Appunti Optimization and innovation of production processes (parte 4)

Esistono due aspetti critici nella forgiatura:

- È necessario determinare la parte del pezzo in modo da avere la massima area sulla

linea di divisione (parting line), cioè nella zona in cui si raggiunge la massima

deformazione. Questa parte è soggetta a sollecitazioni, quindi è importante

posizionare la linea di divisione in una zona non fragile o che non presenti problemi di

frattura.

- Bisogna inoltre considerare la distribuzione delle tensioni all’interno del pezzo.

Uno dei principali vantaggi della forgiatura è il controllo della struttura dei grani. Con

un’adeguata progettazione, è possibile allineare i grani lungo le direzioni in cui si prevede che

agiranno i carichi durante l’utilizzo del componente.

Resistenza, duttilità e tenacità all’impatto lungo la direzione dei grani risultano notevolmente

superiori rispetto a una struttura a grani disordinati.

La figura mostra un confronto con le tecniche di lavorazione per asportazione di truciolo

(machining) e di fusione (casting), dove la forgiatura o6re un buon compromesso tra

prestazioni meccaniche ed e6icienza produttiva.

Nella maggior parte dei casi, sono necessarie successive operazioni di finitura; pertanto,

durante la fase di progettazione è necessario prevedere un certo sovrametallo di lavorazione,

in modo da garantire una quantità su6iciente di materiale da asportare.

La forgiatura può essere utilizzata sia per componenti di piccole dimensioni sia per pezzi

molto grandi. In generale, si tratta di un processo economicamente vantaggioso per lotti di

produzione medio-grandi.

Il costo totale deriva dalla combinazione di diversi fattori, come il costo del materiale di

scarto, la manodopera e i costi indiretti. Il costo fisso più rilevante è senza dubbio quello dello

stampo, che determina implicitamente la quantità minima di produzione necessaria per

rendere il processo economicamente conveniente.

Per sua natura, la forgiatura rimane un processo particolarmente adatto alle grandi serie

produttive e diventa economicamente vantaggiosa quando il costo dello stampo può essere

ripartito su un elevato numero di pezzi — ciò vale in modo particolare per i componenti di

piccole dimensioni.

Il piano di divisione (parting plan) deve essere scelto in modo tale da garantire che il flusso del

materiale risulti il più possibile parallelo al piano stesso.

Nel caso orizzontale, probabilmente la geometria che si vuole deformare risulta più simile a

quella finale.

Angolo di sformo: è inoltre necessario tenere conto degli angoli di sformo, che variano da 1° a

7–8° a seconda del materiale. In questo senso, una scelta “intelligente” del piano di divisione

può risultare molto utile.

Esistono anche vincoli relativi all’altezza massima dei pezzi.

Se scelgo una geometria come questa, risulta perfetta:

Nessun angolo di sformo. Ora considero questi due:

Nel secondo caso ho una maggiore deformazione del materiale rispetto al primo.

Fusione

Uno dei vantaggi principali della fusione è la possibilità di ottenere forme complesse con una

sola operazione. Il processo può essere automatizzato grandemente o essere in larga parte

manuale (sabbia verde). questa sabbia è solitamente umida ed ha una buona compattabilità.

Altri processi sono quelli a sabbia asciutta, dove la sabbia è cotto ed asciugata prima della

fusione. Esistono anche delle sabbie più o meno legate, spesso utilizzate per le anime, che

permettono per avere migliori finiture superficiali. Una tecnica per cuocere le sabbie è quella

dello shell molding, che consiste nel deporre la sabbia su una piastra in negativo dell’oggetto

che può essere scaldata per indurire il materiale polimerico. In questo campo si trova anche

la fusione in cera persa, utilizzata per pezzi di piccole dimensioni con elevate finiture

superficiali. La fusione in sabbia viene utilizzata virtualmente per qualsiasi materiale,

compatibilmente con l’e6ettiva possibilità di poter raggiungere la temperatura di liquefazione.

Si possono fondere ghise (principali), acciai, leghe, alluminio, ecc. A causa della rugosità

della superficie molte di queste devono poi essere lavorate. Nel caso di precisioni

dimensionali strette questo è tanto più vero quanto il ritiro termico tende a “deformare” il

pezzo. L’economia della produzione dipende fortemente dal tempo impiegato per la

produzione del singolo stampo. Più bassi sono questi costi più basso è il lotto minimo

lavorabile per fusione. Attualmente si utilizzo anche macchine per la prototipazione rapida

per ridurre ulteriormente il costo del modello e rendere tale lavorazione utilizzabile anche per

pochi o pochissimi pezzi (2-3 al limite).

Per aumentare la rigidezza di un pezzo senza aumentare in modo considerevole il suo peso è

possibile fare ricorso a rinforzi. I rinforzi presentano delle caratteristiche critiche in quanto si

hanno variazioni di sezione che possono portare alla formazione di cricche. È necessario

progettare i rinforzi in modo opportuno e limitare al massimo numero di rinforzi che si

intersecano. Analogo problema nasce dall’incontro ed intersezioni di più pareti di materiale,

per cui devono essere adottate soluzioni opportune per mantenere costante quanto possibile

lo spessore del materiale. Analoghe considerazioni devono essere fatte per gli spigoli vivi, in

presenza dei quali si hanno forti rischi di cricche interne. A questo si associano anche delle

considerazioni economiche, per cui non è possibile lavorare dei pezzi con spessori inferiori a

certi valori. Le pareti interne dei pezzi devono inoltre essere più fini (circa il 20% meno) a

causa del più di6icile ra6reddamento, altrimenti si possono verificare delle cavità di ritiro al

loro interno. In caso di necessità di sezioni di6erenti si deve ricorrere a delle rampe

su6icientemente lunghe.

