Tecnologia meccanica 1

Tecnologia meccanica 1

La produzione & i suoi elementi

Le tecnologie di lavorazione meccanica costituiscono l’insieme dei processi (o trasformazioni) fisici o chimici e dei metodi atti a modificare la geometria, le proprietà e/o l’aspetto di un materiale per realizzare un prodotto, o parti di esso (e infine l’assemblaggio delle parti per formare il prodotto finale).

Per attuare un processo è necessario utilizzare una macchina, la quale per funzionare necessita di un utensile, il quale a sua volta può necessitare di attrezzature, ovvero ausili atti ad ultimare la lavorazione: un sistema è l’insieme di macchina e utensile, mentre un reparto è l’insieme di tanti sistemi, e un insieme di reparti si definisce fabbrica.

Schema delle lavorazioni tecnologiche

Dal punto di vista economico, la produzione è la trasformazione di materie prime o semilavorati in oggetti (di forma o proprietà modificate) caratterizzati da un valore aggiunto, ottenuto mediante una o più trasformazioni e/o operazioni di assemblaggio.

I processi manifatturieri possono essere divisi in:

• Continui, o per processo: caratterizzati da elementi originari non facilmente identificabili e da un prodotto finale non scomponibile a ritroso (indistinguibilità dei componenti a seguito della trasformazione) (es. lamiere, fili, tubi, carta, cemento);
• Discreti, o per parti: caratterizzati da prodotti finali composti da un numero finito di componenti discrete (es. motore endotermico, pianoforte, automobile, aereo); questi processi (la cui complessità dipende dalla distinta base, ovvero il numero di parti, del prodotto) sono caratterizzati dalle fasi di:
  • Fabbricazione: insieme delle lavorazioni che modificano la forma, le dimensioni e lo stato superficiale delle singole parti;
  • Assemblaggio: insieme delle operazioni di giunzione di almeno due parti singole per formare un assieme.

Di una fabbrica bisogna definire la capacità, che può essere distinta in:

• Tecnica: insieme dei processi produttivi di un impianto, che include quindi anche le competenze professionali del personale;
• Produttiva: tasso massimo di produzione che un impianto può raggiungere sotto determinate condizioni operative.

La capacità produttiva è legata anche alla varietà di prodotto, che si riferisce al numero di prodotti diversi che sono realizzati in una fabbrica (varietà molto ampia à quantitativo di produzione molto basso, varietà poco ampia à quantitativo di produzione molto alto); ai numeri di unità di un tipo di prodotto fabbricato in sequenza si riferisce il lotto di produzione, il quale ha una correlazione inversa con la varietà di prodotto.

In un processo si tiene conto anche del ritmo produttivo, ovvero il numero di parti prodotte in un determinato tempo, misurato in JPH (jobs per hour, jobs/hour), al quale è legato il tempo ciclo, ovvero l’intervallo di tempo tra due consecutive uscite di pezzi lavorati dal processo misurato in minuti/parte.

Il comportamento plastico dei materiali

Prova di trazione

Prova effettuata su provini cilindrici (ricavati da billette) o piatti (ricavati da lamiere), la quale deformazione viene misurata dagli estensimetri, ovvero strumenti di misura localizzati alla zona d’interesse e sui quali viene calibrata la lunghezza nominale (che non è quella del provino).

In questa prova conosco istante per istante la forza applicata sul provino poiché viene data dalla macchina, e con buona approssimazione la deformazione, data dagli estensimetri. Il risultato è un diagramma sforzo-deformazione, caratterizzato da:

• Regione elastica: tratto di curva con pendenza lineare pari a E (Modulo di Young). Se venisse rilasciato il carico in questa regione non ci sarebbero deformazioni residue;
• Regione plastica: tratto di curva nel quale la pendenza cambia e nel quale, se rilasciassi il carico, otterrei deformazioni residue dovute alla plasticizzazione del materiale. All’interno di questa regione si denotano dei punti di interesse:
  • Carico di snervamento;
  • Carico massimo: punto nel quale si rileva il massimo valore di forza e dal quale si verifica l’instabilità plastica e quindi la strizione, ovvero la localizzazione della deformazione che porta alla diminuzione della sezione d’interesse. Da questo punto in poi lo sforzo apparentemente diminuisce, ma in realtà si è concentrato nella zona di strizione (poiché il provino prima della strizione si deformava uniformemente, dopo di essa invece lo fa in maniera localizzata), quindi, localmente parlando, non diminuisce;
  • Punto di frattura.

In questo diagramma possiamo distinguere due modelli matematici:

• Regione elastica: = ∙ ; !
• Regione plastica: (Legge di Hollomon), in cui n è l’esponente di = incrudimento (< 1 per rispettare la pendenza della curva). > 0 . − > 0 . ! = ln 1 + = ln = = 1 + = = < 0 . < 0 . ! ! !

