Appunti di tecnologia meccanica

TECNOLOGIA DEI SISTEMI PRODUTTIVI E

LOGISTICI 26.02.2018

TECNOLOGIA MECCANICA

manufacturing

Per si intende la produzione manifatturiera, la produzione industriale, tecnologie e sistemi di

lavorazione, tecnologia meccanica. È l’intero processo di trasformazione manifatturiera dai materiali grezzi e

semilavorati ai prodotti finiti, che può includere la realizzazione di componenti nella forma definitiva adatta per

l’assemblaggio di un prodotto finale.

Possiamo avere due tipi di trasformazione:

Trasformazione manifatturiera discreta (output singolo, numerabile): settore automotive

▪ Trasformazione di processo continua (output distinguibile solo dopo confezionamento o imballaggio):

▪ produzione chimica

Ogni singolo pezzo può essere realizzato con uno o più materiali e con processi di produzione differenti. Sono

quindi necessarie delle scelte tra le varie ipotesi. Solitamente ci sono uno o pochi processi che danno la

soluzione ottimale e questa soluzione dipende anche da quanti pezzi devo realizzare, in quanto tempo…

COMPONENTI E MATERIALI

Esempio lattina di alluminio.

È un prodotto industriale molto semplice: realizzato con un solo materiale e presenta tre componenti (parte

cilindrica realizzata tramite imbutitura, coperchio e anello).

Esempio automobile.

È composta da oltre 15000 componenti e quindi presenta una complessità logistica molto diversa dal caso

precedente.

SCELTA DEI MATERIALI

SCELTA DEL PROCESSO PRODUTTIVO

a) Fusione o metallurgia delle polveri

Un pezzo di questo tipo possiamo realizzarlo per

colata/fusione ossia prendendo una forma e colando

dentro il materiale. 1 | Pag.

Con la metallurgia delle polveri abbiamo bisogno di uno stampo realizzato in materiale più resistente alle

pressioni, all’interno del quale mettiamo della polvere metallica che viene compattata e portata in temperatura

per realizzare la sinterizzazione.

b) Forgiatura

Parto da una billetta di diametro più piccolo che viene poi deformata plasticamente dentro ad uno stampo con

una pressa per realizzare per ricalcatura la forma desiderata.

c) Estrusione

A partire da una billetta di diametro maggiore vado a deformare soltanto una porzione facendola passare

attraverso un foro per ridurne il diametro: processo di deformazione plastica.

d) Lavorazione meccanica per asportazione

Parto da una barra di diametro maggiore e asporto materiale, ad esempio tramite tornitura.

e) Giunzione

Collego pezzi diversi per arrivare alla forma

finale per esempio tramite saldatura.

Ogni processo conferisce proprietà diverse al

prodotto che realizza. Non tutti i processi

riescono ad ottenere tutte le geometrie.

Esistono processi diversi che consentono di

ottenere forme diverse.

1° criterio: GEOMETRIA (forma e

dimensione del pezzo)

Minime dimensioni delle parti: abbiamo dei grafici in cui

ogni curva rappresenta un processo produttivo e indica la

minima dimensione ottenibile con quel determinato

processo.

2° criterio: TOLLERANZE DIMENSIONALI in gioco

Sulle righe abbiamo i vari processo produttivi mentre sulle

colonne gli intervalli di tolleranza. Processi diversi

presentano tolleranze diverse.

tolleranza

Con intendiamo i limiti dimensionali entro i quali deve stare un pezzo meccanico, l’intervallo tra la

dimensione minima e la dimensione massima che il pezzo deve avere.

dimensione nominale

La , invece, è la dimensione

figurativa che il pezzo deve avere.

10 ± 0,1

La tolleranza viene messa per garantire che il

funzionamento di pezzi accoppiati avvenga

correttamente. Processi produttivi più fini

garantiscono tolleranze più strette, mentre processi

grossolani permettono solo di avere pezzi con

tolleranze più larghe. 2 | Pag.

Possiamo avere altri tipi di tolleranze: geometrica (perpendicolarità ad

esempio), di rugosità superficiale. Il diagramma mostra su ogni curva un

processo diverso. Sull’asse x abbiamo la finitura superficiale, sull’asse y il

tempo di produzione.

Se vogliamo ottenere una rugosità bassa il tempo di produzione deve

aumentare; con velocità di avanzamento molto elevate non si riescono ad

ottenere rugosità buone. Quando i tempi diventano troppo elevati non ha

più senso usare quel processo.

