Tecnologia delle costruzioni aeronautiche, TCA2, Daniele Fanteria

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1. FONDERIA

FONDERIA

La fonderia consiste nell’immettere un metallo fuso in una cavità. Dopo il raffreddamento del

metallo si ottiene un pezzo che ricopia al positivo la forma della cavità. I principali materiali usati

nella fonderia sono acciaio, ghisa, bronzo, ottone, leghe di alluminio e leghe di titanio. Un metallo

da fonderia deve avere una temperatura di fusione relativamente bassa, non superiore a 1500-1600

°C, e deve possedere una buona fluidità allo stato fuso in modo da riempire correttamente la forma.

Un primo problema nella fonderia riguarda le deformazioni di origine termica. Tutti i metalli infatti

subiscono una brusca variazione di volume durante la transizione liquido-solido e questa può essere

causa di difetti nei getti (getto è il pezzo ottenuto per fonderia). Raggiunto lo stato solido, il volume

del getto continua a diminuire durante il raffreddamento fino a temperatura ambiente, e questo

può causare ulteriori difetti. La variazione di volume può essere compensata alimentando il getto

con del metallo fuso. Ciò viene realizzato

predisponendo un opportuno volume di

materiale, detto “materozza”, dimensionato

in modo da raffreddare per ultimo e quindi

poter alimentare il getto con metallo fuso.

Quindi la funzione della materozza è quella di

spostare il baricentro termico della fusione,

zona nella quale si completa la solidificazione,

dal getto alla materozza stessa. Viene poi

eliminata insieme al canale di colata. Il

raffreddamento non può avvenire in modo

uniforme e i gradienti di temperatura sono la

causa di tensioni residue nei getti la cui entità può essere tale da produrre criccature nel getto

(autotensioni).

Il modo più antico di creazione della forma nella quale immettere il metallo fuso è quella di creare

la forma nella terra (fusione in terra). Per poter realizzare la forma serve però un “modello”, un

pezzo che è simile al pezzo che si vuole costruire. Simile perché considerando che il metallo subisce

un ritiro non trascurabile durante il raffreddamento, il modello deve essere più grande. Oltretutto

un pezzo fuso non è quasi mai finito, viene sempre lavorato alle macchine utensili per ottenere

precise quote e tolleranze. Questo si traduce con un

sovrametallo (previsto nel disegno del modello) per

consentire tali lavorazioni. Infine, deve essere dotato

di angoli di spoglia per essere estratto senza

danneggiare la cavità formata. Per l’allestimento della

forma si usano staffe, contenitori senza fondo dotate

di fori per essere correttamente riferite. Deve essere

previsto un canale di colata per riempire la forma, che

inizia con un bacino per

rallentare la caduta del

metallo fuso (per evitare di

danneggiare la forma). Un

filtro posto alla fine

trattiene la scoria che ha

peso specifico minore del

metallo. Si è già detto che lo

scopo della materozza era

quello di spostare il

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1. FONDERIA

baricentro termico dal getto alla materozza stessa in

modo da inglobare i difetti in essa. Deve raffreddare

per ultima, deve quindi essere sufficientemente

grande o essere coiberata o cieca (per diminuire la

dispersione termica). Questo si può ottenere anche

con elementi metallici, detti anelli di raffreddamento,

che favoriscono un raffreddamento di tipo

direzionale. Per verificare la direzionalità di un getto,

possono essere d’aiuto i “cerchi di Heuvers”: i cerchi

inscritti nel disegno del getto devono avere diametro

crescente verso la materozza.

La terra da fonderia è formata da sabbia di quarzo (ca.

90%) impastata con argilla (ca. 10%) con piccole

quantità d’acqua per aumentare la coesione e la plasticità. Forme di grande dimensione vengono

poi essiccate in forno (formatura a secco), mentre forme di piccola dimensione possono essere

usate direttamente (formatura a verde).

Nella formatura in sabbia-cemento si usa un materiale costituito dal 90% di sabbia di quarzo e dal

10% di cemento, impastato con una piccola quantità di acqua. In questo modo si ottiene una forma

molto compatta e resistente alla spinta del metallo.

