Tecniche e processi di fonderia: Appunti Tecnologie Generali

Tecniche e processi di fonderia

Testo di riferimento: Kalpakjian S., Schmid S.R. (Prentice Hall 2008) Tecnologia meccanica [cap. 5]

Con le tecniche di fonderia si parte dalla materia prima allo stato liquido mediante fusione. Si cola il metallo fuso in una cavità avente la sua stessa forma del pezzo che voglio ottenere, si aspetta che solidifichi, si distrugge o apre la forma ed infine si estrae il grezzo di fonderia, detto anche getto; esso è il pezzo con tutte le appendici attorno che andranno successivamente eliminate per avere il prodotto desiderato.

Infatti, solitamente, il grezzo viene poi sottoposto a:

• Deformazione plastica a caldo, in cui la forma e le dimensioni che do al prodotto finale vengono generate da un macchinario a partire da un prodotto già allo stato solido, ma avente 0,3T_fus < T < 0,6T_fus.
• Deformazione plastica a freddo: ad esempio nell’asportazione di truciolo la lavorazione avviene a freddo e la lavorazione avviene per sottrazione di materiale sempre allo stato solido, ma quando il grezzo ha T < 0,3T_fus.

Da un punto di vista dimensionale la fonderia è molto poco precisa per quanto riguarda le dimensioni e la rugosità. Nella famiglia dei processi di fonderia quella in terra è la peggiore mentre se uso la deformazione plastica miglioro la precisione. Il meglio è legato alla microfabbricazione. Le zone lavorate sono quelle lucide, quelle non lavorate sono quelle opache.

La fonderia

La fabbricazione mediante fonderia rappresenta una delle tecniche più versatili per la realizzazione di semilavorati o finiti.

Le 3 fasi del processo sono:

1. Disegno del modello di fonderia a partire dal disegno del pezzo in produzione

A partire dal disegno e dalle dimensioni del pezzo progetto il modello di fonderia che non dà esattamente la stessa dimensione e forma del prodotto finito, questo perché si deve tener conto di alcuni fattori come ritiro del metallo durante la solidificazione, che comporta una variazione delle dimensioni, angoli di raccordo e di spoglia, per esigenze tecniche per estrarre il grezzo dalla forma, ecc.

Con tecniche di fonderia non solo posso dare forma esterna del pezzo, ma posso anche creare fori, buchi, cioè conferire una forma interna del pezzo. Questo mediante l’utilizzo di anime o tasselli, che sono protuberanze messe nello stampo per evitare che il metallo liquido colato occupi quella zona dello stampo.

Zona rossa = modello del pezzo, che serve per creare poi la forma.

Zona nera = anima e portata d’anima, che servono rispettivamente per creare cavità nel grezzo e per sostenere l’anima nello stampo.

2. Allestimento e costruzione della forma

Una volta progettato e costruito il modello, sono in grado di realizzare l’impronta (= allestimento della forma), la forma nello stampo in cui andrò a colare il metallo liquido. Nell’impronta possono esserci alcune zone interne in cui non può venire colato il metallo liquido, quindi inserisco delle anime: se voglio un foro cilindrico inserisco un’anima cilindrica che mi crea il foro della forma voluta. Il modello da fuori assomiglia al pezzo ed è fatto di due metà.

In foto si vedono la staffa inferiore in cui vi è il modello e la staffa superiore dalla quale è già stato estratto il grezzo.

Ricordo: le portate d’anima servono a sospendere l’anima nell’impronta e le anime servono per creare grezzi coi fori. Le portate d’anima fanno parte del modello e sono quelle appendici nere che ho visto nell’immagine sopra. I due semimodelli hanno dei perni di riferimento, perché il modello è composto da due metà.

3. Fusione del metallo, colata e solidificazione

Pronto lo stampo, attraverso il canale di colata, viene colato il metallo fuso, lasciato solidificare ed infine viene estratto il grezzo.

Durante il processo di solidificazione entrano in gioco altri elementi dello stampo: la materozza, che permette di rabboccare metallo liquido compensando il fenomeno di ritiro, cioè contrazione del metallo durante solidificazione. Ciò evita la formazione di cavità di ritiro, ovvero difetti dovuti alla scarsità di materiale nello stampo. Il metallo liquido rabboccato da materozza deve essere l’ultimo a solidificare, mentre il cuore del pezzo è la prima zona. Questa evita la formazione di difetti e cricche interne.

