Tecnologia meccanica

Processi di Deformazione di Volume:

Sono processi in cui le dimensioni e forme desiderate sono ottenute attraverso la

deformazione plastica dei metalli tramite l’applicazione di forze esterne. Lo

strumento, generalmente denominato matrice (die), applica una tensione che

supera il carico di snervamento del metallo, e quest’ultimo assume la forma

determinata dalla geometria dello stampo. Sono caratterizzati da:

- Alti cambiamenti di diametro e dimensioni.

- Elevato indurimento del materiale.

- Alte forze, deformazioni e sollecitazioni dell’utensile.

Questi processi sono suddivisibili in base alla temperatura alla quale vengono fatti:

Pregi Difetti

1) Costo dei materiali degli 1) Elevate forze.

utensili basso. 2) Limitatezza della deformazione

plastica.

2) Bassa influenza della velocità

di formatura.

Deformazione a 3) No costi di energia per il

Freddo riscaldamento.

4) No errori dimensionali

causati dal rimpicciolimento.

5) Qualità superficiale alta.

6) Aumento durezza del

componente.

1) Potenziamento del pezzo. 1) Tensioni di flusso elevate.

Deformazione 2) Basso campo di tolleranza 2) Energia iniziale per il

Intermedia causato dal rimpicciolimento. riscaldamento.

3) Buona qualità superficiale.

1) Il pezzo può essere 1) Alta energia per il

significativamente alterato. riscaldamento.

2) Alta duttilità. 2) Elevati costi di materiale per gli

Deformazione a 3) Incrudimento circa nullo. utensili.

Caldo 3) Errori dimensionali causati dal

ristringimento.

4) Vita utensile breve.

5) Perdita di materiale e finitura

causata dall’ossidazione.

1

Un aspetto molto importante è l’attrito, che non è desiderabile in quanto:

Il flusso di metallo è ridotto.

Le forze e la potenza aumentano.

Gli utensili si usurano più velocemente.

Si distinguono due attriti:

→ = ∙

Attrito Coulombiano

→ = ∙ 0≤ ≤1

√

Attrito di Taglio

Lubrificazione:

Nelle lavorazioni dei materiali, l’interfaccia tra utensili, matrici, stampi e pezzo è

soggetta a molte variabili, tra le quali le più importanti sono:

- Può assumere valori variabili dal campo elastico a

Pressione di Contatto:

multipli della tensione di snervamento del materiale lavorato.

- Può variare da valori molto bassi (ad esempio nella formatura

Velocità:

superplastica) a molto elevati (ad esempio nella formatura mediante

esplosione controllata, nella trafilatura di fili sottili e nelle lavorazioni ad alata

velocità di taglio).

- Variabile dalla temperatura ambiente a quella di fusione.

Temperatura:

Quando due superfici strisciano una contro l’altra in condizioni di pressioni, velocità

e/o temperature elevate ed in assenza di strati protettivi all’interfaccia, attrito ed

usura risultano inevitabilmente consistenti. Attrito ed usura, però, possono essere

ridotti interponendo tra le due superfici una sostanza in grado di diminuire la

tensione di taglio necessaria per permettere lo strisciamento. Questa sostanza è

detta Il lubrificante riduce molti effetti negativi dovuti all’attrito:

lubrificante.

- Riduce l’aderenza, le forze, la potenza e l’usura dell’utensile.

- Migliora la finitura superficiale.

- Dissipa il calore dall’utensile. 2

• Forgiatura:

È un processo caratterizzato dall’applicazione di forze di compressione mediante

l’utilizzo di stampi. Può essere effettuata a diverse temperature:

A freddo → 0.3 = Temperatura di Fusione(.

A media temperatura → 0.3 0.3.

Ad alta temperatura → * 0.6.

Ci sono tre tipologie di forgiatura:

1. Ricalcatura (open – die forging):

Avviene posizionando una billetta cilindrica tra due stampi piani e

riducendone l’altezza mediante un’azione di compressione. La superficie tra i

due stampi può essere piana oppure cava. In figura è

mostrato il

processo di

ricalcatura di un

provino cilindrico

in condizioni

ideali, cioè senza

attrito.

In figura è mostrato il processo di ricalcatura

di un provino cilindrico in condizioni reali,

cioè in presenza di attrito all’interfaccia

stampo – componente. È ben visibile il

fenomeno di imbarilimento: le forze di

attrito all’interfaccia pezzo – stampo si

oppongono all’avanzamento del materiale

all’interfaccia, originando una forma finale

simile ad un barile.

