Domande Tecnologia meccanica

Domande corso tecnologia meccanica

Produzione per processo

La produzione di processo riguarda prodotti fortemente standardizzati, ottenuti in volumi ingenti, la cui natura richiede la realizzazione di un ciclo di trasformazione continuo dalle materie prime al prodotto finito. Esempi classici sono dati dalla produzione dell'acciaio, dei prodotti petrolchimici, della carta, di alcuni prodotti alimentari, del cemento, delle fibre, di farmaceutici. In una produzione di processo i materiali in ingresso subiscono modificazioni fisico-chimiche a seguito delle quali è in genere impossibile identificare gli elementi che costituiscono il prodotto. La produzione per processo è quindi irreversibile.

Nelle produzioni per processo il flusso produttivo è ben delineato e la sequenza delle operazioni previste dal ciclo di lavorazione è vincolante (ciclo tecnologico vincolato). La produzione avviene per il magazzino, in modo indipendente dall'acquisizione degli ordini; di frequente, si realizza per lunghi periodi di tempo lo stesso tipo di prodotto, con un'alternanza estremamente contenuta dei cicli di lavorazione. Anche nel caso di produzioni per processo, come per quelle in linea, sono di maggior rilievo le problematiche progettuali del sistema produttivo rispetto a quelle di carattere gestionale.

Produzione manifatturiera

Nella produzione manifatturiera, ovvero la produzione per parti, il prodotto finale risulta composto da un numero finito di componenti discreti, che sono anche definiti parti. Con parte indichiamo il pezzo al termine del ciclo di lavorazione, mentre con prodotto finale indichiamo il prodotto costituito dalle parti assemblate. Il processo produttivo è compreso di due fasi: la fase di fabbricazione e la fase di assemblaggio. Questo tipo di produzione viene utilizzata soprattutto per la produzione di automobili, calcolatori, elettrodomestici, calzature, ecc.

Processi fondamentali di fabbricazione nel settore meccanico

• Formatura
  • Processi di consolidamento da liquido o da polveri: Il materiale inizialmente senza forma (fuso o polvere) viene trasformato in una parte con forma prossima a/o coincidente con quella finale.
  • Processi per deformazione plastica: La geometria del semilavorato viene trasformata mediante deformazione plastica del materiale (stampaggio, laminazione, estrusione, piegatura).
  • Processi di rimozione di materiale: La forma finale viene realizzata asportando dal semilavorato il materiale in eccesso (tornitura, fresature, foratura).
• Processi di giunzione: La forma finale viene ottenuta mediante saldatura, incollaggio o collegamento con elementi meccanici.
• Processi di finitura: Permettono di eliminare le irregolarità superficiali dei pezzi lavorati.
• Lavorazioni non convenzionali: Taglio e saldatura laser, taglio a getto d'acqua, elettroerosione, saldatura a fascio elettronico, lavorazioni elettrochimiche e chimiche.

Relazione tra processi e materiali

Tra i fattori più importanti che influenzano la scelta di una tecnologia da utilizzare con un determinato materiale abbiamo: il costo, la velocità di produzione, la flessibilità e la qualità finale richiesta del pezzo. Inoltre, anche la dimensione del lotto da produrre e le proprietà fisiche e geometriche del materiale influenzano la scelta dei processi. Infatti, piccoli lotti richiedono processi flessibili (lavorazioni alle macchine utensili che possono produrre pezzi di geometria diversa tra loro) mentre grandi lotti permettono l'utilizzo di processi di fonderia o per deformazione, in quanto l'elevato costo delle attrezzature necessarie può essere ammortizzato dall'elevato numero di pezzi da produrre.

I metalli hanno una temperatura di fusione elevata, quindi possono essere lavorati allo stato solido con processi di deformazione o con asportazione di materiale. Mentre i polimeri e i compositi hanno un punto di fusione più basso, per cui si prestano soprattutto a lavorazioni con processi di fusione. Infine, i ceramici, ad esempio, data la loro fragilità rendono difficili le lavorazioni allo stato solido con i metodi convenzionali.