Nel campo delle piccole deformazioni e s coincidono, mentre dalla strizione in ≅ ! avanti, il quale inizio si verifica per una deformazione (Dimostrazione), no. = ↑ ↓ ↓ à à ↑ Incrudimento:

L’aumentare di n è legato al fenomeno dell’incrudimento, ovvero l’aumento della forza dal punto di snervamento al punto di carico massimo e dal punto di carico massimo al punto di rottura, ma concentrato nella zona della strizione. Tale fenomeno può anche essere considerato come la purificazione del grano cristallino favorita dal moto delle dislocazioni verso il bordo grano a seguito della plasticizzazione.

Effetto temperatura

All’aumentare della temperatura lo stato di agitazione degli atomi cresce e, superata la temperatura di ricristallizzazione, il reticolo cristallino si rigenera completamente e continuamente, impedendo il fenomeno dell’incrudimento (i reticoli non possono opporsi stabilmente alla deformazione generando incrudimento). Lo sforzo si = distingue per: 1!

• Alte temperature: dove è lo strain rate, ovvero la velocità ≅ 0 → = di deformazione. Non si ha influenza dello strain (deformazione) a alte temperature;
• Basse temperature: . Non si ha influenza dello strain rate. ≅ 0 → = !

Il limite tra basse temperature e alte temperature è . = !"#$%&'!

Aumentando la temperatura si verifica un aumento della duttilità (deformazione massima a rottura più alta a causa dell’ampliamento del campo plastico) e della tenacità, ma allo stesso tempo una diminuzione del carico di snervamento, della durezza e del modulo di elasticità.

Effetto velocità

Per giungere alla ricristallizzazione di un materiale bisogna effettuare processi molto lenti, mentre se si effettuano processi ad alte velocità non si dà tempo a tale fenomeno di avvenire e si permette all’incrudimento di evolversi, aumentando così la resistenza meccanica (poiché procedendo con la plasticizzazione ad alte velocità le dislocazioni avanzano verso il bordo grano purificando il reticolo cristallino, mentre a basse velocità le dislocazioni non raggiungono il bordo grano).

Ci sono altri effetti, come l’effetto di uno stato di tensione idrostatico, che consiste nel far aumentare la duttilità comprimendo la billetta con un liquido da tutte le direzioni in modo da fornire alta pressurizzazione esterna, o l’effetto delle radiazioni.

Prova di compressione

La prova di compressione, a differenza di quella di trazione, viene eseguita su provini cilindrici, e viene favorita rispetto a quella di trazione poiché dopo la strizione dovuta alla trazione il materiale diventa difficile da caratterizzare. Questa prova però presenta la problematica della generazione di componenti orizzontali di sforzo dovute all’attrito con i piatti di compressione, che genera uno stato di sforzo non uniassiale, espresso da:

1! = = ( − ) + ( − ) + ( − ) ( )! ! !! ! ! ! ! ! ! !! 2

Sono gli sforzi principali in direzioni principali, ovvero dove non c’è sforzo di , ! ! ! taglio e a 45° dallo sforzo di taglio massimo: in assenza di sforzi di taglio (direzioni principali) non si ha deformazione plastica (stati di sforzo idrostatici).

Deformazioni

In campo elastico:

1 = − + ! ! ! !1 , = − + ! ! ! !1 = − + ! ! ! ! , > 0, = = 0 :! ! !! = ! !"#$%&"$#'& ! ! = = = ≈ (0,3 ÷ 0,33) ! = = − !"#$%&'(%#)!* ! !! !

In campo plastico, in cui il comportamento del materiale dipende dalla storia di deformazioni (1/ à): + ! ! = − ! ! 2 1 + !! ! = = + + = 0 = − ! ! !! ! 22 ! + ! ! = − ! ! 2 1 ! ! ! , − = ( − ) + ( − ) + ( − )! ! ! ! ! ! ! !22 = − + − + − ! ! !! ! ! ! ! ! !3

Utilizzando un modello reologico rigido-perfettamente plastico, si sostituisce allo sforzo di flusso lo sforzo di flusso medio, che è il valore medio dello sforzo nella curva ovvero −, il rapporto tra il lavoro di deformazione e la deformazione stessa:

!! ! 1 !"# !"# !"#! = = =! 1 + !"# ! !

Attrito

L’attrito funge da freno per il flusso del metallo, causando tensioni residue e possibili difetti, un aumento di forze e potenze di lavorazione e dell’usura degli utensili, che comporta una diminuzione di precisione dimensionale: si genera quindi un profilo di distorsione parabolico, del quale si tiene conto nel computo del lavoro totale! , ( )! ! = + = + + !!"! ! ! ! ! ! , − = !"! , ! !: = → = ∙ !"! ! ! = = ∙ !! !" ! !: = → = ∙ = ∙ !" !! ! ! !

