Secondo parziale Tecnologia meccanica

TECNOLOGIA MECCANICA

Appunti completi – II Parziale

Deformazione plastica massiva e di lamiera

Ricalcatura · Stampaggio · Laminazione · Estrusione · Trafilatura

Imbutitura · Piegatura · Tranciatura

Processi di fonderia e dimensionamento della fusione in sabbia

Indice

Processi di deformazione plastica ....................................................................................................... 4

Lavorazioni a freddo ........................................................................................................................................ 5

Lavorazione a caldo ......................................................................................................................................... 6

Lavorazione intermedia ................................................................................................................................... 7

Come riscaldare i semilavorati ......................................................................................................................... 7

Forgiatura a stampi aperti ............................................................................................................................... 8

Come risolvere il problema elastostatico ............................................................................................ 9

Attrito adesivo ............................................................................................................................................... 12

Ricalcatura – processo di deformazione plastica ........................................................................................... 14

Lo studio della prova dell’anello .................................................................................................................... 21

Ricalcatura idrostatica ................................................................................................................................... 22

Stampaggio (forging) ..................................................................................................................................... 23

Coniatura ....................................................................................................................................................... 25

A livello microstrutturale ............................................................................................................................... 25

Scomposizione del processo di stampaggio .................................................................................................. 26

Processi complessi per la deformazione plastica .......................................................................................... 27

Principali presse usate in ambito produttivo ................................................................................................. 28

La laminazione ................................................................................................................................. 29

Studio del problema elastostatico del processo di laminazione ................................................................... 29

Valutazione delle condizioni all’imbocco del materiale ................................................................................ 33

Integrazione, determinazione delle pressioni e grafico ................................................................................ 34

Tiro e Controtiro ............................................................................................................................................ 35

Come trovare la coppia di processo .............................................................................................................. 36

Come determinare il massimo rapporto di riduzione ................................................................................... 36

Microstruttura ............................................................................................................................................... 36

Problemi della laminazione ........................................................................................................................... 36

Adattamento del processo di laminazione .................................................................................................... 38

Estrusione ........................................................................................................................................ 41

Classificazione dei processi di estrusione ...................................................................................................... 42

La zona morta e l’angolo di imbocco-uscita .................................................................................................. 43

Studio analitico della deformazione .............................................................................................................. 43

Variabilità della forza in funzione dell’angolo di imbocco ............................................................................. 46

La matrice ...................................................................................................................................................... 47

Altri processi .................................................................................................................................................. 48

Difetti dell’estrusione .................................................................................................................................... 48

Trafilatura ........................................................................................................................................ 49

I costi della lavorazione plastica massiva .......................................................................................... 51

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Deformazione plastica di lamiera ...................................................................................................... 53

Imbutitura ...................................................................................................................................................... 53

Ironing ............................................................................................................................................................ 61

Piegatura ........................................................................................................................................................ 62

Idroforming .................................................................................................................................................... 69

La tranciatura ................................................................................................................................................. 69

Processi di fonderia (metal casting) .................................................................................................. 74

Come avviene la fusione ................................................................................................................................ 75

Leghe e struttura variabili in funzione del processo di fusione ..................................................................... 76

Come avviene la solidificazione ..................................................................................................................... 77

I parametri che influenzano la solidificazione ............................................................................................... 77

Il cono di ritiro ................................................................................................................................................ 78

Classificazione dei processi di fusione ........................................................................................................... 79

Sand Casting – fusione in sabbia .................................................................................................................... 79

Altre tecniche di fusione a forma transitoria ................................................................................................. 84

Fusione in stampo permanente ..................................................................................................................... 86

Analisi di costi della fusione ........................................................................................................................... 91

Dimensionamento della fusione in sabbia ......................................................................................... 92

Il ritiro termico ............................................................................................................................................... 92

Sovrametallo .................................................................................................................................................. 92

Dimensionamento dell’anima........................................................................................................................ 95

Materozze ...................................................................................................................................................... 95

Alimentazione ................................................................................................................................................ 99

La spinta metallostatica ............................................................................................................................... 100

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Processi di deformazione plastica

Un processo di deformazione plastica (metal forming) è definito come un processo con il quale si desidera

ottenere una determinata forma attraverso l’applicazione di forze esterne. Gli strumenti usati, solitamente

chiamati stampi o matrici(die in inglese) applicano una forza che eccede il carico di snervamento del

metallo conferendogli la forma desiderata.