Principali caratteristiche di processo

Le principali caratteristiche sono la geometria, le proprietà meccaniche, le tolleranze, le finiture superficiali, la produttività e i fattori umani e ambientali.

• Fattori umani e ambientali: La produttività non dipende soltanto dagli investimenti in macchine e impianti ma anche dagli specialisti. Infatti, l'incidenza dell'industria manifatturiera sul prodotto interno lordo dei paesi più industrializzati raggiunge anche il 30%. Inoltre, le operazioni manifatturiere vanno esaminate tenendo conto dell'impatto sull'ambiente in relazione all'inquinamento chimico e acustico.
• Geometria: Va scelto il processo produttivo che fornisce la geometria desiderata nel modo più semplice possibile.
• Tolleranze: Sono molto importanti per assicurare il giusto funzionamento del componente realizzato e garantire l'intercambiabilità di componenti forniti da produttori diversi.
• Produttività: La produttività può essere aumentata migliorando i processi produttivi esistenti o introducendo nuovi processi o nuove macchine.

Elementi che concorrono alla realizzazione di un processo

Trasformazione ideale: Processo che porta il materiale dallo stato iniziale a quello finale. Nella trasformazione ideale gli stati iniziali e finali vengono definiti in modo deterministico, infatti il ripetersi della trasformazione nelle medesime condizioni produce gli stessi risultati.

Trasformazione reale

Processo influenzato da fenomeni non controllabili che hanno un effetto sul risultato finale variabile all'interno di un intervallo. Lo stato iniziale in genere non è noto con certezza, infatti aumenta la variabilità del risultato finale. La precisione del processo viene influenzata dalla variabilità dallo stato iniziale e dai disturbi.

Condizione per la corretta esecuzione di una trasformazione

Definendo l'intervallo di tolleranza come l'intervallo all'interno del quale devono essere comprese le possibili soluzioni ottenibili tramite il processo. Possiamo dire che un processo viene eseguito correttamente se l'intervallo di tolleranza è maggiore della variabilità del risultato.

Miglioramento del processo

Consiste nel trovare una soluzione che possa garantire una variabilità del risultato all'interno dell'intervallo di tolleranza.

Esempio: Foratura di una piastra, possibili soluzioni: Foratura dal pieno con punta elicoidale, foratura con preforo, foratura con preforo e utilizzo di bussola di centraggio. La prima porta a una trasformazione non corretta, la seconda ci porta in una situazione limite mentre nella terza situazione ci troviamo in una trasformazione corretta.

Forma

Con forma indichiamo la cavità in cui viene versato il metallo fuso. Corrisponde all'elemento più importante e rappresenta il negativo del pezzo da realizzare. Le forme devono essere sovradimensionate per tenere conto delle contrazioni volumetriche subite dal materiale. Le forme possono essere aperte o chiuse. (Aperte: lingottiera in cui la fase liquida è immessa dall'alto.) (Chiuse: il fuso viene immesso attraverso canalizzazioni opportunamente dimensionate).

Classificazione dei processi di fonderia in base al tipo di forma

In base al tipo di materiale utilizzato possiamo dividere due grandi classi ovvero i processi con forme transitorie e i processi con forme permanenti. Nei processi in forma transitoria la forma viene distrutta dopo la solidificazione del getto per operare la sua estrazione. Inoltre, abbiamo la possibilità di utilizzare diversi materiali. (Fonderia in terra). I processi in forma permanente vengono utilizzati per realizzare un numero elevato di getti uguali e sono realizzati in metallo mediante lavorazioni alle macchine utensili. (Fonderia in conchiglia) (Gli alti costi sono ammortizzati dagli elevati volumi produttivi).

Aspetti che influenzano la scelta del processo di fonderia

Gli aspetti che influenzano la scelta del processo di fonderia sono molteplici e sono: le dimensioni, la complessità geometrica, le proprietà meccaniche, le finiture superficiali, il materiale, il volume di produzione e il costo.

