Teoria terzo parziale di Tecnologia meccanica

Processo di laminazione

Il processo di laminazione permette di creare oggetti molto semplici. Ad esempio, si ottengono le rotaie, le produce la Lucchini. In qualche caso si possono creare profili complessi, anche se vengono prodotte principalmente le lamiere.

Considerazione economica, la laminazione è caratterizzata da alti costi fissi, costo dei rulli, un costo fisso è un costo che si ha sia nel caso si abbia una produzione per piccola serie sia per grandi serie. I rulli non sono dei cilindri perfetti, ma hanno un camber, ovvero sono corretti per tenere conto della depressione del cilindro stesso.

Infatti la laminazione si fa in grossi impianti industriali, ad esempio altiforni. Per laminazione si fanno geometrie molto semplici che hanno poi un’ampia diffusione, prodotti general-purpose, così poi che i pezzi con queste geometrie possano essere venduti più facilmente. Inoltre, si riescono anche ad ammortizzare gli ingenti costi fissi. Quindi, la laminazione è pensata per grandissime serie.

Processo di estrusione

Il processo di estrusione crea oggetti simili a quelli che si producono con la laminazione, oggetti a sezione costante. L’estrusione è un processo alternativo alla laminazione e serve per creare oggetti per piccolissima serie, dipende poi sempre dal materiale. Con materiali facilmente lavorabili conviene creare un profilo estruso con una geometria qualsiasi. Quindi, per quantità elevate si usa il processo di laminazione, per piccole quantità si usa il processo di estrusione.

Come avviene l’estrusione? È un processo che avviene sempre a caldo, dove si ha una deformazione massiva del materiale, che viene spinto attraverso verso una matrice calibrata. Il materiale è caricato all’interno di una camera a temperature elevate, un pistone poi spinge il materiale e lo fa uscire dalla matrice calibrata, con una geometria ben definita. Con l’estrusione, è possibile creare facilmente dei profili forati. L’estrusione può essere continua o interrotta.

Su un profilo estruso, il processo di deformazione è continuo. Infatti, non si ha un istante dove il materiale ha lo stesso valore di deformazione, ma vi saranno zone non ancora deformate, zone in via di deformazione e zone già deformate. Utilizzo quindi una sigma media di flusso plastico, si calcola come ln(A0/Af) che è chiamata anche rapporto di riduzione.

Estrusione diretta

Estrusione diretta: il processo parte da una billetta di materiale contenuta in una camera, poi viene premuta per farla passare attraverso una matrice, si cambia la sua sezione ed il materiale esce con una sezione diversa. Si riesce a far uscire completamente il materiale? Avrei una riduzione della variazione di area e di spessore che tenderebbe ad infinito. È un processo più semplice. Svantaggio: elevate forze di attrito poiché il materiale viene spinto. Le forze aumentano, raggiungono un massimo e tendono poi a diminuire. Rimane costante la forza di deformazione e diminuisce la forza di attrito.

Estrusione inversa

Estrusione inversa: il materiale fluisce in direzione opposta rispetto a quella del pistone. Si ha un pistone cavo con una geometria ben specifica. Il materiale viene messo in basso all’interno di un contenitore ed il pistone forato scende, il materiale risale. Svantaggio: è più complessa. Vantaggi: il materiale sta fermo, non ho forze di attrito, il materiale viene deformato quando arriva il pistone. Nell’estrusione, vi è presente anche la lubrificazione, vengono usate delle paste di metalli a basso attrito.

Si possono fare anche delle estrusioni con dei vuoti. Nei pistoni possono essere presenti dei mandrini di estrusione, che danno la forma al materiale. Abbiamo una macchina più complessa ma una forza che rimane costante.

L’estrusione ha il pregio di dare al materiale una buona finitura superficiale. Quali regioni del materiale subiscono una deformazione? La parte centrale non subisce alcuna deformazione, mentre si ha una deformazione maggiore via via che ci si avvicina alla parte più esterna. Esiste un valore ottimo che è quello dell’angolo di invito del materiale.