3

Osservazione: Nei processi di ricalcatura a

caldo, l’imbarilimento è molto più pronunciato.

Infatti in prossimità del contatto tra stampo e

pezzo, quest’ultimo si raffredda. Come si

evince dal grafico accanto, la resistenza al

flusso plastico decresce al crescere della

temperatura, per cui le due facce a contatto

con lo stampo presentano una resistenza

maggiore alla deformazione rispetto alla parte

centrale del pezzo.

Forze e lavoro di deformazione in condizioni ideali: ,,

Se l’attrito all’interfaccia stampo – pezzo è nullo ed il materiale ha un

comportamento perfettamente plastico con una tensione di snervamento

,.

la tensione normale di compressione sulla sezione cilindrica del campione è

ℎ

uniforme e pari al valore della tensione di snervamento La forza esercitata

.

sull’altezza (altezza finale) è:

/ = ,0 0 = Sezione trasversale(

. .

4:

Il lavoro di deformazione è dato dal prodotto del volume del campione e

dell’energia specifica ℎ

: ; = ln

Lavoro = Volume ∙ 7 89 =9 = ??

>

ℎ

. .

< Se il materiale presenta un

comportamento incrudente, con una

curva deformazione reale – tensione

= @9

data da: A

la forza esercitata nell’istante generico

per deformare il componente diventa:

/ = , 0

B .

,

B

dove è il valore della tensione di

flusso del materiale, che corrisponde

4

alla deformazione reale. L’espressione per il lavoro fatto è:

,C( (

Lavoro = Volume( ∙ 9

.

,C

dove rappresenta il valore della tensione di flusso media ed è data da:

@ 9 89

D : @9

A .A

;

,C = =

< EF1

9

.

Metodo dello slab: Metodo che serve per l’analisi delle tensioni e delle forze

nei processi di lavorazione massiva. Si definisce un elementino di materiale e

si identificano tutte le tensioni normali e dovute all’attrito agenti

sull’elemento.

• Forgiatura di un componente rettangolare in condizioni di stato di

deformazione piana (sliding): Hp:

- Elemento Prismatico.

- Stato di Deformazione Piano.

- Criterio di Von Mises: 2∙,

= √3

G H

Approssimazione di non aderenza 2 PQ T

Coulomb: = ∙ M = ,∙O

N S UGV

R P

√3

H

M = M =

G G H G

T 2 ℎ SQT

P

/ = 2 ∙ Y ∙ 7 M Z( 8Z → / ≃ ,∙0∙ 1^

]O V

R

\

√3

B>WX H B>WX

< /ℎ

Osservazione: La pressione aumenta esponenzialmente verso il centro del

T

P

campione ed aumenta all’aumentare del rapporto: e dell’attrito. Per un

, ,

P B`

√

materiale incrudente il termie: è sostituito dal valore: .

5

• Forgiatura di un campione a sezione cilindrica:

2 PQ

= , ∙ O

dM WUG(

R

√3

b 2 2 j incrudente: , → ,

lMateriale o

≃ , F

M =1 ?

c B

C

3ℎ

3

√

efghi

b ∙ kj

/ = M

a P

efghi

• Forgiatura in condizioni di adesione (sticking): M

Il prodotto del coefficiente di attrito e

della pressione è la tensione dovuta Z

dall’attrito (tensione superficiale di taglio)

che agisce ad una determinata coordinata

M M

all’interfaccia tra componente e stampo. Al

M

crescere di verso il centro, aumenta.

Tuttavia, il valore non può raggiungere

p.

valori superiori a quelli della tensione di

M = p snervamento del materiale, La

condizione per cui è conosciuta come condizione di adesione.

Approssimazione di adesione 2 \

, M = , ∙ F ∙= Z?s

N r1

Attirto di taglio: = ∙ ℎ 2

√3

H

√3

T 2 \

P

/ = 2 ∙ Y ∙ 7 M Z( 8Z → / ≃ , ∙ F ?∙0

=1 4ℎ

√3

B>WX H B>WX

<

Osservazione: In figura è mostrata l’espansione laterale

del materiale degli spigoli di base. Si può

notare come l’aumento della larghezza sia

molto maggiore di quello in lunghezza.

