Programma tecnologia meccanica

Finitura delle superfici

Motivazione allo studio

La finitura delle superfici influenza diversi aspetti tra cui la resistenza all’usura, la resistenza alla corrosione, la resistenza a fatica, la precisione dimensionale e il comportamento dei lubrificanti. L’adeguatezza di un prodotto meccanico è legata anche agli errori presenti sulle superfici funzionali. Il grado di finitura superficiale è definito in fase di progetto tenendo conto di costi e benefici.

Resistenza all’usura

Il contatto tra due superfici avviene solo in alcune zone, definendo il coefficiente di portanza K.

Corrosione

La resistenza alla corrosione a umido è maggiore nei materiali con bassi valori di rugosità superficiale.

Fatica

Il cedimento strutturale in materiali metallici per sovraccarico o fatica è un fenomeno di rilievo. La verifica di un componente soggetto a carichi ciclici è fatta con criteri tradizionali e con fenomeni di fatica. L'uso del grado di finitura superficiale può ridurre la durata della fase di sviluppo del danno a fatica (innesco) a causa di difetti. L’atteggiamento è quello di far sì che la vita del componente sia maggiore di quella della macchina dove è installato. Posso intervenire anche su: geometria, trattamenti superficiali, protezione da agenti corrosivi.

Definizioni

• Superficie: confine di separazione del corpo da altri oggetti o sostanze.
• Superficie nominale: quella che si desidera che il corpo abbia.
• Superficie reale: quella effettiva del corpo, differisce a causa della composizione e struttura materiale.
• Superficie misurata: superficie reale misurata con qualche strumento di misura, ha errori.

Geometria della superficie

• Forma: descrizione delle superfici nominali.
• Dimensione: misure che determinano l’estensione dell’oggetto nello spazio 3D.
• Tolleranza: intervallo ammissibile per una dimensione reale dell’oggetto.

Imperfezioni delle superfici

• Errori di forma: deviazioni a grande lunghezza d’onda della superficie nominale (per esempio problemi nel processo produttivo).
• Texture: deviazioni a piccola lunghezza d’onda, suddivise a loro volta in:
  • Ondulazione: deviazioni della superficie reale a media lunghezza d’onda (oscillazioni del pezzo).
  • Rugosità: irregolarità a piccola lunghezza d’onda, non è costante nel tempo.
  • Giacitura: direzione predominante della texture (unidirezionale, incrociata, ad arco, circolare…).
• Graffi, scalfiture, pits, crateri e altri difetti non voluti.

Profili

Un profilo è la linea di intersezione tra una superficie ed un piano, generalmente perpendicolare ad essa. I profili possono essere: nominale, reale e misurato.

Profilo modificato: è un profilo misurato sottoposto a filtraggio (meccanico, elettrico, ottico o digitale) per eliminare alcune caratteristiche della superficie. Viene introdotto un errore intenzionale per ottenere un profilo di rugosità migliorato.

Esecuzione: ho un profilo, faccio la media mobile per eliminare i dati a frequenza alta (passa basso), sottraggo, faccio un’altra media mobile per eliminare l’ondulazione (passa basso) ottenendo il nuovo profilo.

Rugosità

Profilo di rugosità: comprende le componenti a lunghezza d’onda minore. Consente di prevedere il comportamento del componente nei confronti del contatto, aspetto, trattamenti…

Filtraggio

Consente di eliminare componenti di forma ed ondulazione, le tecniche di filtraggio sono:

• Meccanico: usato in passato, elimina l’errore di allineamento e di forma (es: pattino).
• Elettrico: filtri per eliminare componenti a lunghezza d’onda indesiderate.
• Matematico: applicato ai grezzi digitalizzati per eliminare l’errore di allineamento ed altre componenti.

Linea media del profilo

Dopo aver ottenuto il profilo di rugosità, effettuo le valutazioni secondo la linea media del profilo, la quale suddivide il profilo in due parti la cui area compresa tra quella del profilo e la linea siano identiche. Vengono definiti picchi e valli rispetto a tale linea. Tutti i parametri di rugosità sono calcolati in base alla LMP.