3° criterio: COSTO DELL’APPARECCHIATURA richiesta dal processo

I range di costi sono molto ampi perché posso trovare macchinari con costi

molto diversi a seconda delle dimensioni, capacità, grado di automazione.

Il machining center è il centro di lavorazione, che rappresenta una macchina fresatrice a più assi che consente

varie lavorazioni a controllo numerico. Per scegliere il processo devo anche tener conto di:

Production volume: volume di produzione [quantità]

▪ Production rate: cadenza produttiva [quantità/tempo]

▪ 4° criterio: COMPATIBILITÀ TRA MATERIALI E PROCESSI

Le scelte di materiali e processi non sono indipendenti tra loro: alcuni processi non si possono applicare a tutti

i materiali. 5° criterio: LAVORAZIONI AGGIUNTIVE CRITERI DI SCELTA

Per lavorazioni aggiuntive intendiamo il bisogno o meno di fare più Lavorabilità del materiale

lavorazioni per ottenere un pezzo. Ci sono vantaggi nel non avere

lavorazioni aggiuntive: risparmio tempo, ma anche piazzamenti ed Dimensioni, forma e tolleranze

è molto più semplice dal punto di vista logistico (non devo Finitura superficiale

movimentare il pezzo, allinearlo nella macchina). Volumi produttivi

Le lavorazioni che non hanno bisogno di lavorazioni aggiuntive

vengono chiamate net-shape. Consentono in un’unica lavorazione Costi di produzione

di ottenere dalla materia prima il prodotto finito. C’è una tendenza Lavorazioni aggiuntive

nella lavorazione industriale di andare verso il net-shape (net-shape

manufacturing). 02.03.2018

1. RICHIAMI SUL COMPORTAMENTO MECCANICO, SULLE PROVE, E

SULLE PROPRIETÀ TECNOLOGICHE DEI MATERIALI

Dobbiamo conoscere il comportamento che hanno i

materiali quando sottoposti a sollecitazioni meccaniche

e come conseguenza di queste sollecitazioni/tensioni

meccaniche i materiali rispondono con delle

deformazioni. Le deformazioni possono essere:

Per quanto riguarda la deformazione a trazione o a

compressione, la possiamo definire nel seguente modo:

− ∆

0

= =

0 0

Dove l = lunghezza attuale e = lunghezza iniziale; con la e identifichiamo la deformazione ingegneristica (o

0

nominale). Per il taglio si usa la deformazione per sollecitazione di taglio definita come:

= 3 | Pag.

Dove a = deformazione che subiamo lungo la direzione di sollecitazione mentre b = intera lunghezza del provino

sollecitato.

1.1. DEFORMAZIONE (STRAIN)

La deformazione può essere definita in modo ingegneristico o in modo reale:

= ⇒ = ( ) = ( + )

La deformazione reale si può calcolare anche a partire dalla deformazione ingegneristica. Le due deformazioni

danno risultati molto diversi. La deformazione è negativa se abbiamo a che fare con compressione, è positiva

se abbiamo una trazione. Noi solitamente utilizzeremo la deformazione reale perché questa gode di alcune

proprietà che rendono i calcoli molto vantaggiosi:

PROPRIETÀ DI SIMMETRIA

▪

Ipotizziamo di avere un provino di lunghezza 10mm e

facciamo due deformazioni: lo sollecitiamo a trazione

finché non arriviamo ad una lunghezza che è doppia

rispetto a quella iniziale e confrontiamo la deformazione

che abbiamo in questo caso con quella che avremmo

avuto nel caso di compressione, in cui deformo il provino

per raggiungere una lunghezza pari alla metà di quella

iniziale.

TRAZIONE COMPRESSIONE

20 − 10 5 − 10

= =1 = = −0,5

1 2

10 10

20 5

= ln ( ) = 0,7 = ln ( ) = −0,7

1 2

10 10

Nel caso reale abbiamo una simmetria dei risultati, cosa molto vantaggiosa dal punto di vista dei calcoli. Questa

proprietà non sussiste nel caso ingegneristico.

