Tecnologie speciali - riassunti e prove d'esame

Tecnologie speciali

Continuazione di tecnologie meccaniche della triennale. Questo corso racchiude il complesso di nozioni che si riferiscono ai processi di lavorazione dei materiali, sorta di “com’è fatto?”.

FORTUNATO: lavorazioni laser e Additive Manufacturing (15 punti all’esame).

TOMESANI: processi di deformazione lamiere, presse e alcuni processi speciali (20 punti all’esame).

Qui di seguito si riportano alcune note integrative per capire meglio i concetti spiegati successivamente.

Processi di formatura massiva: forgiatura o stampaggio, estrusione, laminazione, trafilatura, ricalcatura o fucinatura.

Nei casi di processo a freddo la forza è indipendente dalla velocità (presse).

“Ma nel grafico di Von Mises cosa cambia se chiede di inserire i punti nell'istante in cui sono stati formati o al termine del processo?”

Dipende dal punto considerato ma sommariamente si immagini un’imbutitura: se sei a fine deformazione un punto dovrebbe trovarsi in parete, quindi primo quadrante di trazione biassiale; se ti chiedesse nell'istante di formatura questo stesso punto sarebbe nel quadrante della trazione mista poiché sottintende che la formatura sia avvenuta quando quel punto apparteneva alla flangia.

L’appunto è organizzato così: riassunto Tomesani, riassunto Fortunato, prove d’esame.

Processi di deformazione delle lamiere

• No spessori troppo elevati.
• Lo spessore rimane circa costante, ci sarebbe una riduzione circonferenziale dovuta ad anisotropia e longitudinale dovuta a diverso incrudimento, ma trascurabile.
• Sostanzialmente 3 zone.

Negli spigoli il materiale si deforma molto di più, mentre lungo i lati del rettangolo il materiale segue più facilmente il punzone —> il materiale deve fluire in ogni direzione con la stessa velocità avendo un moto regolare e privo di difetti —> rompigrinze.

• Diminuzione di spessore sulla calotta.
• Sostanzialmente opposto dell’imbutitura.
• Gli unici punti che si deformano sono quelli sulla calotta.
• Se ci sono più ellissi vuol dire che ci sono diversi incrudimenti.
• Se un punto è a rischio cambiare geometria, lubrificazione, usura.
• Punti sull’ellisse si stanno deformando.
• I punti che stanno sulla curva = strizione incipiente.
• Non esiste fuori dall’ellisse.
• I punti fuori dalla curva = frattura.

Vantaggi e svantaggi

Vantaggi:

• Minore costo del sistema di stampi.
• Possibilità di avere un lato lamiera non graffiato.
• Risparmio di doppie operazioni, rifiniture successive.

Svantaggi:

• Costo elevato due tamponi, usura.
• Maggiore forza massima.
• Maggiore energia spesa per il processo.

Formatura con matrice e piano superiore

Nessun punzone, solo una matrice.

• Costi utensili inferiori.
• Il piano superiore svolge il compito di premilamiera.
• Regolando la pressione del piano superiore si possono regolare gli spostamenti passando da operazioni di puro stretching a operazioni di imbutitura.
• Disuniformità di spessore mano a mano che la lamiera si poggia sulla matrice —> resistenze maggiori nei punti più sottili, maggior incrudimento.
• Tempi di realizzazione più lunghi dei precedenti.

Prodotti: tubi, giunture a tre vie, sassofoni, tubi di scappamento, culle motore, alberi a camme, ecc.

Svantaggi:

• Tempi lunghissimi.
• Produzioni esclusivamente prototipali.

Vantaggi:

• È l’unico processo di formatura che non richiede la realizzazione dello stampo, o comunque è poco costoso.
• Forme parecchio complesse.
• È una ricalcatura punto a punto, lamiera soggetta a compressione, limiti di formatura FLD molto superiori.

Prodotti: parecchio complessi.

Processi assialsimmetrici

Solo per prodotti assialsimmetrici.

• Produttività bassa.
• L’operazione può avvenire con riduzione di spessore oppure a spessore costante, in funzione della spinta impostata sull’utensile spalmatore.

Prodotti: coppe, … solitamente prodotti economici.

• La corsa può essere interrotta in qualsiasi punto.
• Il processo non può essere posizionato sul diagramma FLD, processo misto.
• In ogni punto lungo lo spessore e procedendo dal raggio di piega verso la periferia la deformazione, e dunque l’incrudimento, è differente: dal centro verso le pareti esterne l’incrudimento aumenta, così come procedendo dal raggio di piega verso l’esterno.

