Appunti completi del corso "Tecnologia meccanica 1"

In azienda:

- Progettazione

- Produzione

Ci deve essere interazione tra le due fasi per garantire il successo aziendale.

Definizione "Tecnologia"

La tecnologia si occupa di risolvere dei problemi, di ottimizzare le procedure.

Utilizzeremo "Modelli di Previsione" dei risultati.

Sono modelli matematici, che hanno dati in input, e forniscono dati in output.

Processi di Base:

avviene all'inizio, quando si lavora il materiale grezzo

- Primari: avviene dopo i primari, quindi si lavora un pezzo già lavorato

- Secondari:

- Fonderia

- Asportazione di Truciolo

- Deformazione Plastica

Dovremo conoscere e gestire i fenomeni fisici che avvengono durante i processi.

Grande importanza è lo studio dei difetti, che fornisce informazioni su come migliorare i processi di produzione.

Ogni processo ha la sua tolleranza, quindi è importante capire quale processo utilizzare in base a come deve essere la

tolleranza del pezzo.

Le tecnologie di lavorazione meccanica (o tecnologie di produzione) costituiscono l'insieme dei processi fisici e chimici, e dei

metodi atti a modificare la geometria, le proprietà, e l'aspetto di un materiale in ingresso per realizzare un prodotto o parti di esso

I processi di produzione necessitano di una combinazione di materiali, macchinari, utensili, energia, informazioni e lavoro.

- Informazioni:

- Saper gestire le informazioni al meglio, permette d avere

un vantaggio competitivo

Sempre di più le informazioni hanno un ruolo importante

- Risorse:

- Manodopera: tecnici e operatori

- Macchina: trasforma l'energia (da elettrica a meccanica)

- Utensile: interfaccia tra la macchina e il pezzo,

permette di trasferire l'energia al materiale in lavorazione

- Attrezzature: vincolano il pezzo alla macchina

L'azienda attraverso i processi di lavorazione crea "valore aggiunto"

C'è un legame tra il settore del manufacturing e il settore dei servizi:

per ogni nuovo posto di lavoro, si generano due posti di lavoro nei

servizi che servono per gestire il manifatturiero stesso.

Quindi bisogna investire nel manifatturiero.

Produzione

Produzione per processo

Gli elementi originari che costituiscono il prodotto finale non sono identificabili, o comunque se anche lo sono il prodotto non

può essere scomposto a ritroso.

Prevale il processo.

Produzione per parti

Il prodotto finale è composto da un numero finito di componenti discreti(non connessi in modo continuo).

La produzione per parti è composta da due fasi:

- Fabbricazione

- Assemblaggio

Volume di produzione

- Produzione in serie limitata ( < 100 )

- Produzione media ( 100 - 10.000)

- Produzione in grande serie ( > 10.000)

Generalmente le produzioni in serie limitata sono fatte da zero partendo dal blocco di materiale, tramite fresatura per esempio.

Invece in produzioni in serie si usano stampi e processi automatizzati.

- Varietà di Prodotto: numero di prodotti diversi realizzati in una fabbrica.

- Lotto di Produzione: numero di unità di un particolare tipo di prodotto.

c'è una dipendenza inversa tra quantità e varietà

Capacità di una fabbrica

- Capacità Tecnica: insieme dei processi produttivi di un impianto. Include sia le risorse hardware, sia le competenze

professionali del personale.

- Capacità produttiva: quantità di pezzi che possono essere prodotti in un determinato periodo di tempo. (mesi/anni)

- Ritmo Produttivo: numero di pezzi in un determinato intervallo di tempo. (parti/ora)

- Tempo Ciclo: intervallo di tempo tra due consecutive uscite di pezzi lavorati. È l'inverso del ritmo produttivo. (minuti/parte)

Colata

Ci sarà un processo di efficienza per ridurre al

minimo la quantità di materiale necessaria per i

canali di colata.

Formatura: Laminazione, Forgiatura, Estrusione, ecc.

È sostanzialmente una "deformazione plastica".

È un processo che permette di avere una determinata

struttura cristallina nel materiale.

L'estrusione è in grado di produrre oggetti con una sezione

molto complessa, si possono fare anche oggetti cavi.

Asportazione: Tornitura, Fresatura, Foratura, ecc.

- Tornitura: ruota l'oggetto

- Fresatura: ruota l'utensile

Collegamento: Saldatura, Brasatura, ecc.