Se l’attrito è molto severo a causa di temperatura e pressione, si può arrivare alla condizione di aderenza, che diventa uno strumento di trasporto completo delle deformazioni.

Modello di Coulomb

Ipotesi:

• Pressioni non elevate;
• < ! !"# = ∙ → = ∙ ! ! ! !

Modello di Tresca

Ipotesi:

• < ! !"# = ∙ = ( )! !"# !"# 3

Processi di colata

La colata è un processo in cui il metallo fluisce, sotto l’azione della forza di gravità o di un’altra forza, in uno stampo dove solidifica e prende la forma della cavità dello stampo stesso; il componente finale si chiama grezzo o getto.

Pro: la colata può essere utilizzata per creare forme complesse e/o di grandi dimensioni, anche per produzioni di massa; alcuni dei processi di colata sono in grado di produrre pezzi net shape, che quindi non necessitano di ulteriori lavorazioni per ottenere forma e dimensioni richieste, o pezzi near net shape, per i quali sono necessarie poche lavorazioni aggiuntive per ottenere la finitura superficiale e le accuratezze richieste. Il processo di colata è applicabile a qualunque metallo che possa essere portato allo stato liquido: alcuni metalli sono più adatti a questo processo, e hanno quindi una colabilità maggiore (capacità di un metallo di essere adatto ai processi di fonderia).

Contro: la colata produce però dei limiti sulle proprietà meccaniche, dovuti alla bassa densità dei getti, oppure delle tensioni termiche di ritiro e/o tensioni termiche residue. Altri difetti sono la porosità dei getti, la scarsa precisione dimensionale e di finitura superficiale, le problematiche ambientali, energetiche e di sicurezza (alte temperature).

I processi di colata si dividono in:

• Forma transitoria: lo stampo in cui il metallo fuso solidifica viene distrutto a seguito di ogni ciclo per rimuovere il pezzo. Questi processi vengono effettuati con forme in sabbia (o terra di fonderia), gesso o sabbia silicea, che permettono la realizzazione di geometrie più complesse;
• Forma permanente: lo stampo (a guscio o a conchiglia) in cui il metallo fuso solidifica può essere utilizzato più volte per la produzione di diversi pezzi. Questi processi vengono effettuati con forme di metallo, la cui T è superiore alla fusione T del materiale da colare; fusione

Nel processo di colata la forma, o stampo, contiene una cavità, la cui geometria determina la forma finale del pezzo; lo stampo è formato da due staffe (cope e drag, che sono fissate e ai quali si applicano contrappesi per contrastare le spinte metallostatiche, ovvero la pressione esercitata dal metallo liquido sulla parete superiore) inserite in un contenitore separato a metà dalla linea di divisione.

In base alla forma del pezzo si distinguono:

• Stampo aperto: il metallo liquido viene versato fino a riempire la cavità;
• Stampo chiuso: il metallo liquido attraversa un percorso, il sistema di colata, attraverso il quale fluisce nella cavità. Il sistema di colata è costituito da:
  • Bacino di colata: coppa in cui viene versato il metallo fuso che viene utilizzata per ridurre schizzi e turbolenze e per evitare l’entrata di scorie;
  • Canale di colata: canale dal quale il metallo entra nel canale distributore;
  • Canale distributore (o collettore): canale che porta alla cavità;
  • Materozza: serbatoio che serve, tra le altre cose, come fonte di metallo liquido per compensare il fenomeno di ritiro. La materozza è anche un serbatoio di calore, che viene quindi progettata per imprigionare calore e solidificare per ultima, in modo da contenere la cavità di ritiro;
  • Cavità;
  • Anima: forma posta all’interno della cavità dello stampo per definire la geometria interna del pezzo;
  • Attacchi di colata: portano il materiale fuso alla figura.

Fusione & colata

= = à !! = = . . °! = . ° = − + + − !! ! ! ! ! ! ! = °! = . ! = . . °! = . °! ! ! è !

L’aumento della temperatura di colata fa aumentare il tempo di solidificazione, la fluidità del metallo e il costo energetico; anche la velocità di colata influenza lo stato del sistema, poiché se è troppo alta si rischia la generazione di turbolenze (flussi fluidi dati dalle variazioni di velocità del fluido), che causa la formazione di ossidi metallici che degradano la qualità del pezzo, e che aggrava l’erosione dello stampo a causa dell’impatto con il flusso metallico fuso, se invece è troppo bassa si rischia una maggior porosità (entrata di aria) e che la solidificazione avvenga prima di aver completato la c