Appunti di Tecnologia dei processi produttivi

Le forme permanenti

Le forme permanenti sono così chiamate perché vengono riutilizzate numerose volte, pertanto devono essere costituite di materiale particolarmente robusto, ovvero materiale metallico. Le caratteristiche geometriche, sia in termini di tolleranze, sia in termini di finitura superficiale saranno migliori di quelle che si hanno con la fonderia in terra e, in alcuni casi, si ottengono caratteristiche compatibili con il disegno del finito. Ovviamente, se le tolleranze sul disegno del finito sono strette, allora l’uso dei sovrametalli e le lavorazioni successive diventano necessarie anche per questo tipo di fonderia.

Caratteristiche delle forme permanenti

Una delle caratteristiche principali fra la fonderia in terra e quella in conchiglia permanente è che nel primo caso gli angoli di sformo e il piano di separazione servono per estrarre il modello, mentre nel secondo caso sono necessari per l’estrazione del getto. Il piano di separazione serve quindi per aprire la conchiglia ed estrarre il getto, mentre gli angoli di sformo servono per evitare di danneggiare sia la conchiglia, che deve essere riutilizzata, sia il getto. Nella fonderia in forma permanente, durante la colata il metallo liquido si raffredda e si contrae, mentre la conchiglia si riscalda e si dilata distaccandosi dal getto; perciò, la presenza di angoli di sformo non è più così stringente e solitamente vengono realizzati con valori più piccoli rispetto a quelli visti per la fonderia in terra.

Dato che la conchiglia è metallica, per quanto possiamo usare per la sua costruzione materiali con elevato punto di fusione e dei sistemi di raffreddamento, comunque la sua resistenza termica sarà inferiore a quella della sabbia; quindi, per limitare le sollecitazioni termiche sulla conchiglia, solitamente si realizzano con questo tipo di tecnologia solo getti di metalli con basso punto di fusione, come Alluminio, Piombo, Zinco e leghe leggere. Inoltre, la conducibilità termica e il calore specifico elevati della conchiglia, facilitano l’asportazione di calore, ovvero aumentano la velocità di raffreddamento del getto e favoriscono la fase di nucleazione, portando alla formazione di getti con grani di dimensioni abbastanza piccole e, di conseguenza, con buone caratteristiche meccaniche.

Problemi di gas e colata

La conchiglia, essendo metallica, è impermeabile ai gas, che quindi potrebbero rimanere intrappolati all’interno del getto, creando una mancanza di materiale, ossia un punto di debolezza per la struttura. Inoltre, dobbiamo cercare di limitare il tempo di colata, dato che le condizioni di scambio termico sono migliori e rischiamo una solidificazione prematura del getto. Per aumentare la velocità di colata non basta far crescere il battente metallo-statico, ma dovremo anche modificare la pressione, ovvero fare in modo che la pressione sia elevata all’ingresso, così che la velocità sia data sia dalla conversione dell’energia potenziale di posizione, che dalla differenzia di pressione fra ingresso e uscita del canale di colata.

Alle spinte metallo-statiche si aggiunge quindi una pressione elevata ed emerge la necessità che le due parti della conchiglia siano particolarmente robuste, ovvero che il sistema di chiusura sia particolarmente resistente, ma allo stesso tempo facilmente apribile per l’estrazione del getto. In inglese Shell si riferisce alla formatura in guscio, mentre in italiano il termine conchiglia sta per forma permanente; infatti, dire conchiglia permanente è ridondante.

Considerazioni sul raffreddamento

Sempre per questo motivo, non possiamo più fare l’ipotesi che il raffreddamento e la solidificazione inizino alla fine della fase di colata, ovvero che la colata sia a temperatura costante. Così come abbiamo visto nella fonderia in terra per l’estrazione del modello, anche in questo caso dobbiamo evitare che ci siano sottosquadri per permettere l’estrazione del getto; per risolvere il problema dei sottosquadri spesso si usano delle conchiglie scomponibili in diverse parti. Le parti della conchiglia devono essere perfettamente affacciate, sia per ottenere la forma del getto desiderata, sia per evitare che il metallo liquido incandescente fuoriesca generando un pericolo per gli operatori.

Progettazione della conchiglia

Se la conchiglia è composta da sole due parti, per annullare i tre gradi di libertà di una parte della conchiglia rispetto all’altra, utilizziamo due pioli, come abbiamo già visto per le staffe della fonderia in terra; dobbiamo fare attenzione che piolo e foro non si usurino, dal momento che potrebbe crearsi gioco e un posizionamento non più corretto.