PROPRIETÀ DI ADDITIVITÀ

▪

Prendiamo un provino da 10mm e ipotizziamo di avere due

deformazioni una successiva all’altra e in ognuna

dimezziamo la lunghezza. Calcoliamo per il caso

ingegneristico e per il caso reale le deformazioni:

CASO INGEGNERISTICO CASO REALE 5

5 − 10 = ln ( ) = −0,693

= = −0,5 1

1 10

10

2,5 − 5 2,5

= = −0,5 = ln ( ) = −0,693

2 2

5 5

2,5 − 10 2,5

= = −0,75 = ln ( ) = −1,3863

10 10

+ = − ≠ + = −, =

1.2. TENSIONE (STRESS)

Le tensioni vengono definite come rapporto tra una forza/carico e l’area su cui il carico è applicato.

Anche le tensioni possono essere definite con la definizione reale o con quella ingegneristica.

Tensione ingegneristica =

0

Tensione reale = 4 | Pag.

Dove A = area della sezione effettiva (varia momento per momento) e = area della sezione iniziale.

0

Solitamente lavoreremo con grafici e non s – e, salvo rare eccezioni. Finora abbiamo visto un caso in cui

−

la tensione è monoassiale, ma in generale all’interno di un pezzo qualsiasi potremmo avere la compresenza di

più tensioni in più direzioni.

Per ciascuno dei tre assi abbiamo una normale ( ) che

, ,

11 22 33

sollecitano a trazione o compressione il provino. Per ogni faccia abbiamo

inoltre delle tensioni di taglio.

Se mettiamo in una matrice queste tensioni abbiamo 9 elementi: le tensioni

normali stanno sulla diagonale, mentre le tensioni tangenziali stanno nei

restanti punti. Questa matrice viene detta tensore delle tensioni:

Nel caso avessi un provino in cui sono assenti le la matrice diventerebbe:

e nel caso della prova di trazione di semplifica ulteriormente.

PROVA DI TRAZIONE

Se consideriamo un diagramma stress – strain

(tensioni e deformazioni ingegneristiche)

vediamo che questo presenta una serie di fasi:

Tratto lineare elastico

Tratto in cui il provino è ancora in campo elastico

e la curva è rettilinea con una certa

−

pendenza che ci da il modulo di Young (rigidezza

del materiale). questo tratto si mantiene finché il

valore della tensione non arriva il limite elastico

o carico di snervamento.

tensione di snervamento (yeld)

= =

Limite di snervamento

Si parla di limite di snervamento con

deformazione permanente dello 0,2% come il

carico per il quale, una volta rilasciato il provino

dopo aver applicato il carico, la deformazione

che risulta esserci è dello 0,2%.

Campo plastico con deformazioni uniformi

La curva ingegneristica raggiunge un massimo, a differenza della curva reale, che continua a crescere fino alla

rottura perché A diminuisce. Questo massimo delle tensioni si ha perché l’area iniziale non cambia e si verifica

per un valore di stress che viene detto: UTS = ultimate tensile strenght

Prima di questo massimo le deformazioni sono uniformi sul tratto utile del provino.

Campo plastico con strizione localizzata

Dopo questo massimo la s tende a diminuire ed entro nella zona dove abbiamo la strizione localizzata (necking)

dove abbiamo deformazioni localizzate solitamente nella zona centrale del provino. Questa forte diminuzione

di sezione comporta una concentrazione di tensioni nella zona di strizione (in questo punto l’area reale

diminuisce notevolmente). 5 | Pag.

Quando la tensione è diventa troppo elevata porta a rottura il provino: arriviamo al carico di rottura. Su questa

curva si leggono tantissime proprietà del materiale. per il tratto lineare elastico vale la legge di Hooke che mette

in relazione tensioni e deformazioni attraverso il modulo di Young:

=∙

=∙

Questo tratto lineare si mantiene tale anche nel caso

reale. Il modulo di Young si esprime in [GPa].

TRUE STRESS – TRUE STRAIN

= =න = ln ( )

0

0

Ipotesi: conservazione del volume 2

0 0 0

= ( ) = ln ( ) = ln ( ) = 2 ln ( )

0

D = diametro provino

= diametro iniziale del provino

0

ELASTICITÀ E PLASTICITÀ

L’esercizio dei pezzi meccanici si vuole mantenere di solito in campo elastico.

Durante la vita di un prodotto, però, ci sono momenti in cui dobbiamo

raggiungere il campo plastico: momento della lavorazione, per lavorare un

pezzo dobbiamo deformarlo.

CAMPO ELASTICO (

▪ < )

Per questo campo vale la legge di Hooke: nel caso del taglio diventa: con G = modulo di

= ∙ , = ∙ ,

rigidezza a taglio, analogo del modulo di Young.

