Appunti del corso Tecnologie delle strutture aerospaziali metalliche e in composito (parte 1)

LAMINAZIONE A TUBO (TUBE ROLLING)

È un processo che serve per cambiare spessore e il diametro dei tubi attraverso il passaggio

tra rulli sagomati. Il mandrino interno può essere presente o assente.

Il Diametro dei rulli decresce mano a mano che passo all’interno dei rulli sagomati sempre

più piccoli

FORGIATURA

La seconda tipologia di lavorazione per deformazione plastica che si classifica tra le BULK

PROCESS , ovvero quelle lavorazioni che sono adatte per processare grandi volumi, è la

FORGIATURA.

Abbiamo già detto che la forgiatura (forging) consiste nell’andare a deformare un pezzo di

metallo tramite martellatura, compressione o sotto pressione all’interno di uno stampo. Ora

entriamo più nel dettaglio.

L’obiettivo principale della forgiatura è modellare il materiale in una forma desiderata . Per

svolgere ciò si deforma progressivamente il materiale nella forma voluta attraverso azioni di

ricalcatura eseguite mediante una pressa o maglio.

In questa lavorazione il lingotto è schiacciato da una pressa. La lavorazione consiste

nell’andare a imprimere nel materiale una deformazione plastica attraverso l’impatto di un

maglio o chiudendolo a pressione tra due stampi. Quest’ultima lavorazione è più veloce

mentre nella forgiatura a impatto posso avere più energia perchè riesco a sfruttare il

momento d’inerzia del maglio.

Forgiatura può avvenire alle seguenti temperature

● forgiatura a freddo, uso più energia

/ ≤ 0, 3

● forgiatura a tiepido

0, 3 < / < 0, 6

● forgiatura a caldo

/ ≥ 0, 6

Con la forgiatura posso ottenere prodotti NET-SHAPE cioè alla forma finita del componente

oppure posso ottenere componenti NEAR-NET-SHAPE cioè molto vicino alla forma finale

del componente.

La forgiatura viene svolta con una pressa idraulica. Con tale processo produttivo realizzo

componenti (‘massivi’) per aerei come i carrelli d’atterraggio. Però ci possono essere residui

di forgiatura, come la bava a cui bisogna prestare attenzione.

La forgiatura può essere ulteriormente divisa in tre categorie

● A stampo aperto (‘open die forging’)

○ Il pezzo in lavorazione è premuto su due facce tra il pistone e l’incudine; la

superficie degli stampi può essere piana o sagomata in modo tale da ottenere

la forma desiderata

● A stampo (‘impression die forging’)

○ Il pezzo è costretto ad assumere la forma della cavità tra essi compresa. In

generale svolgo questa lavorazione a caldo

○ È presente radialmente un canale di scolo, detto canale di bava, in cui è

possibile far fluire una piccola quantità di materiale in modo tale da facilitare il

riempimento dello stampo

● A stampo chiuso (‘closed die forging’)

○ È simile al impression die forging ma si differenzia da quest’ultimo perché non

è presente il canale di bava

FORGIATURA A STAMPO APERTO (‘OPEN DIE FORGING’)

La forgiatura in stampo aperto avviene per ricalcatura. Rappresenta l’operazione di

forgiatura più semplice. Essa consiste nell’andare a disporre un semilavorato tra due

superfici dette pistone e incudine, alle quali può essere adottato anche uno stampo per

realizzare la forma voluta, dopodiché viene impressa una forza di compressione che fa

adattare il semilavorato allo stampo.

Nel caso ideale, il cilindro quando viene schiacciato, ha come conseguenza che si allarga il

diametro e l’altezza si abbassa. Nel caso reale nella superficie di contatto ho un perchè

ℎ ∆

il semilavorato si trova a una alta temperatura mentre l’incudine o gli stampi si trovano a

temperatura ambiente. Questa differenza di temperatura fa insorgere nelle zone di contatto

degli sforzi di tensione che creano attrito. Tali sforzi danno luogo al fenomeno di

imbarilimento che causa l’inflessione delle linee di flusso nella zona centrale del cilindro

perchè all’interno il materiale ha una più elevata temperatura quindi è facilmente

deformabile. Più comprimo il cilindro e maggiori saranno d’intensità le forze di attrito. Tale

effetto può essere mitigato con l’effetto di lubrificanti opportuni oppure usando stampi

riscaldati.

LEZIONE 5/03/2024-6/03/2024

Forgiatura è una lavorazione per deformazione plastica che si classifica tra le BULK

PROCESS , ovvero quelle lavorazioni che sono adatte per processare grandi volumi. La

forgiatura (forging) consiste nell’andare a deformare un pezzo di metallo tramite

martellatura, compressione o sotto pressione all’interno di uno stampo.

La forgiatura altro non è che l’applicazione di forze di compressione per questo viene

chiamata ricalcatura.

Inoltre ieri abbiamo detto che la forgiatura può avvenire in stampo aperto oppure in stampo

chiuso. Il grosso problema della forgiatura in stampo aperto è che se non prevedo una

corretta lubrificazione ho delle forze d’attrito che mi causano l’imbarilimento.

