Appunti di Tecnologia Meccanica 1

TECNOLOGIA MECCANICA 1

POLITECNICO DI MILANO - FACOLTA’ DI INGEGNERIA INDUSTRIALE

Tecnologia Meccanica 1

Introduzione

Macchina = macchinario che esegue una specifica lavorazione SEMPRE utilizzando un utensile (es. tornio,

fresaTRICE,…)

Utensile = accessorio che la macchina utilizza per compiere una lavorazione (es. punta, fresa,…)

Attrezzatura = ausilio agli utensili per eseguire la lavorazione (es. comparatore,…)

troughput

Ritmo produttivo o = rapporto tra il numero di parti prodotte e il tempo in ore

Tempo ciclo = tempo necessario a produrre una parte

Comportamento dei metalli in campo plastico

La prova di trazione (norma UNI EN 10002) serve a definire

resistenza e duttilità di un materiale. Si esegue attraverso la

macchina in figura che esegue una trazione su di una

provetta di materiale fino alla rottura della stessa, misurando

la forza applicata e l’elongazione della stessa.

Se ne ricava il diagramma sforzo-deformazione (Figura). Il

primo tratto rettilineo è il tratto elastico, governato dalla

legge di Hook , con , modulo elastico di

= =

Young e allungamento relativo. Il tratto elastico termina in

corrispondenza di Y quando avviene lo snervamento, lasciando spazio al campo plastico. Definendo lo

=

0

− 0

sforzo ingegneristico, ovvero riferito alla sezione iniziale del materiale ed la deformazione

=

ingegneristica. Per ottenere un valore più preciso approssimo ottenendo

− →

0

−

0

= → = � = ln → =

0

0

Per collegare sforzo reale con quello convenzionale si ha la formula

= = (1 + ).

Per collegare elongazione reale con quello convenzionale si ha la formula

= ln = ln(1 + ).

0

In campo plastico avviene l’incrudimento, cioè un aumento dello sforzo a parità di sezione causato da un

aumento della resistenza del materiale a causa del riarrangiamento delle dislocazioni dovuto alla deformazione

cui è sottoposto il materiale. Il campo plastico è invece governato dalla legge di Hollomon:

=

Dove esprime il coefficiente di rigidezza del materiale (più è alto e più il materiale è rigido), esprime il

coefficiente di incrudimento che indica l’omogeneità di deformazione del materiale (più è alto e più il materiale

incrudisce uniformemente, ritardando la strizione), ed è quindi importante nelle lavorazioni che implicano una

deformazione permanente del materiale (stampaggio, trafilazione, ecc.). Nei metalli è solitamente inferiore a

0,5.

Come modelli costitutivi (reologici) del campo plastico dei materiali si utilizzano:

A freddo =

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A tiepido = ̇

A caldo = ̇

Materiale perfettamente plastico = materiale che non incrudisce

Nel punto U ha inizio la strizione ovvero una instabilità plastica con deformazione localizzata. Si dimostra che

la strizione avviene quando = :

poiché alla strizione si ha un massimo della forza

= 0 [

= → → = + = = 0] = 0 → = − →

→ = −

Imponendo che il volume non vari durante la trasformazione plastica si ha

= () = 0

Da cui poiché

+ = 0 → − = = =

= − ; − = � → = → =

→�

−1

Per la legge di Hollomon quindi poiché impone che la

= = = = =

derivata della funzione debba essere uguale alla funzione stessa.

−1

Si ha dunque = → = → = .

Aumentando la temperatura si assiste a:

• ↑ Duttilità (deformazione massima a rottura)

• ↑ Tenacità (area sottesa; energia specifica)

• ↓ Carico di snervamento e durezza

• ↓ Modulo di elasticità

Riscontrabili con uno spostamento in basso a destra della

curva − .

Durante la deformazione plastica avviene una ricristallizzazione che necessita di tempo per essere completata.

Eseguendo deformazioni ad alta velocità non si lascia al materiale il tempo necessario a completare tale

riorganizzazione del reticolo cristallino, riscontrando una aumentata resistenza alla deformazione e

ripresentando incrudimento.

Anche uno stato di tensione idrostatico aumenta la duttilità e formabilità del materiale.

La fonderia

La colata prevede la produzione di un getto o grezzo di fonderia colando metallo liquido in una cavità racchiusa

dalla forma. La forma è costituita da sabbia silicea agglomerata e compattata meccanicamente o

manualmente, o metallica. Il metallo è colato nello stampo subito prima della sua solidificazione. Se la forma

viene distrutta ad ogni ciclo, la forma è transitoria e deve essere creata ad ogni ciclo.

