Appunti Tecnologie e sistemi di lavorazione

Aspetti introduttivi alle tecnologie

Tecnologia

Tecnologia: è lo studio e realizzazione dei procedimenti e delle attrezzature necessari per la trasformazione di una data materia prima in un prodotto finito avente valore di mercato; essa non comprende i procedimenti che partendo dai minerali ed elementi di sintesi permettono di realizzare i metalli e le loro leghe o più in generale i materiali e le loro miscele.

Precisione nelle trasformazioni

Le trasformazioni che vengono realizzate sui semilavorati di partenza mediante i processi produttivi, seguono precise traiettorie di trasformazione e portano il semilavorato da un stato iniziale caratterizzato dal parametro a uno stato finale caratterizzato dal parametro. Nelle trasformazioni ideali, lo stato iniziale e lo stato finale sono definiti in maniera deterministica. Le trasformazioni reali, sono influenzate da fenomeni non controllabili che influenzano il risultato finale. Va ricordato che, oltre ai fenomeni incontrollati presenti nella trasformazione stessa, la variabilità nei risultati è ancora accentuata da disturbi e incertezze presenti in tutti gli elementi che costituiscono il sistema di trasformazione; inoltre anche lo stato iniziale della trasformazione non è noto con certezza. La presenza di disturbi implica che il risultato finale non è mai unico, bensì variabile all’interno di un certo intervallo di possibili soluzioni. Le possibili soluzioni ottenibili tramite la trasformazione devono essere contenute all’interno di un intervallo di tolleranza individuato in fase di progettazione. Se la variabilità del risultato ottenibile è superiore all’intervallo di tolleranza individuato si dovrà migliorare il processo produttivo o cambiare il processo produttivo.

Sistema tecnologico delle trasformazioni

Le operazioni comprese nella sequenza di lavorazione necessaria per la fabbricazione di organi meccanici o pezzi sono abitualmente raggruppate nelle seguenti categorie:

• Processi di fonderia e di consolidamento da polveri, che trasformano materiale inizialmente senza forma, fuso o polverizzato, in pezzi avente geometria prossima o coincidenti con quella finale desiderata.
• Processi per deformazione plastica, in cui il volume e la massa si conservano e la geometria del semilavorato viene trasformata mediante la deformazione permanente del materiale. Tali processi permettono di produrre pochi scarti e di giungere alla configurazione finale in tempi brevi, portando a notevoli risparmi potenziali di energia e di risorse, specialmente in produzioni di grandi serie, con qualità del prodotto superiore ai prodotti di fonderia.
• Processi di rimozione di metallo (lavorazione alle macchine utensili), in cui, allo scopo di ottenere la forma finale desiderata, si realizza l’asportazione di tutto il materiale in eccesso (sotto forma di truciolo) a partire da un semilavorato di geometria più semplice.
• Processi di collegamento; basati sulla giunzione metallurgica del materiale o sull’utilizzo di elementi meccanici. La saldatura è il metodo di unione permanente che realizza il collegamento stabilendo tra materiali o componenti un legame interatomico permanente, sfruttando calore o pressioni. Altre tipologie di collegamento sono il fissaggio meccanico, in cui il collegamento tra due parti si ottiene per effetto di un terzo elemento, chiodo o rivetto, la cui deformazione determina l’azione di collegamento; l’incollaggio in cui l’azione di unione avviene ad opera di un adesivo.

Accanto alle tecnologie convenzionali, esistono numerosi altri processi, definiti non convenzionali per il loro sporadico uso in produzione, che utilizzano sorgenti di tipo elettrico, elettronico, chimico, ottico e altre, per generare l’energia necessaria per la trasformazione. Tra i fattori più importanti che influenzano la scelta di tecnologia da utilizzare per un assegnato materiale sono da considerare: il costo, la velocità di produzione, la flessibilità e la qualità finale richiesta al pezzo. Di grande rilevanza sono anche le dimensioni del lotto da produrre e le proprietà fisiche e geometriche del materiale.

Esempio di lavorazione

Processi di fonderia dei metalli: aspetti fondamentali

Classificazione dei processi fusori

In relazione ai materiali utilizzati per la preparazione delle forme, i processi di fonderia si possono fondamentalmente dividere in due grandi classi:

• Processi con forme transitorie (a perdere);
• Processi con forme permanenti (riutilizzabili).