Finitura: Levigatura, Lucidatura, Sbavatura, ecc.

Per produzioni in serie, non è comoda la finitura, perché si ha un grande numero di pezzi.

Per questo i pezzi vengono realizzati per formatura, quindi senza grossi eccessi di materiale,

e poi viene fatta un'asportazione di truciolo solo sulle facce dove è necessario.

Quindi il termine finitura è relativo, in questo caso l'asportazione che viene effettuata è un

processo di "finitura", mentre quello di formatura è un processo di "sgrossatura".

Scelta del Processo

La scelta del processo di produzione è dettata da:

- Fattibilità tecnica, il processo deve rispettare: - le specifiche tecniche(es: tolleranze, rugosità, il materiale)

- il numero di pezzi richiesti

- le normative

- Fattibilità economica: l'attività deve generare un profitto

Classificazione dei Processi

Le lavorazioni possono essere classificate in base all’aggiunta o alla rimozione di materiale:

- ΔM < 0: asportazione di truciolo

- ΔM = 0: deformazione plastica

- ΔM > 0: assemblaggio

Oppure:

Variabilità

Durante i processi di produzione ci sono sempre delle variabilità.

Quindi può capitare che partendo dallo stesso stato iniziale, si ottengono diversi stati finali.

traiettoria di trasformazione

Il problema è che la variabilità non è solo del processo di produzione, ma anche dello stato iniziale.

C'è comunque una cosiddetta:

"tolleranza naturale del processo".

La cosa importante è che la tolleranza naturale del processo sia inferiore alla "tolleranza del prodotto",

ovvero la tolleranza che deve avere il prodotto finale.

Nel caso in cui la variabilità sia superiore alla tolleranza imposta si può:

- cambiare il progetto del prodotto (raramente, visto che spesso si lavora su commissione)

- migliorare il processo

- cambiare processo

- selezionare il prodotto (ovvero tenere tutti i pezzi buoni, e scartare quelli venuti male)

Tolleranza dei Processi Accuratezza dei Processi

Ashby Chart

accuratezza curve isocosto

Tempo di Produzione Costo

Più la tolleranza richiesta è bassa, maggiore è il costo.

Per componenti meno precisi, è richiesto meno

tempo per la loro produzione.

Noi ci occuperemo di questi processi,

quindi non andremo sotto al millimetro.

Esempi: Possono essere utilizzati diversi processi di

produzione per la realizzazione di un prodotto

Lo stesso componente può essere realizzato con diversi processi:

Imbutitura

Si può realizzare anche una "imbutitura inversa", ovvero si esegue un'imbutitura su un pezzo già imbutito, ma dalla parte opposta.

In questo modo si ottiene un pezzo che ha un'intercapedine di aria. (c)

Comportamento dei Materiali

Pressa È la macchina di prova, che deforma un provino.

Solitamente è idraulica.

Può lavorare sia in trazione che in compressione.

La macchina misura:

- lunghezza del provino: da questa di calcola poi la deformazione.

- forza: avendo sia la forza che la deformazione si può calcolare lo sforzo.

- velocità: solitamente è molto bassa, perché le prove sono quasi-statiche,

ma ci sono anche prove dove è richiesto valutare l'effetto sul provino

quando é sottoposto ad una certa velocità.

Curva Sforzo-Deformazione sforzo ingegneristico:

deformazione ingegneristica:

Si è nel campo elastico quando la deformazione residua dopo lo scarico è inferiore allo 0,2%.

La deformazione plastica è caratterizzata dalla costanza del volume, perché mentre il provino si allunga, l'area si riduce.

In campo elastico invece il volume NON è costante.

Fino al carico massimo il provino è soggetto ad una deformazione di tipo uniforme, cioè non è localizzata.

Dopo questo punto il provino, a causa dei difetti del materiale, non riuscirà a distribuire in maniera uniforme la deformazione,

che si andrà a concentrare in un punto, generando la cosiddetta "strizione" (o necking).

A questo punto lo sforzo passa da monoassiale, a tridimensionale.

Sul grafico si osserva una curva discendente, questo perché quando inizia ad avvenire la strizione, non è tutto il provino che

è soggetto allo sforzo, ma solo il tratto centrale, che ha un'area minore, quindi la forza richiesta per continuare la

deformazione è minore.

