Tecnologie di produzione

RIASSUNTO DI TDP, PROF. ROMOLI

Studente: Fabrizio di Pietrangelo

1. INTRODUZIONE

La tecnologia è la disciplina che studia i metodi e gli strumenti atti a trasformare le materie prime in

prodotti finiti. La tecnologia della produzione si basa sulla conoscenza delle caratteristiche dei materiali

diverse da quelle fisiche, chimiche e meccaniche; queste caratteristiche saranno contraddistinte come

proprietà tecnologiche, ovvero caratteristiche che i materiali manifestano quando sono sottoposti ad un

qualunque processo di trasformazione che ne permetta il loro impiego in forme più o meno definite.

Oggetto della tecnologia della produzione è quindi la fabbricazione dei pezzi che andranno a formare un

complessivo.

Per realizzare correttamente un pezzo sarà importante avere buone basi di disegno tecnico industriale per

partire da un disegno di progetto e di componente. Il disegno di componente è da dividersi in due tipi:

- disegno di prodotto finito: contiene quotatura e stato delle superfici, con le tolleranze richieste;

- disegno di fabbricazione: contiene informazioni necessarie per i processi di fabbricazione ed è derivato dal

primo.

Il corso si concentra sul disegno di fabbricazione per fare in modo di definire una serie di operazioni da

effettuare per ottenere il pezzo finito; saranno molto importanti le tolleranze, in quanto precisano il

margine di errore relativo ad una o più superfici concesso nella realizzazione del componente.

Le tolleranze sono di vario tipo: ci sono quelle generali (o dimensionali) che definiscono un livello medio di

precisione da applicare per errori dimensionali; e poi ci sono le tolleranze superficiali.

Le tolleranze dimensionali rendono accettabile una dimensione del pezzo se questo rientra in un range di

valori accettabili che si discostano di poco dal valore nominale.

Le tolleranze superficiali, invece, possono riferirsi a errori:

- macrogeometrici per i quali si adottano le tolleranze di

- forma (forma non corrispondente a quella disegnata)

- posizione (posizione relativa della superficie rispetto ad altre non corrette)

- microgeometrici si riferiscono a errori più piccoli di 1/10 mm e sono caratterizzati tramite la rugosità.

RIASSUNTO DI TDP, PROF. ROMOLI

Studente: Fabrizio di Pietrangelo

2. ERRORI MICROGEOMETRICI (RUGOSITÀ)

Dobbiamo sapere che nella valutazione degli errori microgeometrici entrano in gioco varie definizioni di

superfici: La rugosità di una superficie è detta anche tessitura

primaria e compete ai difetti microstrutturali del

materiale e all’interazione tra l’utensile e il materiale; le

ondulazioni rappresentano il profilo tecnico e sono dette

tessitura secondaria e dipendono dalle fluttuazioni

dell’utensile e alle vibrazioni che si innescano durante la

lavorazione della superficie.

Per stimare la rugosità si utilizza il rugosimetro. Questo strumento, utilizzando il pattino sulla sua punta,

scorre in tiro (e non a spinta) sulle parti più alte della superficie, perciò utilizza come riferimento il profilo

tecnico e rileva l’ondulazione. C’è da sapere che lo strumento effettua nuove registrazioni ogni volta che

percorre una lunghezza di cut-off (in genere 0,8 mm); di queste lunghezze si scartano le due misurazioni

effettuate all’inizio e alla fine dell’avvio dello strumento, questo perché il sistema, durante la sua

accessione e il suo spegnimento, fa variare la velocità e va a falsare la misurazione.

Se faccio variare il valore per cui vale il cut-off ottengo una variazione della Ra.

Sul pattino del rugosimetro è presente il palpatore, realizzato in punta di diamante o granati sinterizzati, ha

l’apice di 2-3 μm di raggio di raccordo ed è riferito al pattino tramite una cerniera. Il pattino è costituito in

modo che pochissima forza si scarichi tra palpatore e superficie in modo che il palpatore non risenta

dell’attrito. Una volta rilevato il profilo, si procede con il calcolo della rugosità media

aritmetica:

Si fissa un sistema di riferimento con una linea media (LM)

= 0

Questa linea media è tale per cui ∫

0 ||

Si ribaltano le valli e si calcola l’area totale: ∫

0

Questa area delle valli sarà uguale all’area del rettangolo equivalente: Ra*L

||

∫ ∑ | |

0 =0

Dunque si ottiene Ra = oppure Ra = (sistemi discreti)

Un altro tipo di rugosità è quella totate R definita come l’escursione tra valle più bassa e cresta più alta.