Infatti il materiale tende a scorrere nella

direzione di minore resistenza. A causa

della grandezza minore, nella direzione

della larghezza del provino la resistenza dovuta ad attrito è minore di quanto si

viene ad aver in lunghezza. 6 Diagramma per la

caratterizzazione dell’attrito

in base alla prova di

compressione dell’anello.

Dopo che la prova di

compressione dell’anello è

completata, vengono

misurate e trovate le

variazioni del diametro

interno e dell’altezza.

Dall’incrocio di questi due

.

parametri, si può misurare il

coefficiente di attrito

Lo stappo potrebbe essere

efficacemente spostato a

deformazioni più alte sovrapponendo

delle tensioni di compressione

(mediante l’utilizzo di un fluido).

2. Forgiatura in stampo (impression – die forging):

Si usa uno stampo ed il pezzo viene

deformato fino ad assumere la

forma della cavità. Rimangono

sempre delle parti del pezzo che

fuoriescono dallo stampo (flash) e

sono sottoposte ad alti attriti, bloccando l’ulteriore fuoriuscita di materiale e

forzando il riempimento corretto della cavità. La forza necessaria alla

deformazione in questo caso è superiore a causa dell’attrito del pezzo e della

parte che fuoriesce:

/ = @ , 0 = Coefficiente correttivoo

l@

u B u 7

Osservazione: Carico di forgiatura in funzione della corsa

3. Forgiatura in stampo chiuso (closed – die forging):

È simile alla “impressione – die forging”,

ma senza la fuoriuscita del materiale. La

quantità di materiale necessaria deve

essere calcolata esattamente, così come la

deformazione per impedire il flusso di

materiale nelle giunzioni dello stampo

prima della chiusura completa. Richiede

sforzi inferiori e si raggiungono maggiori

precisioni sui pezzi.

Difetti: Una quantità eccessiva di

materiale nelle costole che

collegano parti massive in

forgiatura possono generare

problemi correlati ai fenomeni di

instabilità e provocare pieghe.

Se la zona di collegamento è

troppo spessa, il materiale in

eccesso presenta un flusso che si

va a sovrapporre alle parti già

formate, generando dei difetti

interni.

8

• Rifilatura (trimming):

È un processo di taglio per rimuovere la bava dal pezzo

lavorato per forgiatura in stampo (impression – die forging).

Generalmente viene effettuata quando il pezzo è ancora

caldo.

• Coniatura (coining): È un processo che permette di ottenere dettagli

molti fini e complicati sulla superficie del pezzo di

lavoro. Non si può far uso di lubrificanti per il

rischio che rimangano intrappolati nelle cavità dello

stampo e quindi si impedisca il completo

riempimento della cavità stessa da parte del

materiale.

• Indentatura (piercing):

Un punzone indenta la superficie dello sbozzato per

produrre una cavità con una forma specifica. Lo sbozzato

può essere vincolato nella cavità dello stampo o può

essere libero. La forza dipende dalla forma dell’area

trasversale, dalla forma del punzone, dalla tensione di

flusso del materiale e dall’attrito all’interfaccia.

Possono avere forme, capacità di carico, velocità e corse

Macchine per Forgiatura:

differenti in funzione dei processi per cui sono progettate.

1. Pressa Meccanica: Sono le velocità di

limitate in corsa,

lavoro variano da un valore massimo nella parte centrale

della corsa ad un valore nullo in prossimità del punto

morto inferiore. Alte forze possono essere applicate. Alti

ritmi produttivi (in quanto sono più facili da

automatizzare). Le capacita variano da 2.7 MN a 107 MN.

9

2. Pressa a Vite: Derivano l’energia di funzionamento dal

movimento di un volano mantenuto in rotazione che

determina lo spostamento verticale della vite alla quale

è ancorata la slitta. Sono (la massima

limitate in energia

energia di forgiatura è pari all’energia cinetica

immagazzinata nel volano posto in rotazione). Sono

adatte per produzioni di lotti di piccola quantità e di

componenti dove è richiesta un’elevata precisione

dimensionale. Hanno un campo di capacità che varia da

1.4 MN a 280 MN.

3. Pressa Idraulica: Sono caratterizzate da una bassa

velocità di lavoro e sono in quanto la forza

limitate in forza,

massima applicabile dipende dalla pressione garantita

dall’impianto idraulico. Sono in grado di utilizzare una

grande quantità di energia nella deformazione del

componente. La velocità della slitta può essere modulata

durante la corsa e questo le rende adatte sia per

operazioni di forgiatura in stampo aperto che chiuso. Il

campo delle capacità varia da 125 MN a 405 MN.