Partiamo da un confronto tra il processo di deformazione plastica e il processo di asportazione di truciolo.

Il processo di asportazione è più flessibile ed è il più utilizzato in assoluto perché permette di ottenere

qualunque componente. Per gli altri processi questo non è vero, ogni processo quindi avrà le sue

peculiarità e i suoi limiti, mentre l’unico senza limite è proprio l’asportazione del truciolo.

Ovviamente, come tutti i processi estremamente versatili ed efficienti, è anche il più costoso: vediamo

adesso perché. Una delle differenze maggiori è che nell’asportazione di truciolo dobbiamo partire da un

semilavorato che contenga in sé il volume dell’oggetto che vogliamo realizzare. Questo comporta lo scarto

di una grande quantità di materiale che abbiamo comunque dovuto acquistare e che quindi fa aumentare

i costi della produzione. Per lavorare in deformazione plastica invece ci occorre poco più del volume di

materiale occupato dal prodotto finale. L’aggiunta di materiale serve per consentire eventualmente

lavorazioni aggiuntive successive senza modificare la tolleranza dimensionale. Si riduce quindi il costo nelle

deformazioni plastiche perché abbiamo bisogno di meno materiale.

Le fibre del materiale, nella deformazione plastica si disporranno però in modo diverso, per cui si deforma

la microstruttura e quindi le proprietà meccaniche del materiale, mentre nell’asportazione di truciolo

questo non avviene e la microstruttura viene conservata.

Con la deformazione plastica quindi abbiamo aumento di durezza, grazie all’incrudimento e questo è

massimo nei punti di massima deformazione. Ad esempio, in una struttura come un cofano, nei punti delle

pieghe l’incrudimento è massimo, ma dove abbiamo mantenuto la geometria del piano di partenza non

abbiamo avuto incrudimento.

Dal punto di vista ingegneristico si fa l’ipotesi che il volume del materiale rimanga inalterato: dal punto di

vista produttivo, quindi, è sufficiente avere un semilavorato di partenza con lo stesso volume. In realtà una

parte di materiale, soprattutto nei processi a caldo, va persa.

La base teorica ovviamente di questi processi fa riferimento allo studio del problema elastostatico che

mi permette di definire lo stato tensionale e la cinematica del processo (tensore delle deformazioni) le

quali sono correlate dalle equazioni di equilibrio e quelle di congruenza. Il problema viene risolto in

forma chiusa introducendo delle relazioni di legame tra questi due tensori. L’equazione di legame è

ovviamente la curva di flusso plastico che, grazie alle relazioni di Tresca o di Von Mises, che ci

=

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permettono di ricondurci da stress triassiali a stati equivalenti monoassiali, può essere usata per studiare

lo stato deformativo.

I processi di deformazione plastica convenzionali sono due, ma ne esistono molti altri, dai processi di

idroformatura alle lavorazioni laser.

I processi classici, che noi andremo ad analizzare, si suddividono comunque in processi di deformazione

massiva e processi di deformazione delle lamiere.

La deformazione plastica massiva si applica su semilavorati di partenza che hanno all’incirca tutte le

dimensioni dello stesso ordine di grandezza. Si applica quindi a geometrie in cui lo spessore non è

trascurabile.

La deformazione plastica di lamiera invece si applica in processi dove si cerca di modificare la forma senza

variare troppo lo spessore della lamiera stessa di partenza. I processi di deformazione sulla lamiera sono

quindi molto vari: anche se la forma cambia molto rispetto al materiale di partenza tali processi di

deformazione concentrano le modificazioni su specifici punti richiedendo quindi una minore forza di

processo e un minore incrudimento.

