Appunti Tecnologie di formatura, modulo fonderia - terzo parziale

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BERGAMO

Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate

Tecnologia di formatura

(fonderia)

· ·

Solidificazione Progetto del getto Processi di fonderia

· ·

Leghe da fonderia Materiali plastici Asportazione di truciolo

Corso Tecnologia di formatura (fonderia)

Docente prof. Giancarlo Maccarini

Appunti a cura di Cristiano Rollo

Anno accademico 2020/2021

Indice

Notazione 6

I La solidificazione e il progetto del getto 8

1 Il processo di fonderia: storia, impieghi e mercato 9

1.1 Che cos’è la fonderia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2 Vantaggi e limiti del processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3 Campo di impiego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4 La produzione mondiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.5 L’industria italiana di fonderia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2 Nucleazione e solidificazione dei metalli puri 18

2.1 Il cambiamento di stato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2 Nucleazione e accrescimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.3 Nucleazione omogenea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.4 Nucleazione eterogenea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.5 L’avanzamento del fronte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.6 La curva di raffreddamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3 Leghe binarie e diagrammi di stato 26

3.1 Che cos’è una lega . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2 Dalle curve di raffreddamento al diagramma di stato . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3 Solidificazione di una lega a completa miscibilità . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.4 I diagrammi con eutettico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4 Il fronte di solidificazione e la segregazione 36

4.1 La stabilità del fronte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.2 Il coefficiente di ripartizione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.3 La segregazione davanti al fronte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.4 Il sottoraffreddamento costituzionale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.5 Le tre zone di un getto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5 Tempo di solidificazione e modulo termico 46

5.1 L’espressione di Chvorinov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.2 Il modulo termico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.3 Il calcolo del modulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

6 Ritiro e dimensionamento delle materozze 51

6.1 Il ritiro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

6.2 Dove si forma la cavità di ritiro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

6.3 La materozza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6.4 Il dimensionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1