Piegatura

Il limite di piegatura dipende dall’orientamento dell’asse di piega rispetto alla direzione di laminazione:

• Se si tende a separare le fibre —> frattura.
• Se si segue il senso delle fibre —> top, max piegabilità.

La formabilità dipende in maniera consistente dalla larghezza. Lamiere larghe sono meno piegabili perché nella zona centrale sono in deformazione perfettamente piana, condizione peggiore; lamiere strette invece possono contrarsi.

Se la lamiera è larga che sia liscia o rugosa non conta nulla. Se la lamiera è stretta: se è rugosa la si piega peggio, se è liscia la si piega meglio, bassi valori del raggio di piegatura.

• È un processo di piegatura effettuato tramite rulli rotanti.
• Permette di ottenere prodotti con lo stesso raggio di curvatura dappertutto.
• Non si verificano variazioni di spessori.
• Una volta arrotolata tutta la lamiera di solito la si chiude con una saldatura.

Punzonatura, tranciatura e finitura

• Sono la stessa operazione ma vista da due punti di vista diversi: punzonatura —> il materiale estratto con il punzone viene scartato, tranciatura —> il pezzo che viene estratto dalla lamiera è il prodotto che ci interessa.
• Stampi importantissimi e molto costosi, punzone + matrice.
• Costi fissi elevati, sostenibili solo per lotti consistenti.
• Altissima produttività.

4 zone differenti sia sul pezzo che sulla lamiera:

• Rollover, negativo.
• Scorrimento, positivo.
• Frattura, negativo.
• Bava, negativo.

Se le forze sono troppo elevate —> punzone o matrici inclinate, aumentando la corsa di lavoro. Nel caso di tranciatura interrotta la curva deve giacere sul PMI, no extracorsa.

• Operazione di “finitura” della tranciatura.
• Serve per aumentare la zona di scorrimento.
• La zona di frattura tuttavia non scompare mai.

Prodotti: ingranaggi, ruote elicoidali.

C’è un dentino che serve per bloccare la lamiera da scorrimenti laterali, il prodotto esterno è compromesso —> per questo non c’è la punzonatura né.

• Pezzo perfetto, 100% di scorrimento.
• Aggiunta di 2 elementi che creano compressione: premilamiera spinge la lamiera sulla matrice, contropunzone spinge la lamiera sul punzone.
• Costi molto alti per i motivi sopra, 4 stampi anziché 2.
• Viene interrotta prima che si verifichi la frattura.
• Si possono realizzare prodotti a più livelli partendo da un unico blank, aumenta la resistenza del prodotto nella zona assottigliata.

Estrusione diretta e inversa

Il punzone obbliga il materiale ad uscire attraverso una cavità praticata sul contenitore. Viene sagomato con la forma del foro stesso.

Il materiale esce dal verso opposto rispetto al punzone. Il prodotto finale è tipo un bicchierino, simil imbutitura, ma si parte da un massello di grosso spessore.

Tecnologie speciali di taglio

Si suddividono sostanzialmente in tagli caldi e tagli freddi, in tecnologie lente e tecnologie veloci.

Ossitaglio, arco plasma, waterjet, EDM, laser.

Ossitaglio

• Non ci sono limiti per quanto riguarda lo spessore delle lamiere, no sotto i 3 mm.
• Può trattare molti materiali.
• Facile portabilità su sistemi 3D.
• Spessore tagliabile dipendente dallo spessore della lamiera.
• Può effettuare operazioni di sfondamento.
• Può tagliare solo acciai al carbonio, cantieri edili e navali.
• No operazioni di sfondamento: il taglio deve cominciare dal bordo tranne rari casi.

Arco plasma

• Può trattare diversi materiali, molti.
• Temperature raggiunte molto elevate, usura ugelli.
• C’è un gas plasma utile per il taglio e un gas di assistenza per protezione.
• La velocità di taglio dipende dallo spessore.
• Possono essere lavorati solo materiali conduttori.
• Due modalità: arco trasferito, materiali conduttori, e arco non trasferito, anche materiali non conduttori.

