Risposte d'esame Tecnologia meccanica

INTRODUZIONE

1. Cos’è la tecnologia meccanica e di cosa si occupa?

La tecnologia meccanica è un ramo dell’ingegneria meccanica che studia i

processi per fabbricare prodotti finiti da immettere direttamente sul

mercato, per fabbricare componenti da accoppiare con altri o per

assemblare i componenti in prodotti complessi, rendendo così possibile il

passaggio dal progetto al prodotto finito.

2. Produzione per parti

La produzione per parti è il processo di realizzazione di prodotti complessi

a partire da un numero discreto di componenti, i divide in due fasi, la

fabbricazione e il montaggio; la fabbricazione indica i processi sulla

singola parte, che può essere immessa direttamente o indirettamente sul

mercato, mentre il montaggio è l’insieme dei processi che unisce le varie

parti per avere come risultato: un sottoassemblato se è solo una parte

funzionale di quello che sarà il prodotto finito (come può essere un

motore, che però andrà montato in un’automobile) e un assemblato se il

risultato stesso sarà il prodotto finito; con la produzione per parti nasce

anche il disassemblaggio, con cui il prodotto finale subisce un processo di

deproduzione e i vari componenti possono subire riuso (se vengono

utilizzati in altri assemblati), rilavorazione (se devono subire altri processi

di lavorazione per poi essere assemblati in un altro prodotto) o riciclo (se

vengono sfruttati per riciclare il materiale per altre operazioni).

3. Produzione per processo

La produzione di processo indica che il prodotto non è scomponibile a

ritroso; infatti, gli elementi iniziali del processo non sono più distinguibili

tra loro, come nel caso della produzione di acciaio, che non permette di

distinguere il ferro e il carbonio al suo interno.

4. Dove si colloca la tecnologia meccanica all’interno del ciclo di vita del

prodotto?

Inizialmente, tramite ordini dai clienti o tramite ricerche/previsioni di

mercato da parte delle aziende, si capisce quale prodotto il mercato

richieda, quindi si inizia la progettazione del prodotto finale; una volta

finito di progettare il prodotto entra in gioco la tecnologia meccanica,

pianificando i processi di produzione e progettando il sistema di

produzione, in seguito si programma la produzione e si passa alla

fabbricazione vera e propria, in parallelo al controllo della produzione; una

volta finito il processo di fabbricazione/assemblaggio finisce l’area

d’interesse della tecnologia meccanica, poiché si entra nel campo

distribuzione, immissione sul mercato, fine vita e assistenza clienti.

5. Settori industriali di applicazione della tecnologia meccanica

La tecnologia meccanica viene applicata nei settori di: automotive

(fabbricando i vari componenti e assemblandoli), aerospaziale

(fabbricando componenti per aerei e supporti spaziali), elettrodomestici

(fabbricando la componentistica degli elettrodomestici casalinghi) e

produzione di energia (fabbricando i componenti degli impianti di

produzione energetica).