La formatura a guscio prevede un modello necessariamente realizzato in metallo, che viene

riscaldato a 300 °C. Su di esso viene applicato

un prodotto distaccante e depositato una

miscela di sabbia di quarzo e polvere di resina

termoindurente. Il calore fonde la resina che

si lega con la sabbia, formando la prima metà

del guscio. Si forma separatamente la

seconda metà, si accoppiano i due semi-gusci

e si effettua la colata. Il guscio è utilizzabile

per una sola fusione.

Nella formatura con modello in polistirene espanso il modello è, appunto, un modello (a perdere)

in polistirene espanso che crea la forma nella terra che successivamente sarà riempita dal metallo

fuso (che ha il compito di bruciare il modello).

La formatura in conchiglia invece prevede la costruzione della conchiglia, una forma in acciaio

resistente ad alta temperatura, nella quale viene introdotto il metallo fuso. Ovviamente la conchiglia

ha una vita limitata a causa del compito gravoso a cui è

sottoposta, ma che comunque può arrivare a 5000 fusioni in

acciaio, e a 100.000 per fusioni in lega di alluminio. Con

questa fusione si ottengono getti di elevata qualità e

tolleranze strette. Le piccole produzioni aeronautiche non

giustificano però l’elevato costo associato alla costruzione

della conchiglia. La qualità è anche dovuta alla elevata

pressione alla quale si può immettere il metallo fuso, cosa

non possibile nella fusione in terra. Esistono comunque

tecniche di formatura in sabbia che sfruttano una leggera

pressione del metallo fuso, generata con forze esterne o forza

centrifuga (low pressure sand casting). Altre tecniche di

miglioramento del getto prevedono l’utilizzo di leghe di

elevata purezza (premium casting). -3-

1. FONDERIA

La fusione in cera persa è una delle tecniche (come quella in conchiglia) con la quale è possibile

realizzare pezzi estremamente complessi. Si inizia costruendo un modello in cera del pezzo che si

deve stampare, iniettando la cera fusa in uno stampo plastico, contando anche i canali di colata. Se

il modello è piccolo può essere conveniente unire diversi elementi a formare

dei grappoli (clusters), non necessariamente uguali. Si passa poi alla

costruzione dello stampo ceramico: si immerge il grappolo in un impasto

liquido ceramico (caolino), ricoprendolo poi con sabbia fine di quarzo; si

lascia asciugare e si ripete fino a quando si ottiene una consistenza

adeguata. Lo stampo viene liberato dalla cera riscaldandolo ad alta

temperatura, e dopo che è completamente pulito si effettua la colata. Dopo

il raffreddamento lo stampo viene rotto.

La “squeeze casting” è una tecnica di fonderia molto simile allo stampaggio.

Il metallo fuso viene inserito in uno stampo e pressato con un controstampo.

Così si ottengono getti molto compatti.

Quanto detto si applica perfettamente alle leghe di alluminio,

ma per il titanio e le sue leghe ci sono diversi problemi dovuti

all’elevata reattività di quest’ultimo allo stato fuso. La fusione

e la colata del titanio devono quindi avvenire sottovuoto. Il

metallo viene fuso con arco elettrico o electron beam (trattati

più approfonditamente nel capitolo “saldature”), tecniche

che non riescono a sovrariscaldare il metallo, per cui il getto

solidifica in poco tempo. Quindi lo stampo deve essere

riempito rapidamente con l’ausilio di una forza centrifuga. Il

titanio reagisce anche con i normali materiali da fonderia,

quindi è necessario ricorrere a materiali particolari, e si

preferisce comunque asportare lo strato superficiale con

fresatura chimica. Dopo questa operazione il getto può essere

compattato ad alta temperatura (HIP, hot isostatic pressing,

o più comunemente ippatura). Questa operazione riesce ad

eliminare tutte le cavità interne.

Applicazioni nel campo aeronautico

In generale non esistono regole generali per stabilire quando

la fonderia è convenientemente applicabile. Per componenti

semplici la fonderia comporta un aumento dei costi e dei pesi

rispetto alle altre tecnologie. Per componenti di media

complessità e dimensioni si possono avere dei vantaggi,

mentre per dei componenti di complessità medio/alta si può

ottenere una riduzione dei costi. La fusione in terra è

preferibile per pezzi di dimensioni medio/grandi, mentre

quella in cera persa per pezzi di dimensioni medio/piccoli di

elevata complessità. -4-

1. FONDERIA -1-

2. LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

Le lavorazioni per deformazione plastica sfruttano la capacità dei metalli di sopportare deformazioni

permanenti con un aumento delle proprietà meccaniche. Alcuni procedimenti vengono effettuati

ad alta temperatura, poiché in tutti i metalli si osserva, all’aumentare della temperatura, una

diminuzione della tensione di snervamento (minore forza necessaria a produrre la deformazione) e

un aumento dell’allungamento a rottura (maggiore deformazione prima della rottura).