Utilizzo di anime nella colata

Nella colata in conchiglia si utilizzano delle anime che possono essere o in sabbia particolarmente robusta, oppure in metallo. In figura vediamo due anime: per evitare di avere un sottosquadro, l’anima metallica inserita lateralmente può essere estratta prima del getto, mentre quella in sabbia può essere distrutta successivamente. I problemi dovuti ai sottosquadri e all’estrazione delle anime si possono risolvere sempre con l’utilizzo di conchiglie scomponibili, che sono però complesse e costose. Infatti, bisogna valutare se conviene utilizzare tali conchiglie o fare piuttosto una lavorazione successiva.

Colata sotto pressione

Per la progettazione della forma permanente si segue lo schema in basso. In questo caso, a differenza della fonderia in terra, dato che la forma è permanente e la cavità va costruita una sola volta, viene solitamente realizzata per asportazione di truciolo. Solitamente, nel caso di colata in forma permanente, la colata non viene effettuata per gravità, ma sotto pressione. Questo tipo di colata richiede manodopera in minore quantità, ma più specializzata, ed è per questo che è molto diffusa nei Paesi più sviluppati dal punto di vista tecnologico.

L’impianto costerà molto, sia perché ci sono numerosi sistemi automatizzati, sia perché la conchiglia, essendo sottoposta a pressioni e spinte metallostatiche elevate, viene realizzata di materiale molto resistente e pregiato, come acciaio legato con elevato contenuto di tungsteno o cromo, per far sì che resista meglio all’usura e alle sollecitazioni termiche. L’utilizzo di questi materiali pregiati rende più difficile e costosa anche la lavorazione della conchiglia, che devono ovviamente essere ammortizzati su molti pezzi.

Vantaggi della colata sotto pressione

Questo tipo di colata è caratterizzata da buone tolleranze e finiture superficiali, dato che la conchiglia è realizzata con una buona finitura, ma anche perché la pressione fa in modo che il metallo penetri in tutti i dettagli più fini della conchiglia. Inoltre, con questo tipo di colata si possono realizzare solo pezzi abbastanza piccoli, dal momento che se le superfici del getto fossero molto estese, per ottenere la pressione necessaria (anche dell’ordine di 100MPa) a realizzare la colata ci servirebbero delle forze troppo elevate.

Osservando la figura vediamo che il piano di separazione non è rettilineo, ma va da A ad A, e che abbiamo una parte della conchiglia fissa e una mobile, le quali circondano il getto indicato in nero. Le due parti della conchiglia presentano la stessa campitura, nonostante siano separate dal piano di separazione; la campitura è uguale su tutta la conchiglia per indicare che le due parti fanno parte dello stesso componente, che è l’unico a contatto con il metallo liquido.

Vediamo poi un estrattore, che viene mosso dalla piastra porta estrattori e permette l’estrazione del getto spingendolo lontano dalla conchiglia inferiore fissa. Il tassello mobile deve essere tolto prima dell’estrazione del getto. Di tutta questa struttura, la conchiglia intorno al getto può essere cambiata di volta in volta, in modo che si possa usare la stessa struttura complessiva per ottenere getti diversi: questa tecnologia è quindi molto flessibile.

Colata con pressione modesta

Quando le pressioni sono modeste e le tolleranze richieste sono strette solo per alcune zone del getto, la colata sotto pressione può essere effettuata anche in forme parzialmente metalliche e parzialmente di sabbia di fonderia; ovviamente il metallo sarà posizionato dove servono le tolleranze e le finiture migliori. Abbiamo quindi visto che la conchiglia metallica deve avere delle elevate caratteristiche meccaniche, può essere lavorata con dettagli fini e ottime finiture superficiali e per fare in modo che il metallo raggiunga tutti i dettagli, deve essere riempita sfruttando una forza motrice maggiore della gravità.

Tipi di colata sotto pressione

Esistono due tipi di colata sotto pressione: questi due metodi si distinguono in primo luogo per la temperatura di colata del metallo liquido; infatti, nella camera calda abbiamo che le temperature sono maggiori rispetto alla temperatura di fusione del metallo liquido, mentre nella camera fredda sono minori della temperatura di fusione del metallo liquido o si trovano all’interno dell’intervallo di fusione della lega.

