Appunti del Corso di Tecnologia meccanica

Tecnologia Meccanica

Esame: 3-4 domande di teoria (aperto o quiz?) + 2-3 esercizi.

Le domande sono in inglese, ma si può rispondere in italiano.

Data esame: 24 gennaio

Data esame: 21 febbraio

Gli obiettivi del corso sono quelli di dare i fondamenti delle tecnologie di produzione di componenti metallici e di consentire la valutazione e la scelta della più adatta tecnologia di produzione in base ai requisiti del prodotto finale. Ad esempio io devo realizzare un prodotti ed in base alla geometria, alla tolleranza geometrica, alla rugosità superficiale dobbiamo scegliere la tecnologia per realizzare il prodotto pensato. Quindi la scelta del processo di produzione è strettamente correlata al design del prodotto finale (ingegneria sistema). Se non considero simultaneamente progettazione del pezzo e scelta del processo commetto un grave errore.

Inoltre quando considero i processi di produzione dobbiamo sempre tenere conto della qualità del pezzo ottenuta, dei tempi di realizzazione, della qualità del sistema di produzione.

Esiste un numero numeroso e diverso di processi di trasformazione, alcuni di questi sono innovativi e quindi spesso emergenti.

In questo corso andremo a vedere solo i principali processi di trasformazione di materiali metallici, ovvero ottenere il componente finito dal semilavorato o dal grezzo e in più andremo a vedere dei processi innovativi.

Programma del corso:

• Introduzione
• Richiami sui componenti meccanici ed allo studio dei materiali metallici
• Introduzione ai processi produttivi per i materiali metallici, guardando due superfici entrano in contatto e che si muovono l’una rispetto all’altra (come in questi processi)

Dopo aver richiamato le basi iniziamo quindi a vedere i processi:

• Processi di formazione: sono processi di deformazione plastica, in cui ho una deformazione della parte semplice iniziale (siamo nel campo della deformazione plastica) ottenendo un cambio di forma e ottenendo la geometria finale permanente desiderata del componente ma mantenendo il volume costante, quindi senza la formazione di scarto. Questi processi si divino poi in due categorie:
• Processi di deformazione massiva (bulk): sono processi in cui la parte iniziale solida di partenza ha le 3 dimensioni simili e quindi non trascurabili: cilindro, cubo, parallelepipedo. Tra questi vediamo 4 principali processi: forgiatura, laminazione (rolling), estrusione, trafilatura (drawing).
• Processi di deformazione di lamiera (elementi piatti): in questo processo la parte iniziale che viene lavorata è una lamiera, in cui lo spessore è molto più piccolo delle altre due dimensioni nel piano. Questa caratteristica rende la lamiera un elemento particolare con le proprie particolarità è il fatto di avere un approccio semplice e quindi devo ricorrere a macchine efficaci. Tra i processi vedremo: taglio della lamiera, piegatura (bending), stiratura (stretching), imbuttura (deep drawing).
• Processi di lavorazione di asportazione di truciolo (vado ad asportare del materiale dal pezzo iniziale per dare forma finale e desiderata). Il truciolo è proprio il materiale che andiamo ad asportare per la forma di un indicato, i processi si verificano quindi senza conservazione di volume tra la forma iniziale e quella finale, ho la formazione di uno scarto.

Vedremo quindi:

• Formazione del truciolo
• Tre principali processi convenzionali: tornitura (turning), foratura (drilling), fresatura (milling).
• Altri processi meccanici non sfruttati più: fresatura, meno economici e più costosi.
• Rettifica (grinding): processo di finitura, non convenzionale.
• Altri Processi meccanici non convenzionali: non usiamo più l’energia meccanica, ma altre energie

INTRODUZIONE ALLA TECNOLOGIA MECCANICA

Cosa significa manufacturing? Significa fabbricazione, produzione manifatturiera e industriale. Sono i processi di lavorazione da una forma grezza alla forma finale desiderata del componente.

Anche la fonderia rappresenta un processo di fabbricazione, in cui il materiale grezzo iniziale è liquido e per solidificazione in stampi otteniamo la forma finita. Tuttavia in questo corso non andiamo più a rivedere come dare forma attraverso la colata, casting, già visto in fonderia. Andiamo vedere invece i processi in cui il materiale grezzo di partenza è solido: lamiera, parallelepipedo (un grezzo o semilavorato) viene trasformato in componente finito. Questo corso riguarda la trasformazione di materiali grezzi e di forma semplice in componenti finali. Invece i prodotti finali sono dati da più componenti assemblati non li vedremo in questo corso, questo riguarda l’assemblaggio. Questo corso inoltre non riguarda solo componenti in acciaio, ma anche componenti in materiali non ferrosi, come alluminio ecc.

I Processi di lavorazione sono molteplici, ci sono processi che posso contare quelli che sono i componenti finali in output finali del processo. In questo corso parleremo solo di processi di lavorazione in operazioni di taglio, anche taglio con utensili a rimozione di materiale ad esempio.