Waterjet

• Taglio privo di zone termicamente alterate, no cricche.
• Altissima precisione ma operazione lentissima.
• Solitamente utilizzata per la realizzazione di stampi e matrici.
• Può realizzare operazioni di sfondamento.
• Può tagliare praticamente qualsiasi tipo di materiale e solo alcuni materiali possono essere tagliati con acqua: gomma, plastica, vetro, marmo, fibra di carbonio.
• Lavorazione indipendente dalla durezza del materiale.
• Possibilità di foratura profonda.
• Solitamente usata per turbine integrali.

EDM e laser

• EDM, elettroerosione.
• Padrone incontrastato dei bassi spessori.
• La qualità del bordo di taglio dipende dalla velocità di taglio.
• La velocità di taglio non dipende dallo spessore.
• Superficie grezza, operazioni post-trattamento.
• Può tagliare caratteristiche dipendenti dalle caratteristiche di riflettività del materiale.
• Velocità di taglio dipendente dallo spessore e di piccolissimo diametro.
• Assenza di bave.
• ZTA.

L’effetto di trascinamento, taglio lungo lo spessore un po’ obliquo, è presente in tutti i tagli lineari, così come il problema delle striature, diminuiscono con il diminuire della velocità, e di mancato distacco verso la fine.

Elettroerosione e asportazione

Quando voglio togliere molto materiale è opportuno che aumenti il valore della corrente ma anche la durata dell’impulso —> fase di sgrossatura, l’utensile non si usura troppo e lavoro velocemente. Il problema di lavorare con grandi correnti, max energia, è quello di avere crateri molto grandi —> la rugosità superficiale complessiva è molto alta; devo ottenere una finitura superficiale ottima, invece, devo lavorare con una metodologia completamente opposta: tante scariche e molto piccole, crateri piccoli. La rugosità dipende dall’energia immessa.

Vantaggi e svantaggi dell’EDM

Vantaggi:

• Assenza di bave.
• No usura dell’utensile.
• No ZTA, unico processo insieme a waterjet.
• Discreta velocità indipendente dalla durezza.
• Assenza di tensioni residue.
• Possibilità di realizzare forme complesse.
• Assenza di zone fuse.
• Assenza di cricche.

Svantaggi:

• Elevati costi richiesti per l’energia elettrica.
• Problema di smaltimento del metallo asportato.

È possibile effettuare anche operazioni di foratura —> STEM. Non scende sotto 1 mm di diametro ma può fare fori di profondità elevatissima.

Processi chimici non convenzionali

Processi di lavorazione non convenzionali finalizzate all’asportazione di materiale grazie all’attacco chimico dei reagenti. Solitamente utilizzate per alleggerimento strutturale, fresatura chimica, o per altri scopi, tranciatura fotochimica e incisione fotochimica.

Processo:

• Eventuale ricottura di distensione.
• Sgrassaggio superfici.
• Applicazione maschera.
• Lavorazione.
• Lavaggio.
• Rimozione maschera.
• Eventuali operazioni di finitura.

Magli

• Nessuna possibilità di controllare la corsa.
• La struttura non si carica delle forze generate nel processo.
• Al crescere delle richieste le forze diminuiscono: la mazza battente non viene caricata subito con tutta l’energia necessaria, si procede per step di colpi. L’energia nominale è sempre la stessa, stessa altezza del maglio.
• Tipicamente si effettuano 2 operazioni molto diverse: fucinatura libera, magli piccoli, e stampaggio, magli grandi.
• Le strutture del maglio sono diverse per dimensione e tipologia: telaio a C, più colpi ma più cedevole, e telaio a O, meno colpi ma più rigida.
• Il primo colpo è di tipo plastico, mano a mano che si colpisce la componente di elasticità aumenta.

• Sono tipicamente più semplici e meno costosi, vengono anche chiamati a semplice effetto.
• Energie nominali maggiori e rateo di colpi maggiore.
• Mazza e incudine sono entrambi dotati di moto.
• Maggiori energie in assoluto.

L’efficienza del colpo dipende dal tipo di urto: con un urto perfettamente anelastico l’energia persa risulta 1/4 rispetto all’energia persa in caso di urto perfettamente elastico. Nella realtà l’urto non avviene in nessuno dei due modi —> via di mezzo. Esprimo quindi con un fattore variabile da 1, anelastico, a 4, elastico, l’energia persa nei casi reali.

Nel caso di incudini molto grandi l’efficienza del colpo rimane comunque molto elevata, con una piccola il primo colpo risulta efficiente poi crolla vertiginosamente.