Estrusione per impatto

Estrusione per impatto: altissime velocità fanno risalire il materiale verso l’alto. Problemi dell’estrusione: si usano gli spider-gate per creare pezzi con geometrie particolari, ovvero dei mandrini attaccati alla matrice di estrusione tramite spider-leg. Il materiale passa fra la zona centrale del mandrino e la matrice di estrusione.

Il problema principale è il central burst, ovvero la mancanza di materiale nella parte centrale, inoltre essa non affronta una deformazione plastica, del componente. Si verifica a causa della plasticizzazione del materiale. Quando il materiale entra nella zona di plasticizzazione del materiale, tende ad allungarsi.

Processo di trafilatura

Il processo di trafilatura è un processo simile a quello di estrusione, si creano oggetti con sezione costante, caratterizzati da un processo dove si parte da una sezione superiore e s’arriva ad una sezione inferiore. I primi oggetti creati con la trafilatura sono stati i fili, da qui deriva il nome trafilatura. Il processo non presenta una spinta ma il filo è tirato all’interno della matrice.

La trafilatura è un processo fatto a freddo, poiché sennò si stirerebbe il filo. Inoltre viene ulteriormente raffreddato in un bagno d’olio. L’olio raffredda il componente e riduce le forze di attrito. Svantaggi: si possono applicare forze di tiro più alte ma per deformare il materiale si devono applicare forze più alte.

Qual è la forza massima applicabile? È legata alla tensione di rottura di snervamento, la forza massima è tensione di snervamento x tensione del filo.

Le macchine da trafilatura sono multistazione, infatti il filo viene fatto passare attraverso diverse matrici, sempre in un bagno d’olio. Il vantaggio di fare a freddo il processo consiste nell’avere poi un componente più incrudito, quindi più resistente.

L’incrudimento a freddo migliora le caratteristiche del processo. Il filo esce con un’altissima finitura superficiale, non sono quindi necessarie altre lavorazioni superficiali. La tensione di trafilatura è influenzata dalle forze di attrito.

Matrici di trafilatura

Le matrici sono costituite da 4 zone:

• Zona d’imbocco, che serve a centrare il profilo.
• Zona di trafilatura vera e propria, con angolo costante.
• Zona di calibrazione, le matrici, create tramite elettrofusione, devono essere cambiate una volta corrose.
• Zona di uscita, crea un distacco fra la matrice ed il filo stesso.

La matrice di solito è di piccole dimensioni e deve resistere all’usura. Il materiale deve scorrere il più fluidamente possibile, quindi meno attrito si ha meglio è.

Condizione fondamentale della trafilatura: al massimo posso tirare il materiale fino a quando la tensione necessaria per l’operazione di trafilatura è inferiore alla tensione di snervamento del materiale stesso: sigma < Ys, tensione di snervamento.

Forza di trafilatura → formula, nei processi si deve avere epsilon positiva. L’aumento delle caratteristiche meccaniche varia da pezzo a pezzo, ad esempio il magnesio è quello che ne risente di più. Il filo deve essere sempre in tiro, viene tirato dentro la matrice per attrito.

Considerazioni economiche

Considerazioni economiche: un prodotto in generale può essere prodotto tramite processi differenti. Il numero di pezzi da fare è il driver per la scelta del processo produttivo. Guarda grafico su slides dei costi. Ricalcatura, forgiatura e fusione danno luogo a geometrie più complesse rispetto a laminazione, estrusione e trafilatura.

Il principale driver per scegliere è il numero di unità da realizzare: tutti i processi sono descritti da dei costi fissi e da dei costi variabili. Il costo fisso è un costo che a prescindere da quanto produciamo, si ha sempre. Il costo fisso si abbassa man mano che aumenta il costo di unità prodotte, poiché la percentuale di costo fisso che si deve “spalmare” su ogni unità, tende ad abbassarsi.

Investment casting: creo oggetti di elevata precisione utilizzando modelli in cera, è un processo per piccole serie.

Per oggetti di elevata precisione, prima si ha una lavorazione a caldo per definire la geometria del componente, poi operazioni a freddo per definire le tolleranze del componente.

