranze diverse.

Tolleranza

Con tolleranza intendiamo i limiti dimensionali entro i quali deve stare un pezzo meccanico, l’intervallo tra la dimensione minima e la dimensione massima che il pezzo deve avere.

Dimensione nominale

La dimensione nominale, invece, è la dimensione figurativa che il pezzo deve avere.

10 ± 0,1

La tolleranza viene messa per garantire che il funzionamento di pezzi accoppiati avvenga correttamente. Processi produttivi più fini garantiscono tolleranze più strette, mentre processi grossolani permettono solo di avere pezzi con tolleranze più larghe.

Possiamo avere altri tipi di tolleranze: geometrica (perpendicolarità ad esempio), di rugosità superficiale. Il diagramma mostra su ogni curva un processo diverso. Sull’asse x abbiamo la finitura superficiale, sull’asse y il tempo di produzione.

Se vogliamo ottenere una rugosità bassa il tempo di produzione deve aumentare; con velocità di avanzamento molto elevate non si riescono a ottenere rugosità buone. Quando i tempi diventano troppo elevati non ha più senso usare quel processo.

3° criterio: costo dell’apparecchiatura richiesta dal processo

I range di costi sono molto ampi perché posso trovare macchinari con costi molto diversi a seconda delle dimensioni, capacità, grado di automazione. Il machining center è il centro di lavorazione, che rappresenta una macchina fresatrice a più assi che consente varie lavorazioni a controllo numerico.

Per scegliere il processo devo anche tener conto di:

• Production volume: volume di produzione [quantità]
• Production rate: cadenza produttiva [quantità/tempo]

4° criterio: compatibilità tra materiali e processi

Le scelte di materiali e processi non sono indipendenti tra loro: alcuni processi non si possono applicare a tutti i materiali.

5° criterio: lavorazioni aggiuntive

Per lavorazioni aggiuntive intendiamo il bisogno o meno di fare più lavorazioni per ottenere un pezzo. Ci sono vantaggi nel non avere lavorazioni aggiuntive: risparmio tempo, ma anche piazzamenti ed è molto più semplice dal punto di vista logistico (non devo movimentare il pezzo, allinearlo nella macchina). Le lavorazioni che non hanno bisogno di lavorazioni aggiuntive vengono chiamate net-shape. Consentono in un’unica lavorazione di ottenere dalla materia prima il prodotto finito. C’è una tendenza nella lavorazione industriale di andare verso il net-shape.

Richiami sul comportamento meccanico, sulle prove e sulle proprietà tecnologiche dei materiali

Dobbiamo conoscere il comportamento che hanno i materiali quando sottoposti a sollecitazioni meccaniche e come conseguenza di queste sollecitazioni/tensioni meccaniche i materiali rispondono con delle deformazioni. Le deformazioni possono essere:

Per quanto riguarda la deformazione a trazione o a compressione, la possiamo definire nel seguente modo:

− Δ0= = 0 0

Dove l = lunghezza attuale e l₀ = lunghezza iniziale; con ε identifichiamo la deformazione ingegneristica (o nominale).

Per il taglio si usa la deformazione per sollecitazione di taglio definita come:

ε = γ

Dove a = deformazione che subiamo lungo la direzione di sollecitazione mentre b = intera lunghezza del provino sollecitato.

Deformazione (strain)

La deformazione può essere definita in modo ingegneristico o in modo reale:

ε = => ε = ln( )

La deformazione reale si può calcolare anche a partire dalla deformazione ingegneristica. Le due deformazioni danno risultati molto diversi. La deformazione è negativa se abbiamo a che fare con compressione, è positiva se abbiamo una trazione. Noi solitamente utilizzeremo la deformazione reale perché questa gode di alcune proprietà che rendono i calcoli molto vantaggiosi:

Proprietà di simmetria

Ipotizziamo di avere un provino di lunghezza 10mm e facciamo due deformazioni: lo sollecitiamo a trazione finché non arriviamo ad una lunghezza che è doppia rispetto a quella iniziale e confrontiamo la deformazione che abbiamo in questo caso con quella che avremmo avuto nel caso di compressione, in cui deformo il provino per raggiungere una lunghezza pari alla metà di quella iniziale.