Se ho una macchina con grande per arrivare al mio pezzo finito mi bastano pochi colpi perché l’efficienza è molto elevata, mentre con piccolo all’aumentare del numero dei colpi cala l’efficienza e quindi l’energia che riesco a trasferire al pezzo. Avrò bisogno di molti più colpi per ottenere il pezzo.

Combinando i discorsi precedente: magli a gravità presentano solitamente un’efficienza più bassa per via dell’incudine piccola, magli a doppio effetto avendo un’incudine più grande hanno un’efficienza maggiore.

L’energia persa nel processo è dunque energia che viene ceduta al pezzo e all’incudine. In realtà questa non è tutta energia persa: una quota parte di questa energia mi aiuta a far risalire la mazza nuovamente per il colpo successivo. C’è recupero di energia.

• Non posso regolare la corsa ma solo l’energia, nel caso posso mettere un anello per diminuire la corsa.
• Funzionano come i magli, un oggetto viene lanciato sul pezzo.
• La forza del processo si scarica sulla struttura.
• È caratterizzata sia da una forza che da un’energia nominale, bisogna regolare l’energia in ingresso così da non sovraccaricare la macchina, la forza sulla struttura deve essere < Fmax.
• Si cerca di realizzare il pezzo in un colpo solo —> grande produttività.
• A parità di En, rispetto ai magli, hanno corse minori, maggior precisione, giochi molto più piccoli, minori perdite di attrito, minori sovrametalli e dunque minori lavorazioni secondarie.

Presse a vite

• Pressa tradizionale, 90% delle presse in utilizzo.
• La chiocciola è costruita all’interno della slitta.
• I dischi di frizione sono sostituiti da coni di frizione, superficie di contatto maggiore.
• Forza maggiore e dunque energie più elevate.
• Produttività molto elevata.

L’energia di deformazione elastica è molto consistente, maggiore di quella del maglio; in questo caso c’è una struttura che reagisce alla forza di processo. Le componenti elastiche assumono il valore massimo a fine corsa quando la forza è massima.

• Basso rendimento, molto attrito.
• Presenza di un controtelaio che garantisce una maggiore precisione in fase di stampaggio e una riduzione delle deformazioni elastiche.

L’energia elastica dipende dal quadrato della forza, quindi maggiore è la forza e minore è l’efficienza.

All’inizio ho tutta l’energia nominale poi mano a mano che la forza aumenta l’efficienza cala, una parte di energia finisce in energia elastica e attriti.

È opportuno utilizzare la pressa a vite in operazioni a forza limitata.

• Se l’energia richiesta dal processo è superiore a quella disponibile dalla macchina, punto fuori dalla curva, saranno necessari più colpi per portare a termine il processo.
• Se l’energia richiesta dal processo è inferiore a quella disponibile il processo va al di là del fine corsa desiderato, devo ridurre l’altezza del colpo.
• Bisogna sempre verificare che la forza raggiunta dal processo non superi mai la forza nominale della macchina, sovraccarico.
• Per questo motivo si affronta il processo partendo da un’energia minore di quella nominale.

Anche in questo caso l’energia non viene persa: quella che viene messa nel telaio ma, essendo elastica, aiuta a far risalire la slitta per il colpo successivo, recupero di maggiore entità del maglio.

Presse meccaniche

• Sono macchine a corsa fissa, immodificabile, che si sviluppa tra un PMS e un PMI.
• Anche la velocità di discesa non è regolabile, varia durante la corsa. È nulla al PMS e al PMI dove avvengono i cambi di direzione. È massima a 90º dell’angolo di manovella, metà corsa della slitta.
• La forza del processo si scarica sulla struttura.
• L’energia immessa viene persa per sempre.
• Il PMI coincide con il termine del processo.

Per regolare la corsa di deformazione plastica avendo fissato la corsa della slitta devo regolare la posizione dello stampo inferiore in modo che il processo sia finito al PMI.

La forza disponibile, Fr, è variabile lungo la corsa di lavoro e deve essere sempre superiore alla forza di processo, altrimenti inchiodamento.

La forza nominale, Fn, non deve mai essere superata, leggero sovraccarico, di poco. È la forza che può essere sopportata dalla macchina. L’angolo per cui la forza disponibile uguaglia la forza nominale si chiama angolo nominale della macchina. Per angoli inferiori all’angolo nominale la forza disponibile è maggiore di quella nominale.