Esempio

La biella è stata colata dal basso in quanto si vede il quadratino rosso dal quale si immette la colata; le due braccia laterali sono dette materozze e hanno la funzione di rimanere liquide durante la solidificazione, ossia sono le ultime che devono solidificare, così da riuscire a prevenire la formazione di cricche nel cuore della biella. Se solidificassero troppo presto nella biella rimarrebbe una parte liquida, freccia rossa, circondata da solido e si avrebbe la formazione di cricche. La solidificazione della biella avviene dall’alto in quanto in basso è più caldo, infatti il canale di immissione del metallo liquido è in basso. Il buco della biella è ottenuto tramite un’anima nel modello. Il modello è quello con cui si crea l’impronta con cui si crea l’oggetto desiderato. L’impronta è fatta spingendo nella sabbia il modello.

Metodi di preparazione della forma

Si possono avere due diverse tipologie di stampo:

• Forme transitorie: in cui uso la sabbia di fonderia per allestire la forma; quindi dopo la solidificazione distruggo la forma per estrarre il grezzo e la riallestisco per ottenere un altro pezzo.
• Forme permanenti: sono anche dette “conchiglie” e sono fatte a loro volta di materiale metallico; pertanto colo in esse il metallo liquido, aspetto che solidifichi e raffreddi, infine lo estraggo aprendo lo stampo che è diviso in due parti dette staffe. Pulisco i due gusci e faccio la successiva colata, senza dover ricostruire la forma.

Ciclo di fonderia

Il primo passo riguarda la progettazione della cavità in cui colare il metallo: per fare la cavità ho bisogno di un oggetto che, impresso nella sabbia, generi la forma. Quindi per fare il grezzo ho bisogno del modello e dell’anima che, inserita nell’impronta, impedisce al metallo di occupare certe zone e determina l’impronta dello stampo. Pertanto:

1. Formatura forma

Inizio facendo il disegno dell’elemento finito → poi ricavo il disegno del grezzo che tiene conto di sovrametalli, piano di divisione, angoli di sformo e raggi di raccordo. → Infine si ottiene il disegno del modello considerando le informazioni sulla portata d’anima e sul ritiro del materiale metallico.

Dall’elemento finito al grezzo

a. Sovrametalli

Dato che il grezzo di fonderia successivamente necessita di essere lavorato alle macchine utensili per asportare materiale ed ottenere la finitura superficiale desiderata, si deve fare in modo che il grezzo sia più grande del pezzo finito; cioè devo progettare un sovrametallo. Di esso ci sono delle quote predefinite.

In base alla quota che considero e alla dimensione del pezzo la tabella mi dice i mm di sovrametallo necessari per dimensionare il pezzo.

Esempio

Se voglio del sovraspessore sulla quota 70, siccome la dimensione massima del pezzo è 200 allora il sovraspessore deve essere di 6 mm. Pertanto nel modello il sovraspessore relativo all’intera quota deve essere pari al doppio, quindi 12 mm, poiché 6 mm sopra e 6 mm sotto.

La quota 200 mm essendo parte esterna sarà 200 + 2*8 = 216 mm.

La quota 20 mm essendo interna deve essere minore perché aggiungendo sovrametallo all’interno, il foro diminuisce. Per cui sarà 20 - 2*6 = 8 mm.

Attenzione: bisogna porre attenzione nel caso si stia considerando un pezzo forato. In questo caso il foro nel grezzo deve essere più piccolo così che quando lo lavoro alle macchine utensili posso asportare quel sovraspessore per conferire una certa rifinitura superficiale.

↓

Regola sovrametalli:

• Dimensioni del pezzo esterne, aggiungo sovrametallo quindi la dimensione aumenta: [parte esterna d + 2*sovrametallo = originale].
• Dimensioni del pezzo interne, fori, buchi: aggiungo il sovrametallo, quindi la dimensione del foro diminuisce: [parte interna d - 2*sovrametallo = originale].

Immagine a: per il disegno a posso avere due tipi di anime, o una cilindrica senza gradini oppure con già i gradini; in questo caso non devo farli dopo. In entrambi i casi devo comunque fare un’anima più piccola, il sovraspessore in entrambi i casi da togliere è indicato con la freccia rossa.