Parametri di rugosità

I parametri R descrivono la deviazione verticale di un profilo di rugosità rispetto alla LMP.

• Rugosità assoluta: È l’area tra la LMP ed il profilo di rugosità. Non è un parametro sufficiente per la descrizione delle rugosità, posso infatti avere grandi picchi o valli ma isolati.
• Rugosità quadratica media: Rappresenta la deviazione standard della curva di densità delle ordinate. È una funzione che fornisce la probabilità che in una qualsiasi posizione della lunghezza di misura l’altezza del profilo abbia un certo valore. Per ottenerla divido il profilo di rugosità in “n” classi, traccio i segmenti interni al profilo, disegno poi gli istogrammi a destra del profilo di lunghezza pari alla somma dei segmenti divisi per “L”, se faccio tendere l’ampiezza delle classi a zero ottengo una curva continua che è la curva di densità delle ordinate.
• Rugosità picco: È l’altezza del picco più alto.
• Rugosità valle: È la profondità della valle più profonda.
• Rugosità totale: Se Rt asintotico a Ra, allora non ho picchi o valli sparpagliati.
• R DIN: È il valore di Rt per un certo numero “M” di lunghezze di campionamento.
• R ISO: È come Rt ma prendo 5 lunghezze.

Cut off

Un tratto di misura è costituito da una lunghezza di campionamento “L” pari a 5 volte la lunghezza di cut-off “t”, che è pari ad almeno 2.5 volte la distanza picco-valle (solitamente 0.8mm). Chiameremo con “L” la lunghezza di valutazione, pari a 5 volte la lunghezza di cut-off “t”.

Spaziatura

Esistono vari parametri di spaziatura:

• Solo picchi che intersecano una soglia superiore e inferiore.
• È la spaziatura media tra i picchi.
• Vedo quanto un profilo differisce da una linea retta distendendolo. Se L >> L = 1, allora ho problemi di tipo corrosionistico, indica bene se un profilo ha elevata rugosità.
• R Descrive la forma della curva di densità delle ordinate. Se R >0 si avranno plateau picchi. Se R <0 si avranno plateau e valli, altrimenti ho distribuzione casuale.

Abbott

La curva di Abbott (o di portanza) è l’integrale della curva di densità delle ordinate e rappresenta una distribuzione di probabilità cumulativa, lo calcolo partendo dal picco più alto.

Strumentazione

Ho diversi tipi di profilometri: meccanici (stilo che segue la forma del profilo), ottici (laser a diodi, MEMS).

Solidificazione

Introduzione

La solidificazione è un processo che inizia con la formazione di finissime particelle di solido che poi crescono fino al completamento di fase. Se ad un sistema liquido viene sottratta energia termica, la formazione della nuova fase è tale che la formazione di nuove superfici di separazione tra fasi e le deformazioni portano ad un aumento di energia libera. La crescita delle particelle solide dipende dal raggiungimento di una dimensione critica. La nucleazione può essere omogenea o eterogenea.

Nucleazione omogenea

Considero un sistema formato da un materiale puro e monofasico allo stato liquido, sottraggo energia termica: avviene la formazione di una fase solida. Prima c’è la nucleazione (formazione particelle di solido) e poi accrescimento (crescita dei nuclei). Ciascuno dei due stati ha la sua energia di attivazione. Suppongo che le particelle abbiano forma sferica e trascuro gli sforzi della contrazione termica. Se abbasso la temperatura sotto quella di equilibrio, la variazione di energia libera sarà determinata dall’energia superficiale e dal volume delle particelle.

Accrescimento

Nucleazione: crescita di una frazione delle particelle fino al raggiungimento del raggio critico, questo è possibile anche grazie ai moti diffusivi, favoriti dalle temperature.