È inoltre necessario prestare attenzione allo sfogo dei gas. La presenza di gas comporta delle

deformazioni locali ed una porosità eccessiva nel pezzo. È quindi necessario predisporre dei

fori per lo sfogo di questi.

La convenienza del processo è riportata in figura

Pressofusione

Un processo particolare di fusione è quello della pressofusione, solitamente utilizzato per

alluminio e leghe di rame e zinco. Questo processo richiede macchine più costose e maggiori

costi fissi (stampi metallici) ma garantisce una più elevata produttività. Questo processo ha

come limitazione il basso peso del pezzo realizzabile (<30Kg), la necessità di avere degli

spessori molto uniformi e non troppo sottili, la necessità ancora più forte di non avere

controsformi per aumentare la produttività e ridurre il costo dello stampo, i pezzi presentano

dei livelli di microporosità abbastanza elevati (dovuti sia alla velocità di iniezione che al

mancato sfogo dei gas). La presenza di bave presenta la necessità di lavorazioni meccaniche

ulteriori.

Asportazione di truciolo

Le lavorazioni per asportazione sono utilizzate per la maggior parte dei prodotti, soprattutto

come fase finale della produzione. È conveniente produrre dei pezzi per asportazione solo

quando piccolissimi lotti sono in gioco o quando sono necessarie elevate precisioni,

altrimenti fusione e forgiatura sono più economiche. Quando è necessaria una buona finitura,

quando si hanno delle parti in contatto, parti in movimento, le operazioni per asportazione

sono sicuramente una fase del processo produttivo. Si possono realizzare parti delle

dimensioni più disperate e di una notevole varietà di materiali. Criteri di progettazione:

1. Evitare sempre queste lavorazioni se sono possibili forgiatura o fusione,

2. Rendere più ampie possibili le tolleranze superficiali e dimensionali,

consistentemente con quanto richiesto dall’applicazione, al fine di ridurre i costi e

evitare operazioni come rettifica e lappatura,

3. Pensare agli sta6aggi in grado di garantire la stabilità del pezzo durante la lavorazione

(magari una superficie larga piana),

4. Evitare angoli acuti o retti che possono portare alla rottura dell’utensile,

5. Evitare il taglio interrotto per aumentare la vita degli utensili e per permettere l’uso di

ceramici più costosi,

6. Progettare la parte in modo che sia abbastanza rigida da non deflettersi o far deflettere

l’utensile durante la lavorazione,

7. Utilizzare quando possibili componenti standard

8. Utilizzare superfici più piane possibili e non conformate,

9. Evitare sottotagli, che comportano l’utilizzo di utensili speciali,

10. Ricorrere allo stampaggio quando possibile,

11. Evitare l’uso di materiali duri o comunque di6icili da lavorare con gli utensili da taglio,

12. Considerare un sovraspessore adeguato (0,4 mm in generale vanno bene),

13. Fare in modo che le superfici legate da tolleranze geometriche siano lavorate con lo

stesso piazzamento,

14. Utilizzare utensili standard.

Le lavorazioni per asportazione possono essere classificate nelle seguenti categorie generali:

- Lavorazioni con utensili da taglio, nelle quali generalmente vengono utilizzati utensili a

uno o più taglienti e operazioni come tornitura, alesatura, foratura, maschiatura,

fresatura, brocciatura.

- Lavorazioni con abrasivi, come rettifica, levigatura, lappatura, ultrasuoni.

- Lavorazioni non convenzionali o ad alta intensità di energia, nelle quali viene usata

energia elettrica, chimica, termica, idrodinamica o altre forme per asportare materiale

dalla superficie del pezzo.

Le lavorazioni per asportazione possono essere consigliabili o necessarie per le seguenti

ragioni:

1. Maggiore accuratezza dimensionale rispetto a quella ottenibile con altri processi.

2. Necessità di avere caratteristiche geometriche quali spigoli vivi o filettature che non

potrebbero essere ottenute altrimenti.

3. Finiture superficiali richieste migliori.

4. Le lavorazioni per asportazione possono rappresentare il metodo più economico per

produrre un componente rispetto ad altri processi, in particolare se il numero di pezzi

da produrre e relativamente contenuto.

Le limitazioni possono invece essere riassunte nei punti seguenti:

1. Nelle lavorazioni per asportazione l’utilizzo del materiale è meno e6iciente e

solitamente è richiesta maggiore energia e manodopera; se possibile le lavorazioni per

asportazione dovrebbero essere evitate o minimizzate.

2. La rimozione del materiale solitamente richiede più tempo rispetto ad altri processi.

3. Se non e6ettuate correttamente possono avere e6etti negativi sull’integrità

superficiale del prodotto, inclusa la durata a fatica.

La lavorabilità per asportazione è una propriet&agr