Processi di deformazione di lamiera

I processi di deformazione di lamiera sono processi semplici, caratterizzati da costi fissi bassi e le forze in gioco sono basse. Più basse sono le forze in gioco, maggiori sono le velocità di deformazione. Presentano alti tassi di flessibilità ed elevata velocità produttiva.

Il materiale primario ha già subito lavorazioni precedenti, quindi è un po’ più costoso rispetto ad esempio il materiale per estrusione. Sulle lamiere possiamo eseguire la profilatura, ovvero si possono creare profili con geometria complessa.

Processo di piegatura

Processo di piegatura: si crea oggetto tridimensionale partendo dalla piegatura di un foglio di lamiera. Le macchine per piegatura possono essere manuali e automatiche. La piegatura è un’operazione ripetitiva, per questo viene fatta dai robot, così che si possa diminuire la probabilità che si verifichino errori. Lamiera: oggetto che ha uno spessore di 200 mm, poiché possono essere lavorati con i processi classici di deformazione di lamiera.

Imbutitura

Imbutitura: si prende un foglio di lamiera, si trattiene sui bordi e un pistone scende per fargli assumere la forma desiderata. Il processo è fatto in modo da non avere una variazione di spessore, ci sono delle zone che presentano una variazione di spessore trascurabile e altre invece dove la variazione è rilevante.

Nell’imbutitura può verificarsi il problema delle grinze esterne, poiché la lamiera è richiamata verso l’interno, subisce trazioni e compressioni, per ovviare a questo fenomeno, vi sono dei sistemi che premono la lamiera e cercano di ridurre la deformazione dovuta alla compressione radiale della lamiera; vi è però il problema della forza di attrito. Più aumento la pressione, più si creano delle forze di attrito che aumentano le forze in gioco per andare a creare il componente.

Il processo di imbutitura avviene a freddo. Al salire della pressione, può verificarsi il taglio della lamiera. I rompigrinze sono dei sistemi aggiuntivi che premono la lamiera ma gli fanno fare anche una piccola deformazione. I rompigrinze sono messi in zone dove si vuole aumentare il tiro, essi sono elementi mobili e vanno tarati in base alla lamiera che viene utilizzata. La forza massima si ha a fine corsa del pistone.

La lamiera può avere delle caratteristiche che variano nel tempo: sono legate ai processi di laminazione, infatti possiamo avere caratteristiche meccaniche diverse. La lamiera è creata da un processo di laminazione ed ho una deformazione di tipo piano, ovvero la lamiera quando entra ha una larghezza ed uno spessore definito, quando esce ha la stessa larghezza ma uno spessore diverso da quello che si aveva in entrata. Difetti che si possono verificare: elevata anisotropia del materiale.

L’imbutitura può essere completa o interrotta. Si possono usare stampi con mezzi di contrasto o stampi aperti. Si può fare anche un’imbutitura utilizzando olio in pressione.

Estrusione di coppette

Estrusione di coppette: UTS è quel punto dove il coefficiente di incrudimento K epsilon è pari a n, quindi epsilon = k x nⁿ.

Processo di stiratura

Processo di stiratura: nell’imbutitura si cerca di mantenere gli spessori costanti, nella stiratura si stira il materiale e se ne riduce lo spessore.

Processo di piegatura di lamiera

Il processo di piegatura di lamiera è molto usato poiché si riescono a creare geometrie complesse partendo da un semplice foglio di lamiera. Le operazioni per piccoli lotti sono quasi sempre fatte manualmente da un operatore, anche se il processo adesso viene robotizzato; questo perché le azioni da compiere sono ripetitive, quindi l’operatore può annoiarsi e di conseguenza è più propenso a fare errori nell’esecuzione.

Per la piegatura si utilizzano macchine estremamente semplici, che hanno un punzone. Inoltre queste macchine hanno 2-3 impattori facilmente sostituibili. Il grosso problema consiste nel ritorno elastico, ad esempio piego la lamiera a 90 gradi, ma questa poi tenderà ad aprirsi.