Fusione

Introduzione

Le tecniche di fusione sono tra le più antiche per la produzione di grezzi o semilavorati destinati a lavorazioni successive. Permettono di definire le caratteristiche dei materiali metallici e cancellarne ogni traccia della storia passata. Le caratteristiche dipendono dalle operazioni di fonderia. C’è inoltre un recupero delle materie prime e dell’energia.

Generalità

Ci sono diverse tecniche di fabbricazione per fusione:

• Formatura in forma transitoria (fusione a terra, fusione in guscio o microfusione).
• Formatura in forma permanente (fusione in conchiglia, colata centrifuga).
• Colata continua.

Processo di produzione per fusione: fusione della lega metallica, riempimento di una forma, raffreddamento o solidificazione, rimozione dei grezzi, finitura.

Vantaggi del processo mediante fusione: ottenimento di manufatti quasi net-shape, bassi scarti, processo veloce, oggetti cavi, oggetti con forme complesse, oggetti grandi, finitura superficiale soddisfacente.

Svantaggi del processo: rispetto delle tolleranze dimensionali, difettosità, attrezzaggio costoso, microstruttura non ottimale, post-lavorazioni richieste.

Formatura in forma transitoria

Colata in terra (sand casting)

Consiste nel preparare una forma (cavità) prodotta con della terra da fonderia che ricalca al negativo il pezzo da produrre. Viene poi riempita con la lega fusa. A solidificazione avvenuta, viene estratto il getto mediante distruzione della forma.

Caratteristiche: media/grande dimensione getti; media/bassa produttività; media/bassa qualità grezzo; basso costo della forma, elevata versatilità.

Modello

Progettazione del modello: disegno l’elemento volendo la massima economicità, piano di divisione delle staffe, soprametalli, angoli di spoglia, raccordi del grezzo, portate d’anima, soprametalli, disegno del modello, riproduzione del grezzo con materiali diversi, studio anime, disegno delle casse d’anima.

Piani di divisione delle staffe

La forma la realizzo compattando del materiale attorno al modello dentro a delle staffe (contenitori). Per estrarre l’oggetto dalla forma senza danneggiarla, esso deve essere scomponibile, spesso infatti è diviso in due parti dal piano di divisione delle staffe. Il modello potrà essere libero o fissato su una placca modello. I sottosquadri sono le parti del modello che non permettono l’estrazione del modello dalla forma, devo quindi scegliere un piano che permetta di evitarli. In caso non fosse possibile dovrei: modificare il progetto, usare dei tasselli, usare modelli scomponibili.

Soprametalli

Dato che la finitura superficiale non è sufficiente, devo fare delle lavorazioni per asportazione di truciolo. L’uso dei soprametalli è di tipo funzionale, come per semplificare la geometria dei componenti o per risolvere sottosquadri, sono valutati in base alla dimensione, del materiale e finitura.

Angoli di spoglia

L’estrazione del modello dalla forma è eseguita in modo da non danneggiarla, devo allora dare un’inclinazione (spoglia) alle pareti del modello perpendicolari al piano di divisione. L’angolo dipende dal materiale e dall’altezza delle pareti, comporta quindi l’aggiunta di sovrametalli.

Raccordi

Gli spigoli vivi del modello sono sostituiti con dei raccordi con funzioni: evitare che l’azione erosiva del metallo fuso asporti pare del materiale degli spigoli, ridurre la possibilità che si formino fratture in prossimità degli spigoli.

Portate d’anima

Anime e tasselli sono elementi per formare le cavità previste, questi elementi sono alloggiati nelle portate d’anima (sedi) previste: orizzontali sedi cilindriche, verticali sedi troncoconiche. Dimensiono le portate d’anima tenendo conto della spinta metallostatica.

Ritiri

Dimensiono il modello tenendo presente dei ritiri durante la solidificazione. Esistono vari tipi di ritiri: in fase liquida (dovuti al superheat), in fase di solidificazione, in fase solida, dovuti a cambiamenti di fase. Viene usato un coefficiente di ritiro lineare medio.