6. Processi fondamentali di fabbricazione nel settore meccanico

I processi fondamentali nel settore meccanico si dividono in tre categorie

in base al processo effettuato: processi di formatura, processi di

collegamento e processi di finitura; nei processi di formatura abbiamo: la

formatura da liquidi (in cui un metallo viene fatto fondere e portato oltre la

temperatura di fusione, poi viene versato dalla siviera in cui è contenuto

in una forma che replica il negativo della geometria esterna del pezzo

finale, qui si raffredda e si instaurano legami tra le molecole che formano

una struttura cristallina solida), la formatura da polveri (principalmente

tramite sinterizzazione, con cui sottopongo una serie di polveri metalliche

a pressioni elevate e a temperature inferiori a quella di fusione, si parla

specificatamente di metallurgia delle polveri in questo ambito), le

lavorazioni per deformazione plastica (sottopongo un blocco di metallo

solido a forze esterne che generano tensioni superiori a quella di

snervamento del materiale, così si formano deformazioni plastiche con cui

vengono rotti i legami molecolari iniziali per formarne di nuovi in nuovi

assetti, viene richiesto che il materiale sia sufficientemente duttile per

evitare che si arrivi a rottura subito dopo aver superato il punto di

snervamento), le lavorazioni sottrattive (in cui rimuovo materiale,

coerentemente con la forma che si desidera ottenere, tramite azioni

meccaniche come nella rimozione di truciolo in cui il pezzo viene messo in

rotazione, lo strumento apposito viene posto in moto relativo rispetto al

pezzo e vengono messi a contatto così da generare un’azione meccanica

di rottura dei legami, il materiale di scarto viene definito come sfrido), le

lavorazioni additive (nelle quali il materiale è liquido o polvere e viene

aggiunto sotto forma di strati successivi, così si eliminano limiti geometrici

e si riduce di molto la produzione di scarti rispetto alle lavorazioni

sottrattive), i processi di collegamento (ovvero il pezzo finale è

determinato dal collegamento di più componenti, sono permanenti, come

la saldatura, se per rimuovere il collegamento è necessario danneggiare la

struttura del pezzo, altrimenti i collegamenti sono effettuati tramite organi

smontabili come viti e dadi quindi sono non permanenti) e i processi di

finitura (servono a migliorare la finitura superficiale dei pezzi e la

precisione dimensionale, riduce le irregolarità e migliora l’estetica e la

funzionalità, come nei processi di sabbiatura e pallinatura).

7. Interazione tra i processi e relazione tra processi e materiali

Successivamente ai processi di formatura da liquido o da polveri, si

ottengono pezzi grezzi, su cui posso effettuare lavorazioni per

deformazione plastica o sottrattive, a cui possono seguire processi di

collegamento o di finitura, posso anche fargli subire trattamenti termici e

collaudi prima di immetterli sul mercato; i processi e i materiali sono posti

in relazione tramite un’apposita matrice di compatibilità che permette di

capire l’affinità tra i due, la matrice è stata dedotta con il tempo e si può

costruire anche per materiali specifici.

8. Principali caratteristiche di processo

Le principali caratteristiche di processo sono determinate da: la geometria

(la complessità geometrica rende disponibili o meno certi processi, la

fonderia permette forme molto complesse, le lavorazioni per

deformazione plastica no), il materiale (influenza le proprietà, quindi si

ricerca il processo corretto per ogni materiale), le proprietà meccaniche (il

processo può modificare le proprietà meccaniche del materiale

allontanandole dalla richiesta per il pezzo finale, la fonderia non fornisce

elevate proprietà meccaniche a causa di strutture dendritiche, soffiature e

grani di dimensioni troppo grandi), le tolleranze e finiture superficiali

(precisione e rugosità dipendono dal processo, la fonderia fornisce pezzi

rugosi, ma con processi di finitura aggiuntivi posso migliorarli), la

produttività (il numero di pezzi ogni ora, è inversamente proporzionale al

tempo richiesto), i fattori umani (un operatore più esperto riuscirà a

produrre pezzi di miglior fattura e in minor tempo) e i fattori ambientali

(l’impatto ambientale è importante, le deformazioni plastiche non hanno

scarti, mentre la fonderia rilascia fumi e scorie).

9. Elementi che concorrono alla realizzazione di un processo

In input ho: i materiali (che subiranno il processo), le risorse (come la

strumentazione richiesta), le informazioni riguardo il ciclo di lavorazione e

l’energia per portare avanti il processo; in output ho: i materiali (del pezzo

finito e degli scarti), le informazioni riguardo il pezzo finito e l’energia

(recuperabile e persa).

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FONDERIA

10. Fonderia dei metalli

La fonderia è un processo produttivo con cui un blocco di metallo solido

viene portato a fusione e a temperature superiori sempre all’interno di

una siviera, se si ha una forma chiusa viene successivamente versato in

un bacino di colata, per poi passare in un canale di colata, giunge infine

ad un canale di alimentazione e poi grazie a uno o più attacchi di colata

entra nella forma, una volta nella forma il fuso inizia a raffreddarsi e

solidificarsi ottenendo la geometria desiderata, infatti la forma è il

negativo del pezzo che desideriamo ottenere (dimensionato considerando

anche ritiri e lavorazioni sottrattive successive); consente di ottenere

forme complesse per questo la si preferisce per pezzi complessi e con

cavità interne, inoltre permette di utilizzare materiali altrimenti impossibili

da lavorare diversamente e ha costi più bassi delle altre tecnologie di

formatura, però produce pezzi dalla bassa resistenza e dall’elevata

porosità, con livelli di precisione dimensionale bassa a cui aggiungo anche

l’elevato impatto ambientale a causa del rilascio di fumi e scorie; i prodotti

della fonderia si dicono pani se verranno utilizzati per ulteriori processi di

fonderia, lingotti se dovranno subire lavorazioni di deformazione plastica e

getti se sono utilizzabili direttamente a meno di lavorazioni secondarie

(come la finitura).