Quando la forma viene riutilizzata, la forma è detta permanente ed è metallica, si utilizza in pressofusione,

squeeze casting e colata centrifuga. I processi di fonderia permettono di formare pezzi anche molto grandi,

sopra le 100 tonnellate, a patto però di una maggiore probabilità di trovare imperfezioni nel materiale.

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La differente predisposizione dei metalli alle lavorazioni di fonderia è detta colabilità. Il metallo principe della

pressofusione è l’alluminio, colato in forme di acciaio. Per gli acciai e le ghise viene preferita la fonderia in terra

per la maggiore facilità di impiego.

Criticità della colata:

• Minore densità del pezzo confrontato con pezzi laminati;

• Tensioni termiche di ritiro e residue;

• Scarsa precisione dimensionale;

• Scarsa finitura superficiale;

• Porosità dei getti;

• Sicurezza operatori;

• Problematiche ambientali ed energetiche.

La fonderia in terra avviene in forma chiusa o forma aperta, con la forma formata da almeno due parti (staffe)

metalliche al cui interno viene compattata la terra da fonderia. La forma è costituita da:

• Canale di colata

• Canale di distribuzione

• Attacco di colata da cui il metallo liquido si immette nella cavità vera e propria

• Materozza: serbatoio di calore e materiale che serve ad evitare il ritiro in fase liquida. Deve essere

l’ultima parte del pezzo a raffreddarsi e solidificare. È uno sfrido.

• Cavità vera e propria.

Il calore da fornire al metallo prima della fusione è la somma di:

• Calore per il riscaldamento fino alla temperatura di fusione

• Calore latente di fusione

• Calore di surriscaldamento fino alla temperatura di colata (superiore alla temperatura di fusione)

Affinchè il metallo liquido raggiunga tutte le zone della forma prima di solidificare, è necessario dimensionare

tutta la forma:

• Sistema di colata: deve consentire di riempire la forma il più velocemente possibile senza però

generare turbolenze nel liquido intrappolando così aria e porosità, evitando inoltre che le scorie

entrino nella forma. Le scorie sono gli ossidi che si formano sulla superficie della colata. Deve essere

conico affinchè il metallo liquido resti sempre aderente alla parete evitando che entri aria e facendo

aumentare la velocità.

o Bacino di colata: coppa in cui viene versato il metallo fuso, contiene filtri e dispositivi per

evitare che la scoria entri nella forma;

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o Canale di colata: è il canale verticale all’interno del quale il metallo cade per gravità

acquisendo velocità.

o Canale distributore (o collettore): è il canale orizzontale che consente al metallo fuso di

raggiungere diversi punti della forma.

o Attacchi di colata: portano il materiale fuso alla/e figura/e. 2

Essendo la portata costante si ha e la legge di Bernoulli considerando

= = . ℎ + + = .

2

2 2

1 2 .

la pressione costante si ha + = ℎ +

ℎ

1 2

2 2

In caso di colata in gravità, si ha ottenendo

= 0, ℎ = 0, ℎ = 0 = 2

�

1 1 2 2 à

In caso di colata in sorgente si ha lo stesso

calcolo della colata in gravità, con però la

2

velocità di ingresso nella cavità. Con al termine della colata

= �2 (ℎ − )

2, 1

Si ottiene così una velocità media di efflusso ̅ =

2

+�(ℎ −)

�ℎ 1 1

con .

= � �

2

� 2

Nel caso di colata in piano si ha metà della forma riempita in gravità

e metà della forma riempita in sorgente. La velocità media è ̅ =

, con

2

� 1

=

�

′ ′′

+ �

� � �

à

′′ ′

Dove e sono i rapporti tra i volumi delle semicavità inferiore e superiore e il volume totale.

′ =

Per i metalli puri durante la solidificazione, essendoci un alto gradiente termico tra il metallo liquido e la forma,

si ha la solidificazione immediata della crosta, costituita da grani molto fini e molto duri. Con l’avanzare del

tempo, la velocità di raffreddamento diminuisce diminuendo il gradiente termico e cambiando anche la

struttura metallurgica che si forma. La zona intermedia tra la crosta e il cuore ha quindi una struttura

colonnare, con i grani metallurgici allineati alla direzione del gradiente termico. La zona più interna, detta

cuore, essendo stata raffreddata alla velocità più bassa, presenta struttura a grani grossolani. Più il

raffreddamento è veloce e più sarà uniforme la struttura metallurgica del getto.

Di conseguenza si ha che il raffreddamento è favorito da:

• Getti di spessore limitato;

• Rugosità maggiore della forma, a discapito della finitura superficiale.