Proprietà di additività

Prendiamo un provino da 10mm e ipotizziamo di avere due deformazioni una successiva all’altra e in ognuna dimezziamo la lunghezza. Calcoliamo per il caso ingegneristico e per il caso reale le deformazioni:

Caso ingegneristico

2,5 − 10

Caso reale

ε = ln( ) = -0,693

σ = σ1 + σ2

ε1 ≠ ε2

ε1 + ε2 = ε3

Tensione (stress)

Le tensioni vengono definite come rapporto tra una forza/carico e l’area su cui il carico è applicato. Anche le tensioni possono essere definite con la definizione reale o con quella ingegneristica.

Tensione ingegneristica σ = F/A₀

Tensione reale σ = F/A

Dove A = area della sezione effettiva (varia momento per momento) e A₀ = area della sezione iniziale. Solitamente lavoreremo con grafici σ – ε e non s – e, salvo rare eccezioni. Finora abbiamo visto un caso in cui la tensione è monoassiale, ma in generale all’interno di un pezzo qualsiasi potremmo avere la compresenza di più tensioni in più direzioni.

Per ciascuno dei tre assi abbiamo una normale (σ₁₁, σ₂₂, σ₃₃) che sollecitano a trazione o compressione il provino. Per ogni faccia abbiamo inoltre delle tensioni di taglio. Se mettiamo in una matrice queste tensioni abbiamo 9 elementi: le tensioni normali stanno sulla diagonale, mentre le tensioni tangenziali stanno nei restanti punti. Questa matrice viene detta tensore delle tensioni:

Prova di trazione

Se consideriamo un diagramma stress – strain (tensioni e deformazioni ingegneristiche) vediamo che questo presenta una serie di fasi:

Tratto lineare elastico

Tratto in cui il provino è ancora in campo elastico e la curva è rettilinea con una certa pendenza che ci dà il modulo di Young (rigidezza del materiale). Questo tratto si mantiene finché il valore della tensione non arriva al limite elastico o carico di snervamento.

Tensione di snervamento (yield)

σ = F/A = σ_y

Limite di snervamento

Si parla di limite di snervamento con deformazione permanente dello 0,2% come il carico per il quale, una volta rilasciato il provino dopo aver applicato il carico, la deformazione che risulta esserci è dello 0,2%.

Campo plastico con deformazioni uniformi

La curva ingegneristica raggiunge un massimo, a differenza della curva reale, che continua a crescere fino alla rottura perché A diminuisce. Questo massimo delle tensioni si ha perché l’area iniziale non cambia e si verifica per un valore di stress che viene detto: UTS = ultimate tensile strength. Prima di questo massimo le deformazioni sono uniformi sul tratto utile del provino.

Campo plastico con strizione localizzata

Dopo questo massimo la σ tende a diminuire ed entro nella zona dove abbiamo la strizione localizzata (necking) dove abbiamo deformazioni localizzate solitamente nella zona centrale del provino. Questa forte diminuzione di sezione comporta una concentrazione di tensioni nella zona di strizione (in questo punto l’area reale diminuisce notevolmente).

Quando la tensione diventa troppo elevata porta a rottura il provino: arriviamo al carico di rottura. Su questa curva si leggono tantissime proprietà del materiale. Per il tratto lineare elastico vale la legge di Hooke che mette in relazione tensioni e deformazioni attraverso il modulo di Young: σ = E · ε = E · σ. Questo tratto lineare si mantiene tale anche nel caso reale. Il modulo di Young si esprime in [GPa].

True stress – true strain

σ = ∫0σ = ln( ) 0

Ipotesi: conservazione del volume

σ = ( ) = ln( ) = ln( ) = 2 ln( ) 0

D = diametro provino

D₀ = diametro iniziale del provino

Elasticità e plasticità

L’esercizio dei pezzi meccanici si vuole mantenere di solito in campo elastico. Durante la vita di un prodotto, però, ci sono momenti in cui dobbiamo raggiungere il campo plastico: momento della lavorazione, per lavorare un pezzo dobbiamo deformarlo.

Campo elastico (σ

Per questo campo vale la legge di Hooke: nel caso del taglio diventa:

τ = G · γ, σ = E · ε

Con G = modulo di rigidezza a taglio, analogo del modulo di Young.