Nella fonderia con forme transitorie la forma viene distrutta dopo la solidificazione del getto per operare la sua estrazione. Queste forme sono realizzate con sabbie o gessi tenute insieme mediante leganti di vario tipo. La fonderia in terra, probabilmente il più importante dei processi di fonderia, costituisce il tipico processo con forme transitorie. Le forme transitorie (chiamate anche conchiglie) sono invece riutilizzate per un numero molto elevato di getti. Esse vengono realizzate mediante lavorazioni alle macchine utensili con materiali metallici o ceramici refrattari. Oltre a questa suddivisione, le tecniche di fonderia possono essere classificate anche in base:

• Ai materiali che costituiscono le forme (per esempio in terra o conchiglia);
• Al materiale del modello: in legno o metallo (modello permanente) oppure cera o polistirolo (modello a perdere);
• All’eventualità di far avvenire la colata sotto pressione.

Ciclo di fabbricazione dei getti

In generale, le fasi di lavorazione per ottenere un getto sono molteplici e ciascuna di esse assume una rilevanza più o meno accentuata a seconda della tecnica che si considera. Nel caso più generale di fonderia in terra, il ciclo di lavorazione comprende:

• L’allestimento del modello in legno o in lega leggera, sulla base del progetto;
• La preparazione della forma, costipando la terra sul modello e realizzando in tal modo l’impronta, in negativo, di quella che sarà la forma del pezzo prodotto;
• La preparazione del metallo fuso e il suo versamento nella forma;
• L’estrazione del getto dalla forma dopo la solidificazione (distaffatura);
• La finitura del getto.

Nella fonderia in forme metalliche, l’allestimento del modello non sussiste; la forma è preparata mediante lavorazioni delle macchine utensili, e viene realizzata in tutte le colate successive o fino a quando non perde le sue caratteristiche geometriche.

Espressione e spiegazione del calore necessario alla liquefazione

Il riscaldamento di un metallo puro o di una lega a una temperatura sufficientemente elevata, al di sopra di un valore critico, provoca il passaggio del materiale dallo stato solido allo stato liquido: in questo caso nuovo stato viene perso completamente l’ordine cristallino a lungo raggio e parzialmente quello a corto raggio che può sussistere ancora per alcuni atomi. Per un metallo puro la trasformazione ha inizio quando la temperatura uguaglia la temperatura di fusione T_f e si completa, a questa temperatura, fornendo al materiale il calore latente di fusione Q_f. Dal momento che questi parametri non sono influenzati dalla pressione, essi vengono considerati caratteristici dei materiali: sono valutabili mediante diagrammi o tabelle che forniscono il calore totale Q da somministrare alla massa unitaria del metallo per portarlo dalla temperatura di 0 °C alla completa liquefazione. La differenza tra questo valore e il calore latente di fusione sarà la quantità di calore necessaria per portare la massa unitaria del materiale da 0 °C alla temperatura di fusione senza però che la liquefazione avvenga.

Q = ρ * V[C_s(T_f - T_a) + Q_f]

dove ρ = densità del metallo, V = volume, C_s = calore specifico allo stato solido, Q_f = calore latente di fusione, T_f e T_a = temperatura di fusione e temperatura ambiente.

Espressione e spiegazione del calore necessario per portare il metallo alla temperatura di surriscaldamento

Per evitare che nel trasporto del metallo fuso dal forno fusorio alla stazione di colata si verifichino eccessivi raffreddamenti che, nella successiva fase di colata, potrebbero dar luogo a premature solidificazione prima del completo riempimento della forma, occorre portare la fase liquida a una temperatura di spillamento dal forno che sia sufficientemente al di sopra dalla temperatura di fusione, fornendo alla fase liquida un ulteriore calore di surriscaldamento. La quantità di calore complessiva Q_s per portare il metallo dalla temperatura ambiente T_a, a quella di spillamento, T_s, sarà:

Q_s = ρ * V[C_s(T_f - T_a) + Q_f + C_l(T_s - T_f)]

dove ρ è densità del metallo, V è il volume, C_s e C_l sono rispettivamente il calore specifico del metallo allo stato solido e allo stato fuso, e Q_f è il calore latente di fusione.