Un altro parametro fondamentale è la temperatura di processo, sulla base della quale si definiscono

processi di lavorazione a caldo, a temperatura intermedia e a freddo. Individuare la temperatura di

processo è fondamentale per stabilire le forze di deformazione necessarie.

processi di lavorazione a freddo

• < 0.3

< processi di lavorazione intermedia (temperatura di

• 0.3 < 0.6

ricristallizzazione)

< processi di lavorazione a caldo

• 0.6

Come sappiamo poi dobbiamo tenere conto anche della velocità di applicazione del carico, che ha un

effetto tanto più rilevante quanto maggiore è la temperatura.

Un aspetto che non abbiamo mai considerato però è l’attrito che nei processi di compressione è

considerevole, date le forze di scorrimento relativo che si vengono a generare tra lo stampo e il pezzo.

Lavorazioni a freddo

La lavorazione a freddo è uno dei processi maggiormente impiegati e adesso cercheremo di illustrarne

pregi e difetti. Il primo vantaggio è che il costo degli utensili è basso, perché non devono sopportare le alte

temperature del materiale. La lavorazione richiede sempre stampi che abbiano caratteristiche meccaniche

maggiori, ma che sono comunque meno costosi dei materiali termoresistenti.

Abbiamo una bassa influenza della velocità di applicazione, per cui è possibile eseguire anche la

deformazione in modo molto rapido senza che ne risenta eccessivamente. Gli stampaggi in serie vengono

sempre eseguiti a freddo.

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Non abbiamo costi legati al riscaldamento del semilavorato. Non dobbiamo quindi spendere energia né

possedere gli strumenti necessari per riscaldare il pezzo. Non dovendo riscaldare il materiale, non abbiamo

difetti né perdite di volume dovuti alla formazione di ossidi, che invece si formano nei processi di

lavorazione a caldo a causa dell’ossidazione del metallo. L’ossidazione va a danneggiare gli stampi e porta

a una perdita di volume che è difficilmente controllabile.

I processi di deformazione plastica a caldo, quindi, non garantiscono buone tolleranze dimensionali, a

differenza delle lavorazioni a freddo che invece sono più precise.

Come possiamo vedere, con i processi di deformazione a freddo è possibile ottenere forme e precisioni di

grado IT6 che sono lo standard di moltissime produzioni diverse. Questo significa che dopo un processo di

deformazione plastica a freddo si può evitare qualsiasi lavorazione ulteriore.

Gli svantaggi di questa tipologia di lavorazione sono che, ovviamente, dobbiamo usare forze maggiori e,

oltretutto, il materiale arriva a rottura prima, per cui la fase di deformazione plastica è limitata.

Un effetto intermedio, a volte desiderato e a volte no, è invece la modifica delle proprietà meccaniche.

Lavorazione a caldo

Solitamente fatta a temperature superiori a quella di ricristallizzazione, tra circa 900 e 1300 °C per l’acciaio.

Come lavorazione garantisce un’elevata duttilità eliminando i problemi di deformazione plastica. Non si

verifica poi in alcun modo incrudimento o modifica delle proprietà meccaniche.

I contro però, che in parte abbiamo già analizzato, sono che dobbiamo avere utensili più costosi e in più

spendere energia per riscaldare il materiale. Infine abbiamo un pessimo controllo delle tolleranze dovuto

all’effetto delle ossidazioni.

Dobbiamo considerare poi che gli utensili non solo costano di più ma, essendo sottoposti a continui shock

termici, hanno anche una vita molto più breve, senza considerare che gli ossidi di metallo, materiali

estremamente duri, tendono a intaccare e rovinarli.

Lavorazione intermedia

Queste lavorazioni cercano di sfruttare i vantaggi di entrambe le modalità: si cerca quindi di ottenere una

situazione intermedia in termini di vita degli utensili, costi e precisione, riducendo gli sforzi necessari a

ottenere una determinata deformazione. Sono quindi i processi più convenienti in termini di rapporto tra

tipologia di lavorazione e costo.

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In generale oggetti di grandi dimensioni per i quali sono richieste forze di processo elevate, vengono

lavorati a caldo mentre al contrario oggetti di piccole dimensioni si lavorano a freddo in quanto non sono

richieste forze molto elevate. Attenzione: si parla di forze e non di stress () in quanto questo è

rapportato all’area