Campo plastico (σ ≥ σy)

Quale relazione modella questo campo? La legge di Hooke non vale più, ma vale un’altra relazione:

σ = K · ε_n

n = coefficiente di incrudimento (n

K = fattore di resistenza

La tensione non è più proporzionale alla deformazione. La tensione è elevata ad un esponente. Il materiale incrudisce: incremento di resistenza opposto dal materiale alla deformazione. Vediamo i possibili andamenti della curva al variare del coefficiente di incrudimento. Un materiale che incrudisce facilmente (n più vicino ad 1, la curva tende ad alzarsi) tende ad opporre maggior resistenza alla mia deformazione. Un materiale poco incrudente ha n che tende verso valori molto bassi e applicando una deformazione maggiore non tende ad opporre maggior resistenza.

Più alto è K più il materiale opporrà resistenza alle deformazioni applicate. Su un diagramma bi-logaritmico la curva descritta dalla relazione diventa una retta.

σ = log K + n log ε

La pendenza di questa retta è data dal coefficiente di incrudimento mentre log K è l’intercetta.

Rapporto di Poisson

Rapporto tra la deformazione trasversale e longitudinale (in valore assoluto). È controllato dalla tendenza del materiale a mantenere lo stesso volume. Possiamo scrivere una relazione tra modulo di Young, modulo di taglio e rapporto di Poisson:

E = 2G(1 + ν)

Vale solamente per materiali isotropi (per materiali anisotropi occorrono le relazioni tridimensionali complete).

Tenacità

La tenacità è l’energia che devo fornire per portare a rottura il materiale e quindi rappresenta l’area sottesa alla curva (energia specifica cioè energia per unità di volume). Il prodotto tra deformazione e tensione per trovare l’area è [MPa], che possiamo definire come un’unità di pressione, ma anche un’unità di [energia/volume].

U = ∫σdε

Più un materiale esibisce una curva con un’area grande, più il materiale si dice tenace. La tenacità è molto alta per i metalli duttili. Perché la tenacità sia elevata la curva deve essere il più alta possibile (materiali resistenti) e anche il più larga possibile (elevata deformazione prima della rottura).

Resilienza

È la resistenza all’impatto. Nel caso in cui io sottoponga il provino ad un carico di impatto (per esempio mediante il pendolo di Charpy) la prova di resilienza misura quanto può resistere un materiale all’impatto. Come la tenacità, anche la resilienza si misura sulla base di un’energia specifica, ma è l’energia sotto il tratto lineare elastico della curva.

U = ∫0εσdε

Nella sollecitazione ad impatto il materiale non riesce ad eseguire grandi deformazioni e si rompe subito dopo aver esaurito il campo elastico. Per un dato materiale quindi è maggiore la tenacità della resilienza. Per una stima più accurata della resilienza devo fare la prova di resilienza.

Duttilità

La duttilità mi dice quanto riesce a deformarsi il materiale, più si allunga il materiale tanto più il materiale è duttile. Per misurare la duttilità possiamo usare due parametri:

• Allungamento percentuale. Ammontare di deformazione plastica del materiale prima di arrivare a rottura.
• ε% = (l_f - l₀) / l₀ · 100
• Riduzione percentuale dell’area.
• RA% = (A₀ - A_f) / A₀ · 100

Più alta è la percentuale di allungamento più il materiale risulta duttile. Nella curva la duttilità la vediamo nella lunghezza orizzontale della curva.

Malleabilità

Capacità di subire grandi deformazioni plastiche senza manifestare forti incrudimenti, rilevabile dalla pendenza della prima parte della curva in zona plastica, prima della strizione (dopo il carico di snervamento). Nel diagramma bi-logaritmico è rappresentata dal coefficiente di incrudimento. La malleabilità è importante quando devo lavorare per deformazione plastica perché mi richiede meno energia, meno sforzo.

Diagramma ingegneristico che riassume tutte le proprietà:

Più verticale tende ad essere il tratto verticale più il materiale risulterà rigido; Lunghezza della deformazione ci dà la duttilità; Maggiore è la UTS maggiore è la resistenza meccanica del materiale.

Effetto della temperatura

L’effetto della temperatura sui materiali è un aspetto rilevante nello studio della tecnologia meccanica e dei sistemi produttivi, ma non è trattato in dettaglio nel contesto attuale.