Ciò è dovuto al fatto che quando si piega una lamiera si crea una sollecitazione a flessione sulla lamiera stessa e ciò dà luogo ad una distribuzione delle tensioni fatte a farfalla, ovvero sulle zone esterne raggiungo delle tensioni di taglio da plasticizzare, ma la parte centrale rimane sempre in campo elastico. Con la plasticizzazione il materiale si allunga, nella parte centrale ciò non avviene. Di solito il ritorno elastico è pari circa a 2 gradi, quando si fa la piegatura si deve quindi sovradimensionare l’angolo di piega del materiale.

Il processo di lavorazione di lamiera è un processo curato e veloce, sono processi ad elevata produttività. Non è molto flessibile, poiché se si vuole cambiare geometria la cosa non è semplice.

Profilatura delle lamiere

Profilatura delle lamiere: quando si vogliono creare oggetti profilati di elevata lunghezza, si ricorre ad una piegatura rotante, si ha un punzone rotante al posto di uno che scende. In inglese si chiama Roll Forming.

Processo di piegatura: i rulli vanno dimensionati in modo che il ritorno elastico sia evidente il meno possibile. La piegatura per profili complessi è divisa in vari step. Per creare un profilo qualsiasi in lamiera scatolata, ho la necessità di creare un numero elevato di coppie di rulli di lavorazione. La piega viene divisa in più passaggi per evitare la rottura del materiale.

I rulli presentano anche un altro problema: la lamiera è anisotropa, le caratteristiche meccaniche variano da colata a colata, quindi posso avere una lamiera con caratteristiche diverse e quindi ritorni elastici diversi. Tutte le aziende che fanno prodotti con processi di deformazione di lamiera sottopongono a test i materiali in ingresso.

Calandratura

Calandratura: si effettua una piegatura rotante dell’oggetto, ponendo la lamiera su dei rulli, e per piegare si cambia la distanza che c’è fra il rullo superiore ed il rullo inferiore. La piegatura di tubi presenta un problema, ovvero si crea una strizione del tubo nella zona di piegatura, si riduce la sezione di passaggio, si usano quindi delle matrici conformate per ovviare a questo problema, si limita quindi l’allargamento laterale del tubo.

I processi di piegatura per tubi sono automatizzati, possono essere sistemi a piegatura variabile, può anche variare il sistema di alimentazione. Nello stesso modo avviene la piegatura dei fili.

Lo stampo dev’essere adattato continuamente al materiale. Il ritorno elastico avviene perché si raggiunge lo snervamento solo sulle zone più sollecitate. Stretch forming: si aggiunge una sollecitazione di tiro alla lamiera, oltre alla sollecitazione a farfalla data dalla piegatura. I ritorni elastici sono un grosso problema per la produzione di massa, basta pensare alle parti della carrozzeria delle auto, in generale tutti gli oggetti in lamiera sono soggetti a variazioni della geometria finale nel tempo.

Spinning

Spinning: serve per creare oggetti assialsimmetrici, si usa per lotti di piccolissime dimensioni oppure oggetti molto grandi. Lo spinning necessita di uno stampo semplice. Nella maggior parte dei casi, gli stampi sono fatti in legno. Lo spinning è usato anche per abbassare i costi fissi di produzione. Si prende un foglio di lamiera, si attacca al tornio, usando poi degli utensili a basso attrito per creare un disco di lamiera. Nello spinning si può avere uno spessore costante, sia una fase di stiratura.

Differenze fra spinning e imbutitura: imbutitura è caratterizzata da alti costi iniziali, spinning presenta un costo dello stampo basso ma costi marginali più alti. Se la produzione supera qualche centinaio di unità, conviene passare a metodi che richiedono investimento iniziale maggiore ma costi marginali più bassi.

Processo di tranciatura

Il processo di tranciatura crea oggetti piani partendo da lamiere, è un processo semplice, con un punzone si entra nel materiale, si trancia e taglia la parte che non serve per creare poi geometrie anche complesse. Si possono tranciare spessori fino ad una ventina di millimetri.

La tranciatura è un processo molto semplice: si mette la lamiera sopra uno stampo, questo stampo ha in negativo la sezione di materiale che devo togliere, dei premi-lamiera tengono la lamiera in posizione, un punzone poi scende e trancia l’oggetto. Il gioco che deve esserci fra p