T

Grandi valori di rugosità rendono il materiale duro. RIASSUNTO DI TDP, PROF. ROMOLI

Studente: Fabrizio di Pietrangelo

3. METROLOGIA

Abbiamo visto come misurare gli errori microgeometrici, ma ora è fondamentale capire come fare a

valutare gli errori macrogeometrici di forma e di posizione. Ad esempio, un controllo dimensionale ci dice

quanto l’oggetto in questione si discosta dalla quota nominale e se lo scostamento è tollerabile.

Partiamo con il definire alcuni parametri metrologici che uno strumento possiede:

- Sensibilità (o risoluzione): la più piccola variazione che lo strumento può misurare

- Precisione: grado di convergenza dei dati rilevati rispetto al valor medio della serie a cui

appartengono

- Accuratezza: differenza tra valor medio della serie a cui appartengono i dati e valore ideale da

realizzare

- Ripetibilità: grado di concordanza tra più serie di misure eseguite sul medesimo oggetto, quando le

singole misurazioni sono effettuate lasciando immutate le condizioni di misura

- Riproducibilità: concordanza dei risultati della misura al variare di una o più condizioni (metodo di

misurazione, operatore, strumento, luogo e condizioni ambientali, etc)

Adesso vediamo i principali strumenti di misura manuali; avremo il calibro e il micrometro che sono di

misura assoluta (ovvero che forniscono una misura che non dipende da alcun campione); come campioni di

misura abbiamo i blochetti Johansson; infine troviamo comparatore, alesamentro e calibro passa non passa

come strumenti di misura relativa (ovvero che ci dicono come è il pezzo rispetto ad un campione di misura).

• CALIBRO

Composto da una asta graduata in mm e in inch, sulla quale scorre un corsoio che porta incise le

due scale relative ai due tipi di valori presenti sull’asta. Tali scale prendono il nome di nonio ed esse

contengono sottomultipli del millimetro. Il corsoio e l’asta sono dotati di ganasce e becchi per

misurare spessori, diamentri interni ed esterni; all’estremità opposta il corsoio termina con una

sottile asta per rilevare le profondità.

Abbiamo diversi tipi di calibri a seconda di quante le divisioni sul nonio. C’è il calibro decimale(rileva

1/10 mm), ventesimale(rileva 1/20 mm) e cinquantesimale(rileva 1/50 mm).

• TRUSCHINO GRADUATO -> è un calibro speciale e viene utilizzato per identificare gli assi nei fori

durante le lavorazioni alle macchine utensili

• MICROMETRO

Il calibro non può misurare variazioni piccole di dimensioni in quanto può misurare al massimo

variazioni che stanno sui 20 μm, perciò si utilizza il micrometro (può misurare anche i centesimi di

millimetro).

È uno strumento formato da una incudine che chiude il pezzo da misurare su uno stativo mentre

una vite, messa in rotazione da un tamburo, avanza fino a toccare il pezzo. Esistono diversi

micrometri in funzione delle misure dei pezzi che possono misurare; questo si fa perché misurare

pezzi grandi con micrometri grande andrebbe a danneggiare la vite e rendere inefficiente lo

strumento.

• BLOCCHETTI JOHANSSON (DI RISCONTRO PIANO PARALLELI)

Sono strumenti che servono ad azzerare gli strumenti comparativi. Troviamo 6 classi di precisione

con errore dell’ordine di 0,1-0,2 μm. Hanno le superfici elettrolucidate, perciò possono essere

impegnati singolarmente o come combinazione di più blocchetti collegati tra loro, sono poco

sensibili alla variazione di calore. RIASSUNTO DI TDP, PROF. ROMOLI

Studente: Fabrizio di Pietrangelo

• COMPARATORE

Utilizzato per calcolare lo spostamento di un oggetto rispetto ad un altro, oppure per la verifica

della planarità o ortogonalità tra due superfici, o ancora per la verifica della cilindricità rispetto ad

un asse. Ha una risoluzione pari al centesimo di millimetro.

Viene azzerato ponendolo sui blocchetti Johansson (posti ad una dimensione pari a quella nomiale)

e girando la ghiera si imposta lo zero facendolo coincidere con la lancetta.

• ALESAMETRO

Utilizzato per comparare i fori.

In genere viene azzerato mediante anello di azzeramento: si incastra il tastatore nell’anello e si

procede con il basculamento nel foro fino a quando non si rileva la quota minima. Una fatto ciò si

muove la ghiera per far coincidere lo zero con la quota minima

• CALIBRO PASSA NON PASSA

Esistono da interni o da esterni e servono a valutare il diametro di fori o il diametro di esterni.