Versamento e moto del metallo fuso: temperatura di colata, velocità e turbolenze

Il metallo fuso surriscaldato viene prelevato dal forno fusorio alla temperatura di spillamento e portato alla stazione di colata. Nel trasporto si verifica una leggera perdita di calore che produce un abbassamento della temperatura: a questo punto si effettua il riempimento della forma attraverso opportune canalizzazioni. Il processo di riempimento della cavità risulta complicato dalla cessione di calore alla forma non appena il metallo fuso viene a contatto con le sue pareti. Le caratteristiche fluidiche della fase liquida variano nel tempo e da punto a punto durante la colata. I fattori principali da tenere sotto controllo nella fase di colata sono la temperatura di colata, la velocità di colata e la turbolenza nella fase liquida. La temperatura di colata è quella alla quale avviene l’immissione del fuso nella forma. Essa definisce la quantità di calore che deve essere rimosso dal fuso prima che inizi la solidificazione, ma determina anche la viscosità della corrente di metallo liquido. La velocità di colata è la quantità di volume di metallo fuso che viene versato nella forma per unità di tempo; se è troppo bassa, si rischiano premature solidificazioni prima che il metallo fuso abbia riempito completamente la forma; se è troppo alta, il moto del fuso può diventare turbolento con rischio di erosione della forma e formazione di bolle di gas. La turbolenza della fase liquida nella colata è dovuta a variazioni incontrollate della velocità e della direzione del metallo fuso. Per quantificare gli aspetti della turbolenza si utilizza il numero di Reynolds, “Re”:

Re = (ρ v D)/μ

dove ρ, v e μ sono rispettivamente la densità, la velocità e la viscosità della fase liquida e D è il diametro del condotto in cui il liquido si muove.

Versamento e moto del metallo fuso: viscosità ed effetti superficiali

La colata del fuso nella forma costituisce un tipico problema di meccanica dei fluidi: pertanto il flusso è certamente influenzato in modo rilevante dalla resistenza che il liquido oppone al suo moto cioè dalla viscosità. La viscosità è funzione del volume libero e si abbassa con il surriscaldamento. Un’altra caratteristica della fase liquida molto rilevante quando il fuso deve fluire attraverso piccoli canali, è la tensione superficiale, cioè il lavoro necessario per creare una superficie di area unitaria e volume costante. Un’elevata tensione superficiale rende impossibile il riempimento di angoli ristretti.

Versamento e moto del metallo fuso: fluidità

La caratteristica però forse più importante del metallo fuso, che ne definisce la capacità di muoversi entro la cavità favorendone il riempimento, è la fluidità; in realtà questo parametro non dipende solo dal metallo, ma anche dalla geometria della cavità e pertanto viene misurato attraverso il percorso che un metallo allo stato fuso riesce a compiere all’interno di una cavità di forma assegnata prima di arrestarsi per il progredire della solidificazione.

Analisi della colata: velocità

Il sistema di colata e alimentazione della forma è realizzato in modo tale che il riempimento della cavità avvenga sotto l’azione di una pressione positiva per evitare che venga aspirata dell’aria. L’analisi della colata è basata sull’assunzione che il metallo fuso sia incomprimibile. Pertanto il flusso di materiali che si muove con velocità v attraverso una sezione di area A (detto anche portata volumetrica), sarà costante in ogni parte del sistema e obbedirà alla equazione di continuità:

A * v = cost.

La velocità del fuso può essere approssimativamente calcolata utilizzando il Teorema di Bernoulli, il quale, per costanti e ben definite condizioni di flusso, stabilisce che in una qualsiasi parte del sistema l’energia totale per unità di volume di materiale deve mantenersi costante. Indicando con ρ il valore della densità del fuso, il Teorema di Bernoulli riferito a due stati successivi, 1 e 2, si scrive:

p₁ + (ρ * v₁²)/2 + ρ * g * h₁ = p₂ + (ρ * v₂²)/2 + ρ * g * h₂ + f

dove f è l’energia persa per attrito nel metallo fuso. Trascurando f e supponendo che il sistema sia sottoposto solo alla pressione atmosferica;

(v₁²)/2 + g * h₁ = (v₂²)/2 + g * h₂

Questa espressione può essere usata per determinare la velocità alla base del canale di colata. Applicando il Teorema di Bernoulli tra la sommità del bacino di colata (stato 1, ad altezza h₁ e con velocità della fase liquida nulla, v₁ = 0) e la base del canale di colata (stato 2, ad altezza nulla, h₂ = 0, e la velocità del fuso v₂), la velocità alla base del canale di colata sarà:

v₂ = √(2gh)

in cui h coincide con l’altezza del canale di colata e g è l’accelerazione di gravità.