11. Campi di utilizzo dei prodotti dei processi di fonderia

I prodotti dei processi di fonderia si utilizzano in campo automobilistico

(getti di ghisa, di acciaio e di leghe di alluminio e magnesio per

componenti strutturali e getti di lega di zama che comprende più metalli

per gli accessori), nella meccanica varia (getti di ghisa dai differenti

scopi), nei trattori e nelle macchine per movimento di terra (getti in ghisa

o acciaio per componenti strutturali, getti in alluminio per il resto), nei

motocicli (getti in leghe di alluminio, ghisa, alluminio e zama per le varie

componenti), nell’edilizia (getti in ghisa), nell’aerospaziale (getti in acciaio

per i motori, getti in leghe di alluminio e magnesio per altre parti

importanti), nella produzione di energia elettrica (getti in acciaio per le

giranti delle turbine) e nell’idrosanitaria ed elettrodomestici (getti in ghisa

o in alluminio per caldaie, stufe, radiatori eccetera).

12. Esempi di parti fabbricate mediante fonderia

Le parti fabbricate mediante fonderia spaziano in diversi campi e utilizzi e

alcuni esempi sono: testate di motori, rubinetteria, volani, dischi freno,

basamenti di macchine utensili, raccordi di tubazioni, caloriferi, valvole e

in generale pezzi di grandi dimensioni con processi di formatura

alternativi.

13. Forma

La forma è la cavità in cui si versa il metallo fuso e che riproduce il

negativo della geometria esterna del pezzo finale, a meno di alcuni

dettagli (come gli angoli di sformo, che facilitano l’estrazione del pezzo,

ma non è detto che coincidano con gli angoli realmente richiesti), è

dimensionata tenendo conto dei ritiri del metallo (in fase liquida, durante

la solidificazione e in fase solida anche se solo quello in fase solida

influenza le dimensioni finali del getto) e delle lavorazioni che potrebbe

subire successivamente; può essere di diversi materiali, solitamente è in

terra se si cerca una forma transitoria (ottenuta per compattazione

attorno a un modello) oppure in metallo se si cerca una forma permanente

(ottenuta scavando opportunamente le conchiglie); può essere aperta se

una delle sue superfici è a diretto contatto con l’ambiente circostante e

chiusa se nessuna superficie è a contatto con l’ambiente circostante, però

questa configurazione richiede la presenza di un sistema di colata e di una

materozza (la forma chiusa inoltre viene divisa tramite un piano di

sformatura per la rimozione dei modelli e dei getti, inoltre se è in terra si

utilizzano una staffa base e una staffa coperchio per chiuderla); per

determinare la geometria interna del getto si utilizzano delle anime,

solitamente dello stesso materiale della forma e che sfruttano appositi

appoggi dette portate d’anima per resistere alla spinta metallostatica del

fuso (se si appoggiano solo su un’estremità si dicono anime esterne, se su

entrambe allora sono anime interne).