CAMPO PLASTICO (

▪ ≥ )

Quale relazione modella questo campo? La legge di Hooke non

vale più, ma vale un’altra relazione:

=

n = coefficiente di incrudimento (n<1)

K = fattore di resistenza

La tensione non è più proporzionale alla deformazione. La

tensione è elevata ad un esponente. Il materiale incrudisce:

incremento di resistenza opposto dal materiale alla

deformazione.

Vediamo i possibili andamenti della curva al variare del coefficiente di

incrudimento. Un materiale che incrudisce facilmente (n più vicino ad 1, la

curva tende ad alzarsi) tende ad opporre maggior resistenza alla mia

deformazione. Un materiale poco incrudente ha n che tende verso valori

molto bassi e applicando una deformazione maggiore non tende ad opporre

maggior resistenza.

Più alto è K più il materiale opporrà resistenza alle deformazioni applicate.

Su un diagramma bi-logaritmico la curva descritta dalla relazione diventa

una retta. 6 | Pag.

= +

la pendenza di questa retta è data dal coefficiente di incrudimento mentre

log K è l’intercetta.

RAPPORTO DI POISSON

Rapporto tra la deformazione trasversale e longitudinale (in valore

assoluto). È controllato dalla tendenza del materiale a mantenere lo stesso volume. Possiamo scrivere una

relazione tra modulo di Young, modulo di taglio e rapporto di Poisson:

= ( + )

Vale solamente per materiali isotropi (per materiali anisotropi occorrono le relazioni tridimensionali complete).

TENACITÀ

La tenacità è l’energia che devo fornire per portare a rottura il materiale e quindi rappresenta l’area sottesa

alla curva (energia specifica cioè energia per unità di volume). Il prodotto tra deformazione e tensione per

trovare l’area è [MPa], che possiamo definire come un’unità di pressione, ma anche un’unità di

[energia/volume].

= න

Più un materiale esibisce una curva con un’area grande, più il materiale si dice tenace. La tenacità è molto alta

per i metalli duttili. Perché la tenacità sia elevata la curva deve essere il più alta possibile (materiali resistenti)

e anche il più larga possibile (elevata deformazione prima della rottura).

RESILIENZA

È la resistenza all’impatto. Nel caso in cui io sottoponga il provino ad un carico di

impatto (per esempio mediante il pendolo di Charpy) la prova di resilienza misura

quanto può resistere un materiale all’impatto. Come la tenacità, anche la resilienza

si misura sulla base di un’energia specifica, ma è l’energia sotto il tratto lineare

elastico della curva.

∙

=

Resilienza =

Nella sollecitazione ad impatto il materiale non riesce ad eseguire grandi deformazioni e si rompe subito dopo

aver esaurito il campo elastico. Per un dato materiale quindi è maggiore la tenacità della resilienza. Per una

stima più accurata della resilienza devo fare la prova di resilienza. 7 | Pag.

DUTTILITÀ

La duttilità mi dice quanto riesce a deformarsi il materiale, più si allunga il

materiale tanto più il materiale è duttile. Per misurare la duttilità possiamo

usare due parametri:

Allungamento percentuale. Ammontare di deformazione plastica

▪ del materiale prima di arrivare a rottura.

−

0

% = ∙ 100

( )

0

Riduzione percentuale dell’area.

▪ −

0

% = ( ) ∙ 100

0

Più alta è la percentuale di allungamento più il materiale risulta duttile. Nella curva la duttilità la vediamo

−

nella lunghezza orizzontale della curva.

MALLEABILITÀ

Capacità di subire grandi deformazioni plastiche senza manifestare forti incrudimenti, rilevabile dalla pendenza

della prima parte della curva in zona plastica, prima della strizione (dopo il carico di snervamento).

Nel diagramma bi-logaritmico è rappresentato

dal coefficiente di incrudimento. La malleabilità

è importante quando devo lavorare per

deformazione plastica perché mi richiede meno

energia, meno sforzo.

Diagramma ingegneristico che riassume tutte

le proprietà:

Più verticale tende ad essere il tratto

o verticale più il materiale risulterà rigido;

Lunghezza della deformazione ci dà la

o duttilità;

Maggione è la UTS maggiore è la resistenza

o meccanica del materiale;

EFFETTO DELLA TEMPERATURA