Nonostante ciò, le temperature nella camera calda sono generalmente minori di quelle che si hanno nella camera fredda, dato che nella prima vengono utilizzati metalli con basso punto di fusione, come Piombo, Zinco, Magnesio e leghe leggere, mentre nella seconda, metalli con temperature di fusione molto elevate, come Alluminio e Rame.

Inietto-fusione e pressofusione

Pertanto, nell’inietto-fusione vengono raggiunte temperature maggiori di quelle di fusione perché è poco impegnativo dal punto di vista energetico; in questo caso il metallo sarà completamente fuso e risulterà abbastanza facile spingerlo all’interno della cavità, perciò possiamo usare delle pressioni relativamente modeste, di qualche MPa. Nella pressofusione, invece, la temperatura è bassa rispetto a quella di fusione, dato che, essendo quest’ultima molto elevata, il raggiungimento della fusione completa del metallo liquido risulterebbe particolarmente impegnativo dal punto di vista energetico.

Nonostante la temperatura sia inferiore rispetto a quella di fusione, il metallo liquido si riesce comunque a colare all’interno della cavità, perché la temperatura si trova all’interno dell’intervallo di fusione, per cui avremo materiale parzialmente liquido e parzialmente solido, ossia con comportamento ‘pastoso’. Per fare in modo che il metallo raggiunga tutti i minimi dettagli della conchiglia, avremo quindi bisogno di pressioni molto più elevate, circa 150MPa. Nella pressofusione viene quindi risparmiata energia termica, dato che non si riscalda fino a fusione il metallo, ma si spende una maggiore quantità di energia meccanica, dato che le pressioni necessarie sono maggiori.

Sistemi di colata in camera calda

Nella parte inferiore della macchina vediamo una fiamma, ottenuta dalla combustione di metano e gas di varia natura, la quale fa sì che la temperatura all’interno della camera calda sovrastante sia superiore alla temperatura di fusione del metallo. All’interno della camera calda vediamo una camera oscillante, in grado di ruotare intorno al punto O, centro di istantanea rotazione. Quando la camera oscillante ruota in senso antiorario, il beccuccio indicato va sotto il livello del metallo liquido, che entra nella camera oscillante fino a raggiungere un livello pari a quello della camera calda, secondo il principio dei vasi comunicanti.

A questo punto, la camera oscillante ruota in senso orario e il beccuccio va incontro a uno stopper, il quale impedisce al metallo liquido di uscire dalla camera. Da un canale che si trova sulla sommità della camera oscillante, viene quindi applicata una pressione di qualche MPa. Il metallo sotto pressione tende a spostarsi dalla zona ad alta pressione, la camera oscillante, a quella di bassa pressione, la cavità all’interno della conchiglia, tramite un canale detto collo d’oca. Dopo la solidificazione del metallo all’interno della cavità, la conchiglia viene aperta lateralmente mediante l’utilizzo di uno stantuffo, che applica una pressione e fa separare le due metà della conchiglia. Contemporaneamente, la camera calda viene rifornita di metallo, quella oscillante ruota in senso antiorario e ricomincia il ciclo.

Questo sistema è fortemente automatizzato, sia per quanto riguarda la movimentazione del metallo liquido, che per quella del metallo solido, ovvero l’estrazione del getto. La conchiglia metallica, avendo una buona conducibilità termica, permette di avere velocità di raffreddamento elevate e quindi anche un tempo di ciclo relativamente modesto, anche perché possiamo aprire la conchiglia prima che il getto si sia completamente raffreddato, facendo concludere il raffreddamento all’aria ed effettuando così una nuova colata. Aumentano quindi notevolmente l’automazione, la produttività, ma anche la qualità dei getti, e si riduce la manodopera, che dovrà però essere sicuramente più specializzata.