Per quanto riguarda la selezione dei materiali, in questo corso parleremo solo di metalli (materiali ferrosi e non ferrosi). In base a cosa viene selezionato un materiale per un componente? Proprietà meccaniche, proprietà chimiche e fisiche (capacità della materiale a resistere secondo alla funzione per cui verrà impiegato), disponibilità e costo del materiale. In alcuni casi selezionerò il materiale anche in relazione ai processi di lavorazione e selezionerò quel particolare processo perché in questo modo ottimali sia scelta che scelta del processo di lavorazione per ottenere il componente finale.

Come scegliere il processo di trasformazione per ottenere un componente? Immaginiamo di dover realizzare un perno in acciaio a basso contenuto di carbonio. Il perno è un elemento simmetrico rispetto ad un asse ed ha una geometria semplice: due cilindri e un tronco di cono di collegamenti tra i due cilindri.

Diversi processi sono disponibili per realizzare questo perno.

A. Potremmo andare a realizzarlo per colata del metallo fuso in uno stampo in sabbia. Ma così devo produrre lo stampo (tempo più costo), tempo di solidificazione del metallo fuso iniziale e ottengo anche dei difetti di porosità dovuti al processo e che riducono la resistenza meccanica del perno.

B. Forgiatura: In questo caso partiamo da una forma iniziale solida e andiamo a modificarla per deformazione plastica. In particolare poche dobbiamo realizzare un perno ci conviene partire da un elemento massivo e in particolare da un cilindro. Di che dimensione? Prendiamo un cilindro che abbia il diametro della parte bassa del perno che devo ottenere, perché noi andremo a deformare il nostro cilindro attraverso una matrice (die) pressando la parte superiore del cilindro, ridistribuendo il volume del pezzo e ottenendo il pezzo finale. Ma anche in questo processo io devo produrre la matrice. Il prezzo per produrre una matrice è elevato, perché è spesso fatta in metallo e la lavorazione di questa richiede rimozione di un buon aliquota di materiale.

Partendo da un pezzo già simile alla geometria finale del perno (cilindro inizialmente grande), con la forgiatura attraverso la matrice, riesco a redistribuire il materiale. Viene compresso secondo la forma della matrice.

Quindi se posso uso la forgiatura, cioè quando ho un elevato numero]

• ovviamente, negativo in compressione). La deformazione ing non è la stessa invece.
• Additività: se vado a realizzare una compressione/trazione in due step, piuttosto che in un solo step diretto, la deformazione totale è la somma delle deformazioni nel caso reale. Questo non si verifica nel caso ing.

Se ε₁ ≠ ε₂ allora le due deformazioni sono circa uguali e quindi anche per la def ing valgono queste due proprietà, altrimenti dobbiamo usare la deformazione reale.

Infatti quando andiamo a fare progettazione siamo in campo elastico e quindi usiamo la def. ing. ma nel nostro caso noi vogliamo ottenere una deformazione permanente e usare la deformazione ing è un errore, dobbiamo usare quella reale.

Così come esiste una deformazione reale e una ing. esistono anche uno sforzo reale ed uno sforzo ing. Lo sforzo ing. è sempre calcolato rispetto alla sezione iniziale del provino A₀, mentre lo sforzo reale è calcolato rispetto alla sezione vera durante la prova, si restringe, fino ad arrivare ad A_f che è la sezione del collo di strizione prima della rottura.

σ_ing = F / A ≠ σ_ing = F / A₀

Bisogna poi ricordare che in campo plastico vale l'ipotesi fondamentale di conservazione del volume, del provino che stiamo considerando. Quindi se sto considerando un provino con tratto utile di lunghezza iniziale l₀ e sezione A₀, il prodotto l₀A₀ = lA è la lunghezza e la sezione nell'istante corrente. Ma posso scrivere anche l₀A₀ = lA_f.

Quindi conservazione del volume A₀ l₀ = A l

Quindi ε = ln( l / l₀ ) = ln( A₀ / A )

Se poi il provino che stiamo considerando è un cilindro A_i = π D_i² / 4

A_f⁰ε = ln ( D₀ / D )² = ε = 2 ln( D₀ / D )

Parliamo ora di temperatura omologa, dove questa è il rapporto tra la temperatura a cui faccio il mio processo e la temperatura di fusione del metallo. Le temperature sono in K e la temperatura omologa essendo un rapporto tra T in realtà è una grandezza adimensionale.

• se la T omologa >0.6: questo significa che la T di processo è piuttosto vicina alla T di fusione del metallo e quindi si parla di lavorazioni a caldo. Quando noi facciamo delle lavorazioni a caldo le facciamo per aumentare la duttilità del metallo e ridurre le forze in gioco, quindi riusciamo ad ottenere delle geometrie più complesse. Infine con questi processi possiamo avere anche delle proprietà meccaniche accettabili perché a queste temperature si verifica una ricristallizzazione dinamica della microstruttura. Tuttavia lavorare a caldo presuppone ovviamente un certo riscaldamento e quindi un certo dispendio energetico e costo.
• Se la T omologa <0.3: questo significa che le lavorazioni avvengono a freddo. In molti casi di lavorazioni a freddo, la temperatura di lavoro è in realtà la T ambiente.