Ma siccome nella formula dello sforzo si usa sempre l'area iniziale, sembra che lo sforzo stia diminuendo, visto che la forza

diminuisce, ma l'area è sempre quella iniziale.

Curva Reale La curva reale ha valori di sforzo maggiori perché lo sforzo

è calcolato utilizzando l'area reale, che è minore dell'area

iniziale perché c'è il necking.

sforzo reale:

curva ingegneristica In realtà anche con questa formula c'è un

sovradimensionamento dell'area, perché la S si ricava dal

fatto che V = cost. e conoscendo la lunghezza L.

Ma quella che si ottiene è un'area media, non l'area effettiva.

deformazione reale:

Si fa un'analisi locale, dove si considera la lunghezza reale

Definizioni Ingegneristiche: per deformazioni piccole:

Legge che descrive il campo elastico: Diagramma doppio logaritmico

(rappresenta solo il campo plastico)

Legge che descrive il campo plastico(fino all'inizio della strizione):

coefficiente di incrudimento

coefficiente di resistenza

Più n è maggiore, più la curva è pendente.

Avere un n elevato, vuol dire sopportare grandi deformazioni,

quindi più n è elevato, più il materiale è duttile. Da questo grafico si può dedurre:

- n, ovvero la pendenza

Più n è grande, più il materiale tenderà all'incrudimenento. - K, inserendo come valore di deformazione 1

Vediamo cosa accade nel punto dove inizia la strizione:

= massimo della forza

Dalla costanza del volume:

L'inizio della strizione avviene quando ε = n, quindi quando ε = a/b

Siccome la strizione inizia ad avvenire quando la deformazione vale n,

ecco perché un materiale che ha un n elevato può essere deformato a

lungo, quindi è più duttile.

Incrudendo un materiale, si aumenta il suo campo elastico,

ovvero si aumenta l'Rs.

Ma si riduce il suo campo plastico, quindi diventa più fragile.

Comportamento dei diversi materiali:

Tenacità: area sottesa alla curva sforzo-deformazione È un'energia specifica, chiamata: "energia di deformazione".

La tenacità ci dice quanta energia serve per portare a rottura il materiale.

Effetto della Temperatura Aumentando la temperatura:

- si riduce il modulo di Young

- si riduce Rs

- si riduce la durezza

- il materiale diventa più duttile

- aumenta la tenacità

Esiste una temperatura detta "temperatura di ricristallizzazione", che permette al reticolo cristallino di riorganizzarsi.

Quindi lavorazioni che avvengono a temperature superiori avranno grani fini, lavorazioni che vengono fatte a

temperature inferiori avranno grani più grossi e allungati.

Le ceramiche sono usate come utensili per i processi di

asportazione di materiale, perché hanno ottime qualità

anche ad alte temperature.

Tensione Idrostatica Un provino sottoposto ad uno stato di tensione idrostatico significa che

è soggetto a sforzi lungo tutte le direzioni.

Generalmente si osserva che la deformazione a rottura aumenta.

Velocità di deformazione

A temperatura ambiente la retta è quasi orizzontale, quindi non

cambia il valore di sforzo a seconda della velocità.

All'aumentare della temperatura, la velocità di applicazione del carico

influisce sul valore di sforzo necessario da applicare. (velocità di deformazione)

Prova di compressione Alcuni materiali hanno un comportamento simmetrico,

tranne per il fatto che in compressione non avviene la strizione.

Sforzi Multiassiali

Nella realtà però gli sforzi non sono uniassiali.

Per passare da sforzi uniassiali a sforzi triassiali si usano principalmente i criteri di Tresca e Von Mises.

L'energia spesa nella deformazione, è chiamata "energia di distorsione", è solo l'energia responsabile del cambiamento di forma.

(multiassiale) (monoassiale)

indica che stiamo osservando il "flusso" del materiale

Dato un certo materiale, sia che sia sottoposto ad uno stato di sforzo monoassiale, sia che sia sottoposto ad uno stato

di sforzo multiassiale, il valore dell'energia di distorsione che porta quel materiale in campo plastico è lo stesso.

Modelli dei materiali Rs elastico:

plastico:

σ

Rs

Rs - Elastico Perfetto: non ha campo plastico n

- Elasto-Plastico con incrudimento: ciò che fa variare l'inclinazione è che nel campo plastico ho un ε

- Elasto-Plastico Perfetto: in questo caso k = Rs, ma questo perché n = 0

- Rigido-Plastico Perfetto: E(modulo di Young) è infinito, quindi non esiste campo elastico

Nel caso di temperature molto alte si utilizza questa formula:

Fonderia

È un processo primario, perché si parte dal materiale grezzo.