In classe fa vedere due video

1. È la simulazione di come viene svolto un processo di fusione-colata-solidificazione

attraverso un programma di calcolo

2. Fa vedere la forgiatura a caldo e a freddo. Nella forgiatura a caldo ho che si utilizza

meno forza. In quella a freddo ho più resistenza perché la ricristallizzazione ne

aumenta la resistenza.

FORGIATURA A STAMPO (‘impression-die forging’)

È una lavorazione a caldo per favorire la duttilità del materiale e ridurre le forze

applicate

Con questa lavorazione produciamo dei lavorati NET-SHAPE oppure

NEAR-NET-SHAPE

Nella forgiatura a stampo il pezzo subisce una compressione su uno stampo e durante la

compressione la cavità dello stampo è riempita dal materiale. Quindi il pezzo a fine processo

avrà acquisito la forma della cavità dello stampo. Durante il processo parte del materiale

finisce nel canale di bava e genera la cosiddetta “bava”.

I canali di bava sono importanti perché le forze d’attrito presenti nei canali producono una

resistenza all’avanzamento del materiale nel canale. In questo modo si forza il materiale

presente nella cavità a riempire correttamente lo stampo. Inoltre, se sto svolgendo una

lavorazione a caldo la bava si raffredda più rapidamente, in questo modo viene incrementato

la resistenza radiale all’avanzamento.

Nella forgiatura in stampo le forze che abbiamo in gioco non sono calcolabili perché sono

complesse ma sono molto importanti. Il calcolo delle forze di forgiatura è un fenomeno molto

complesso

Come facciamo a stabilire le forze che agiscono nel pezzo?

I parametri che influenzano la forza utilizzata in un processo di forgiatura sono

● la complessità del componente

● Variazione di attrito nelle diverse zone dello stampo

● La temperatura non è omogenea. Quest’ultima influisce direttamente σ − ε

all’interno del materiale. Infatti questo fenomeno è la causa dell'imbarilimento nel

open die forging

● la velocità di deformazione

ε'

Ciò a cui possiamo fare riferimento per stimare la forza è una curva che mi permette di

ottenere la forza di forgiatura.

All’inizio non ho alcuna forza, perché gli stampi non sono a contatto con il materiale.

Dopodiché inizia a salire finchè non si raggiunge la formazione della bava. In seguito alla

sua formazione la forza cresce repentinamente finchè non raggiunge il suo massimo nella

chiusura degli stampi. La pendenza della curva aumenta soltanto quando si ha la

formazione della bava.

Tale curva fornisce la forza di forgiatura per componenti simmetrici semplici. La curva ci dice

che la presenza del canale di bava fa aumentare di molto la forza di forgiatura.

Perciò non si può definire la forza applicata con precisione ma si può stimare tale attraverso

la formula =

● è il coefficiente correttivo della pressione agente e si determina sperimentalmente

● la tensione di flusso del materiale e fa riferimento ai valori di deformazione

raggiunti nel processo

● è l’area del forgiato proiettato sulla superficie di separazione degli stampi compresi

della bava

Con tale formula posso stimare la forza necessaria per svolgere la forgiatura.

I tipici valori del coefficiente si aggirano tra

● forme semplici senza bava

3 ÷ 5

● forme semplici con bava

5 ÷ 8

● per forme complesse con bava

8 ÷ 12

PROGETTAZIONE IN STAMPO

È complicata la progettazione dello stampo dovendo subire variazioni molto complesse a

temperature elevate.

La progettazione dello stampo di basa

● Sulla resistenza e la duttilità del materiale

● Risposta del materiale con cui è realizzato lo stampo alla temperatura e la velocità di

deformazione

● Le caratteristiche di attrito

● Temperatura di forgiatura

Inoltre deve essere previsto il canale di bava il quale deve essere circa il dello spessore

3%

totale del forgiato mentre la lunghezza è volte della bava.

5 ℎ

Inoltre nella progettazione dello stampo sono molto importanti gli angoli di sformo o

spoglia i quali possono essere interni o esterni. Sono necessari per l’estrazione del

forgiato dallo stampo e sono angoli compresi tra .

3° ÷ 10°

Sono dunque importanti per l’estrazione del componente. Bisogna fare particolarmente

attenzione agli angoli di sformo interni i quali devono essere più grandi degli angoli di

sformo esterni in modo tale da consentire l’estrazione del forgiato perché quando il pezzo

si raffredda le dimensioni del componente si restringono.

In ultimo i raggi di raccordo non devono formare spigoli vivi.

Inoltre per realizzare forme complesse posso prevedere l’utilizzo di stampi intercambiabili

detti “die inserts”. Questi sono più stampi intercambiabili e sono realizzati in materiale

altamente resistente.

Abbiamo visto quali sono i parametri fondamentali per la progettazione di una forgiatura

come la linea di divisione, la bava e il raggio di raccordo.

Noti questi parametri quali sono le caratteristiche del materiale dello stampo?

Per scegliere il materiale devo considerare

● n° di pezzi prodotti

● dimensione dello stampo

● proprietà del componente e la sua complessità

● temperatura di forgiatura

● tipologia di operazioni da eseguire

● la conduzione termica dello stampo e la stabilità dim