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:

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Attrito e lubrificazione

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:

• Pressione di contatto: Può assumere valori variabili dal campo elastico a multipli della tensione di snervamento del materiale lavorato.
• Velocità: Può variare da valori molto bassi, ad esempio nella formatura superplastica, a molto elevati, ad esempio nella formatura mediante esplosione controllata, nella trafilatura di fili sottili e nelle lavorazioni ad alta velocità di taglio.
• Temperatura: Variabile dalla temperatura ambiente a quella di fusione.

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 lubrificante.

Il lubrificante riduce molti effetti negativi dovuti all’attrito:

• Riduce l’aderenza, le forze, la potenza e l’usura dell’utensile.
• Migliora la finitura superficiale.
• Dissipa il calore dall’utensile.

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Forgiatura

• 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.

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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 ℎuniforme 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 edell’energia specifica ℎ:

; = lnLavoro = Volume ∙ 7 89 =9 = ??>ℎ. .<

Se il materiale presenta un comportamento incrudente, con una curva deformazione reale – tensione = @9data da: A la forza esercitata nell’istante generico per deformare il componente diventa:

/ = , 0B .,B dove è il valore della tensione di flusso del materiale, che corrisponde alla deformazione reale.

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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 89D : @9A .A;,C = =< EF19.

Metodo dello slab

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∙,= √3G H

Approssimazione di non aderenza 2 PQ TCoulomb: = ∙ M = ,∙ON S UGVR P√3HM = M =G G H GT 2 ℎ SQTP/ = 2 ∙ Y ∙ 7 M Z( 8Z → / ≃ ,∙0∙ 1^]O VR\√3B>WX H B>WX< /ℎ

Osservazione: La pressione aumenta esponenzialmente verso il centro del campione ed aumenta all’aumentare del rapporto: e dell’attrito. Per un, ,P B`√ materiale incrudente il termie: è sostituito dal valore: .

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Forgiatura di un campione a sezione cilindrica

2 PQ= , ∙ OdM WUG(R√3b 2 2 j incrudente: , → ,lMateriale o≃ , FM =1 ?c BC3ℎ3√efghib ∙ kj/ = Ma Pefghi

Forgiatura in condizioni di adesione (sticking)

Il prodotto del coefficiente di attrito e della pressione è la tensione dovuta Zdall’attrito (tensione superficiale di taglio) che agisce ad una determinata coordinata M all’interfaccia tra componente e stampo. Al Mcrescere 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?sN r1

Attirto di taglio: = ∙ ℎ 2√3H√3T 2 \P/ = 2 ∙ Y ∙ 7 M Z( 8Z → / ≃ , ∙ F ?∙0=1 4ℎ√3B>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 avere in lunghezza.

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Diagramma per la caratterizzazione dell’attrito

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 correttivo ol@u B u

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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.

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Rifilatura (trimming)

• 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)

• 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)

• 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.

Macchine per forgiatura

Macchine per forgiatura: Possono avere forme, capacità di carico, velocità e corse differenti in funzione dei processi per cui sono progettate.

1. Pressa meccanica: Sono limitate in corsa, le velocità di 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 capacità variano da 2.7 MN a 107 MN.

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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 limitate in energia, la massima 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 limitate in forza, in quanto la 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.

Laminazione

• Laminazione: È un processo di riduzione dell’altezza o cambio di sezione di un ℎpezzo 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).

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Parametri geometrici

Parametri geometrici: ℎ ℎdMassimo rapporto di riduzione: j = > Bℎb >b ∆ℎb x

Coefficiente d’attrito: = tan w ≃` zbb √z∆ℎ=

Arco di contatto: \b { z,C

Spessore limite di laminazione: ℎ =c 12,8 ∙ •|Ab 2 \]1 ^

Pressione media sull’arco di contatto: M̅ = C F {b ` 2ℎC3√b

Forza: / = M̅ ∙ \ ∙ ‚b { 1b =/ ?C

Coppia sui rulli: ƒ = 2 ∙ ∙ ∙ \b 2 {a

Potenza applicata: „ = ƒ ∙ …

Velocità del materiale

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.

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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

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 NormaleW W

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Effetti sui grani

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

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

Difetti:

• Ondulazione.
• Difetto nella parte centrale della striscia.
• Difetti laterali.