14. Forma chiusa

La forma chiusa ha che nessuna superficie della forma sia a contatto con

l’ambiente esterno, ciò richiede che per versare il fuso al suo interno sia

fatto un apposito sistema di colata costituito da: bacino di colata (qui il

fuso si riversa inizialmente dopo essere uscito dalla siviera, garantisce un

flusso costante e regolato di fuso nel sistema di colata), il canale di colata

(canale verticale che converte l’energia potenziale del fuso in energia

cinetica), il canale di alimentazione (che fornisce un apporto costante di

fuso agli attacchi di colata distribuendolo equamente nella cavità) e gli

attacchi di colata (possono essere molteplici e consentono al fuso di

entrare nella cavità della forma); può essere transitoria (solitamente in

terra da fonderia e quindi si ottiene compattando il materiale attorno al

modello, poi le due porzioni ottenute tramite il piano di sformatura

vengono chiuse utilizzando una staffa base e una staffa coperchio, così si

impedisce alla spinta metallostatica di aprire la forma) o permanente (di

solito in leghe metalliche, che devono quindi avere temperatura di fusione

superiore alla temperatura di surriscaldamento del metallo liquido, è

ottenuta scavando appositamente le semiconchiglie che compongono la

forma, questa soluzione permette di versare il fuso non solo per gravità,

ma anche sotto azione di pressione grazie a un sistema di pompaggio che

può essere a camera fredda se il fuso entra nel sistema di pompaggio

stesso e poi gli viene applicata pressione o a camera calda se il sistema di

pompaggio è immerso nel fuso, quindi si distinguono presso-fusione e

inietto-fusione); per realizzare la geometria interna del getto si utilizzano

le anime, ovvero elementi solidi (solitamente dello stesso materiale della

forma) che riproducono in negativo la geometria interna desiderata, per

resistere alla spinta metallostatica del fuso si appoggiano su apposite sedi

ricavate nella forma dette portate d’anima, se poggiano su una sola

estremità si dicono anime esterne, se su entrambe si dicono anime

interne.

15. Classificazione dei processi di fonderia in base al tipo di forma

Le forme possono essere transitorie o permanenti: le forme transitorie

sono solitamente composte da terra da fonderia compattata attorno ad un

modello che viene successivamente espulso differentemente in base al

materiale che lo compone, la compattazione può essere manuale o

meccanica in base all’ausilio o meno di apposite strumentazioni, il fuso

viene colato esclusivamente per gravità poiché velocità eccessive

andrebbero a dar vita a erosioni della forma, il getto finale viene estratto

rompendo la forma, mentre le forme permanenti sono solitamente

composte da una lega metallica, la forma viene ottenuta eliminando

materiale dalla conchiglia che la compone, permette l’applicazione di

pressione nella colata del fuso vista la maggior resistenza strutturale,

richiede un sistema di chiusura e uno di apertura, la forma metallica

accelera il raffreddamento del fuso portando ad un getto con numerosi

grani fini e il loro costo elevato va necessariamente ripartito su un elevato

numero di pezzi; la forma si differenzia ulteriormente in base al modello in

una forma transitoria (modello permanente va estratto come il getto e si

può utilizzare per fare più forme, mentre un modello a perdere viene

eliminato in base al materiale, se è un modello in cera allora viene sciolto

prima della colata e appositamente rimosso, mentre se è in schiuma

ovvero polistirene espanso, vaporizza appena entra in contatto col fuso

metallico e fuoriesce dalla forma), mentre nelle forme permanenti posso

avere distinzione basata sulle anime (se a perdere posso avere colata con

gravità o in depressione, mentre se sono permanenti posso avere colata

sotto pressione in camera calda o in camera fredda in base all’immersione

del sistema di pompaggio nel fuso o meno), oppure con lo squeeze casting

(il materiale viene colato a bassa pressione, per poi subire una forte

pressione durante il raffreddamento).

16. Scelta del processo di fonderia

La scelta del processo di fonderia dipende da numerosi parametri: le

dimensioni del getto e la sua complessità geometrica, le proprietà

meccaniche ricercate nel getto, le tolleranze e finiture superficiali, il

materiale colato, il volume di produzione e il suo costo; per getti molto

grandi conviene utilizzare forme transitorie, che hanno costi minori

rispetto alle permanenti, che inoltre richiederebbero grandi forze di

serraggio nel caso di colata sotto pressione; pezzi complessi con numerosi

spigoli è conveniente farli con modelli a perdere che non richiedono angoli

di sformo, però ciò impone l’utilizzo di forme transitorie; in generale la

fonderia non produce pezzi dalle elevate proprietà meccaniche, ma ci

sono modi per diminuire questa debolezza, infatti forme permanenti in

metallo consentono un raffreddamento più rapido del fuso e quindi vanno

a formare grani più fini che conferiscono migliori proprietà rispetto alla

forme in terra che hanno minor conducibilità termica; la fonderia non

consente nemmeno di avere tolleranze strette o finiture precise, però con

una forma permanente la rugosità sarà sicuramente migliore, inoltre la

possibilità di effettuare la colata sotto pressione consente di avere una

minore entità di ritiro e quindi tolleranze più strette; il tipo di materiale

influisce molto sul tipo di processo di fonderia perché da lui dipendono la

temperatura di fusione e quella di colata (in base alla quale scelgo le

conchigli