Per le leghe, nonostante vi sia un intervallo di temperatura di solidificazione compreso tra le linee di solidus e

di liquidus, la dinamica di solidificazione è pressoché identica. La differenza principale è che la porzione di

materiale adiacente alla crosta presenta una struttura dendritica frastagliata. Aumentando la velocità di

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raffreddamento diminuisce la formazione dendritica e quindi aumenta l’uniformità del materiale,

aumentandone la qualità e riducendo il rischio di segregazioni di diversi componenti della lega.

Il tempo totale di solidificazione per fonderia in terra è determinato dalla legge di Chvorinov

=

Con modulo termico del materiale cioè parametro geometrico di rapporto tra volume e area ,

=

esponente adimensionale (di solito 2), costante sperimentale della forma dipendente dalle condizioni di

colata (metallo fuso, materiale della forma, temperatura di colata). Va riferito a singoli domini del pezzo.

Durante la solidificazione del metallo (sia puro che lega), si assiste ad un suo ritiro nelle dimensioni dovuto alla

diminuzione di volume specifico, durante le tre fasi del raffreddamento: del liquido, durante la solidificazione

e durante il raffreddamento del pezzo. −

Si definisce coefficiente di ritiro volumetrico percentuale proprio di ogni lega/metallo,

=

−

.

coefficiente di ritiro lineare =

La materozza serve a compensare il ritiro in fase liquida e semisolida (entro le curve di solidus e liquidus),

fungendo da “serbatoio” di metallo fuso. Per compensare il ritiro in fase solida va moltiplicata la misura del

getto finito per i coefficienti di ritiro. L’ultimo problema è quello derivante dalla contrazione termica del cuore

liquido che si raffredda e solidifica per ultimo, causando una cavità di ritiro conica appena sotto la crosta

superficiale; tale problema è risolto facendo formare il cono di ritiro nella materozza, preservando il getto. Il

problema delle dendriti è che possono formare porosità nel materiale racchiudendo sacche di metallo liquido

che si raffredderà formando piccole cavità di ritiro nel getto. La materozza va posizionata adiacente e collegata

alla porzione di getto che solidificherà per ultima (solitamente quella con modulo termico maggiore), poiché

vi è una maggiore probabilità che in tali zone si formino coni di ritiro. Per il calcolo del volume della materozza

si utilizza il diagramma di Caine. Il grafico delimita la “zona dei pezzi sani” dalla “zona dei pezzi con materozza

mal progettata”. Su X abbiamo il rapporto tra i moduli termici della materozza e del pezzo (o porzione di pezzo

a cui la attacchiamo) . Su Y abbiamo il rapporto tra i volumi della materozza e del pezzo (tutto il pezzo

=

nel caso abbiamo una sola materozza) . Il diagramma ha l’equazione è il coefficiente

= ≥ + .

−

di ritiro volumetrico, è la minima velocità di raffreddamento relativa.

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È importante lavorare nella zona “piatta” per evitare sprechi e problemi (voglio una materozza piccola ma

calda grande modulo termico). Operativamente si sceglie un punto nella zona dei pezzi buoni

( , )

0 0

(materozze a catalogo), e si ricava il sistema. 3 3

(4+1)

3

Per le materozze cilindriche è importante il rapporto di forma ; si dimostra che e che

= =

2

4

4+1 . Si ricava che la materozza più efficiente ha

= = 0,5.

Per le materozze coibentate che permette rese maggiori.

= 0,6

Il numero di materozze è imposto dalle geometrie del pezzo (eventuali simmetrie, zone geometricamente

differenti…), dal raggio di influenza delle materozze (dopo una certa distanza svanisce l’effetto di

alimentazione della materozza stessa), di solito due volte lo spessore del pezzo, 4.5 volte considerando anche

gli effetti di bordo.

È possibile anche la presenza di imperfezioni dovute alla presenza di gas (soprattutto idrogeno derivante dalla

scissione dell’umidità atmosferica), che crea bolle più o meno grandi nel pezzo; è risolto con degasaggio

chimico, fusione sotto vuoto o con colata in pressione.

A causa della spinta metallostatica si crea della bava all’unione delle due forme. Le forme sono pertanto tenute

insieme da staffe metalliche rigide con un peso aggiunto sulla staffa superiore.

Il raffreddamento del getto, con l’annesso ritiro in fase solida, favorisce l’instaurarsi di tensioni interne nel

pezzo dovuto ai differenti moduli termici delle differenti parti del getto. Infatti la velocità di raffreddamento

del corpo è proporzion