Analisi della colata: tempo di riempimento della forma

Il tempo di riempimento di una forma di volume V, t_RF, può essere facilmente valutato tenendo conto che nelle canalizzazioni orizzontali, così come negli attacchi di colata per i quali le quote h sono costanti, la portata volumetrica del metallo fuso rimane costantemente pari al valore A * v calcolata alla base del canale di colata. Il tempo di riempimento della forma sarà quindi fornito dal rapporto tra volume e la portata volumetrica:

t_RF = V / Q = V / (v₂ * A) = V / (√2gh * A)

Solidificazione dei metalli puri e delle leghe: generalità

Nel caso ideale la temperatura di solidificazione di un metallo puro coincide con quella di fusione e per complementare la solidificazione è necessario asportare il calore latente di fusione. Quando tutto il fuso è solidificato, la temperatura del solido diminuisce ancora rilasciando il suo calore sensibile. Il materiale solidificato è policristallino, cioè costituito da tanti grani cristallini orientati casualmente; esso presenta proprietà che sono isotrope in quanto derivano da una media delle proprietà dei singoli grani, che dipendono dall’orientazione del reticolo. Allo stato liquido gli atomi sono in forte agitazione termica, e occupano un volume specifico che diminuisce gradualmente al raffreddamento, dal momento che l’agitazione diviene meno violenta. Il volume specifico occupato si riduce drasticamente alla temperatura di solidificazione passando dallo stato liquido a quello solido. Tale fenomeno prende nome di ritiro di solidificazione. Allo stato solido la sistemazione degli atomi è caratteristica per ogni materiale e può essere descritta dalla cella unitaria. Nel successivo loro raffreddamento allo stato solido, alcuni materiali possono subire, per valori critici di temperatura, una trasformazione allotropica, con variazioni, cioè, della struttura cristallina, rilasciando del calore latente di trasformazione. Tali trasformazioni allotropiche sono accompagnate da variazioni di volume specifico che portano a tensioni interne. Il nucleo si forma con atomi che si dispongono secondo posizioni corrispondenti a quelle del reticolo cristallino. Aggregati di atomi ordinati possono già esistere nello stato liquido ma solamente a corto raggio. Al di sotto della temperatura di fusione è possibile avere un ordine atomico a più lungo raggio, ma ciò può essere solo temporaneo.

Solidificazione dei metalli puri: sottoraffreddamento

Il sottoraffreddamento (SR) è la differenza tra la temperatura di equilibrio e quella in cui inizia effettivamente la solidificazione. Esso indica l’abbassamento della temperatura al di sotto della temperatura di solidificazione che si può verificare durante il raffreddamento al raggiungimento della temperatura di solidificazione. Il sottoraffreddamento è tanto maggiore quanto più è elevata la velocità di raffreddamento.

Solidificazione dei metalli puri: diagramma velocità di nucleazione

La velocità di nucleazione, definita mediante il numero di nuclei che si formano per unità di tempo e di volume, è tanto maggiore quanto più elevato è il sottoraffreddamento. Essa dipende dall’energia libera resa disponibile dal processo di solidificazione, proporzionale all’intervallo di sottoraffreddamento. La dipendenza della velocità di nucleazione n dalla temperatura può essere rappresentata con la relazione:

n = B * e^{[-Q + (ΔF / kT)]}

dove Q è l’energia di attivazione del processo, ΔF è la massima variazione di energia libera proporzionale all’intervallo di sottoraffreddamento, k è la costante di Boltzmann, T la temperatura assoluta e B una costante. All’aumentare del sottoraffreddamento diminuiscono simultaneamente le fluttuazioni termiche e si tendono a creare nuclei stabili. Pertanto la velocità di nucleazione cresce con il sottoraffreddamento fino a raggiungere un massimo, poi inizia a diminuire.

Solidificazione dei metalli puri: diagramma crescita dei nuclei

Una volta che i nuclei si sono formati, si assiste alla loro crescita che avviene attraverso la migrazione degli atomi dal liquido al solido. La crescita dei nuclei è influenzata da vari fattori tra cui la temperatura, la composizione del metallo e la presenza di impurità. Essa contribuisce a determinare la grana finale del metallo solidificato, che a sua volta influisce sulle proprietà meccaniche e fisiche del materiale.