LAMINAZIONE

La laminazione è un processo con il quale è

possibile ridurre lo spessore di un materiale

obbligandolo a passare attraverso 2 cilindri lisci,

ad alta temperatura. Durante la laminazione

deve verificarsi la condizione di trascinamento,

senza la quale il processo non è possibile. Con

riferimento alla figura, detta P la forza che i rulli

scambiano con il laminato al momento

dell’imbocco, la componente Psenα si oppone

all’ingresso del massello. Però per la forza di

attrito si ha una forza T=fP (f è la forza d’attrito)

la cui componente Tcosα tende a far entrare il

massello nel laminatoio. Quindi per avere

trascinamento, “Tcosα>Psenα” cioè “f>tgα”. C’è

cioè un massimo di riduzione di spessore ottenibile da una coppia di rulli. Per diminuzioni maggiori

si opera attraverso treni di “laminazione”, dove ci sono diverse coppie di rulli, e attraverso ognuna

si ottiene una riduzione dello spessore di circa il 20%. I cilindri possono essere lisci per la produzione

di lamiere o sagomati per la produzione di profilati. Le temperature di laminazione sono di 1200 °C

per gli acciai e 450 °C per le leghe di alluminio.

ESTRUSIONE

L’estrusione è un processo nel quale il materiale

viene spinto e obbligato a passare attraverso un foro

che conferisce la forma al pezzo finale. La

lavorazione è tipicamente effettuata ad alta

temperatura. Esiste anche uno schema di

“estrusione inversa”, dove la billetta non si muove

rispetto al contenitore (è la filiera che gli viene spinta

contro), quindi la forza necessaria è minore.

Ovviamente la filiera è l’elemento più importante

nel processo. È sottoposta a sollecitazioni e

temperature elevate per cui è sempre costruita in

acciaio ad alta resistenza. La lavorazione viene

effettuata per elettroerosione (trattata più avanti).

Osservando una filiera in maggior dettaglio, questa

presenta sempre un tratto conico d’imbocco seguito

da un tratto cilindrico (calibratore) che ha la

funzione di conferire la forma finale all’estruso (non dev’essere troppo corto per problemi di usura

e nemmeno troppo lungo per limitare la forza necessaria per realizzare l’estrusione). Nel caso di

elementi non simmetrici richiede particolari accorgimenti perché il materiale tende ad uscire

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2. LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

maggiormente dove incontra meno resistenza, creando

una curvatura nell’estruso come si vede nell’immagine con

un profilo a “T”. La filiera può avere fori multipli per

l’estrusione di più profili contemporaneamente (non

necessariamente tutti uguali). La filiera può essere

lubrificata per aumentare la qualità dell’estruso e per

diminuire la forza necessaria all’estrusione.

TRAFILATURA

La trafilatura è un processo molto simile all’estrusione, ma in questo caso il materiale viene tirato,

anziché spinto, attraverso un foro. La lavorazione è tipicamente

effettuata a temperatura ambiente. Il più comune prodotto

della trafilatura è il filo metallico a sezione circolare. Esiste un

valore limite alla riduzione di sezione con un singolo passaggio,

che è legato alla forza che il filo può sostenere senza rompersi.

Dopo alcuni passaggi si ha incrudimento del materiale, con

conseguente aumento della forza necessaria per la trafilatura e

la possibile rottura del filo. A questo punto è necessario

interrompere il processo e effettuare una ricottura.