Materozze

Sono cavità previste allo scopo di contenere una quantità di riserva di metallo fuso destinato ad alimentare il getto per compensare i coni di ritiro (punti del getto dove si concentrano le concentrazioni in fase di solidificazione, è un difetto). Avviene solidificazione se è presente un sottoraffreddamento, quella eterogenea è favorita rispetto all’omogenea, ed inizia sempre dalle pareti della forma.

L’elevato sottoraffreddamento alla parete crea una zona di grano equiassico fine, la solidificazione avviene in maniera direzionale creando il cono di ritiro. In una materozza con struttura comune (solidificazione leghe metalliche) troviamo tre zone:

• Zona esterna: è la parte più esterna ed è raffreddata maggiormente, a contatto con le pareti della lingottiera, si crea un grano fine ed equiassico (crescono in egual modo in tutte le direzioni).
• Zona intermedia: c’è un grano allungato con direzione parallela alla direzione del flusso del calore.
• Zona centrale: nella parte centrale del lingotto (billetta) la composizione del liquido cambia arricchendosi di carbonio. Si ha un gradiente di composizione verso il centro (segregazione) e, dato che la nucleazione è lenta, si creano grani grossi. Dovrebbe avere proprietà minori, ma il carbonio le compensa.

Nelle materozze avviene la formazione di dendriti: strutture di solidificazione a forma di alberello che si intersecano durante la solidificazione. Si formano man mano che l’interfaccia tra liquido e solido si sposta. All’interfaccia troviamo tre curve: il profilo di temperatura (che dipende dalla conducibilità termica del mezzo), la temperatura alla quale il materiale solidifica e la curva della percentuale di carbonio nel liquido. Man mano che il liquido solidifica una parte del carbonio è rigettata all’interno del liquido. Si crea allora un sottoraffreddamento tra la temperatura di solidificazione e il profilo di temperatura, il quale fa aumentare la protuberanza tramite un processo autoalimentato: se la protuberanza si amplia in altre direzioni si crea la dendrite. Per far sì che non si creino ho due soluzioni: la prima è quella di rimescolare il liquido per abbassare il gradiente di composizione, abbassandosi così la temperatura di solidificazione ed azzerando il sottoraffreddamento fino al valore critico; la seconda soluzione è quella di aumentare la pendenza del gradiente di temperatura aumentando il flusso di calore avendo sottoraffreddamento uguale a zero.

Le materozze vanno posizionate nelle zone che solidificano per ultime dato che sono soggette ai coni di ritiro. Il modulo di solidificazione è calcolato considerando solo la superficie che effettivamente scambia calore. Nella solidificazione direzionale, ogni gradino ha un modulo superiore rispetto a quello precedente. Il cono di ritiro allora si formerà nell’ultimo gradino. Per evitare questo difetto si usa una materozza in questa zona che, dopo aver protetto dal cono, viene asportata. Si ha una solidificazione direzionale se la differenza tra i moduli di solidificazione di due sezioni consecutive è di almeno il 10%.

Ogni materozza può proteggere una zona detta raggio di influenza. Si può inoltre favorire la solidificazione mediante dei raffreddatori. Il flusso del metallo dalla materozza è assicurato dalla pressione atmosferica, anche nel caso fosse cieca. Si nota che la miglior forma per una materozza sarebbe sferica, dato che a parità di volume ha minore superficie (modulo maggiore), ma spesso si realizzano cilindriche od ovali.

Durante la solidificazione diminuisce il modulo dato che il volume cala e dato che aumenta la superficie di scambio (data la formazione del cono). Si pone allora il valore del modulo dato che la diminuzione è di circa il 20%. Inoltre, il cono di ritiro non deve superare l’80% della profondità massima della materozza.

Il volume del cono di ritiro è calcolato con una formula che tiene conto del coefficiente di ritiro volumetrico, del volume del getto nel pezzo e del volume della materozza. Si sa che, quando il cono raggiunge il massimo previsto, il volume rimanente è una frazione del volume della materozza. Se il volume del getto è minore del massimo consentito, allora siamo in sicurezza.