Hanno il difetto di essere molto costosi. RIASSUNTO DI TDP, PROF. ROMOLI

Studente: Fabrizio di Pietrangelo

4. CENNI ALL STRUTTURA DEI MATERIALI METALLICI

Visto che in questo corso andremo a lavorare termicamente i materiali, occorre studiare un minimo ciò che

accade all’interno della struttura che compone il materiale.

C’è da sapere che nei solidi gli atomi non sono in movimento, ma è loro consentita solo la vibrazione

derivante dal movimento degli elettroni. Dunque, è l’energia potenziale (forze di attrazione) a prendere il

sopravvento e a formare il reticolo. Quando la temperatura cresce molto, gli elettroni di un corpo solido

vibrano così forte da far ritrasformare l’energia potenziale in cinetica (il corpo passa allo stato liquido).

Le sostanze solide possono presentarsi allo stato:

- Amorfo: atomi e molecole occupano lo spazio in modo disordinato;

- Cristallino: atomi disposti ordinatamente e legati a determinate posizioni. Questo reticolo può

avere diverse possibilità di simmetria. Considerando una porzione del reticolo cristallino, la più

piccola possibile tale da mantenere ancora tutte le caratteristiche di simmetria del cristallo,

otteniamo una cella elementare.

Ci sono diverse strutture cristalline:

- Materiale monocristallino: la cella unitaria si ripete in tutto il materiale (l’unico in natura è

il diamante);

- Materiale policristallino: è formato da un insieme di regioni cristalline dette grani cristallini

a diversa orientazione.

La formazione dei cristalli avviene durante il passaggio dei metalli dal passaggio da liquido a solido. Il

fenomeno prende il nome di cristallizzazione e ha inizio spontaneo da più punti della massa liquida; in

questi punti, che si dicono nuclei di cristallizzazione, gli atomi rallentano si dispongono casualmente con

una certa simmetria o addirittura secondo una forma prossima a quella di una cella elementare.

In seguito, i nuclei captano altri atomi ed i cristalli si accrescono ordinatamente fino a quando non

interferiscono tra loro andando a formare i bordi. A questo punto la crescita si arresta.

Ci sono casi in cui si ha scambio termico in una direzione preferenziale e i nuovi cristalli seguono nuove

direzioni andando a creare una struttura dendritica. Questo può andare ad influenzare le proprietà

meccaniche del materiale.

Il fatto che a volte i grani siano disposti in modo non ordinato, oppure che possano rimanere impurità

bloccate nei bordi, fa si che si verifichi il fenomeno dell’anisotropia: una struttura reticolare, seppur

perfetta, presenta proprietà fisiche e meccaniche diverse a seconda delle direzioni o dei piani di riferimento

considerati. Queste direzioni dipendono dai piani a maggiore densità atomica visto che gli scorrimenti

preferenziali avvengono proprio sui questi piani. Questi piani possono variare per via di vari difetti che

possono esserci nel reticolo.

֍ Abbiamo difetti puntuali in cui la struttura del reticolo differisce da quella teorica a causa di:

- Presenza di atomi estranei (sostituzionali se si trovano in posizione normale di reticolo, interstiziali

se sono interni al reticolo)

- Disordine con il quale gli atomi si dispongono nel reticolo e possibile vacanza di atomi nel reticolo.

֍ A seguire ci sono anche difetti di linea: le dislocazioni. Le dislocazioni sono imperfezioni lineari formatesi

durante la crescita dei cristalli o a seguito di sollecitazioni esterne. La presenza delle dislocazioni spiega

RIASSUNTO DI TDP, PROF. ROMOLI

Studente: Fabrizio di Pietrangelo

come mai lo sforzo tangenziale per provocare lo scorrimento secondo i piani preferenziali risulta molto

inferiore rispetto allo sforzo calcolato usando l’energia di legame.

֍ Infine, troviamo i difetti più complessi: quelli di superficie. In questi casi i grani cristallini crescono

riproducendo la disposizione di celle elementari ma con orientamento differente tra loro. Ne consegue una

struttura a mosaico che è intrinsecamente fonte di difetti in quanto non riproduce la continuità tra le celle

elementari in grani adiacenti. Inoltre, bordi dei grani si arricchiscono di elementi di impurità segregati dal

liquido durante la solidificazione in celle elementari. Si ha che il bordo del grano è quindi una zona critica

dove si addensano dislocazioni ed elementi chimici diversi.