• È un processo di riduzione dell’altezza o cambio di sezione di un

Laminazione: ℎ

pezzo attraverso la pressione applicata tramite due rulli rotanti. Una striscia di

>

ℎ v

materiale di spessore entra tra i rulli e viene ridotta ad uno spessore finale

B W

mediante l’azione dei rulli che ruotano alla velocità periferica .

HP:

- Stato di Deformazione piano.

- Criterio di Von Mises.

- Il contatto tra i rulli ed il metallo

è una parte di un cerchio.

- Il coefficiente di attrito è

costante (varia lungo l’arco di

contatto).

10

Parametri geometrici: ℎ ℎ

dMassimo rapporto di riduzione: j = > B

ℎ

b >

b ∆ℎ

b x

Coefficiente d attrito: = tan w ≃

` z

b

b √z∆ℎ

=

Arco di contatto: \

b { z,C

Spessore limite di laminazione: ℎ =

c 12,8 ∙ •

|A

b 2 \

]1 ^

Pressione media sull arco di contatto: M̅ = C F {

b ` 2ℎC

3

√

b Forza: / = M̅ ∙ \ ∙ ‚

b { 1

b =/ ?

Coppia sui rulli: ƒ = 2 ∙ ∙ ∙ \

b 2 {

a Potenza applicata: „ = ƒ ∙ …

Velocità del materiale: v

Il punto dove la velocità di superficie del rullo

W uguaglia la velocità della lamiera è chiamato punto

neutro o punto di non slittamento (aderenza). Prima di

questo punto, i rulli si muovono più velocemente del

materiale dello sbozzato, mentre dopo l’asse neutro il

materiale si muove più velocemente. Le forze di attrito

prima dell’asse neutro sono maggiori di quelle che

giacciono dopo l’asse. Il risultato è una forza risultante di attrito che trascina la

lastra tra i rulli, rendendo possibile il processo di laminazione. Inoltre, la forza di

attrito risultante e la velocità sulla superficie dei rulli devono avere la stessa

direzione, quindi l’asse neutro è localizzato verso l’uscita.

Andamento della pressione:

1. La distribuzione di pressione non arriva ad un forte picco al

punto neutro.

2. L’area sotto la curva è proporzionale al carico di laminazione.

3. L’area in tratteggio rappresenta la forza richiesta per vincere

le forze di attrito.

4. L’area sotto la linea tratteggiata rappresenta la forza

richiesta per deformare il metallo nel piano di compressione

omogenea. 11

Distribuzione della pressione (adimensionale) in funzione dell’attrito:

All’aumentare dell’attrito:

- Aumenta la pressione richiesta di laminazione

- Il punto neutro si sposta verso la zona in ingresso

- Aumenta la riduzione percentuale dell’area

Al diminuire dell’attrito:

- Diminuisce la pressione richiesta di laminazione

- Il punto neutro si sposta verso la zona in uscita

- I rulli iniziano a slittare

- Diminuisce la riduzione percentuale dell’area

Tensione di Tiro e Contro – tiro: La tensione di contro – tiro può

essere generata dal controllo

della velocità di contro – tiro,

relativa alla velocità di rullo.

La tensione di tiro può essere

creata attraverso il controllo del

tiro. La tensione di contro – tiro è

„

circa due volte più efficace nel

ridurre il carico della tensione

di tiro.

Condizione d’imbocco: / = Forza d attrito

`

sin w

/ cos w ≥ „ ‡

„ = Forza Normale

W W

12

Effetti sui grani: In figura è mostrato il cambiamento

nella struttura del grano cristallino dei

metalli durante la laminazione a caldo.

La riduzione delle dimensioni di grano

nei metalli determina un aumento della

resistenza meccanica e della duttilità.

Flessione dei rulli ed imbarilimento:

Le forze che si vengono ad avere durante un

processo di laminazione tendono a deformare i rulli,

con il risultato che la striscia di materiale è più spessa

nella sua parte centrale rispetto alle estremità. Per

evitare questo problema, i rulli vengono lavorati in

modo che il diametro nella parte centrale sia

maggiore di quello alle estremità laterali. Questa

curvatura è chiamata bombatura.

Difetti: (a) Ondulazione.

(b) Difetto nella parte centrale della striscia.

(c) Difetti laterali.