Indice 2

6.5 Il collare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

7 Il sistema di colata 61

7.1 Che cosa deve fare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

7.2 Le leggi che lo governano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

7.3 Il canale di colata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

7.4 Variazioni di sezione e di direzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

7.5 Gli attacchi di colata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

7.6 Sistema pressurizzato e sistema in depressione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

7.7 Il dimensionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

II La formatura e i processi di fonderia 71

8 Terre da fonderia, modelli e anime 72

8.1 Le terre da fonderia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

8.2 I meccanismi di indurimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

8.3 Le anime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

8.4 Il modello . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

9 La formatura in sabbia 75

9.1 La mappa dei processi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

9.2 Sottosquadri e anime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

9.3 La sequenza di formatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

9.4 La piastra a modello . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

9.5 La formatura in motta: il sistema DISAMATIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

10 Formatura a guscio, schiuma persa e colata in conchiglia 87

10.1 La formatura a guscio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

10.2 Le anime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

10.3 La formatura a schiuma persa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

10.4 La colata in conchiglia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

10.5 Il confronto fra i processi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

11 Microfusione e forme ceramiche 95

11.1 Il quadro dei processi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

11.2 La formatura in ceramica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

11.3 La fusione a cera persa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

12 Pressofusione 106

12.1 Il processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

12.2 Lo stampo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

12.3 Pressioni e temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

12.4 Le due configurazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

12.5 Difetti, prodotti, vantaggi e limiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

13 Colata centrifuga 114

13.1 Il principio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

13.2 La colata centrifuga vera e propria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

13.3 Semicentrifuga e centrifugazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

Indice 3

14 Formatura allo stato semisolido 119

14.1 Lo stato semisolido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

14.2 Come si ottiene lo stato tixotropico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

14.3 I tre processi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

14.4 Vantaggi e limiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

15 Formatura in gesso 127

15.1 Il processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

15.2 Materiali e attrezzatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

15.3 I quattro processi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

15.4 Vantaggi e limiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

III I materiali metallici da fonderia 133

16 Alluminio: produzione, proprietà e designazione 134

16.1 Un metallo giovane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

16.2 Proprietà dell’alluminio puro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

16.3 Le leghe di alluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

16.4 La designazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

17 Le leghe di alluminio 141

17.1 Leghe da deformazione plastica da trattamento termico . . . . . . . . . . . . . 141

17.2 Leghe da deformazione plastica da incrudimento . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

17.3 Le leghe per getti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

18 Fonderia dell’alluminio: struttura, difetti, trattamenti 147

18.1 I processi di colata dell’alluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

18.2 La struttura di solidificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

18.3 L’affinamento del grano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

18.4 I difetti principali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

18.5 Il trattamento del bagno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

18.6 Lavorazioni, saldatura, applicazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

19 Le ghise 154

19.1 Che cos’è una ghisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

19.2 Il carbonio nelle ghise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

19.3 Le quattro tipologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

19.4 Massa volumica e ritiro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

20 Magnesio e leghe di zinco 161

20.1 Il magnesio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

20.2 Le leghe di zinco: la zama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

20.3 La pressofusione della zama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

IV I materiali plastici 165

21 Proprietà dei polimeri e resine sintetiche 166

21.1 Che cosa sono le materie plastiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

Indice 4

21.2 Le proprietà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

21.3 Le resine sintetiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

21.4 I polimeri e i loro usi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

21.5 Gli oggetti in plastica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

22 I metodi di lavorazione delle materie plastiche 170

22.1 Dalla base polimerica al granulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

22.2 I processi di trasformazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

22.3 Stampaggio per soffiaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

22.4 Tipi di plastica e utilizzi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

23 Gomme, adesivi, riciclo e nuovi materiali 175

23.1 Le gomme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

23.2 Gli adesivi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

23.3 Riciclare le plastiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

23.4 I nuovi materiali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

24 Classificazione dei processi e comportamento reologico 179

24.1 Che cosa decide la scelta del processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

24.2 Pressione e temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

25 Estrusione, stampaggio a iniezione e soffiaggio 183

25.1 Estrusione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

25.2 Stampaggio a iniezione con estrusore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

25.3 Reaction injection molding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

25.4 Stampaggio per soffiaggio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

V Le lavorazioni alle macchine utensili 188

26 Il taglio dei metalli: moti, parametri e truciolo 189

26.1 Le lavorazioni per asportazione di truciolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

26.2 I moti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

26.3 I parametri di taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

26.4 La formazione del truciolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

26.5 La morfologia del truciolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

26.6 Il tagliente di riporto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

27 Meccanica del taglio: forze, potenze e pressione specifica 194

27.1 Il fattore di ricalcamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

27.2 La deformazione di taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

27.3 Le velocità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

27.4 Le forze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

27.5 Le potenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

27.6 La pressione specifica di taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

27.7 Taglio libero, ortogonale e obliquo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

Indice 5

28 Calore nel taglio e fluidi da taglio 199

28.1 Gli effetti termici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

28.2 A che cosa serve il fluido da taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

28.3 Classificazione dei fluidi da taglio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

28.4 Criteri di scelta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

28.5 Verso il taglio a secco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

29 Materiali per utensili da taglio 205

29.1 I requisiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

29.2 Le nove famiglie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

29.3 Gli inserti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

29.4 Gli utensili rivestiti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

29.5 I materiali ceramici e i superduri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

29.6 Il quadro d’insieme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

30 Usura, durata dell’utensile e lavorabilità 212

30.1 Le cause di degrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

30.2 La geometria del tagliente usurato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

30.3 Le curve di usura e la legge di Taylor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

30.4 La lavorabilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

30.5 Gli aspetti economici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

31 Precisione, rugosità e vibrazioni 219

31.1 Le tolleranze naturali di processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

31.2 Le vibrazioni forzate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

31.3 I fenomeni rigenerativi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

31.4 Il diagramma di stabilità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

Notazione

Le grandezze che ricorrono in più di un capitolo sono raccolte qui con il simbolo e l’unità

adottati nel testo. I simboli usati in un capitolo solo sono definiti dove compaiono, in legenda

attaccata alla formula. Le sigle sono quelle internazionali, sciolte alla prima occorrenza di

ogni capitolo.

Solidificazione e progetto del getto

◦

T Temperatura di fusione C.

.

f

∆T. −

T T

Sottoraffreddamento, K.

f

r Raggio critico del nucleo m. Nel capitolo 27 lo stesso simbolo indica il fattore di

.

c ricalcamento, che è adimensionale.

∆G. Variazione di energia libera J.

∆G Barriera di nucleazione J.

.

c 2

Energia libera superficiale per unità di area J/m .

σ. ◦

Angolo di contatto fra embrione e substrato .

θ.

K. C

Coefficiente di ripartizione, /C (adimensionale).

L

S

C Concentrazione del soluto nella lega di partenza (%).

.

0

C C Concentrazione nel solido e nel liquido (%).

, .

L

S 2

D. Coefficiente di diffusione m /s.

R. Velocità di avanzamento del fronte di solidificazione m/s.

M. V/S

Modulo termico, cm.

ST 2

S Superficie di scambio termico cm .

.

ST

K Coefficiente di scambio termico relativo (adimensionale).

.

ST

T. Tempo di solidificazione s. Nel capitolo 30 lo stesso simbolo indica la durata utile

dell’utensile.

k, n. Costanti dell’espressione di Chvorinov.

b. Ritiro volumetrico percentuale (%). 3

V V Volume della materozza e del pezzo alimentato cm .

, .

m p

M M Modulo della materozza e del pezzo cm.

, .

m p

Sistema di colata

h. Altezza piezometrica, battente m.

p. Pressione Pa. Nei capitoli sull’asportazione di truciolo lo stesso simbolo indica la profondità

di passata. 3

Peso specifico N/m . Nei capitoli sull’asportazione di truciolo lo stesso simbolo indica

γ. l’angolo di spoglia frontale.

Re. Numero di Reynolds (adimensionale).

Viscosità dinamica Pa s. Nei capitoli sull’asportazione di truciolo indica il coefficiente di

µ. attrito.

T T Tempo di colata e tempo di solidificazione s.

, .

c s 6

NOTAZIONE 7

G. Peso del getto comprensivo di materozze e canali kg.

Asportazione di truciolo

v Velocità di taglio m/min.

.

t

v Velocità di avanzamento m/min.

.

a

v v Velocità di flusso del truciolo e di scorrimento m/min.

, .

s

f

a. a

Avanzamento mm/giro; per tagliente.

z

p. Profondità di passata mm.

h h Spesso