STAMPAGGIO

Lo stampaggio è una tecnica di formatura che consiste

nell’obbligare un metallo, riscaldato ad alta temperatura,

a riempire la cavità presente in uno stampo (quasi

sempre formato da stampo e controstampo)

deformandosi plasticamente. In figura una

rappresentazione schematica. I due semistampi vengono

chiusi applicando una forza con una pressa idraulica o

con un maglio. La compressione causa una espansione

laterale e verticale del massello che permette il

riempimento dello stampo. Il massello di partenza ha un

volume più elevato del volume del pezzo da costruire

perché durante lo stampaggio il materiale viene compattato e anche perché non è facile garantire

il perfetto riempimento dello stampo. Il metallo in eccesso fuoriesce in un apposito vano, detto

“canale di bava” che non solo serve per raccogliere il metallo in eccesso, ma anche quando il metallo

molto caldo entra nel canale, che ha spessore di pochi millimetri, si raffredda impedendo

parzialmente l’ulteriore scorrimento del metallo stesso nel canale. Così facendo, continuando la

chiusura dello stampo il metallo tende a riempire le cavità ancora vuote e a compattare il pezzo.

L’aspetto più interessante dello stampaggio è quello di formare

una struttura fibrosa nel materiale, fibre che non sono altro che

i grani allungati durante la deformazione plastica. Si osserva nei

forgiati una elevata resistenza nella direzione delle fibre.

Questo aspetto può essere sfruttato cercando di far coincidere

l’orientamento delle fibre con le direzioni di massima

sollecitazione. Elementi molto sollecitati sono sempre ottenuti

per stampaggio (per esempio i carrelli di atterraggio in campo

aeronautico).

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2. LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

I differenti tipi di stampaggio sono:

- formatura manuale, detta comunemente fucinatura. L’operatore, con uno o più attrezzi,

costruisce il pezzo deformandolo progressivamente. La fucinatura può essere interessante per

produzioni prototipali o per produrre preforme sbozzate da

utilizzare successivamente per lo stampaggio;

- stampaggio di sbozzatura, che produce pezzi sbozzati che

saranno poi lavorati alle macchine utensili. Lo sbozzato viene

ottenuto con un solo stampo (forti spessori e ampi raggi di

raccordo necessari);

- stampaggio convenzionale, generalmente ottenuto con almeno

due stampi (il primo è sbozzatore). Con questa tecnica è possibile

ottenere elementi più complessi e tolleranze più strette, con

spessori anche minori;

- stampaggio di precisione, ottenuto da più di 2 stampi. I raggi di

raccordo e gli spessori possono diminuire e le tolleranze sono più

strette;

- stampaggio per estrusione, che serve per stampare elementi di

forma tubolare aperti da almeno una parte (per esempio i

contenitori in alluminio per pomate);

- ricalcatura ed elettroricalcatura, che utilizza l’effetto Joule per

riscaldare localmente un pezzo. Serve per ottenere pezzi sbozzati

che saranno successivamente stampati. In campo aeronautico lo

stampaggio è prevalentemente

usato per l’elevata resistenza

meccanica dei pezzi stampati

rispetto a quella degli stessi

pezzi ottenuti con altre

tecnologie. Se non fosse per

questo motivo, difficilmente le

piccole serie caratteristiche

delle produzioni aeronautiche

giustificherebbero una tale

scelta.

Il primo aspetto importante di

un elemento stampato è la

linea di separazione dello

stampo, che generalmente

coincide con la massima

proiezione del componente e

può essere piana o irregolare. È

preferibile posizionarla sulla

massima periferia del pezzo

perché è più facile espandere il

metallo su un piano che non

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2. LAVORAZIONI PER DEFORMAZIONE PLASTICA

forzarlo ad entrare in una cavità. Nella scelta del piano di separazione è opportuno considerare le

eventuali forze laterali che si generano a causa della non simmetria del pezzo da realizzare. Questo

problema può essere ovviato inserendo delle guide, o prevedendo un diverso piano di separazione

dello stampo.

Per poter estrarre un pezzo da uno stampo è

necessario che il pezzo presenti opportuni angoli di

spoglia, di circa 5°. I sottosquadri nello stampaggio

sono possibili solo se consentono l’apertura degli

stampi (anche per esempio in un solo semistampo se è

possibile estrarre il pezzo in una certa direzione). I raggi di raccordo dipendono dal tipo di

stampaggio, e devono essere tanto più grandi

quanto maggiore è la distanza dal piano di

separazione dello stampo. Raggi di raccordo

troppo piccoli possono causare rotture negli

stampi e problemi di saldatura fredda nel

materiale (basta guardare la figura, che mostra

le fasi di stampaggio di un componente

simmetrico se non per i raggi di raccordo, uno

più grande ed uno più

piccolo). Qu