Quando le dislocazioni arrivano al bordo del grano si dice che il materiale ha subito snervamento; se

continuo a eseguire uno sforzo sul materiale otterrò l’incrudimento di quest’ultimo con conseguente

deformazione plastica permanente. Per abbassare il grado di incrudimento di un materiale lo si deve

riscaldare al di sopra della temperatura critica di ricristallizzazione, temperatura per la quale si possono

formare nuclei di ricristallizzazione (e quindi nuovi piani di scorrimento).

L’incrudimento aumenta la resistenza meccanica, la durezza, il limite elastico. Allo stesso tempo diminuisce

la deformabilità (duttilità e malleabilità), la resilienza.

I metalli puri non presentano i requisiti richiesti per l’impiego tecnico. Sarà necessario inserire nel metallo

puro alti metalli per modificarne profondamente le proprietà. Si ottengono le leghe metalliche.

Allo stato solido le leghe presentano tre tipi di forme cristalline:

- Cristalli misti o soluzioni solide: il solvente è il metallo e i soluti sono gli elementi di alligazione. Le

forze di attrazione sono le medesime tra atomi uguali e atomi diversi;

- Composti intermetallici: sono a concentrazione fissa tipo A B come formula chimica. Le forze di

x y

attrazione sono maggiori tra atomi diversi.

- Cristalli eutettici: sono miscugli di solidi a due fasi in cui le forze di attrazione sono minori tra atomi

diversi.

Per capire che differenza c’è nell’ottenimento di una lega binaria rispetto alla solidificazione di un solo

materiale puro si utilizzano le curve di raffreddamento. Queste curve esprimono la temperatura della lega

in funzione del tempo. Raggiunta la temperatura di solidificazione si avrà un diverso andamento della curva

in funzione della varianza del sistema calcolabile grazie alla regola delle fasi di Gibbs:

RIASSUNTO DI TDP, PROF. ROMOLI

Studente: Fabrizio di Pietrangelo

A questo punto si costruisce il diagramma di

equilibrio: ha lo scopo di consentire la rapida

individuazione delle fasi presenti in una lega in

determinate condizioni di temperatura e di

concentrazione. In questi diagrammi riusciamo

ad individuare i punti critici di un composto

formato da A e B in cui variano le loro

concentrazioni.

Si hanno tre diverse possibilità di miscibilità delle leghe, vediamole una alla volta:

1) Completa solubilità allo stato solido

Quando i due componenti sono solubili allo strato solido e sono

capaci di dar luogo alla formazione di cristalli misti, il diagramma di

equilibrio è il seguente:

La solidificazione ha inizio in t2 con la formazione di cristalli misti di

soluzione solida, tra t2 e t3 la temperatura non è costante e

abbiamo la coesistenza di liquido e solido, a t3 si ha la completa

formazione del solido.

2) Insolubilità allo stato solido

I due componenti non sono solubili allo stato solido e cristallizzano ciascuno per contro proprio dando

luogo a cristalli di corpi semplici. Raffreddando una lega di composizione X, la solidificazione avrà inizio nel

punto C con la deposizione di un cristallo di A puro. Nel punto D avremo una certa quantità di A che si è

depositata; il liquido rimanente risulta più povero di A e più ricco di B, tanto è vero che la sua

concentrazione è rappresentata del punto DL. Col proseguire del raffreddamento il liquido si concentra

sempre di più di B, fino ad F dove il liquido ha concentrazione E e vi è la comparsa di una nuova fase, cioè di

cristalli puri di B.

La solidificazione prosegue a temperatura

costante dando luogo ad un aggregato finissimo di

cristalli di A e di B che prende il nome di eutettico;

similmente il punto E nel diagramma si dice punto

eutettico. La lega che ha il punto di fusione più

basso è quella con la composizione eutettica. Un

eutettico fonde a T costante e la sua curva di

raffreddamento è uguale a quella di un metallo

puro. RIASSUNTO DI TDP, PROF. ROMOLI

Studente: Fabrizio di Pietrangelo

3) Scomparsa della solubilità

A volte i componenti di una lega binaria sono

solubili allo stato solido e danno luogo a cristalli

misti solo al di sopra di una certa temperatura

mentre non sono solubili a temperature inferiori.

Raffreddando una lega di composizione X si ha

che la solidificazione ha inizio nel punto 1 e

termina nel punto 2 sotto forma di cristalli misti.

Nel punto 3 la soluzione solida inizia a decomporsi

segregando il costituente A per cui nel punto 4

avremo un po’ di soluzione solida e un po’ di A

segregato. Nel punto 5 si separa dalla soluzione

anche il componente B con la formazione di una finissima