Immagine b: indica una criticità che si può incontrare. Se ho un pezzo con il sovraspessore di 5 mm però, siccome lì ci andrà una materozza e siccome la materozza è più grande del pezzo, devo fare un canale di raccordo tra la materozza e il pezzo, quindi il pezzo mi viene lungo il contorno indicato con la freccia verde.

b. Piano di divisione

Devo definire il piano di divisione, ossia siccome ho due staffe/parti che formano lo stampo, cioè entro le quali ricavo l’impronta, devo scegliere il piano di divisione dell’impronta che poi sarà il piano di divisione del modello, quindi del grezzo e infine del finito.

Spesso il piano di divisione coincide con il piano di simmetria del pezzo, ma se esso ha forme complicate o non è assialsimmetrico, devo individuare un altro piano.

In generale il piano di divisione deve essere scelto in modo tale che agevoli e permetta l’estraibilità del modello dalla forma senza romperla, in modo tale da non compromettere l’impronta.

Esempio

Devo trovare il piano di divisione che mi consente l’estraibilità del modello: quando ho il modello in legno dentro la sabbia posso avere dei problemi di estrazione dalla sabbia stessa se ad esempio il mio modello è stato inserito in obliquo, per cui si possono rompere dei dettagli: estraendo la parte lunga distruggo il braccio più piccolo obliquo.

Nell’immagine se considero il piano 2 posso sfilare solo verso destra perché verso sinistra mangerei via il dettaglio nel cerchio rosso. Il piano 3 ha problemi sia se sfilo verso l’alto che se sfilo verso il basso. Decido per il piano 3 e sfilo verso il basso: per ovviare al problema dei componenti E ed F faccio un modello così: introduco un tassello che permette di farmi venire la cavità nel cerchietto giallo, figura a sinistra.

Nell’immagine a destra viene mostrato come si possa scomporre il braccio C in due parti: prima estraggo il pezzo due, poi il pezzo 1 a destra ed infine in basso. Se uso tutte e tre le soluzioni per i dettagli spendo di più per il modello ma risparmio poi nelle lavorazioni successive.

c. Angoli di sformo

Soluzione che bisogna introdurre per migliorare l’estraibilità: tutte le superfici del modello perpendicolari al piano di divisione devono essere sformate, ossia inclinate. La superficie nel cerchio rosso deve essere inclinata, ossia essere come quella verde. Se non fosse inclinata la terra sarebbe trascinata con l’estrazione del modello. La superficie nel cerchio arancio è inclinata nel verso sbagliato. Così risulterebbe impossibile estrarre il modello dalla forma.

d. Raggi di raccordo

Gli spigoli vivi nella forma non vanno bene perché sotto la forza del metallo liquido che cola non resisterebbero all’azione erosiva della lega. Questo comporterebbe che parte delle pareti si disgregherebbero e quindi nel bagno fuso si ritroverebbero grani o zolle di sabbia di fonderia che possono:

• Galleggiare nel bagno fuso e quindi andrebbero a finire nella parte di pezzo che asporto alle macchine utensili senza creare difetti permanenti nel pezzo. Questo crea solo danni alla macchina utensile perché quando l’utensile che deve eliminare il sovraspessore incontra la sabbia, esso si rompe.
• Cosa solitamente più probabile, i grani di sabbia di fonderia potrebbero rimanere annegati nel bagno fuso, creando inclusioni non metalliche, cioè difetti gravi e permanenti.

↓

A questo punto, dopo aver considerato i punti a, b, c, d, ho il disegno che esprime fedelmente il disegno del grezzo. Ma io sto progettando il modello, quindi devo ancora considerare le portate d’anima e il ritiro. Se non ho un foro ovviamente le portate d’anima non servono.

Dal grezzo al modello

e. Anima e portata d’anima

Le anime sono elementi in legno o polistirolo che permettono di ottenere un foro nel pezzo, direttamente quando si cola il metallo liquido, senza doverlo fare successivamente con le lavorazioni per asportazione di truciolo.

L’anima deve essere più lunga della dimensione del foro, poiché nello stampo deve esserci anche spazio per la portata d’anima, dove alloggia ed è sorretta l’anima nello stampo.

Nel disegno a sinistra vedo il canale di colata mentre in quello a destra vedo la materozza, quindi la materozza e il canale di colata sono su due piani diversi. Posso avere delle anime non appoggiate a sbalzo. Quando l’anima è montata in questo modo prende il nome di tassello; la parte di terra della portata d’anima deve essere più grande. Quando l’anima e la portata d’anima sono perpendicolari al piano di divisione o quando ho un tassello, devo sempre applicare anche ad essi gli angoli di sformo per evitare accumulo.