Abbiamo una camera calda e una adiacente, che viene detta camera o sistema di iniezione, dov’è presente il pistone tuffante e un canale, detto collo d’oca, che costituisce il collegamento con la cavità all’interno della conchiglia. La camera calda e quella di iniezione sono connesse tramite un foro: quando il pistone si trova in alto, il foro risulta aperto e il metallo liquido entra dalla camera calda all’interno del sistema di iniezione; poi il pistone scende, essendo sottoposto a una certa pressione, il foro si chiude e il metallo liquido viene spinto all’interno della cavità attraverso il collo d’oca. Successivamente abbiamo il raffreddamento, la solidificazione del getto e la sua estrazione dalla conchiglia, sempre mediante l’utilizzo di uno stantuffo. Intanto, il pistone tuffante risale, si apre la valvola fra la camera calda e quella di iniezione, si ripristina il volume di metallo liquido che è andato all’interno della conchiglia e si ripete il ciclo. Si tratta di un processo continuo, perché bisogna rifornire continuamente la camera calda di metallo liquido, in modo da evitare di avere solidificazione anticipata.

Sistemi di colata in camera fredda

La pressofusione, o camera fredda, si distingue in due metodi che sfruttano due macchine diverse, ovvero la macchina a camera orizzontale e la macchina a camera verticale. Nella macchina a camera orizzontale, tutto il complesso che vediamo indicato con cavity è la parte interna della conchiglia, dove andrà il metallo liquido; abbiamo poi tutto l’equipaggio stazionario della macchina, indicato con stationary platen, e l’ejector, ossia il piatto che si muove per aprire la conchiglia ed estrarre il getto. La camera fredda è la zona dove viene versato il metallo liquido, e dove le temperature sono abbastanza basse in rapporto alla temperatura di fusione del metallo liquido molto elevata. Il sistema di apertura e chiusura della camera fredda è automatico o semiautomatico, ma il metallo viene versato con un mestolo da un operatore. Vediamo poi il sistema plunger rod, ovvero il pistone che spinge il metallo all’interno della cavità con pressioni elevate, dato che il metallo non è completamente liquido, ma pastoso.

Nel caso della camera verticale, non cambia quasi nulla dal punto di vista concettuale, ma si sfrutta una molla. Durante la fase di riempimento, la molla tiene il pistone p2 alto e sopra il pistone viene colato il metallo liquido; poi abbiamo la fase di compressione, durante la quale un secondo pistone p1 spinge il metallo liquido e il pistone p2 verso il basso, e fa comprimere la molla permettendo l’apertura del collegamento fra la cavità e la camera fredda. A questo punto, il metallo entra all’interno della cavità, dove raffredda e solidifica; vediamo anche che una parte di metallo solidifica tra i due pistoni e fa la funzione di materozza. Dopo la solidificazione, il getto viene estratto, il pistone p1 risale, la molla si allunga e fa salire il pistone p2, che trancia il pezzo di metallo solidificato fra i due pistoni.

Sistemi di chiusura-apertura

Sia nelle macchine a camera calda, che in quelle a camera fredda, abbiamo bisogno di un sistema di chiusura-apertura della conchiglia, che resista alle pressioni elevate durante l’operazione di colata e la solidificazione, ma che si apra anche facilmente per favorire l’estrazione del getto. Il sistema utilizzato per garantire le proprietà appena enunciate è quello indicato con Toggle clamp (morsetto a ginocchiera). Questo sistema è costituito da aste e cerniere: quando le cerniere sono tutte allineate, la resistenza meccanica del sistema di chiusura è molto elevata; ma se la cerniera centrale si solleva o si abbassa, le cerniere non risultano più allineate e la conchiglia si apre facilmente. Si usano sistemi anche leggermente diversi, ma con funzionamento analogo e che possono essere tutti ricondotti a dei quadrilateri articolati.

Problematiche nella colata

• Non si può riempire la cavità di tutto il liquido contenuto nella camera; ne rimarrà una certa quantità intrappolata tra i due pistoni. Per ovviare a ciò, si riempie la camera di una quantità di liquido leggermente maggiore di quella necessaria.
• Il pistone inferiore, spinto dalla molla, espelle parte del liquido verso l’alto: si avrà un piccolo residuo di materiale non utilizzato.
• È necessario un sistema di controllo per capire quando interrompere l’avanzamento del liquido, per sapere quando è possibile aprire la conchiglia per estrarne il getto. In caso questo sia assente, non è raro il nervosismo da parte degli operatori a fronte di un eventuale prematura uscita del liquido dalla conchiglia.

Rappresentazioni schematiche dei principali componenti di una macchina a camera CALDA e di una a camera FREDDA. Analizzando due differenti macchine, una con camera calda a pistone tuffante e una con camera fredda a pistone orizzontale osserviamo, per entità e prestazioni, come i diversi tipi di macchine rispondano alle esigenze produttive.