La capacità di processo nel rispettare una tolleranza non è molto elevata, quindi quasi sempre sarà necessaria

una successiva lavorazione.

La fonderia non si presta bene a materiali che hanno la tendenza ad ossidarsi, perché divenendo molto fragili, essi

andrebbero mantenuti in un'atmosfera controllata.

"Stampo": forma in metallo.

La forma ha una cavità, nella quale si versa il metallo.

La forma deve essere porosa, poiché deve permettere di

fare uscire i gas, altrimenti si formerebbero delle bolle.

Siccome il metallo diminuisce la sua temperatura molto

velocemente, dopo pochi secondi ci sarà una riduzione del

volume del metallo, e quindi si formerà un'intercapedine tra

il metallo e la forma.

Il fatto che la solidificazione(quantomeno sulla superficie)

avviene molto velocemente, permette di estrarre il pezzo

dopo poco tempo e lasciarlo raffreddare al di fuori della

forma, e questo garantisce un'alta produttività.

Il "getto" è il pezzo che viene estratto dalla forma,

comprese tutte le appendici di colata.

Il "grezzo" invece è il pezzo senza le appendici.

Forma Transitoria Forma Permanente - Forma transitoria: deve essere distrutta per

prelevare il pezzo.

- Forma permanente: può essere riutilizzata.

Per pezzi molto fini e dettagliati, è necessaria

la fonderia in terra.

La fonderia permette di creare forme complesse.

Alcuni processi di colata sono in grado di produrre pezzi "net shape",

cioè finiti, che non necessitano di ulteriori lavorazioni.

Altri processi di colata producono pezzi "near net shape", cioè che

necessitano di lavorazioni aggiuntive, principalmente sulle superfici di

interfaccia, che necessitano di grande accuratezza per permettere

l'assemblaggio.

Un'altra caratteristica dei materiali è la "colabilità".

È una caratteristica di tipo tecnologico, non fisica.

È la capacità di raggiungere una distanza elevata, quindi materiali con colabilità

elevata riescono a raggiungere e riempire più facilmente tutto lo spazio della forma.

La ghisa è molto colabile, quindi è molto usata in fonderia, principalmente per realizzare componenti molto grossi.

La zama (o zamak) è una lega anch'essa molto colabile. I vantaggi sono di poter fare pezzi molto complessi e basso costo,

anche se le performance meccaniche non sono molto elevate.

Il magnesio invece è molto difficile da lavorare, non solo per fonderia, ma anche con gli altri processi di produzione.

I problemi del magnesio sono che: si ossida, e non resiste bene alla deformazione plastica, quindi è piuttosto fragile, non è in

grado di accumulare molta energia.

Il titanio è molto leggero, e ha ottime proprietà, infatti è usato sugli aerei. Però anche il titanio si ossida, per cui è difficile da

trattare in fonderia.

Le leghe di nichel sono molto resistenti al calore, e vengono deformate poco da esso.

L'alluminio ha una temperatura di fusione di circa 700°C, mentre quella dell'acciaio degli stampi è di 1600°C,

quindi l'alluminio si lavora per "pressofusione", un tipo di fonderia in forma permanente.

Criticità

- Tensioni termiche residue

- Porosità

- Precisione

- Finitura superficiale

- Sicurezza dell'operatore

- Problematiche ambientali ed energetiche (anche per questo è preferibile fare pezzi "net shape",

così l'energia utilizzata per fondere il metallo non viene sprecata dovendo poi rimuovere parte del pezzo)

Qualità

La qualità della fonderia è abbastanza scarsa rispetto ad altri processi.

La qualità dei pezzi prodotti da forme metalliche è superiore a quella da forme in terra.

Le forme in metallo, quindi gli stampi, infatti sono lucidati, e questo fa si che i pezzi abbiano già una finitura molto buona,

molti sono addirittura "net shape".

Processo di Colata Staffa: è la cornice metallica che contiene la sabbia da

fonderia. È divisa in superiore e inferiore.

Bacino di Colata: è dove viene versato il metallo.

Canale di Colata: è dove il metallo fluisce

Materozza: serbatoio che permette di fornire più metallo,