Fasi del ciclo di fabbricazione dei getti

Le fasi di lavorazione per ottenere un getto sono molteplici e ciascuna di esse assume una rilevanza più o meno accentuata a seconda della tecnica di lavorazione che viene considerata. Le fasi seguite da questo modello sono:

• L'allestimento del modello in legno o in lega leggera, sulla base del progetto.
• La preparazione della forma per realizzare l'impronta in negativo di quello che sarà la forma finale del pezzo prodotto.
• La preparazione del metallo fuso e il versamento nella forma.
• L'estrazione del getto dalla forma dopo la solidificazione.
• La finitura del getto.

Caratteristiche del modello

Il modello consente di realizzare la forma transitoria attraverso l'operazione di formatura, ovvero la compattazione del materiale della forma attraverso il modello stesso. Questo modello può essere permanente o transitorio. Inoltre, come input per la sua costruzione viene utilizzato il disegno del pezzo. Durante la progettazione del modello ci sono degli aspetti da considerare come il materiale, il sovradimensionamento, il piano di divisione, l'angolo di sformo e i sottosquadri.

Materiali per modelli permanenti e transitori

I materiali più utilizzati nei modelli permanenti vengono riportati in tabella. I materiali per i modelli transitori sono principalmente due ovvero le cere (la forma viene ottenuta attraverso la liquefazione del modello in cera provocata dal calore generato da un forno) e le schiume polimeriche (la forma è ottenuta attraverso la degradazione termica progressiva del modello causata dal calore ceduto dal fuso).

Tipi di modelli permanenti

Le tecniche di fusione in forma permanente si differenziano da quelle in forma transitoria per il fatto che la forma è realizzata in lega metallica, normalmente acciai legati o ghise speciali; in modo da essere utilizzata per un numero elevato di getti uguali. L'elevato costo di lavorazione di questo tipo di forma rende questi procedimenti economicamente giustificabili nella produzione in serie. Questo tipo di formatura ben si presta all'automazione delle varie operazioni di colata, ma per ragioni di ingombro vengono colati solo pezzi di dimensione medio-piccola. Il fatto che la forma sia realizzata in materiale metallico fa sì che la struttura cristallina dei getti sia fine, avvantaggio della resistenza meccanica, per effetto del rapido scambio termico tra la lega fusa e la conchiglia.

Angoli di sformo nei modelli da fonderia

Nel pezzo è possibile che ci siano delle superfici perpendicolari al piano di divisione del modello di conseguenza abbiamo la necessità di inclinare tali superfici di un angolo opportuno. Questo processo può portare a vantaggi e svantaggi. (Vantaggi: facilitazione dell'estrazione del modello durante l'operazione di sformatura) (Svantaggio: presenza degli angoli anche nelle pareti del getto, la geometria del getto viene modificata rispetto a quella del pezzo da realizzare). L'entità dell'angolo di sformo varia a seconda della complessità del getto.

Sottosquadri e la loro risoluzione nel caso di forme transitorie

Le parti che durante l'estrazione trascinerebbero la terra compatta vengono definiti sottosquadri. Questa situazione può essere risolta con un'attenta analisi della geometria del pezzo stesso da realizzare. La soluzione più economica per ovviare a questo problema è una variazione del progetto (non sempre possibile) che però può anche generare dei problemi legati, ad esempio, alla variazione degli spessori come l'aumento della probabilità della formazione della cavità di ritiro. Un'altra soluzione può essere l'utilizzo di tasselli che vanno a occupare lo spazio che non deve essere invaso dal metallo fuso. Un'ulteriore soluzione seppur costosa potrebbe essere l'utilizzo di una parte mobile che viene estratta successivamente rispetto alle altre parti.

Tipi di anime ed elementi caratteristici

Se nel getto si devono eseguire cavità che non sono ottenibili mediante risalti del modello che impedirebbero l'estrazione della forma, si può ricorrere all'utilizzo di anime. Le anime sono ottenute costipando terra refrattaria in forme cave, dette casse d'anima, che vengono usati come modelli. Quest'ultime devono essere cedevoli sia per non generare tensioni interne sia per essere facilmente estratte dalla cavità a solidificazione avvenuta. Infine, se si deve ottenere una cavità completamente circondata da materiale, va previsto per la fuoriuscita della terra dell'anima un foro da chiudere successivamente mediante saldatura o con un tappo filettato.

Ciclo di formatura per la realizzazione di un elemento cilindrico cavo

Viene compattata la terra attorno al semi modello 1 nella staffa base. Successivamente si capovolge la staffa base e si mette il secondo semi modello munito di spine. Si compatta la terra nella staffa coperchio. Si estrae il modello. Si ricompone la forma inserendo l'anima. Le staffe vengono impilate facendo attenzione ai perni di riferimento. La forma viene munita di zavorre per evitare il sollevamento della staffa coperchio durante la colata. L'anima viene così posizionata e si viene a trovare avvolta dal fluido. Dopo il raffreddamento avviene la distaffatura del getto.

Dimensionamento delle anime

Durante il raffreddamento in fase solida si generano delle deformazioni legate al ritiro del metallo che alterano lo spessore del getto. Infatti, abbiamo una deformazione radiale che provoca una riduzione di spessore. Re diminuisce e Ri aumenta, possiamo avere anche una deformazione circonferenziale che provoca una diminuzione di Re e Ri.

Elementi del sistema di colata e loro funzione

• Bacino di colata
• Canale di colata
• Canale di alimentazione
• Attacchi di colata

Bacino di colata

Accoglie il fuso versato nella forma. Questo bacino è sagomato in modo da assicurare un flusso tranquillo nel canale di colata. È dotato inoltre di sistemi che trattengono le scorie galleggianti in superficie e le inclusioni che si raccolgono sul fondo.

Canale di colata

Trasforma l'energia potenziale del fuso in energia cinetica. Le dimensioni vengono calcolate supponendo l'incomprimibilità del fuso. È valida l'equazione di continuità. Possiamo calcolare la velocità in una qualsiasi sezione grazie al teorema di Bernoulli. Generalmente è dato da una forma trapezoidale, porta il materiale agli ingressi del getto e presenta trappole ferma scorie.

Tempo di riempimento della forma

Il tempo di riempimento della forma è dato dal rapporto tra il volume della cavità (V) e la portata volumetrica (Q) del fuso che la riempie. È valutato tenendo conto che nelle canalizzazioni orizzontali per le quali le quote sono costanti, la portata volumetrica del fuso rimane costantemente pari al valore calcolato alla base del canale di colata. Inoltre, si approssima per difetto dal momento che sono trascurate le perdite d'attrito.

Problemi di aspirazione nel sistema di colata

Se il canale di colata è cilindrico, allora l'energia cinetica è costante. Poiché l'energia potenziale del fuso nel punto è maggiore di quella nel punto. Inoltre, per la conservazione dell'energia totale, l'energia di pressione sarà inferiore a quella in un altro punto.

Canale di alimentazione e attacchi di colata

• Canale di alimentazione: Il canale di alimentazione è disposto alla base del canale di colata ed ha la funzione di distribuire il fuso entro le cavità attraverso gli attacchi. Ha una sezione maggiore di quella del canale di colata e spesso con una forma che rallenta e addolcisce il flusso del fuso. Inoltre, a volte questo canale è dotato di un’estremità che si trova oltre l’ultimo attacco e che funge da trappola per le inclusioni. I vantaggi nell’utilizzo di questo canale sono l’introduzione del fuso nella cavità con il miglior modello di distribuzione e il trattenimento delle impurità presenti nel fuso.
• Attacchi di colata: Collegano il canale di alimentazione alla cavità e hanno attacchi molto ridotti in sezione alla giunzione con la cavità per consentire una facile separazione del getto solidificato e strozzare il flusso del fuso entro le cavità.

Allestimento della forma

Questa operazione è complessa perché è accompagnata da una riduzione di T del fuso dovuta alla cessione di calore alle pareti. Questa riduzione di temperatura porta, inoltre, a una variazione delle caratteristiche fluidiche del fuso come viscosità, tensione superficiale e fluidità.

Fusione

I processi di fusione dei metalli sono molto critici sia per le temperature del metallo sia per il controllo della temperatura stessa. Il riscaldamento di un metallo puro o di una lega leggera al di sopra di un valore critico provoca un passaggio de